寒區(qū)埋地管道與凍土相互作用研究綜述

徐 婷 田懷谷 陳 鵬

（1、西京學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710000 2、西京學(xué)院理學(xué)院，陜西 西安710000）

隨著國(guó)家對(duì)油氣需求的增長(zhǎng)和管道工程技術(shù)的成熟，未來我國(guó)大量油氣管道將穿越多年以及季節(jié)性凍土地區(qū)。但寒區(qū)管道沿線氣候惡劣，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，因此在其施工和運(yùn)營(yíng)過程不可避免地破壞凍土環(huán)境[1]，使管道的布設(shè)及運(yùn)營(yíng)面臨極大的困難。

寒區(qū)油氣管道病害主要有管溝融陷、凍脹融沉以及熱熔滑坡三種。管道受凍土環(huán)境變化的影響也會(huì)發(fā)生翹曲變形斷裂等。研究表明，埋地管道的屈曲劇變主要是由于不同的凍脹和解凍沉降引起的。

然而，至今對(duì)于管道圍巖土的凍脹融沉變形量的測(cè)定、計(jì)算和預(yù)測(cè)都面臨諸多困難，寒區(qū)管道工程的建設(shè)對(duì)于我國(guó)來說具有重大的戰(zhàn)略意義。因此，研究寒區(qū)管道與土相互作用具有重大的意義，寒區(qū)管道的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮土體的凍脹融沉和管道在多年凍土(穩(wěn)定)與解凍或淺層凍土地形(隆起)或融化區(qū)的過渡過程中的相互作用。

1 寒區(qū)埋地管道管溝融陷機(jī)理

1.1 管溝融陷機(jī)理

寒區(qū)油氣管道病害主要有管溝融陷、凍脹融沉以及邊坡蠕滑三種，一般來說，管道在埋設(shè)完成后會(huì)形成幾十厘米高的自然土堤，可以起到保護(hù)及防水的作用。但是在發(fā)生融陷病害的管線處形成了深、寬約2m 的溝壑，極大的影響了管道的運(yùn)行安全。對(duì)于寒區(qū)管道的融陷問題應(yīng)及時(shí)提出治理措施，以保證管道能安全運(yùn)行。

由文獻(xiàn)[2]知，布設(shè)地質(zhì)勘探孔，進(jìn)行鉆孔取樣，依樣繪制地層直方圖，確定地層剖面，得到地層特征。通過測(cè)試該區(qū)域的土壤含水率，得出輸油氣管道埋設(shè)位置土體為腐蝕土，其含水量較大，并且受季節(jié)溫度影響較大，融化后土壤易發(fā)生嚴(yán)重沉降，在季節(jié)性溫升和管道熱釋放的影響下，在管溝位置會(huì)形成較大范圍的融化槽，加劇了管道周圍土體的融化和下沉。在上述因素的綜合作用下，聯(lián)合導(dǎo)致寒區(qū)埋地管溝發(fā)生嚴(yán)重的融陷病害。

1.2 管溝融陷防治

寒區(qū)油氣管道病害防治主要有三條原則：保護(hù)凍土原則，破壞凍土原則和允許凍土地基逐漸融化原則[3]。針對(duì)低溫多年凍土和大面積連續(xù)多年凍土，一般基于保護(hù)多年凍土原則為主。因此，通過選擇合理的施工季節(jié)，給管道設(shè)置隔熱保溫的措施，確定合理的管道埋深，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和管理，以防止管道發(fā)生管溝融陷。

2 寒區(qū)埋地管道凍脹融沉機(jī)理

2.1 凍脹機(jī)理

當(dāng)土壤溫度降到0 度以下時(shí)，由于周圍土壤形成冰透鏡體和相變（水到冰），就會(huì)發(fā)生凍脹。在形成冰透鏡的情況下，土壤的向上膨脹可能會(huì)變得更加厚，從而垂直觸發(fā)埋地管道上升。根據(jù)冰透鏡的形成，凍脹需要三個(gè)基本的形成條件：解凍土壤中的溫度，從溫暖的一側(cè)遷移到凍結(jié)前沿的水源，以及允許自由水通過凍土遷移的易受霜凍影響的土壤。如果這些基本條件中的任何一個(gè)被改變或破壞，凍脹就會(huì)減少或消除[4]。這些理論已被納入數(shù)值模型，為模擬凍脹- 管道相互作用提供了有用的技術(shù)工具。

凍脹與埋地管道的相互作用是管道設(shè)計(jì)中的主要考慮因素。如圖1 所示給出了凍脹埋地管道相互作用，埋地管道的穩(wěn)定性取決于凍土的強(qiáng)度，管道向上移動(dòng)的能力取決于周圍土體的抗拔能力。當(dāng)凍土抗拔能力較弱時(shí)，埋地管道的彎曲應(yīng)變較小[5]。在埋地管道周圍或地下采取保溫措施，可以有效地緩解凍脹體的發(fā)育，防止地下水在管道下土壤中的遷移。

圖1 凍脹埋地管道相互作用

2.2 凍融沉降

當(dāng)富含冰的土壤融化時(shí)，土壤顆粒就會(huì)沉降下來，土壤的體積變化將由相變化(冰到水)和多余的水從土壤中遷移而產(chǎn)生。然后，沉降解凍，解凍土壤達(dá)到新的平衡條件。解凍沉降與埋地管道的相互作用，多年凍土地基的熱響應(yīng)易受地表擾動(dòng)、溝槽和管道施工的影響。

當(dāng)富含冰的凍土迅速融化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的孔隙水壓力，從而削弱管道下土壤的承載能力以及管道周圍的附加浮力，并導(dǎo)致管道的沉降。在巖土工程設(shè)計(jì)中，在寒區(qū)管道工程的全生命周期中，應(yīng)考慮管道的溫度變化和穩(wěn)定性。緩解凍融沉降的方法有增加管道埋深、提高管道壁厚或提高管線鋼強(qiáng)度等。

3 寒區(qū)埋地管道邊坡蠕滑機(jī)理

邊坡蠕滑區(qū)滑坡的形成包括內(nèi)因和外因。其中，內(nèi)部因素包括地形地貌因素、巖土特征、地質(zhì)構(gòu)造因素、水文地質(zhì)條件等；外部因素包括持續(xù)暴雨、地震作用和人類活動(dòng)，二者是相互聯(lián)系、相互作用的。由于寒區(qū)凍土中冰的存在和冰- 土膠結(jié)構(gòu)的特殊性，邊坡的蠕變成為該區(qū)凍土的變形特征。由于土的凍脹，土顆粒向下坡運(yùn)動(dòng)，斜坡土(巖)體在很低的應(yīng)力水平下即可表現(xiàn)出蠕變行為。輸氣管道穿越低山、丘陵等地帶區(qū)，通常在坡度較大、層上水發(fā)育、暴雨頻發(fā)等區(qū)域極易發(fā)生坡面滑塌等災(zāi)害，在極端天氣條件下，地表容易形成溝狀、面狀沖蝕，埋地管道上部覆土被沖走，管道被沖出裸露，嚴(yán)重威脅正常運(yùn)行。

4 結(jié)論與展望

在寒區(qū)，埋地管道與凍土的相互作用必須要考慮和防治寒區(qū)油氣管道的管溝融陷、凍脹融沉以及邊坡蠕滑三種病害。利用已建管道工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、埋地管道的試驗(yàn)以及埋地管道的理論和數(shù)值模擬，研究了管道與土的相互作用。但由于埋地管道與凍土相互作用過程的復(fù)雜性，考慮溫度梯度的變化對(duì)凍土條件的影響，必須進(jìn)行大量試驗(yàn)，研究埋地管道與凍脹融沉相互作用的物理機(jī)制，并通過模型研究、數(shù)值模擬、理論研究等研究方法來研究埋地管道的力學(xué)行為并對(duì)該類邊坡的蠕滑進(jìn)行預(yù)報(bào)。