漠河-加格达奇段多年冻土区中俄原油管道运营以来的次生地质灾害研究——以MDX364处的季节性冻胀丘为例

通过对中俄原油管道漠河-加格达奇段多年冻土区的现场勘查研究, 统计了管道运营以来出现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、水毁、冻胀丘、冰椎等. 在研究区域特定的气候背景下, 管道的修建和季节性变化的正油温运营, 破坏了管道周围冻土的水热平衡, 使得管道周围土体出现差异性冻胀和融沉, 这种差异性位移量的累积对管道安全稳定长期运营造成了威胁. 以管道里程MDX364处的冻胀丘为例, 利用探地雷达进行了现场探测. 结果表明: 管道周围存在的融区为冻胀丘的发生和发展提供了水源补给通道, 管道的热影响加速了冻胀丘的发展和消融, 2014年3-10月管道周围地表产生的差异性位移超过了1.1 m. 针对该次生开放型季节冻胀丘, 提出了修筑或疏通管道附近的排水通道、钻孔放水和保温排水渗沟等防治措施. 研究成果能为中俄原油管道的安全稳定运营提供技术支撑, 为其他冻土区管道设计施工和运营维护提供参考和依据.     

中俄原油输运管道工程冻土区管壁厚度确定

拟建中俄原油管线由漠河进入中国, 经过大兴安岭多年冻土区、嫩江平原深季节冻土区至大庆. 原油输运过程中由于管道与周围土体之间发生的热交换, 使得原有土层中的热交换机制被打破, 冻土区常温原油管道工程基础将面临融沉和冻胀灾害的双重挑战. 采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法, 计算校核了原油管道的应力状况和安全性, 并对遭受冻胀变形作用的管道受力状况进行了有限元数值分析, 提出了壁厚的设计参数和选取原则. 对于采用X65钢级螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管的中俄原油管道工程, 当管道设计压力为10 MPa时, 中俄原油管道设计壁厚应不小于14.2 mm. 为了使管道能适应冻胀率更大的情形, 管道壁厚应适当加大.     

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005-2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.     

多年冻土地区线性工程建设

多年冻土地区修筑建筑物、都会受到冻土稳定性的影响。冻胀、融沉以及由此带来的其它工程冻害问题必须得到重视，处理措施是否得当，直接关系到建筑物的运营安全，在北美及俄罗斯等高纬度多年冻土地区，从已修筑的铁路、公路及输油、气管道等线性工程建筑来看，有成功地的处理冻害的经验，也有对冻害认识不足而造成工程不能运营的失败经验，总结了这些既有工程的建设经验和工程问题治理措施，对我国多年冻土地区线性工程的建设，尤其对青藏铁路建设具有积极的指导意义。     

冻土区石油污染物迁移及清除研究进展

多年冻土区输油管道面临着差异性融沉和冻胀的关键性难题. 受力不均匀对管道造成机械性破坏, 管道破裂、泄漏现象不断发生. 泄漏油污在冻土中的存在及其扩散对当地的生态环境产生长期不利的影响, 而且对土壤自身的物理、化学和生物特性造成影响. 土壤中石油烃的迁移和分布受土壤和地形、 温度、含水(冰)量、降水以及冻结融化过程等多种环境因素影响. 近年来, 各种物理、化学和生物方法被用来清除冻土区石油烃污染. 正在勘察和设计中的中俄原油管道穿越连续、不连续、岛状和零星分布多年冻土, 及季节冻土区. 为了有效保护兴安岭地区的寒区生态环境, 中俄原油管道有必要预先做好应对管道泄露的前瞻性研究.     

大小兴安岭多年冻土区输油管线地质灾害成因及防治

大小兴安岭多年冻土区是中国重要的地理区域之一,特殊的高冰低温环境,使油气管道铺设方式的选择和由其引发的地质灾害治理显得尤为重要。通过对该区多条输油管道沿线不同季节的监测勘察,提出冻土区管道敷设方式优选地上式、地面式和廊道式。地埋式易诱发冻胀丘、冰椎、冻土沼泽、热融滑塌、水毁等不良地质现象,从而导致管道不均匀抬升下降,翘曲变形、露管或悬管等灾害多发。针对输油管线已发生的地质灾害,对比前后期不同的防治工程措施,提出了混凝土桩连系梁支撑架空治理管道融沉、截水墙结合植被护坡等更为有效的防治方法。     

天山公路独山子至乔尔玛段冻土特征及其灾害初探

独山子至乔尔玛段公路位于天山达坂海拔较高处,沿线多种冻害(包括热融滑塌、冻胀、冻融泥流及路基融沉等)经常发生,随着整治改建工程的实施,逐渐改变了地气热交换的界面,多年冻土原有的水热平衡遭到了破坏,其结果是通过路基进入多年冻土的热收支呈正平衡发展趋势,积热作用导致了路基下多年冻土的融化,将会引起公路的融化下沉,冻土灾害将趋于严重,本文初步探明了该公路沿线多年冻土的特征,提出了施工和运营中应采取保护冻土的设计原则.     

中俄管道(漠河—乌尔其段)多年冻土环境工程地质区划和评价

在汇总大量勘察资料的基础上,充分考虑冻土区输油管道工程的特点,以及管道与冻土之间的相互作用和过程,重点阐述中俄输油管道沿线多年冻土环境工程地质条件,确定出中俄管道沿线冻土环境工程地质区划原则和指标。按不同类型多年冻土的区域分布规律及面积比率,并考虑地温、厚度及植被变化等特征,分成4个冻土工程地质区,即漠河—瓦拉干片状冻土区、瓦拉干—劲松大片融区的多年冻土区、劲松—加格达奇岛状多年冻土区和加格达奇—乌尔其零星多年冻土区。然后按多年冻土含冰(水)量类别,并兼顾土层冻胀、融沉分类级别,又在4个区内共划分出151个冻土类别地段,依次按区分级进行评价,最后将这151个地段归纳为4种类型的工程地质地段:良好、较好、不良、极差。     

冻土区输气管道周围土体冻胀融沉研究

管道作为油气资源的最为常用的运输方式之一,穿越不同地质情况的区域,所面临的工程问题各有不同。本文对青海省某冻土区输气管道进行调研,针对出现的管沟融陷、工程构筑物冻胀变形等病害问题,选取典型断面,钻孔埋设温度传感器和沉降磁环测试元器件,对暖季和寒季管道周围土体温度和位移进行监测,研究输气管道周围地温变化及冻胀融沉规律,为冻土区输油气管道的设计、施工、运营、病害治理提供借鉴。研究表明:该冻土区寒暖季地表地温随气温波动较大,越靠近管道,地温年振幅越大;该区域冻土地温范围为-2~-1℃,地温带类型属基本稳定带,正温输气的热扰动,导致周围土体融沉;管道正上方受管道放热影响,地温均为正温,影响范围约1.5m;在近管道处,深度1~4m,地温受多重因素影响,深度4m以下,地温年较差较小,均为负温;冻胀由深处向上发生,时间上有滞后性;10月和11月为冻融剧烈时间段,应及时监测预警。     

多年冻土区输油管道工程中的(差异性)融沉和冻胀问题

多年冻土区石油和经济开发不断推动输油管道技术的发展,但是多年冻土区输油管道的(差异性)融沉和冻胀问题仍是关键性难题.寒区管道设计和施工必须考虑沿线的地形和环境条件对冻胀和融沉,以及相应的管道工程基础和结构整体性的影响.阿拉斯加输油管道工程取得成功的原因在于充足的科研投入、讨论和决策时间,以及最终采用的一系列创新设计来保护多年冻土和抑制融沉.这些研究围绕的关键问题是温热油管在多年冻土中的水热效应和差异性融沉和冻胀所导致的管道变形破坏,这些研究对可能出现问题的及早发现、充分理解和正确预测以及最终合理的设计、施工和维护至关重要.罗曼井和格拉线环境温度输油管道在20a左右的运营中,冻胀和融沉都比较显著.准确预测管道和围岩土的冻胀和融沉需要详细的观测研究和模拟试验相结合.在预测的基础上,针对具体问题抑制融沉和冻胀.成功设计、施工和运行寒区输油管道需要科学家、工程师、业界人士和管理部门密切合作.     

多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展

冻土区管道工程建设面临冻土工程特性及相关地质问题的严重挑战,开展管道-冻土相互作用研究对于解决管道稳定性问题具有重要的实际指导意义。综述国内外输油管道-冻土热力相互作用研究进展发现,目前研究集中在特定（定值或周期变化）油温下管周土温度场的定量描述以及差异冻胀/融沉下交界面处管道力学响应规律的解耦分析,缺乏完整时空序列的现场综合观测与管土界面特性及其动态演化研究。对管道防融沉措施进行归纳总结发现,各措施应用效果缺乏管道应力与变形数据的有效支持。应加强管道本身与管道沿线次生冻融灾害监测及相关数据获取,以此为校验开展管土界面特性及演化规律的系统研究,以便构建更为合理的管土接触面单元模型,将其和具有普适性的冻土模型相结合,植入有限元软件提高管土相互作用模型计算可靠性,并建议立足管道变形角度对防融沉措施的工程应用效果予以综合评价。     

青藏高原多年冻土地区公路路基变形

通过对现场实体工程的长期监测资料和路基破坏机理分析研究,使我们对沥青路面对多年冻土的严重影响,导致多年冻土的升温与退化,使路基产生较严重的不均匀下沉变形,及其它所引起的一系列路基病害问题的发生发展过程有了较为系统和深刻认识,取得了大量现场实测资料及研究成果.讨论了高温多年冻土地区冻土路基的变形特征,以及冻土路基变形与工程地质条件的关系,给出了路基随地温波动变化而发生的变形过程。     

青藏高原多年冻土区埋地输气管道周围温度场数值分析

通过建立管道与多年冻土热相互作用的计算模型,利用数值分析方法探究了不同管温（输运温度）工况下冷输天然气管道对管周土体冻融过程和多年冻土热稳定性的影响。研究表明：5℃正温输运天然气管道可造成下覆冻土上限下降约11倍管径,管周多年冻土退化严重;0℃输运会导致管底下部高温不稳定冻土范围扩大,管底土体强度及承载性能降低,不利于保持多年冻土和管道运营稳定性;-1℃和-5℃负温输运可有效提高冻土人为上限,保持管底冻土温度稳定,但-5℃时管道下部土体温度降低明显,可能导致冻胀病害发生。就管周冻土热稳定性而言,在青藏高原多年冻土区采用冷输（负温输送）工艺输运天然气有利于保护管周多年冻土,是可行的。     

寒区输油管道基于应变设计的极限状态研究

寒区输油管线沿线地质环境复杂,滑坡、冻胀、融沉等自然灾害会导致管道形成大差异变形量.而差异变形量所引起的应力应变行为直接影响管道的安全服役性能,严重时会使管道破坏失效.基于寒区输油管道在实际服役工况下的受力变形条件,充分考虑冻胀效应、油压效应和热应力效应对输油管道的影响,分析了不同长度、壁厚、油压条件下轴向拉伸应变的分布规律及其影响因素.基于轴向应变设计理论准则,建立了上述条件下输油管道的极限服役状态,得到了对应状态下输油管道的许应最大极限冻胀变形量.结果分析表明,采用基于应力的设计准则偏保守,采用基于轴向应变的设计准则能更多的利用管材的变形性能.可为管道的合理设计、安全评价、完整性管理提供一定的理论参考.     

粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究

针对深季节冻土区的特殊环境,通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性。研究结果表明：粉砂土的冻结温度为-1.03 °C;其冻胀融沉变形随冻融次数的增加呈现波浪式起伏变化,并最终趋于稳定状态;经历多次冻融后,干密度较大试样整体表现为膨胀,干密度较小试样整体表现为压密;上部荷载在抑制冻胀的同时加大了试样的整体融沉变形,却降低了每次冻融的冻胀率和融沉系数;存在一个最优初始含水率,该含水率条件下,试样经历多次冻融后的高度不发生变化;由于外界水源的补给,冻融后试样内部含水率均大于初始含水率;干密度和顶端荷载的增大均有效地抑制了外界水源的补给;4次冻融循环后,粉砂土的冻胀率、融沉系数均逐渐趋于稳定。