摘要： 凍土災(zāi)害是穿越高寒凍土區(qū)輸油管道安全運(yùn)營所面臨的最嚴(yán)重的威脅，冬季氣溫降低，凍融循環(huán)時土壤中的水分凍結(jié)伴隨著一系列的水分遷移和熱量交換。凍脹災(zāi)害的表現(xiàn)形式為冰椎、凍脹丘。凍脹的發(fā)展速度很快，局部管道在凍脹力下會發(fā)生抬升，產(chǎn)生附加應(yīng)力，嚴(yán)重影響了管道的安全生產(chǎn)。本文以中俄（漠大）管道高寒凍土區(qū)的運(yùn)行管理為例，描述了凍脹成因、對管道的危害、監(jiān)測方法及治理措施。通過對管道面臨的凍脹風(fēng)險因素進(jìn)行識別和評價，進(jìn)而有針對性的實(shí)施風(fēng)險減緩措施，從而預(yù)防事故發(fā)生，保證管道安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 凍土區(qū)管道；凍脹；監(jiān)測；處理方法

1 引言

高寒凍土區(qū)輸油管道運(yùn)行管理及維搶修是世界難題，管道面臨凍脹融沉、熱熔滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。國外Norman Wells輸油管道就發(fā)生過因凍脹引起的管道翹曲現(xiàn)象，國內(nèi)格爾木-拉薩管道也發(fā)生過管道翹曲露管。中俄（漠大）原油管道是我國第一條穿越高寒永凍土區(qū)域的大口徑長輸原油管道，高寒凍土區(qū)管道管理及維搶修目前在國內(nèi)尚屬空白，沒有相應(yīng)的管理標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。中俄（漠大）管道三年來的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，為凍土區(qū)管道管理及維搶修提供了參考。

2 凍脹的危害

凍脹是由于土中水分的凍結(jié)和冰體（特別是凸鏡狀冰體）的增長引起土體膨脹、地表不均勻隆起的現(xiàn)象。凍脹會對與土體接觸的管道產(chǎn)生附加應(yīng)力，一般也會導(dǎo)致地面發(fā)生變形。凍脹的原因包括土中原有的水分結(jié)冰體積膨脹，土凍結(jié)過程中下部未凍結(jié)土中的水分遷移并向凍結(jié)面富集，水分相對集中，水與土粒分異形成冰透鏡體或凍夾層，使土體積膨脹。

2.1 凍脹的形式

在冬季，地下水受凍結(jié)地面和多年凍土（或隔水層）的阻隔凍結(jié)在薄弱地帶，由于其發(fā)生膨脹作用而將地表抬起，形成隆起的土丘，稱之為凍脹丘。在寒季，流出封凍地表或封凍冰面的地下水或河水凍結(jié)后形成丘狀隆起的冰體，稱為冰椎，因?yàn)檫h(yuǎn)看像結(jié)冰的湖水，東北人俗稱冰湖。冰椎、凍脹丘是凍脹災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式，凍脹具有發(fā)展迅速，地點(diǎn)不確定的特性。

2.2 凍脹對管道的危害

由于沿管道長度方向的不均勻凍脹使管道產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；地下管道與連接點(diǎn)在支管周圍切向凍脹力作用下破壞。對于不均勻凍脹的產(chǎn)生，主要有以下幾種情況：

1）管體周圍冰椎、冰丘的形成使管道產(chǎn)生應(yīng)力彎曲，如果發(fā)生在管道底部，對管道危害更大，嚴(yán)重會使管道發(fā)生斷裂。

2）不同凍脹性土交界地段的不均勻凍脹力，管道產(chǎn)生應(yīng)力彎曲。

3）過渡性地段，如沼澤地與石方段、凍脹與非凍脹、陰坡與陽坡等交界處，由于不均勻凍脹產(chǎn)生應(yīng)力彎曲。

4）埋深不均勻地段產(chǎn)生不均勻凍脹力，例如穿越公路、鐵路、河流地段，這些地段由于管道埋深不同，埋深較深的地段受埋深較淺地段凍脹力作用，從而產(chǎn)生應(yīng)力彎曲。

3 凍脹監(jiān)測方法

3.1 采取有效的監(jiān)測方法和手段來掌握凍土地區(qū)管道的位移變化至關(guān)重要。管道建設(shè)及運(yùn)營階段，可以通過多種監(jiān)測方法來降低管道風(fēng)險。選擇典型地段安裝溫度、水分、位移監(jiān)測裝置。溫度監(jiān)測確定管道周圍凍融圈及凍土發(fā)展趨勢；水分監(jiān)測實(shí)時測量并記錄管道周圍土壤的總含水量；位移監(jiān)測實(shí)時測量并記錄監(jiān)測管段的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

3.2 富冰凍土性斜坡地段安裝斜坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，在凍土區(qū)斜坡的油氣管道上方安裝表位位移監(jiān)測樁，在凍土區(qū)斜坡安裝深部位移監(jiān)測裝置、溫度監(jiān)測裝置、含水量監(jiān)測裝置，深部位移監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)通過位移數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集；溫度監(jiān)測裝置、含水量監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)通過多功能數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集。位移數(shù)據(jù)采集儀、圖像數(shù)據(jù)分析儀、多功能數(shù)據(jù)采集儀處理后的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信模塊傳輸至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對凍土區(qū)斜坡的實(shí)時監(jiān)測。

3.3 在坡地漫流、飽冰凍土、洼地漫流、凍脹丘和換填管段等凍脹高風(fēng)險區(qū)域安裝半機(jī)械式位移監(jiān)測裝置，其工作原理是通過在管道附近安裝坐標(biāo)系基準(zhǔn)樁，在管道上安裝位移監(jiān)測標(biāo)志桿，利用全站儀定期或不定期對標(biāo)志桿指定點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測量，獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比，來獲取管道的運(yùn)行情況。

4 凍脹治理措施

根據(jù)管道沿線多年凍土地質(zhì)條件、管道熱應(yīng)力、凍脹類型，采取如下治理措施：

4.1 提高管道壁厚

對于多年凍土區(qū)的富冰凍土地段，通過增加管材壁厚能克服多年凍土區(qū)差異性變形對管道帶來的凍害，采取傳統(tǒng)敷設(shè)方式。管道敷設(shè)斷面圖如圖1所示。

4.2 保溫

對于管底飽冰多年凍土層較厚，管底多年凍土融化呈可塑或硬塑地段、小型河流穿越地段，采取保溫敷設(shè)方式。管道敷設(shè)斷面圖如圖2所示。

4.3 保溫+換填

對于管底飽冰、含土冰層多年凍土層較厚，多年凍土融化后為軟塑、流塑狀態(tài)的地段，采取“保溫+換填”的敷設(shè)方式。管道敷設(shè)斷面圖如圖3所示。

4.4 破冰泄壓，覆冰保溫，配合隔離通道

對于凍脹丘、冰椎等不良凍土現(xiàn)象地段，采取破冰泄壓，覆冰保溫，配合防水隔離通道方式進(jìn)行治理。破冰可以泄放冰椎壓力，泄放的水流凍結(jié)后對管道起到保溫作用，修筑防水隔離通道可以將地下水匯集起來，排至管道以外，防止冰椎、冰丘再次出現(xiàn)。

5 案例分析

漠大管道出現(xiàn)過較大冰錐，并且成長很快，3天內(nèi)管道上方的冰面升高了約50cm，最高處相對于自然地面隆起約2.9米，表面冰層厚度約150cm，冰椎如圖4所示，地表裂紋嚴(yán)重。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查后畫出該區(qū)域的地形圖，如圖5所示。從圖5可知，管道與一條河流交叉。冬季地表先凍結(jié)，水流通道受到管道和公路的阻斷，隨著凍結(jié)過程的發(fā)展，冰下的水繼續(xù)凍結(jié)，將表面的冰拱起。水流的持續(xù)補(bǔ)充使該過程快速持續(xù)發(fā)展，最后形成冰椎。整個冰椎的發(fā)展過程如圖6所示。

針對該冰椎的形成原因，采取了開挖表層凍結(jié)面，將水流壓力泄放的措施，如圖7所示。為了更好地泄放水壓，防止未凍結(jié)水對冰椎的繼續(xù)補(bǔ)充，可以在泄放點(diǎn)修筑排水通道。泄放處的水在管道表面凍結(jié)，形成保溫層，可以阻止持續(xù)凍結(jié)。排水和保溫措施消除了凍脹的發(fā)生條件，保證了管道安全。

6 結(jié)論

高寒凍土地區(qū)的凍脹災(zāi)害是影響管道運(yùn)行的重要風(fēng)險，了解掌握凍脹形成的機(jī)理及產(chǎn)生原因，進(jìn)而采取有效的監(jiān)測方法及治理措施，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，將凍脹對管道的危害降到最小程度，來保證輸油管道正常運(yùn)行。

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