油气管道风蚀沙埋危害及其防治
我国西北地区受土壤风蚀及土地沙漠化影响的面积占国土总面积的二分之一以上[1]，在干旱、多风，昼夜温差悬殊，光辐射强烈气候条件下，岩土体遭受寒冻和机械等物理风化的作用非常强烈，不断产生大量的砂和粉砂物质，形成了沙地（丘），使途经敷设的油气管道容易遭受风蚀沙埋灾害的威胁。
风蚀地貌主要是由风和风沙流的吹蚀和磨蚀作用塑造的地表形态，包括风蚀坑（洼地）和戈壁。风积地貌则是平缓沙地、沙丘及由沙丘组成的沙漠或沙地。风力作用下土壤颗粒主要有悬移、跃移和蠕移三种运动类型，不同运动方式风蚀强度有一定的差异，其中以“悬移”方式的土壤损失最为明显，对油气管道危害最大。风蚀积沙包括风蚀、堆积和搬运三种状态。其中，风蚀是搬运的开始，堆积是搬运的结束，搬运则是风蚀和积沙的转化，可应用这一风蚀积沙规律开展灾害治理[2]。本文通过收集资料，总结归纳了西部管道沿线风蚀沙埋灾害的表现形式和相应的治理措施，为今后开展相关工作提供借鉴。
1 风蚀沙埋灾害分布及危害
1.1 灾害分布
西部管道风蚀沙埋灾害主要分布在西一线、轮吐线博斯腾湖南缘东部、西一线库木塔格沙垄、涩宁兰一线和涩宁兰复线涩北首站及其以东约80 km的范围内，呈流动的沙地（丘）与半固定沙地（丘）相间断续小片状分布的特点（图 1）。
图 1 西部管道风蚀沙埋灾害示例
1.2 风蚀危害
风蚀地段，沙地（丘）在大风作用下来回不定地移动，会降低管道埋深或使管道外露、悬空（图 2），同时使管道外围温度、湿度更接近于土壤表层或大气环境，因含氧量、植物根系分布量增加，对煤焦油瓷漆防腐层破坏概率增高，温度剧变造成防腐层易脱落，两种因素加速了管道防腐层老化。冬季管道环境温度降低，更易形成天然气水合物，在露管管段下游或有降压、截流部位会造成冰堵，严重影响油气管道的安全运行和下游用户的正常用气[3]。除此之外，风蚀容易造成阴保测试桩及各种标识物宣传牌的倾斜、倒伏及伴行道路路基宽度减小、路肩路面坍塌等，影响行车安全。
图 2 西一线库木塔格沙垄段露管现场及应急处置
1.3 沙埋危害
风积地段，由于风沙流受阻积沙或沙丘前移，加大管道埋深，掩埋并中断管道伴行道路（图 3），在温度及沙土重力作用下增大管道上覆层应力，可能使管道产生不均匀沉降。西一线管道KP788-KP793段穿越库木塔格沙垄处五个典型截面的管道应变监测数据验证了这一结论。
2017年以来，西部管道新疆输油气分公司对西一线管道KP788—KP793段穿越库木塔格沙垄处开展管道应变监测。选取五个典型截面，其中X1、X2截面布设于1#沙丘两端覆沙较薄段， X3、X5截面位于2#沙丘两端覆沙较薄段，X4截面位于2#沙丘中部覆沙最厚段，截面间距约60 m（图 4）。
图 4 KP788—KP793管道应变监测截面布局示意图
历史监测周期内，仅有X4监测截面出现过2次黄色预警、1次蓝色预警；其余监测截面均长期处于无预警级别，详见表 1。 表 1 西一线KP788—KP793管段X4监测单元预警情况 最新监测周期内，KP788-KP793管段应力监测值均未达到设定的监测预警级别，管道应力处于可接受范围。由于管体温度上升，附加压应力增大；管体温度下降，附加拉应力增大。X4截面处管道受季节性强风的风蚀沙埋影响较为明显，需持续关注该监测单元管道应力变化情况。 3 防治措施 治沙措施按类别分有工程措施、生物措施、综合措施等，目的都是为了固沙、阻沙、导沙。国内多年沙害综合治理表明，工程防沙措施由于其施工速度快、效果好而在油气管道线路工程治沙中得到了广泛应用[4]。 3.1 工程防沙 工程防沙指通过在流沙上设置沙障或其他防沙工程结构，人为控制地表的积蚀变化和改变风沙流的搬运堆积条件，保护油气管道、伴行道路免遭风沙的危害。工程防沙不受水分条件限制，适用范围广、见效快，可作为植物防沙的先导工程。工程防沙能够因地制宜采用当地材料，降低工程造价，在沙害治理中应用最为普遍。但工程防沙相对于植物防沙，存在防护年限短，需要经常维护、更新的缺点。 （1）固沙措施。①沙面覆盖。一般选用当地天然材料如碎石、黏土等平铺于沙面，利用材料的抗风蚀能力保护地表免遭风蚀。近年来，喷洒化学材料固定流沙也已得到应用。②格状沙障。利用麦草、芦苇、块石、盐土、黏土等材料在流沙上设置成方格沙障，增加地面的粗糙度，降低地表风速，抑制风沙流的产生。现阶段应用的有草方格沙障、纤维筒沙障、黏土覆盖、塑料沙障、沥青沙障以及植物沙障(防风固沙林带)等，其中应用广泛、效果最好的有草方格沙障和植物沙障（图 5）。 图 5 轮吐线博斯腾湖南缘东部草方格沙障防护 研究表明，沙障高度是决定防护效果的主要因素，沙障被严重沙埋会导致防风固沙功能丧失，而轻度沙埋则有助于沙障形成稳定的结构体，在一定程度上提高防护效果[5]。 （2）阻沙措施。通过设置高立式阻沙栅栏拦截风沙流的运动，改变局部范围气流的方向和速度，使沙粒在栅栏附近堆积，以避免线路遭到沙埋。阻沙栅栏的阻沙效果与其结构有很大关系。紧密结构的栅栏，迎风侧积沙范围一般为栅栏高度的2～3倍，背风侧约为4～5倍，空隙度为0.2的透风结构栅栏，栅栏前积沙不多，栅栏后积沙长度为栅栏高度的7～8倍，空隙度为0.5时，栅栏后积沙约为栅栏高的12～14倍。实际应用时，通常采用空隙度为0.25～0.45的透风结构栅栏。阻沙带主要设置在固沙带的外缘，应离开线路一定距离，否则堆积在线路两侧易形成新的沙源。阻沙带主要采用各种形式的阻沙栅栏和阻沙沟堤，阻沙栅栏的材料可因地制宜采用树枝、芦苇、竹片等。 （3）输沙措施。通过减少地表粗糙度和加强局部位置的风速，将风沙流输移过线路，达到线路不产生积沙的目的。目前主要有下导风栅板输沙结构，它通过对气流进行压流而提高下导风出口处贴地表的风速，在公路上应用效果较好。 （4）导沙措施。当主导风沙方向与管道走向呈小交角时，可在线路外缘设置导沙结构，将风沙流导离管道，目前试验应用的主要有羽排导沙。羽排是由多块平行的导风板构成的一组羽毛状导沙工程结构物，它能改变局部气流的运动风向，引导风沙流向线路的旁侧运动，从而避免风沙流对线路的侵袭。导沙措施有一定的使用条件，如主导风向与线路交角小，风向较为单一或摆动不大，线路附近有可储沙的沟谷、洼地或使用在曲线地段。羽排导沙因受风向和地形条件的限制应用较少。 3.2 生物措施 通过营造防沙林带，增加地面的粗糙度，削弱地面风速，减轻风沙流的运动，改变沙地的理化性质、生态环境，利用植物获得长久的防沙效益。沙漠地区气候干旱、土壤贫瘠，不利于植物的生长，为提高固沙造林的质量必须解决好树种选择、林带配置等技术问题。防风固沙的植物有许多，其中适宜流动半流动沙丘生长的植物有梭梭、花棒、沙拐枣、三芒草等，它们被誉为沙漠中的先锋植物。具有加固沙丘作用的植物有沙枣、沙棘、柠条、胡杨、红柳、沙柳、白刺、沙冬青、沙蒿、旱麦草、虫实等，它们具有极强的抗旱和避寒功能，是多年生短命植物；生于圈定沙丘上的地白蒿、红砂、猪毛菜、旱麦草、鹤虱等，虽然不具有耐风蚀、沙埋的能力，但耐盐碱、耐旱。 3.3 综合措施 防沙措施各有其使用条件，实际应用中应根据沙害特点采取综合措施，并应特别注意固沙和阻沙措施的结合，避免单一措施[6]。如西一线KP792+300 m处采取沙袋固沙及栅栏阻沙综合措施防护（图 6）。 4 结论 虽然油气管道风蚀沙埋占管道地质灾害的比例较低，但一旦受灾将面临管道裸露、悬空、防腐层破坏、露管下游降压和截流部位冰堵风险，伴行道路亦有中断、掩埋风险。生物措施虽能改变沙地的理化性质、生态环境，获得长久的防沙效益，但需充分考虑项目区域内地表、地下水分布、发育情况。相对于生物措施，工程措施存在防护年限短，需要经常维护、更新的缺点。实际应用中应根据沙害特点采取综合措施，并应特别注意固沙和阻沙措施结合，提高防沙治理效果。
