澀寧蘭復線多年凍土地段治理方案研究

王洪波，黃麗，孟獻強，邢貴先，李春鋒.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000.中國石油天然氣管道局國際部，河北廊坊065000

澀寧蘭復線多年凍土地段治理方案研究

王洪波1，黃麗1，孟獻強2，邢貴先2，李春鋒1
1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000
2.中國石油天然氣管道局國際部，河北廊坊065000

主要介紹了澀寧蘭復線橡皮山和拉脊山地段多年凍土對管道的危害及其治理方案。對凍土的形成機理和破壞機理進行了分析，得到了不同類型土壤的凍脹量與凍結深度關系。基于有限元分析軟件對管道遭受凍融作用進行力學分析，確定凍土對管道安全的危害程度。通過對現場實地調研和分析研究，提出了針對該地區的多年凍土危害的防治方案，即采用袋裝砂置換凍土的穩管方案，該方案不僅解決了冬季凍漲問題，而且解決了夏季融沉對管道的影響，同時節約了施工成本。

多年凍土；凍脹量；埋地管道；置換法

澀寧蘭輸氣管道復線工程起自青海省柴達木盆地澀北一號氣田澀寧蘭老線澀北首站，東至蘭州西固區F35#閥室，線路長度921.4 km。管道沿線途經青海省格爾木市、大小柴旦鎮、德令哈市、烏蘭縣、共和縣、湟源縣、貴德縣、湟中縣、平安縣、樂都縣、民和縣以及甘肅省永靖縣、蘭州市，共計13個縣、市、區。設計壓力6.3 MPa（表壓），干線管徑為660 mm。

澀寧蘭復線所經過地區地形復雜，沿線人煙稀少，社會依托條件不良，自然條件相對比較惡劣，尤其在橡皮山和拉脊山地段，最高海拔達到3 900 m。由于海拔高，多年凍土發育，在近山口部凍土深度大，凍融作用明顯，給管道的施工和安全帶來了很大的危害。

1 現場勘察情況

在澀寧蘭輸氣管道復線勘察過程中發現，在管道四標AE段橡皮山西延段及五標AF、AG段拉脊山口局部地段有常年凍土層，其總長度約4.7 km。現場凍土勘察情況如下：

四標AE段橡皮山西延段，發現多年凍土，地層以第四系全更新統沖洪積粉土為主，凍土上限深度1.85 m，下限深度2.80 m，為島狀銜接凍土。

五標AF拉脊山口段，地層以第四系全更新統坡洪積粉土和粗砂為主。粉土層厚1.0～2.5 m，下部為粗砂，揭露厚度2.0～2.8 m。

五標AG拉脊山口段，地層為第四系坡洪積粉質黏土和粗砂。粉質黏土層厚1.5～3.0 m；下部為粗砂，揭露厚度1.2～2.0 m。

五標AF、AG段拉脊山口凍土區為連續長度達4.5 km的常年凍土，現場凍土區鉆探巖芯如圖1所示，最大凍土深度為4.3 m。

圖1　拉脊山口現場凍土區鉆探巖芯

在常年凍土帶中間由粉質黏土構成的凍土段里，原澀寧蘭輸氣管道（陰極保護樁號687～688段）由于沒有進行必要的處理，部分地表塌陷比較嚴重，表現為下沉、空洞等，如圖2、3所示。

圖2　凍土融化后的狀態

圖3　凍土融化后的地面塌陷坑

2 凍土中管道的管-土相互作用分析

2.1土體的凍漲與凍漲機理

當輸氣管道從非凍結敏感土壤穿越到凍結敏感土壤，或從尚未凍結的土壤穿越到正在凍結的土壤時，管道承受兩種土壤界面處差異性凍脹引起的差異性運動而產生變形，管道和土壤都產生了應力和應變。

這種熱-力耦合管土相互作用與平常的管土相互作用有三個基本的不同：

（1）凍結土凍脹引起的土壤差異性運動是凍結土中熱傳遞、水分遷移、水相變共同作用的結果。

（2）隨著凍結區域的滲透，土壤的力學行為是變化的。

（3）與非凍土相比，凍土有明顯的蠕變。凍土的蠕變引起管道和其周圍土壤應力和應變的變化。

以上特征表明，凍土-管道相互作用是一個復雜的依時性、熱-力耦合問題。

由于對這樣復雜的依時性、熱-力過程的完整耦合分析是非常困難的，現存大多數管土相互作用模型把這個問題處理為基本的兩個獨立的過程，即凍脹過程和管土相互作用過程。

2.2凍漲量計算

2.2.1凍脹量的理論計算方法

地基土凍脹受多種因素影響，尤其是細粒土在凍結過程中受強烈的水分遷移作用，土體的凍脹量增大幾倍至幾十倍，使地基土凍脹計算更加復雜。研究表明，細粒土的凍脹量，除了土體原有的孔隙水凍結產生凍脹外，主要是凍結過程中下臥未凍土層的水分向凍結鋒面遷移，造成凍土中水分聚集所引起的凍脹。因此，土體的凍脹量△h應由兩部分組成：

式中：W為土體的初始含水量；ρd為土的干密度，g/cm3；Hf為凍結深度，cm；i為相對含水量；Uw為水分遷移速度，cm/h；T為水分遷移時間，h。

式中的第一部分屬于原有孔隙水分的凍脹量，即通常所說的封閉系統的凍脹量，取決于地基土原有的含水量。第二部分屬于凍結過程中遷移來的水分引起的凍脹量，即通常說的開放系統的凍脹量，取決于遷移量，與地基土的成分、結構、導勢系數、凍結速率和深度、孔隙水的黏滯性等有關。盡管有多種開放系統凍脹量的理論計算方法，但都存在不足和局限，至今仍沒有一種方法可直接應用到工程設計。

2.2.2典型土壤的凍脹量計算

關于凍脹量的計算，不少規范和論文都給出了不同的計算方法，本文選用SL 211-2006《水工建筑物抗冰凍設計規范》中根據統計求得的相關經驗公式對低液限黏土、粉土和砂土進行凍脹量計算分析：

（1）低液限黏土的凍脹量：

（2）粉土、高液限黏土、粒徑≤0.075 mm的粒組含量占20％～50％的細粒土質砂類土的凍脹量：

（3）粒徑≤0.075mm的粒組含量10％～20％的砂類土和礫類土的凍脹量：

式中：Zd為凍結深度，Zw為凍結初期的地下水位。

根據式（2）、（3）、（4）得出不同類型土壤的凍脹量與凍結深度關系曲線對比如圖4所示。

圖4　不同類型土壤的凍脹量與凍結深度關系曲線對比

從圖5可以看出，在凍結深度相同的情況下，砂土的凍脹量僅僅是低液限黏土的30％左右。因此，在凍土地區選擇合適的土壤類別十分重要。

3 有限元計算分析

3.1有限元模型

為了模擬澀寧蘭復線管道在凍土中的力學行為，本文選用兩種典型土壤：砂土（非凍脹敏感性土壤）和粉土（凍脹敏感性土壤）作為管道的穿越土壤。當輸氣管道從砂土穿越到粉土時，由于兩種土壤的凍脹量不同，管道受力不同而彎曲，引起較大的應力和應變。管土作用模型如圖5所示。

圖5　管土相互作用模型/m

對兩種土壤的交界面作了理想化處理，即假設交界面為“突然”的垂直分開而無過渡帶。在分界面兩側，兩種土壤寬度均取65 m，深度為10 m，即總計算區域130 m×10 m。管道埋深1.5 m。為對比凍脹對不同管道的影響，分別對澀寧蘭復線項目所采用的三種壁厚的管道進行計算，管道參數見表1，管材的彈性模量取209 GPa，屈服強度取450 MPa，線膨脹系數取1.2×10-5℃，硬化指數取13.5。

表1　管道參數

3.2管道應力分析

不同壁厚管道的軸向應力分布，如圖6～8所示，最大壓應力發生在分界面右2.5 m（距離67.5 m）處的管頂，最大拉應力發生在分界面左邊3.5 m（距離61.5 m）處。從圖6可以看出，壁厚7.1 mm管道的管頂應力在最大彎矩發生處的峰值被削平，表明此處應力和彎矩不成比例關系，這是此處產生局部彎曲的緣故。

圖6　壁厚7.1mm管道應力分布

3.3管道應變分析

應變也可以作為管道失效的判據，管道在分界面處彎曲段的應變分布如圖9～11所示。

圖7　壁厚7.9 mm管道應力分布

圖8　壁厚11.9 mm管道應力分布

圖9　壁厚7.1mm管道軸向應變分布云圖

圖10　壁厚7.9 mm管道軸向應變分布云圖

圖11　壁厚11.9 mm管道軸向應變分布云圖

3.4結果分析

為了便于比較，對三種壁厚管道的應力應變計算結果進行了匯總，見表2。

表2　三種壁厚管道的應力和應變值匯總

從表2可以看出，三種壁厚管道等效應力均小于0.9倍的管材的屈服強度（0.9×450=415 MPa）。管道的應變量非常小，最大應變均小于項目所設定的容許應變0.5％，因此，管道受力均處于彈性范圍內，管道是安全的。

經過對多年凍土區的管道進行力學分析，雖然應力應變均滿足要求，但是由于凍土在長期的凍融作用下，地面會出現嚴重塌陷情況，管道上部的覆土厚度會明顯減小，使之不滿足設計埋深要求，因此，為保證管道在通過凍土地區埋深滿足要求，并且，減緩凍融作用對管道的影響，還需要采取相應的措施進行處理，從而減少后期運營的影響。

4凍土處理方案研究

4.1技術方案的選擇

現場冬季凍脹嚴重，夏季沼澤化比較明顯，現場地面變形較大，對三樁和管道的覆土厚度都有極大的影響。

針對現場實際情況通過力學分析，本工程采用袋裝砂置換穩管的方法，該方法有以下優點：

（1）根據土壤差異性凍脹量特性，將過飽和的粉質黏土置換成礫石土，使得凍脹量大大減少。

（2）夏季袋裝砂還起到穩管的作用，避免管道漂管。

（3）用袋裝砂置換后，可以減少夏季融沉地面的明顯沉降，為后期運營管理鏟除了后患。

4.2袋裝砂置換穩管技術要求

為了保證現場的施工質量，對回填料和施工流程進行了嚴格的要求。

4.2.1置換材料的選擇

宜選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑（粒徑小于2 mm的部分不應超過總重的45％），應級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質。當使用粉細砂或石粉（粒徑小于0.075 mm的部分不超過總重的9％）時，應摻入不少于總重30％的碎石或卵石；所用砂石的最大粒徑不宜大于50 mm。也可以選用礦渣作為置換材料，選用礦渣的松散重度不小于11 kN/m3，有機質及含泥總量不超過5％。設計、施工前必須對選用的礦渣進行試驗，在確認其性能穩定并符合安全規定后方可使用。

4.2.2施工注意事項

（1）凍土地區施工要合理安排工期，因為這類地區大部分都是冬天為凍土，夏天表層的幾米屬于淤泥土。

（2）對于一些凍土深度較大的區域，有的凍深能夠達到5 m以上。為減少工程量，可不必完全置換，對于置換深度只需滿足永凍土層厚的2/3且大于2.5 m即可。

（3）由上面的模擬計算可知，凍土地區壁厚越大的管道，所產生的最大彎曲應力越小，因此，在設計中凍土區提高了一個管道壁厚等級，以保證管道的安全。

（4）凍土地區置換回填必須采用卵石或者圓礫，嚴禁夏季裝填淤泥土，冬季裝填凍土。

4.2.3袋裝砂置換法的施工工序

（1）首先要按照設計要求，對管溝進行開挖，開挖后不得對溝底進行擾動。

（2）對溝底進行置換處理，并進行夯實處理，以滿足地基承載力的要求。

（3）按照袋裝砂穩管通用圖進行管道的穩管施工，將編織袋口兩兩捆扎，砂袋均勻布置在管道兩側。應交錯碼放，不得留有通縫（見圖12、13）。

圖12　施工管溝斷面

圖13　管道穩管施工示意

（4）穿越軟弱土層地區不能因為采取了臨時壓重措施而減少管頂覆土深度。管道通過該地段時管頂最小埋深應不小于2 m。

5 結束語

本文采用了有限元數值模擬的方法，對澀寧蘭復線橡皮山和拉脊山段的多年凍土區管道的受力進行力學分析。通過對現場實地調研和勘察，提出了針對該地區的多年凍土的防治方案，采用袋裝砂置換穩管的方案，不僅解決了冬季凍漲問題，而且還解決了夏季融沉對管道的影響，同時節約了施工成本，也為管道的安全設計提供了理論支持。

［1］ASCE-2001，Guidelines for the design of buried pipeline［S］.

［2］GB 50253-2003，輸油管道工程設計規范［S］.

［3］SL211-2006，水工建筑物抗冰凍設計規范穿越［S］.

Schematic Studies of Frozen Soil Treatment in Se-Ning-L an Second Gas Pipeline Project

WANG Hongbo1，HUANG Li1，MENG Xianqiang2，XING Guixian2，LIChunfeng1
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.China Petroleum Pipeline Bureau International，Langfang 065000，China

This paper introduces the endangerment to pipeline and treatment scheme of frozen soil in Xiangpi Mountain region and Laji Mountain region of Se-Ning-Lan Second Gas Pipeline Project.It analyzes the formation and damage mechanism of frozen soil，then obtains the relation between the frost heaving amount and the frost depth of different types of soils.It determines the pipeline damage degree due to frozen soilbased on ANSYS model，puts forward the prevention and treatment scheme of frozen soil endangerment to pipeline based on field investigations，i.e.to substitute sand bags for frozen soil to stabilize pipeline.This scheme can solve the effects of frost heaving in winter and thaw settlement in summer on pipeline，also save construction costs.

frozen soil；frost heaving amount；buried pipeline；substitution method

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.012

王洪波（1977-），男，吉林梨樹人，高級工程師，2005年畢業于大連理工大學力學專業，碩士，現從事國內外管道設計、管道水工保護和管道應力分析方面的研究工作。

Email：61640190@qq.com

2015-12-10；

2016-04-12