大小興安嶺多年凍土區(qū)輸油管線地質(zhì)災(zāi)害成因及防治

孫永泉，馬永嫻，王立勇，董學(xué)良

(黑龍江省九O四水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江哈爾濱 150030)

多年凍土區(qū)油氣管道沿線地質(zhì)災(zāi)害是我國(guó)管道安全的主要風(fēng)險(xiǎn)源之一，造成多年凍土災(zāi)害的原因是氣溫和人為活動(dòng)引起的地溫變化，導(dǎo)致多年凍土表層凍融層的凍融變化，產(chǎn)生各種凍融現(xiàn)象。隨著對(duì)多年凍土認(rèn)識(shí)的逐步深入，在多年凍土的勘察、管道的修建及災(zāi)害防治方面取得了一些認(rèn)識(shí)。本文根據(jù)多年對(duì)大小興安嶺多年凍土區(qū)已有管道工程的勘察監(jiān)測(cè)，對(duì)多年凍土有關(guān)問題及管道敷設(shè)方式作一論述，對(duì)比出防治多年凍土災(zāi)害的有效措施及今后工作建議。

1 區(qū)域自然地理概況

黑龍江省大小興安嶺多年凍土屬于高緯度多年凍土，含冰量高，分為大片連續(xù)多年凍土區(qū)(Ⅰ)、島狀融區(qū)多年凍土區(qū)(Ⅱ)、島狀多年凍土區(qū)(Ⅲ)、季節(jié)凍土區(qū)(IV)(圖1)。其中連續(xù)多年凍土區(qū)位于大興安嶺西坡北部，西部與內(nèi)蒙接壤，北邊以黑龍江為界，東邊沿大興安嶺脊線東側(cè)向北至漠河一帶，呈大片分布，氣候條件屬寒溫帶，年平均氣溫在-5℃以下，年地溫一般為-1.0～2.0℃，最低可達(dá)-4.0～-4.4℃。一年有7～8個(gè)月為冰凍期。冰層厚度由數(shù)厘米至三、四米。季節(jié)融化深度較小，一般只有0.3～1.5 m。島狀融區(qū)凍土區(qū)年平均氣溫在-3～5℃下，年地溫為-0.5～1.5℃，季節(jié)融化深度一般在0.5～2.5 m。大小興安嶺多年凍土由大片連續(xù)性至島狀分布，凍土厚度由50～100 m降低至5～20 m，平均地溫和氣溫由北向南逐漸升高(表1)，大約緯度每降低1°，氣溫升高1℃，年平均地溫升高 0.5℃［1～2］。

表1 我國(guó)東北地區(qū)多年凍土的主要特征Table 1 The main features of permafrost in Northeast China

圖1 大小興安嶺多年凍土分區(qū)圖Fig.1 Subarea graphs of permafrost region in Daxiaoxinganling

2 輸油管道選擇類型及其適用性

國(guó)內(nèi)凍土地區(qū)管道敷設(shè)方式主要有三種，分別為地上式、地面式、地下式。

(1)地上式是采用柱、樁基礎(chǔ)把管道架空起來?？杀３衷撂烊粻顟B(tài)及連續(xù)凍土植物原生狀態(tài)，不會(huì)因凍土引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害破壞管道，保證管線正常運(yùn)營(yíng)。它涉及基礎(chǔ)與凍土間的熱交換計(jì)算、管道的保溫層厚度、基礎(chǔ)的凍脹與融沉變形等問題。為了減少油管熱量通過樁、柱基礎(chǔ)向凍土傳熱，采用熱虹吸管作為管道的樁、柱基礎(chǔ)，使凍土地基始終保持凍結(jié)狀態(tài)，保證構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。該方式主要適用于多年凍土中熱敏感性很強(qiáng)的富冰、飽冰和含土冰層地帶。美國(guó)的阿拉斯加輸油管道即采用此方式［3］。

(2)地面式為地面平鋪、路堤式。該法同樣要求保持多年凍土原生狀態(tài)，涉及地基與管道間的熱交換計(jì)算、管道保溫層厚度，底墊層的隔熱保溫材料、地基土的熱物理特性、堤高的確定及地基的凍脹與熱融下沉等問題。東北大興安嶺多年凍土區(qū)的城市、林業(yè)局、鐵路供水管道及部分輸油管道都采用路堤式，至今運(yùn)行正常。

(3)地下式即埋入式。該方式最不適合大片連續(xù)多年凍土區(qū)，容易引起凍脹融沉及坍滑。在大興安嶺輸油管道建設(shè)中采用此方法的地段多為地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)，至今仍在治理中。其主要適用于含冰量相對(duì)較少，冰層厚度較小的干燥型凍土。我國(guó)青藏高原的格爾木至拉薩的輸油管道即采用埋入式。

國(guó)外部分多年凍土區(qū)管道敷設(shè)采用保持地基土凍結(jié)狀態(tài)法，在特殊地段修建專門的地下鋼筋混凝土廊道，管道置于廊道中，減少管道介質(zhì)熱量向周圍凍土傳遞，保持地基承載力。同一廊道可以安裝不同管線，有利于檢查和維修［4～5］。

黑龍江省大小興安嶺多年凍土不同于青藏高原凍土，屬于熱敏感性很強(qiáng)的富冰、飽冰凍土層，該區(qū)已有的管道工程中，管道敷設(shè)方式采用地上式、地面式，多年來運(yùn)行正常，而采用地埋式的管道引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，治理不斷。因此，大小興安嶺多年凍土管道敷設(shè)方式應(yīng)選擇地上式或地面式。

3 輸油管線地質(zhì)災(zāi)害成因

研究區(qū)的連續(xù)多年凍土區(qū)，不論水平方向還是垂直方向，凍土基本是連續(xù)的，由于凍土的溫度較低、且穩(wěn)定，對(duì)凍土保存有利，因此，管道建設(shè)工程應(yīng)采用保護(hù)凍土的設(shè)計(jì)原則，不應(yīng)破壞凍土。在大興安嶺多年凍土區(qū)管道敷設(shè)選擇前，由于對(duì)其多年凍土地溫、含冰情況調(diào)查不深，研究不夠，特點(diǎn)分析不足，僅借鑒季節(jié)凍土經(jīng)驗(yàn)，往往導(dǎo)致選擇不當(dāng)。而對(duì)輸油管道敷設(shè)方式選擇不當(dāng)易引發(fā)不良地質(zhì)現(xiàn)象，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，影響管道正常運(yùn)營(yíng)。

3.1 多年凍土區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象

多年凍土區(qū)地表層在反復(fù)凍融作用下產(chǎn)生物質(zhì)分異并重新組合。凍結(jié)時(shí)，水分凍結(jié)集中成冰，產(chǎn)生膨脹，地表隆起或在地表聚冰。融化時(shí)，地表積水滲入土層中，使地下冰融化導(dǎo)致地面沉陷、滑塌，產(chǎn)生一系列不良的凍土地質(zhì)現(xiàn)象(圖2)。

(1)凍脹丘

多年凍土區(qū)的季節(jié)融化層雙向凍結(jié)，地下水的過水?dāng)嗝媸茏?，造成局部承壓狀態(tài)，產(chǎn)生聚冰層。當(dāng)?shù)叵滤膲毫捅鶎优蛎浟Τ^上覆土層強(qiáng)度時(shí)地表發(fā)生隆起，形成了凍脹丘。

(2)冰椎

地下水出露和有地表水的地段均可形成冰椎。承壓水通過地層、河湖水面的裂隙流出地表，形成冰椎。直徑可達(dá)2～3 m，有的呈冰坡、冰漫延伸幾十米乃至數(shù)百米，按水源補(bǔ)給條件可將冰椎分為河冰椎和泉水冰椎兩種。

(3)凍土沼澤

凍土沼澤濕地是本區(qū)主要的濕地，分布范圍廣，沼澤濕地表層一般為腐殖質(zhì)土及泥炭層，厚為幾十厘米甚至達(dá)1～2 m，含冰量大，上限之下甚至有不規(guī)則厚層地下冰，是本區(qū)最差的凍土工程地質(zhì)地段。

(4)熱融沉陷、滑塌

凍融層融化使地面發(fā)生沉陷，形成沉陷漏斗、淺洼地及盆地，甚至形成熱陷湖。草皮和土層失去支撐沿坡下滑或塌落，形成泥石流堆積物［6～7］。

圖2 凍土不良地質(zhì)現(xiàn)象地貌示意圖Fig.2 Disadvantage of geological phenomena in permafrost region

3.2 管道敷設(shè)類型選擇不當(dāng)對(duì)管道影響

某石油管線沿線多年凍土主要分布于大興安嶺，且為連續(xù)多年凍土、島狀融區(qū)多年凍土、島狀多年凍土、季節(jié)凍土相間，由于其主要的鋪設(shè)方式為地埋式，開挖深度小于凍土冰層厚度，管道施工對(duì)凍土擾動(dòng)過大，且管道運(yùn)行之后，會(huì)受輸送介質(zhì)溫度影響，周圍凍土層融化，導(dǎo)致管道沿線地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)。

凍脹丘和冰椎在形成過程中可使管道不均勻抬升降起，導(dǎo)致管道翹曲變形。凍層融化后，管道周圍的土壤中含有大量的液態(tài)水，土的承載力急劇下降，壓縮性提高，管基產(chǎn)生融沉，管道隨之向下彎曲。兩者生成和消亡過程較快，引起管道變形速率大，破壞力強(qiáng)。反復(fù)的冬季凍脹、夏季融沉對(duì)管道的穩(wěn)定與安全性十分不利。

熱融滑塌對(duì)管道產(chǎn)生危害:當(dāng)管道位于坡上方時(shí)，滑塌易使管道暴露出地表;當(dāng)管道位于坡下方時(shí)，泥流堆積物易將管道深埋于地下。

另外，管道運(yùn)行中，周圍融化的凍土層，改變了凍土原生狀態(tài)，破壞了原生凍土結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，即降低管道基地層的凍結(jié)強(qiáng)度，在管道周圍形成了局部沉陷，管道下沉、彎曲、破壞(圖3)。

圖3 管道融沉示意圖Fig.3 Thaw schematic of pipes

4 地質(zhì)災(zāi)害的防治

在大小興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū)或島狀融區(qū)多年凍土，采用地埋式管道敷設(shè)，破壞了多年凍土原生狀態(tài)后容易引發(fā)凍土冰層結(jié)構(gòu)變化，凍土中的厚層地下冰一旦產(chǎn)生融化，往往很難制止，工程治理困難，且治理不當(dāng)可能造成治理工程失效、地質(zhì)災(zāi)害反復(fù)等現(xiàn)象，通常耗資很大。

4.1 凍脹融沉防治

4.1.1 前期不當(dāng)工程防治

在凍土沼澤、濕地地段東北某石油管線曾采用平衡袋壓管的方式保護(hù)管道保溫層以及減少浮管現(xiàn)象。其根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定土的凍拔力，設(shè)計(jì)相應(yīng)浮力平衡壓袋數(shù)量和重量(圖4)。但是，雖然凍脹壓力可以測(cè)定，管道受壓情況卻很難預(yù)測(cè)，當(dāng)平衡壓袋壓重管工程壓力不足時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)浮管現(xiàn)象。此法難以做到壓力平衡，災(zāi)害不能根治，不建議使用。

圖4 平衡袋壓管示意圖Fig.4 The schematic of balanced bag pressuring pipe

4.1.2 后期有效工程防治

對(duì)于在凍土沼澤、濕地、河漫灘、階地發(fā)生凍脹融沉災(zāi)害的管道主要采用抬管釋放應(yīng)力、混凝土樁連系梁支撐架空等治理工程，在融沉區(qū)灌注混凝土灌注樁支架管道，即在管道兩側(cè)灌注混凝土樁，用連系梁支撐架空管道，灌注樁深度需達(dá)到多年凍土上限以下幾米，使樁與多年凍土起到錨固作用，防止其整體沉陷。在管道上方進(jìn)行覆土，形成慢丘管堤，便于生長(zhǎng)植被。

此法可減少油管熱量向周圍凍土傳遞，進(jìn)而避免和減少地埋式管道對(duì)多年凍土穩(wěn)定性的破壞，避免凍脹融沉進(jìn)一步惡化，能有效防治凍脹融沉對(duì)管道的破壞。

4.2 坡面災(zāi)害防治

在凍土區(qū)坡面上發(fā)生熱融滑塌或水毀時(shí)，常規(guī)治理工程主要有:抹面護(hù)坡、漿砌石片護(hù)坡、擋土墻、地下截水墻、地面部分防冰、噴播植草護(hù)坡、三維植被網(wǎng)護(hù)坡、植物生態(tài)袋護(hù)坡、管道兩側(cè)修建排水溝，避免地表水徑流沖刷等。

4.2.1 前期不當(dāng)工程防治

漿砌石片護(hù)坡是在坡面上部砌筑漿砌石，下部修筑漿砌石擋土墻及排水溝，雖較有效地預(yù)防了坡面匯水對(duì)管堤的沖刷，但坡面兩側(cè)的碎石仍有滾落現(xiàn)象，對(duì)邊坡下部道路、車輛、行人構(gòu)成危害。

木屑護(hù)坡是在管道外部鋪設(shè)木屑加保溫層，其木屑主要采用松木、白樺等木材制作，木屑的最大粒徑不宜超過20 mm。但木屑護(hù)坡為易燃物，在大興安嶺地區(qū)使用不利于森林防火。木屑護(hù)坡在陽(yáng)光的照射下溫度高，不利于植被恢復(fù)，易受到坡面水流的沖蝕甚至被沖毀。

4.2.2 后期有效工程防治

當(dāng)坡度大于7°垂直等高線敷設(shè)或坡度大于3°且坡面長(zhǎng)度超過300 m的長(zhǎng)坡面縱向敷設(shè)管道時(shí)，均應(yīng)在管溝內(nèi)設(shè)截水消能墻［8］(圖5)。應(yīng)將截水墻伸入管溝側(cè)壁，在頂部鋪設(shè)0.3～0.5 m厚度的裝腐植土的植物生長(zhǎng)袋，便于植被的生長(zhǎng)和恢復(fù)，并在其上部散播紫羊茅增加植被覆蓋率，形成草皮護(hù)坡。

該法能較好地避免坡面匯水對(duì)坡面的沖刷，以及邊坡失穩(wěn)等險(xiǎn)情的發(fā)生，對(duì)管道起到了較好的保護(hù)作用，治理效果顯著。

圖5 截水消能墻Fig.5 Energy dissipation cut-off wall

5 結(jié)論

(1)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育是地質(zhì)環(huán)境變化和影響因素綜合作用的結(jié)果，是不斷變化和發(fā)展的，對(duì)東北多年凍土區(qū)管線地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、防治是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作。

(2)多年凍土區(qū)管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮地上式、地面式管道敷設(shè)方式;對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)充分考慮凍土類型、特點(diǎn)、上限、含冰量及其溫度、地形地貌、水文氣象等［9］，適當(dāng)增加管材壁厚、減小管道的徑厚比。

(3)水工保護(hù)構(gòu)筑物，應(yīng)采用適應(yīng)變形能力大的柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并配置防護(hù)措施。

(4)完善管道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中建立的地質(zhì)災(zāi)害防治管理工作體制，對(duì)危害性大的重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，采取工程治理。

［1］ 童長(zhǎng)江，管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治［M］.北京:水利電力出版社，1985.［TONG C J，GUAN F N.Soil frost heaving and building prevention［M］.Beijing:China WaterPowerPress，1985.(in Chinese)］

［2］ 楊潤(rùn)田，林鳳桐.多年凍土區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，1986:390-395.［YANG R T， LIN F T.Permafrost zone hydrogeology and engineering geology［M］.Harbin:Northeast Forestry University Press，1986:390-395.(in Chinese)］

［3］ WU YP，SHENG Y，WANG Y，et al.Stresses and deformations in a buried oil pipelinesubjectto differential frost heave in permafrost regions［J］.Cold Regions Science and Technology，2010，64(2):256–261.

［4］ 金會(huì)軍，BREWERR.M C.阿拉斯加北極地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)［J］.冰川凍土，2005，27(1):140-146.［JIN H J，BREWERR M C.Engineering design and construction experience and lessons of Alaska’s Arctic region［J］.Glacier Permafrost，2005，27(1):140-146.(in Chinese)］

［5］ H A崔托維奇.凍土力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1985:388-390.［H A.Frozen soil mechanics［M］.Beijing:Science Press，1985:388-390.(in Russian)］

［6］ 金會(huì)軍，喻文兵，高曉飛，等.凍土區(qū)輸油管道工程基礎(chǔ)穩(wěn)定性研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(2):13-18.［JIN H J，YU WB，GAO X F，et al.Research pipeline project basis permafrost zone stability［J］.Oil Pipeline，2006，25(2):13-18.(in Chinese)］

［7］ 陳朋超，楊寶玲，王民.漠大管道及其多年凍土區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(8):621-623.［CHEN P C，YANG B L，WANG M.Desert big pipeline and its regional geological disaster risk of permafrost［J］.Oil Pipeline，2011，30(8):621-623.(in Chinese)］

［8］ 齊明，李連星，朱萬美.溝坡段輸氣管道的水工保護(hù)［J］.煤氣與熱力，2006，26(8):1-31.［QI M，LI L X，ZHU W M.Hydraulic protection section of the gas pipeline trench slope ［J］.Gas and Heat，2006，26(8):1-31.(in Chinese)］

［9］ 曹文炳，萬力，陳康，等.季節(jié)凍土對(duì)包氣帶水分遷移的影響［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，41(6):1-5.［CAO W B，WAN L，CHEN K，et al.Seasonal frozen soil of the vadose zone moisture migration［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2014，41(6):1-5.(in Chinese)］