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管道研究

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深圳“12·20”渣土场滑坡造成管道破裂事故的思考

来源:《管道保护》杂志 作者:史航 慕园 郑大海 时间:2018-8-13 阅读:

史航1 慕园1 郑大海2

1 中国石油天然气管道工程有限公司   2 西气东输管道公司


2015年12月20日,深圳市光明新区红坳余泥渣土受纳场(以下简称渣土场),出现溃坝滑坡事故,造成人员重大伤亡,并且冲断了西气东输二线广深支干线,造成向香港供气中断。

1  滑坡事故及原因

渣土场批复规划库容400×104m3,封场标高95 m,事故发生时实际堆填量已达583×104m3,堆填体后缘实际标高已达160 m,严重超库容、超高堆填,增加了堆填体的下滑推力。加之渣土场地势南高北低,北侧基岩狭窄、凸起,形成了体积庞大的高势能堆填体。渣土场下游原本修建了拦挡坝和护坡,但在巨大的侧向土压力、并存在下部滑动面的作用下,拦挡坝崩溃,超过 200×104m3渣土倾泻而下,摧毁了下游33栋楼房,滑坡体掩埋面积超过10×104m3,滑动最远距离达1 100 m,滑坡体中部掩盖地面的深度约15~18 m。

国务院事故调查组通过现场勘验、调查取证、模拟计算、专家论证,认定发生滑动的是渣土场渣土堆填体,不是山体,不属于自然地质灾害;排除了人为破坏、突发降雨及地震、天然气管道爆裂、地铁施工和生活垃圾腐化等因素。最终认定事故的直接原因是:渣土场没有建设有效的导排水系统,渣土场内积水未能导出排泄,致使堆填的渣土含水过饱和,形成底部软弱滑动带;严重超量超高堆填加载,下滑推力逐渐增大,稳定性降低,导致渣土失稳滑出,体积庞大的高势能滑坡体滑出后,迅速转化为高速远程滑坡体,形成了巨大的冲击力,加之事发前险情处置错误,造成重大人员伤亡和财产损失。

2 管道断裂情况

西气东输二线广深支干线求雨岭—大铲岛段位于渣土场边坡防护结构下游约300 m处,为D 914 mm×25.4 mm X65高强钢管道,埋设于平坦的菜地中,埋设深度2.4~5.7 m不等,局部穿越鱼塘。此段地形属于丘陵边缘的平地段,地层为粘性土。管道被巨大的滑坡体推动造成断裂,大量天然气喷出,但没有发生火灾和爆炸。管道断裂后,上下游的监控阀室(相距11 km)自动切断,避免了更大规模的泄漏。该段管道所经地貌滑坡前后对照见图1、2。


图1 滑坡前地貌(线段为管道)

图2 滑坡后地貌(线段为管道)


3 管道断裂原因分析

首先,滑坡事故极为特殊。通常,渣土场、尾矿堆积场等人工弃土场所,类似水库大坝,执行严格设计规范,周密考虑了排水、抗震要求,有足够的强度和稳定性,;运营中严格限制渣土存储量,出现滑坡、泥石流的概率极小。这次滑坡事故是人为因素造成的责任事故,与一般的滑坡事故对管道造成的危害[1]不同。因此,尽管管道敷设在渣土场下游300 m远、埋深较深(一般管道埋深1.2 m)、为D 914 mm×25.4 mm X65高强钢管道,一般的作用力很难危及损坏,但发生了这种极为罕见的滑坡事故,管道却被推挤断裂了。

其次,从现场地形看,渣土场在丘陵的谷地中堆砌成近百米小山,渣土场的东西南三个方向有山体包围,唯有北侧是山谷出口,堆积体对着谷口呈台阶+放坡方式,台阶表层土体进行了砂浆硬化,坡面上植草。渣土场底部高程约80 m,管道经过地段地面标高约42 m,地形高差约40 m。滑坡体移动中兼有泥石流性质, 40 m地形高差,加上超过200 m3饱和泥土的巨大能量翻滚着冲向下游平地中,由于动能巨大,在滑坡床底部产生“刨蚀作用”——地表下4~5 m的土层被刨蚀松动并随之推向下游。管道走向与滑坡方向基本垂直,,因刨蚀推移作用而被挤压断裂。测量开挖出的管道断点,受滑坡体推压,管道在断裂口东侧约96 m处向北侧(即同滑坡方向)水平折转约90°(图3)。断裂段管道的变形极其严重(图4),反映了管道经受了巨大的载荷作用。

图3 断裂口东侧管道向北侧折弯约90°

图4  断裂段变形管道


再次,据初步估算,推压管道的作用力高达3 000t以上,且作用方式复杂。先是超过200 m3的巨型滑坡体垂直推压管道附近地层,造成原地层带动管道的“翘起”,接着便是滑坡体的“下部刨蚀”“中层推挤”“上部翻滚覆盖”等综合作用将管道推向下游,滑坡体中含有泥土、建筑渣土等硬块,在快速推压管道的过程中,将管道弯曲、伸长、压溃、挤瘪,管壁被挤压出凹坑、褶皱,并向下游越推越远,继而撕裂管道,造成全断面破裂,高压气体(输送压力约3.8 MPa)喷出。

这次滑坡事故对管道的危害类似于上游水库溃坝冲坏穿越段管道。2013年7月,四川石亭江洪水从人民渠涵洞顶部以超过20 m水头高速冲下 ,下游河床受到局部强烈冲刷,造成兰成线穿越段管道破裂,其破坏机理与深圳滑坡有相同之处[2]。

4  事故警示

4.1 事故特点

(1)事故的发生区域位于山区或丘陵区,包括山间盆地或山前倾斜(过渡)平原,能量来自上游,重力作用造成对下游的冲击。

(2)事故偶发且发生的概率极小。

(3)滑坡体的能量巨大,管道结构和敷设方式再强也无法抵御此类灾害。

(4)灾害造成的损失巨大,社会影响极广,管道修复难度也很大。

4.2 事故警示

(1)常规设计时考虑了管道的各种服役环境,正常埋设管道能够抵御正常的载荷(输送压力、温度变化、土壤和地下水作用、车辆等地面载荷等),以及地震等偶然载荷的影响。对于类似深圳渣土场滑坡事故,必须按照国家行业法律法规,从源头控制。

(2)管道影响区域一般为两侧各200 m,管道巡护也难以顾及几百米外的地域。但如果管道附近存在大型的不稳定人工构筑物,如渣土场、垃圾场、填方路基、矸石山或尾矿坝等,因其往往没有严格的设计与监控管理措施,稳定性比自然山坡、山丘更差,在暴雨、地震或其他强烈冲击下,确实容易发生滑坡、溃坝、泥石流危险,更须加大防护区域,增强防控措施。

(3)本次事故加深了对于特殊灾害的认识。一般地质灾害仅是移动的土石体,位于滑坡体以外、泥石流堆积区的埋地管道只会受到“掩埋”作用。而类似深圳滑坡事故的“巨型土石体移动”,则会产生“刨蚀”作用,继而推移破坏远处管道。需要高度重视其危害风险。

4.3 事故预防

(1)设计单位在管道选线时要关注地貌特征——位于山区或丘陵区,产生根源——人工弃土结构的不稳定性,在可能的情况下远离人工堆砌物结构,尤其要远离位于斜坡上的人工弃土结构。

(2)当管道受地形、环境、城镇规划等因素影响,只能选择位于人工弃土结构下游时,管道设计单位要提醒管道运营单位注意此类事故的风险;运营单位应将该类风险纳入风险管控体系之中,向政府行业主管部门、管道保护主管部门报告此类风险存在情况(可列举深圳或其他地方事故案例),定期派人巡查人工弃土结构的完好性、管理状况等,调查是否存在裂缝、拦挡设施变形、排水设施损坏或堵塞,以及超载堆渣、弃土和监测设施缺失等情况。与地方地质灾害管理部门建立联系,共享信息,建议设立人工弃土结构坝体或高边坡的检测、报警设施。这些都是“主动预防”措施。尤其是雨季更要增加巡防频次。同时做好应急预案,一旦发现裂缝等隐患,及时报告管理部门和管道保护主管部门,尽快处理险情,防患于未然。

(3)当管道已经位于人工弃土场、水坝、高填方路基下游时,管道运营单位需要考虑此类设施一旦发生事故对管道的影响,将其作为管道地质灾害风险管理的一部分。特别是一些偏僻地段非正规的大型弃渣场、垃圾场等危险构筑物。应关注地形、地质条件、堆弃量、防护和排水结构、管理单位情况等,加强管道的巡线,做好管道的水工保护。

(4)暂无必要考虑增大管道壁厚、埋深(土层中)或增加阀室等,这些都是“被动预防”措施,对于极端事故也不起作用。但是如果适当加大埋深即可将管道埋设于石方中则有必要考虑,坚硬的石方对于抵御“刨蚀作用”还是非常有效的。

参考文献

[1]唐正浩,邓清禄,万飞等.滑坡作用下埋地管道的受力分析与防护对策[J],人民长江,2014,45(3):36-39.

[2]王世容.人民渠穿江涵洞下游河道冲刷防护研究[J],四川水利,2013,34(6):35-37.

作者:史航,教授级高工,中国石油天然气管道工程有限公司副总工程师,全国工程勘察设计大师

《管道保护》2018年第1期(总第38期)

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