中俄原油管道漠大线冻土稳定性评价

郑美玉，孙杨杨，赵小宇，孔凡丹，张作合，郑丽颖

（1.绥化学院 农业与水利工程学院，黑龙江 绥化 152061；2.大兴安岭地区行政公署水务局，黑龙江 加格达奇 165002；3.绥化学院 食品与制药工程学院，黑龙江 绥化 152061）

冻土是指温度在0 ℃及以下的岩土体，由于冻土对温度敏感和易变化的特殊性，因此造成冻土区建筑物容易出现冻胀和融沉破坏[1]。近年来，我国的工业化正在飞速发展，随之而来的是对能源的需求持续提高。石油消耗逐年增加，国内可供量已无法满足未来发展需求。中俄原油管道是继西北、海上油气进口战略后，攻克黑龙江穿越的世界级难题，开辟了1 条我国东北部从俄罗斯远东地区陆路进口原油的跨国管道运输干线通道[2]。中俄石油管道北起我国漠河连崟口岸，沿大兴安岭东坡延伸，经塔河、大扬气、加格达奇至大庆林源。管道全长953 km，处在多年冻土区管线长为440.7 km。中俄管道穿越沼泽、永冻土、原始森林和地质断裂等恶劣自然环境。沿途地形起伏，水系沼泽发育，冻土工程地质条件极为复杂[3]。在自然环境和人为因素的影响下，管道周围的多年冻土不断融化，出现了一系列冻融破坏问题。如冻土的融沉、热融洼地和热融沉陷等问题，因此需要对管线的冻土稳定性进行合理的评价分析。

何瑞霞等[4]对中俄原油管道沿线多年冻土环境进行评价，提出利用地表稳定性指标来评价沿线的冻土环境，根据地表扰动程度、位移量、景观改变状况及沿线的冻土类别、年平均地温等参数，将地表稳定性分成4 个等级。郭微微[5]针对中俄原油管线，通过野外调查、观测，揭示管线工程的影响机理、冻土退化过程，分析工程对冻土空间分布特征变化及演变影响，对管道沿线地质灾害进行了评价。王光宇[6]针对原油管线沿线多年冻土地温的分布，开展气候变化对大兴安岭多年冻土温度场影响的数值模拟研究，提出多年冻土地温变化在不同年平均地温条件下的预测结果。

土体的冻胀融沉破坏具有高度复杂的、模糊性强的特点，目前常用的方法有层次分析法、熵权物元可拓法、云模型和神经网络等，但上述评价方法在评价过程的便捷性或评价结果的严谨性上略有不足[7]。可变模糊集理论作为一种处理模糊不确定的方法，在水资源评价、洪水风险分析和大坝安全性评价等领域都有广泛的应用。本文针对中俄石油管线工程，根据管道周围不同工程地质条件，选取代表区的基础上，运用可变模糊集对立统一定理，对中俄石油管道漠-大线多年冻土进行冻土稳定性综合评价。

1 管道沿线冻土概况

中俄管道从我国的漠河至大庆，沿线穿越多年冻土与季节冻土。由于管道所处纬度不同，周围土体的冻结状态也不同，自北向南冻土由片状不连续冻土（连崟-瓦拉干）、融区不连续冻土（瓦拉干-翠峰）、稀疏岛状多年冻土（翠峰-加格达奇）及零星多年冻土（加格达奇-大杨树）向季节冻土过渡。管道沿线高温、高寒冰冻土占多年冻土的23%，岛状冻土与零星冻土所占比例更高，占到多年冻土的40%[8]。由于管道沿线自然条件复杂多变，土体冻胀融沉差异性容易受到外界的干扰，如植被、含水量、坡向和土质等因素，对管道的安全和稳定都有影响。多年冻土区的管线，由于内部油温高于0 ℃，导致管道周围土体逐渐融化，冻土主要体现融沉灾害风险较大。在季节冻土区的管线旁，土体随季节温度变化呈周期性冻融，因此在大杨树以南的管线主要考虑冻胀带来的破坏。

2 评价方法

可变模糊集对立统一定理是大连理工大学陈守煜教授提出的。该方法是通过对立模糊概念或属性，事物在连续区间[1，0]与[0，1]的任意一点上，对立模糊属性的相对隶属度之和为1。其步骤如下。

1）确定待评对象u及多个级别标准h（h=1，2，…，c），满足μih（u）+μi(h+1）（u）=1。

2）计算待评对象u 的指标i（i=1，2，…，m）的特征值xi对h 与（h+1）级的相对隶属度为

3）计算待评对象u对级别h 的综合相对隶属度。

若评价系统为线性公式，综合相对隶属度νh（u）表示为

若考虑评价系统是非线性系统，综合相对隶属度νh（u）表示为

4）确定综合评价等级。

3 冻土工程分区评价

3.1 管线冻土评价区选择

本次对管线冻土稳定性评价，选取大片融区多年冻土松岭区、岛状多年冻土加格达奇区及季节冻土喇嘛甸区段为代表，进行管线冻土稳定性评价。松岭区参考文献[9]，在管线364 km 附近，选择该区域主要考虑水文地质条件复杂，存在较大规模的冻胀丘，对管道的安全极为不利，因此作为研究点进行分析评价。第二个点选在岛状多年冻土加格达奇地区，该区域受气温和自然条件，以及人类活动的影响，多年冻土分布不均匀，多年冻土分布面积较小，而且冻土厚度较薄，所以多年冻土呈退化状态[10]。第三个评价区选择松嫩平原季节冻土区大庆市让胡路区喇嘛甸镇，该段为冲洪积平原，土体受盐渍灾害影响，植被覆盖率低。管道沿线各评价区冻土特征参数见表1。

表1 输油管道沿线特征参数

3.2 评价指标的建立

冻土的性质不同于常规的土体，其性质受到诸多因素的影响。从土体自身性质分析，包括土体的类型、土体的含水量、冻土中冰的含量及外界温度的变化等因素影响冻土的性质。从外部环境分析，如气候因素、地形地貌、第四纪地质因素和人类活动等因素也会影响冻土的性质。因此，在对某一工程的冻土体进行稳定性分析时，应在众多影响要素中选择出最具有代表性的因子进行风险性评价[11]。

中俄石油管道工程，穿越大兴安岭多年冻土，冻土的稳定性因素主要从自然环境、冻土状况和管道扰动3 方面分析。自然环境包括年平均气温、植被覆盖度、土质、坡度和地表径流等。冻土一般在融土区、植被稀疏和粗颗粒土地段的稳定性较好；在坡脚、洼地冻土稳定性较差。冻土状况主要包括冻土含冰量、年平均地温和活动层厚度等。多年冻土的稳定性与冰的相态变化紧密相关，并且稳定性与含冰量呈反相关，即含冰量愈大，冻土的稳定性愈低。年平均地温对冻土的物理、力学性质及稳定性有影响，年平均地温愈低，土体中未冻水含量愈少，冻土的含冰量愈高，冻土抵御变形的能力愈强，冻土稳定性愈好。多年冻土区活动层厚度反映出了陆－气间热交换程度，活动层厚度越大，表明暖季、冷季温度极差大，不利于管道周围地基土的热稳定性。输油管道扰动包括油温、管道埋深。管道油温相对周围冻土是高温，冻土在高油温持续作用下，使冻土含冰量下降，土体出现融化变形，地表出现热融下沉。管道施工过程中，土石方开挖改变了地表状态和下垫面性质。石油管道铺设的埋深，影响多年冻土的稳定性。

综合以上分析，共选取10 个评价指标，分别为年平均气温、植被覆盖度、土质、坡度、地表径流、冻土含冰量、年平均地温、活动层厚度、年平均油温和管顶埋深。将管道病害等级划为4 级：良好（Ⅰ）、较好（Ⅱ）、不良（Ⅲ）和较差（Ⅳ）。

评价标准是考虑冻土区影响管道稳定性的因素，选取对管道稳定性影响显著的因素，建立评价体系。评价指标根据前人的研究成果，结合文献[1]，漠大线输油管道病害评价分级标准见表2。

表2 稳定性评价指标等级标准

3.3 评价指标权重

评价指标权重，反映评价指标在评价过程中的地位或起的作用的重要程度。确定权重的方法有多种，如专家估计法、层次分析法等，本文的权重参考文献[9]，各评价指标权重见表3。

表3 评价指标权重

3.4 冻土工程分区评价结果

根据表3，可知设计指标权向量为

ω=（0.051，0.048，0.057，0.062，0.065，0.128，0.148，0.108，0.221，0.112）。

在确定指标权向量后，进行综合相对隶属度及特征值计算，计算按照线性即α=1，p=1 的情况下进行计算。管道沿线稳定性计算结果见表4。

表4 管道冻土稳定性评价结果

中俄石油管道漠-大线冻土的冻害破坏稳定性通过计算结果可知，在不同区域受诸多条件的影响，稳定性有所差异。松岭区由于年均地温相对较低、多年冻土含冰量高，管道周围有冻胀丘的形成，多年冻土内的管道平均油温为正温度，使周围多年冻土出现热融下沉现象，通过计算评价为不良（Ⅲ级）。加格达奇区为岛状多年冻土，多年冻土占5%～30%，季节冻土占优势，人类活动加剧，冻土稳定性评价为较好（Ⅱ级）。喇嘛甸为季节冻土区，年平均地温相对较高，土体含盐量高，植被覆盖率低，季节冻土稳定性评价为不良（Ⅲ级）。

4 结束语

本文运用可变模糊集对立统一定理，对中俄石油管道漠河至大庆段进行了土体冻害破坏的稳定性评价，在参考相关文献资料的基础上，选择影响中俄石油管道土体冻害稳定性的因素主要有3 大方面、10 个评价指标、4 个评价等级。通过可变模糊集对立统一定理的计算，漠大线松岭区管道冻害稳定性为不良（Ⅲ级），加格达奇区管道冻害稳定性为较好（Ⅱ级），喇嘛甸季节冻土区稳定性评价为不良（Ⅲ级）。该评价结果与其他评价方法所得到的结果一致，并与实际基本吻合，说明可变模糊集对立统一定理在冻土的稳定性评价上应用是可行的。根据管道沿线的冻土稳定性评价结果，以便采取相应的措施，防止冻害破坏的发生。