防砂壩相互影響

防砂壩與泥石流的相互作用

從整個(gè)流域角度看即防砂壩與流域的互饋機(jī)制，從防砂壩的工作歷程看，防砂壩與泥石流流域的相互影響可分為兩個(gè)階段的運(yùn)行狀態(tài)。第一階段為防砂壩的初始設(shè)計(jì)狀態(tài)，防砂壩修建后對(duì)上游入庫(kù)與下游出庫(kù)的當(dāng)場(chǎng)泥石流的容重、規(guī)模等進(jìn)行調(diào)節(jié)，攔蓄泥石流后發(fā)揮調(diào)節(jié)溝道縱坡、穩(wěn)固滑坡坡腳和控制溝床質(zhì)儲(chǔ)量與堆積形態(tài)等作用，這一階段以防砂壩對(duì)泥石流的調(diào)節(jié)作用為主，表現(xiàn)為泥石流的淤積當(dāng)溝床比降、泥沙輸移量等變化到一定程度并適應(yīng)所建防砂壩時(shí)，兩者的相互作用發(fā)生轉(zhuǎn)變，以泥石流對(duì)防砂壩的作用為主，如沖擊、沖刷、磨蝕等，同時(shí)防砂壩也轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)。在防砂壩的兩個(gè)狀態(tài)過(guò)程中，一種情況是由于對(duì)泥石流規(guī)模的估計(jì)過(guò)大，存在防砂壩工程的設(shè)計(jì)預(yù)估量超出泥石流的實(shí)際規(guī)模，使防砂壩工程前期淤積量不多，常年處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致資源浪費(fèi)另一方面還存在因攔蓄量估計(jì)不足，壩庫(kù)淤積量劇增導(dǎo)致設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不足，超量淤積和過(guò)流使防砂壩損壞提供新的泥石流物源，造成更大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。因此防砂壩的工程設(shè)計(jì)不但要考慮工程實(shí)施前的流域原始狀態(tài)，還應(yīng)滿足流域系統(tǒng)轉(zhuǎn)化后的長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)。相關(guān)課題的研究將為解決防砂壩工程設(shè)計(jì)年限、規(guī)模及參數(shù)等相關(guān)問(wèn)題提供依據(jù)，使防砂壩的調(diào)節(jié)能力與泥石流規(guī)模的發(fā)展變化相適應(yīng)。

防砂壩與其他防護(hù)工程的協(xié)同作用

根據(jù)流域中泥石流災(zāi)害規(guī)模和性質(zhì)等不同，所采取的防治措施和修建的防護(hù)工程各有區(qū)別，不同類(lèi)型防護(hù)工程的結(jié)合能夠達(dá)成多種防治目的，如以工程量最小為目的的生物工程防治與土木工程防治相結(jié)合的措施、防砂效益最大以防砂壩為防治系統(tǒng)主導(dǎo)工程的措施和輸沙效益最大以排導(dǎo)槽為主導(dǎo)防治工程的措施、系統(tǒng)可靠性最高的綜合治理措施等。目前泥石流防治工程多為單項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，忽略了多項(xiàng)防護(hù)工程間的協(xié)同作用，而導(dǎo)致單項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)不合理，在防砂壩工程的設(shè)計(jì)中顯得尤為突出?；诜郎皦闻c流域的互饋機(jī)制，考慮防砂壩的調(diào)控作用和泥石流流域的反饋?zhàn)饔茫槍?duì)不同防治目標(biāo)，將防砂壩與上下游的防治工程聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行局部溝段防治工程群的配置優(yōu)化，進(jìn)而使全流域的防治工程組成一個(gè)防治能力優(yōu)化的防治工程系統(tǒng)。從協(xié)同作用方面考慮防砂壩的設(shè)計(jì)等內(nèi)容也為防砂壩研究提出了新思路，如上下游工程分擔(dān)泥石流流量的比例、相鄰工程修建時(shí)的銜接構(gòu)造等。

防砂壩設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)一般可以概括為：

（1）防砂壩的結(jié)構(gòu)尺寸，其中包括防砂壩的高度、斷面形狀尺寸、開(kāi)孔率等；

（2）防砂壩建筑材料常數(shù)，主要是指修建防砂壩所使用的漿砌石或混凝土材料的材料常數(shù)，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要依據(jù)；

（3）防砂壩對(duì)流域溝道的影響表征，包括防砂壩的回淤縱坡和庫(kù)容等相關(guān)參數(shù)，體現(xiàn)了防砂壩工程的修建對(duì)當(dāng)前泥石流溝道的演化所起到的調(diào)節(jié)作用。

防砂壩按結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以分為具有上部開(kāi)敞式溢流堰的實(shí)體式重力壩和壩身設(shè)過(guò)流格柵的透水型格柵壩兩大類(lèi)型。兩種型式的防砂壩各有其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)工作和施工等特點(diǎn)適用于不同的泥石流災(zāi)害治理中。重力式壩攔蓄量大、整體性好但施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高格柵壩則具有攔粗去細(xì)的分選作用，延長(zhǎng)壩的使用期，施工快捷、便利又經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，梳齒和孔縫削弱壩的整體性和強(qiáng)度易被泥石流沖擊而損壞。它們各有利弊且適應(yīng)不同性質(zhì)與規(guī)模的泥石流災(zāi)害治理。

作為主動(dòng)防御泥石流災(zāi)害的工程措施，防砂壩有以下功能：防砂控流，調(diào)節(jié)泥石流流速、容重與規(guī)模；抬高局部溝段的侵蝕基準(zhǔn)，護(hù)床固坡；減緩回淤段溝床縱坡，使泥石流沖刷和沖擊力減小，減輕溝床侵蝕，抑制泥石流發(fā)育；壩下游沖刷力增大而有利輸沙，對(duì)泥沙淤積和溝道演變起調(diào)節(jié)作用。

防砂壩是建在泥石流形成區(qū)或形成-流通區(qū)溝谷內(nèi)的一種橫斷溝床的人工建筑物，是防治泥石流最具重要性和有效性的工程建筑物之一。其主要的功能在于攔蓄河道泥沙、調(diào)節(jié)泥沙輸送、防止侵蝕、控制流心及抑止土石流等。我國(guó)興建了超過(guò)數(shù)千座的防砂壩，但這些防砂壩的攔砂壽命通常都很短，當(dāng)大量的砂石被防砂壩攔阻后，防砂壩將漸漸淤滿，最后無(wú)法繼續(xù)攔砂，只好在下游繼續(xù)建新的防砂壩，最后使得山區(qū)到處都建滿了防砂壩。加上過(guò)去的工程建設(shè)過(guò)于注重安全性與實(shí)用性，忽略了對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的沖擊，大大破壞了原本的自然環(huán)境。近年來(lái)，由于生態(tài)保育的觀念提升，國(guó)內(nèi)外都有壩體改善或拆除工程的研究，例如：美國(guó)為了保護(hù)瀕臨絕種生物及恢復(fù)河流環(huán)境或其他種種原因，而開(kāi)始?jí)误w移除的行動(dòng)，為全球最早開(kāi)始進(jìn)行壩體移除的國(guó)家；在法國(guó)也先后為了恢復(fù)鮭魚(yú)的棲地進(jìn)行了壩體移除；日本則是凍結(jié)許多水壩建設(shè)計(jì)劃，面臨計(jì)劃終止的水庫(kù)就有 92 座。

生物洄游路逕受阻隔

橫向構(gòu)造物的興建后，阻隔了原本可以在溪流中自由遷徙移動(dòng)分布的水生生物，尤其是生活史中具有降、溯河性行為的種類(lèi)。

棲息地單調(diào)化

橫向構(gòu)造物完工后，壩上方新形成的深潭，被水流攜帶的砂礫石塊漸次淤滿，減少了適合魚(yú)類(lèi)棲息所需的物理性環(huán)境因子與結(jié)構(gòu)性棲地，即河道變寬，流速減緩，水深變淺；由深潭、急流、緩流與淺瀨等多樣化的棲地變成寬而淺的單調(diào)淺瀨的河道。

減少水生生物的多樣性與豐富度

橫向構(gòu)造物攔砂造成上游淤砂的單一化棲息環(huán)境，與常被水流揚(yáng)起的沙質(zhì)所產(chǎn)生的混濁，對(duì)水生生態(tài)系與藻類(lèi)等多樣性與豐富度造成負(fù)面影響。

水生生物族群基因庫(kù)縮小與區(qū)隔化

由于溪流被構(gòu)造物分隔而成區(qū)段化，在相隔兩河段間，都只有向下游的單向分布。不論何種魚(yú)類(lèi)或水生生物，被封閉在有限的水域內(nèi)，族群擴(kuò)散模式遭阻斷，持續(xù)進(jìn)行單向的生殖交流活動(dòng)，使得族群因近親交配，造成基因庫(kù)趨于單一化，其適應(yīng)環(huán)境變化的能力逐漸降低，以致有滅絕的危機(jī)。

防砂壩全部移除

將堰壩壩體與所有其他附屬構(gòu)造物拆除，兩側(cè)直至壩墩，其作法在于移除所有的人工構(gòu)造物，亦即將河道恢復(fù)成過(guò)去未建壩的樣子。

防砂壩完全切開(kāi)

拆毀壩體結(jié)構(gòu)或是切開(kāi)，使其接近原來(lái)的河床位置，完全切開(kāi)不需將所有的堰壩及附屬構(gòu)造物拆除。

防砂壩部分切開(kāi)

指移除部分壩體，使得堰壩不能蓄水，堰壩仍然存在，但開(kāi)口需夠大使較大洪水可順利通過(guò)，切開(kāi)順序如下：垂直方面逐步拆除，保留基座防止河床嚴(yán)重縱向刷深。從中央以 U 字型或 V字型往下逐步拆除，河道圍堰一半，先拆除一半，再拆另一半或剩下部分使其自然崩解。

防砂壩水位降低

當(dāng)水位降低時(shí)，存在的水位不再對(duì)壩體施加過(guò)大的水壓力，對(duì)于安全上的緊急處理或移除橫向水工結(jié)構(gòu)物先行步驟有所益處。 2100433B

防砂完井選擇方法

1．經(jīng)驗(yàn)分析方法

目前采用經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)具體井進(jìn)行防砂方法選擇仍占主導(dǎo)地位，綜合分析油藏地質(zhì)、生產(chǎn)、完井等因素，借鑒實(shí)驗(yàn)研究成果及油田多年防砂完井實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了比較完善的防砂方法選擇體系。該方法實(shí)施起來(lái)比較簡(jiǎn)單易行，成功的關(guān)鍵取決于工程技術(shù)人員豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。

2．防砂方法評(píng)價(jià)模型

1)綜合模糊評(píng)判

對(duì)現(xiàn)有的各種防砂方法的適應(yīng)性進(jìn)行歸納分析，建立防砂方法適應(yīng)條件知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為綜合模糊評(píng)判模型的基本依據(jù)。根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立各因素的權(quán)重系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，表達(dá)各因素在防砂方法優(yōu)選中的重要程度。引入隸屬系數(shù)和隸屬度計(jì)算各防砂方法對(duì)井的適應(yīng)性，最后可得到各種防砂方法的評(píng)判因子，根據(jù)評(píng)判因子優(yōu)詵出防砂方法。

技術(shù)評(píng)判指標(biāo)的計(jì)算步驟：

①讀取選定井對(duì)應(yīng)于全部因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用隸屬函數(shù)計(jì)算具體井?dāng)?shù)對(duì)各個(gè)因素的全部模糊集合的隸屬度；

②讀取防砂方法適應(yīng)條件知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取全部防砂工藝對(duì)全部因素的適應(yīng)模糊的標(biāo)識(shí)；

③利用隸屬函數(shù)計(jì)算給定井的數(shù)據(jù)對(duì)各適應(yīng)模糊集合的隸屬度；

④考慮各因素的權(quán)重系數(shù)計(jì)算綜合評(píng)判指標(biāo)。綜合評(píng)判指標(biāo)中，評(píng)判系數(shù)越大表示對(duì)應(yīng)的防砂方法對(duì)給定的井技術(shù)上越可行。選出前若干種評(píng)判系數(shù)較大的防砂方法后可以繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行相對(duì)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，從而優(yōu)選出技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都最優(yōu)的防砂方法?！?/p>

2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

目前應(yīng)用最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是反向傳播(B-P)網(wǎng)絡(luò)，利用若干防砂方法選擇正確范例作為樣本輸入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)果保存在各結(jié)點(diǎn)的權(quán)系數(shù)和閾值上。向網(wǎng)絡(luò)輸入待識(shí)別的防砂井的基本參數(shù)進(jìn)行識(shí)別計(jì)算，輸出向量中最大元素對(duì)應(yīng)的防砂方法應(yīng)該是最優(yōu)的防砂方法。因此，輸出結(jié)點(diǎn)數(shù)等于所有備選防砂方法的總數(shù)。

防砂完井選擇原則

①立足于先期防砂。根據(jù)油藏地質(zhì)和試采資料，結(jié)合出砂預(yù)測(cè)，一旦判定地層出砂，立足于先期防砂完井。

②結(jié)合油藏地質(zhì)特征，綜合考慮工藝、技術(shù)條件和防砂費(fèi)用，選擇最優(yōu)的防砂方法。

③立足于保護(hù)油層，減少傷害，又保持油井獲得最大產(chǎn)能為目標(biāo)，進(jìn)行方法優(yōu)選。

防砂完井考慮的因素

防砂方法決策需考慮的因素主要有完井類(lèi)型、完井井段長(zhǎng)度、井身狀況、油層物性、油藏流體物性、產(chǎn)能損失、成本費(fèi)用。 2100433B

按照目前國(guó)際上通行的分類(lèi)方法，把防砂完仆分為獨(dú)市篩管防砂和礫石允填防砂兩個(gè)大類(lèi)。根據(jù)儲(chǔ)層特征和工藝要求，派生出很多種類(lèi)型的防砂完井系列，比如割縫襯管完井、繞絲篩管完井、金屬纖維篩管完井、燒結(jié)陶瓷篩管完井、金屬氈篩管完井、管內(nèi)繞絲篩管完井、管內(nèi)金屬纖維篩管完井、管內(nèi)燒結(jié)陶瓷篩管完井、管內(nèi)金屬氈篩管完井、多孔冶金粉末防砂篩管完井、管內(nèi)多孔冶金粉末防砂篩管完井、各種復(fù)合篩管完井、裸眼礫石充填完井、管內(nèi)礫石充填完井等等。

(1)繞絲篩管礫石充填防砂完井技術(shù)

繞絲篩管由篩筒、接頭、扶正器和基管等部件組成，篩筒是用特殊截面的不銹鋼絲在專(zhuān)用設(shè)備上采用先進(jìn)工藝技術(shù)燒焊制造而成的。該技術(shù)的防砂原理是通過(guò)防砂管柱將礫石砂漿送人套管與篩管的環(huán)形空間，借助于篩管阻擋礫石進(jìn)入井筒，而礫石層則充當(dāng)砂墻，成為阻擋地層出砂的可靠屏障，從而達(dá)到既保持油井高產(chǎn)又能控制地層出砂的目的。

這種防砂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是防砂可靠、有效期長(zhǎng)；對(duì)油層傷害小、滲流面積大、油井采油指數(shù)高；適應(yīng)強(qiáng)，可通過(guò)礫石防不同粒徑的地層砂。缺點(diǎn)是施工復(fù)雜、車(chē)組動(dòng)用多、現(xiàn)場(chǎng)指揮困難；施工費(fèi)用高；只能地面選擇礫石直徑、一旦防砂失敗，不易補(bǔ)救，打撈十分困難。

(2)割縫管防砂完井技術(shù)

割縫襯管是在管壁上利用銑刀在銑床上銑削而成，其縫寬度取決于能通過(guò)襯管的砂粒粒徑大小，因此，針對(duì)不同砂粒，可選擇不同的割縫寬度來(lái)進(jìn)行防砂，從而達(dá)到防止地層出砂的目的。由于銑刀強(qiáng)度的限制，0.3mm以下的割縫寬度難以加工，因此割縫襯管只適用于中一粗粒徑油砂儲(chǔ)層。根據(jù)割縫管剖面來(lái)看，可分為平行割縫和梯形割縫，目前通常采用橫向梯形割縫結(jié)構(gòu)。

這種防砂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工制造簡(jiǎn)單、成本低、內(nèi)徑大、打撈簡(jiǎn)單、施工容易；缺點(diǎn)是縫隙尺寸易受腐蝕而變大，導(dǎo)致防砂效果差，流通面積相應(yīng)較小，“自潔”能力較弱。

(3)裸眼膨脹管完井技術(shù)

依賴于井下測(cè)量和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的進(jìn)步以及完井技術(shù)的逐步成熟，裸眼膨脹管完井技術(shù)得以迅速發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)包括膨脹尾管掛完井技術(shù)和膨脹篩管完井技術(shù)。前者主要是通過(guò)投球?qū)⑺嘧⑷肴缓蟊飰鹤鴴欤捎谂蛎浳补苋〈送ǔ５目ㄍ呤轿补軖?，使得注水泥與坐掛可一次完成。對(duì)于在完井過(guò)程中存在多套油水體系及泥巖夾層的情況，可以采用膨脹篩管完井技術(shù)，該技術(shù)除了類(lèi)似于割縫管完井技術(shù)無(wú)需礫石充填、減少完井花費(fèi)外，最主要的是能夠減小生產(chǎn)壓差，增大油井過(guò)流面積，并能明顯延長(zhǎng)油氣井壽命。

(4)金屬纖維篩管防砂完井技術(shù)

金屬纖維篩管的基本結(jié)構(gòu)主要由基管、保護(hù)管、內(nèi)外網(wǎng)、不銹鋼纖維充填層等組成。不銹鋼纖維的作用是選擇性過(guò)濾作用，其防砂參數(shù)主要是金屬纖維的尺寸、厚度、壓縮系數(shù)等。正確選擇防砂參數(shù)是防砂成敗的關(guān)鍵。液體攜帶的大部分砂被外層金屬纖維網(wǎng)擋住，在篩管外形呈穩(wěn)定的砂拱，地層出的砂也主要靠這個(gè)砂拱來(lái)阻擋過(guò)濾，中部的金屬纖維由于其排列是無(wú)規(guī)則的，具有一定的彈性，它叮以阻擋和大量吸附透過(guò)外網(wǎng)進(jìn)來(lái)的砂，從而起到擋砂的作用。該方法具有施工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、成功率高，抗腐蝕能力強(qiáng)，孔滲性好，使用壽命長(zhǎng)，適用范圍廣等特點(diǎn)。

(5)多分支防砂完井技術(shù)

在含重油的砂巖儲(chǔ)層中，砂質(zhì)顆粒具有固有的在重油中呈懸浮狀態(tài)的特征，因此必須實(shí)施有效的防砂完井技術(shù)，確保砂質(zhì)顆?？梢噪S重油一起采出到地表，又能很容易地實(shí)現(xiàn)分離。目前多分支鉆井技術(shù)在許多重油油藏的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中都得到了廣泛應(yīng)用，并獲得了最大化的儲(chǔ)層產(chǎn)出。

《油氣井防砂技術(shù)》針對(duì)大多數(shù)疏松砂巖油氣藏的出砂與防砂問(wèn)題，圍繞油氣井防砂綜合決策理論與技術(shù)，就如何進(jìn)行系統(tǒng)出砂評(píng)價(jià)、正確選擇防砂方案、合理設(shè)計(jì)防砂施工參數(shù)以及后期效果評(píng)價(jià)等進(jìn)行系統(tǒng)闡述，重點(diǎn)是介紹與防砂綜合決策相關(guān)的理論與方法。主要內(nèi)容包括疏松砂巖地層巖石力學(xué)基礎(chǔ)、油氣層出砂機(jī)理及系統(tǒng)出砂預(yù)測(cè)、防砂工藝原理、防砂工藝方案評(píng)價(jià)與優(yōu)選、防砂工藝設(shè)計(jì)理論與方法、水平井與大斜度井防砂、防砂井產(chǎn)能評(píng)價(jià)、防砂措施效果綜合評(píng)價(jià)體系、油氣井防砂施工工藝技術(shù)、防砂工藝綜合決策系統(tǒng)平臺(tái)——Sandcontrol Office簡(jiǎn)介等。