寒區埋地管道與凍土相互作用研究綜述

徐 婷 田懷谷 陳 鵬

（1、西京學院土木工程學院，陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安710000 2、西京學院理學院，陜西 西安710000）

隨著國家對油氣需求的增長和管道工程技術的成熟，未來我國大量油氣管道將穿越多年以及季節性凍土地區。但寒區管道沿線氣候惡劣，工程地質條件十分復雜，因此在其施工和運營過程不可避免地破壞凍土環境[1]，使管道的布設及運營面臨極大的困難。

寒區油氣管道病害主要有管溝融陷、凍脹融沉以及熱熔滑坡三種。管道受凍土環境變化的影響也會發生翹曲變形斷裂等。研究表明，埋地管道的屈曲劇變主要是由于不同的凍脹和解凍沉降引起的。

然而，至今對于管道圍巖土的凍脹融沉變形量的測定、計算和預測都面臨諸多困難，寒區管道工程的建設對于我國來說具有重大的戰略意義。因此，研究寒區管道與土相互作用具有重大的意義，寒區管道的設計應考慮土體的凍脹融沉和管道在多年凍土(穩定)與解凍或淺層凍土地形(隆起)或融化區的過渡過程中的相互作用。

1 寒區埋地管道管溝融陷機理

1.1 管溝融陷機理

寒區油氣管道病害主要有管溝融陷、凍脹融沉以及邊坡蠕滑三種，一般來說，管道在埋設完成后會形成幾十厘米高的自然土堤，可以起到保護及防水的作用。但是在發生融陷病害的管線處形成了深、寬約2m 的溝壑，極大的影響了管道的運行安全。對于寒區管道的融陷問題應及時提出治理措施，以保證管道能安全運行。

由文獻[2]知，布設地質勘探孔，進行鉆孔取樣，依樣繪制地層直方圖，確定地層剖面，得到地層特征。通過測試該區域的土壤含水率，得出輸油氣管道埋設位置土體為腐蝕土，其含水量較大，并且受季節溫度影響較大，融化后土壤易發生嚴重沉降，在季節性溫升和管道熱釋放的影響下，在管溝位置會形成較大范圍的融化槽，加劇了管道周圍土體的融化和下沉。在上述因素的綜合作用下，聯合導致寒區埋地管溝發生嚴重的融陷病害。

1.2 管溝融陷防治

寒區油氣管道病害防治主要有三條原則：保護凍土原則，破壞凍土原則和允許凍土地基逐漸融化原則[3]。針對低溫多年凍土和大面積連續多年凍土，一般基于保護多年凍土原則為主。因此，通過選擇合理的施工季節，給管道設置隔熱保溫的措施，確定合理的管道埋深，并加強監測和管理，以防止管道發生管溝融陷。

2 寒區埋地管道凍脹融沉機理

2.1 凍脹機理

當土壤溫度降到0 度以下時，由于周圍土壤形成冰透鏡體和相變（水到冰），就會發生凍脹。在形成冰透鏡的情況下，土壤的向上膨脹可能會變得更加厚，從而垂直觸發埋地管道上升。根據冰透鏡的形成，凍脹需要三個基本的形成條件：解凍土壤中的溫度，從溫暖的一側遷移到凍結前沿的水源，以及允許自由水通過凍土遷移的易受霜凍影響的土壤。如果這些基本條件中的任何一個被改變或破壞，凍脹就會減少或消除[4]。這些理論已被納入數值模型，為模擬凍脹- 管道相互作用提供了有用的技術工具。

凍脹與埋地管道的相互作用是管道設計中的主要考慮因素。如圖1 所示給出了凍脹埋地管道相互作用，埋地管道的穩定性取決于凍土的強度，管道向上移動的能力取決于周圍土體的抗拔能力。當凍土抗拔能力較弱時，埋地管道的彎曲應變較小[5]。在埋地管道周圍或地下采取保溫措施，可以有效地緩解凍脹體的發育，防止地下水在管道下土壤中的遷移。

圖1 凍脹埋地管道相互作用

2.2 凍融沉降

當富含冰的土壤融化時，土壤顆粒就會沉降下來，土壤的體積變化將由相變化(冰到水)和多余的水從土壤中遷移而產生。然后，沉降解凍，解凍土壤達到新的平衡條件。解凍沉降與埋地管道的相互作用，多年凍土地基的熱響應易受地表擾動、溝槽和管道施工的影響。

當富含冰的凍土迅速融化時，會產生額外的孔隙水壓力，從而削弱管道下土壤的承載能力以及管道周圍的附加浮力，并導致管道的沉降。在巖土工程設計中，在寒區管道工程的全生命周期中，應考慮管道的溫度變化和穩定性。緩解凍融沉降的方法有增加管道埋深、提高管道壁厚或提高管線鋼強度等。

3 寒區埋地管道邊坡蠕滑機理

邊坡蠕滑區滑坡的形成包括內因和外因。其中，內部因素包括地形地貌因素、巖土特征、地質構造因素、水文地質條件等；外部因素包括持續暴雨、地震作用和人類活動，二者是相互聯系、相互作用的。由于寒區凍土中冰的存在和冰- 土膠結構的特殊性，邊坡的蠕變成為該區凍土的變形特征。由于土的凍脹，土顆粒向下坡運動，斜坡土(巖)體在很低的應力水平下即可表現出蠕變行為。輸氣管道穿越低山、丘陵等地帶區，通常在坡度較大、層上水發育、暴雨頻發等區域極易發生坡面滑塌等災害，在極端天氣條件下，地表容易形成溝狀、面狀沖蝕，埋地管道上部覆土被沖走，管道被沖出裸露，嚴重威脅正常運行。

4 結論與展望

在寒區，埋地管道與凍土的相互作用必須要考慮和防治寒區油氣管道的管溝融陷、凍脹融沉以及邊坡蠕滑三種病害。利用已建管道工程的現場試驗、埋地管道的試驗以及埋地管道的理論和數值模擬，研究了管道與土的相互作用。但由于埋地管道與凍土相互作用過程的復雜性，考慮溫度梯度的變化對凍土條件的影響，必須進行大量試驗，研究埋地管道與凍脹融沉相互作用的物理機制，并通過模型研究、數值模擬、理論研究等研究方法來研究埋地管道的力學行為并對該類邊坡的蠕滑進行預報。