澀寧蘭復(fù)線多年凍土地段治理方案研究

王洪波，黃麗，孟獻強，邢貴先，李春鋒.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000.中國石油天然氣管道局國際部，河北廊坊065000

澀寧蘭復(fù)線多年凍土地段治理方案研究

王洪波1，黃麗1，孟獻強2，邢貴先2，李春鋒1
1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000
2.中國石油天然氣管道局國際部，河北廊坊065000

主要介紹了澀寧蘭復(fù)線橡皮山和拉脊山地段多年凍土對管道的危害及其治理方案。對凍土的形成機理和破壞機理進行了分析，得到了不同類型土壤的凍脹量與凍結(jié)深度關(guān)系?；谟邢拊治鲕浖艿涝馐軆鋈谧饔眠M行力學(xué)分析，確定凍土對管道安全的危害程度。通過對現(xiàn)場實地調(diào)研和分析研究，提出了針對該地區(qū)的多年凍土危害的防治方案，即采用袋裝砂置換凍土的穩(wěn)管方案，該方案不僅解決了冬季凍漲問題，而且解決了夏季融沉對管道的影響，同時節(jié)約了施工成本。

多年凍土；凍脹量；埋地管道；置換法

澀寧蘭輸氣管道復(fù)線工程起自青海省柴達木盆地澀北一號氣田澀寧蘭老線澀北首站，東至蘭州西固區(qū)F35#閥室，線路長度921.4 km。管道沿線途經(jīng)青海省格爾木市、大小柴旦鎮(zhèn)、德令哈市、烏蘭縣、共和縣、湟源縣、貴德縣、湟中縣、平安縣、樂都縣、民和縣以及甘肅省永靖縣、蘭州市，共計13個縣、市、區(qū)。設(shè)計壓力6.3 MPa（表壓），干線管徑為660 mm。

澀寧蘭復(fù)線所經(jīng)過地區(qū)地形復(fù)雜，沿線人煙稀少，社會依托條件不良，自然條件相對比較惡劣，尤其在橡皮山和拉脊山地段，最高海拔達到3 900 m。由于海拔高，多年凍土發(fā)育，在近山口部凍土深度大，凍融作用明顯，給管道的施工和安全帶來了很大的危害。

1 現(xiàn)場勘察情況

在澀寧蘭輸氣管道復(fù)線勘察過程中發(fā)現(xiàn)，在管道四標AE段橡皮山西延段及五標AF、AG段拉脊山口局部地段有常年凍土層，其總長度約4.7 km。現(xiàn)場凍土勘察情況如下：

四標AE段橡皮山西延段，發(fā)現(xiàn)多年凍土，地層以第四系全更新統(tǒng)沖洪積粉土為主，凍土上限深度1.85 m，下限深度2.80 m，為島狀銜接凍土。

五標AF拉脊山口段，地層以第四系全更新統(tǒng)坡洪積粉土和粗砂為主。粉土層厚1.0～2.5 m，下部為粗砂，揭露厚度2.0～2.8 m。

五標AG拉脊山口段，地層為第四系坡洪積粉質(zhì)黏土和粗砂。粉質(zhì)黏土層厚1.5～3.0 m；下部為粗砂，揭露厚度1.2～2.0 m。

五標AF、AG段拉脊山口凍土區(qū)為連續(xù)長度達4.5 km的常年凍土，現(xiàn)場凍土區(qū)鉆探巖芯如圖1所示，最大凍土深度為4.3 m。

圖1　拉脊山口現(xiàn)場凍土區(qū)鉆探巖芯

在常年凍土帶中間由粉質(zhì)黏土構(gòu)成的凍土段里，原澀寧蘭輸氣管道（陰極保護樁號687～688段）由于沒有進行必要的處理，部分地表塌陷比較嚴重，表現(xiàn)為下沉、空洞等，如圖2、3所示。

圖2　凍土融化后的狀態(tài)

圖3　凍土融化后的地面塌陷坑

2 凍土中管道的管-土相互作用分析

2.1土體的凍漲與凍漲機理

當(dāng)輸氣管道從非凍結(jié)敏感土壤穿越到凍結(jié)敏感土壤，或從尚未凍結(jié)的土壤穿越到正在凍結(jié)的土壤時，管道承受兩種土壤界面處差異性凍脹引起的差異性運動而產(chǎn)生變形，管道和土壤都產(chǎn)生了應(yīng)力和應(yīng)變。

這種熱-力耦合管土相互作用與平常的管土相互作用有三個基本的不同：

（1）凍結(jié)土凍脹引起的土壤差異性運動是凍結(jié)土中熱傳遞、水分遷移、水相變共同作用的結(jié)果。

（2）隨著凍結(jié)區(qū)域的滲透，土壤的力學(xué)行為是變化的。

（3）與非凍土相比，凍土有明顯的蠕變。凍土的蠕變引起管道和其周圍土壤應(yīng)力和應(yīng)變的變化。

以上特征表明，凍土-管道相互作用是一個復(fù)雜的依時性、熱-力耦合問題。

由于對這樣復(fù)雜的依時性、熱-力過程的完整耦合分析是非常困難的，現(xiàn)存大多數(shù)管土相互作用模型把這個問題處理為基本的兩個獨立的過程，即凍脹過程和管土相互作用過程。

2.2凍漲量計算

2.2.1凍脹量的理論計算方法

地基土凍脹受多種因素影響，尤其是細粒土在凍結(jié)過程中受強烈的水分遷移作用，土體的凍脹量增大幾倍至幾十倍，使地基土凍脹計算更加復(fù)雜。研究表明，細粒土的凍脹量，除了土體原有的孔隙水凍結(jié)產(chǎn)生凍脹外，主要是凍結(jié)過程中下臥未凍土層的水分向凍結(jié)鋒面遷移，造成凍土中水分聚集所引起的凍脹。因此，土體的凍脹量△h應(yīng)由兩部分組成：

式中：W為土體的初始含水量；ρd為土的干密度，g/cm3；Hf為凍結(jié)深度，cm；i為相對含水量；Uw為水分遷移速度，cm/h；T為水分遷移時間，h。

式中的第一部分屬于原有孔隙水分的凍脹量，即通常所說的封閉系統(tǒng)的凍脹量，取決于地基土原有的含水量。第二部分屬于凍結(jié)過程中遷移來的水分引起的凍脹量，即通常說的開放系統(tǒng)的凍脹量，取決于遷移量，與地基土的成分、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)勢系數(shù)、凍結(jié)速率和深度、孔隙水的黏滯性等有關(guān)。盡管有多種開放系統(tǒng)凍脹量的理論計算方法，但都存在不足和局限，至今仍沒有一種方法可直接應(yīng)用到工程設(shè)計。

2.2.2典型土壤的凍脹量計算

關(guān)于凍脹量的計算，不少規(guī)范和論文都給出了不同的計算方法，本文選用SL 211-2006《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》中根據(jù)統(tǒng)計求得的相關(guān)經(jīng)驗公式對低液限黏土、粉土和砂土進行凍脹量計算分析：

（1）低液限黏土的凍脹量：

（2）粉土、高液限黏土、粒徑≤0.075 mm的粒組含量占20％～50％的細粒土質(zhì)砂類土的凍脹量：

（3）粒徑≤0.075mm的粒組含量10％～20％的砂類土和礫類土的凍脹量：

式中：Zd為凍結(jié)深度，Zw為凍結(jié)初期的地下水位。

根據(jù)式（2）、（3）、（4）得出不同類型土壤的凍脹量與凍結(jié)深度關(guān)系曲線對比如圖4所示。

圖4　不同類型土壤的凍脹量與凍結(jié)深度關(guān)系曲線對比

從圖5可以看出，在凍結(jié)深度相同的情況下，砂土的凍脹量僅僅是低液限黏土的30％左右。因此，在凍土地區(qū)選擇合適的土壤類別十分重要。

3 有限元計算分析

3.1有限元模型

為了模擬澀寧蘭復(fù)線管道在凍土中的力學(xué)行為，本文選用兩種典型土壤：砂土（非凍脹敏感性土壤）和粉土（凍脹敏感性土壤）作為管道的穿越土壤。當(dāng)輸氣管道從砂土穿越到粉土?xí)r，由于兩種土壤的凍脹量不同，管道受力不同而彎曲，引起較大的應(yīng)力和應(yīng)變。管土作用模型如圖5所示。

圖5　管土相互作用模型/m

對兩種土壤的交界面作了理想化處理，即假設(shè)交界面為“突然”的垂直分開而無過渡帶。在分界面兩側(cè)，兩種土壤寬度均取65 m，深度為10 m，即總計算區(qū)域130 m×10 m。管道埋深1.5 m。為對比凍脹對不同管道的影響，分別對澀寧蘭復(fù)線項目所采用的三種壁厚的管道進行計算，管道參數(shù)見表1，管材的彈性模量取209 GPa，屈服強度取450 MPa，線膨脹系數(shù)取1.2×10-5℃，硬化指數(shù)取13.5。

表1　管道參數(shù)

3.2管道應(yīng)力分析

不同壁厚管道的軸向應(yīng)力分布，如圖6～8所示，最大壓應(yīng)力發(fā)生在分界面右2.5 m（距離67.5 m）處的管頂，最大拉應(yīng)力發(fā)生在分界面左邊3.5 m（距離61.5 m）處。從圖6可以看出，壁厚7.1 mm管道的管頂應(yīng)力在最大彎矩發(fā)生處的峰值被削平，表明此處應(yīng)力和彎矩不成比例關(guān)系，這是此處產(chǎn)生局部彎曲的緣故。

圖6　壁厚7.1mm管道應(yīng)力分布

3.3管道應(yīng)變分析

應(yīng)變也可以作為管道失效的判據(jù)，管道在分界面處彎曲段的應(yīng)變分布如圖9～11所示。

圖7　壁厚7.9 mm管道應(yīng)力分布

圖8　壁厚11.9 mm管道應(yīng)力分布

圖9　壁厚7.1mm管道軸向應(yīng)變分布云圖

圖10　壁厚7.9 mm管道軸向應(yīng)變分布云圖

圖11　壁厚11.9 mm管道軸向應(yīng)變分布云圖

3.4結(jié)果分析

為了便于比較，對三種壁厚管道的應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果進行了匯總，見表2。

表2　三種壁厚管道的應(yīng)力和應(yīng)變值匯總

從表2可以看出，三種壁厚管道等效應(yīng)力均小于0.9倍的管材的屈服強度（0.9×450=415 MPa）。管道的應(yīng)變量非常小，最大應(yīng)變均小于項目所設(shè)定的容許應(yīng)變0.5％，因此，管道受力均處于彈性范圍內(nèi)，管道是安全的。

經(jīng)過對多年凍土區(qū)的管道進行力學(xué)分析，雖然應(yīng)力應(yīng)變均滿足要求，但是由于凍土在長期的凍融作用下，地面會出現(xiàn)嚴重塌陷情況，管道上部的覆土厚度會明顯減小，使之不滿足設(shè)計埋深要求，因此，為保證管道在通過凍土地區(qū)埋深滿足要求，并且，減緩凍融作用對管道的影響，還需要采取相應(yīng)的措施進行處理，從而減少后期運營的影響。

4凍土處理方案研究

4.1技術(shù)方案的選擇

現(xiàn)場冬季凍脹嚴重，夏季沼澤化比較明顯，現(xiàn)場地面變形較大，對三樁和管道的覆土厚度都有極大的影響。

針對現(xiàn)場實際情況通過力學(xué)分析，本工程采用袋裝砂置換穩(wěn)管的方法，該方法有以下優(yōu)點：

（1）根據(jù)土壤差異性凍脹量特性，將過飽和的粉質(zhì)黏土置換成礫石土，使得凍脹量大大減少。

（2）夏季袋裝砂還起到穩(wěn)管的作用，避免管道漂管。

（3）用袋裝砂置換后，可以減少夏季融沉地面的明顯沉降，為后期運營管理鏟除了后患。

4.2袋裝砂置換穩(wěn)管技術(shù)要求

為了保證現(xiàn)場的施工質(zhì)量，對回填料和施工流程進行了嚴格的要求。

4.2.1置換材料的選擇

宜選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑（粒徑小于2 mm的部分不應(yīng)超過總重的45％），應(yīng)級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質(zhì)。當(dāng)使用粉細砂或石粉（粒徑小于0.075 mm的部分不超過總重的9％）時，應(yīng)摻入不少于總重30％的碎石或卵石；所用砂石的最大粒徑不宜大于50 mm。也可以選用礦渣作為置換材料，選用礦渣的松散重度不小于11 kN/m3，有機質(zhì)及含泥總量不超過5％。設(shè)計、施工前必須對選用的礦渣進行試驗，在確認其性能穩(wěn)定并符合安全規(guī)定后方可使用。

4.2.2施工注意事項

（1）凍土地區(qū)施工要合理安排工期，因為這類地區(qū)大部分都是冬天為凍土，夏天表層的幾米屬于淤泥土。

（2）對于一些凍土深度較大的區(qū)域，有的凍深能夠達到5 m以上。為減少工程量，可不必完全置換，對于置換深度只需滿足永凍土層厚的2/3且大于2.5 m即可。

（3）由上面的模擬計算可知，凍土地區(qū)壁厚越大的管道，所產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力越小，因此，在設(shè)計中凍土區(qū)提高了一個管道壁厚等級，以保證管道的安全。

（4）凍土地區(qū)置換回填必須采用卵石或者圓礫，嚴禁夏季裝填淤泥土，冬季裝填凍土。

4.2.3袋裝砂置換法的施工工序

（1）首先要按照設(shè)計要求，對管溝進行開挖，開挖后不得對溝底進行擾動。

（2）對溝底進行置換處理，并進行夯實處理，以滿足地基承載力的要求。

（3）按照袋裝砂穩(wěn)管通用圖進行管道的穩(wěn)管施工，將編織袋口兩兩捆扎，砂袋均勻布置在管道兩側(cè)。應(yīng)交錯碼放，不得留有通縫（見圖12、13）。

圖12　施工管溝斷面

圖13　管道穩(wěn)管施工示意

（4）穿越軟弱土層地區(qū)不能因為采取了臨時壓重措施而減少管頂覆土深度。管道通過該地段時管頂最小埋深應(yīng)不小于2 m。

5 結(jié)束語

本文采用了有限元數(shù)值模擬的方法，對澀寧蘭復(fù)線橡皮山和拉脊山段的多年凍土區(qū)管道的受力進行力學(xué)分析。通過對現(xiàn)場實地調(diào)研和勘察，提出了針對該地區(qū)的多年凍土的防治方案，采用袋裝砂置換穩(wěn)管的方案，不僅解決了冬季凍漲問題，而且還解決了夏季融沉對管道的影響，同時節(jié)約了施工成本，也為管道的安全設(shè)計提供了理論支持。

［1］ASCE-2001，Guidelines for the design of buried pipeline［S］.

［2］GB 50253-2003，輸油管道工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］SL211-2006，水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范穿越［S］.

Schematic Studies of Frozen Soil Treatment in Se-Ning-L an Second Gas Pipeline Project

WANG Hongbo1，HUANG Li1，MENG Xianqiang2，XING Guixian2，LIChunfeng1
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.China Petroleum Pipeline Bureau International，Langfang 065000，China

This paper introduces the endangerment to pipeline and treatment scheme of frozen soil in Xiangpi Mountain region and Laji Mountain region of Se-Ning-Lan Second Gas Pipeline Project.It analyzes the formation and damage mechanism of frozen soil，then obtains the relation between the frost heaving amount and the frost depth of different types of soils.It determines the pipeline damage degree due to frozen soilbased on ANSYS model，puts forward the prevention and treatment scheme of frozen soil endangerment to pipeline based on field investigations，i.e.to substitute sand bags for frozen soil to stabilize pipeline.This scheme can solve the effects of frost heaving in winter and thaw settlement in summer on pipeline，also save construction costs.

frozen soil；frost heaving amount；buried pipeline；substitution method

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.012

王洪波（1977-），男，吉林梨樹人，高級工程師，2005年畢業(yè)于大連理工大學(xué)力學(xué)專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事國內(nèi)外管道設(shè)計、管道水工保護和管道應(yīng)力分析方面的研究工作。

Email：61640190@qq.com

2015-12-10；

2016-04-12