寒区埋地管道与冻土相互作用研究综述

徐 婷 田怀谷 陈 鹏

（1、西京学院土木工程学院，陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，陕西 西安710000 2、西京学院理学院，陕西 西安710000）

随着国家对油气需求的增长和管道工程技术的成熟，未来我国大量油气管道将穿越多年以及季节性冻土地区。但寒区管道沿线气候恶劣，工程地质条件十分复杂，因此在其施工和运营过程不可避免地破坏冻土环境[1]，使管道的布设及运营面临极大的困难。

寒区油气管道病害主要有管沟融陷、冻胀融沉以及热熔滑坡三种。管道受冻土环境变化的影响也会发生翘曲变形断裂等。研究表明，埋地管道的屈曲剧变主要是由于不同的冻胀和解冻沉降引起的。

然而，至今对于管道围岩土的冻胀融沉变形量的测定、计算和预测都面临诸多困难，寒区管道工程的建设对于我国来说具有重大的战略意义。因此，研究寒区管道与土相互作用具有重大的意义，寒区管道的设计应考虑土体的冻胀融沉和管道在多年冻土(稳定)与解冻或浅层冻土地形(隆起)或融化区的过渡过程中的相互作用。

1 寒区埋地管道管沟融陷机理

1.1 管沟融陷机理

寒区油气管道病害主要有管沟融陷、冻胀融沉以及边坡蠕滑三种，一般来说，管道在埋设完成后会形成几十厘米高的自然土堤，可以起到保护及防水的作用。但是在发生融陷病害的管线处形成了深、宽约2m 的沟壑，极大的影响了管道的运行安全。对于寒区管道的融陷问题应及时提出治理措施，以保证管道能安全运行。

由文献[2]知，布设地质勘探孔，进行钻孔取样，依样绘制地层直方图，确定地层剖面，得到地层特征。通过测试该区域的土壤含水率，得出输油气管道埋设位置土体为腐蚀土，其含水量较大，并且受季节温度影响较大，融化后土壤易发生严重沉降，在季节性温升和管道热释放的影响下，在管沟位置会形成较大范围的融化槽，加剧了管道周围土体的融化和下沉。在上述因素的综合作用下，联合导致寒区埋地管沟发生严重的融陷病害。

1.2 管沟融陷防治

寒区油气管道病害防治主要有三条原则：保护冻土原则，破坏冻土原则和允许冻土地基逐渐融化原则[3]。针对低温多年冻土和大面积连续多年冻土，一般基于保护多年冻土原则为主。因此，通过选择合理的施工季节，给管道设置隔热保温的措施，确定合理的管道埋深，并加强监测和管理，以防止管道发生管沟融陷。

2 寒区埋地管道冻胀融沉机理

2.1 冻胀机理

当土壤温度降到0 度以下时，由于周围土壤形成冰透镜体和相变（水到冰），就会发生冻胀。在形成冰透镜的情况下，土壤的向上膨胀可能会变得更加厚，从而垂直触发埋地管道上升。根据冰透镜的形成，冻胀需要三个基本的形成条件：解冻土壤中的温度，从温暖的一侧迁移到冻结前沿的水源，以及允许自由水通过冻土迁移的易受霜冻影响的土壤。如果这些基本条件中的任何一个被改变或破坏，冻胀就会减少或消除[4]。这些理论已被纳入数值模型，为模拟冻胀- 管道相互作用提供了有用的技术工具。

冻胀与埋地管道的相互作用是管道设计中的主要考虑因素。如图1 所示给出了冻胀埋地管道相互作用，埋地管道的稳定性取决于冻土的强度，管道向上移动的能力取决于周围土体的抗拔能力。当冻土抗拔能力较弱时，埋地管道的弯曲应变较小[5]。在埋地管道周围或地下采取保温措施，可以有效地缓解冻胀体的发育，防止地下水在管道下土壤中的迁移。

图1 冻胀埋地管道相互作用

2.2 冻融沉降

当富含冰的土壤融化时，土壤颗粒就会沉降下来，土壤的体积变化将由相变化(冰到水)和多余的水从土壤中迁移而产生。然后，沉降解冻，解冻土壤达到新的平衡条件。解冻沉降与埋地管道的相互作用，多年冻土地基的热响应易受地表扰动、沟槽和管道施工的影响。

当富含冰的冻土迅速融化时，会产生额外的孔隙水压力，从而削弱管道下土壤的承载能力以及管道周围的附加浮力，并导致管道的沉降。在岩土工程设计中，在寒区管道工程的全生命周期中，应考虑管道的温度变化和稳定性。缓解冻融沉降的方法有增加管道埋深、提高管道壁厚或提高管线钢强度等。

3 寒区埋地管道边坡蠕滑机理

边坡蠕滑区滑坡的形成包括内因和外因。其中，内部因素包括地形地貌因素、岩土特征、地质构造因素、水文地质条件等；外部因素包括持续暴雨、地震作用和人类活动，二者是相互联系、相互作用的。由于寒区冻土中冰的存在和冰- 土胶结构的特殊性，边坡的蠕变成为该区冻土的变形特征。由于土的冻胀，土颗粒向下坡运动，斜坡土(岩)体在很低的应力水平下即可表现出蠕变行为。输气管道穿越低山、丘陵等地带区，通常在坡度较大、层上水发育、暴雨频发等区域极易发生坡面滑塌等灾害，在极端天气条件下，地表容易形成沟状、面状冲蚀，埋地管道上部覆土被冲走，管道被冲出裸露，严重威胁正常运行。

4 结论与展望

在寒区，埋地管道与冻土的相互作用必须要考虑和防治寒区油气管道的管沟融陷、冻胀融沉以及边坡蠕滑三种病害。利用已建管道工程的现场试验、埋地管道的试验以及埋地管道的理论和数值模拟，研究了管道与土的相互作用。但由于埋地管道与冻土相互作用过程的复杂性，考虑温度梯度的变化对冻土条件的影响，必须进行大量试验，研究埋地管道与冻胀融沉相互作用的物理机制，并通过模型研究、数值模拟、理论研究等研究方法来研究埋地管道的力学行为并对该类边坡的蠕滑进行预报。