中俄原油管道沿线冻害分布特征研究*

王伟 张喜发 杨风学 冷毅飞 吕岩

1长春工程学院勘查与测绘工程学院

2吉林大学建设工程学院

3大庆油田工程有限公司

4廊坊师范学院建筑工程学院

中俄原油管道漠河—大庆段穿越大兴安岭北部多年冻土带，其沿线冻土环境对浅埋式石油管道的影响远比青藏高原冻土区强烈。大兴安岭地区植被发育，地表水与地下水极其丰富，并且异常活跃。该区多年冻土层比较薄，年平均地温一般较高，冻土正处于退化之中，工程对人为因素影响十分敏感。此外，冻土区内季节性温差变化非常大，冻土活动层的最大冻融深度超过了3.5 m，局部地区甚至超过了5 m，冻害极其发育。受冻害影响，中俄原油管道自运营以来出现了严重的冰冻变形破坏现象，北段个别部位甚至出现了管道被拱至地表和断裂冒油的情况。由此可见，发生于季节活动层中的冻胀型冻害对管道安全稳定具有极大的威胁。

针对大兴安岭地区的冻害现象，我国学者进行了大量的实践研究与理论分析。上世纪60年代，我国铁路、林业、地质和建筑等部门的科技工作者曾对大兴安岭多年冻土进行了大量的研究工作[1-2]。金会军、何瑞霞等[3-4]确定了中俄管道多年冻土环境工程地质区划原则和指标。王剑亮等[5]对中俄原油管道沿线多年冻土区工程地质问题进行了分析研究，有针对性地提出了用以保证输油管道工程安全稳定的防治对策。耿作孝[6]根据漠大线地质勘察报告发现，管道经过的阴坡多为多年冻土发育地段，其冻害主要表现为冻土冻融滑塌，而管道沿线冷生现象主要为冻胀丘和冰椎。蔡永军等[7]结合漠大管道的运行管理经验，提出了一套温度、位移监测方法和保温、换填、疏水、支撑在内的冻土灾害防治措施。郭微微[8]通过野外地质调查、监测以及试验，从地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和不良地质现象等方面揭示可能存在的工程地质问题，分析了高纬度多年冻土等地质因素对管道工程的影响机理。王永平等[9]对中俄原油管道漠河—加格达奇段多年冻土区进行了现场勘查研究，对季节性冻胀丘治理提出了防治措施。李国玉等[10]结合中俄原油管道现场调查、油温监测和探地雷达等勘察结果，研究了漠大线运营后面临的冻害问题，提出了预防和防治措施以及进一步需要研究的主要问题。

本文对穿越大兴安岭北部多年冻土带的中俄原油管道沿线冻害现象进行了详细调查，通过对冻胀丘、冰椎、冻拔、热融沉陷等冻害现象的野外踏勘测量，结合管道一期工程的冻害调查结果，归纳总结了管道运营前后沿线冻害特征及其分布变化情况，分析了影响管道沿线冻害发育的相关因素，绘制冻害分布图，为中俄原油管道二期的安全运营和冻害治理提供理论参考与科学依据。

1 冻害调查

中俄原油管道加格达奇—兴安段曾在2008年管道设计修建初期进行过冻害调查，对影响管道运营的冻害发育地段进行了踏勘，确定了冻害类型，并对冻害特征进行了描述。通过勘察取样，同时对管道沿线多年冻土进行了大量的试验研究[11-14]。2008年主要冻害数量调查结果如图1所示。

图1 2008年主要冻害数量调查结果Fig.1 Investigation results of the main freeze injury munber in 2008

中俄原油管道一期工程经过几年的运营，沿线分布的各种类型冻害现象随着时间的推移不断发生新的变化，对管道的安全运营造成了威胁，并可能给复线管道的稳定性和顺利施工带来严重困扰和不便。为此，本次冻害调查共分为如下两个阶段：

第一阶段于2014年4月初进行，主要进行冻害资料的收集，详细分析加格达奇—兴安段27幅1∶50 000地形图和5幅1∶200 000地质图，掌握沿线地形地貌变化总体特征和地层岩性的基本组成，并根据前期调查资料、地形图分析和现场踏勘结果，结合工程地质勘察资料，总结中俄原油管道一期工程自运营以来沿线各地段和部位的冻害情况。

第二阶段于2015年3月初进行，继续搜寻新的冻害现象，并有针对性地对第一阶段所发现的冻害现象进行复核，同时对2008年冻害调查资料和加格达奇管道运营公司的冻害资料进行现场校核。

2 冻害类型与特征

2.1 冻胀丘

管道沿线冻胀丘极其发育，严重影响管道运营的典型冻胀丘主要有5个，其中最大的冻胀丘如图2所示，位于兴安至连崟段，从地貌上看，该冻胀丘位于黑龙江右岸二级阶地后部山洼坡脚地带。冻胀丘成群出现，高度达到5 m，周长148 m，面积为685 m2。丘顶主裂缝近南北向，并伴有两条拉裂缝，裂缝宽度为25～30 cm，最大部位达到55 cm。裂缝内部可见冰核，表面苔藓层为20～25 cm厚，并有大量水流出，形成冰漫，附近醉汉林特性十分明显。

图2 连崟附近冻胀丘Fig.2 Froze heaving near Lianyin

2008年调查时发现的第17#、18#冻胀丘至今仍然存在，如图3～图4所示。17#冻胀丘位于多布库尔河谷后缘山前洼地缓坡地带坡脚处；18#冻胀丘出现在平岚南多布库尔河支流根河河谷后缘坡脚地带，皆为岛状多年冻土段，地温观测孔测得年平均地温-0.3℃，属极高温冻土。

2.2 冰椎

管道沿线冰椎主要有泉冰椎与河冰椎两种。2008年调查的11#冰椎位于新天北S207省道东侧山坡坡脚处，如图5所示。2014年和2015年调查时，该冰椎依然存在，高度约1.2～1.5 m，裂缝宽10～20 cm，深约70 cm，面积为150 m×60 m，期间有水溢出，调查发现该地点有多年稳定的地下水出露点存在，致使冰椎持续存在。

图3 2008年调查时的17#冻胀丘Fig.3 No.17 froze heaving found in 2008

图4 2008年调查时的18#冻胀丘Fig.4 No.18 froze heaving found in 2008

图5 2015年调查时的11#冰椎Fig.5 No.11 ice piton found in 2015

塔河北老省道276 km路下方附近的冰椎群比较发育，该地位于瓦拉干河右侧支流沟谷坡脚下缓坡地段，水源丰富。此冰椎群于2011春发现时，冰椎最高处相对于地面隆起约2.9 m，裂缝严重，如图6所示。2014年春季和2015年春季调查时仍然存在，管道上方有多个鼓包处和泉眼出露点，连成一片，漫过管道，顺势沿管道向下发展，以至形成近200 m长积冰带，如图7所示。

调查还发现，在伊里呼里山山岭地带新天—塔源段，泉冰椎特别发育，呈串珠状。许多冰椎是由于公路路基阻挡或涵洞设置不当而在其附近形成的，也有些冰椎出现在小河沟底附近，这种冰椎可看作为泉冰椎和河冰椎的过渡类型。

图6 2011年发现的大型冰椎群Fig.6 Huge ice piton group found in 2011

图7 冰椎群管道旁积冰带Fig.7 Icing along the ice piton group and pipeline

水面结冰时，冰面下河水在阻力最大处和河面薄弱处溢出形成河冰椎。在加漠公路木吉公河支流桥下一带，冰椎壅塞高度有2 m，并有2条大裂缝。此外，古源南小八代河上冰椎亦十分发育，如图8所示。2015年春季在此处进行钻孔时，曾有水不断向外流出，说明穿越河床的管道在冬春季节将承受很大压力。

图8 古源南小八代河冰椎Fig.8 Ice piton of Liffle Badi River in Guyuannan

2.3 冻拔与融沉

管道沿线地表结构物因活动层水土冻融循环作用而导致的冻拔现象十分普遍，各种标石、标志桩、观测护管等普遍抬升，多数歪斜，如图9所示。这种冻拔作用对管道的影响也是十分严重的。

图9 杆式沉降计护管拔升Fig.9 Lifting of the protection tube for rod settlement gauge

冻土融化沉降问题在管道运营过程中也十分普遍。通常，管道自身的沉降无法从地表上反映出来，需要通过沉降观测来加以证实。管道沿线尤其是在低洼地段布置了许多杆式沉降计和观测基点，用来监测管道的融沉变形，但管沟覆土沉陷却随处可见，有的形成积水，有的成为新的地表流水沟，如图10所示。这种沉陷不能完全作为管道自身沉降的直接证据，因为它完全可能是由于施工时回填的冰冻草炭土等物质融化和雨雪水、地表水侵蚀引起的。

图10 管道旁积水带Fig.10 Pounding along the pipeline

2.4 其他类型冻害

2.4.1 管道回填土纵长裂缝

2014年调查时发现，在漏油点某相邻两坐标点之间，管道上覆土堤纵长裂缝十分发育，断续延伸近百米，裂缝最宽处有30 cm，并且裂缝两侧土堤高度明显不一，落差最大有2～3 cm，如图11所示。这种张拉裂缝或许是冬季管道产生冻胀位移的标志，在进行管道冻害防治时应加以重视。

图11 管堤纵长裂缝Fig.11 Longitudinal crack above the pipeline dyke

2.4.2 巨厚地下冰

2014年春季，在省道S209改造工程22站至沿江工段两处桥涵基坑中，观察到巨厚地下冰体，位于盘古河支流沟底低洼地带，如图12所示。2014秋季在翠岗一带、塔源北和太阳沟等地都在冻土上限附近见有很厚含土冰层。显而易见，如此巨厚的纯冰体和含土冰层融化后，将会给管道安全稳定带来巨大威胁。

图12 巨厚地下冰Fig.12 Thick underground ice

2.4.3 积水聚冰

管道两旁夏季积水、冬季聚冰现象十分严重，有的甚至漫过管道，如图13所示。形成积水聚冰负地形的原因比较复杂，单纯的热融沉陷往往不会有如此大的规模。在管道修筑时，管道土堤或路堤使上游地表流水受阻，极易形成负地形。在地下冰发育地段，由于修建管道破坏了原有植被和其他保护层，也常产生热融性负地形。还有一部分是由于施工和维护大型工程机械反复碾轧破坏引起的。无论是何种原因，管道及两侧积水聚冰都会加剧管道冻融循环效应，影响管道的安全稳定性。

图13 管沟积水Fig.13 Pounding in the trench

2.4.4 热融滑塌与涎流冰

在管道沿线没有发现天然热融滑塌现象，但在接近伊勒呼里山顶地带的查巴拉奇河谷左侧山上，发现嫩林线铁路切方路基下侧碎块石堆土高边坡上，连续有4个热融滑塌体，如图14所示。这一带属连续多年冻土区，附近泉冰椎也特别发育。

图14 铁路边坡热融滑塌Fig.14 Melting and slumping of the railway slope

路堑或切方边坡上方地下水流出边坡并冻结将形成涎流冰。如果是边坡上方发育有泉冰椎，漫过边坡，则可形成规模巨大的冰幕或冰瀑。如图15所示，管道沿线省道就存在多处巨大冰幕，严重影响了行车安全，甚至影响到管道的安全稳定。

图15 路堑边坡冰幕Fig.15 Ice curtain on the slope of the cutting

3 冻害分布规律及分区

3.1 冻害分布规律

将冻害调查结果绘制在中俄原油管道线路图上，将冻胀丘、冰锥、冻拔、融沉、积水聚冰及热融滑塌等冻害现象全部予以标注，形成管道沿线冻害分布图，并结合地形图、地质图以及现场踏勘及钻孔记录，分析冻害分布规律。

管道沿线冻害的发育及分布主要受到地形、地貌、地温、地下水等因素影响。中俄原油管道沿线的冻胀丘多发生在低山丘陵、山沟坡脚地带，岛状多年冻土分布，并且多为中温多年冻土带。冰椎主要发生在河谷边缘坡脚地带、山间洼地以及部分河岸台地，在中低温多年冻土带和高温极高温多年冻土带皆有发育。积水聚冰主要集中出现在河谷边缘沼泽地、河沟沟底等地段，在管道穿越此地段时，往往伴随着覆土沉陷。

冻害现象的发育同地温变化规律密切相关。根据冻土地温纬度分布规律对本次冻害调查结果进行分析发现，许多冻害发育地段的地温分布规律与之并不匹配。此外，研究发现海拔高度的不同与冻害现象的分布存在密切的联系，并且地温也呈现出随海拔高度的变化而变化的规律。

3.2 冻害分区

通过冻害调查发现，对浅埋式石油管道这种轻型线性结构物来说，发生于季节活动层中的冻胀性冻害对管道安全稳定威胁最大。泉冰椎和冻胀丘是多年冻土区两种主要的冻胀性冻害表现形式或说是两种主要的不良地质现象。通过分析管道沿线冻害分布类型可以发现，冻害在某一地段特别发育不是偶然现象，它们的发育与该地段工程地质条件有着密切关系。根据调查结果，对管道沿线冻胀性冻害分布进行分区，如表1所示。

表1 管道沿线冻胀性冻害（泉冰椎、冻胀丘）分区Tab.1 Expansive freeze injury(spring ice piton and froze heaving)zone along the pipeline

4 结论

通过对中俄原油管道沿线冻害现象进行详细的现场踏勘，并对沿线冻害类型、特征以及分布规律进行详细的描述与分析，得出以下结论：

（1）冻胀丘、冰椎受地形地貌的影响极其显著。在伊勒呼里山岭地带，多年冻土连续分布，泉冰椎极其发育，公路边坡涎流冰严重。在低山丘陵地带，岛状冻土分布，冻胀丘十分发育，管道拱管漏油多发生于此处。按照纬度型冻土理论，伊勒呼里山岭属于高纬度地区，其地温应随纬度的升高而降低，为连续低温冻土带，而该区冻害如此发育，与其海拔高度有直接关系。因此，管道穿越此区域时，应采取相应的防治措施以减轻冻胀性冻害对管道运营的影响。

（2）冻胀丘和泉冰椎是冻胀性冻害剧烈活动的表现形式，在高温极高温多年冻土带，泉冰椎、冻胀丘均有分布。而管沟冻胀和管道冻融循环效应也是冻胀性病害的主要表现形式，在管道沿线部分地段十分显著。对于多年冻土带浅埋轻型、线性石油管道这种结构物而言，冻害问题的研究对保证石油管道长期安全稳定运行至关重要，必须引起重视。