中俄原油管道是我国第一条位于高寒冻土区的大型管道工程。中俄原油管道沿线多为岛状不连续、不稳定冻土,冻胀和融沉风险高。冻土灾害关键致因因素是温度、土壤类型和含水率。文章阐述了中俄原油管道的冻胀、融沉和热熔滑坡三种典型地质灾害的致因因素和失效形式。根据中俄管道冻土区的特性,提出了管道运行中位移和温度场监测的实施方法,以及应用的回填、保温、疏水和支撑等综合性防护措施。

中俄原油管道起自俄罗斯斯科沃罗季诺,到达中国大庆安岭,管道在俄罗斯境内长达70公里,中国境内长达960公里,其中,450公里的地段处于融区,其余510公里的输油管道穿越冻土。由于管道沿线多年的冻土环境存在着严重的地质问题,威胁输油管道的安全。本文对此问题进行了深入分析,探讨相应的解决对策。

中俄原油管道漠大线工程是中国四大原油进口战略通道之一,该工程也是我国首条通过多年冻土区、林区的大口径原油管道。文章结合该工程,在不同温度条件下,对施工现场的2根桩基础进行了竖向承载力自平衡试验研究。试验得到了不同温度下桩基础的竖向极限承载力、桩身轴力、土层摩阻力分布规律等成果,并对不同温度下桩基础的承载性能进行了对比分析。

中俄原油管道中国段北起漠河(连崟),向南沿大兴安岭东坡和松嫩平原北部最终到大庆林源,管道全长953 km,其中漠河-乌尔其段为多年冻土区,长度441 km.沿线多年冻土,森林,沼泽湿地等环境要素相互依存,彼此影响.由于管道是长距离线性构筑物,在施工过程中对冻土环境影响较大.考虑了管道工程的特殊性和沿线的冻土环境要素资料,提出利用地表稳定性指标来评价沿线的冻土环境.根据地表扰动程度,位移量,景观改变状况,及沿线的冻土类别,年平均地温等参数,将地表稳定性分成4个等级:地表稳定型、地表较稳定型、地表不稳定型和地表极不稳定型,分别对应冻土环境良好、一般、不良和较差地段.评估结果表明,此环境评价方法简明易懂,应用方便,评价结果客观,全面,精度较高.

在季节性冻土区,由于冬季气候寒冷,土壤中水分冻结发生相变。为了研究冻土区发生冻结对同沟敷设原油和成品油管道周围土壤温度场的影响,采用非结构化有限容积法对同沟敷设埋地管道周围土壤温度场进行模拟计算。模拟不考虑冻结相变和考虑冻结相变两种情况下的温度场,分析发现在冻结很长一段时间内,由于土壤中水分释放大量的相变潜热考虑相变情况下的土壤温度高于不考虑相变情况下土壤的温度,考虑相变情况下的管道散热损失小于不考虑相变情况下的管道散热损失;而在冻结后期,随着土壤导热系数的增加,考虑相变情况下的土壤温度低于不考虑相变情况下土壤的温度,考虑相变情况下的管道散热损失大于不考虑相变情况下的管道散热损失。因此,为了使管道能够经济安全的运行,需要考虑土壤发生冻结对管道温度场的影响。

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14.2mm.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.

没有稳定的冻土环境,就难有冻土工程的稳定。文章通过对中俄原油管道工程沿线冻土环境特征的分析,论述了工程建设存在的主要冻土环境问题,针对冻土环境保护的关键技术展开技术研究,为拟建中俄原油管道工程冻土环境保护设计原则的确定提供了理论依据。

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.