中俄原油管道沿線凍害分布特征研究*

王偉 張喜發(fā) 楊風(fēng)學(xué) 冷毅飛 呂巖

1長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院

2吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院

3大慶油田工程有限公司

4廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院

中俄原油管道漠河—大慶段穿越大興安嶺北部多年凍土帶，其沿線凍土環(huán)境對淺埋式石油管道的影響遠比青藏高原凍土區(qū)強烈。大興安嶺地區(qū)植被發(fā)育，地表水與地下水極其豐富，并且異常活躍。該區(qū)多年凍土層比較薄，年平均地溫一般較高，凍土正處于退化之中，工程對人為因素影響十分敏感。此外，凍土區(qū)內(nèi)季節(jié)性溫差變化非常大，凍土活動層的最大凍融深度超過了3.5 m，局部地區(qū)甚至超過了5 m，凍害極其發(fā)育。受凍害影響，中俄原油管道自運營以來出現(xiàn)了嚴重的冰凍變形破壞現(xiàn)象，北段個別部位甚至出現(xiàn)了管道被拱至地表和斷裂冒油的情況。由此可見，發(fā)生于季節(jié)活動層中的凍脹型凍害對管道安全穩(wěn)定具有極大的威脅。

針對大興安嶺地區(qū)的凍害現(xiàn)象，我國學(xué)者進行了大量的實踐研究與理論分析。上世紀60年代，我國鐵路、林業(yè)、地質(zhì)和建筑等部門的科技工作者曾對大興安嶺多年凍土進行了大量的研究工作[1-2]。金會軍、何瑞霞等[3-4]確定了中俄管道多年凍土環(huán)境工程地質(zhì)區(qū)劃原則和指標。王劍亮等[5]對中俄原油管道沿線多年凍土區(qū)工程地質(zhì)問題進行了分析研究，有針對性地提出了用以保證輸油管道工程安全穩(wěn)定的防治對策。耿作孝[6]根據(jù)漠大線地質(zhì)勘察報告發(fā)現(xiàn)，管道經(jīng)過的陰坡多為多年凍土發(fā)育地段，其凍害主要表現(xiàn)為凍土凍融滑塌，而管道沿線冷生現(xiàn)象主要為凍脹丘和冰椎。蔡永軍等[7]結(jié)合漠大管道的運行管理經(jīng)驗，提出了一套溫度、位移監(jiān)測方法和保溫、換填、疏水、支撐在內(nèi)的凍土災(zāi)害防治措施。郭微微[8]通過野外地質(zhì)調(diào)查、監(jiān)測以及試驗，從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件和不良地質(zhì)現(xiàn)象等方面揭示可能存在的工程地質(zhì)問題，分析了高緯度多年凍土等地質(zhì)因素對管道工程的影響機理。王永平等[9]對中俄原油管道漠河—加格達奇段多年凍土區(qū)進行了現(xiàn)場勘查研究，對季節(jié)性凍脹丘治理提出了防治措施。李國玉等[10]結(jié)合中俄原油管道現(xiàn)場調(diào)查、油溫監(jiān)測和探地雷達等勘察結(jié)果，研究了漠大線運營后面臨的凍害問題，提出了預(yù)防和防治措施以及進一步需要研究的主要問題。

本文對穿越大興安嶺北部多年凍土帶的中俄原油管道沿線凍害現(xiàn)象進行了詳細調(diào)查，通過對凍脹丘、冰椎、凍拔、熱融沉陷等凍害現(xiàn)象的野外踏勘測量，結(jié)合管道一期工程的凍害調(diào)查結(jié)果，歸納總結(jié)了管道運營前后沿線凍害特征及其分布變化情況，分析了影響管道沿線凍害發(fā)育的相關(guān)因素，繪制凍害分布圖，為中俄原油管道二期的安全運營和凍害治理提供理論參考與科學(xué)依據(jù)。

1 凍害調(diào)查

中俄原油管道加格達奇—興安段曾在2008年管道設(shè)計修建初期進行過凍害調(diào)查，對影響管道運營的凍害發(fā)育地段進行了踏勘，確定了凍害類型，并對凍害特征進行了描述。通過勘察取樣，同時對管道沿線多年凍土進行了大量的試驗研究[11-14]。2008年主要凍害數(shù)量調(diào)查結(jié)果如圖1所示。

圖1 2008年主要凍害數(shù)量調(diào)查結(jié)果Fig.1 Investigation results of the main freeze injury munber in 2008

中俄原油管道一期工程經(jīng)過幾年的運營，沿線分布的各種類型凍害現(xiàn)象隨著時間的推移不斷發(fā)生新的變化，對管道的安全運營造成了威脅，并可能給復(fù)線管道的穩(wěn)定性和順利施工帶來嚴重困擾和不便。為此，本次凍害調(diào)查共分為如下兩個階段：

第一階段于2014年4月初進行，主要進行凍害資料的收集，詳細分析加格達奇—興安段27幅1∶50 000地形圖和5幅1∶200 000地質(zhì)圖，掌握沿線地形地貌變化總體特征和地層巖性的基本組成，并根據(jù)前期調(diào)查資料、地形圖分析和現(xiàn)場踏勘結(jié)果，結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料，總結(jié)中俄原油管道一期工程自運營以來沿線各地段和部位的凍害情況。

第二階段于2015年3月初進行，繼續(xù)搜尋新的凍害現(xiàn)象，并有針對性地對第一階段所發(fā)現(xiàn)的凍害現(xiàn)象進行復(fù)核，同時對2008年凍害調(diào)查資料和加格達奇管道運營公司的凍害資料進行現(xiàn)場校核。

2 凍害類型與特征

2.1 凍脹丘

管道沿線凍脹丘極其發(fā)育，嚴重影響管道運營的典型凍脹丘主要有5個，其中最大的凍脹丘如圖2所示，位于興安至連崟段，從地貌上看，該凍脹丘位于黑龍江右岸二級階地后部山洼坡腳地帶。凍脹丘成群出現(xiàn)，高度達到5 m，周長148 m，面積為685 m2。丘頂主裂縫近南北向，并伴有兩條拉裂縫，裂縫寬度為25～30 cm，最大部位達到55 cm。裂縫內(nèi)部可見冰核，表面苔蘚層為20～25 cm厚，并有大量水流出，形成冰漫，附近醉漢林特性十分明顯。

圖2 連崟附近凍脹丘Fig.2 Froze heaving near Lianyin

2008年調(diào)查時發(fā)現(xiàn)的第17#、18#凍脹丘至今仍然存在，如圖3～圖4所示。17#凍脹丘位于多布庫爾河谷后緣山前洼地緩坡地帶坡腳處；18#凍脹丘出現(xiàn)在平嵐南多布庫爾河支流根河河谷后緣坡腳地帶，皆為島狀多年凍土段，地溫觀測孔測得年平均地溫-0.3℃，屬極高溫凍土。

2.2 冰椎

管道沿線冰椎主要有泉冰椎與河冰椎兩種。2008年調(diào)查的11#冰椎位于新天北S207省道東側(cè)山坡坡腳處，如圖5所示。2014年和2015年調(diào)查時，該冰椎依然存在，高度約1.2～1.5 m，裂縫寬10～20 cm，深約70 cm，面積為150 m×60 m，期間有水溢出，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地點有多年穩(wěn)定的地下水出露點存在，致使冰椎持續(xù)存在。

圖3 2008年調(diào)查時的17#凍脹丘Fig.3 No.17 froze heaving found in 2008

圖4 2008年調(diào)查時的18#凍脹丘Fig.4 No.18 froze heaving found in 2008

圖5 2015年調(diào)查時的11#冰椎Fig.5 No.11 ice piton found in 2015

塔河北老省道276 km路下方附近的冰椎群比較發(fā)育，該地位于瓦拉干河右側(cè)支流溝谷坡腳下緩坡地段，水源豐富。此冰椎群于2011春發(fā)現(xiàn)時，冰椎最高處相對于地面隆起約2.9 m，裂縫嚴重，如圖6所示。2014年春季和2015年春季調(diào)查時仍然存在，管道上方有多個鼓包處和泉眼出露點，連成一片，漫過管道，順勢沿管道向下發(fā)展，以至形成近200 m長積冰帶，如圖7所示。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在伊里呼里山山嶺地帶新天—塔源段，泉冰椎特別發(fā)育，呈串珠狀。許多冰椎是由于公路路基阻擋或涵洞設(shè)置不當而在其附近形成的，也有些冰椎出現(xiàn)在小河溝底附近，這種冰椎可看作為泉冰椎和河冰椎的過渡類型。

圖6 2011年發(fā)現(xiàn)的大型冰椎群Fig.6 Huge ice piton group found in 2011

圖7 冰椎群管道旁積冰帶Fig.7 Icing along the ice piton group and pipeline

水面結(jié)冰時，冰面下河水在阻力最大處和河面薄弱處溢出形成河冰椎。在加漠公路木吉公河支流橋下一帶，冰椎壅塞高度有2 m，并有2條大裂縫。此外，古源南小八代河上冰椎亦十分發(fā)育，如圖8所示。2015年春季在此處進行鉆孔時，曾有水不斷向外流出，說明穿越河床的管道在冬春季節(jié)將承受很大壓力。

圖8 古源南小八代河冰椎Fig.8 Ice piton of Liffle Badi River in Guyuannan

2.3 凍拔與融沉

管道沿線地表結(jié)構(gòu)物因活動層水土凍融循環(huán)作用而導(dǎo)致的凍拔現(xiàn)象十分普遍，各種標石、標志樁、觀測護管等普遍抬升，多數(shù)歪斜，如圖9所示。這種凍拔作用對管道的影響也是十分嚴重的。

圖9 桿式沉降計護管拔升Fig.9 Lifting of the protection tube for rod settlement gauge

凍土融化沉降問題在管道運營過程中也十分普遍。通常，管道自身的沉降無法從地表上反映出來，需要通過沉降觀測來加以證實。管道沿線尤其是在低洼地段布置了許多桿式沉降計和觀測基點，用來監(jiān)測管道的融沉變形，但管溝覆土沉陷卻隨處可見，有的形成積水，有的成為新的地表流水溝，如圖10所示。這種沉陷不能完全作為管道自身沉降的直接證據(jù)，因為它完全可能是由于施工時回填的冰凍草炭土等物質(zhì)融化和雨雪水、地表水侵蝕引起的。

圖10 管道旁積水帶Fig.10 Pounding along the pipeline

2.4 其他類型凍害

2.4.1 管道回填土縱長裂縫

2014年調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，在漏油點某相鄰兩坐標點之間，管道上覆土堤縱長裂縫十分發(fā)育，斷續(xù)延伸近百米，裂縫最寬處有30 cm，并且裂縫兩側(cè)土堤高度明顯不一，落差最大有2～3 cm，如圖11所示。這種張拉裂縫或許是冬季管道產(chǎn)生凍脹位移的標志，在進行管道凍害防治時應(yīng)加以重視。

圖11 管堤縱長裂縫Fig.11 Longitudinal crack above the pipeline dyke

2.4.2 巨厚地下冰

2014年春季，在省道S209改造工程22站至沿江工段兩處橋涵基坑中，觀察到巨厚地下冰體，位于盤古河支流溝底低洼地帶，如圖12所示。2014秋季在翠崗一帶、塔源北和太陽溝等地都在凍土上限附近見有很厚含土冰層。顯而易見，如此巨厚的純冰體和含土冰層融化后，將會給管道安全穩(wěn)定帶來巨大威脅。

圖12 巨厚地下冰Fig.12 Thick underground ice

2.4.3 積水聚冰

管道兩旁夏季積水、冬季聚冰現(xiàn)象十分嚴重，有的甚至漫過管道，如圖13所示。形成積水聚冰負地形的原因比較復(fù)雜，單純的熱融沉陷往往不會有如此大的規(guī)模。在管道修筑時，管道土堤或路堤使上游地表流水受阻，極易形成負地形。在地下冰發(fā)育地段，由于修建管道破壞了原有植被和其他保護層，也常產(chǎn)生熱融性負地形。還有一部分是由于施工和維護大型工程機械反復(fù)碾軋破壞引起的。無論是何種原因，管道及兩側(cè)積水聚冰都會加劇管道凍融循環(huán)效應(yīng)，影響管道的安全穩(wěn)定性。

圖13 管溝積水Fig.13 Pounding in the trench

2.4.4 熱融滑塌與涎流冰

在管道沿線沒有發(fā)現(xiàn)天然熱融滑塌現(xiàn)象，但在接近伊勒呼里山頂?shù)貛У牟榘屠婧庸茸髠?cè)山上，發(fā)現(xiàn)嫩林線鐵路切方路基下側(cè)碎塊石堆土高邊坡上，連續(xù)有4個熱融滑塌體，如圖14所示。這一帶屬連續(xù)多年凍土區(qū)，附近泉冰椎也特別發(fā)育。

圖14 鐵路邊坡熱融滑塌Fig.14 Melting and slumping of the railway slope

路塹或切方邊坡上方地下水流出邊坡并凍結(jié)將形成涎流冰。如果是邊坡上方發(fā)育有泉冰椎，漫過邊坡，則可形成規(guī)模巨大的冰幕或冰瀑。如圖15所示，管道沿線省道就存在多處巨大冰幕，嚴重影響了行車安全，甚至影響到管道的安全穩(wěn)定。

圖15 路塹邊坡冰幕Fig.15 Ice curtain on the slope of the cutting

3 凍害分布規(guī)律及分區(qū)

3.1 凍害分布規(guī)律

將凍害調(diào)查結(jié)果繪制在中俄原油管道線路圖上，將凍脹丘、冰錐、凍拔、融沉、積水聚冰及熱融滑塌等凍害現(xiàn)象全部予以標注，形成管道沿線凍害分布圖，并結(jié)合地形圖、地質(zhì)圖以及現(xiàn)場踏勘及鉆孔記錄，分析凍害分布規(guī)律。

管道沿線凍害的發(fā)育及分布主要受到地形、地貌、地溫、地下水等因素影響。中俄原油管道沿線的凍脹丘多發(fā)生在低山丘陵、山溝坡腳地帶，島狀多年凍土分布，并且多為中溫多年凍土帶。冰椎主要發(fā)生在河谷邊緣坡腳地帶、山間洼地以及部分河岸臺地，在中低溫多年凍土帶和高溫極高溫多年凍土帶皆有發(fā)育。積水聚冰主要集中出現(xiàn)在河谷邊緣沼澤地、河溝溝底等地段，在管道穿越此地段時，往往伴隨著覆土沉陷。

凍害現(xiàn)象的發(fā)育同地溫變化規(guī)律密切相關(guān)。根據(jù)凍土地溫緯度分布規(guī)律對本次凍害調(diào)查結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，許多凍害發(fā)育地段的地溫分布規(guī)律與之并不匹配。此外，研究發(fā)現(xiàn)海拔高度的不同與凍害現(xiàn)象的分布存在密切的聯(lián)系，并且地溫也呈現(xiàn)出隨海拔高度的變化而變化的規(guī)律。

3.2 凍害分區(qū)

通過凍害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對淺埋式石油管道這種輕型線性結(jié)構(gòu)物來說，發(fā)生于季節(jié)活動層中的凍脹性凍害對管道安全穩(wěn)定威脅最大。泉冰椎和凍脹丘是多年凍土區(qū)兩種主要的凍脹性凍害表現(xiàn)形式或說是兩種主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象。通過分析管道沿線凍害分布類型可以發(fā)現(xiàn)，凍害在某一地段特別發(fā)育不是偶然現(xiàn)象，它們的發(fā)育與該地段工程地質(zhì)條件有著密切關(guān)系。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，對管道沿線凍脹性凍害分布進行分區(qū)，如表1所示。

表1 管道沿線凍脹性凍害（泉冰椎、凍脹丘）分區(qū)Tab.1 Expansive freeze injury(spring ice piton and froze heaving)zone along the pipeline

4 結(jié)論

通過對中俄原油管道沿線凍害現(xiàn)象進行詳細的現(xiàn)場踏勘，并對沿線凍害類型、特征以及分布規(guī)律進行詳細的描述與分析，得出以下結(jié)論：

（1）凍脹丘、冰椎受地形地貌的影響極其顯著。在伊勒呼里山嶺地帶，多年凍土連續(xù)分布，泉冰椎極其發(fā)育，公路邊坡涎流冰嚴重。在低山丘陵地帶，島狀凍土分布，凍脹丘十分發(fā)育，管道拱管漏油多發(fā)生于此處。按照緯度型凍土理論，伊勒呼里山嶺屬于高緯度地區(qū)，其地溫應(yīng)隨緯度的升高而降低，為連續(xù)低溫凍土帶，而該區(qū)凍害如此發(fā)育，與其海拔高度有直接關(guān)系。因此，管道穿越此區(qū)域時，應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施以減輕凍脹性凍害對管道運營的影響。

（2）凍脹丘和泉冰椎是凍脹性凍害劇烈活動的表現(xiàn)形式，在高溫極高溫多年凍土帶，泉冰椎、凍脹丘均有分布。而管溝凍脹和管道凍融循環(huán)效應(yīng)也是凍脹性病害的主要表現(xiàn)形式，在管道沿線部分地段十分顯著。對于多年凍土帶淺埋輕型、線性石油管道這種結(jié)構(gòu)物而言，凍害問題的研究對保證石油管道長期安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，必須引起重視。