中俄輸油管線多年凍土及其工程地質(zhì)評價

劉利驕，楊 雪，柳艷杰，胡 爭，丁 琳

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

我國凍土區(qū)面積大，分布規(guī)律比較復(fù)雜。根據(jù)形成原因不同，凍土可以分成高緯度凍土和高海拔凍土[1]，其中高緯度凍土分布在東北地區(qū)，高海拔凍土主要分布在青藏高原和西部高山兩地。不同于其他土，凍土是由四相體(固體土顆粒、空氣、水和冰)組成的，受力狀態(tài)復(fù)雜，凍土由于含有較多地下冰，其工程地質(zhì)環(huán)境也較為復(fù)雜。土凍結(jié)時具有很大的強度，土體內(nèi)部的水分凝冰可以承受較大荷載，但當土融化時，其強度會驟減，并形成顯著的融沉變形，并且因凍融而造成的不良次生現(xiàn)象對工程和環(huán)境造成很大的傷害。十幾年間，對我國凍土區(qū)環(huán)境的研究成為我國學(xué)者廣泛研究的熱點。劉海蘋等[2]提出應(yīng)用數(shù)值模擬對凍土區(qū)不同路面類型路基熱穩(wěn)定性進行了擬合與評價。吳青柏等[3]對人類活動下的青藏公路沿線的凍土工程地質(zhì)環(huán)境從3個影響因素進行評價分析。金會軍等[4]綜合考慮多因素將中俄管道漠河-烏爾其段分成4個凍土工程地質(zhì)區(qū)，并進行評價。

途經(jīng)中國黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的漠河-大慶段的中俄原油輸油管線，全長965 km[5]，穿越中國東北長441 km的凍土帶[6]。2011年，何瑞霞等[7]對中俄管線漠河-烏爾其段進行分區(qū)并提出了針對性和實用性強的凍土評價方法。李國玉等[8]通過分析中俄原油管線凍土環(huán)境問題，針對凍土提出防控技術(shù)方法。陳艷江等[9]通過實地勘察資料總結(jié)得到氣溫模型與地-氣模型，并通過數(shù)值模擬得到年平均地溫與凍土特征參數(shù)之間的關(guān)系。高凱等[4]通過研究中俄原油管線漠河-加格達奇段指出管線對凍土退化的影響，并提出應(yīng)對凍土退化的技術(shù)手段。因此，開展對凍融災(zāi)害的研究，發(fā)現(xiàn)造成凍融災(zāi)害的主要原因并及時提出防治措施是極其重要的。

本文根據(jù)中俄原油輸油管線(漠河-大慶段)沿線勘測數(shù)據(jù)資料，通過突變級數(shù)法評價沿線凍土工程地質(zhì)環(huán)境[4]，確保中俄輸油管線沿線凍土工程地質(zhì)長期穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

1 管道沿線凍土區(qū)

中俄輸油管線(漠河-大慶段)，地處寒溫帶與溫帶大陸性氣候，貫穿整個興安嶺寒溫帶森林景觀區(qū)，主要分布在黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的12個區(qū)市，經(jīng)過11條大中型河流[10]，經(jīng)過森林、丘陵、季節(jié)性凍土、永凍土等生態(tài)脆弱的地區(qū)，管線間多年凍土是呈片狀分布逐漸過渡為島狀、稀疏島狀直至零星分布[3].沿線主要包括以下凍土區(qū)：

1) 額木爾凍土區(qū)：該段長度達51.653 km，是一段連續(xù)多年凍土區(qū)，以多冰凍土為主，局部為富冰和少冰凍土段[11]，屬低溫基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)。該段主要巖性類型為粉質(zhì)黏土、砂土、礫石、砂巖等，且級配一般。

2) 24站林場-22站林場凍土區(qū)：該段凍土類型以少冰多年凍土和多冰多年凍土為主，局部為富冰多年凍土。天然地表下多年凍土上限在3.0 m上下，多年凍土地溫在-1.8℃～-1.2℃之間[12]，屬低溫基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)。分布有沖刷型多年凍土，管道局部有冰錐、凍脹丘等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3) 古魯干河-瓦拉干鎮(zhèn)凍土區(qū)：以多冰凍土區(qū)為主，局部為少冰凍土區(qū)和富冰凍土區(qū)，僅有大西爾根氣河西岸段是融區(qū)凍土區(qū)，多年凍土地溫在-1.8℃～-1.2℃之間，屬于低溫基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)[12]，為典型的島狀融區(qū)片狀多年凍土區(qū)。管道沿線地層巖性較完整。

4) 繡峰-塔南凍土區(qū)：此段落凍土類型為多冰～富冰、多冰凍土，極少段落的管線凍土類型處于少冰～多冰之間，整個段落的凍土類型為大片融區(qū)多年凍土區(qū)，年平均地溫在-0.5℃～-0.7℃[12]，屬高溫不穩(wěn)定多年凍土區(qū)。

5) 塔河-海萊河凍土：該區(qū)段多年凍土長590.32 km，其中有長達65.57 km的管道分布在融區(qū)凍土工程地貌中，其余段均分布在多冰、少冰、富冰等工程地段，整個段落的凍土類型為大片融區(qū)多年凍土區(qū)，為高溫不穩(wěn)定多年凍土區(qū)，且其地形地貌特征處在大片林地和河漫灘。

6) 海萊河373空降所-太陽溝凍土區(qū)：該段凍土以多冰、富冰和少冰交替出現(xiàn)，融區(qū)僅分布在海萊河373空降所、海萊河至新林區(qū)、奧庫薩卡埃河至西里尼西河的陽坡，整段凍土類型為大片融區(qū)多年凍土區(qū)。海萊河373空降所到林海年平均地溫在-1.2℃～-2.0℃，屬于低溫基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)；林海至塔源到太陽溝年平均地溫在-2.0℃～-2.6℃[12]，屬低溫穩(wěn)定多年凍土區(qū)。該段分布有多種不良地質(zhì)現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為凍脹丘、冰椎、河岸沖刷、石海現(xiàn)象，地質(zhì)破壞比較嚴重。

7) 太陽溝南-大楊樹凍土區(qū)：該段為中俄輸油管線多年凍土分布的南界，從北向南凍土類型依次為大片融區(qū)多年凍土區(qū)、島狀多年凍土區(qū)、零星分布島狀多年凍土區(qū)，巖性類型主要為融區(qū)，部分有多冰、富冰及少冰分布，沿線稍有不良地質(zhì)和冷生現(xiàn)象分布。

2 多年凍土工程地質(zhì)影響因素

2.1 凍土熱穩(wěn)定性的影響

2.1.1 凍土含冰量

寒區(qū)條件下進行管道工程施工及運營，融沉變形和凍脹等次生不良現(xiàn)象對施工及后期維修會造成嚴重的影響，而凍土含冰量直接影響融沉變形。高含冰量的凍土在凍結(jié)時具有一定強度，當其融化后，含冰量高的凍土融化時，融沉變形較大，地質(zhì)環(huán)境較差；反之，相對穩(wěn)定。因此，凍土含冰量對多年凍土工程地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生了直接影響。

2.1.2 年平均地溫

年平均地溫與凍土穩(wěn)定性是密切相關(guān)的。隨著年平均地溫的升高，活動層的厚度也隨之增大，在其他土質(zhì)及外界環(huán)境相差不大的情況下，年平均地溫低的地區(qū)其最大融化深度將減小；與之相反，隨著地溫的增高，低溫凍土區(qū)也將會發(fā)生大程度的融化現(xiàn)象。由此看出，年平均地溫對凍土工程地質(zhì)評價予以重大依據(jù)。

2.1.3 活動層厚度

凍土活動層是處于地表至冬季凍結(jié)夏季融化之間的巖層，反映了凍土發(fā)育狀態(tài)以及巖性層位熱阻的大小以及融沉變形深度的程度[12]。凍土活動層厚度越小，凍土巖性層位熱阻越大，融沉災(zāi)害越小，進而凍土工程地質(zhì)環(huán)境越好；相反，凍土環(huán)境越差。凍土活動層下限受海拔、氣溫、地溫等多環(huán)境因素影響。

2.2 大氣溫度及海拔高程的影響

2.2.1 大氣溫度

凍土對氣候變化有較強的敏感性[11]，即大氣氣溫也是凍土工程地質(zhì)環(huán)境一個重要影響指標。在其他外界環(huán)境相似的條件下，大氣溫度越低，凍土凍結(jié)的溫度條件越好，凍土強度愈高，融沉深度越低，凍土工程地質(zhì)環(huán)境也就越好。

2.2.2 海拔高程

海拔高程對氣候的影響主要表現(xiàn)在：隨著地勢的增高，地面輻射與大氣逆輻射都隨著高度增加而減小，即有效輻射隨之減小。這些都對溫度的減小起到一定的作用，進而對凍土工程地質(zhì)環(huán)境有促進作用。地勢高度每升高100 m，氣溫將下降0.6℃。海拔愈高，大氣溫度越低，融沉深度越小，凍土工程地質(zhì)環(huán)境越好；反之越差。

3 工程地質(zhì)環(huán)境評價

3.1 評價方法及原理

突變級數(shù)法是一種對評價系統(tǒng)或評價目標進行多層次矛盾分解，綜合量化逐層逐個指標，最后歸為一個參數(shù)，對評價系統(tǒng)或評價目標進行綜合排序的一個客觀、可量化的評價方法。突變級數(shù)法在指標相對重要性的基礎(chǔ)上進行考量，不需要主觀賦予評價指標權(quán)重，具有避免主觀影響的優(yōu)點。本文首先定性地介紹了中俄輸油管線沿線凍土工程地質(zhì)環(huán)境，下面將采用突變級數(shù)法對中俄輸油管線沿線的凍土工程地質(zhì)環(huán)境進行客觀的定量評價。

3.2 突變級數(shù)法的評價步驟

根據(jù)影響評價系統(tǒng)的控制因素，對該系統(tǒng)進行多層次分解，由評價總指標(狀態(tài)變量)分解成若干下層指標(控制變量)、下層子指標(控制變量)，直到分解到的最下層指標是可以進行量化的量[13]。突變系統(tǒng)類型根據(jù)控制變量的個數(shù)，主要有4種最為常見，其中包括折疊突變系統(tǒng)模型、尖點突變系統(tǒng)模型、燕尾突變系統(tǒng)模型和蝴蝶突變系統(tǒng)模型,見表1。

表1 突變模型及公式

在表1中，狀態(tài)變量為x，控制變量為u、v、w、t，其中V(x)是勢函數(shù)，是連接狀態(tài)變量和控制變量關(guān)系的一個中間函數(shù)。若一個系統(tǒng)中，評價總指標可以分解為兩個下層指標，則可將其視為尖點突變系統(tǒng)模型。以此類推，若一個系統(tǒng)分解成3個、4個下層指標，可被視為燕尾突變系統(tǒng)模型、蝴蝶突變系統(tǒng)模型。通常控制變量量綱不同，無法進行客觀統(tǒng)一，則需無量綱化方式處理指標數(shù)據(jù)，參考式(1)、式(2)，進而得到初始模糊隸屬函數(shù)值。

正指標：X=Si/Ci

(1)

負指標：X=1-Si/Ci

(2)

式中：X為初始模糊隸屬函數(shù)值；Si為指標數(shù)據(jù)實際值；Ci為指標數(shù)據(jù)的參考值[12]。

然后，根據(jù)所屬模型的歸一公式進行突變級數(shù)值的計算，其中歸一公式見表1。最后，根據(jù)指標間有無間接關(guān)系進行確定采用“互補”或“非互補”原則，得到突變系統(tǒng)的總突變隸屬函數(shù)值。當控制變量之間存在牽連形式的相互關(guān)系，則可采用“互補”原則，即求每一個與控制變量相對應(yīng)的突變級數(shù)值的平均值，得到系統(tǒng)的評價指標；反之，采用“大中取小”方法的“非互補”原則[13]。

3.3 建立指標評價體系

本文構(gòu)建了凍土的熱穩(wěn)定性和大氣溫度與海拔高程這兩個因素在內(nèi)的二級指標，用以評價中俄輸油管線沿線凍土工程地質(zhì)環(huán)境評價系統(tǒng)，兩個二級指標繼續(xù)向下分解：凍土含冰量、年平均地溫、活動層厚度、大氣溫度[12]以及海拔高程。二級指標下分的5個子指標可進行數(shù)據(jù)量化。圖1為本文構(gòu)建的中俄輸油管線沿線凍土工程地質(zhì)環(huán)境突變級數(shù)法評價模型。

圖1 中俄管道多年凍土評價指標及突變模型

3.4 求 解

結(jié)合實地勘察資料，對中俄輸油管線沿線凍土工程地質(zhì)環(huán)境的影響指標進行分級(表2)，并給出指標標準化參考值，見表3。

表2 中俄管道多年凍土評價指標分級

表3 中俄管道多年凍土評價指標標準化參考值

計算評價Ⅴ情況(理想狀態(tài)下凍土地質(zhì)環(huán)境)；首先使用無量綱化處理方式，將Ⅴ情況的三級指標數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)，得到初始模糊隸屬函數(shù)值：

本文二級指標分別有3個下層指標和兩個下層指標，依據(jù)燕尾突變系統(tǒng)模型和尖點突變系統(tǒng)的歸一公式得到突變級數(shù)值：

鑒于二級指標下分的子指標之間是相互關(guān)聯(lián)的，隸屬于互補型突變模型，采用求平均值得到評價指標：

對于評價總指標下分兩個二級指標，該模型屬于尖點突變系統(tǒng)模型，利用歸一模型并采用“互補”原則，即得到總突變隸屬函數(shù)值：

根據(jù)上述計算得到，在理想狀態(tài)下，凍土熱穩(wěn)定性、大氣溫度與海拔高程和凍土工程地質(zhì)環(huán)境下對應(yīng)的突變隸屬值分別為0.91、0.91和0.96.

重復(fù)上述計算步驟，求得其他等級下凍土熱穩(wěn)定性、大氣溫度與海拔高程和凍土工程地質(zhì)環(huán)境下對應(yīng)的突變隸屬值，結(jié)果見表4。

表4 中俄管道多年凍土評價等級突變隸屬值

3.5 評價結(jié)果及討論

將中俄輸油管線分為7個區(qū)段，根據(jù)凍土含冰量、年平均地溫、活動層厚度、大氣溫度和海拔高程諸多評價子指標，對7個區(qū)段以凍土熱穩(wěn)定性、大氣溫度與海拔高程條件和凍土工程地質(zhì)環(huán)境為目標進行評價，結(jié)果見表5。

表5 中俄管道多年凍土分段評價

海萊河373空降所-太陽溝凍土區(qū)這一區(qū)段，因其年平均地溫較低，約零下2℃，其凍土熱穩(wěn)定性等級處于一般狀態(tài)外，沿線其余地段凍土熱穩(wěn)定性均為較差狀態(tài)。繡峰-塔南凍土區(qū)和塔河-海萊河凍土區(qū)這兩區(qū)段相較于其他凍土區(qū)年平均地溫較高，溫度分別為-0.6℃和-0.59℃，且凍土均發(fā)育不良，該段凍土熱穩(wěn)定性均評分較低，均處于較差狀態(tài)。除了太陽溝南-大楊樹凍土區(qū)為一般狀態(tài)外，中俄輸油管線全線大氣溫度與海拔高程整體處于良好狀態(tài)以上，24站林場-22站林場凍土區(qū)和古魯干河-瓦拉干鎮(zhèn)凍土區(qū)由于地勢偏高且大氣溫度偏低，對凍土發(fā)育較有優(yōu)勢，因此該段沿線凍土區(qū)大氣溫度與海拔高程處于理想狀態(tài)。從整體研究，全線對凍土工程地質(zhì)環(huán)境均處于一般狀態(tài)，且綜合凍土熱穩(wěn)定性、大氣溫度與海拔高程和凍土地質(zhì)工程3個指標來看，三者高低走向均一致，只有少許出入，凍土工程地質(zhì)環(huán)境、大氣溫度與海拔高程具有基本相同的變化形式。上述規(guī)律表明，全線凍土熱穩(wěn)定性、大氣溫度與海拔高程對凍土工程地質(zhì)均具有決定性作用，只不過大氣溫度與海拔高程和凍土地質(zhì)環(huán)境相關(guān)性更高。

4 結(jié) 論

依據(jù)中俄輸油管線凍土工程地質(zhì)實地勘察資料，對中俄輸油管線漠河-大慶段進行分段描述，并參考輸油管線特殊工程對地質(zhì)的特殊要求，采用突變級數(shù)法建立依據(jù)凍土熱穩(wěn)定性和大氣溫度與海拔高程兩個綜合指標對凍土工程地質(zhì)環(huán)境的評價模型，并且應(yīng)用該模型對中俄輸油管線沿線凍土環(huán)境進行賦分和劃分等級，結(jié)論如下：

1) 通過定性分析中俄輸油管線沿線凍土工程地質(zhì)環(huán)境發(fā)現(xiàn)，沿線凍土區(qū)均處于對凍土發(fā)育有利地段，全線有少許冰椎、凍脹丘等不良的次生災(zāi)害，自然環(huán)境較為優(yōu)越；地層巖性以粉土、黏土為主，有良好的塑性以及抗液化性能，對凍土發(fā)育給予有力的土質(zhì)環(huán)境。但是由于人類工程活動影響，沿線的河流由于水土流失嚴重，河流含沙量增加，河流流速緩慢，形成許多河漫灘地段；又由于河流侵蝕的作用，沿線河段多發(fā)沖刷不良現(xiàn)象。

2) 采用突變級數(shù)法定量對中俄輸油管線凍土工程地質(zhì)環(huán)境進行評價，得到總體凍土環(huán)境評價為一般狀態(tài)。經(jīng)綜合分析，沿線凍土熱穩(wěn)定性狀態(tài)較差，大氣溫度與海拔高程狀態(tài)相比較好。