西气东输管道坡面水毁风险等级初步评估

西气东输管道坡面水毁风险等级初步评估

唐林 1 李岁论 2 赵俊侠 3, 任婧宇 3 边 峰 4 吕 斌 5 周家辉 6 张锐 6

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所 陕西杨凌 712100; 2.陕西省交通建设集团公司 黄延分公司 陕西延安 716000;

3.黄河上中游管理局，陕西西安 710021；4.黄河水土保持天水治理监督局，甘肃天水 741000；5.西安黄河工程监理有限公司，陕西西安 710021;6.西北农林科技大学 资源环境学院 陕西杨陵 712100)

摘要： 由于西气东输管道沿线地区环境及地质条件复杂，灾害类型及其影响要素较多，各种灾害相对于管道的发生部位、致灾原因以及灾害危险级别也必然不同。根据管道水毁灾害初步评估体系的理论与实践，并结合管道工程的特点，针对不同的坡面水毁提出直接、易判的水毁影响要素（含主控因素），依据各要素对风险灾害的贡献大小，按权重为各要素赋分，确定了水毁灾害风险等级。增强了其在运营管理中的可操作性，评估方法可供今后管道水毁评价工作参考。

【关键词】西气东输管道,坡面水毁灾害,风险源识别,风险等级

西气东输管道工程是国家“十五”期间特大型重点基础设施建设工程，也是我国西部大开发政策的标志性工程（见图1）。干线工程西起新疆塔里木轮台县的轮南镇，东至上海西郊的白鹤镇，涉及新疆、甘肃、陕西、浙江、上海等9省（区）一市，从西向东，管道几乎经过了我国所有的地形地貌，地理环境的多样性和复杂性在世界上也是罕见的。此外，先后在宁夏中卫、陕西延水关、河南郑州三次穿跨黄河，在安徽一次穿越淮河，在南京一次穿越长江，全长约4200km。西气东输管道工程在管道运行中坚持以人为本、预防为主、科学管理、环境创优、走良性循环和可持续发展道路健康安全环境方针，制定了追求零伤害、零事故、零污染的健康安全环境战略目标。

图1西气东输管道工程

1西气东输管道工程概述

由于管道从西向东途经了戈壁、沙漠、黄土塬、山地、平原等地形，地形地貌极为复杂，对维护及安全运行工作提出了严竣的挑战。特别的西气东输甘肃段，在西部，管道通过400 km的戈壁沙漠，这一带气候恶劣、风沙肆虐、人迹罕至，深入这一地区，就是对生命极限的一种挑战，而且由于土壤的稳定性差，洪水流向具有不确定性，汇水冲蚀管道回填方，尤其是在汛期，一场暴雨就可能导致无防护工程的管道外露、错位，监控信号中断等；在中东部，管道通过黄土高原，严重的水土流失和大面积的失陷性黄土是管道安全的最大威胁，因管道敷设过程中扰动了原地貌，极易发生管堤塌陷，地面下沉，现有水工保护工程损毁等现象。因此，要实现这一战略目标，管道维护及安会运行工作仍然十分艰巨。主体工程完工后，为了将管道建设成为“绿色管道”、“生态管道”、“环保工程”，紧接着启动了水工保护、水土保持植被恢复工程。实践证明，水工保护工程及水土保持植被恢复工程的实施，对管道的安全运行起到了至关重要的作用。西气东输管道横贯我国东西，不可避免地穿越山地、黄土塬等地质地形条件复杂的地区，加之降雨和人类活动的影响，这些地区常常会发生各类地质灾害，威胁管道的安全。由于坡面水毁灾害具有突发性和快速成灾性等特点，因而已成为部分管道亟需防治的主要灾害。

随着我国西气东输管道建设的飞速发展和管道等级的普遍提高,特别是西部大开发战略进一步实施,广大中西部地区、边远山区公路建设蒸蒸日上, 西气东输管道已成为地区经济发展和人民生活水平提高的先决条件.但是,由于自然环境的恶化、全球气候变暖以及人类活动范围的延伸,雨季多发的管道水毁等自然灾害不仅毁坏西气东输管道基础设施,而且直接影响到西气东输管道的安全,约束着管道建设的进度、广度和力度,严重制约了管道建设发展和抓住机遇迎难而上加快全面建设小康社会的步伐。管道沿线，环境及地质灾害发育种类、数量都具有较大的地域分布特点。新疆段发育灾害类型主要为管道水毁、盐渍土、风沙和泥石流，其中以管道水毁最为普遍；甘肃段发育灾害类型主要为：管道水毁和湿陷性黄土陷穴，其中以管道水毁最为严重；宁陕段发育灾害类型主要为：管道水毁、崩滑地质灾害、以及风沙灾害，其中管道水毁和崩滑地质灾害最为严重；山西段发育灾害类型主要为：管道水毁和崩滑地质灾害，两者都很严重；豫皖段发育灾害类型主要为：管道水毁和采空塌陷；苏浙沪段发育灾害类型主要为：管道水毁。

2西气东输工程管道坡面水毁分类

坡面水毁属管道水毁的一种，多发生于管道横向或顺向穿越的一些山前洪冲积扇、黄土塬、土石山区和丘陵地区，水毁方式主要以横切管道，顺蚀管沟，和溯源侵蚀为主。坡面水毁主要由坡面水力侵蚀引起，坡面水力侵蚀强弱主要取决于降雨、坡度、土壤（含水量、粒径大小、粘粒含量、内摩擦角等）、植被、以及坡长和人为作用等因素。其中，降雨、坡度和人为作用影响最大。此外，坡面水毁的严重程度还决定于管道的铺设情况，埋深、施工扰动、回填等因素，以及管道的穿越方式，横向穿越、斜向穿越和顺向穿越等。

西气东输工程管道水毁，主要指在西气东输管道沿线由“水”引发的一类环境及地质灾害。按地形特点，可将水毁分为坡面水毁和河沟道水毁两大类，因此，坡面水毁整治中，原则上要求：一要降缓坡度，二要夯实管道填土；在河沟道岸坡坍塌整治中，原则上要求：一要减缓弯道水力比降；二要护住坡脚。坡面水毁按照一般和特殊主要分为两种形式：一般坡面水毁和崾岘水毁。

2.1一般坡面水毁

一般坡面水毁分布较广，几乎存在于所有的地貌单元中。但是水毁成因、水毁形式、水毁程度，以及对管道的危害却因地而异，差别很大。按形成机制以及灾害发生处地形等条件的不同,可将水毁分为坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁三大类。

新疆段坡面水毁主要存在于山前洪积扇上，地形纵坡坡度平缓，管道多横向穿越，水毁主要以横切为主。坡面水毁诱因主要是管堤阻水，改变地表水环境，面蚀变股状沟蚀，冲毁管堤，侵蚀基准面一般为原地面，继续下切不明显，危害性较小；但是，对于山前沟口堆积扇，地形纵坡坡度较大，上游汇水，外加新疆特殊的气候、植被、地质条件，来水量大、流速快、下切剧烈，危害性较大，应该重点识别和评估此类点。

甘肃段坡面水毁主要存在于山前冲洪积平原和山地。

山前冲洪积平原，地形纵坡坡度平缓，管道多横向穿越，水毁主要以横切为主。坡面水毁诱因是多方面的：管堤阻水，改变地表水环境，面蚀变股状沟蚀，冲毁管堤，侵蚀基准面一般为原地面，继续下切不明显，危害性较小；人类工程活动（上游高速公路、铁路设置大量的排水涵洞，以及西部管道设置的过水面等）的影响，这些工程多为西气东输管道敷设完毕后上马，工程的实施，极大地改变了管道上游侧地面水环境，面蚀变股状沟蚀，剧烈冲刷管堤，继续下切十分明显，危害性较大，应该重点识别和评估此类风险点。

山坡地段，地形纵坡坡度较陡，管道横向穿越、斜线穿越或顺向穿越，水流横切管道，顺蚀管沟，或溯源侵蚀，管道覆土变薄。其中，顺蚀管沟往往使得管道长距离露管或悬空，整体来说较其他两种水毁方式更为严重，应该重点识别和评估此类风险点。

宁陕段、山西段坡面水毁主要以崾岘水毁对管道影响最为严重（见图2）。一般坡面水毁多位于山坡地段，地形纵坡坡度较陡，管道多以斜线穿越或顺向穿越为主，水流顺蚀管沟，致使长距离管道覆土变薄，露管或悬空，危害性较大，应该重点识别和评估此类风险点。

豫、皖、苏、浙、沪段坡面水毁发育较少，多发育在管道顺向穿越的一些丘陵或坡地，以顺蚀管沟为主，由于植被恢复较快，水毁较弱，危害性小。

2.2 崾岘水毁

黄土崾岘水毁主要由其地形、土质和降雨决定。崾岘水毁是坡面水毁的一种特殊形式，多发育在宁陕和山西段的黄土崾岘地段，管道多顺坡顶（分水岭）走向敷设，两侧边坡或单侧边坡地形陡峻，水毁以溯源侵蚀为主，两侧沟头向中间分水岭方向快速后退，致使管道悬空。主要表现方式：

(1）对于已做水工保护的崾岘（见图3），由于水工保护不完善，在有措施和无措施交接部位形成断头渠，水流由此开始向分水岭方向溯源侵蚀，水流下跌，并形成落水洞，对管道产生潜在危害。

图4 DE280管道穿越的崾岘部位浆砌块石一、二级护坡表面出现鼓胀裂缝（近看）

(2）或因填土崾岘产生不均匀沉降（自身固结压密及降雨影响），致使衬砌护坡发生拉裂、下错，潜在风险大（见图4）；

(3）对于天然崾岘，两侧或单侧边坡地形陡峻，外加黄土的特殊工程性质，坡面冲刷十分剧烈，局部产生深切冲沟、发生浅层滑塌、崾岘宽度逐渐变窄，对坡顶敷设的管道造成极大的潜在危害。显然对于崾岘水毁风险源要重点关注和评估。

3西气东输工程管道坡面水毁要素

基于打分法所考虑的因素，并结合西气东输管道（干线）沿线坡面水毁灾害的一般特点，为了更好地反映和识别出可能存在的的潜在风险点，针对不同的坡面水毁提出直接、易判的水毁影响要素（含主控因素），依据各要素对风险灾害的贡献大小，按权重为各要素赋分。

3.1一般坡面水毁要素

3.1.1水毁要素

对于一般坡面水毁，所考虑的风险要素主要包括：

(1）坡面的面蚀或沟蚀程度。即坡面有无冲沟，冲沟深度等。已有冲沟的坡面比完整坡面的风险性大，冲沟发育深的坡面较浅的坡面风险性大；

(2）沟床纵坡坡度。指的是沟蚀冲沟的沟床水力坡降，坡度的大小直接影响水流的冲刷强度，在一定坡度范围内坡度越大，冲刷越强烈，风险也越大；

(3）管道覆土厚度。指的是管道现状实际埋深，覆土厚度的大小直接影响管道安全，现场可通过仪器探测或直接揭露获取；

(4）水保设施。首先考虑管道及附近水保设施的有无，其次考虑水保设施的好坏，有水保设施的点较没有水保设施的点风险大，风险大小和水保设施的破坏程度有关，往往是破坏越严重，风险越大。

(5) 管道位置。针对从坡脚平缓地带横向或斜向穿越的管道，由于水力坡降的影响，管道距离坡脚陡~缓转折点的远近直接影响该点的水毁风险级别。据现场实际调查和灾点统计，一般以5m为界，距离大于5m的点要较小于5m的风险小。

各要素赋分说明(见表1)

表1 一般坡面水毁各要素赋分说明情况表

备注说明：

①一般坡面冲刷强度与坡度不成正比，一般在15～35º时，冲刷最为强烈；5～15º，35～70º时冲刷一般；当坡度小于5º，而大于70º时，反而不再发生冲刷;

②管道的安全埋深（设计埋深），对一般平地或坡地部位根据规范要求：对于1、2级地区旱地最小覆土厚度为0.6m，水田0.8m，岩石类0.5m；3、4级地区土壤类均为0.8m，岩石类0.5m。西气东输管道沿线（干线）坡面水毁地段一般为土体，出于偏安全考虑，安全埋深取0.8m;

③ “水保设施完全损毁”指的是由于水流的强烈下蚀、侧蚀，而导致的水保设施坍塌、断裂或下陷等，完全不再具有水保作用。

3. 1.2 主控要素

一般坡面水毁的主控要素如下：

(1）已经形成深切冲沟（新近冲刷深度大于0.5m） 60分；

(2）管道露管或覆土厚度小于0.5m 60分；

(3）水保设施基本损毁 100分；

3. 2崾岘水毁要素

3.2.1水毁要素

对于崾岘水毁，所考虑的风险要素主要包括：

(1）崾岘横向宽度。崾岘的横向宽度直接影响敷设管道的安全，窄陡崾岘（横向宽度小于10m，即指一般的“伴行路型崾岘”）的风险要远大于宽缓崾岘（横向宽度大于10m，即指一般的“农田型和荒地型崾岘”）；

(2）崾岘土体的扰动性。一般崾岘部位主要为人工填土、原状土。人工填土疏松多孔，抗冲刷力弱，工程性质较原状土差很多；

(3）坡顶截流沟的设置状况。即包括截流沟有、无，以及运行状况。没有设置坡顶截留沟的话，坡顶水流汇聚沿坡面下泄，坡面冲刷严重，风险性大；

(4）坡面排水沟的设置状况。即包括排水沟有、无，以及排水沟是否完全做到坡底，排水沟衬砌情况等；

(5）坡面及排水沟的变形状况。即包括是否开裂或下沉，以及开裂和下沉程度。开裂或下沉，说明崾岘填土变形大，由于开裂，水流灌入，加速破坏连续面的贯通，产生整体或局部滑塌，严重威胁管道安全。通常变形的大小与风险大小成正比；

(6）由排水沟未做到坡底形成的断头渠发育状况。包括断头渠以及由跌水形成的落水洞发育情况，有、无，以及距管道的距离。

(7）坡面植被状况。即崾岘两侧坡面植被的恢复和生长状况，植被恢复好(“高大，茂密，已起到滞水固土作用”)，坡面水土流失少，崾岘水毁级别可相应降低。反之，植被一般(“低矮，稀疏，未起到滞水固土作用”)，坡面水土流失严重，崾岘水毁级别维持不变。

各要素赋分说明(见表2)

表2崾岘水毁要素赋分说明情况表

3.2.2 主控要素

崾岘水毁的主控要素如下：

1）未作任何工程防护措施的天然崾岘，深大溯源侵蚀冲沟（新近冲刷深度大于0.5m）已靠近分水岭； 100分；

(2）坡面及排水沟严重开裂并局部下沉 100分；

(3）排水沟衬砌及护坡严重开裂 60分；

(4）断头渠及落水洞已靠近分水岭、距管道5m之内 60分；

4坡面水毁风险等级初步评估及评定等级处理

4.1 风险等级的划分及评估步骤

4.1.1风险等级的划分

根据对整个坡面水毁灾害风险评估体系的理论与实践，对该灾害风险等级确定如下：

(1）上述各要素累计风险评估分值大于100分，为一级风险点；

(2）上述各要素累计风险评估分值60～100分，为二级风险点；

(3）累上述各要素计风险评估分值小于60分，为三级风险点。

4.1.2具体灾害点位的风险等级评估步骤

(1）判断是否属于一般坡面水毁、崾岘水毁，选取不同的评定体系；

(2）首先参照指标体系，调查是否存在主控要素所描述的水毁现象，一旦出现主控要素，即可为灾害定级，其余项可不再考虑；

(3) 调查未发现主控要素时，就要参照指标体系，各项打分，最后把各项分数进行求和。

4.1.3 风险初评等级的处理

如前考虑的打分，一般分值越大风险级别越高，本指南把风险划分为三个级别。其中，一级风险为最大风险，三级风险为最小风险，二级居于二者中间。针对不同的风险级别，可提出不同的处理措施：

(1）对于一级风险点，应立即上报完整性管理工作小组，对此类风险灾害点进行详细调查、测绘、搞清致灾机理，并结合管道设计特征，进行风险性评估，依据评估等级作出相应的治理措施。

(2）对于二级风险点，应上报完整性管理小组，若工程量小可由管理处自行处理，并上报完整性管理小组备案；

(3）对于三级风险点，可由管理处自行备案、处理。

5 其他应注意的问题及水毁修复程序

5.1为了便于长期观察、统计、搞清灾害发生规律，现场需要获取一些定量参数，例如地形纵坡坡度，坡长，以及管道现状实际埋深(m)；同时为了专家和高层管理更好的了解灾害点的成灾环境特点，需要简单调查灾点周围的地质条件，以及灾点的管线敷设特征。

5.2此外，为了更好、更加形象地反映灾点情况，建议对灾害点绘制平面示意图和剖面示意图，并现场拍摄有代表性的典型灾害点照片。

5.3水毁修复程序。水毁后一般性修复工作宜按照以下程序进行：管制→清理→调查检测→确定技术方案→工程设计→组织实施→核查验收。

6 结论

西气东输管道水毁按地形分为坡面水毁和河沟道水毁两类。西区段和东区段以坡面水毁发育为主, 中区段坡面水毁和河沟道水毁都很发育。另外, 坡面水毁主要发育在第四系冲洪积物、粘土岩组和砂土岩组, 以及松散岩组中; 河沟道水毁主要发育在黄土和砂泥岩组中。坡面土体越松散, 坡度越大, 越容易发生坡面水毁; 河沟道凹岸处地弯道曲率越大, 河沟床水力比降越大, 岩土体越松软, 越容易发生岸坡坍塌。因此, 坡面水毁整治中, 原则上要求: 一要降缓坡度, 二要夯实管道填土；在河沟道岸坡坍塌整治中, 原则上要求: 一要减缓弯道水力比降; 二要护住坡脚。

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