涩宁兰复线多年冻土地段治理方案研究

王洪波，黄丽，孟献强，邢贵先，李春锋.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000.中国石油天然气管道局国际部，河北廊坊065000

涩宁兰复线多年冻土地段治理方案研究

王洪波1，黄丽1，孟献强2，邢贵先2，李春锋1
1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000
2.中国石油天然气管道局国际部，河北廊坊065000

主要介绍了涩宁兰复线橡皮山和拉脊山地段多年冻土对管道的危害及其治理方案。对冻土的形成机理和破坏机理进行了分析，得到了不同类型土壤的冻胀量与冻结深度关系。基于有限元分析软件对管道遭受冻融作用进行力学分析，确定冻土对管道安全的危害程度。通过对现场实地调研和分析研究，提出了针对该地区的多年冻土危害的防治方案，即采用袋装砂置换冻土的稳管方案，该方案不仅解决了冬季冻涨问题，而且解决了夏季融沉对管道的影响，同时节约了施工成本。

多年冻土；冻胀量；埋地管道；置换法

涩宁兰输气管道复线工程起自青海省柴达木盆地涩北一号气田涩宁兰老线涩北首站，东至兰州西固区F35#阀室，线路长度921.4 km。管道沿线途经青海省格尔木市、大小柴旦镇、德令哈市、乌兰县、共和县、湟源县、贵德县、湟中县、平安县、乐都县、民和县以及甘肃省永靖县、兰州市，共计13个县、市、区。设计压力6.3 MPa（表压），干线管径为660 mm。

涩宁兰复线所经过地区地形复杂，沿线人烟稀少，社会依托条件不良，自然条件相对比较恶劣，尤其在橡皮山和拉脊山地段，最高海拔达到3 900 m。由于海拔高，多年冻土发育，在近山口部冻土深度大，冻融作用明显，给管道的施工和安全带来了很大的危害。

1 现场勘察情况

在涩宁兰输气管道复线勘察过程中发现，在管道四标AE段橡皮山西延段及五标AF、AG段拉脊山口局部地段有常年冻土层，其总长度约4.7 km。现场冻土勘察情况如下：

四标AE段橡皮山西延段，发现多年冻土，地层以第四系全更新统冲洪积粉土为主，冻土上限深度1.85 m，下限深度2.80 m，为岛状衔接冻土。

五标AF拉脊山口段，地层以第四系全更新统坡洪积粉土和粗砂为主。粉土层厚1.0～2.5 m，下部为粗砂，揭露厚度2.0～2.8 m。

五标AG拉脊山口段，地层为第四系坡洪积粉质黏土和粗砂。粉质黏土层厚1.5～3.0 m；下部为粗砂，揭露厚度1.2～2.0 m。

五标AF、AG段拉脊山口冻土区为连续长度达4.5 km的常年冻土，现场冻土区钻探岩芯如图1所示，最大冻土深度为4.3 m。

图1　拉脊山口现场冻土区钻探岩芯

在常年冻土带中间由粉质黏土构成的冻土段里，原涩宁兰输气管道（阴极保护桩号687～688段）由于没有进行必要的处理，部分地表塌陷比较严重，表现为下沉、空洞等，如图2、3所示。

图2　冻土融化后的状态

图3　冻土融化后的地面塌陷坑

2 冻土中管道的管-土相互作用分析

2.1土体的冻涨与冻涨机理

当输气管道从非冻结敏感土壤穿越到冻结敏感土壤，或从尚未冻结的土壤穿越到正在冻结的土壤时，管道承受两种土壤界面处差异性冻胀引起的差异性运动而产生变形，管道和土壤都产生了应力和应变。

这种热-力耦合管土相互作用与平常的管土相互作用有三个基本的不同：

（1）冻结土冻胀引起的土壤差异性运动是冻结土中热传递、水分迁移、水相变共同作用的结果。

（2）随着冻结区域的渗透，土壤的力学行为是变化的。

（3）与非冻土相比，冻土有明显的蠕变。冻土的蠕变引起管道和其周围土壤应力和应变的变化。

以上特征表明，冻土-管道相互作用是一个复杂的依时性、热-力耦合问题。

由于对这样复杂的依时性、热-力过程的完整耦合分析是非常困难的，现存大多数管土相互作用模型把这个问题处理为基本的两个独立的过程，即冻胀过程和管土相互作用过程。

2.2冻涨量计算

2.2.1冻胀量的理论计算方法

地基土冻胀受多种因素影响，尤其是细粒土在冻结过程中受强烈的水分迁移作用，土体的冻胀量增大几倍至几十倍，使地基土冻胀计算更加复杂。研究表明，细粒土的冻胀量，除了土体原有的孔隙水冻结产生冻胀外，主要是冻结过程中下卧未冻土层的水分向冻结锋面迁移，造成冻土中水分聚集所引起的冻胀。因此，土体的冻胀量△h应由两部分组成：

式中：W为土体的初始含水量；ρd为土的干密度，g/cm3；Hf为冻结深度，cm；i为相对含水量；Uw为水分迁移速度，cm/h；T为水分迁移时间，h。

式中的第一部分属于原有孔隙水分的冻胀量，即通常所说的封闭系统的冻胀量，取决于地基土原有的含水量。第二部分属于冻结过程中迁移来的水分引起的冻胀量，即通常说的开放系统的冻胀量，取决于迁移量，与地基土的成分、结构、导势系数、冻结速率和深度、孔隙水的黏滞性等有关。尽管有多种开放系统冻胀量的理论计算方法，但都存在不足和局限，至今仍没有一种方法可直接应用到工程设计。

2.2.2典型土壤的冻胀量计算

关于冻胀量的计算，不少规范和论文都给出了不同的计算方法，本文选用SL 211-2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》中根据统计求得的相关经验公式对低液限黏土、粉土和砂土进行冻胀量计算分析：

（1）低液限黏土的冻胀量：

（2）粉土、高液限黏土、粒径≤0.075 mm的粒组含量占20％～50％的细粒土质砂类土的冻胀量：

（3）粒径≤0.075mm的粒组含量10％～20％的砂类土和砾类土的冻胀量：

式中：Zd为冻结深度，Zw为冻结初期的地下水位。

根据式（2）、（3）、（4）得出不同类型土壤的冻胀量与冻结深度关系曲线对比如图4所示。

图4　不同类型土壤的冻胀量与冻结深度关系曲线对比

从图5可以看出，在冻结深度相同的情况下，砂土的冻胀量仅仅是低液限黏土的30％左右。因此，在冻土地区选择合适的土壤类别十分重要。

3 有限元计算分析

3.1有限元模型

为了模拟涩宁兰复线管道在冻土中的力学行为，本文选用两种典型土壤：砂土（非冻胀敏感性土壤）和粉土（冻胀敏感性土壤）作为管道的穿越土壤。当输气管道从砂土穿越到粉土时，由于两种土壤的冻胀量不同，管道受力不同而弯曲，引起较大的应力和应变。管土作用模型如图5所示。

图5　管土相互作用模型/m

对两种土壤的交界面作了理想化处理，即假设交界面为“突然”的垂直分开而无过渡带。在分界面两侧，两种土壤宽度均取65 m，深度为10 m，即总计算区域130 m×10 m。管道埋深1.5 m。为对比冻胀对不同管道的影响，分别对涩宁兰复线项目所采用的三种壁厚的管道进行计算，管道参数见表1，管材的弹性模量取209 GPa，屈服强度取450 MPa，线膨胀系数取1.2×10-5℃，硬化指数取13.5。

表1　管道参数

3.2管道应力分析

不同壁厚管道的轴向应力分布，如图6～8所示，最大压应力发生在分界面右2.5 m（距离67.5 m）处的管顶，最大拉应力发生在分界面左边3.5 m（距离61.5 m）处。从图6可以看出，壁厚7.1 mm管道的管顶应力在最大弯矩发生处的峰值被削平，表明此处应力和弯矩不成比例关系，这是此处产生局部弯曲的缘故。

图6　壁厚7.1mm管道应力分布

3.3管道应变分析

应变也可以作为管道失效的判据，管道在分界面处弯曲段的应变分布如图9～11所示。

图7　壁厚7.9 mm管道应力分布

图8　壁厚11.9 mm管道应力分布

图9　壁厚7.1mm管道轴向应变分布云图

图10　壁厚7.9 mm管道轴向应变分布云图

图11　壁厚11.9 mm管道轴向应变分布云图

3.4结果分析

为了便于比较，对三种壁厚管道的应力应变计算结果进行了汇总，见表2。

表2　三种壁厚管道的应力和应变值汇总

从表2可以看出，三种壁厚管道等效应力均小于0.9倍的管材的屈服强度（0.9×450=415 MPa）。管道的应变量非常小，最大应变均小于项目所设定的容许应变0.5％，因此，管道受力均处于弹性范围内，管道是安全的。

经过对多年冻土区的管道进行力学分析，虽然应力应变均满足要求，但是由于冻土在长期的冻融作用下，地面会出现严重塌陷情况，管道上部的覆土厚度会明显减小，使之不满足设计埋深要求，因此，为保证管道在通过冻土地区埋深满足要求，并且，减缓冻融作用对管道的影响，还需要采取相应的措施进行处理，从而减少后期运营的影响。

4冻土处理方案研究

4.1技术方案的选择

现场冬季冻胀严重，夏季沼泽化比较明显，现场地面变形较大，对三桩和管道的覆土厚度都有极大的影响。

针对现场实际情况通过力学分析，本工程采用袋装砂置换稳管的方法，该方法有以下优点：

（1）根据土壤差异性冻胀量特性，将过饱和的粉质黏土置换成砾石土，使得冻胀量大大减少。

（2）夏季袋装砂还起到稳管的作用，避免管道漂管。

（3）用袋装砂置换后，可以减少夏季融沉地面的明显沉降，为后期运营管理铲除了后患。

4.2袋装砂置换稳管技术要求

为了保证现场的施工质量，对回填料和施工流程进行了严格的要求。

4.2.1置换材料的选择

宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2 mm的部分不应超过总重的45％），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂或石粉（粒径小于0.075 mm的部分不超过总重的9％）时，应掺入不少于总重30％的碎石或卵石；所用砂石的最大粒径不宜大于50 mm。也可以选用矿渣作为置换材料，选用矿渣的松散重度不小于11 kN/m3，有机质及含泥总量不超过5％。设计、施工前必须对选用的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并符合安全规定后方可使用。

4.2.2施工注意事项

（1）冻土地区施工要合理安排工期，因为这类地区大部分都是冬天为冻土，夏天表层的几米属于淤泥土。

（2）对于一些冻土深度较大的区域，有的冻深能够达到5 m以上。为减少工程量，可不必完全置换，对于置换深度只需满足永冻土层厚的2/3且大于2.5 m即可。

（3）由上面的模拟计算可知，冻土地区壁厚越大的管道，所产生的最大弯曲应力越小，因此，在设计中冻土区提高了一个管道壁厚等级，以保证管道的安全。

（4）冻土地区置换回填必须采用卵石或者圆砾，严禁夏季装填淤泥土，冬季装填冻土。

4.2.3袋装砂置换法的施工工序

（1）首先要按照设计要求，对管沟进行开挖，开挖后不得对沟底进行扰动。

（2）对沟底进行置换处理，并进行夯实处理，以满足地基承载力的要求。

（3）按照袋装砂稳管通用图进行管道的稳管施工，将编织袋口两两捆扎，砂袋均匀布置在管道两侧。应交错码放，不得留有通缝（见图12、13）。

图12　施工管沟断面

图13　管道稳管施工示意

（4）穿越软弱土层地区不能因为采取了临时压重措施而减少管顶覆土深度。管道通过该地段时管顶最小埋深应不小于2 m。

5 结束语

本文采用了有限元数值模拟的方法，对涩宁兰复线橡皮山和拉脊山段的多年冻土区管道的受力进行力学分析。通过对现场实地调研和勘察，提出了针对该地区的多年冻土的防治方案，采用袋装砂置换稳管的方案，不仅解决了冬季冻涨问题，而且还解决了夏季融沉对管道的影响，同时节约了施工成本，也为管道的安全设计提供了理论支持。

［1］ASCE-2001，Guidelines for the design of buried pipeline［S］.

［2］GB 50253-2003，输油管道工程设计规范［S］.

［3］SL211-2006，水工建筑物抗冰冻设计规范穿越［S］.

Schematic Studies of Frozen Soil Treatment in Se-Ning-L an Second Gas Pipeline Project

WANG Hongbo1，HUANG Li1，MENG Xianqiang2，XING Guixian2，LIChunfeng1
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.China Petroleum Pipeline Bureau International，Langfang 065000，China

This paper introduces the endangerment to pipeline and treatment scheme of frozen soil in Xiangpi Mountain region and Laji Mountain region of Se-Ning-Lan Second Gas Pipeline Project.It analyzes the formation and damage mechanism of frozen soil，then obtains the relation between the frost heaving amount and the frost depth of different types of soils.It determines the pipeline damage degree due to frozen soilbased on ANSYS model，puts forward the prevention and treatment scheme of frozen soil endangerment to pipeline based on field investigations，i.e.to substitute sand bags for frozen soil to stabilize pipeline.This scheme can solve the effects of frost heaving in winter and thaw settlement in summer on pipeline，also save construction costs.

frozen soil；frost heaving amount；buried pipeline；substitution method

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.012

王洪波（1977-），男，吉林梨树人，高级工程师，2005年毕业于大连理工大学力学专业，硕士，现从事国内外管道设计、管道水工保护和管道应力分析方面的研究工作。

Email：61640190@qq.com

2015-12-10；

2016-04-12