關(guān)于石油管道工程凍土環(huán)保技術(shù)的若干思考

劉燕寧（中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010）

1 石油管道沿線凍土環(huán)境概述

1.1 凍土簡介

凍土，顧名思義，是指溫度在0攝氏度以下，土壤層中含有冰和巖石混合物，并對溫度變化及其敏感的土體地質(zhì)層。具體來說，冬季凍土層在零下攝氏度的低溫狀態(tài)下，隨著溫度的不斷降低發(fā)生劇烈膨脹，對表層建設(shè)的路面路基產(chǎn)生推頂擠壓作用；夏季凍土層隨著氣溫的逐漸升高而內(nèi)部的冰物質(zhì)逐漸融化。土層體積逐漸縮小，路基發(fā)生向下沉降，容易導(dǎo)致出現(xiàn)路基或路面塌陷、變形甚至裂變。

總體來說，凍土可分為數(shù)小時(shí)、數(shù)日或多至半月的短時(shí)凍土、半月至數(shù)日的季節(jié)凍土、數(shù)年至數(shù)萬年及以上的多年或永久性凍土等類型。凍土具有流變的性質(zhì)，其長期物理強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于瞬間強(qiáng)度的特征。因此，因其凍土的上述性質(zhì)，在凍土區(qū)修建工程構(gòu)建物要面臨兩大挑戰(zhàn)：凍脹與融沉。這是世界范圍內(nèi)要解決凍土層上構(gòu)建工程的永恒難題。

1.2 凍土環(huán)境及其特征

1.2.1凍土環(huán)境

是指凍土層所在區(qū)域多年形成的自然環(huán)境，凍土聚集區(qū)域隨著氣溫的變化，常年凍脹與融沉，形成了區(qū)域內(nèi)獨(dú)特的自然環(huán)境。

1.2.2特征

凍土所在區(qū)域大多為地域氣候環(huán)境惡劣區(qū)域。多年凍土層分布往往呈現(xiàn)維度地帶分布特征。從地理學(xué)角度看，從南至北，從低緯度到高緯度，凍土層的分布呈現(xiàn)由零星狀到半島形狀最后過渡到片狀連續(xù)區(qū)域分布。從特征來說，維度高的地區(qū)凍土抗熱干擾能力較差，熱穩(wěn)定性要好于緯度低區(qū)域的凍土。

我國凍土區(qū)域主要分布在境內(nèi)的亞寒帶與寒帶區(qū)域，凍土所在區(qū)域人跡罕至，原始自然風(fēng)貌保存完好，山間與河谷多發(fā)育為沼澤，森林與河流資源豐富。地質(zhì)層中往往蘊(yùn)含豐富石油資源。

2 石油管道工程對凍土環(huán)境影響分析

2.1 凍土區(qū)域的自然環(huán)境破壞

石油管道在凍土層施工，開挖溝槽，地表植被遭到破壞。同時(shí)，在溝槽回填過程中，要進(jìn)行凍土層回填壓實(shí)作業(yè)，使得土壤空隙及水分含量減少，增加了土壤吸收的熱量，使得凍土地表水分較少、熱量較高，干燥板結(jié)，不利于植物后續(xù)演替生長。

石油管道施工現(xiàn)場作業(yè)人員與設(shè)備集中，凍土周圍被大型機(jī)械與材料堆壓、踩踏，會(huì)形成裸露的斑塊，加之廢物廢水及施工垃圾的堆放，造成周圍環(huán)境污染。

2.2 施工安全性問題

使得凍土層直接暴露在周圍環(huán)境之中，進(jìn)行熱量交換，若施工季節(jié)溫度較高，則會(huì)出現(xiàn)凍土土壤吸收較大熱量，隨著施工開挖面積的增加。凍土吸收熱量越來越大，出現(xiàn)凍土融化面積越來越大的現(xiàn)象，土層內(nèi)聚力降低，容易出現(xiàn)工程塌方危險(xiǎn)。

石油管道施工過程中，修建的排水與側(cè)溝工程往往會(huì)出現(xiàn)積水，隨著積水逐漸增多并滲透在冰層中，融化冰層，會(huì)導(dǎo)致底層洼陷，造成施工危險(xiǎn)。

即使石油管道成功修建并運(yùn)送石油，當(dāng)輸油管道中石油溫度過高時(shí)，熱量會(huì)傳遞到凍土層中，使得凍土融化，出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。當(dāng)輸油管道中石油溫度過低時(shí)，會(huì)吸收凍土層中的熱量，管道會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，導(dǎo)致管道破裂，出現(xiàn)原油泄漏現(xiàn)象。

3 凍土環(huán)境保護(hù)技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)在凍土環(huán)境中，成功建設(shè)石油管道，并保證使用過程中不出問題，就必須做好施工建設(shè)過程中對凍土層防熱干擾工作，盡量維持凍土層的原生態(tài)狀態(tài)，要用最小的影響最短的周期實(shí)現(xiàn)施工區(qū)域凍土環(huán)境達(dá)到新的均衡狀態(tài)。

3.1 在凍土融化范圍清除植被邊界

在凍土層環(huán)境表面因施工導(dǎo)致融化的范圍處進(jìn)行一定的延伸，作為清除植被的邊界，其理論延伸邊界為凍土上限的1.7倍左右，大型工程及石油管道的安全防護(hù)距離要在55米以上。

3.2 積極恢復(fù)遭破壞的植被

在工程施工建設(shè)過程中，工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)凍土表層土壤與植被要進(jìn)行恢復(fù)及養(yǎng)護(hù)，在施工結(jié)束后按照科學(xué)分層進(jìn)行回填并恢復(fù)。具體來說，在小型工程取土坑回填時(shí)，可利用工程廢棄土及殘?jiān)M(jìn)行回填操作，并覆蓋以植被。在較大型取土坑回填時(shí)，當(dāng)挖掘面積大于60平米時(shí)，回填時(shí)要做成與周圍地表自然過渡的坡度小于26度的緩坡，并覆蓋以植被。

3.3 對坑基開挖暴露時(shí)間控制

在施工過程中，要充分考慮凍土層所允許的融化厚度，施工季節(jié)的溫度及基坑表面凍土層受空氣對流換熱與太陽輻射的影響，通過空氣對流交換公式計(jì)算坑基開挖暴露時(shí)間機(jī)凍土層可承受施工暴露時(shí)間范圍。

3.4 要準(zhǔn)確確定施工便道和伴行路基的臨界填筑高度

要維持路堤層下凍土的天然狀態(tài)，在凍土層冰含量低的工程路段，施工便道與伴行路段的路基填筑高度要以0.45-0.75米為最佳；在凍土層冰含量高的工程路段，伴行路與施工便道的最小臨界高度可利用計(jì)算公式算出，具體為H=1.2（1.0-0.15天），H代表凍土環(huán)境區(qū)域的天然上限，理論上計(jì)算來說，暖季施工，凍土層寒冰量低的區(qū)域，施工便道與伴行路的路基不低于0.4米，而寒冰量搞得凍土區(qū)域，施工便道與伴行路基不低于0.7米。

綜上，眾所周知，凍土層因其特殊的構(gòu)造，凍土環(huán)境較為脆弱，在進(jìn)行石油管道建設(shè)與鋪設(shè)過程中，不可避免的會(huì)對凍土的原生態(tài)環(huán)境造成破壞與傷害，在工程建設(shè)過程中，要通過凍土融化范圍清除植被邊界、凍土層植被的復(fù)墾、對坑基開挖暴露時(shí)間控制、確確定施工便道和伴行路基的臨界填筑高度等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)凍土層石油管道工程建設(shè)的平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]李國智.石油管道工程凍土環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2019(07).