凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)方法與防治措施淺析

摘 要：本文介紹了凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)方法及防治措施。由于凍脹和融沉的因素，凍土區(qū)管道設(shè)計(jì)是涉及多學(xué)科、多專業(yè)的復(fù)雜科學(xué)。應(yīng)采取各種措施，減少管道與相壤的相互作用，實(shí)現(xiàn)管道安全運(yùn)行與環(huán)境保護(hù)的有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：凍土區(qū);管道;設(shè)計(jì)方法;防治措施;淺析

1 前言

隨著油氣管道建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的管道在凍土區(qū)建設(shè)，如中俄東線（黑河--長(zhǎng)嶺段）天然氣管道、漠大原油管道，均有大量的管道敷設(shè)在多年凍土區(qū)或島狀多年凍土區(qū)，這就提出了凍土地區(qū)管道敷設(shè)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

凍土是指零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤。凍土的分類很多，常見(jiàn)分類為：按照凍結(jié)的持續(xù)時(shí)間可分為：暫時(shí)性凍土，即受天氣變化影響，暫時(shí)凍結(jié)，不久便融化的土壤或疏松巖石層;季節(jié)性凍土，指冬季凍結(jié)、春季融化的土壤或疏松巖石層。其凍土層深度由自然地理?xiàng)l件和土壤物理特性等因素決定;多年凍土，又稱“永久凍土”，指多年連續(xù)保持凍結(jié)的土壤和疏松巖石;按空間分布可分為連續(xù)凍土和不連續(xù)凍土。永凍層的深度自10余米至200余米不等，其上部冬凍夏融，稱之“活動(dòng)層”。活動(dòng)層的厚度隨土質(zhì)而異。地球上多年凍土的面積約占陸地總面積的20-25%，主要分布在俄羅斯和加拿大。中國(guó)多年凍土面積占全國(guó)面積的22.3%，主要分布在東北北部山區(qū)、西部高山與青藏高原。

2 凍脹機(jī)理

凍土區(qū)別于其他土壤的的最大特點(diǎn)是具有凍結(jié)作用。凍結(jié)效應(yīng)產(chǎn)生凍脹和融化減弱兩種現(xiàn)象。凍土中的水在冬季結(jié)冰，地面因冰透鏡體的積聚而上升，這種現(xiàn)象叫做凍脹。當(dāng)春天的溫度升高時(shí)，凍結(jié)過(guò)程產(chǎn)生的積冰開(kāi)始融化。如果融化的水不能迅速消散，土壤就會(huì)變濕，強(qiáng)度的降低和地表的沉降稱為融化減弱。由融化減弱引起的土壤下沉稱為融沉。

凍脹可歸因于冰透鏡聚集的過(guò)程。當(dāng)溫度降到水的冰點(diǎn)以下時(shí)，土壤孔隙中的水開(kāi)始變成冰。在冷吸力作用下，周?chē)谆蛭磧鼋Y(jié)水中的游離水形成冰透鏡，只要不中斷供水，冰透鏡就會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)。如果冰透鏡的生長(zhǎng)導(dǎo)致足夠大的膨脹壓力使土壤顆粒向上移動(dòng)，則會(huì)觀察到表面的膨脹。冰透鏡體垂直于熱流方向，由原位凍脹土周期性地形成和分離。

人們已經(jīng)提出了各個(gè)凍脹模型，包括表面張力模型、剛性冰模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、水?dòng)力模型和熱力模型。這些模型在研究?jī)鐾恋谋举|(zhì)中發(fā)揮了重要作用。工程中一個(gè)著名模型叫做分凝勢(shì)模型，它是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。分凝?shì)的概念是由Konrad和Morgenstern在1981年提出的。在忽略積土壓力的情況下，他們研究了正凍土柱中的準(zhǔn)穩(wěn)定條件，得到了凍結(jié)緣中的液體入流速度與估算的溫度梯度之間成正比例關(guān)系，其比例系數(shù)稱作分凝勢(shì)，即[1]：

式中，V0為入流速度，SP0為分凝勢(shì)。

差異凍脹和融沉是寒冷地區(qū)建筑破壞的主要原因，是橫向不均勻膨脹或沉降。當(dāng)凍土為凍敏土?xí)r，其毛細(xì)孔隙具有較高的滲透性，更有利于水分遷移和冰透鏡體的形成，導(dǎo)致較大的凍脹。此時(shí)，凍土區(qū)的道路、鐵路和長(zhǎng)輸管道更容易受到損壞。

3 凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)方法

凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)不同于其他地區(qū)管道的設(shè)計(jì)，需要特別考慮輸送溫度、凍脹和融沉、工程對(duì)凍土的擾動(dòng)、管道施工、管道維護(hù)等。它是一個(gè)包括凍土學(xué)、傳熱學(xué)、油氣儲(chǔ)運(yùn)和材料力學(xué)等多學(xué)科為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。從以下幾個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明，圖1對(duì)其進(jìn)行了歸納。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

這部分包括：①研究?jī)鐾羺^(qū)的分布，尤其是凍土土質(zhì)發(fā)生變化的區(qū)域;②獲取沿線氣象數(shù)據(jù)，四季氣溫的變化、極端氣溫等;③管道作業(yè)帶測(cè)量，可以采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或航拍;④地質(zhì)分析，對(duì)凍土區(qū)管道設(shè)計(jì)是最基礎(chǔ)和重要的一環(huán)，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣。

3.2 工藝系統(tǒng)分析

工藝分析系統(tǒng)是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括輸送工藝、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和管道材質(zhì)的確定。輸油管道可以考慮保溫管道輸送，輸氣管道可以常溫輸送。通過(guò)設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)輸量等進(jìn)管材進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。敷設(shè)方式要結(jié)合地質(zhì)情況具體問(wèn)題具體分析。

3.3 凍土工程分析

對(duì)管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)進(jìn)行分析，該部分是分析管道受力的基礎(chǔ)。管道周?chē)€(wěn)定溫度場(chǎng)的形成是一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程，應(yīng)考慮周期性氣溫變化的影響。

3.4 應(yīng)力分析（結(jié)構(gòu)）

通過(guò)ANSYS等有限元軟件進(jìn)行建模分析，確定管道的受力、管道的應(yīng)變，提出管道應(yīng)變指標(biāo)。管材的應(yīng)變能力是必須考慮的內(nèi)容。目前，基于應(yīng)變的管道設(shè)在管道設(shè)設(shè)中已經(jīng)采用，其適合大應(yīng)變管道的設(shè)計(jì)。

3.5 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

由于凍土的形成是漫長(zhǎng)的過(guò)程，凍土的環(huán)境具有極強(qiáng)的敏感性。管道設(shè)計(jì)人員要分析工程可能的環(huán)境影響，包括施工及運(yùn)行過(guò)程，并提出適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。在施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格限制工程的范圍。

4 凍脹的防治措施

凍脹的防治應(yīng)從兩個(gè)方面著手，一是從凍土本身，二是從管道設(shè)計(jì)。

4.1 凍土方面

凍脹的發(fā)生需具備一定的條件：凍結(jié)敏感土壤、水分供應(yīng)和凍結(jié)溫度，三者缺一不可。因此，可以從其中一個(gè)或多個(gè)方面進(jìn)行控制。

4.1.1 土壤換填

用不凍脹或弱凍脹土替換凍結(jié)敏感土壤。在漠大原油管道工程中多處采用了土壤換填的處理方法。

4.1.2 排水法

通過(guò)排水降低地下水，或者將地表水引至遠(yuǎn)離管道的區(qū)域。這種方法可有效抑制冰透鏡的形成。

4.1.3 物理化學(xué)法

在土壤中加入鈉鹽，可以降低水的凍結(jié)溫度，減弱土壤的凍脹。同時(shí)還有夯實(shí)土壤，減少孔隙率的方法。

4.1.4 熱管法

美國(guó)的阿拉斯加原油管道沿線鋪設(shè)了大量的熱管。即可以防止凍土融化，又可防止管道支架下沉，對(duì)我國(guó)的凍土區(qū)管道建設(shè)具體供鑒意義。

4.1.5 隔熱法

在凍土中加設(shè)保溫層，降低溫度變化幅度。但此種方法會(huì)對(duì)凍土地區(qū)的環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

4.2 管道設(shè)計(jì)方面

從管道設(shè)計(jì)來(lái)講，減少管道對(duì)凍土的影響是一種可行的方法。在輸油管道外加設(shè)保溫層會(huì)大大減小管道對(duì)周?chē)鷾囟葓?chǎng)的影響，減弱水分的遷移。施工中要確保防腐保溫的質(zhì)量，防止保溫層進(jìn)水而使保溫層失效。

綜上所述，凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)要充分掌握凍土的凍脹機(jī)理，減少管道與相壤有相互作用，提升管道自身應(yīng)變能力，并采取一系列經(jīng)濟(jì)可行的、對(duì)凍土環(huán)境影響的防治措施，實(shí)現(xiàn)管道安全運(yùn)行與環(huán)境保護(hù)的有機(jī)結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]于愛(ài)新.凍土區(qū)管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法研究[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2008.