高寒凍土區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)技術(shù)探討

姚森，蔡亮，孟虎林，胡炎興，侯濤

（1.中國石化管道儲運有限公司滄州輸油處，河北 滄州 061000）

（2.中國航油集團(tuán)津京管道運輸有限責(zé)任公司， 天津 300300）

（3.中國石油青海油田分公司管道輸油處， 青海 格爾木 816000）

中俄原油管道是我國第一條位于高寒凍土區(qū)的大型管道工程，已成為我國重要戰(zhàn)略能源通道。高寒凍土區(qū)管道運行管理面臨的最大問題是地質(zhì)災(zāi)害。我國缺少高寒區(qū)管道運行管理實踐經(jīng)驗，僅有建設(shè)于1977年的格拉管道，但地質(zhì)環(huán)境與中俄原油管道差異很大。隨著北極、阿拉斯加高寒區(qū)油氣田開發(fā)，在高寒凍土區(qū)鋪設(shè)長輸管道已成為發(fā)展趨勢。

1 我國高寒凍土區(qū)管道簡介

中俄原油管道（國內(nèi)段）965km，管徑813mm，鋼管等級X65（三層聚乙烯防腐層），焊縫種類為螺旋焊縫，局部變壁厚11-17.5mm，設(shè)計輸量2000萬噸/年，設(shè)計壓力8.0MPa。中俄原油管道沿線凍土區(qū)段長度440km，凍土類型為島狀季節(jié)性、不穩(wěn)定凍土，凍脹、融沉地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率高[1]。中俄原油管道沿線林地地貌復(fù)雜、地下水豐富、沼澤濕地遍布。中俄原油管道輸送溫度高于零度，管道周圍土壤存在融化圈，建設(shè)和運行中施工導(dǎo)致凍土開挖，表層植被的隔熱功能被破壞，地表吸收熱量增加，凍土融化概率高。

2 中俄原油管道凍土災(zāi)害型式

高寒凍土區(qū)管道典型地質(zhì)災(zāi)害型式是凍脹、融沉和熱融滑塌[2]，表現(xiàn)為管道局部拱起或緩慢沉降，管道持續(xù)位移造成附加應(yīng)力增加，如超過設(shè)計限值，管道發(fā)生彎曲甚至斷裂。導(dǎo)致凍土災(zāi)害關(guān)鍵因素是溫度、土壤類型和含水率，其中低溫是決定性因素，常年平均環(huán)境溫度低于0℃區(qū)域的土壤才形成凍土；其次，僅對于粉黏粒含量大于12%的土壤才具有凍脹特性，含砂石的粗顆粒徑土壤不發(fā)生凍脹；含水量是凍土災(zāi)害的必要條件，研究表明，土壤中水分在凍結(jié)情況下體積增加約9%，這是凍脹的物理基礎(chǔ)。

（1）凍土分類

按照常年平均環(huán)境溫度范圍，凍土類型分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定凍土，見表1。中俄原油管道沿線凍土段多屬于不穩(wěn)定凍土和極不穩(wěn)定凍土。

表1 凍土分類（按照常年平均環(huán)境溫度）

按照凍土凍結(jié)狀態(tài)形成的時間周期，凍土類型分為多年、隔年和季節(jié)凍土，見表2。按照凍土分布是否連續(xù)的特點，凍土類型分為連續(xù)、不連續(xù)和島狀凍土，見表3。中俄原油管道沿線凍土段多為不連續(xù)凍土或島狀凍土。

表2 凍土分類（按照凍土凍結(jié)狀態(tài)形成的時間周期）

表3 凍土分類（按照凍土分布是否連續(xù)）

（2）凍脹

凍脹產(chǎn)生過程為，在冬季低溫條件下，含水量較高的土壤凍結(jié)，由于存在溫度梯度差異，土壤內(nèi)水分子遷移，即水分子以薄膜水的形式從溫區(qū)向冷區(qū)遷移，土壤體積膨脹增加。土體體積膨脹產(chǎn)生的附加應(yīng)力擠壓管道產(chǎn)生彎曲變形或推動管道偏離原始敷設(shè)路線。

凍脹地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為凍脹丘和冰錐兩種形式。凍脹丘形成原因是高地下水位在土壤中凍結(jié)，將淺層地表土壤擠壓拱起形成丘狀。冰錐是地下水以泉眼孔狀溢出、凍結(jié)，并逐漸抬高的錐狀冰體。凍脹丘和冰錐對管道的危害表現(xiàn)為冬季凍脹造成管道隆起，夏季融化造成管道下沉，但二者作用不能使管道保持在原始位置。經(jīng)過多年凍脹、融化的反復(fù)循環(huán)，最終管道會被抬升直至拱出地面。如管道附加應(yīng)力超過設(shè)計限值，造成管道斷裂事故。

（3）融沉

融沉是凍土中的冰在高于零度時融化，造成土壤承載力下降和管道下沉的現(xiàn)象。凍土按照承載力強(qiáng)弱分為穩(wěn)定區(qū)、過渡區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)等區(qū)域。如管道位于不同區(qū)域，承受的支撐力不同，特別是季節(jié)性融化區(qū)的土壤承載力顯著低于穩(wěn)定區(qū)和過渡帶，管道發(fā)生差異性沉降，如下沉量超過一定限值，管道會發(fā)生彎曲甚至斷裂。

（4）熱融滑塌

熱熔滑塌多發(fā)生于高含冰量以及多年凍土分布的山坡區(qū)域。由于坡腳破壞（植被破壞、施工破壞），凍土中的冰融化或者局部暴露，由于重力作用造成坡面土體坍塌并沿冰面滑移的現(xiàn)象。熱融滑塌災(zāi)害表現(xiàn)形式為，坡面上方管道在自身重力作用下向下擠壓，坡面底部土壤仍處于未融化狀態(tài)，限制管道向下移動幅度，同時位于坡腳的管道彎頭受土壤限制而不能移動，在上下應(yīng)力聯(lián)合作用下，坡腳處管道發(fā)生褶皺。

3 中俄原油管道凍土災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)高寒區(qū)管道凍土災(zāi)害主要形式，中俄原油管道運行中重點管道位移變化規(guī)律和管道周圍融化或凍結(jié)情況。

（1）位移監(jiān)測

位移監(jiān)測可簡潔、直觀判斷管道是否發(fā)生凍脹融沉。加拿大Norman Wells管道應(yīng)用IMU（慣性測量單元）內(nèi)檢測技術(shù)，通過積累多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)研判管道位移變化規(guī)律。中俄原油管道需要對管道沿線多處地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域進(jìn)行加密、連續(xù)監(jiān)測，依靠IMU內(nèi)檢測技術(shù)不能滿足要求[3]。

中俄原油管道應(yīng)用了機(jī)械式管道位移監(jiān)測技術(shù)。首先在管道沿線建立高程基準(zhǔn)點，為保證基準(zhǔn)點高程準(zhǔn)確性和可靠性，基準(zhǔn)點建立方法是，采用鉆孔方式，將基準(zhǔn)點設(shè)置在多年凍土層或基巖，要求凍土層不融化、基巖穩(wěn)定。為避免周圍活動層對基準(zhǔn)點造成影響，在活動層外加裝套管，套管和基準(zhǔn)桿之間注入油脂固定。定期監(jiān)測管道高程與基準(zhǔn)桿之間的差值即可確定管道位移變化趨勢。

（2）溫度場監(jiān)測

為區(qū)分土壤承載能力，管道溫度場監(jiān)測應(yīng)滿足識別0.2℃的分辨率和精確度。研究表明，土壤深度越深，溫度梯度變化越小，超過一定深度后，土壤溫度變化非常緩慢。鑒于此，安裝溫度傳感器進(jìn)行土壤溫度場監(jiān)測，應(yīng)根據(jù)深度區(qū)間范圍設(shè)置不同間距距離。中俄原油管道做法是，在地表及以下4m范圍內(nèi)，每0.2m安裝1個溫度傳感器；在深度4-8m范圍內(nèi)，每0.5m安裝1個傳感器；在深度8m以下，每1m安裝1個傳感器。中俄原油管道溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，管道施工擾動和高于零度的運行工況，已造成管道周圍凍土發(fā)生融化。

4 中俄原油管道凍土災(zāi)害防治措施

（1）管溝回填

中俄原油管道沿線黑土土質(zhì)的粉黏粒含量大于12%，屬于強(qiáng)凍脹性土壤類型。管道建設(shè)施工過程中，管溝回填用凍脹性差的粗顆粒土替代，如粗顆粒土缺乏，摻入部分碎石或天然砂。中俄原油管道管溝回填施工工序是分層壓實回填[4]，在管溝底部墊20cm細(xì)土層并壓實，回填細(xì)土層至管頂上部30cm，細(xì)土應(yīng)經(jīng)過篩選，要求最大粒徑不超過1cm?；靥钤瓲钔烈蟛缓瑑鐾翂K、最大粒徑不超過2cm。針對局部高含冰量凍土管段，管溝回填壓實后水分排出，易形成積水溝渠。特殊管段管溝回填高度應(yīng)略高出地面，一般應(yīng)大于管溝深度的15%，或者回填土高度應(yīng)高出地面0.3m左右。

（2）保溫措施

土壤本身具有一定保溫效果。研究表明，埋深深度大于1m的環(huán)境溫度常年變化小，高寒凍土區(qū)管道必須保證規(guī)定的埋深。管道施工和維搶修工作應(yīng)采取保溫措施以減少對凍土的擾動影響，管道開挖作業(yè)應(yīng)進(jìn)行基坑保溫，特別是工作完成后施工區(qū)域應(yīng)恢復(fù)植被，如條件不允許，應(yīng)采用鋪設(shè)反射膜或隔熱材料等保溫措施。例如中俄原油管道采用的保溫措施是，夏季采用遮陽篷布進(jìn)行保溫，防止凍土融化；冬季采用石棉被進(jìn)行保溫，防止管道低溫脆斷。熱熔滑坡易發(fā)區(qū)域，采用木屑護(hù)坡方式，木屑最大粒徑不超過20mm。

（3）其他措施

中俄原油管道采取的其他地質(zhì)災(zāi)害防止措施包括修建疏水工程，即規(guī)劃設(shè)計專門的水流渠道，使地下水遠(yuǎn)離管道鋪設(shè)區(qū)域，在一定程度上可以預(yù)防冰錐、凍脹丘等地質(zhì)災(zāi)害。針對難以接近區(qū)域采用支撐方式進(jìn)行防護(hù)，每隔一定距離采用打樁方式，制作管道支撐減緩沉降。

5 結(jié)束語

高寒凍土區(qū)管道凍土災(zāi)害關(guān)鍵因素是溫度、土壤類型和含水率三方面。中俄原油管道運行工況為高于零度以上，加劇了管道凍土融化的風(fēng)險。管道運行管理中應(yīng)進(jìn)行位移和溫度場監(jiān)測，高風(fēng)險區(qū)域還應(yīng)采取管溝回填、疏水工程、保溫措施和支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合防護(hù)。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 王保群，林燕紅，焦中良. 中俄原油管道項目特點與經(jīng)驗啟示[J].油氣儲運，2014，33(5)：474-477.

[2] 胡宗柳，吳明，陳楊，等. 輸油管道凍脹安全性研究現(xiàn)狀與趨勢[J].油氣儲運，2011，30(12)：881-883.

[3] 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)：365-369.

[4] 陳朋超. 漠大管道安全運行經(jīng)驗總結(jié)與思考[J].油氣儲運，2014，33(5)：462-468.