王瀟(大慶油田設(shè)計院有限公司，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

當(dāng)輸油管道敷設(shè)于凍土地帶時，當(dāng)冬季氣溫快速下降時，管道內(nèi)部所散發(fā)的熱量會對周圍的凍土產(chǎn)生明顯影響，進而引發(fā)融沉及變形等問題。假如管道輸送距離較長，介質(zhì)溫降大也會導(dǎo)致周圍土壤出現(xiàn)凍結(jié)，促使管道產(chǎn)生不均衡凍結(jié)進而引發(fā)凍脹。因此如何解決動土層管道變形，保證管線安全運輸也是當(dāng)前所面臨的主要問題。

1 輸油管道以及地基概況

與道路等線性工程相比，管道是柔性構(gòu)造物存在一定變形量。但是在凍土區(qū)域敷設(shè)輸油管道并不具備太多的經(jīng)驗和技術(shù)，但是得到業(yè)界認可的就是阿拉斯加輸油管道工程。該項目主要是采用了兩種敷設(shè)方式分別為架空與埋地，前者應(yīng)用的目的在于保持凍土地基穩(wěn)定。后者，由于載荷比較小地基能夠滿足絕大部分要求。

2 凍土區(qū)管道面臨的風(fēng)險

2.1 融沉

在冰層融化以后會導(dǎo)致周圍的水土出現(xiàn)快速流失，部分管道裸露于地面；而差異性融沉也會導(dǎo)致管道局部地區(qū)出現(xiàn)較為明顯的沉降變形，失去原有支撐作用，并且在達到一定程度以后管道應(yīng)力也會出現(xiàn)變化。

2.2 冰錐、凍脹丘現(xiàn)象

這就屬于典型不良凍脹現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因與水分有著密切的聯(lián)系。其中冰錐之所以會產(chǎn)生，原因就在于在冬季地下水露出地表凍結(jié)，從而形成尖錐狀。凍脹丘是由于地下水出現(xiàn)凍結(jié)，從而形成透鏡狀的冰錐體在地表隆起。

2.3 熱融滑坡

由于溫度升高以及人為的因素的影響，破壞了厚層地下冰熱平衡的狀態(tài)，導(dǎo)致土壤在重力作用之下沿著斜坡的融凍界面進行緩慢移動。在溫度達到一定階段以后從而形成坍塌，這種現(xiàn)象是屬于較為嚴(yán)重的地質(zhì)問題，尤其是管溝施工以及自然植被的破壞會嚴(yán)重影響到熱平衡，因此尤其是某些富冰區(qū)域的斜坡，更容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。并且其破壞形式與普通的地質(zhì)滑坡相同，這點也需要引起大家的重視[1]。

3 敷設(shè)原則

3.1 保護多年凍土

主要指的是工程在施工和實際運行期間，需要始終控制在原有的深度范圍內(nèi)，保證多年凍土凍結(jié)狀態(tài)不會出現(xiàn)任何變化，其適用的原則是在于常年凍土區(qū)域并且地表溫度是低于0 ℃。

3.2 破壞凍土

在實際施工期間，還需要將管道地區(qū)周圍范圍內(nèi)的多年凍土予以清除完畢，但是其設(shè)計原則主要是適用于較為薄弱凍土地段以及埋藏較淺地下冰層。

3.3 敷設(shè)方式

在地質(zhì)條件良好并且融化后不會產(chǎn)生明顯融沉以及凍脹地段，在進行管道設(shè)計時，無需采用任何特殊措施；對于含冰量較大的薄層凍土或者多冰凍土等地段需要將含冰量較大的凍土層全部挖除，然后填埋碎石或砂土；對于埋藏較深并且包含大量地下水的凍土層，由于施工難度較大，成本較高，可以采取上部挖除下部松動爆破的方式。此外，在施工期間也可以充分利用地下水位高于0 ℃的物理現(xiàn)象，加速凍土層的融化。在實際施工期間還應(yīng)當(dāng)進行綜合考量，采用適當(dāng)?shù)拇胧┎扇≌_方案[2]。

4 影響因素分析

4.1 保溫層影響

通常而言，管道保溫層大多數(shù)都會選擇密封性、耐久性以及防腐蝕性較好的材料。但是根據(jù)季節(jié)凍土區(qū)輸油管道凍結(jié)圈厚度以及凍脹量的實際變化可以發(fā)現(xiàn)，未進行隔熱處理的管道，周圍土體出現(xiàn)最大的凍結(jié)厚度為1 m，但是凍脹量卻只有12 cm，對此為了盡量降低所產(chǎn)生的影響可以增加外包保溫層。而根據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明分別增加5 cm和10 cm后，地基凍脹量明顯降低，達到了3.6 cm和2.4 cm，其凍脹量與原有狀態(tài)相比減少了接近80%，但是從經(jīng)濟適用度來看采用10 cm雖然可以取得良好數(shù)據(jù)，但是考慮到企業(yè)的經(jīng)營成本，因此只需使用5 cm保溫層就足以符合實際需求。

4.2 地基土影響

地基土產(chǎn)生凍脹條件分別為：首先在氣溫上必須要達到相應(yīng)狀態(tài)，同時水分補給充足，尤其是凍脹敏感性的土壤是主要因素；考慮到凍土地基氣溫波動，為了減少凍脹率還應(yīng)當(dāng)對季節(jié)性凍土地基進行處理，還需要將管道周圍的基礎(chǔ)進行調(diào)換，因為其表層土壤多為粉質(zhì)性粘土含水量比較大，在冬季到來，氣溫快速下降到-20～-30 ℃時，極容易導(dǎo)致管道變形。因此換填材料可以選用顆粒含量不大于15%碎石土，含水量不應(yīng)當(dāng)超過10%密度，需要保證在1.63 g/m3，導(dǎo)熱系統(tǒng)需要維持在4.2 kJ/m。在相同含水狀態(tài)下粉質(zhì)亞砂土的融沉最高，其次是細砂、粘土，最后是砂礫石，出現(xiàn)這樣的結(jié)果還是在于其物理狀態(tài)所導(dǎo)致，表面孔隙大小存在較大差別，因此就導(dǎo)致其含水量也出現(xiàn)了不同[3]。所以渤海在凍土地區(qū)是廣泛存在的，但是只要能夠采取合理措施也能夠有效避免，而不均衡凍脹超過一定的規(guī)定值，就會影響管道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的變形。但是凍脹變形較為均衡，也不會對管道造成明顯影響時，這種現(xiàn)象也允許存在。

4.3 生態(tài)系統(tǒng)脆弱

大慶油田位于東北地區(qū)，而在該區(qū)域的動土生態(tài)系統(tǒng)與森林濕地有著密切聯(lián)系，當(dāng)兩者出現(xiàn)較大變化時都會引起較為嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)。自20世紀(jì)以來在經(jīng)濟利益的推動下，大量原始森林被砍伐生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性急速下降，其具體表現(xiàn)為天然林規(guī)模銳減，導(dǎo)致沼澤濕地面積減少，水土流失現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，最后就導(dǎo)致大慶區(qū)域多年凍土出現(xiàn)明顯退化。由于氣候寒冷暖和期較短植被被大規(guī)模迫害后，通過自然恢復(fù)變得極其艱難。而脆弱的生態(tài)系統(tǒng)也容易發(fā)生不同程度的失調(diào)，也在一定程度上決定本區(qū)域凍土生態(tài)環(huán)境恢復(fù)存在長期性與艱難性。

5 季節(jié)凍土區(qū)地基處理措施

在斷面起伏較大的山溝地段，可以采用增設(shè)保溫層和隔熱墊換砂石埋地敷設(shè)方式，管道埋在動土范圍內(nèi)，而管溝底部換填碎石，在管體外增設(shè)保溫層底面可以添加隔熱墊層。在富冰凍土地段，為了確保管道安全，也可以對此區(qū)域的凍土進行調(diào)換。此外采取適宜的隔熱措施，能夠有效減少管底換填深度，在降低施工難度的同時，也為企業(yè)節(jié)約了不少費用。同時考慮到大慶位于我國東北地區(qū)，因此在部分地區(qū)也可以采用淺埋敷設(shè)方式，能夠有效抵御林區(qū)火災(zāi)所造成的影響，同時也便于野生動物進行遷徙，對于自然環(huán)境所造成的影響相對比較小，同時也具備了較好的抗地質(zhì)災(zāi)害能力比如洪水泥石流的沖刷等，在多年凍土沼澤地段除了采用上述方法以外，也可以適當(dāng)增加管道壁厚，該方法在減少挖方量的同時，也降低了在冬季施工難度。但是考慮到經(jīng)濟效益大多數(shù)情況下，所需填料還是應(yīng)當(dāng)就近取材，但是由于在東北部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境相對比較脆弱，自然資源再生能力差，對此所需施工填料，不應(yīng)當(dāng)在環(huán)境比較脆弱的地段選取[4]。要選擇適合的保溫層，以此降低管道周圍凍結(jié)圈厚度，目的是在于防止發(fā)生管道融沉。而目前在北方地區(qū)大多數(shù)油田都采用黃色聚乙烯外皮保溫管，抗壓強度高隔熱性能好吸水率低具備良好的防腐性。

6 凍土區(qū)管道防護措施

凍脹融沉是當(dāng)前凍土區(qū)管道所面臨的主要風(fēng)險之一，其中凍融趨勢的變化與管道周圍凍融圈有著密切的聯(lián)系，比如在管道溫度高于土壤溫度的情況下，容易發(fā)生融化圈導(dǎo)致融沉產(chǎn)生。

6.1 保溫層

其特點就在于能夠有效隔絕管道與動土的接觸，在一定程度上也能夠有效降低正負溫差對管道周圍凍土區(qū)域所產(chǎn)生的影響，能夠有效降低對凍土所產(chǎn)生的破壞。通過大量試驗數(shù)據(jù)表明不同厚度保溫層對于管道內(nèi)的溫度場有著明顯影響。在不具備保溫層材料的情況下影響相對比較大，但是保溫層越厚，其影響相對比較小。

6.2 熱管

其作用就等同于在管道凍土溫度調(diào)節(jié)器，無需額外增加相應(yīng)的制冷裝置，就可以實現(xiàn)對溫度的自動傳遞。其中上部為冷凝段而中部為絕熱段至于尾部是蒸發(fā)段，當(dāng)上部和尾部出現(xiàn)較為明顯溫差時，蒸汽就會上升至冷凝器與冷空氣接觸以后，形成液體附著于管壁上。在重力作用的推動下液體工質(zhì)會沿著管壁重新回到尾部，在不斷的循環(huán)往復(fù)之下只要上段和尾部存在溫差，因此也就保證了凍土的穩(wěn)定性。

6.3 提高管道壁厚

在沼澤濕地地段管道及容易產(chǎn)生凍脹融沉位移，因此除了需要采用上述兩種措施以外，為了進一步提高管道的安全性，可以在經(jīng)過精密計算以后采取提升管道壁厚的方式，以此降低其變形概率。

7 結(jié)語

綜上所述，大慶地區(qū)凍土地質(zhì)問題會影響到輸油管道地基的穩(wěn)定性，在嚴(yán)重情況下也會危及企業(yè)正常運轉(zhuǎn)。對此就需要了解該地區(qū)地質(zhì)問題的基礎(chǔ)上，有針對性地提出相應(yīng)的防治對策。其中凍脹、融沉是導(dǎo)致管道變形破壞的主要原因，對此就需要采用保溫、換填等方式降低管道出現(xiàn)不均衡變形程度。同時在敷設(shè)期間也需要盡量減少對當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的破壞，做好凍土檢測與預(yù)報，及時消除潛在隱患。