中俄原油管道沿線凍害分布特征研究*

王偉 張喜發(fā) 楊風(fēng)學(xué) 冷毅飛 呂巖

1長(zhǎng)春工程學(xué)院勘查與測(cè)繪工程學(xué)院

2吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院

3大慶油田工程有限公司

4廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院

中俄原油管道漠河—大慶段穿越大興安嶺北部多年凍土帶，其沿線凍土環(huán)境對(duì)淺埋式石油管道的影響遠(yuǎn)比青藏高原凍土區(qū)強(qiáng)烈。大興安嶺地區(qū)植被發(fā)育，地表水與地下水極其豐富，并且異?；钴S。該區(qū)多年凍土層比較薄，年平均地溫一般較高，凍土正處于退化之中，工程對(duì)人為因素影響十分敏感。此外，凍土區(qū)內(nèi)季節(jié)性溫差變化非常大，凍土活動(dòng)層的最大凍融深度超過(guò)了3.5 m，局部地區(qū)甚至超過(guò)了5 m，凍害極其發(fā)育。受凍害影響，中俄原油管道自運(yùn)營(yíng)以來(lái)出現(xiàn)了嚴(yán)重的冰凍變形破壞現(xiàn)象，北段個(gè)別部位甚至出現(xiàn)了管道被拱至地表和斷裂冒油的情況。由此可見(jiàn)，發(fā)生于季節(jié)活動(dòng)層中的凍脹型凍害對(duì)管道安全穩(wěn)定具有極大的威脅。

針對(duì)大興安嶺地區(qū)的凍害現(xiàn)象，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)踐研究與理論分析。上世紀(jì)60年代，我國(guó)鐵路、林業(yè)、地質(zhì)和建筑等部門的科技工作者曾對(duì)大興安嶺多年凍土進(jìn)行了大量的研究工作[1-2]。金會(huì)軍、何瑞霞等[3-4]確定了中俄管道多年凍土環(huán)境工程地質(zhì)區(qū)劃原則和指標(biāo)。王劍亮等[5]對(duì)中俄原油管道沿線多年凍土區(qū)工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，有針對(duì)性地提出了用以保證輸油管道工程安全穩(wěn)定的防治對(duì)策。耿作孝[6]根據(jù)漠大線地質(zhì)勘察報(bào)告發(fā)現(xiàn)，管道經(jīng)過(guò)的陰坡多為多年凍土發(fā)育地段，其凍害主要表現(xiàn)為凍土凍融滑塌，而管道沿線冷生現(xiàn)象主要為凍脹丘和冰椎。蔡永軍等[7]結(jié)合漠大管道的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，提出了一套溫度、位移監(jiān)測(cè)方法和保溫、換填、疏水、支撐在內(nèi)的凍土災(zāi)害防治措施。郭微微[8]通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查、監(jiān)測(cè)以及試驗(yàn)，從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件和不良地質(zhì)現(xiàn)象等方面揭示可能存在的工程地質(zhì)問(wèn)題，分析了高緯度多年凍土等地質(zhì)因素對(duì)管道工程的影響機(jī)理。王永平等[9]對(duì)中俄原油管道漠河—加格達(dá)奇段多年凍土區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘查研究，對(duì)季節(jié)性凍脹丘治理提出了防治措施。李國(guó)玉等[10]結(jié)合中俄原油管道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、油溫監(jiān)測(cè)和探地雷達(dá)等勘察結(jié)果，研究了漠大線運(yùn)營(yíng)后面臨的凍害問(wèn)題，提出了預(yù)防和防治措施以及進(jìn)一步需要研究的主要問(wèn)題。

本文對(duì)穿越大興安嶺北部多年凍土帶的中俄原油管道沿線凍害現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，通過(guò)對(duì)凍脹丘、冰椎、凍拔、熱融沉陷等凍害現(xiàn)象的野外踏勘測(cè)量，結(jié)合管道一期工程的凍害調(diào)查結(jié)果，歸納總結(jié)了管道運(yùn)營(yíng)前后沿線凍害特征及其分布變化情況，分析了影響管道沿線凍害發(fā)育的相關(guān)因素，繪制凍害分布圖，為中俄原油管道二期的安全運(yùn)營(yíng)和凍害治理提供理論參考與科學(xué)依據(jù)。

1 凍害調(diào)查

中俄原油管道加格達(dá)奇—興安段曾在2008年管道設(shè)計(jì)修建初期進(jìn)行過(guò)凍害調(diào)查，對(duì)影響管道運(yùn)營(yíng)的凍害發(fā)育地段進(jìn)行了踏勘，確定了凍害類型，并對(duì)凍害特征進(jìn)行了描述。通過(guò)勘察取樣，同時(shí)對(duì)管道沿線多年凍土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[11-14]。2008年主要凍害數(shù)量調(diào)查結(jié)果如圖1所示。

圖1 2008年主要凍害數(shù)量調(diào)查結(jié)果Fig.1 Investigation results of the main freeze injury munber in 2008

中俄原油管道一期工程經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)營(yíng)，沿線分布的各種類型凍害現(xiàn)象隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)生新的變化，對(duì)管道的安全運(yùn)營(yíng)造成了威脅，并可能給復(fù)線管道的穩(wěn)定性和順利施工帶來(lái)嚴(yán)重困擾和不便。為此，本次凍害調(diào)查共分為如下兩個(gè)階段：

第一階段于2014年4月初進(jìn)行，主要進(jìn)行凍害資料的收集，詳細(xì)分析加格達(dá)奇—興安段27幅1∶50 000地形圖和5幅1∶200 000地質(zhì)圖，掌握沿線地形地貌變化總體特征和地層巖性的基本組成，并根據(jù)前期調(diào)查資料、地形圖分析和現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料，總結(jié)中俄原油管道一期工程自運(yùn)營(yíng)以來(lái)沿線各地段和部位的凍害情況。

第二階段于2015年3月初進(jìn)行，繼續(xù)搜尋新的凍害現(xiàn)象，并有針對(duì)性地對(duì)第一階段所發(fā)現(xiàn)的凍害現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)對(duì)2008年凍害調(diào)查資料和加格達(dá)奇管道運(yùn)營(yíng)公司的凍害資料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校核。

2 凍害類型與特征

2.1 凍脹丘

管道沿線凍脹丘極其發(fā)育，嚴(yán)重影響管道運(yùn)營(yíng)的典型凍脹丘主要有5個(gè)，其中最大的凍脹丘如圖2所示，位于興安至連崟段，從地貌上看，該凍脹丘位于黑龍江右岸二級(jí)階地后部山洼坡腳地帶。凍脹丘成群出現(xiàn)，高度達(dá)到5 m，周長(zhǎng)148 m，面積為685 m2。丘頂主裂縫近南北向，并伴有兩條拉裂縫，裂縫寬度為25～30 cm，最大部位達(dá)到55 cm。裂縫內(nèi)部可見(jiàn)冰核，表面苔蘚層為20～25 cm厚，并有大量水流出，形成冰漫，附近醉漢林特性十分明顯。

圖2 連崟附近凍脹丘Fig.2 Froze heaving near Lianyin

2008年調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的第17#、18#凍脹丘至今仍然存在，如圖3～圖4所示。17#凍脹丘位于多布庫(kù)爾河谷后緣山前洼地緩坡地帶坡腳處；18#凍脹丘出現(xiàn)在平嵐南多布庫(kù)爾河支流根河河谷后緣坡腳地帶，皆為島狀多年凍土段，地溫觀測(cè)孔測(cè)得年平均地溫-0.3℃，屬極高溫凍土。

2.2 冰椎

管道沿線冰椎主要有泉冰椎與河冰椎兩種。2008年調(diào)查的11#冰椎位于新天北S207省道東側(cè)山坡坡腳處，如圖5所示。2014年和2015年調(diào)查時(shí)，該冰椎依然存在，高度約1.2～1.5 m，裂縫寬10～20 cm，深約70 cm，面積為150 m×60 m，期間有水溢出，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地點(diǎn)有多年穩(wěn)定的地下水出露點(diǎn)存在，致使冰椎持續(xù)存在。

圖3 2008年調(diào)查時(shí)的17#凍脹丘Fig.3 No.17 froze heaving found in 2008

圖4 2008年調(diào)查時(shí)的18#凍脹丘Fig.4 No.18 froze heaving found in 2008

圖5 2015年調(diào)查時(shí)的11#冰椎Fig.5 No.11 ice piton found in 2015

塔河北老省道276 km路下方附近的冰椎群比較發(fā)育，該地位于瓦拉干河右側(cè)支流溝谷坡腳下緩坡地段，水源豐富。此冰椎群于2011春發(fā)現(xiàn)時(shí)，冰椎最高處相對(duì)于地面隆起約2.9 m，裂縫嚴(yán)重，如圖6所示。2014年春季和2015年春季調(diào)查時(shí)仍然存在，管道上方有多個(gè)鼓包處和泉眼出露點(diǎn)，連成一片，漫過(guò)管道，順勢(shì)沿管道向下發(fā)展，以至形成近200 m長(zhǎng)積冰帶，如圖7所示。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在伊里呼里山山嶺地帶新天—塔源段，泉冰椎特別發(fā)育，呈串珠狀。許多冰椎是由于公路路基阻擋或涵洞設(shè)置不當(dāng)而在其附近形成的，也有些冰椎出現(xiàn)在小河溝底附近，這種冰椎可看作為泉冰椎和河冰椎的過(guò)渡類型。

圖6 2011年發(fā)現(xiàn)的大型冰椎群Fig.6 Huge ice piton group found in 2011

圖7 冰椎群管道旁積冰帶Fig.7 Icing along the ice piton group and pipeline

水面結(jié)冰時(shí)，冰面下河水在阻力最大處和河面薄弱處溢出形成河冰椎。在加漠公路木吉公河支流橋下一帶，冰椎壅塞高度有2 m，并有2條大裂縫。此外，古源南小八代河上冰椎亦十分發(fā)育，如圖8所示。2015年春季在此處進(jìn)行鉆孔時(shí)，曾有水不斷向外流出，說(shuō)明穿越河床的管道在冬春季節(jié)將承受很大壓力。

圖8 古源南小八代河冰椎Fig.8 Ice piton of Liffle Badi River in Guyuannan

2.3 凍拔與融沉

管道沿線地表結(jié)構(gòu)物因活動(dòng)層水土凍融循環(huán)作用而導(dǎo)致的凍拔現(xiàn)象十分普遍，各種標(biāo)石、標(biāo)志樁、觀測(cè)護(hù)管等普遍抬升，多數(shù)歪斜，如圖9所示。這種凍拔作用對(duì)管道的影響也是十分嚴(yán)重的。

圖9 桿式沉降計(jì)護(hù)管拔升Fig.9 Lifting of the protection tube for rod settlement gauge

凍土融化沉降問(wèn)題在管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也十分普遍。通常，管道自身的沉降無(wú)法從地表上反映出來(lái)，需要通過(guò)沉降觀測(cè)來(lái)加以證實(shí)。管道沿線尤其是在低洼地段布置了許多桿式沉降計(jì)和觀測(cè)基點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)管道的融沉變形，但管溝覆土沉陷卻隨處可見(jiàn)，有的形成積水，有的成為新的地表流水溝，如圖10所示。這種沉陷不能完全作為管道自身沉降的直接證據(jù)，因?yàn)樗耆赡苁怯捎谑┕r(shí)回填的冰凍草炭土等物質(zhì)融化和雨雪水、地表水侵蝕引起的。

圖10 管道旁積水帶Fig.10 Pounding along the pipeline

2.4 其他類型凍害

2.4.1 管道回填土縱長(zhǎng)裂縫

2014年調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在漏油點(diǎn)某相鄰兩坐標(biāo)點(diǎn)之間，管道上覆土堤縱長(zhǎng)裂縫十分發(fā)育，斷續(xù)延伸近百米，裂縫最寬處有30 cm，并且裂縫兩側(cè)土堤高度明顯不一，落差最大有2～3 cm，如圖11所示。這種張拉裂縫或許是冬季管道產(chǎn)生凍脹位移的標(biāo)志，在進(jìn)行管道凍害防治時(shí)應(yīng)加以重視。

圖11 管堤縱長(zhǎng)裂縫Fig.11 Longitudinal crack above the pipeline dyke

2.4.2 巨厚地下冰

2014年春季，在省道S209改造工程22站至沿江工段兩處橋涵基坑中，觀察到巨厚地下冰體，位于盤古河支流溝底低洼地帶，如圖12所示。2014秋季在翠崗一帶、塔源北和太陽(yáng)溝等地都在凍土上限附近見(jiàn)有很厚含土冰層。顯而易見(jiàn)，如此巨厚的純冰體和含土冰層融化后，將會(huì)給管道安全穩(wěn)定帶來(lái)巨大威脅。

圖12 巨厚地下冰Fig.12 Thick underground ice

2.4.3 積水聚冰

管道兩旁夏季積水、冬季聚冰現(xiàn)象十分嚴(yán)重，有的甚至漫過(guò)管道，如圖13所示。形成積水聚冰負(fù)地形的原因比較復(fù)雜，單純的熱融沉陷往往不會(huì)有如此大的規(guī)模。在管道修筑時(shí)，管道土堤或路堤使上游地表流水受阻，極易形成負(fù)地形。在地下冰發(fā)育地段，由于修建管道破壞了原有植被和其他保護(hù)層，也常產(chǎn)生熱融性負(fù)地形。還有一部分是由于施工和維護(hù)大型工程機(jī)械反復(fù)碾軋破壞引起的。無(wú)論是何種原因，管道及兩側(cè)積水聚冰都會(huì)加劇管道凍融循環(huán)效應(yīng)，影響管道的安全穩(wěn)定性。

圖13 管溝積水Fig.13 Pounding in the trench

2.4.4 熱融滑塌與涎流冰

在管道沿線沒(méi)有發(fā)現(xiàn)天然熱融滑塌現(xiàn)象，但在接近伊勒呼里山頂?shù)貛У牟榘屠婧庸茸髠?cè)山上，發(fā)現(xiàn)嫩林線鐵路切方路基下側(cè)碎塊石堆土高邊坡上，連續(xù)有4個(gè)熱融滑塌體，如圖14所示。這一帶屬連續(xù)多年凍土區(qū)，附近泉冰椎也特別發(fā)育。

圖14 鐵路邊坡熱融滑塌Fig.14 Melting and slumping of the railway slope

路塹或切方邊坡上方地下水流出邊坡并凍結(jié)將形成涎流冰。如果是邊坡上方發(fā)育有泉冰椎，漫過(guò)邊坡，則可形成規(guī)模巨大的冰幕或冰瀑。如圖15所示，管道沿線省道就存在多處巨大冰幕，嚴(yán)重影響了行車安全，甚至影響到管道的安全穩(wěn)定。

圖15 路塹邊坡冰幕Fig.15 Ice curtain on the slope of the cutting

3 凍害分布規(guī)律及分區(qū)

3.1 凍害分布規(guī)律

將凍害調(diào)查結(jié)果繪制在中俄原油管道線路圖上，將凍脹丘、冰錐、凍拔、融沉、積水聚冰及熱融滑塌等凍害現(xiàn)象全部予以標(biāo)注，形成管道沿線凍害分布圖，并結(jié)合地形圖、地質(zhì)圖以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘及鉆孔記錄，分析凍害分布規(guī)律。

管道沿線凍害的發(fā)育及分布主要受到地形、地貌、地溫、地下水等因素影響。中俄原油管道沿線的凍脹丘多發(fā)生在低山丘陵、山溝坡腳地帶，島狀多年凍土分布，并且多為中溫多年凍土帶。冰椎主要發(fā)生在河谷邊緣坡腳地帶、山間洼地以及部分河岸臺(tái)地，在中低溫多年凍土帶和高溫極高溫多年凍土帶皆有發(fā)育。積水聚冰主要集中出現(xiàn)在河谷邊緣沼澤地、河溝溝底等地段，在管道穿越此地段時(shí)，往往伴隨著覆土沉陷。

凍害現(xiàn)象的發(fā)育同地溫變化規(guī)律密切相關(guān)。根據(jù)凍土地溫緯度分布規(guī)律對(duì)本次凍害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，許多凍害發(fā)育地段的地溫分布規(guī)律與之并不匹配。此外，研究發(fā)現(xiàn)海拔高度的不同與凍害現(xiàn)象的分布存在密切的聯(lián)系，并且地溫也呈現(xiàn)出隨海拔高度的變化而變化的規(guī)律。

3.2 凍害分區(qū)

通過(guò)凍害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對(duì)淺埋式石油管道這種輕型線性結(jié)構(gòu)物來(lái)說(shuō)，發(fā)生于季節(jié)活動(dòng)層中的凍脹性凍害對(duì)管道安全穩(wěn)定威脅最大。泉冰椎和凍脹丘是多年凍土區(qū)兩種主要的凍脹性凍害表現(xiàn)形式或說(shuō)是兩種主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象。通過(guò)分析管道沿線凍害分布類型可以發(fā)現(xiàn)，凍害在某一地段特別發(fā)育不是偶然現(xiàn)象，它們的發(fā)育與該地段工程地質(zhì)條件有著密切關(guān)系。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，對(duì)管道沿線凍脹性凍害分布進(jìn)行分區(qū)，如表1所示。

表1 管道沿線凍脹性凍害（泉冰椎、凍脹丘）分區(qū)Tab.1 Expansive freeze injury(spring ice piton and froze heaving)zone along the pipeline

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中俄原油管道沿線凍害現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘，并對(duì)沿線凍害類型、特征以及分布規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的描述與分析，得出以下結(jié)論：

（1）凍脹丘、冰椎受地形地貌的影響極其顯著。在伊勒呼里山嶺地帶，多年凍土連續(xù)分布，泉冰椎極其發(fā)育，公路邊坡涎流冰嚴(yán)重。在低山丘陵地帶，島狀凍土分布，凍脹丘十分發(fā)育，管道拱管漏油多發(fā)生于此處。按照緯度型凍土理論，伊勒呼里山嶺屬于高緯度地區(qū)，其地溫應(yīng)隨緯度的升高而降低，為連續(xù)低溫凍土帶，而該區(qū)凍害如此發(fā)育，與其海拔高度有直接關(guān)系。因此，管道穿越此區(qū)域時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施以減輕凍脹性凍害對(duì)管道運(yùn)營(yíng)的影響。

（2）凍脹丘和泉冰椎是凍脹性凍害劇烈活動(dòng)的表現(xiàn)形式，在高溫極高溫多年凍土帶，泉冰椎、凍脹丘均有分布。而管溝凍脹和管道凍融循環(huán)效應(yīng)也是凍脹性病害的主要表現(xiàn)形式，在管道沿線部分地段十分顯著。對(duì)于多年凍土帶淺埋輕型、線性石油管道這種結(jié)構(gòu)物而言，凍害問(wèn)題的研究對(duì)保證石油管道長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，必須引起重視。