高寒冻土区管道地质灾害防护技术探讨

2020-06-09姚森蔡亮孟虎林胡炎兴侯涛

石油和化工设备 2020年5期

姚森，蔡亮，孟虎林，胡炎兴，侯涛

（1.中国石化管道储运有限公司沧州输油处，河北沧州 061000）

（2.中国航油集团津京管道运输有限责任公司，天津 300300）

（3.中国石油青海油田分公司管道输油处，青海格尔木 816000）

中俄原油管道是我国第一条位于高寒冻土区的大型管道工程，已成为我国重要战略能源通道。高寒冻土区管道运行管理面临的最大问题是地质灾害。我国缺少高寒区管道运行管理实践经验，仅有建设于1977年的格拉管道，但地质环境与中俄原油管道差异很大。随着北极、阿拉斯加高寒区油气田开发，在高寒冻土区铺设长输管道已成为发展趋势。

1 我国高寒冻土区管道简介

中俄原油管道（国内段）965km，管径813mm，钢管等级X65（三层聚乙烯防腐层），焊缝种类为螺旋焊缝，局部变壁厚11-17.5mm，设计输量2000万吨/年，设计压力8.0MPa。中俄原油管道沿线冻土区段长度440km，冻土类型为岛状季节性、不稳定冻土，冻胀、融沉地质灾害发生概率高[1]。中俄原油管道沿线林地地貌复杂、地下水丰富、沼泽湿地遍布。中俄原油管道输送温度高于零度，管道周围土壤存在融化圈，建设和运行中施工导致冻土开挖，表层植被的隔热功能被破坏，地表吸收热量增加，冻土融化概率高。

2 中俄原油管道冻土灾害型式

高寒冻土区管道典型地质灾害型式是冻胀、融沉和热融滑塌[2]，表现为管道局部拱起或缓慢沉降，管道持续位移造成附加应力增加，如超过设计限值，管道发生弯曲甚至断裂。导致冻土灾害关键因素是温度、土壤类型和含水率，其中低温是决定性因素，常年平均环境温度低于0℃区域的土壤才形成冻土；其次，仅对于粉黏粒含量大于12%的土壤才具有冻胀特性，含砂石的粗颗粒径土壤不发生冻胀；含水量是冻土灾害的必要条件，研究表明，土壤中水分在冻结情况下体积增加约9%，这是冻胀的物理基础。

（1）冻土分类

按照常年平均环境温度范围，冻土类型分为稳定和不稳定冻土，见表1。中俄原油管道沿线冻土段多属于不稳定冻土和极不稳定冻土。

表1 冻土分类（按照常年平均环境温度）

按照冻土冻结状态形成的时间周期，冻土类型分为多年、隔年和季节冻土，见表2。按照冻土分布是否连续的特点，冻土类型分为连续、不连续和岛状冻土，见表3。中俄原油管道沿线冻土段多为不连续冻土或岛状冻土。

表2 冻土分类（按照冻土冻结状态形成的时间周期）

表3 冻土分类（按照冻土分布是否连续）

（2）冻胀

冻胀产生过程为，在冬季低温条件下，含水量较高的土壤冻结，由于存在温度梯度差异，土壤内水分子迁移，即水分子以薄膜水的形式从温区向冷区迁移，土壤体积膨胀增加。土体体积膨胀产生的附加应力挤压管道产生弯曲变形或推动管道偏离原始敷设路线。

冻胀地质灾害主要表现为冻胀丘和冰锥两种形式。冻胀丘形成原因是高地下水位在土壤中冻结，将浅层地表土壤挤压拱起形成丘状。冰锥是地下水以泉眼孔状溢出、冻结，并逐渐抬高的锥状冰体。冻胀丘和冰锥对管道的危害表现为冬季冻胀造成管道隆起，夏季融化造成管道下沉，但二者作用不能使管道保持在原始位置。经过多年冻胀、融化的反复循环，最终管道会被抬升直至拱出地面。如管道附加应力超过设计限值，造成管道断裂事故。

（3）融沉

融沉是冻土中的冰在高于零度时融化，造成土壤承载力下降和管道下沉的现象。冻土按照承载力强弱分为稳定区、过渡区和不稳定区等区域。如管道位于不同区域，承受的支撑力不同，特别是季节性融化区的土壤承载力显著低于稳定区和过渡带，管道发生差异性沉降，如下沉量超过一定限值，管道会发生弯曲甚至断裂。

（4）热融滑塌

热熔滑塌多发生于高含冰量以及多年冻土分布的山坡区域。由于坡脚破坏（植被破坏、施工破坏），冻土中的冰融化或者局部暴露，由于重力作用造成坡面土体坍塌并沿冰面滑移的现象。热融滑塌灾害表现形式为，坡面上方管道在自身重力作用下向下挤压，坡面底部土壤仍处于未融化状态，限制管道向下移动幅度，同时位于坡脚的管道弯头受土壤限制而不能移动，在上下应力联合作用下，坡脚处管道发生褶皱。

3 中俄原油管道冻土灾害监测技术

根据高寒区管道冻土灾害主要形式，中俄原油管道运行中重点管道位移变化规律和管道周围融化或冻结情况。

（1）位移监测

位移监测可简洁、直观判断管道是否发生冻胀融沉。加拿大Norman Wells管道应用IMU（惯性测量单元）内检测技术，通过积累多次内检测数据研判管道位移变化规律。中俄原油管道需要对管道沿线多处地质灾害易发区域进行加密、连续监测，依靠IMU内检测技术不能满足要求[3]。

中俄原油管道应用了机械式管道位移监测技术。首先在管道沿线建立高程基准点，为保证基准点高程准确性和可靠性，基准点建立方法是，采用钻孔方式，将基准点设置在多年冻土层或基岩，要求冻土层不融化、基岩稳定。为避免周围活动层对基准点造成影响，在活动层外加装套管，套管和基准杆之间注入油脂固定。定期监测管道高程与基准杆之间的差值即可确定管道位移变化趋势。

（2）温度场监测

为区分土壤承载能力，管道温度场监测应满足识别0.2℃的分辨率和精确度。研究表明，土壤深度越深，温度梯度变化越小，超过一定深度后，土壤温度变化非常缓慢。鉴于此，安装温度传感器进行土壤温度场监测，应根据深度区间范围设置不同间距距离。中俄原油管道做法是，在地表及以下4m范围内，每0.2m安装1个温度传感器；在深度4-8m范围内，每0.5m安装1个传感器；在深度8m以下，每1m安装1个传感器。中俄原油管道温度场监测数据表明，管道施工扰动和高于零度的运行工况，已造成管道周围冻土发生融化。

4 中俄原油管道冻土灾害防治措施

（1）管沟回填

中俄原油管道沿线黑土土质的粉黏粒含量大于12%，属于强冻胀性土壤类型。管道建设施工过程中，管沟回填用冻胀性差的粗颗粒土替代，如粗颗粒土缺乏，掺入部分碎石或天然砂。中俄原油管道管沟回填施工工序是分层压实回填[4]，在管沟底部垫20cm细土层并压实，回填细土层至管顶上部30cm，细土应经过筛选，要求最大粒径不超过1cm。回填原状土要求不含冻土块、最大粒径不超过2cm。针对局部高含冰量冻土管段，管沟回填压实后水分排出，易形成积水沟渠。特殊管段管沟回填高度应略高出地面，一般应大于管沟深度的15%，或者回填土高度应高出地面0.3m左右。

（2）保温措施

土壤本身具有一定保温效果。研究表明，埋深深度大于1m的环境温度常年变化小，高寒冻土区管道必须保证规定的埋深。管道施工和维抢修工作应采取保温措施以减少对冻土的扰动影响，管道开挖作业应进行基坑保温，特别是工作完成后施工区域应恢复植被，如条件不允许，应采用铺设反射膜或隔热材料等保温措施。例如中俄原油管道采用的保温措施是，夏季采用遮阳篷布进行保温，防止冻土融化；冬季采用石棉被进行保温，防止管道低温脆断。热熔滑坡易发区域，采用木屑护坡方式，木屑最大粒径不超过20mm。

（3）其他措施

中俄原油管道采取的其他地质灾害防止措施包括修建疏水工程，即规划设计专门的水流渠道，使地下水远离管道铺设区域，在一定程度上可以预防冰锥、冻胀丘等地质灾害。针对难以接近区域采用支撑方式进行防护，每隔一定距离采用打桩方式，制作管道支撑减缓沉降。