凍融作用對(duì)中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡影響

安寧, 萬寶峰, 侯云龍, 姜鈺泉

(1. 甘肅工程地質(zhì)研究院, 蘭州 730000; 2. 陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司, 西安 710000)

天然氣作為一種高效、清潔、優(yōu)質(zhì)能源,對(duì)環(huán)境造成的污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油和煤炭,是近幾十年內(nèi)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的必然選擇。中俄東線天然氣輸送工程是中國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化戰(zhàn)略的重要組成部分,也是目前國內(nèi)輸氣量最大的跨國輸氣管道[1]。中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段屬于過境段控制性工程,該段管道沿坡體埋置。隨著季節(jié)的交替,邊坡上土體會(huì)反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)作用,在此過程中,土壤理化性質(zhì)的改變使邊坡穩(wěn)定狀態(tài)逐漸遭受破壞,最終發(fā)生失穩(wěn)而引起管道失效并造成嚴(yán)重的后果[2-3]。確保該段工程的安全平穩(wěn)運(yùn)行,對(duì)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長和保障天然氣供需雙方那的經(jīng)濟(jì)利益具有重要意義[4]。

凍融作用的影響一直以來都是寒區(qū)工程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一,伴隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,與寒區(qū)邊坡工程相關(guān)的研究均取得了顯著成果。在凍融作用誘發(fā)滑坡的機(jī)理方面,現(xiàn)場調(diào)查與原位監(jiān)測結(jié)果的分析是主要手段,吳瑋江[5]于1997年提出了季節(jié)性凍結(jié)滯水促滑效應(yīng),凍結(jié)滯水效應(yīng)在一定條件下季節(jié)性凍融作用可導(dǎo)致斜坡體內(nèi)地下水的富集和擴(kuò)展,從而影響到斜坡深部,加速變形破壞進(jìn)程,從而促發(fā)滑坡形成;而后張茂省等[6]通過建立氣溫、地溫和地下水位動(dòng)態(tài)等協(xié)同觀測網(wǎng),發(fā)現(xiàn)凍結(jié)滯水效應(yīng)和循環(huán)凍融的雙重作用是滑坡在春季頻發(fā)的根本原因;朱賽楠等[7]研究了皮里青河“3.24”滑坡的凍融失穩(wěn)機(jī)理與滑坡運(yùn)動(dòng)特征;申艷軍等[8]圍繞凍融作用下冰磧土水熱遷移及聚冰凍脹規(guī)律,闡明了內(nèi)部富冰帶成因及滯水促滑失穩(wěn)機(jī)制;羅路廣等[9]基于大氣溫度和降水變化規(guī)律,建立了天山地區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,模型試驗(yàn)也在該項(xiàng)研究中被大量應(yīng)用,如文獻(xiàn)[10-12]開展膨脹土邊坡模型試驗(yàn),研究了凍融過程中邊坡內(nèi)土壓力、含水率、位移、溫度變化;趙文等[13]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了粗顆粒土邊坡在降雨—日曬—凍融—再降雨等自然條件下的變化特征。在凍融作用對(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)影響方面,張?jiān)讫埖萚14]基于靜三軸試驗(yàn),研究了不同含水量狀態(tài)下,季凍區(qū)粉砂土在經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后的黏聚力、內(nèi)摩擦角等宏觀力學(xué)特性的變化規(guī)律;崔廣芹等[15]通過直剪試驗(yàn)探索了凍融循環(huán)對(duì)粉砂土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律;程秀娟等[16]通過原狀樣直剪試驗(yàn),分析了黑方臺(tái)地區(qū)的凍融作用特征及其對(duì)斜坡土體抗剪強(qiáng)度的影響;譚捍華等[17]實(shí)現(xiàn)了將巖塊的凍融力學(xué)參數(shù)向邊坡裂隙巖體凍融力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)化,并分析比較了巖體各參數(shù)的凍融劣化效應(yīng);黃文強(qiáng)[18]采用直剪試驗(yàn)研究了含水率和凍融次數(shù)對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度特性的影響。在工程應(yīng)用方面,曾韜睿等[19]推導(dǎo)出了適用于凍融邊坡的傳遞系數(shù)法公式;董建華等[20]建立了考慮土體水熱力耦合、支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體耦合及相互作用的框架錨桿支護(hù)凍土邊坡計(jì)算模型,得出了框架錨桿內(nèi)力、變形變化規(guī)律和工作機(jī)理;孫國棟等[21]推導(dǎo)出了考慮土體在凍融循環(huán)作用下的抗剪強(qiáng)度損傷、滲流作用以及氣溫變暖等因素的框架錨桿支護(hù)多年凍土區(qū)高陡邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算方法;羅懷廷等[22]推導(dǎo)出了露天礦組合邊坡凍融循環(huán)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式;張小榮等[23]計(jì)算了春融期素土及根-土復(fù)合體邊坡的安全系數(shù)。綜上所述,眾多學(xué)者針對(duì)寒區(qū)邊坡工程進(jìn)行了大量研究,對(duì)邊坡凍融失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)識(shí)清晰,在大量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了很多評(píng)價(jià)模型。然而在大多數(shù)試驗(yàn)研究中,迫于現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)模型試驗(yàn)的條件限制,研究成果大多都集中于一次凍融過程或監(jiān)測時(shí)間較短,能夠反映多次凍融循環(huán)對(duì)邊坡影響的研究成果較少,且對(duì)應(yīng)到實(shí)際工程中研究凍融作用對(duì)管道穿越邊坡影響的案例較少。

為了探究凍融循環(huán)作用對(duì)天然氣管道穿越邊坡的影響,現(xiàn)通過對(duì)中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡的現(xiàn)場監(jiān)測,收集過境段邊坡1年內(nèi)的坡體溫度與位移變化,然后結(jié)合數(shù)值模擬手段,分析凍結(jié)過程和融化過程對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,探討凍融作用對(duì)管道穿越邊坡安全的影響規(guī)律。以期為中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡安全運(yùn)行維護(hù)工作及工程服役性能研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 天然氣管道工程

研究所涉及的天然氣管道工程地理位置如圖1所示,該工程屬于中俄東線天然氣管道過境段。中俄東線天然氣管道從黑龍江省入境,途經(jīng)黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧、河北、天津、山東、江蘇等8省市區(qū),止于江蘇省西一線甪直聯(lián)絡(luò)站,干線全長3 054 km,設(shè)計(jì)輸量380×108m3/a,設(shè)計(jì)壓力12/10 MPa,管徑D1422/D1219 mm。中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段屬于過境段控制性工程,位于黑河市西北方向的中俄民族風(fēng)情園西北約500 m,是起點(diǎn)黑龍江穿越入境點(diǎn)(國界線處)后的第一段,穿越黑龍江后,在盾構(gòu)的連接處延伸約15 m后,管道沿監(jiān)測段的坡體敷設(shè),坡體呈約40°,斜坡的水平距離總長度為477 m,高差為120 m。

圖1 中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段位置圖Fig.1 Location of pile AA001-AA004 of China Russia East gas pipeline

1.2 邊坡監(jiān)測工程

該邊坡坡體主要由兩層土體構(gòu)成,邊坡上土體第一層為粉質(zhì)黏土,土質(zhì)不均且含有20% ～ 30%的碎石,近地表20 cm為耕植土,含有植物根系及腐殖質(zhì),該層層厚為1.5 ～ 2.5 m;第二層為全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化安山巖,強(qiáng)度較高且鉆進(jìn)困難,具有斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要由斜長石和暗色礦物組成。

結(jié)合該邊坡地層特征與管道位置,推測該邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)的位置在邊坡淺層,據(jù)此設(shè)計(jì)了中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段邊坡監(jiān)測區(qū),用于監(jiān)測坡體表面位移、降雨量和淺層土體中的溫濕度。監(jiān)測區(qū)內(nèi)采用了1個(gè)GNSS移動(dòng)站和3個(gè)拉線式裂縫計(jì)監(jiān)測坡體表面位移,GNSS移動(dòng)站位于坡體上部位置,GNSS基站安裝在坡體之外,距移動(dòng)站直線距離為270 m,3個(gè)裂縫計(jì)在坡面自上而下依次為拉線計(jì)1、2、3;1個(gè)雨量計(jì)用于監(jiān)測降雨量,雨量計(jì)安裝于GNSS移動(dòng)站上;2個(gè)土壤溫濕度計(jì)被安裝于坡體中部位置的監(jiān)測坑1內(nèi),分別安裝于坡面上深度0.5 m和2.0 m處。邊坡監(jiān)測工程現(xiàn)場實(shí)施過程見圖2,監(jiān)測區(qū)內(nèi)各個(gè)傳感器的安裝位置見圖3。

圖3 中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段邊坡監(jiān)測區(qū)傳感器布置圖Fig.3 Sensor layout in slope monitoring area of AA001-AA004 pile section of Russian East gas pipeline

1.3 數(shù)值模擬

選用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,根據(jù)地形剖面建立邊坡模型,建立模型及其網(wǎng)格劃分見圖4,邊坡模型底面長1 000 m、寬10 m,模型高95～228 m,兩側(cè)邊界高度分別為95 m和204 m,數(shù)值模型中共包含271 627個(gè)單元和222 169個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的底面設(shè)置為固定邊界,模型的上表面設(shè)置為自由邊界,模型的側(cè)面設(shè)置為水平約束,模型的y方向全部設(shè)為水平約束。材料的模型全部選用摩爾庫倫模型,在坡面位置處設(shè)定了5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)1#～5#用于監(jiān)測計(jì)算過程中的位移變化。

圖4 邊坡數(shù)值模型與監(jiān)測點(diǎn)分布位置圖Fig.4 Slope numerical model and monitoring points distribution

首先計(jì)算了邊坡的初始應(yīng)力場與溫度場,然后改變溫度邊界條件,計(jì)算了溫度場與應(yīng)力場耦合條件下溫度變化對(duì)邊坡影響;然后考慮凍融循環(huán)對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度的影響,計(jì)算了多次凍融循環(huán)條件下邊坡位移場與安全系數(shù),計(jì)算中凍融循環(huán)的最大次數(shù)為20次。溫度場是通過給定模型上表面和底面不同的溫度邊界實(shí)現(xiàn)的,圖5總結(jié)了近3年監(jiān)測區(qū)的月平均溫度,根據(jù)每年的月平均氣溫和中俄輸油管線地溫研究資料[24],將凍結(jié)過程和融化過程的溫度場邊界條件設(shè)定為上表面-20 ℃/22 ℃、底面-2 ℃/2 ℃。計(jì)算過程中巖土體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 土體在不同凍融循環(huán)情況下的計(jì)算參數(shù)[25-30]Table 1 Calculation parameters of soil mass under different freeze-thaw cycles[25-30]

圖5 2018年1月—2021年11月月平均溫度Fig.5 Monthly average temperature from January 2018 to November 2021

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

由于監(jiān)測與自然條件惡劣,監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中監(jiān)測坑1內(nèi)2.0 m深處的傳感器沒有正常工作,因此在數(shù)據(jù)分析時(shí)舍棄掉了該傳感器數(shù)據(jù),其余傳感器數(shù)據(jù)見圖6。可知,邊坡于2020年12月初—2021年4月底,GNSS和拉線計(jì)的監(jiān)測數(shù)值都處于0附近,基本沒有變化;此階段中降雨量很小且土體中溫度始終處于0 ℃以下。在2021年5月初監(jiān)測數(shù)值突然出現(xiàn)較大幅度的變化,3號(hào)拉線式位移計(jì)的數(shù)值達(dá)到了30 mm,同時(shí)GNSS數(shù)據(jù)也發(fā)生同步的波動(dòng);從溫度與濕度傳感器可以看出,此時(shí)土體中溫度在升高,由于土體中被凍結(jié)水分的融化和坡面上雪融水的入滲,土體含水率大幅增加,這一過程中含水率的增大降低了坡面土體強(qiáng)度是坡面發(fā)生位移的主要原因。邊坡在2021年6—10月期間GNSS和裂縫計(jì)的數(shù)值變化較小,波動(dòng)范圍在10 mm以內(nèi),該段時(shí)間內(nèi)邊坡一直在發(fā)生緩慢變形,但變形量很小;在此階段中,土體溫度持續(xù)回升,幾次較大的降水事件后雨水入滲是造成邊坡緩慢變形的主要原因。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Field monitoring data

根據(jù)2021年一整年的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化可看出,造成過境段邊坡表面位移變化的主要原因是表層土體含水率的變化,土體中水分的增加降低了土顆粒之間的滑動(dòng)摩擦力和膠結(jié)黏聚力,使得土體抗剪強(qiáng)度變小,導(dǎo)致了坡面位移隨著土體含水率的增大而增大。春季融雪期和雨季汛期是坡面位移變化的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn),過境段邊坡不僅需要注意汛期的安全巡查,還需加強(qiáng)融雪期邊坡的巡查工作。

2.2 凍結(jié)過程與融化過程對(duì)邊坡影響分析

圖7為凍結(jié)與融化過程中邊坡的總位移云圖,可以看出,凍融作用引起的邊坡位移變化僅存在于邊坡表面。邊坡中下部位置位移較大,凍結(jié)過程中最大位移可達(dá)7.9 mm,融化過程中最大位移可達(dá)34 mm,3號(hào)拉線計(jì)所在位置處位移為25 mm,1號(hào)和2號(hào)拉線計(jì)位置處位移在5 mm以內(nèi),數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。

圖7 邊坡的總位移云圖Fig.7 Cloud chart of total displacement of slope

從模型表面豎直向下通過5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)建立5條測線,測線的起點(diǎn)和終點(diǎn)為邊坡模型的表面和底面。圖8展示了從邊坡表面豎直向下深度12 m內(nèi)的總位移變化,可以看出,凍融過程中位移最大處在坡面位置,隨著深度的增大,位移數(shù)值不斷減小,隨后逐漸趨向于0 m;凍融過程對(duì)邊坡位移的影響從地下8 m處開始可以忽略不計(jì)。對(duì)比5條測線可以看出,凍融過程對(duì)邊坡位移的影響從坡頂?shù)狡履_逐漸增大。

圖8 邊坡模型中測線上不同深度處位移量Fig.8 Displacement at different depth on the measuring line in the slope model

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)為2.97(初始狀態(tài)與凍結(jié)過程)和2.67(融化過程),邊坡在一次凍融循環(huán)過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡發(fā)生失穩(wěn)時(shí)最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D見圖9,可以看出,邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)的滑動(dòng)面在坡體內(nèi)部較淺位置,可能發(fā)生失穩(wěn)的位置與現(xiàn)場重點(diǎn)監(jiān)測位置相同;經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后,邊坡安全系數(shù)降低了0.3,此時(shí)邊坡安全系數(shù)仍大于2.6,所以邊坡在圖9所示滑動(dòng)面失穩(wěn)的概率較小。

圖9 初始狀態(tài)與凍結(jié)過程和融化過程的邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.9 Cloud chart of maximum shear strain increment of slope in initial state and freezing process and melting process

盡管過境段邊坡的安全系數(shù)在凍結(jié)過程和融化過程中都大于2.6,邊坡始終處于安全狀態(tài),但數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果都顯示邊坡坡面會(huì)在凍融作用下發(fā)生破壞。在熱力耦合計(jì)算結(jié)果中,邊坡表面深度1.5 m內(nèi)的土體在凍融循環(huán)作用下會(huì)有少量位移;即邊坡表面1.5 m深度內(nèi)的土體可能會(huì)在凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生小型裂隙,形成雨水或雪融水入滲的優(yōu)勢通道。在降雨或融雪等因素的持續(xù)作用下,管道上覆土體容易被進(jìn)一步侵蝕或流失,甚至發(fā)生坡面溜滑。造成管道受力不均或?qū)⒐艿乐苯颖┞冻鰜?增大管道的事故風(fēng)險(xiǎn)。因此在管道后期的運(yùn)維工作中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注過境段邊坡的坡面防護(hù)工作。

2.3 凍融循環(huán)對(duì)邊坡安全系數(shù)影響分析

圖10為不同凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度折減法計(jì)算的邊坡安全系數(shù),可以看出,所依托工程邊坡在凍融循環(huán)作用下安全系數(shù)不斷減小,從初始狀態(tài)的2.97經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后將至最低值2.5;經(jīng)歷首次凍融循環(huán)時(shí)安全系數(shù)的變化量最大,而后安全系數(shù)變化量不斷減小;在20次凍融循環(huán)中,邊坡的安全系數(shù)始終大于等于2.5,該邊坡始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 凍融循環(huán)作用下邊坡安全系數(shù)變化Fig.10 Change of slope safety factor under freeze-thaw cycle

邊坡安全系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先降低然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值得趨勢,這與王掌權(quán)等[31]、崔廣芹等[15]的研究結(jié)果相同,邊坡安全系數(shù)在20次凍融循環(huán)之內(nèi)遵循此規(guī)律,且邊坡安全系數(shù)的下降幅度不會(huì)超過1.0。但是在譚捍華等[17]的研究中,邊坡安全系數(shù)在50次凍融循環(huán)后下降了1.15,直接導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)低于了設(shè)計(jì)要求的下限值,這可能與巖土體性質(zhì)和凍融循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。因此,凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)(小于20次),過境段邊坡的安全系數(shù)可參考此規(guī)律;在過境段邊坡的運(yùn)維工作中,隨著年限的增長,應(yīng)當(dāng)間隔固定時(shí)間(5年或10年)對(duì)過境段邊坡重新采樣進(jìn)行巖土體土工試驗(yàn)并計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

依托對(duì)中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡,通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的手段,進(jìn)行了凍結(jié)過程和融化過程中的邊坡響應(yīng)分析并預(yù)測了中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后坡體位移的發(fā)展趨勢。得出如下結(jié)論。

(1)過境段邊坡的現(xiàn)場監(jiān)測方案設(shè)計(jì)合理,能夠有效地監(jiān)測到坡體變化,為管道工程的安全提供預(yù)警工作;邊坡表面產(chǎn)生位移的主要原因是表層土體含水率的變化,春季融雪期和雨季汛期是坡面位移變化的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn),過境段邊坡不僅需要注意汛期的安全巡查,還需加強(qiáng)融雪期邊坡的巡查工作。

(2)凍融作用僅能影響過境段坡面土體的穩(wěn)定性。過境段邊坡表面1.5 m深度以內(nèi)的土體容易受凍融作用影響形成雨水入滲的優(yōu)勢通道,進(jìn)一步侵蝕土體或造成水土流失,在管道后期的運(yùn)維工作中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注過境段邊坡的坡面防護(hù)工作。

(3)當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí),融循環(huán)作用對(duì)安全系數(shù)的影響隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷減小,在一定的循環(huán)次數(shù)后安全系數(shù)不再發(fā)生變化。過境段邊坡安全系數(shù)在凍融作用影響下最大值為2.96,最小值為2.5。