多年冻土区输油管道工程中的(差异性)融沉和冻胀问题

多年冻土区石油和经济开发不断推动输油管道技术的发展,但是多年冻土区输油管道的(差异性)融沉和冻胀问题仍是关键性难题.寒区管道设计和施工必须考虑沿线的地形和环境条件对冻胀和融沉,以及相应的管道工程基础和结构整体性的影响.阿拉斯加输油管道工程取得成功的原因在于充足的科研投入、讨论和决策时间,以及最终采用的一系列创新设计来保护多年冻土和抑制融沉.这些研究围绕的关键问题是温热油管在多年冻土中的水热效应和差异性融沉和冻胀所导致的管道变形破坏,这些研究对可能出现问题的及早发现、充分理解和正确预测以及最终合理的设计、施工和维护至关重要.罗曼井和格拉线环境温度输油管道在20a左右的运营中,冻胀和融沉都比较显著.准确预测管道和围岩土的冻胀和融沉需要详细的观测研究和模拟试验相结合.在预测的基础上,针对具体问题抑制融沉和冻胀.成功设计、施工和运行寒区输油管道需要科学家、工程师、业界人士和管理部门密切合作.     

天山公路独山子至乔尔玛段冻土特征及其灾害初探

独山子至乔尔玛段公路位于天山达坂海拔较高处,沿线多种冻害(包括热融滑塌、冻胀、冻融泥流及路基融沉等)经常发生,随着整治改建工程的实施,逐渐改变了地气热交换的界面,多年冻土原有的水热平衡遭到了破坏,其结果是通过路基进入多年冻土的热收支呈正平衡发展趋势,积热作用导致了路基下多年冻土的融化,将会引起公路的融化下沉,冻土灾害将趋于严重,本文初步探明了该公路沿线多年冻土的特征,提出了施工和运营中应采取保护冻土的设计原则.     

冻土区输气管道周围土体冻胀融沉研究

管道作为油气资源的最为常用的运输方式之一,穿越不同地质情况的区域,所面临的工程问题各有不同。本文对青海省某冻土区输气管道进行调研,针对出现的管沟融陷、工程构筑物冻胀变形等病害问题,选取典型断面,钻孔埋设温度传感器和沉降磁环测试元器件,对暖季和寒季管道周围土体温度和位移进行监测,研究输气管道周围地温变化及冻胀融沉规律,为冻土区输油气管道的设计、施工、运营、病害治理提供借鉴。研究表明:该冻土区寒暖季地表地温随气温波动较大,越靠近管道,地温年振幅越大;该区域冻土地温范围为-2~-1℃,地温带类型属基本稳定带,正温输气的热扰动,导致周围土体融沉;管道正上方受管道放热影响,地温均为正温,影响范围约1.5m;在近管道处,深度1~4m,地温受多重因素影响,深度4m以下,地温年较差较小,均为负温;冻胀由深处向上发生,时间上有滞后性;10月和11月为冻融剧烈时间段,应及时监测预警。     

青藏高原冻土地区岩土工程研究进展与思考

我国青藏高原地区 ,广泛分布着性质极为特殊的多年冻土。近年来 ,随着国民经济建设、旅游业以及国防建设的发展 ,交通运输需求量的加大 ,许多工程建筑修筑于冻土地基之上。这不仅带来许多复杂的工程地质与岩土工程问题 ,同时也促进了冻土的开发和利用。主要总结了目前冻土在力学特性、地基处理以及环境变化等诸多方面的研究成果 ,指出了冻土研究的应用前景 ,对我国多年冻土地区工程的建设 ,尤其对青藏铁路建设具有积极的指导意义     

高温多年冻土区冻土地基预先融化技术研究现状及展望

在气候变暖背景下,多年冻土退化加剧,高温冻土将会在更大范围出现,保护冻土原则的适用性将受到经济、技术、环保合理性的挑战.在条件适宜高温冻土区,根据建筑结构和基础类型,采用预先融化技术(简称预融技术)处理冻土地基可在经济合理的前提下,保证工程的安全可靠性和长期稳定性.回顾了国内外冻土区预先融化技术的经验,总结和展望了预融技术在工程设计、施工及运行中的三个基本步骤,包括施工前多年冻土的融化、已融土的密实和固结,工程运行期间保持融化和防止冻胀措施的实施.预融技术主要利用蒸汽,热、冷水的对流换热和电流热效应,以及改变地表热状况来融化下伏多年冻土.保持融化的方法主要包括改变地表反射率和地基土的结构,融土保温以及利用主动和被动升温传热装置等(如热管技术).结合中国东北的一些预融技术运用实例,如漠河机场工程等,简要评述了预融技术的应用效果.     

BP神经网络在冻土路基变形预测中的应用

在青藏铁路冻土路基现场实测资料的基础上,用改进的BP神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射.对某一典型路基第30年的变形进行了预测,结果显示路基的累计融沉量在冻胀量的两倍以上.从绘制的路基变形过程曲线可以很清晰地看出路基一年中的变形趋势和冻胀融沉区间.在4月份以后,路基的变形由冻胀向融沉转变,变形与地温有很好的正比关系,但是当地温升高到一定值时,路基的融沉量便不再随着地温的升高而增大.路基的冻胀与地温的关系也有相似的规律,说明地温对路基变形的影响存在一个比较明显的区间,在这个区间范围内的温度对路基变形的影响较大,这为控制路基的病害提供了一个比较有价值的信息.     

东北大兴安岭多年冻土区工程地质特征及评价

土体在冻结状态具有极高的压缩模量, 具有弹性体的工程地质特征。但是在冻土地温升高过程中, 这种特征急剧衰减, 产生蠕变和流变, 建筑物地基强度降低, 导致建筑物基础破坏。同时土体在冻结过程中产生的冻胀作用也将导致建筑物基础的破坏。东北大兴安岭地区多年冻土为高纬度低海拔多年冻土, 其分布具有明显纬度地带性特点。本文在分析该区多年冻土分布特征及冻土工程地质特点的基础上, 对由于土体的冻胀和融沉导致的建筑物基础的危害进行分类研究, 针对性的提出了用热棒降低土体温度以保证多年冻土稳定及用排水的方法减少水对建筑物地基多年冻土影响的工程病害处理措施。     

冻土区管土相互作用研究综述

管道是长距离输送天然气或石油的最经济有效的工具之一,当管道穿越冻土区时,将面临土体冻胀融沉作用引起的管道弯曲变形和破坏,管土之间的相互作用为冻土区管道设计和运营的重要考虑因素。简述目前世界上主要的穿越冻土区管道工程（罗曼井管道、俄罗斯远东地区管道、美国阿拉斯加管道及中国寒区管道网）的设计理论发展,归纳总结了管土相互作用室内外相关试验、数值模拟分析理论和方法等方面的研究成果和发展现状,并针对冻土区管土相互作用的研究提出进一步的研究展望。     

InSAR技术在多年冻土区形变监测的应用

作为大地测量的一种新兴空间技术,合成孔径雷达干涉（synthetic aperture radar interferometry, InSAR）具有全天时、高精度、大范围和速度快的优点,逐渐被应用于多年冻土区地表形变监测中。通过综述多年冻土形变原理及InSAR监测多年冻土形变的应用实例,研究表明：在气候变暖的背景下,多年冻土区地表年际形变以下沉为主,多年冻土上限附近地下冰含量的大小是影响年际形变量的主要因素;活动层内土壤含水量影响着地表季节形变量的大小,不同类型多年冻土区的地表年际形变量和季节形变量存在着较大的差异。研究还表明,不同波长的SAR产品在不同类型多年冻土区的适用性不同,下垫面特征对利用InSAR获取地表形变量有较大影响,L波段的SAR数据在植被覆盖度较好的区域有更好的效果。由于InSAR的失相干问题,加之目前还缺少长时间、多类型、高频率的实测形变结果作为验证和标校数据,获取准确且连续的大范围形变数据较为困难。针对目前寒区研究需求,布设野外长期观测站点,建立适用于不同多年冻土区的地表形变反演算法,构建具有较高精度和较高时空分辨率的地表形变数据集具有重要的实践和科学意义。     

差分干涉SAR冻土形变检测方法研究

季节性冻融导致的地表形变是冻土地区工程建设的主要病害,冻土的冻胀和融沉是影响青藏公路以及目前建设的青藏铁路路基稳定的重要因素.近年来,差分干涉测量技术已成为地表形变测量和监测的重要工具.基于重复轨道的ERS 1/2雷达图像,研究了利用干涉SAR技术探测冻土形变的方法,经过对引入DEM差分干涉SAR技术的处理和分析,得到研究区冻土形变结果.通过与实测数据比较,表明重轨差分干涉测量可以精确地探测冻土表面形变,可用于青藏铁路冻土形变监测.     

中俄原油管道漠大线运营后面临一些冻害问题及防治措施建议

基于世界上几条多年冻土区修建输油气管道的经验,结合我国境内的中俄原油管道漠河－大庆段（漠大线）现场调查、油温监测和探地雷达等勘察结果,研究漠大线运营后可能面临的主要冻害问题、形成过程、影响因素、成灾机制、管道影响,提出预防和防治措施建议及进一步需要研究的主要问题。研究发现,目前漠大线面临的主要冻害问题包括融沉、冻胀丘、冰椎、冻土斜坡、冰刨蚀和潜在冻胀等,在管道持续运行和环境条件改变下,这些冻融灾害可能对管道造成一定的不利影响甚至破坏。现场油温监测显示,在2011年和2012年最低和最高油温分别为0.42 ℃和16.2 ℃,全年的正油温运行是造成目前管道周围冻土融沉的主要原因。冬季部分地段出现的冻胀丘、冰椎以及浮冰对管道形成一定的潜在威胁。研究成果为中俄原油管道漠大线以及规划建设的中俄原油管道二线、中俄输气管道、格尔木－拉萨输油管道改造工程以及其他多年冻土区输油气管道设计、施工、运营和维护提供参考和依据。     

青藏铁路多年冻土区涵洞基础的冻融变形特征

对青藏铁路沱沱河试验段两座拼装式涵洞进行了地基地温及冻融变形监测，分析了涵洞多年冻土上限处的地温变化及地基的冻融变形特征。结果表明：涵洞地基的变形随地温的年波动变化。可分为冻胀和融沉两部分。冻胀变形小于下沉变形，涵洞基础的变形整体上表现为渐减沉降的特征；铁路路基及涵洞的修建改变了多年冻土原来的水热平衡，使涵洞多年冻土上限处地温产生正温波动，冻土上限产生变化。导致了涵洞地基土体沿涵洞纵向的不均匀变形。     

冻土区埋地油气管道应变监测及预报系统

简述了冻土灾害对埋地油气管道的影响。重点阐述了冻土区埋地油气管道基于应变的监测和评价方法。介绍了应变监测预报系统的开发及在漠大输油管道的应用。在此基础上提出:管道应变监测及其分析评价技术是保证管道安全运行的有效措施之一;通过建立应变监测预报系统,可以有效辅助管道的运行维护和管道地质灾害的减灾治理。     

寒区输油管道基于应变设计的极限状态研究

寒区输油管线沿线地质环境复杂,滑坡、冻胀、融沉等自然灾害会导致管道形成大差异变形量.而差异变形量所引起的应力应变行为直接影响管道的安全服役性能,严重时会使管道破坏失效.基于寒区输油管道在实际服役工况下的受力变形条件,充分考虑冻胀效应、油压效应和热应力效应对输油管道的影响,分析了不同长度、壁厚、油压条件下轴向拉伸应变的分布规律及其影响因素.基于轴向应变设计理论准则,建立了上述条件下输油管道的极限服役状态,得到了对应状态下输油管道的许应最大极限冻胀变形量.结果分析表明,采用基于应力的设计准则偏保守,采用基于轴向应变的设计准则能更多的利用管材的变形性能.可为管道的合理设计、安全评价、完整性管理提供一定的理论参考.     

漠河-加格达奇段多年冻土区中俄原油管道运营以来的次生地质灾害研究——以MDX364处的季节性冻胀丘为例

通过对中俄原油管道漠河-加格达奇段多年冻土区的现场勘查研究, 统计了管道运营以来出现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、水毁、冻胀丘、冰椎等. 在研究区域特定的气候背景下, 管道的修建和季节性变化的正油温运营, 破坏了管道周围冻土的水热平衡, 使得管道周围土体出现差异性冻胀和融沉, 这种差异性位移量的累积对管道安全稳定长期运营造成了威胁. 以管道里程MDX364处的冻胀丘为例, 利用探地雷达进行了现场探测. 结果表明: 管道周围存在的融区为冻胀丘的发生和发展提供了水源补给通道, 管道的热影响加速了冻胀丘的发展和消融, 2014年3-10月管道周围地表产生的差异性位移超过了1.1 m. 针对该次生开放型季节冻胀丘, 提出了修筑或疏通管道附近的排水通道、钻孔放水和保温排水渗沟等防治措施. 研究成果能为中俄原油管道的安全稳定运营提供技术支撑, 为其他冻土区管道设计施工和运营维护提供参考和依据.     

多年冻土地区构筑物沉降变形分析

根据现场观测和数值分析,将多年冻土地区构筑物的沉降变形归结为几个具有不同机制的物理力学过程共同作用所致。伴随着冻土上限下降所产生的融沉,由于构筑物的修建引起多年冻土层升温而产生的高温冻土的蠕变和活动层的未冻土在暖季发生的蠕变,以及由于活动层中冻融循环改变了土的工程性质而导致的附加沉降变形。基于青藏公路和青藏铁路的修建和维护的实践,分析了以上几个可能引起沉降的原因。     

气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响

受气温变化影响,浅层冻土滑坡失稳涉及水分的固液相态转换,是一个复杂的水热力耦合过程。为揭示气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响,基于冻土水热力耦合数值模型,模拟了2020—2024年青海省多年冻土区斜坡水热力演化过程。研究结果表明：水分迁移速率呈周期性变化,每年5—10月活动层融化程度高,总体积含水率变化趋势显著;夏季多年冻土上限以下的高含冰量土层融化产生厚度约15 cm的富水层,孔隙水压难以消散;4年间多年冻土上限下移10.4 cm,导致活动层和富水层的厚度增大,上覆融土下滑力增大、抗滑力减小,土体抗剪强度进一步下降;活动层土体每年产生数厘米冻胀融沉变形,抗剪强度不断劣化,坡脚处最容易形成薄弱带。     

冻土区块石夹层路基防冻胀翻浆效果试验研究

基于对冻土区路基冻胀翻浆病害机制的分析,提出了一种综合利用透水土工布、块碎石层和防水土工布的新型防道路冻胀翻浆的路基结构,并通过室内模型试验研究其防冻胀翻浆效果。结果表明：与普通路基相比,不论环境温度最高还是最低时,新型综合防冻胀翻浆路基不但能有效地降低路基内的温度,具有良好的降温效果;而且能大幅度地减小路基内的含水率,并且含水率减小率随着气温周期循环的增加呈线性增大的趋势,这对防止冻胀翻浆病害的发生是有利的;此外,新型综合防冻胀翻浆路基结构有成本低、易于施工等特点,极具工程应用前景。