冻融作用对中俄东线天然气管道工程过境段边坡影响

2023-12-15安宁万宝峰侯云龙姜钰泉

科学技术与工程 2023年33期

安宁, 万宝峰, 侯云龙, 姜钰泉

(1. 甘肃工程地质研究院, 兰州 730000; 2. 陕西煤田地质勘查研究院有限公司, 西安 710000)

天然气作为一种高效、清洁、优质能源,对环境造成的污染远远小于石油和煤炭,是近几十年内发展低碳经济、实现节能减排的必然选择。中俄东线天然气输送工程是中国能源结构优化战略的重要组成部分,也是目前国内输气量最大的跨国输气管道[1]。中俄东线天然气管道AA001～AA004桩段属于过境段控制性工程,该段管道沿坡体埋置。随着季节的交替,边坡上土体会反复发生冻融循环作用,在此过程中,土壤理化性质的改变使边坡稳定状态逐渐遭受破坏,最终发生失稳而引起管道失效并造成严重的后果[2-3]。确保该段工程的安全平稳运行,对沿线地区经济增长和保障天然气供需双方那的经济利益具有重要意义[4]。

冻融作用的影响一直以来都是寒区工程中需要重点关注的问题之一,伴随着基础设施建设的发展,与寒区边坡工程相关的研究均取得了显著成果。在冻融作用诱发滑坡的机理方面,现场调查与原位监测结果的分析是主要手段,吴玮江[5]于1997年提出了季节性冻结滞水促滑效应,冻结滞水效应在一定条件下季节性冻融作用可导致斜坡体内地下水的富集和扩展,从而影响到斜坡深部,加速变形破坏进程,从而促发滑坡形成;而后张茂省等[6]通过建立气温、地温和地下水位动态等协同观测网,发现冻结滞水效应和循环冻融的双重作用是滑坡在春季频发的根本原因;朱赛楠等[7]研究了皮里青河“3.24”滑坡的冻融失稳机理与滑坡运动特征;申艳军等[8]围绕冻融作用下冰碛土水热迁移及聚冰冻胀规律,阐明了内部富冰带成因及滞水促滑失稳机制;罗路广等[9]基于大气温度和降水变化规律,建立了天山地区冻融侵蚀强度评价模型。随着科学技术的发展,模型试验也在该项研究中被大量应用,如文献[10-12]开展膨胀土边坡模型试验,研究了冻融过程中边坡内土压力、含水率、位移、温度变化;赵文等[13]通过室内模型试验分析了粗颗粒土边坡在降雨—日晒—冻融—再降雨等自然条件下的变化特征。在冻融作用对岩土体的物理力学参数影响方面,张云龙等[14]基于静三轴试验,研究了不同含水量状态下,季冻区粉砂土在经历不同次数冻融循环后的黏聚力、内摩擦角等宏观力学特性的变化规律;崔广芹等[15]通过直剪试验探索了冻融循环对粉砂土抗剪强度的影响规律;程秀娟等[16]通过原状样直剪试验,分析了黑方台地区的冻融作用特征及其对斜坡土体抗剪强度的影响;谭捍华等[17]实现了将岩块的冻融力学参数向边坡裂隙岩体冻融力学参数的转化,并分析比较了岩体各参数的冻融劣化效应;黄文强[18]采用直剪试验研究了含水率和冻融次数对黄土抗剪强度特性的影响。在工程应用方面,曾韬睿等[19]推导出了适用于冻融边坡的传递系数法公式;董建华等[20]建立了考虑土体水热力耦合、支护结构与土体耦合及相互作用的框架锚杆支护冻土边坡计算模型,得出了框架锚杆内力、变形变化规律和工作机理;孙国栋等[21]推导出了考虑土体在冻融循环作用下的抗剪强度损伤、渗流作用以及气温变暖等因素的框架锚杆支护多年冻土区高陡边坡的稳定性计算方法;罗怀廷等[22]推导出了露天矿组合边坡冻融循环稳定系数计算公式;张小荣等[23]计算了春融期素土及根-土复合体边坡的安全系数。综上所述,众多学者针对寒区边坡工程进行了大量研究,对边坡冻融失稳机理认识清晰,在大量室内试验的基础上提出了很多评价模型。然而在大多数试验研究中,迫于现场监测和室内模型试验的条件限制,研究成果大多都集中于一次冻融过程或监测时间较短,能够反映多次冻融循环对边坡影响的研究成果较少,且对应到实际工程中研究冻融作用对管道穿越边坡影响的案例较少。

为了探究冻融循环作用对天然气管道穿越边坡的影响,现通过对中俄东线天然气管道工程过境段边坡的现场监测,收集过境段边坡1年内的坡体温度与位移变化,然后结合数值模拟手段,分析冻结过程和融化过程对边坡稳定性的影响,探讨冻融作用对管道穿越边坡安全的影响规律。以期为中俄东线天然气管道工程过境段边坡安全运行维护工作及工程服役性能研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 天然气管道工程

研究所涉及的天然气管道工程地理位置如图1所示,该工程属于中俄东线天然气管道过境段。中俄东线天然气管道从黑龙江省入境,途经黑龙江、吉林、内蒙古自治区、辽宁、河北、天津、山东、江苏等8省市区,止于江苏省西一线甪直联络站,干线全长3 054 km,设计输量380×108m3/a,设计压力12/10 MPa,管径D1422/D1219 mm。中俄东线天然气管道AA001～AA004桩段属于过境段控制性工程,位于黑河市西北方向的中俄民族风情园西北约500 m,是起点黑龙江穿越入境点(国界线处)后的第一段,穿越黑龙江后,在盾构的连接处延伸约15 m后,管道沿监测段的坡体敷设,坡体呈约40°,斜坡的水平距离总长度为477 m,高差为120 m。

图1 中俄东线天然气管道AA001～AA004桩段位置图Fig.1 Location of pile AA001-AA004 of China Russia East gas pipeline

1.2 边坡监测工程

该边坡坡体主要由两层土体构成,边坡上土体第一层为粉质黏土,土质不均且含有20% ～ 30%的碎石,近地表20 cm为耕植土,含有植物根系及腐殖质,该层层厚为1.5 ～ 2.5 m;第二层为全风化-强风化安山岩,强度较高且钻进困难,具有斑状结构,斑晶主要由斜长石和暗色矿物组成。

结合该边坡地层特征与管道位置,推测该边坡可能发生失稳的位置在边坡浅层,据此设计了中俄东线天然气管道AA001～AA004桩段边坡监测区,用于监测坡体表面位移、降雨量和浅层土体中的温湿度。监测区内采用了1个GNSS移动站和3个拉线式裂缝计监测坡体表面位移,GNSS移动站位于坡体上部位置,GNSS基站安装在坡体之外,距移动站直线距离为270 m,3个裂缝计在坡面自上而下依次为拉线计1、2、3;1个雨量计用于监测降雨量,雨量计安装于GNSS移动站上;2个土壤温湿度计被安装于坡体中部位置的监测坑1内,分别安装于坡面上深度0.5 m和2.0 m处。边坡监测工程现场实施过程见图2,监测区内各个传感器的安装位置见图3。

图3 中俄东线天然气管道AA001～AA004桩段边坡监测区传感器布置图Fig.3 Sensor layout in slope monitoring area of AA001-AA004 pile section of Russian East gas pipeline

1.3 数值模拟

选用FLAC3D软件进行数值模拟分析,根据地形剖面建立边坡模型,建立模型及其网格划分见图4,边坡模型底面长1 000 m、宽10 m,模型高95～228 m,两侧边界高度分别为95 m和204 m,数值模型中共包含271 627个单元和222 169个节点。模型的底面设置为固定边界,模型的上表面设置为自由边界,模型的侧面设置为水平约束,模型的y方向全部设为水平约束。材料的模型全部选用摩尔库伦模型,在坡面位置处设定了5个监测点1#～5#用于监测计算过程中的位移变化。

图4 边坡数值模型与监测点分布位置图Fig.4 Slope numerical model and monitoring points distribution

首先计算了边坡的初始应力场与温度场,然后改变温度边界条件,计算了温度场与应力场耦合条件下温度变化对边坡影响;然后考虑冻融循环对岩土体抗剪强度的影响,计算了多次冻融循环条件下边坡位移场与安全系数,计算中冻融循环的最大次数为20次。温度场是通过给定模型上表面和底面不同的温度边界实现的,图5总结了近3年监测区的月平均温度,根据每年的月平均气温和中俄输油管线地温研究资料[24],将冻结过程和融化过程的温度场边界条件设定为上表面-20 ℃/22 ℃、底面-2 ℃/2 ℃。计算过程中岩土体参数设置见表1。

表1 土体在不同冻融循环情况下的计算参数[25-30]Table 1 Calculation parameters of soil mass under different freeze-thaw cycles[25-30]

图5 2018年1月—2021年11月月平均温度Fig.5 Monthly average temperature from January 2018 to November 2021

2 结果与讨论

2.1 现场监测数据

由于监测与自然条件恶劣,监测系统的实际运行过程中监测坑1内2.0 m深处的传感器没有正常工作,因此在数据分析时舍弃掉了该传感器数据,其余传感器数据见图6。可知,边坡于2020年12月初—2021年4月底,GNSS和拉线计的监测数值都处于0附近,基本没有变化;此阶段中降雨量很小且土体中温度始终处于0 ℃以下。在2021年5月初监测数值突然出现较大幅度的变化,3号拉线式位移计的数值达到了30 mm,同时GNSS数据也发生同步的波动;从温度与湿度传感器可以看出,此时土体中温度在升高,由于土体中被冻结水分的融化和坡面上雪融水的入渗,土体含水率大幅增加,这一过程中含水率的增大降低了坡面土体强度是坡面发生位移的主要原因。边坡在2021年6—10月期间GNSS和裂缝计的数值变化较小,波动范围在10 mm以内,该段时间内边坡一直在发生缓慢变形,但变形量很小;在此阶段中,土体温度持续回升,几次较大的降水事件后雨水入渗是造成边坡缓慢变形的主要原因。

图6 现场监测数据Fig.6 Field monitoring data

根据2021年一整年的监测数据变化可看出,造成过境段边坡表面位移变化的主要原因是表层土体含水率的变化,土体中水分的增加降低了土颗粒之间的滑动摩擦力和胶结黏聚力,使得土体抗剪强度变小,导致了坡面位移随着土体含水率的增大而增大。春季融雪期和雨季汛期是坡面位移变化的关键时间节点,过境段边坡不仅需要注意汛期的安全巡查,还需加强融雪期边坡的巡查工作。

2.2 冻结过程与融化过程对边坡影响分析

图7为冻结与融化过程中边坡的总位移云图,可以看出,冻融作用引起的边坡位移变化仅存在于边坡表面。边坡中下部位置位移较大,冻结过程中最大位移可达7.9 mm,融化过程中最大位移可达34 mm,3号拉线计所在位置处位移为25 mm,1号和2号拉线计位置处位移在5 mm以内,数值模拟计算结果与现场监测数据基本吻合。

图7 边坡的总位移云图Fig.7 Cloud chart of total displacement of slope

从模型表面竖直向下通过5个监测点建立5条测线,测线的起点和终点为边坡模型的表面和底面。图8展示了从边坡表面竖直向下深度12 m内的总位移变化,可以看出,冻融过程中位移最大处在坡面位置,随着深度的增大,位移数值不断减小,随后逐渐趋向于0 m;冻融过程对边坡位移的影响从地下8 m处开始可以忽略不计。对比5条测线可以看出,冻融过程对边坡位移的影响从坡顶到坡脚逐渐增大。

图8 边坡模型中测线上不同深度处位移量Fig.8 Displacement at different depth on the measuring line in the slope model

采用强度折减法计算的边坡安全系数为2.97(初始状态与冻结过程)和2.67(融化过程),边坡在一次冻融循环过程中始终处于稳定状态。边坡发生失稳时最大剪应变增量云图见图9,可以看出,边坡可能发生失稳的滑动面在坡体内部较浅位置,可能发生失稳的位置与现场重点监测位置相同;经历一次冻融循环后,边坡安全系数降低了0.3,此时边坡安全系数仍大于2.6,所以边坡在图9所示滑动面失稳的概率较小。

图9 初始状态与冻结过程和融化过程的边坡最大剪应变增量云图Fig.9 Cloud chart of maximum shear strain increment of slope in initial state and freezing process and melting process

尽管过境段边坡的安全系数在冻结过程和融化过程中都大于2.6,边坡始终处于安全状态,但数值模拟与现场监测的结果都显示边坡坡面会在冻融作用下发生破坏。在热力耦合计算结果中,边坡表面深度1.5 m内的土体在冻融循环作用下会有少量位移;即边坡表面1.5 m深度内的土体可能会在冻融循环作用下产生小型裂隙,形成雨水或雪融水入渗的优势通道。在降雨或融雪等因素的持续作用下,管道上覆土体容易被进一步侵蚀或流失,甚至发生坡面溜滑。造成管道受力不均或将管道直接暴露出来,增大管道的事故风险。因此在管道后期的运维工作中应当重点关注过境段边坡的坡面防护工作。

2.3 冻融循环对边坡安全系数影响分析

图10为不同冻融循环次数下强度折减法计算的边坡安全系数,可以看出,所依托工程边坡在冻融循环作用下安全系数不断减小,从初始状态的2.97经历6次冻融循环后将至最低值2.5;经历首次冻融循环时安全系数的变化量最大,而后安全系数变化量不断减小;在20次冻融循环中,边坡的安全系数始终大于等于2.5,该边坡始终处于稳定状态。

图10 冻融循环作用下边坡安全系数变化Fig.10 Change of slope safety factor under freeze-thaw cycle

边坡安全系数随着冻融循环次数的增加呈现出先降低然后趋于一个稳定值得趋势,这与王掌权等[31]、崔广芹等[15]的研究结果相同,边坡安全系数在20次冻融循环之内遵循此规律,且边坡安全系数的下降幅度不会超过1.0。但是在谭捍华等[17]的研究中,边坡安全系数在50次冻融循环后下降了1.15,直接导致边坡安全系数低于了设计要求的下限值,这可能与岩土体性质和冻融循环的次数有关。因此,冻融循环次数较少时(小于20次),过境段边坡的安全系数可参考此规律;在过境段边坡的运维工作中,随着年限的增长,应当间隔固定时间(5年或10年)对过境段边坡重新采样进行岩土体土工试验并计算边坡稳定性。