具有膨胀性质的滑坡体,不宜采用的滑坡防泊工程的措施是()。
A、反压土方
B、减重
C、修建抗滑挡土墙
D、设树枝状排水沟
【正确答案:B】
整治滑坡的方法,归结起来可以分为三类:
一是消除或减轻水对诱导滑坡的影响;二是改变滑坡外形、增加滑坡的抗滑力;三是改变滑带土石性质,阻滞滑坡体的滑动。所有这些措施,都需要具体情况具体分析,有针对性地使用,才能收到“药到病除”的好效果。例如,对于由地下水作用引起的滑坡,在事先弄清地下水补给来源、方式、方向、位置和数量的基础上,主要采用截水盲沟、盲洞、仰斜钻孔等工程加以排除;对于因江河冲刷引起的滑坡,应着重修筑河岸防护工程;对于因挖方修建铁路、公路,破坏了山体平衡,采用抗滑挡墙、抗滑桩等支撑措施来恢复平衡,效果比较显著,对于因地表渗水或自然沟水补给而引起的滑坡体滑动,则宜采取地面铺砌防渗、地表排水及沟床铺砌等措施;对于因滑动带土质不良而引起的滑动,可考虑采用灌浆、焙烧等改良土质的办法,也可以采用疏干工程来减少水的作用;对于大滑坡或滑坡体连续分布的区段,如果处理起来在技术上还不过关,经济上不合算,可以考虑使工程建筑设施避开滑坡的影响范围;对于中小型滑坡,工程建筑要避工它们正在活动的前部,如果条件允许的话,也可以将小型滑坡全部清除。
各地防治滑坡的实践表明,凡是采用排除地下水措施的,都收到了效果,凡是采用支挡工程措施的,只要设计无误,而且支挡工程埋基于滑床之下的足够深度,一般也取得了迅速稳定滑坡的效果;凡是单纯采用减重措施的,都不能最终稳定滑坡,减重措施必须与支挡或排水措施相结合才能见到成效。总之,在防治滑坡时,必须牢记因地制宜,综合治理,力求根治,不留后患。防治工程一般有以下几种基本方法:
(一)排水工程
1、排除地表水:滑坡的发生和发展,与地表水的危害有密切关系。所以,设置排水系统来排除地表水,对治理各类滑坡都是适用的,对治理某些浅层滑坡,效果尤其显著。常用的地表排水方法,是在滑坡可能发展的边界5 米以外,设置一条或数条环形截水沟,用以拦截普遍引自斜坡上部流向斜坡的水流。通常,沟深和沟底宽度都不小于0.6 米。为了防止水流的下渗,在滑坡体上也应充分利用自然沟谷,布置成树枝状排水系统,使水流得以汇集旁引。如地表条件许可,在滑坡边缘还可修筑明沟,直接向滑坡两侧稳定地段排水。如果滑坡体内有湿地和泉水露头,则需修筑渗沟与明沟相配合的引水工程;地在表水下渗为滑坡主要原因的地段,还可修筑不同的隔渗工程。当地表出现裂缝或滑坡体松散易于地表水下渗时,都要及时进行平整夯实,以防地表水渗入。另外,在滑坡地区进行绿化,尤其是种植阔叶树木,也是配合地表排水、促使滑坡稳定的一项有效措施。
2、排除地下水:地下水通常是诱发滑坡的主要因素,排除有害的地下水、尤其是滑带水,成为治理滑坡的一项有效措施。滑坡地下排水系统包括截水盲沟、支撑盲沟、盲洞、仰斜钻孔、渗管、渗井、垂直钻孔以及砂井与平孔相结合、渗井与盲洞相结合等工程设施。其中的深盲沟和盲洞,由于造价较高、施工困难,效果又不太稳定,一般很少采用。截水盲沟设置于滑坡可能发展范围5 米以外的稳定地段,与地下水流向垂直,一般作环状或折线形布置,目的在于拦截和普旁引滑坡范围以外的地下水。这种盲沟由集水和排水两部分组成,断面尺寸由施工条件决定,沟底宽度一般不小于1 米。盲沟的基底要埋入补给滑带水的最低一层含水层之下的不透水层内。为了维修和清淤的方便,在截水盲沟的转折点和直线地段每隔30-50 米,都要设置检查井。支撑盲沟。是一种兼具排水和支撑作用的工程设施。地于滑动面埋藏不深,滑坡体有大量积水,或地下水分布层次较多、难于在上部截除的滑坡,可考虑采用修建盲沟的办法来进行治理。支撑盲沟布置在平行于滑坡滑动方向有地下水露头处,从滑坡脚部向上修筑。有时在上部分岔成支沟,支沟方向与滑动方向成30°-45°交角。支撑盲沟的宽度根据抗滑需要、沟深和便于施工的原则来确定。一般采用2-4 米。盲沟基底应砌筑在滑动面以下0.5 米的稳定地层中,修成2-4%的排水纵坡。如果滑坡推力较大,可考虑采用支撑盲沟与抗滑挡墙结合的结构形式,这种联合形式的防治效果更好。仰斜孔群。是一种用近于水平的钻孔把地下水引出,从而达到疏干滑坡体、使滑坡稳定的措施。仰斜排水孔的位置,可按滑体地下水分布情况,布置在汇水面积较大的滑面凹部。孔的仰斜角度应按滑动面倾角以及稳定的地下水面位置而定,一般采用10°-15°。孔径的大小由施工机具和孔壁加固材料决定,可以从几十毫米到一百毫米以上。如果仰斜排水孔作为长期的排水通道使用,那么孔壁就需要用镀锌铜滤管、塑料滤管或竹管加固,也可用风压吹砂填塞钻孔。当含水土层(如黄土)渗透性差时,可采用砂井——仰斜排水孔联合排水措施,以砂井聚集滑坡体内的地下水,用斜孔穿连砂井并把水排出。在这种排水措施中,原则上斜孔应打在滑动面以下。砂井的井底以及砂井与斜孔的交接点,也要低于滑动面。砂井中的充填料应保证孔隙水可以自由流入砂井,而砂井又不会被细粒砂土所淤积。垂直孔群。是一种用钻孔群穿透滑动面,把滑坡体内储藏的地下水转移到下伏强透水层,从而将水排泄走的一种工程措施。每一种工程措施都有一定的适用条件,垂直孔群的适用条件是:滑坡体土石的裂隙度高、透水能力强、在滑动面下部存在的排泄能力强的透水层。垂直孔群一般是在地下水集中地区和供水部位,采用成排排列的方式进行布置。每排孔群的方向应垂直于地下水的流向。排与排的间距约为孔与孔间距的1.5 至5 倍。排水钻孔的孔径,要求每孔的设计最大出水量应大于钻孔实际涌水量。为了达到钻孔排水的目的,每个钻孔都必须打入滑动面以下的强透水层中,并且要求在每孔钻进终了时,都要安设过滤管,在过滤管外天充填砂砾过滤层。对于不设过滤管的钻也,应该全部充填砂砾。在孔口应设置略高于地面的防水层。防止水对坡脚的冲刷。在自然界中,由于斜坡的前缘受到河流冲刷而诱发滑坡的情况,是一种很普遍的现象。因此,应努力防止水对坡脚前缘的冲刷、淘蚀。一般说为,治理的办法是在滑坡上游严重受冲地段,修筑促使主流偏向对岸的丁坝。在滑坡前缘用抛石、铺设石笼、钢筋混凝土块及片石护坡,使滑坡坡脚的土体免受河水冲刷,从而达到稳定滑坡的作用。如果滑坡位于河曲处,河道又有改变的条件,也可采用改河方案,以使滑坡前缘免受河水冲刷。一些沟谷由于水流的冲刷,使沟床不断加深与展宽,沟坡的岩土失去稳定而产生滑坡,对这种滑坡的治理,可在它的下游地段修筑堤坝,以防继续下蚀,并利用淤积的固体物质稳定滑坡的坡脚。水库岸边的滑坡也常因坡舌部分遭受冲刷而促使滑坡不断发展,其治理办法是:蓄水前可在滑坡前缘的上游地段修筑丁坝,使库水夹带的泥沙能够淤积于滑坡前缘,起支撑滑坡的作用;水库蓄水之后,在主导风向作用下,波浪对岸边的冲刷有将岸边泥沙带至水库的作用,当滑坡处于这样的地段时,应在滑坡脚部填以平缓的斜坡,在斜坡上修一个有足够厚度的反滤层,再在滤层上砌石护坡,以取得稳定滑坡的作用。
(二)支挡工程
由于失支支撑而引起的滑坡,或滑床陡、滑动快的滑坡,采用修筑支档工程的办法,可增加滑坡的重力平衡条件,使滑坡迅速恢复稳定。支撑建筑物的种类很多,有抗滑垛、抗滑桩、抗滑墙、锚固等。这里仅介绍几种主要的支挡工程办法:
1、抗滑片石垛。是一种用垒砌石块的方法来阻止滑坡体下滑、达到稳定滑坡目的的工程措施。对于滑体不大,滑面位置低于坡脚不深的中、小型滑坡,又有足够的场地和廉价的石料时,就可采用这种工程措施。但是,这种措施不适宜用来治理下滑力较大的大、中型滑坡。对于强地震区的滑坡,由于片石垛本身结构松散,这种措施也同样不宜采用。对于适宜采用抗滑垛的中、小型滑坡,片石垛的基础必须埋置于可能形成的滑面以下0.5-1.0 米处,一般都用浆砌片石或混凝土做成厚约0.5 米的整体基础。抗滑片石垛的顶宽一般不小于1 米,垛的高度应高出可能向上产生滑动面的位置,垛的外侧坡度通常为1:0.75-1:
1.25。码砌石块时,必须平行于基底分层砌筑,石块间尽可能相互咬紧,为了保证片石垛具有良好的透水性能,在垛后需要置放砂砾滤层。
2、抗滑挡墙。是一种阻挡滑坡体滑动的工程措施,适用于治理因河流冲刷或因人为切割支撑部分而产生的中、小型滑坡,但不适宜治理滑床比较松软、滑面容易向下或向上发展的滑坡。由于滑坡的推力较大,抗滑挡墙比一般的挡土墙要设计得宽大些,具有胸坡缓、外形宽大的特点。为了增加抗滑挡墙的稳定性,在墙后应设一、二米宽的衡重台或卸荷平台,挡墙的胸坡越缓越好,一般用1:0.3-1:0.5,也有1:0.75-1:
1、 者。抗滑挡墙,一般多设置于滑坡的前缘,基础埋入完整稳定的岩层或土层的一定深度。挡墙背后应设置顺墙的渗沟以排除墙后的地下水,同时在墙上还应设置泄水孔,以防止墙后积水泡软基础。
3、抗滑桩。用来治理滑坡既要保证桩不被剪断、推弯或推倒,也要保证桩间土体不会从桩间滑走或因桩高不够导致土体从桩顶滑出。抗滑桩应设置在滑体中下部,滑动面接近于水平,而且也是滑动层较厚的部位。一定要保证桩身有足够的强度和锚固深度、桩高和桩间距离都要适当。抗滑桩的施工方法主要有打入法、钻孔法和挖孔法三种。对于浅层的粘性土和黄土滑坡,可直接用重锤把木桩、钢轨桩、钢管桩、钢筋混凝土管桩等打入,简单易行;对于中厚层的大型滑坡,则多采用钻孔法和挖孔法施工。
4、锚固。利用穿过软弱结构面、深入至完整岩体内一定深度的钻孔,插入钢筋、钢棒、钢索、预应力钢筋及回填混凝土,借以提高岩体的磨擦阻力、整体性与抗剪强度,这种措施统称为锚固。
(1)锚杆喷射混凝土联合支护:简称锚喷结构或锚喷支护,即喷射混凝土与锚杆相结合的一种支护结构,也称喷锚支护。
(2)锚杆:是指钻凿岩孔,然后在岩孔中灌入水泥沙浆并插入一根钢筋,当砂浆凝结硬化后钢筋便锚固在围岩中,借助于这种锚固在围岩中钢筋能有效地控制围岩或浅部岩体变形,防止其滑动和坍塌,这种插入岩孔,锚固在围岩中从而使围岩或上部岩体起到支护作用的钢筋称为“锚杆”。锚杆类型很多,有楔缝式锚杆、倒楔式锚杆、普通式砂浆锚杆(并称插筋),钢丝绳砂浆锚杆,树脂锚杆及预应力锚索等,锚杆的作用是锚杆与岩体锚固后的作用,有四种形式,即悬吊作用,组合作用,加固作用,锚杆的自承拱作用。
(3)预应力锚索:由钻孔穿过软弱岩层或滑动面,把一端(锚杆)锚固在坚硬的岩层中(称内锚头),然后在另一个自由端(称外锚头)进行张拉,从而对岩层施加压力对不稳定岩体进行锚固,这种方法称预应力锚索,简称锚索,国内应用较多,如长江南岸链子崖危岩体治理和会同县中心街滑坡治理中都采用了此种锚索。锚索结构一般由幅度锚头、锚索体和外锚头三部分共同组成。内锚头又称锚固段或锚根,是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基,按其结构形式分为机械式和胶结式两大类,胶结式又分为砂浆胶结和树脂胶结两类,砂浆式又分二次灌浆和一次灌浆式。外锚头又称外锚固段,是锚索借以提供张拉吨位和锁定的部位,其种类有锚塞式、螺纹式、钢筋混凝土圆柱体锚墩式、墩头锚式和钢构架式等;锚索体,是连结内外锚头的构件,也是张拉力的承受者,通过对锚索体的张拉来提供预应力,锚索体由高强度钢筋、钢纹线或螺纹钢筋构成。预应力锚索是一种较复杂的锚固工程,需要专门知识与经验,施工监理人员,应具有更丰富理论和经验。
5、减载
当一个滑坡处于头重脚轻的状况下,而在前方又有一个可靠的抗滑地段时,采取在滑坡体上部减重或脚部加填的办法,使滑坡的外形得以改变,重心得以降低,可以使滑坡的稳定性得到根本的改善。曾经有人计算过,如果将滑动土体积的4%从坡顶转移到坡脚,那么滑坡的稳定性就可增大10%。如果滑坡没有一个可靠的抗滑地段,则减重只能减小滑坡的下滑力,不能达到稳定滑坡的目的。因此,用减重的方法治理滑坡时,常常需要与下部的支挡措施相配合。应当说明的是,用减重的方法治理滑坡并不是对所有滑坡都适用。比方说,对于牵引式滑坡或滑土带具有卸载膨胀性的滑坡,就不宜使用。减重常用于滑面不深、具有上陡下缓、滑坡后壁及两侧有岩层外露或土体稳定不可能继续向上发展的滑坡。对于可以采用减重方法治理的滑坡,应该认真决定减重范围,要根据各段滑坡的稳定程度、稳定滑坡和其它建筑物的要求,进综合考虑。对于一些不向上或向两侧牵引发展的小型滑坡,也可考虑将滑坡体全部清除。在对滑坡体作减重处理时,必须切实注意施工方法,尽量做到先上后下,先高后低,均匀减重,以防止挖土不均匀而造成滑坡的分解和恶化。对于减重后的坡面要进行平整,及时做好排水和防渗。在滑坡前部的抗滑地段,采用加载措施,可以产生稳定滑坡的作用,当条件许可时,应尽可能地利用滑坡上方的减重土石堆于前部抗滑的地段。为了加强堆土的反压作用,可以将堆土修成抗滑土堤,堆土时要分层夯实,外露坡面应干砌片石或种植草木,土堤内侧应修渗沟,土堤和老土之间应修隔渗层。
6、固化
用物理化学方法改善滑坡带土石性质。
①焙烧法:焙烧法是利用导洞焙烧滑坡脚部的滑带上,使之形成地下“挡墙”而稳定滑坡的一种措施。利用焙烧法可以治理一些土质滑坡。用煤焙烧砂粘土时,当烧土达到一定温度后,砂粘土会变成象砖块一样,具有相同高的抗剪强度和防水性,同时地下水也可从被烧的土裂缝中流入坑道而排出。用焙烧法治理滑坡,导洞须埋入坡脚滑动面以下0.5-1.0 米处。为了使焙烧的土体成拱形,导洞的平面最好按曲线或折线布置。导洞焙烧的温度,一般土为500-80℃。通常用煤和木柴作燃料,也可以用气体或液体作燃料。焙烧程度应以塑性消失和在水的作用下不致膨胀和泡软为准。
②电渗排水:电渗排水是利用电场作用而把地下水排除,达到稳定滑坡的一种方法。这种方法最适用于粒径0.05-0.005 毫米的粉质土的排水,因为粉土中所含的粘土颗粒在脱水情况下就会变硬。施工的过程是:首先将阴极和阳极的金属桩成行地交错打入滑坡体中,然后通电和抽水。一般以铁或铜桩为负极,铝桩为正极。通电后水即发生电渗作用,水分从正极移向由一花管组成的负极,待水分集中到负极花管之后,就用水泵把水抽走。
③爆破灌浆法:爆破灌浆法是一种用炸药爆破破坏滑动面,随之把浆液灌入滑带中以置换滑带水并固结滑带上,从而达到使滑坡稳定的一种治理方法。目前这种方法仅用于小型滑坡。施工步骤是:首先用钻孔打穿滑动带,在钻孔中爆破。使滑坡床岩层松动;再将带孔灌浆管打入滑带下0.15 米,在一定的压力下将浆液压入,使其在滑动带中将裂缝充满,形成一个稳定土层,借以增大滑带土的抗滑能力。在我国黄土区的一些滑坡,曾用石灰、水泥和粘土浆液压注裂缝的方法来加固滑带土,取得了一定的成效。需要说明的是,运用物理化学方法改善滑带土石性质借以提高滑坡稳定性的治理方法,目前尚处于试验阶段,在滑坡治理中并未被广泛采用。在实际工作中,排水支挡还是整治滑坡的两项主要措施。
一、二氧化碳输送管线的地质选线
中国幅员辽阔,涉及CO2输送管线管道安全的地质问题复杂。各地已有管线沿线自然环境、地理状况、地形地貌、地质构造、新构造运动、地质灾害、岩土介质状况等因地而异。特别是由地质灾害引起的管道安全隐患以及长输管线所经复杂地段因地形起伏大、地质条件复杂,决定了CO2输送管线选线工作尤为重要。为更好地解决复杂地段的选线问题,引入了地质选线的概念(西昕,2002)。据此,初步提出在进行CO2地质储存调查评价时,增加CO2输送管线大范围超前地质工作和方案比选研究,将CO2输送管线选线和地质调查结合起来,为CO2输送管线方案提供地质依据。
据西昕(2002)研究,长输管道途径距离长,往往要经过一些复杂地段。因复杂地段地形起伏大、地质条件复杂,可供比选的线路方案较多。复杂地段的选线除需考虑地形地貌、施工难度、地区等级、经济因素等方面外,还应考虑地质因素(如活动断裂带的分布、地质灾害的发育程度等)对线路方案的影响是地质选线的主要内容。
1.复杂地段选线存在的主要问题
目前,中国长输管道途经地域越来越多、地貌单元越来越复杂,导致地段选线越来越复杂。过去选线中的一些不足之处逐渐暴露出来,主要问题有:
1)由于管道选线带状工作区域的局限,方案研究的范围过窄,常造成对重要地质背景和宏观地质问题的忽略或认识上的不足,容易漏选有价值的线路。
2)复杂地段选线可比方案多,涉及的区域大,按常规勘查安排的时间和经费投入,难以做好方案的深入研究和比选,一些复杂的隐蔽地质问题很难查清,直接影响复杂地段选线的质量和深度。
3)大型河流穿(跨)越、隧道等全线控制性工程地质情况,单采用钻探为主的常规勘察方法周期长、费用高,难以满足要求。
2.复杂地段地质选线的主要调查内容
1)多方案研究比选。根据初步拟定的线路走向区域地质情况,考虑地形地貌、施工难度、地区等级等因素,组合成多种不同的方案,进行多方案的研究与比选。首先确定复杂地段方案可能涉及的最大区域,初步筛选出代表性的优势方案。
2)超前加深地质工作,进行大面积地质调查。依据CO2输送管线可能涉及的最大区域和为查清重大地质问题(如对长输管道建设构成危害的活动断裂和地质灾害等),结合遥感解译选线,进行沿线复杂地段断裂活动性评价和地质灾害评估等专题内容,查明控制线路方案比选的宏观地质因素及分布,评价区域地质条件,提出进一步优化和筛选的依据。
3)根据小比例尺调查阶段筛选出的方案,在大比例尺调查阶段充分利用前一阶段的踏勘成果,进一步调查线路方案的岩土工程地质条件,进行第二次方案筛选,不断加深方案比选的深度和精度。
综上所述,CO2长输管线是带状延伸的建设工程,管线地质勘测行业的地质调查都是沿线路带状走向进行。但在地形、地质条件复杂的地区,特别是一些大型河流的穿(跨)越和隧道等重点控制性工程,带状工作范围显得过窄,易造成好的方案和重大地质现象的遗漏,有时还可能造成无法弥补的设计失误。
实践证明,重大工程只有把握住对其影响较大的区域性地质控制因素及诸因素在分布上的差异,才能作好方案选择。因此,开展全国性小比例尺和重点地段大比例尺CO2地质储存调查时,应同步开展CO2长输管线地质综合调查工作,从不同比例尺、不同层次和研究目的入手,获取丰富的地质资料,提出CO2长输管线比选方案。
二、二氧化碳长输管线地质灾害调查
据赵忠刚等(2006)研究,地质灾害对管道安全的影响是多方面的,为确保管道的安全运行,需要对各种灾害的发展演化过程和阶段及其作用因素等进行评估,并依据管道地质灾害的成灾机理,对管道可能遭遇的地质灾害采取相应的预防对策。
(一)管道地质灾害的类型
依据中国已有油气输送管道遭遇的地质灾害,将影响管道安全运行的地质灾害划分为三大类(赵忠刚等,2006):第一类为地壳内动力地质作用引起的地质灾害,包括地震、地面塌陷、地裂缝和断裂灾害等第二类为地壳外动力地质作用引起的地质灾害,包括滑坡、滑塌、泥石流与洪水冲蚀、沙埋和风蚀灾害等第三类为特殊土体所导致的地质灾害,主要是指湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土和多年冻土发生变形引起的灾害等。
1.地壳内动力地质作用引起的地质灾害
(1)地震
地震及活动断裂是造成管道,包括站场重大事故的主要地质灾害之一,世界各国在管道设计上都将其作为重点内容。地震对长输管道安全性可能产生的危害主要包括两个方面(董鲁生等,2002):一是由于地震作用使土体的整体性和连续性遭到破坏,如断层错动、地裂、滑坡、砂土液化等二是管道附近地区发生强烈地震,地震波在土体中的传播会对管道及其辅助设施产生破坏,如对已腐蚀或焊接质量差的薄弱管段造成破坏或引发次生灾害,如油气管道爆裂、动力供应中断等。地震造成的最直接的破坏就是使管道不均匀下沉、拱曲与错断,引起管道下部地基沉陷或掏空,使地基失去支撑力,导致管道悬空,轴向承受的拉力增大使管道材料失效,产生裂纹,甚至拉断。这种情况常常发生在刚性接口的管道中,或者发生在与水平管段连接的竖直段内,此外焊接接缝处也是断裂常发生的地方(郑茂盛等,2004)。这些都有可能导致管道内CO2的泄漏,从而危及人员和环境的安全。
大量事实证明,地震对管道的损坏主要是由于大规模断层位移引起的。如西北地区的格(格尔木)—拉(拉萨)输油管道许多管段经过活动断层地带,处于高地震烈度地区。2001年11月14日,青藏高原北部昆仑山脉一带发生8.1级强烈地震,后又发生上百次余震。地震形成了一条NWW向,长350~426km,宽30~50m的地表破裂带。破裂带与南北走向的格拉成品油管道相交,使管道在挤压力、弯曲力、剪切力等复杂的交变应力作用下挤压成扁平状,并在套管端口处发生Z形皱褶断裂。地震还使3#、5#、6#、9#泵站的部分设施和设备受到了不同程度的毁坏(曾多礼,2004)。
地震对管道的破坏是灾难性的,因此减少地震灾害的工程措施应集中在地表断裂上,为了避免或降低由于断裂活动对管道带来的损坏,对管道沿线主要断裂区块的活动性进行调查评价尤为重要。加强对活动断层段的管道位移或应力变化进行监测,并将其纳入管道管理之中,以便随时掌握断层活动情况和管道安全状况,确保管道运行安全。选线时,在服从线路总走向的前提下,应尽量避开活动断层(带)和地震高烈度区。如果管线与活动断裂交叉或通过地震高烈度区,应选择地形开阔、第四系覆盖层较厚的地区通过,同时应采取抗震设防措施,提高管道防震减灾能力。
(2)构造地裂缝
构造地裂缝是由内应力作用而形成的(王景明,2000)。青藏高原构造地裂缝分布比较广泛,主要有3种类型,即地震破裂、断层蠕滑破裂和断层破碎带,以及不均匀冻胀裂缝。其中已建的格拉管线就穿经青藏高原构造地裂缝带。西南成品油管道(广东茂名—昆明长坡)穿越川滇断层带。而在西气东输工程的东段江苏、河南两省境内也有地裂缝分布(李智毅等,2004)。江苏境内的苏州、无锡、常州地区的地裂缝,是不均匀地面沉降的一种表现形式,形成的主要原因是第四系松散堆积物下伏的基岩隆起或陡崖,造成土体结构或承压含水砂层厚度突变,抽水诱发地面不均匀沉降,导致地表产生裂缝。河南境内地裂缝分布于荥阳北部和太康、淮阳一带。构造地裂缝可能横穿管道,会对管道产生破坏作用,严重的可以造成开裂破坏。
为预防构造地裂缝对管道安全的影响,可以采取以下必要的措施(李旦杰,2002)①绕避,尽可能避免将管线、站场、建筑物等布置在构造地裂缝带上不能绕避的尽可能避开构造地裂缝的最危险段(时代较新、活动强度较大)和发生过较大地震地表断错的地带②选择合适的角度穿越地裂缝,将不利的受力状态和应变方式转化为较有利的方式③在管道穿越地裂缝部位采取切实的抗震措施,如增加管道变形的自由度(敷设带斜坡的管沟或采用套管等),增加管道强度或采取柔性联结等④加强对活动构造地裂缝带和地质灾害的监测与预警工作。
(3)地面塌陷
产生地面塌陷的主要原因,一是因为地质构造特殊,如广西和云南境内的岩溶地形二是因为人类对固体矿产(如煤、铁矿等)采取地下采掘方式开采所导致的。
中国岩溶分布面积达365×104km2,占国土面积的1/3以上,是世界上岩溶最发育的国家之一。近年来,随着岩溶区城市化建设的飞速发展,岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发的不断增强,由此而引发的岩溶塌陷问题日益突出(雷明堂等,2004)。固体矿产采空区在全国各地都有大面积分布。岩溶地形和矿产采空区的存在有可能引起地表沉降、塌陷变形、地表开裂等不良地质现象。地面塌陷又将造成地下管道弯曲变形、悬空或断裂,从而对管道安全带来隐患。采空区塌陷对油气管道工程将带来严重后果,应引起高度关注。如西气东输工程中段,管道线路下面的采空区已经存在,尤其是煤矿密集分布的陕西子长煤矿焦家沟—王家湾段,山西蒲县—临汾煤矿和浮山后交煤矿密集分布区等。
在地表已产生沉降、裂缝和塌陷的地区选线时,宜采用绕避方式不能绕避的,可采用回填或压力灌浆的方法进行处理。
2.地壳外动力地质作用引起的地质灾害
(1)泥石流
中国泥石流灾害多发生于年际间的7—9月份,因暴雨激发,来势迅猛,致灾力强。尤其在黄土高原区土体结构疏松,崩塌、滑坡体和冲沟发育,为泥石流提供了丰富的物源。在暴雨激发下形成含沙量极高的洪流,由密布的毛沟、支沟流向干沟和河流,汇集而形成强大的泥流,造成堤坝溃毁、水库淤塞等灾害。西气东输工程中段大部分管段都处于黄土高原,泥石流灾害对管道的危害尤为严重。1994年5月长庆油田元(城)-悦(乐)输油管道遭受当地70年不遇的大洪水,随之而来的柔远川上游的泥石流把管道冲毁多达26处,占全线的35%,管道多处被拉断(朱思同,1998)。
另外,沟蚀是对管道工程危害最为严重的侵蚀方式之一。陕北晋西黄土地区的冲沟十分发育,冲沟的溯源侵蚀、沟床下切、沟岸拓宽和扩展,使得沟壁边坡土体失稳,易于产生崩塌或滑坡,导致管道下部掏空,悬空裸露,危及管道安全。如马惠宁管道沿线由于土壤渗透系数小(1.54×10-5~6.61×10-5),汇流快,极易快速形成冲沟,并在冲沟处形成汇水,冲毁维修道路,造成管道裸露悬空。1994年在距孙家滩约5km处,一次洪水就形成了深2.5m、宽8m、长达50m的冲沟,对管线安全构成严重的威胁(梅云新,2003)。
对危害程度严重的大中型泥石流,选线时原则上采取避让,避免直接穿过无法避让的,可采取跨越方式对小型泥石流可选定在泥石流的下游(洪积扇堆积区)通过,同时在上游通道内辅以拦截和滞留措施。对管线安全构成威胁的冲沟,应进行加固处理,具体处理方法有:加大管道埋深,至少达到稳定层以下,上部填土应分层夯实采取截流和排水,切断水源,阻止冲沟的继续发育回填夯实加固场地利用编织袋装土顺坡堆砌,增强冲沟的抗冲蚀能力。
(2)滑坡
此类灾害具有突发性,对工程建设危害性极大。传统的工程地质和岩土工程边坡地质灾害研究通常把边坡重力地质灾害划分为滑坡和滑塌两大类。黄土高原的滑坡绝大多数为黄土滑坡,黄土深厚且富含碳酸钙,疏松多孔,垂直节理发育,其下伏中生界砂泥岩或新近系红土,汛期顺黄土节理下渗的雨水至下伏隔水岩层受阻而形成接触面径流带,触发滑坡发生,这种滑坡一般规模较大此外,黄土顺坡向垂直节理的雨水下渗时,因潜蚀作用而触发的浅层滑坡也较多。
黄土斜坡(边坡)滑塌作用在产生机理和破坏方式上介于崩塌和滑坡之间,黄土滑塌灾害指在自然因素或人类工程活动影响下,黄土斜坡带所发生的兼有滑坡和崩塌特点的地质灾害。它的发生受其特有的物质成分和工程性质所控制,并具有地域性分布特点,通常需具有以下条件(曲永新等,2001):①高度在10m以上、甚至100m以上,由厚层马兰黄土组成的斜坡带,坡度通常在55°以上②雨季比旱季发生的频率高③在自然条件下,在河谷平原区和大型冲沟两侧因河水侧向侵蚀或洪水冲刷黄土坡脚而发生④在河谷平原区或大型冲沟中,因修筑水库引起的水位抬高、库水浸润黄土坡脚等,也可诱发产生⑤在黄土源边和其他黄土斜坡地带,因坡高、坡比过大,当人工开挖时诱发产生。
由于这类地质灾害处理和整治费用高,因而在选定管道线路时,应尽量采取绕避方案。对于一般易滑坡段的治理,可以采取适当措施稳定坡体,比如采取削坡、护坡或鱼鳞坑植树储水措施,进行水土保持和工程处理或者在滑坡体后缘修筑截、排、导水系统,以防地表水汇入滑坡体,在滑坡体前缘运用浆砌片石护坡,防止水流的侧向侵蚀造成抗滑力减小,从而使坡体稳定,保证管道安全。对于黄土斜坡管沟施工开挖可能产生的边坡滑塌,可采取导流引水、支挡和削坡减重等综合治理对策同时采取措施以提高管道地基和回填土的抗冲击能力,确保管道施工和运营安全(梁伟等,2005)。
(3)流动沙丘(垄)和风蚀沙埋
流动沙丘(垄)移动性极强,移动方向与管道垂直。如果管道覆土被风吹走,就会造成管道裸露悬空,若超过管道挠曲强度,管道就会折断。
风蚀沙埋也是最为突出的一类地质灾害。如塔克拉玛干、巴丹吉林、腾格里和毛乌素等沙丘(垄)边部移动沙丘高3~15m不等,移动速率4~6m/a有的风蚀洼地最大风蚀深度可达30m,对管道埋置和站场危害较大。
对流动沙丘(垄)防治措施可采取加大管道埋深、设置钢(或硂)桩固定管道和直立式沙障等。而在腾格里沙漠南缘和毛乌素沙漠南缘的沙丘,由于规模和活动性相对较小,线路可选在丘间低地通过或将沙丘推平后再挖管沟,适当深埋,并在施工同时进行种草种树、建沙障等防沙固沙工程,防治风沙危害,改善生态环境。
3.特殊土体导致的地质灾害
(1)湿陷性黄土
黄土属性决定了黄土层遇水易发生湿陷,形成黄土陷穴、黄土暗洞、黄土裂隙、黄土柱等地貌,给管道施工,尤其是穿越黄土沟谷地段造成困难,同时可威胁和破坏管道的正常使用。湿陷性黄土结构上具有垂直节理发育,遇水浸泡即失去强度等特点,在雨季易产生滑坡、坍塌和空洞等不良地质现象,进而形成陡峭的冲沟,同时由于水沿黄土垂直节理渗透,形成潜蚀和冲蚀,导致新的冲沟发育(孙国相等,1996)。
这些因素会使管道产生不均匀沉降变形,同时过大的湿陷变形所产生的负摩阻力,可能导致管道弯曲变形、裸露、悬空,甚至折断此外,还有可能导致地层不均匀沉陷和裂缝等,或者诱发崩塌和滑坡,对管道构成危害。
湿陷性黄土导致地质灾害的另一方面就是黄土潜蚀,它的分布与湿陷性黄土基本一致,多见于上更新统和全新统黄土中,在地下水作用下形成陷穴、落水洞、天生桥等“黄土喀斯特”现象。由于其作用过程较为隐蔽,常有暗沟分布,一旦突陷,将给管道安全带来严重后果。
如果是非自重湿陷性黄土,因管道单位长度重量小于挖除同体积黄土的重量,铺管后不会增加附加压力而湿陷,一般不需处理如果属于自重湿陷性黄土,处理措施主要采用土质改良的方式和采取截排水措施。
(2)膨胀(岩)土
膨胀(岩)土地质灾害已成为全球性的工程地质和岩土工程问题之一。膨胀(岩)土多分布于低山丘陵及沙漠区的古近-新近系泥岩发育地区,具有弱—中程度的潜势膨胀性,遇水时会崩解。
膨胀(岩)土给中国的管道安全造成了极为严重的危害,如1989年投产运营的内蒙古阿尔善—赛汗塔拉输油管道工程,次年4号和6号加热站的建筑物地坪和墙体就发生不同程度的开裂破坏兰-成-渝管道苏木沟附近存在的白垩系紫红色膨胀岩的塌岸灾害,以及西气东输工程在安徽的阜阳至江苏的江浦间有大面积膨胀土分布,也产生了地基变形和坍塌问题。
(3)盐渍土
盐渍土是干旱气候环境中,由于地下水埋深浅、运移滞缓、强烈蒸发而造成土壤中盐分聚集地表所致。高矿化度的盐渍土对混凝土和钢管具有强腐蚀性,溶盐结晶时产生体胀,又会对管材和站场地基产生附加压力。因此,盐渍土的溶陷性和盐胀性对管道地基的土体破坏力极强,易造成管道的“暗悬空”现象。
因盐渍化和地下水有直接的关系,在丰水季节,地下水位的升高,会对管道的施工造成不良影响在有盐渍化现象的地段,一般地下水的埋深较浅,在做好防腐的同时应有降水措施,施工尽量在枯水期进行。对盐渍土的预防措施,可以在管顶铺设夯实的灰土层,以隔断地表水下渗以非盐渍土类的粗粒土回填管沟,隔断有害毛细水的上升同时,防腐设计应重点考虑耐盐碱的防腐材料及防腐层的机械强度。
(4)冻土
冻土层对管道的威胁主要是土体的冻胀性,其主要机理是土中的水相变成冰时,导致土体膨胀,使地面隆起。土体冻胀后埋设在冻土中的管道也会随着土体升高而当土体冻胀消融后,由于管道的基础或管道下的小空隙已部分被土填充,所以管道不能回落,年复一年的多次冻结—消融—填充—再冻结过程,导致管道被抬高。格拉管道就曾多处被拱出地面而使管道变形,拱出地面高约0.7m,长3.6m,并在弯曲应力作用下发生断裂,给管道的安全运行构成威胁。
对穿越冻土地带的管道,为不破坏永冻层,应采取以下措施:①将管道埋设在冻胀力相对最小的“弱冻胀区”,避免管道接触永久冻土层②为避免因管沟开挖过深或开挖后暴露大气时间过长而使永冻层破坏,在控制深度的同时,尽量做到边开挖、边铺管、边回填,保持永冻层的稳定③管道埋深应根据不同地段土壤含水量和季节融化层厚度分段确定④管沟底须铺垫一定厚度的细土,且最大挖深不应超过永冻层上限的0.5m⑤管道总埋深小于0.8m时,为保持管道在热应力作用下的稳定性,宜在地表培土并保证一定的宽度。
(二)二氧化碳长输管线地质灾害调查
1.重视二氧化碳输送管线地质灾害遥感解译工作
通过CO2输送管线地质灾害遥感解译,利用地理信息系统对管道沿线可能造成地质灾害的重点区域(例如地震多发区、断裂带等)进行标定通过勾画盐渍土、沙漠、黄土、膨胀土等特殊土分布区域,全面解译管道工程沿线发育的地质灾害,进而应用遥感技术预测地质灾害(方杰等,19972000)。
2.开展二氧化碳输送管线地质灾害专项调查
按相关行业规范开展CO2输送管线地质灾害专项调查,对起主要或决定性作用的地质灾害做深入分析。如根据现行《输油(气)埋地钢质管道抗震设计规范》的要求,查明地质活动断裂的走向、与管道交汇的位置以及可能发生水平和竖向位错等情况,评估未来百年可能发生的最大震级和可能的突发位错量。
3.逐步建立全国范围内二氧化碳管线地质灾害预测、预报系统
一是建立以监测为主要手段的地质灾害预报研究:通过地球物理方法对地温、地应力等进行监测,通过地下断裂、地下放气等监测研究地震开展诸如土地沙化、盐渍化等实时监控。二是着重于地质灾害成因机理的预测预报研究。三是建立适用于管道工程的预测模型。