中俄输油管线土的含水量影响其冻胀的机理研究

李康一，杨 雪，郭润麒，丁 琳

(1.黑龙江大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2．黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 材料与相关数据

中俄输油管道全长为1030 km，中俄输油工程从俄罗斯远东管道斯科沃罗季诺分输站(图1)[1]开始，由漠河连崟处入境，自北向南沿二十二站林场，横穿嫩江平原，最后停在黑龙江省大庆市林源输油站[2], 管道敷设方式采用传统沟埋敷设方式，在多年冻土区埋深为 1.6～2.0 m[3-4]。通过对多年冻土区公路冻胀融沉的土的类型、天然含水量进行研究，发掘其冻胀融沉产生的缘由和影响冻土区路基的结构安全作用的因素有哪些，这不仅对于中俄输油管道的安全起到有利的作用，而且对于以后众多多年冻土区的工程建设起到典范作用。

图1 中俄原油管道及沿线地区冻土分布

我们对国内管道工程的冻土工程地质进行一个描述，我们取AA段进行某个连续区段的仔细探索。AA段地处于漠河县境内兴安镇附近，输油管道从连崇首站沿东南出发,途径额木尔村最后到达24站林场，总长为25.053 km。沿线有起伏较大的地形，西北与东南的地形相对来讲偏高一些，属于剥蚀的低山丘陵区域，在山势上相对平缓顺滑，在山顶处相对平坦，大面积分布着一些残坡积层。海拔高程为200～400 m左右,相对高差可以达到200 m的差别。额木尔河流域是从黑龙江气候上看属于最为寒冷的地域，此处的年平均气温低至-5.5～-4.0 ℃,而它的极端最低气温低至-52.3 ℃，但是在炎热的夏季，其极端最高气温却高达33.0 ℃。此处大范围遍布着多年冻土，除了黑龙江与额木尔河河床相关区域之外，别处均为多年冻土带，连续程度高达70%～75%。在河流阶地、漫滩和山间洼地集中的区域是高含冰量冻土区域主要存在的地方，因为在额木尔河两侧环境地质比较复杂和含水量较高，所以产生强烈的融沉变形情况会很常见，极其不利于工程建筑的稳定，属于较差的冻土工程地质区域。额木尔河在AA段属于较大的河流，河流平均值为150 m, 5 m左右的河水深,流速很快，平均1.5 m/s, 多年平均流量为86.5 m3/s，丰水期的最大流量达到2.160 m3/s。

当里程数为11.804 km，间距为3770.952 m时，地形地貌是属于额木尔河河滩阶地以及大片的塔木与低矮的灌木。对此处地质条件探坑，冻土分类为F-B，冻融深度为1.5～2.0 m。当岩层深度为1.2～8.7 m时天然含水量为29.5%，冻胀等级为Ⅲ-Ⅳ级。岩层深度为1.9～4.7 m时属于中粗砂，天然含水量为24.1%，冻胀等级为Ⅲ级。岩层深度为0～5.0 m时存在圆砾，天然含水量为10.8%，冻胀等级为Ⅱ级。岩层深度存在4.9～10.0 m时，多存在灰色砂岩。

当里程数为17.985 km时，间距为6181.700 m时，地形地貌属于低山丘陵、山间凹地、大片森林、基岩出露。地此处地质条件进行探坑，冻土分类为S，冻融深度大约为3 m。当岩层深度为2.7～4.3 m属于黄褐色的粉质黏土，并且含有5%～20%左右的砾砂，天然含水率为17.2%，冻胀等级为Ⅰ级。岩层深度为0～0.9 m时，存在碎石层，天然含水率为5.7%，冻胀等级为Ⅰ级。当岩层深度为0～4.3 m时，主要存在砂岩。

当里程数为18.405 km时，间距为420.000 m，地形地貌属于山间凹地、湿地、大片森林，冻土类别为F-B，冻融深度为1.5～2.0 m。岩层深度为3.7～7.7 m时属于黑色状的粉质黏土，天然含水率为6.368%～12.600%，冻胀等级为Ⅲ-Ⅳ级。岩层深度在7.7 m左右时，存在较多砂岩，呈粉质黏土混砾石土状。

当里程数为19.415 km间距为1010.000 m时，地貌特征属于低山区、山脊、大片林地、基岩出露，冻土类别为S，冻融深度为3.0 m。岩层深度为1.1 m左右时多为杂色、中密、饱和的碎石，天然含水率为5.7%，冻胀等级为Ⅰ级。当深度为2.8 m时是多以砂岩为主的基岩残破积物，属于少冰多年冻土区。

2 天然含水量对冻胀性影响

该段富含冰多年冻土路段主要出现在山间沟谷、低洼湿地、河流高漫滩地与阶地等大片路段。多年冻土富含冰深度首要在上限至3.5 m的深度范围。不同地域的含水量不同，它的冻胀程度也会大相径庭，但是在其他条件相同或者相似度较大的情况下，天然含水率越高的土层，它的冻胀程度也就越大，呈现一种近似线性的一种关系[5]。在多年冻土区域，由于环境温度的转变，土体中的水分会发生一系列的冻结和融化，从而致使土体颗粒与土体整体力学性能产生转变。当周围温度下降时，土体内各层的温度也会逐步下降，当温度下降到某一程度，并且足以将土体缝隙中的水冻结成冰的时候，土体就会慢慢发生冻结反应，这时土体缝隙的水会冻结成冰，便会引起土体整体的体积变大，最后土体形体改变，产生冻胀作用。多年冻土温度随冻土埋深的增大，变化趋势基本相同[6]。

冻胀量与土体中的含水量紧密相关，如果土体含水量比较低时，土体水分在冻结时便无法发生冻胀反应，只有当土体的含水量超过冻胀起始含水量时，土中水的冻结才会引发冻胀[7]。我国现行的《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB 10038—2012)从五个方面将多年冻土分为五个等级和类别，详情见表1[8]。

表1 多年冻土的冻胀性分级划分

冻土的冻胀跟天然含水量是紧密关联的，但是通过数据可以看出，会受到地下水的深度与土体颗粒的类型等影响。根据表格可以得出下面表格，见图3。在冻结期间地下水位距冻结面的最小距离和外界条件基本一致时，天然含水率跟冻胀等级的关系。由图可知，在其他影响因素一定时，土体天然含水率的含量跟冻土的冻胀等级是呈简单线性关系。在输油管线附近，由于气候环境跟地质条件存在差异性，会导致冻胀可能发生在管道的各个部位，从而产生不均匀的冻胀现象，极其影响输油管线的平顺性，对于结构的安全可靠性造成威胁。东北地区的多年冻土受到纬度地带性的影响较为普遍，从北部地区到南部地区，随着纬度的慢慢降低，年平均气温逐渐升高、多年冻土区域的平均地温在不断升高、多年冻土的厚度会不断降低、致使多年冻土的分布范围逐渐缩小，这直接导致多年冻土的融区会慢慢变大，沿线的多年冻土在平面上的连续性变差[9]。又加上因气候变暖引起管道沿线多年冻土退化速率加快[5]，导致冻土退化严重。在春季回温时，冻土区域开始融化，冻融后，各项参数均会发生较大变化，而不同参数的变化趋势不尽相同。融化的土体会产生融沉的不均匀性，导致管道受力不均匀，从而造成管道的破坏，影响其安全可靠性[10]。

图3 天然含水量跟冻胀等级的关系

3 结 论

中俄输油工程中多年冻土的冻胀受很多因素的干扰，如土体颗粒、天然含水量，冻结时地下水位距截面距离等，这些因素都会导致冻土的冻胀等级有所区别。而冻胀与融沉的发生主要是由于水分在温度梯度的影响下发生迁移与相变。当土体外部温度降低，土体内部的自由水便发生冻结作用，这时固体冰对土体颗粒发生挤压，使土体体积发生膨胀作用，从而导致土体表面产生不均匀沉降。当然，上述只是一种简单的变化趋势，很难用单一的因素来评价冻土的冻胀性。本文研究了土体颗粒的不同、天然含水量的不同、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离不同对冻胀等级的影响得出以下结论：

(1)从冻胀等级上看，在土的类型及外界因素一定时，土体天然含水率的含量跟冻土的冻胀等级是呈简单线性关系。

(2)根据数据显示，在多年冻土区，不是所有的含有水分土体都能发生冻胀反应，有且仅当土体中的水分含量达到相应程度后，才会出现冻胀现象；当土体中的水分含量或多或少时都达不到冻胀的要求时，便无法发生冻胀。

(3)当外界因素近似一致的情况时，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离越小时，冻土的冻胀强度跟等级会上升。土体颗粒越小，土中的空隙越小，这时毛细作用会越强，冻土冻胀强度越大。