大小兴安岭多年冻土区输油管线地质灾害成因及防治

孙永泉，马永娴，王立勇，董学良

(黑龙江省九O四水文地质工程地质勘察院，黑龙江哈尔滨 150030)

多年冻土区油气管道沿线地质灾害是我国管道安全的主要风险源之一，造成多年冻土灾害的原因是气温和人为活动引起的地温变化，导致多年冻土表层冻融层的冻融变化，产生各种冻融现象。随着对多年冻土认识的逐步深入，在多年冻土的勘察、管道的修建及灾害防治方面取得了一些认识。本文根据多年对大小兴安岭多年冻土区已有管道工程的勘察监测，对多年冻土有关问题及管道敷设方式作一论述，对比出防治多年冻土灾害的有效措施及今后工作建议。

1 区域自然地理概况

黑龙江省大小兴安岭多年冻土属于高纬度多年冻土，含冰量高，分为大片连续多年冻土区(Ⅰ)、岛状融区多年冻土区(Ⅱ)、岛状多年冻土区(Ⅲ)、季节冻土区(IV)(图1)。其中连续多年冻土区位于大兴安岭西坡北部，西部与内蒙接壤，北边以黑龙江为界，东边沿大兴安岭脊线东侧向北至漠河一带，呈大片分布，气候条件属寒温带，年平均气温在-5℃以下，年地温一般为-1.0～2.0℃，最低可达-4.0～-4.4℃。一年有7～8个月为冰冻期。冰层厚度由数厘米至三、四米。季节融化深度较小，一般只有0.3～1.5 m。岛状融区冻土区年平均气温在-3～5℃下，年地温为-0.5～1.5℃，季节融化深度一般在0.5～2.5 m。大小兴安岭多年冻土由大片连续性至岛状分布，冻土厚度由50～100 m降低至5～20 m，平均地温和气温由北向南逐渐升高(表1)，大约纬度每降低1°，气温升高1℃，年平均地温升高 0.5℃［1～2］。

表1 我国东北地区多年冻土的主要特征Table 1 The main features of permafrost in Northeast China

图1 大小兴安岭多年冻土分区图Fig.1 Subarea graphs of permafrost region in Daxiaoxinganling

2 输油管道选择类型及其适用性

国内冻土地区管道敷设方式主要有三种，分别为地上式、地面式、地下式。

(1)地上式是采用柱、桩基础把管道架空起来。可保持原土天然状态及连续冻土植物原生状态，不会因冻土引发的地质灾害破坏管道，保证管线正常运营。它涉及基础与冻土间的热交换计算、管道的保温层厚度、基础的冻胀与融沉变形等问题。为了减少油管热量通过桩、柱基础向冻土传热，采用热虹吸管作为管道的桩、柱基础，使冻土地基始终保持冻结状态，保证构筑物的稳定性。该方式主要适用于多年冻土中热敏感性很强的富冰、饱冰和含土冰层地带。美国的阿拉斯加输油管道即采用此方式［3］。

(2)地面式为地面平铺、路堤式。该法同样要求保持多年冻土原生状态，涉及地基与管道间的热交换计算、管道保温层厚度，底垫层的隔热保温材料、地基土的热物理特性、堤高的确定及地基的冻胀与热融下沉等问题。东北大兴安岭多年冻土区的城市、林业局、铁路供水管道及部分输油管道都采用路堤式，至今运行正常。

(3)地下式即埋入式。该方式最不适合大片连续多年冻土区，容易引起冻胀融沉及坍滑。在大兴安岭输油管道建设中采用此方法的地段多为地质灾害多发区，至今仍在治理中。其主要适用于含冰量相对较少，冰层厚度较小的干燥型冻土。我国青藏高原的格尔木至拉萨的输油管道即采用埋入式。

国外部分多年冻土区管道敷设采用保持地基土冻结状态法，在特殊地段修建专门的地下钢筋混凝土廊道，管道置于廊道中，减少管道介质热量向周围冻土传递，保持地基承载力。同一廊道可以安装不同管线，有利于检查和维修［4～5］。

黑龙江省大小兴安岭多年冻土不同于青藏高原冻土，属于热敏感性很强的富冰、饱冰冻土层，该区已有的管道工程中，管道敷设方式采用地上式、地面式，多年来运行正常，而采用地埋式的管道引发的地质灾害频发，治理不断。因此，大小兴安岭多年冻土管道敷设方式应选择地上式或地面式。

3 输油管线地质灾害成因

研究区的连续多年冻土区，不论水平方向还是垂直方向，冻土基本是连续的，由于冻土的温度较低、且稳定，对冻土保存有利，因此，管道建设工程应采用保护冻土的设计原则，不应破坏冻土。在大兴安岭多年冻土区管道敷设选择前，由于对其多年冻土地温、含冰情况调查不深，研究不够，特点分析不足，仅借鉴季节冻土经验，往往导致选择不当。而对输油管道敷设方式选择不当易引发不良地质现象，导致地质灾害频发，影响管道正常运营。

3.1 多年冻土区不良地质现象

多年冻土区地表层在反复冻融作用下产生物质分异并重新组合。冻结时，水分冻结集中成冰，产生膨胀，地表隆起或在地表聚冰。融化时，地表积水渗入土层中，使地下冰融化导致地面沉陷、滑塌，产生一系列不良的冻土地质现象(图2)。

(1)冻胀丘

多年冻土区的季节融化层双向冻结，地下水的过水断面受阻，造成局部承压状态，产生聚冰层。当地下水的压力和冰层膨胀力超过上覆土层强度时地表发生隆起，形成了冻胀丘。

(2)冰椎

地下水出露和有地表水的地段均可形成冰椎。承压水通过地层、河湖水面的裂隙流出地表，形成冰椎。直径可达2～3 m，有的呈冰坡、冰漫延伸几十米乃至数百米，按水源补给条件可将冰椎分为河冰椎和泉水冰椎两种。

(3)冻土沼泽

冻土沼泽湿地是本区主要的湿地，分布范围广，沼泽湿地表层一般为腐殖质土及泥炭层，厚为几十厘米甚至达1～2 m，含冰量大，上限之下甚至有不规则厚层地下冰，是本区最差的冻土工程地质地段。

(4)热融沉陷、滑塌

冻融层融化使地面发生沉陷，形成沉陷漏斗、浅洼地及盆地，甚至形成热陷湖。草皮和土层失去支撑沿坡下滑或塌落，形成泥石流堆积物［6～7］。

图2 冻土不良地质现象地貌示意图Fig.2 Disadvantage of geological phenomena in permafrost region

3.2 管道敷设类型选择不当对管道影响

某石油管线沿线多年冻土主要分布于大兴安岭，且为连续多年冻土、岛状融区多年冻土、岛状多年冻土、季节冻土相间，由于其主要的铺设方式为地埋式，开挖深度小于冻土冰层厚度，管道施工对冻土扰动过大，且管道运行之后，会受输送介质温度影响，周围冻土层融化，导致管道沿线地质灾害多发。

冻胀丘和冰椎在形成过程中可使管道不均匀抬升降起，导致管道翘曲变形。冻层融化后，管道周围的土壤中含有大量的液态水，土的承载力急剧下降，压缩性提高，管基产生融沉，管道随之向下弯曲。两者生成和消亡过程较快，引起管道变形速率大，破坏力强。反复的冬季冻胀、夏季融沉对管道的稳定与安全性十分不利。

热融滑塌对管道产生危害:当管道位于坡上方时，滑塌易使管道暴露出地表;当管道位于坡下方时，泥流堆积物易将管道深埋于地下。

另外，管道运行中，周围融化的冻土层，改变了冻土原生状态，破坏了原生冻土结构与构造，即降低管道基地层的冻结强度，在管道周围形成了局部沉陷，管道下沉、弯曲、破坏(图3)。

图3 管道融沉示意图Fig.3 Thaw schematic of pipes

4 地质灾害的防治

在大小兴安岭连续多年冻土区或岛状融区多年冻土，采用地埋式管道敷设，破坏了多年冻土原生状态后容易引发冻土冰层结构变化，冻土中的厚层地下冰一旦产生融化，往往很难制止，工程治理困难，且治理不当可能造成治理工程失效、地质灾害反复等现象，通常耗资很大。

4.1 冻胀融沉防治

4.1.1 前期不当工程防治

在冻土沼泽、湿地地段东北某石油管线曾采用平衡袋压管的方式保护管道保温层以及减少浮管现象。其根据实验确定土的冻拔力，设计相应浮力平衡压袋数量和重量(图4)。但是，虽然冻胀压力可以测定，管道受压情况却很难预测，当平衡压袋压重管工程压力不足时，仍会出现浮管现象。此法难以做到压力平衡，灾害不能根治，不建议使用。

图4 平衡袋压管示意图Fig.4 The schematic of balanced bag pressuring pipe

4.1.2 后期有效工程防治

对于在冻土沼泽、湿地、河漫滩、阶地发生冻胀融沉灾害的管道主要采用抬管释放应力、混凝土桩连系梁支撑架空等治理工程，在融沉区灌注混凝土灌注桩支架管道，即在管道两侧灌注混凝土桩，用连系梁支撑架空管道，灌注桩深度需达到多年冻土上限以下几米，使桩与多年冻土起到锚固作用，防止其整体沉陷。在管道上方进行覆土，形成慢丘管堤，便于生长植被。

此法可减少油管热量向周围冻土传递，进而避免和减少地埋式管道对多年冻土稳定性的破坏，避免冻胀融沉进一步恶化，能有效防治冻胀融沉对管道的破坏。

4.2 坡面灾害防治

在冻土区坡面上发生热融滑塌或水毁时，常规治理工程主要有:抹面护坡、浆砌石片护坡、挡土墙、地下截水墙、地面部分防冰、喷播植草护坡、三维植被网护坡、植物生态袋护坡、管道两侧修建排水沟，避免地表水径流冲刷等。

4.2.1 前期不当工程防治

浆砌石片护坡是在坡面上部砌筑浆砌石，下部修筑浆砌石挡土墙及排水沟，虽较有效地预防了坡面汇水对管堤的冲刷，但坡面两侧的碎石仍有滚落现象，对边坡下部道路、车辆、行人构成危害。

木屑护坡是在管道外部铺设木屑加保温层，其木屑主要采用松木、白桦等木材制作，木屑的最大粒径不宜超过20 mm。但木屑护坡为易燃物，在大兴安岭地区使用不利于森林防火。木屑护坡在阳光的照射下温度高，不利于植被恢复，易受到坡面水流的冲蚀甚至被冲毁。

4.2.2 后期有效工程防治

当坡度大于7°垂直等高线敷设或坡度大于3°且坡面长度超过300 m的长坡面纵向敷设管道时，均应在管沟内设截水消能墙［8］(图5)。应将截水墙伸入管沟侧壁，在顶部铺设0.3～0.5 m厚度的装腐植土的植物生长袋，便于植被的生长和恢复，并在其上部散播紫羊茅增加植被覆盖率，形成草皮护坡。

该法能较好地避免坡面汇水对坡面的冲刷，以及边坡失稳等险情的发生，对管道起到了较好的保护作用，治理效果显著。

图5 截水消能墙Fig.5 Energy dissipation cut-off wall

5 结论

(1)地质灾害的发育是地质环境变化和影响因素综合作用的结果，是不断变化和发展的，对东北多年冻土区管线地质灾害的调查、防治是一项长期的工作。

(2)多年冻土区管道设计时应优先考虑地上式、地面式管道敷设方式;对管道进行应力分析，应充分考虑冻土类型、特点、上限、含冰量及其温度、地形地貌、水文气象等［9］，适当增加管材壁厚、减小管道的径厚比。

(3)水工保护构筑物，应采用适应变形能力大的柔性结构设计，并配置防护措施。

(4)完善管道建设和运营中建立的地质灾害防治管理工作体制，对危害性大的重大地质灾害点，采取工程治理。

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