中俄原油管道漠大線凍土穩(wěn)定性評價

鄭美玉，孫楊楊，趙小宇，孔凡丹，張作合，鄭麗穎

（1.綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061；2.大興安嶺地區(qū)行政公署水務(wù)局，黑龍江 加格達(dá)奇 165002；3.綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

凍土是指溫度在0 ℃及以下的巖土體，由于凍土對溫度敏感和易變化的特殊性，因此造成凍土區(qū)建筑物容易出現(xiàn)凍脹和融沉破壞[1]。近年來，我國的工業(yè)化正在飛速發(fā)展，隨之而來的是對能源的需求持續(xù)提高。石油消耗逐年增加，國內(nèi)可供量已無法滿足未來發(fā)展需求。中俄原油管道是繼西北、海上油氣進(jìn)口戰(zhàn)略后，攻克黑龍江穿越的世界級難題，開辟了1 條我國東北部從俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)陸路進(jìn)口原油的跨國管道運(yùn)輸干線通道[2]。中俄石油管道北起我國漠河連崟口岸，沿大興安嶺東坡延伸，經(jīng)塔河、大揚(yáng)氣、加格達(dá)奇至大慶林源。管道全長953 km，處在多年凍土區(qū)管線長為440.7 km。中俄管道穿越沼澤、永凍土、原始森林和地質(zhì)斷裂等惡劣自然環(huán)境。沿途地形起伏，水系沼澤發(fā)育，凍土工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜[3]。在自然環(huán)境和人為因素的影響下，管道周圍的多年凍土不斷融化，出現(xiàn)了一系列凍融破壞問題。如凍土的融沉、熱融洼地和熱融沉陷等問題，因此需要對管線的凍土穩(wěn)定性進(jìn)行合理的評價分析。

何瑞霞等[4]對中俄原油管道沿線多年凍土環(huán)境進(jìn)行評價，提出利用地表穩(wěn)定性指標(biāo)來評價沿線的凍土環(huán)境，根據(jù)地表擾動程度、位移量、景觀改變狀況及沿線的凍土類別、年平均地溫等參數(shù)，將地表穩(wěn)定性分成4 個等級。郭微微[5]針對中俄原油管線，通過野外調(diào)查、觀測，揭示管線工程的影響機(jī)理、凍土退化過程，分析工程對凍土空間分布特征變化及演變影響，對管道沿線地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了評價。王光宇[6]針對原油管線沿線多年凍土地溫的分布，開展氣候變化對大興安嶺多年凍土溫度場影響的數(shù)值模擬研究，提出多年凍土地溫變化在不同年平均地溫條件下的預(yù)測結(jié)果。

土體的凍脹融沉破壞具有高度復(fù)雜的、模糊性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前常用的方法有層次分析法、熵權(quán)物元可拓法、云模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，但上述評價方法在評價過程的便捷性或評價結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性上略有不足[7]?？勺兡：碚撟鳛橐环N處理模糊不確定的方法，在水資源評價、洪水風(fēng)險分析和大壩安全性評價等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文針對中俄石油管線工程，根據(jù)管道周圍不同工程地質(zhì)條件，選取代表區(qū)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用可變模糊集對立統(tǒng)一定理，對中俄石油管道漠-大線多年凍土進(jìn)行凍土穩(wěn)定性綜合評價。

1 管道沿線凍土概況

中俄管道從我國的漠河至大慶，沿線穿越多年凍土與季節(jié)凍土。由于管道所處緯度不同，周圍土體的凍結(jié)狀態(tài)也不同，自北向南凍土由片狀不連續(xù)凍土（連崟-瓦拉干）、融區(qū)不連續(xù)凍土（瓦拉干-翠峰）、稀疏島狀多年凍土（翠峰-加格達(dá)奇）及零星多年凍土（加格達(dá)奇-大楊樹）向季節(jié)凍土過渡。管道沿線高溫、高寒冰凍土占多年凍土的23%，島狀凍土與零星凍土所占比例更高，占到多年凍土的40%[8]。由于管道沿線自然條件復(fù)雜多變，土體凍脹融沉差異性容易受到外界的干擾，如植被、含水量、坡向和土質(zhì)等因素，對管道的安全和穩(wěn)定都有影響。多年凍土區(qū)的管線，由于內(nèi)部油溫高于0 ℃，導(dǎo)致管道周圍土體逐漸融化，凍土主要體現(xiàn)融沉災(zāi)害風(fēng)險較大。在季節(jié)凍土區(qū)的管線旁，土體隨季節(jié)溫度變化呈周期性凍融，因此在大楊樹以南的管線主要考慮凍脹帶來的破壞。

2 評價方法

可變模糊集對立統(tǒng)一定理是大連理工大學(xué)陳守煜教授提出的。該方法是通過對立模糊概念或?qū)傩?，事物在連續(xù)區(qū)間[1，0]與[0，1]的任意一點(diǎn)上，對立模糊屬性的相對隸屬度之和為1。其步驟如下。

1）確定待評對象u及多個級別標(biāo)準(zhǔn)h（h=1，2，…，c），滿足μih（u）+μi(h+1）（u）=1。

2）計算待評對象u 的指標(biāo)i（i=1，2，…，m）的特征值xi對h 與（h+1）級的相對隸屬度為

3）計算待評對象u對級別h 的綜合相對隸屬度。

若評價系統(tǒng)為線性公式，綜合相對隸屬度νh（u）表示為

若考慮評價系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，綜合相對隸屬度νh（u）表示為

4）確定綜合評價等級。

3 凍土工程分區(qū)評價

3.1 管線凍土評價區(qū)選擇

本次對管線凍土穩(wěn)定性評價，選取大片融區(qū)多年凍土松嶺區(qū)、島狀多年凍土加格達(dá)奇區(qū)及季節(jié)凍土喇嘛甸區(qū)段為代表，進(jìn)行管線凍土穩(wěn)定性評價。松嶺區(qū)參考文獻(xiàn)[9]，在管線364 km 附近，選擇該區(qū)域主要考慮水文地質(zhì)條件復(fù)雜，存在較大規(guī)模的凍脹丘，對管道的安全極為不利，因此作為研究點(diǎn)進(jìn)行分析評價。第二個點(diǎn)選在島狀多年凍土加格達(dá)奇地區(qū)，該區(qū)域受氣溫和自然條件，以及人類活動的影響，多年凍土分布不均勻，多年凍土分布面積較小，而且凍土厚度較薄，所以多年凍土呈退化狀態(tài)[10]。第三個評價區(qū)選擇松嫩平原季節(jié)凍土區(qū)大慶市讓胡路區(qū)喇嘛甸鎮(zhèn)，該段為沖洪積平原，土體受鹽漬災(zāi)害影響，植被覆蓋率低。管道沿線各評價區(qū)凍土特征參數(shù)見表1。

表1 輸油管道沿線特征參數(shù)

3.2 評價指標(biāo)的建立

凍土的性質(zhì)不同于常規(guī)的土體，其性質(zhì)受到諸多因素的影響。從土體自身性質(zhì)分析，包括土體的類型、土體的含水量、凍土中冰的含量及外界溫度的變化等因素影響凍土的性質(zhì)。從外部環(huán)境分析，如氣候因素、地形地貌、第四紀(jì)地質(zhì)因素和人類活動等因素也會影響凍土的性質(zhì)。因此，在對某一工程的凍土體進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，應(yīng)在眾多影響要素中選擇出最具有代表性的因子進(jìn)行風(fēng)險性評價[11]。

中俄石油管道工程，穿越大興安嶺多年凍土，凍土的穩(wěn)定性因素主要從自然環(huán)境、凍土狀況和管道擾動3 方面分析。自然環(huán)境包括年平均氣溫、植被覆蓋度、土質(zhì)、坡度和地表徑流等。凍土一般在融土區(qū)、植被稀疏和粗顆粒土地段的穩(wěn)定性較好；在坡腳、洼地凍土穩(wěn)定性較差。凍土狀況主要包括凍土含冰量、年平均地溫和活動層厚度等。多年凍土的穩(wěn)定性與冰的相態(tài)變化緊密相關(guān)，并且穩(wěn)定性與含冰量呈反相關(guān)，即含冰量愈大，凍土的穩(wěn)定性愈低。年平均地溫對凍土的物理、力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性有影響，年平均地溫愈低，土體中未凍水含量愈少，凍土的含冰量愈高，凍土抵御變形的能力愈強(qiáng)，凍土穩(wěn)定性愈好。多年凍土區(qū)活動層厚度反映出了陸－氣間熱交換程度，活動層厚度越大，表明暖季、冷季溫度極差大，不利于管道周圍地基土的熱穩(wěn)定性。輸油管道擾動包括油溫、管道埋深。管道油溫相對周圍凍土是高溫，凍土在高油溫持續(xù)作用下，使凍土含冰量下降，土體出現(xiàn)融化變形，地表出現(xiàn)熱融下沉。管道施工過程中，土石方開挖改變了地表狀態(tài)和下墊面性質(zhì)。石油管道鋪設(shè)的埋深，影響多年凍土的穩(wěn)定性。

綜合以上分析，共選取10 個評價指標(biāo)，分別為年平均氣溫、植被覆蓋度、土質(zhì)、坡度、地表徑流、凍土含冰量、年平均地溫、活動層厚度、年平均油溫和管頂埋深。將管道病害等級劃為4 級：良好（Ⅰ）、較好（Ⅱ）、不良（Ⅲ）和較差（Ⅳ）。

評價標(biāo)準(zhǔn)是考慮凍土區(qū)影響管道穩(wěn)定性的因素，選取對管道穩(wěn)定性影響顯著的因素，建立評價體系。評價指標(biāo)根據(jù)前人的研究成果，結(jié)合文獻(xiàn)[1]，漠大線輸油管道病害評價分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 穩(wěn)定性評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)

3.3 評價指標(biāo)權(quán)重

評價指標(biāo)權(quán)重，反映評價指標(biāo)在評價過程中的地位或起的作用的重要程度。確定權(quán)重的方法有多種，如專家估計法、層次分析法等，本文的權(quán)重參考文獻(xiàn)[9]，各評價指標(biāo)權(quán)重見表3。

表3 評價指標(biāo)權(quán)重

3.4 凍土工程分區(qū)評價結(jié)果

根據(jù)表3，可知設(shè)計指標(biāo)權(quán)向量為

ω=（0.051，0.048，0.057，0.062，0.065，0.128，0.148，0.108，0.221，0.112）。

在確定指標(biāo)權(quán)向量后，進(jìn)行綜合相對隸屬度及特征值計算，計算按照線性即α=1，p=1 的情況下進(jìn)行計算。管道沿線穩(wěn)定性計算結(jié)果見表4。

表4 管道凍土穩(wěn)定性評價結(jié)果

中俄石油管道漠-大線凍土的凍害破壞穩(wěn)定性通過計算結(jié)果可知，在不同區(qū)域受諸多條件的影響，穩(wěn)定性有所差異。松嶺區(qū)由于年均地溫相對較低、多年凍土含冰量高，管道周圍有凍脹丘的形成，多年凍土內(nèi)的管道平均油溫為正溫度，使周圍多年凍土出現(xiàn)熱融下沉現(xiàn)象，通過計算評價為不良（Ⅲ級）。加格達(dá)奇區(qū)為島狀多年凍土，多年凍土占5%～30%，季節(jié)凍土占優(yōu)勢，人類活動加劇，凍土穩(wěn)定性評價為較好（Ⅱ級）。喇嘛甸為季節(jié)凍土區(qū)，年平均地溫相對較高，土體含鹽量高，植被覆蓋率低，季節(jié)凍土穩(wěn)定性評價為不良（Ⅲ級）。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用可變模糊集對立統(tǒng)一定理，對中俄石油管道漠河至大慶段進(jìn)行了土體凍害破壞的穩(wěn)定性評價，在參考相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，選擇影響中俄石油管道土體凍害穩(wěn)定性的因素主要有3 大方面、10 個評價指標(biāo)、4 個評價等級。通過可變模糊集對立統(tǒng)一定理的計算，漠大線松嶺區(qū)管道凍害穩(wěn)定性為不良（Ⅲ級），加格達(dá)奇區(qū)管道凍害穩(wěn)定性為較好（Ⅱ級），喇嘛甸季節(jié)凍土區(qū)穩(wěn)定性評價為不良（Ⅲ級）。該評價結(jié)果與其他評價方法所得到的結(jié)果一致，并與實(shí)際基本吻合，說明可變模糊集對立統(tǒng)一定理在凍土的穩(wěn)定性評價上應(yīng)用是可行的。根據(jù)管道沿線的凍土穩(wěn)定性評價結(jié)果，以便采取相應(yīng)的措施，防止凍害破壞的發(fā)生。