摘要： 凍土災害是穿越高寒凍土區輸油管道安全運營所面臨的最嚴重的威脅，冬季氣溫降低，凍融循環時土壤中的水分凍結伴隨著一系列的水分遷移和熱量交換。凍脹災害的表現形式為冰椎、凍脹丘。凍脹的發展速度很快，局部管道在凍脹力下會發生抬升，產生附加應力，嚴重影響了管道的安全生產。本文以中俄（漠大）管道高寒凍土區的運行管理為例，描述了凍脹成因、對管道的危害、監測方法及治理措施。通過對管道面臨的凍脹風險因素進行識別和評價，進而有針對性的實施風險減緩措施，從而預防事故發生，保證管道安全經濟的運行。

關鍵詞： 凍土區管道；凍脹；監測；處理方法

1 引言

高寒凍土區輸油管道運行管理及維搶修是世界難題，管道面臨凍脹融沉、熱熔滑坡等地質災害。國外Norman Wells輸油管道就發生過因凍脹引起的管道翹曲現象，國內格爾木-拉薩管道也發生過管道翹曲露管。中俄（漠大）原油管道是我國第一條穿越高寒永凍土區域的大口徑長輸原油管道，高寒凍土區管道管理及維搶修目前在國內尚屬空白，沒有相應的管理標準及規范。中俄（漠大）管道三年來的運行管理經驗，為凍土區管道管理及維搶修提供了參考。

2 凍脹的危害

凍脹是由于土中水分的凍結和冰體（特別是凸鏡狀冰體）的增長引起土體膨脹、地表不均勻隆起的現象。凍脹會對與土體接觸的管道產生附加應力，一般也會導致地面發生變形。凍脹的原因包括土中原有的水分結冰體積膨脹，土凍結過程中下部未凍結土中的水分遷移并向凍結面富集，水分相對集中，水與土粒分異形成冰透鏡體或凍夾層，使土體積膨脹。

2.1 凍脹的形式

在冬季，地下水受凍結地面和多年凍土（或隔水層）的阻隔凍結在薄弱地帶，由于其發生膨脹作用而將地表抬起，形成隆起的土丘，稱之為凍脹丘。在寒季，流出封凍地表或封凍冰面的地下水或河水凍結后形成丘狀隆起的冰體，稱為冰椎，因為遠看像結冰的湖水，東北人俗稱冰湖。冰椎、凍脹丘是凍脹災害的主要表現形式，凍脹具有發展迅速，地點不確定的特性。

2.2 凍脹對管道的危害

由于沿管道長度方向的不均勻凍脹使管道產生彎曲應力；地下管道與連接點在支管周圍切向凍脹力作用下破壞。對于不均勻凍脹的產生，主要有以下幾種情況：

1）管體周圍冰椎、冰丘的形成使管道產生應力彎曲，如果發生在管道底部，對管道危害更大，嚴重會使管道發生斷裂。

2）不同凍脹性土交界地段的不均勻凍脹力，管道產生應力彎曲。

3）過渡性地段，如沼澤地與石方段、凍脹與非凍脹、陰坡與陽坡等交界處，由于不均勻凍脹產生應力彎曲。

4）埋深不均勻地段產生不均勻凍脹力，例如穿越公路、鐵路、河流地段，這些地段由于管道埋深不同，埋深較深的地段受埋深較淺地段凍脹力作用，從而產生應力彎曲。

3 凍脹監測方法

3.1 采取有效的監測方法和手段來掌握凍土地區管道的位移變化至關重要。管道建設及運營階段，可以通過多種監測方法來降低管道風險。選擇典型地段安裝溫度、水分、位移監測裝置。溫度監測確定管道周圍凍融圈及凍土發展趨勢；水分監測實時測量并記錄管道周圍土壤的總含水量；位移監測實時測量并記錄監測管段的應力應變狀態。

3.2 富冰凍土性斜坡地段安裝斜坡穩定性監測系統，在凍土區斜坡的油氣管道上方安裝表位位移監測樁，在凍土區斜坡安裝深部位移監測裝置、溫度監測裝置、含水量監測裝置，深部位移監測裝置的數據通過位移數據采集儀進行采集；溫度監測裝置、含水量監測裝置的數據通過多功能數據采集儀進行采集。位移數據采集儀、圖像數據分析儀、多功能數據采集儀處理后的數據通過衛星通信模塊傳輸至上位機，從而實現對凍土區斜坡的實時監測。

3.3 在坡地漫流、飽冰凍土、洼地漫流、凍脹丘和換填管段等凍脹高風險區域安裝半機械式位移監測裝置，其工作原理是通過在管道附近安裝坐標系基準樁，在管道上安裝位移監測標志桿，利用全站儀定期或不定期對標志桿指定點進行坐標測量，獲得監測數據并進行對比，來獲取管道的運行情況。

4 凍脹治理措施

根據管道沿線多年凍土地質條件、管道熱應力、凍脹類型，采取如下治理措施：

4.1 提高管道壁厚

對于多年凍土區的富冰凍土地段，通過增加管材壁厚能克服多年凍土區差異性變形對管道帶來的凍害，采取傳統敷設方式。管道敷設斷面圖如圖1所示。

4.2 保溫

對于管底飽冰多年凍土層較厚，管底多年凍土融化呈可塑或硬塑地段、小型河流穿越地段，采取保溫敷設方式。管道敷設斷面圖如圖2所示。

4.3 保溫+換填

對于管底飽冰、含土冰層多年凍土層較厚，多年凍土融化后為軟塑、流塑狀態的地段，采取“保溫+換填”的敷設方式。管道敷設斷面圖如圖3所示。

4.4 破冰泄壓，覆冰保溫，配合隔離通道

對于凍脹丘、冰椎等不良凍土現象地段，采取破冰泄壓，覆冰保溫，配合防水隔離通道方式進行治理。破冰可以泄放冰椎壓力，泄放的水流凍結后對管道起到保溫作用，修筑防水隔離通道可以將地下水匯集起來，排至管道以外，防止冰椎、冰丘再次出現。

5 案例分析

漠大管道出現過較大冰錐，并且成長很快，3天內管道上方的冰面升高了約50cm，最高處相對于自然地面隆起約2.9米，表面冰層厚度約150cm，冰椎如圖4所示，地表裂紋嚴重。

經過現場調查后畫出該區域的地形圖，如圖5所示。從圖5可知，管道與一條河流交叉。冬季地表先凍結，水流通道受到管道和公路的阻斷，隨著凍結過程的發展，冰下的水繼續凍結，將表面的冰拱起。水流的持續補充使該過程快速持續發展，最后形成冰椎。整個冰椎的發展過程如圖6所示。

針對該冰椎的形成原因，采取了開挖表層凍結面，將水流壓力泄放的措施，如圖7所示。為了更好地泄放水壓，防止未凍結水對冰椎的繼續補充，可以在泄放點修筑排水通道。泄放處的水在管道表面凍結，形成保溫層，可以阻止持續凍結。排水和保溫措施消除了凍脹的發生條件，保證了管道安全。

6 結論

高寒凍土地區的凍脹災害是影響管道運行的重要風險，了解掌握凍脹形成的機理及產生原因，進而采取有效的監測方法及治理措施，做到早發現、早處理，將凍脹對管道的危害降到最小程度，來保證輸油管道正常運行。

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