凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿纼鋈谖：胺雷o(hù)措施研究

富元暉，馬貴陽，杜明俊，董靖宇，楊子寧

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司,河北任丘062552）

凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿纼鋈谖：胺雷o(hù)措施研究

富元暉1，馬貴陽1，杜明俊2，董靖宇1，楊子寧2

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司,河北任丘062552）

基于凍土工程的特殊性，結(jié)合國內(nèi)外已建凍土管道運行過程的各類風(fēng)險，系統(tǒng)闡述了凍土管道所必須面臨的5大凍害。并依據(jù)凍土管道工程的設(shè)計原則和經(jīng)驗，詳細(xì)論證了各類凍害的防護(hù)措施。所得成果將為我國后續(xù)凍土管道工程的設(shè)計、施工及凍害防止奠定基礎(chǔ)。

凍土；埋地管道；凍脹融沉；防護(hù)措施

凍土含有地下冰，具有流變性，其長期強度遠(yuǎn)低于瞬時強度的特性，導(dǎo)致凍土管道必須面臨兩大危害；凍脹和融沉[1]。隨著高寒地區(qū)油田的持續(xù)開發(fā)以及跨國輸油管道工程的不斷建設(shè)，大型管道必將引起人們的廣泛關(guān)注。對于凍土管道來說，最常見的安全問題就是凍融危害[2,3]。分析凍土埋地管道周圍土壤水熱力耦合作用機理，科學(xué)預(yù)測并防止凍害發(fā)生是當(dāng)前乃至今后學(xué)者們研究的重點問題。

截止到目前，國內(nèi)外已建的大型凍土管道主要有3條，分別為，中俄跨國輸油管道；加拿大NOMA NWELLS輸油管道和美國的TRANS-ALASKA輸油管道，這些管道均不同程度的穿越多年凍土區(qū)，且在實際輸送過程中，部分地段都出現(xiàn)了嚴(yán)重的季節(jié)性凍脹融沉、熱融滑坡、管溝積水等現(xiàn)象[4,5]，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響了管道的安全運行。

基于凍土工程面臨的各種問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者對凍土管道的危害進(jìn)行了相關(guān)研究[6,7]，并取得一定的成果。梁承姬等[8]對埋地管道周圍土體的凍結(jié)過程做了三場耦合計算，得出了管道周圍土壤溫度場和水分場的分布規(guī)律；杜明俊等[9]基于多孔介質(zhì)的熱焓模型，建立了飽和含水凍土水熱力耦合控制方程，數(shù)值分析了管道周圍土壤溫度場，水分場和應(yīng)力場的相互影響；張鑫等[10]對多年凍土區(qū)埋地管道運行后的融沉風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測，給出了地基沉降量的計算。筆者在分析了前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程項目，分析了凍土管道周圍土壤凍害類型及成因，并給出了不同凍融危害的防護(hù)措施。

1 凍土管道凍害類型分析

1.1 凍脹

圖1 管道凍脹實例Fig.1 Example of pipeline frost heave

由于凍土中水分子是以薄膜水的形式存在，故當(dāng)管道周圍土壤溫度發(fā)生變化時，會引起水分不斷從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移，在遷移過程中水份逐漸凍結(jié)，體積膨脹；土體的體積膨脹會推動管道偏離原來的鋪設(shè)路徑并向錨固力薄弱的地方移動（通常向上運行），從而產(chǎn)生彎曲變形。管道凍脹危害實例見圖1。凍脹對管道的破壞主要表現(xiàn)在以下2個方面：

1）由于凍結(jié)前緣凍土的不斷形成，導(dǎo)致管道被擠壓抬升，埋深變淺；

2）由于差異性凍脹導(dǎo)致管道局部抬升變形，達(dá)到一定程度后管道應(yīng)力超標(biāo)。

1.2 融沉

根據(jù)凍土的熱穩(wěn)定性不同，通常分為2種類型：融化穩(wěn)定型凍土和融化不穩(wěn)定型凍土；當(dāng)原油管道穿越凍土區(qū)時，土壤不斷吸收管道散發(fā)的熱量使自身逐漸融化，對于穩(wěn)定型凍土來說，其土質(zhì)仍然是穩(wěn)定的；而對于非穩(wěn)定凍土來說，當(dāng)土壤吸熱融化后，土體將失去支撐力，并因融化范圍、土體粒徑及含冰量的不同，融化圈也有較大差異，特別是在穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的過渡帶[11]，熱油管道將受到較大應(yīng)變，增加了管道屈服破壞的風(fēng)險。凍土融沉的原因主要有：融化沉陷，高含水融土固結(jié)變形及高溫凍土蠕變變形；其主導(dǎo)因素為凍土的融化沉陷。融沉對管道的破壞主要表現(xiàn)在以下2個方面：1）融化圈形成后管道周圍土壤水土流失，管道部分裸露；

2）由于差異性融沉導(dǎo)致管道局部沉降變形明顯，管道失去支撐力，一定程度后會引起管道應(yīng)力超標(biāo)。

1.3 冰錐、凍脹丘

冰錐和凍脹丘屬典型不良凍脹形式[11]，其生成條件與土壤中水分有著密切關(guān)系。土體凍結(jié)過程中，地下水在驅(qū)動力作用下不斷涌出地表凍結(jié)而成的錐狀冰體就是所謂的冰錐。凍脹丘的形成條件與冰錐相同，其實質(zhì)為冰錐的另一種形式。按水源補給形式可分為地下水補給和地上水補給兩種形式。冰錐（凍脹丘）段管道地貌見圖2。

圖2 冰錐（凍脹丘）段管道地貌Fig.2 Landforms of ice cone（frost heave mound）segment pipeline

冰錐、凍脹丘對管道的破壞主要表現(xiàn)為：冰的生長會抬升和擠壓管道附近凍土，造成對管道的擠壓和破壞，這是一種比凍脹更為迅速的變化過程，凍脹丘可能在一兩天甚至一夜之間產(chǎn)生，且尺寸尖銳，易造成管道短時間內(nèi)應(yīng)力集中甚至破裂。

1.4 熱融滑坡

若管道敷設(shè)在凍土區(qū)斜坡地段，由于施工過程造成的植被破壞及投產(chǎn)后管道運行過程的熱量傳遞，破壞了凍土熱平衡，使融土在重力作用下沿凍融界面向下移動，導(dǎo)致滑塌[11]。熱融滑坡是凍土管道所面臨的嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，對于一些含冰區(qū)，特別是沼澤發(fā)育的富冰區(qū)域來說，其斜坡更易引發(fā)熱融滑坡災(zāi)害的產(chǎn)生。管道周圍熱融滑坡段地貌見圖3。

圖3 管道周圍熱融滑坡段地貌Fig.3 The landform of the hot melt landslide section around the pipeline

熱融滑坡對管道的破壞形式與普通地質(zhì)滑坡相同，主要表現(xiàn)為以下2個方面：

1）在橫向滑坡作用下管道主要表現(xiàn)為拉伸和屈曲破壞；

2）在縱向滑坡作用下主要表現(xiàn)為拉伸破壞。

1.5 河冰刨蝕

對于季節(jié)性凍土區(qū)，當(dāng)冬季河流解凍時，河面浮冰會逐漸聚集，形成大塊浮冰，這些浮冰沿河流時，會刨蝕河床，帶走土壤。對于穿越河流的管道來說，若河床周邊埋深較淺，則易受到浮冰的刨蝕，沖刷管道，造成防腐層損壞甚至管體產(chǎn)生位移和形變。管道周圍冰河刨蝕段地貌見圖4。

圖4 冰河刨蝕段地貌Fig.4 Landforms of glacial erosion segment

河冰刨蝕對管道的破壞主要表現(xiàn)為以下2個方面：

1）在冰凌刮擦和水流沖刷作用下管道埋深變淺；

2）防腐層被刮擦破壞，嚴(yán)重時會造成管道變形。

2 凍土管道防護(hù)措施研究

2.1 凍脹融沉防護(hù)措施

凍脹融沉是凍土區(qū)管道面臨的最基本凍害，凍融趨勢的變化主要與管道周圍凍融圈的形成有關(guān)，設(shè)計時通常采取保護(hù)凍土的原則，來有效防止凍脹融沉的產(chǎn)生。根據(jù)不同的凍土級別，制定的防護(hù)措施見表1。

表1 不同級別凍土的凍脹融沉防護(hù)措施Table1 Different levels of frost thawing permafrost protection measures

2.1.1 保溫層

保溫層可隔絕管道與凍土直接接觸，一定程度上降低了管道對周圍凍土溫度場的影響，從而減少對凍土的破壞。通過模擬不同保溫層厚度對管道周圍土壤凍融圈的影響可知：有無保溫層對多年凍土區(qū)溫度場的分布影響很大，且保溫層越厚對凍土的影響越小。相同條件下裸管和不同保溫厚度下的凍土管道周圍土壤融化圈見圖5。

圖5 凍土管道周圍土壤溫度場Fig.5 Soil temperature field around the frozen soil pipeline

2.1.2 熱管

基于凍土路基工程熱管換熱的相關(guān)經(jīng)驗，目前凍土管道也采用熱管進(jìn)行制冷。熱管是一種無需外加動力的制冷裝置，可調(diào)節(jié)管道周圍凍土的溫度，其原理是利用工質(zhì)氣液相變循環(huán)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)熱量的自動傳遞；熱管上部為冷凝段，中部為絕熱段，下部為蒸發(fā)段；當(dāng)上下兩部分之間存在溫差時[12]，蒸發(fā)段中的工質(zhì)吸熱氣化，在驅(qū)動壓差作用下，沿管腔上升至冷凝器，與較冷的冷凝器管壁接觸，釋放汽化潛熱，凝結(jié)成液體，附于管壁上，在重力作用下，工質(zhì)沿管壁流回蒸發(fā)段；如此往復(fù)循環(huán)，不斷將地層中的熱量帶出，從而保證了凍土的穩(wěn)定性。凍土熱套應(yīng)用實例見圖6。

圖6 凍土熱管散熱應(yīng)用Fig.6 Application of heat pipe in Permafrost

2.1.3 提高壁厚

對于飽冰或沼澤發(fā)育凍土，管道產(chǎn)生差異性凍脹融沉的位移量較大，除采用保溫、熱管措施外，為進(jìn)一步提高管道安全性，可采用提高壁厚的方式來增加管道的抗變形能力。

2.2 凍脹丘防護(hù)措施

凍脹丘（冰錐）的防護(hù)措施主要從產(chǎn)生機理入手，以截水、排水方式為主來預(yù)防凍脹丘的產(chǎn)生。其具有方式措施主要有：

1）設(shè)截水墻、截水溝、盲溝等；2）鉆孔泄壓放水；

3）建立凍土災(zāi)害檢測系統(tǒng)。

2.3 熱融滑坡防護(hù)措施

對于熱融滑坡的防護(hù)，主要依據(jù)保護(hù)凍土原則及常規(guī)滑坡治理方案，具體防護(hù)措施有：

1）采用“木屑護(hù)坡”的方式進(jìn)行隔熱保溫，防止凍土融化；

2）保護(hù)坡腳凍土；

3）完善坡面排水系統(tǒng)；

4）修筑擋土墻；

5）設(shè)置抗滑樁；

6）增加管道保溫層厚度，較少散熱量；

7）建立溫度和斜坡位移檢測系統(tǒng)。

2.4 冰河刨蝕防護(hù)措施

河冰刨蝕刮擦防護(hù)措施主要有：

1）增加管道埋設(shè)深度；

2）河床砼澆筑；

3）定期破冰；

4）鋼絲網(wǎng)塊石鋪墊河床。

3 凍土管道防護(hù)措施研究

隨著，全球氣溫的不斷升高，多年凍土區(qū)正逐漸消融，加之寒區(qū)石油和天然氣工業(yè)的迅猛發(fā)展，原始凍土將進(jìn)一步被破壞，積極保護(hù)凍土資源，防止凍土危害對于工程設(shè)計來說，至關(guān)重要。筆者基于國內(nèi)外凍土管道工程的先進(jìn)經(jīng)驗，論述了凍土區(qū)埋地管道所必須面臨的5大風(fēng)險，并給出了相應(yīng)的保護(hù)措施，所得成果可為今后深入研究凍害防止奠定基礎(chǔ)。

［1］吳彥東.寒區(qū)埋地?zé)嵊凸艿乐車寥纼雒浫诔翑?shù)值[J].當(dāng)代化工，2011，40(2)：157-160.

［2］鄭平，馬貴陽．凍土區(qū)埋地輸油管道溫度場數(shù)值模擬的研究[J].油氣儲運，2006，25(8)：25-28.

［3］孫楠，馬貴陽，申路飛,等．輸油管道土壤溫度場變化的影響因素分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報,2007，9（1）:16-17.

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［9］杜明俊.凍土區(qū)埋地管道周圍土壤水熱力耦合數(shù)值計算[D].撫順：遼寧石油化工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011-06.

［10］張鑫，馮少廣，陳朋超,等.多年凍土區(qū)管道投產(chǎn)運行后的融沉風(fēng)險[J]油氣儲運，2013,32（4）：364-368.

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［12］簡斌，薛剛.凍土對公路工程的危害及應(yīng)對措施[J].四川建筑，2005,34（6）：12-16．

Research on Freeze-thaw Hazards and Protective Measures of Buried Hot Oil Pipeline in Permafrost Regions

FU Yuan-hu i1,MA Gui-yang1,DU Ming-jun2,DONG Jing-yu1,YANG Zi-ning2
（1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 113001,China；2.China Petroleum Engineering Co.,Ltd.North China Company,Hebei Renqiu 062552,China）

Based on the particularity of frozen soil engineering,combined with all kinds of risks in domestic and foreign existing permafrost pipeline operation process,5 main hazards to the permafrost pipeline were introduced. According to the design principle and experiences of permafrost pipeline engineering,protection measures for all kinds of hazards were discussed.

Frozen soil;Buried pipelines;Freezing thawing settlement;Protective measures

TE 88

A

1671-0460（2017）03-0493-03

2016-10-15

富元暉（1990-），男，遼寧錦州人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)：研究方向：長輸管道輸送技術(shù)。E-mail：121813561@qq.com。

馬貴陽（1965-），男，教授，博士，研究方向。E-mail：guiyangma1@163.com。