中俄原油管道漠河大庆段地基土融沉稳定性评价研究.docx
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中俄原油管道漠河大庆段地基土融沉稳定性评价研究
中俄原油管道（漠河—大庆段）地基土融沉稳定性评价研究
JournalofEngineeringGeology工程地质1004—9665/2010/18
（2）.0241.11
中俄原油管道（漠河一大庆段）地基土融沉稳定性评
价研究'
吉延峻①②金会军②王国尚①张建民②
（①甘肃省电力设计院兰州730050）
（②中国科学院冻土工程国家重点实验室兰州730000）
摘要中国.俄罗斯原油管道工程（简称中俄原油管道）规划全长1035km,中国境内段965km,俄罗斯境内段70km.中俄
原油管道（漠河一大庆段）穿越约500km多年冻土区,沿途地形起伏,水系和沼泽发育,冻土工程地质条件复杂,影响因素多
样.提出以管道地基土的最大融沉变形量为评价准则,以多年冻土的年平均地温和含冰量为评价指标,对多年冻土进行工程
分类,并依据分类结果进行评价.依据计算结果以一1.0℃和一2.0℃对中俄原油管道沿线多年冻土进行冻土工程分类.具体
分为:
稳定型,过渡型,高温不稳定型（一1.0—一2.0~C）以及极高温极不稳定型（≥一1.0~C）.分别对应良好,较好,不良以及极
差评价结果,并以此为基准选择传统埋设,埋设,埋设+换填,埋设+换填+隔热或架设等管基设计原则.对管道沿线约430km
多年冻土区进行了详细和逐段的评价.评价结果表明评价指标简单,实用,评价结果合理,恰当,可推荐在其它多年冻土区类
似管道工程中使用.
关键词中俄原油管道多年冻土融沉稳定性融沉破坏
中图分类号:
P642文献标识码:
A
THAW.STABILITYASSESSMENToFTHEPERMAFRoSTFoUNDATIoN
SoILALoNGTHEPRoPoSEDCHINA.RUSSIACRUDEoILPIPELINE
FRoMMoHEToDAQING
j1Yanjun①②JINHuijun②WANGGuoshang①ZHANGJianming②
（①GansuElectricPowerDesignInstitute,Lanzhou730050）
（（~StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000）
AbstractTheproposedChina—RussiaCrudeOilPipelinerunsthroughthepermafrostareaforabout500km,
acrossmountains,forestsandwetlandswithcomplicatedfrozen—groundengineeringgeologicalconditions.Themaxi-
mumallowablethawsettlementofpipelinefoundationsoilsischosenastheassessmentcriterion.Usingthemeaning
annualgroundtemperatureandicecontentofpermafrostastheassessmentindices,thepermafrostalongthepipeline
routewasclassifiedintofourtypes（accordingto一1.0and一2.0℃）:
thermally-stablepermafrostand—transitorycold
permafrost,thaw—unstablewarl"npermafrost（-1.0～-2.0℃）andextremelyunstablewalTnpermafrost（≥一1.0~C）.
Therecommendedconstructionmodesincludeconventionalburia1,insulatedburial,drainagecontro1,refillwithnon.
收稿日期:
2009—1l一04;收到修改稿日期:
2010—01—26.
基金项目:
中国科学院百人计划项目"气候变化条件下,寒区线性工程基础稳定性研究一以海拉尔-大庆输油管道为工程实例"（048181）;
中国科学院知识创新重要方向性项目（KZCX2一Yw-311）.
第一作者简介:
吉延峻,硕士,从事岩土工程稳定性评价研究.Email:
jiyanjun@
JournalofEngineeringGeology工程地质2010
frost—susceptilbleand/orthaw—stablesoils,elevation,andevenabovegroundbent/dikewithorwithoutdrainagecon—
tro1.Usingthisassessmentsystem,about430kmofpermafrostofthepipelineroutehasbeenevaluatedindetail.
Theassessmentsystemissimpleincriteria,andhasresultedinappropriateandpracticalproducts.
KeywordsChina—RussiaCrudeOilPipeline,permafrost,thawstability,thawsettlement
1引言
中俄石油管道属于俄罗斯"东西伯利亚一太平
洋"石油管道的一条支线.管道由北向南沿大兴安
岭东坡延伸,自俄罗斯境内的斯科沃罗季诺经加林
达进人中国,经连,兴安,22站林场,塔河,新林,
大杨气,加格达齐,大杨树,最终到达大庆林源站,穿
越黑龙江北部和内蒙古东部J.管道采用常温密
闭输送工艺,管道的年输油能力按照3×lOt?
a～.
设计管径为914mm,系统设计压力等级推荐采用
8.OMPa（局部9.0和lO.OMPa）.设计输油温度在
冬季工况下斯科沃罗季诺和漠河站出站油温为一
6℃,夏季工况下出站油温为+1O℃,管道设计寿命
50a.中俄原油管道穿越东北北部的大,小兴安岭和
嫩江河谷大约500km多年冻土区（漠河一大杨树）,
465km的季节冻土区（大杨树一大庆）（图1）.沿
途地形起伏,水系和沼泽发育,冻土工程地质条件复
杂,影响因素多样J.
120~122.124o126.128o130~
120.122.124.126~128.130.
图1管道沿线冻土分布图
Fig.1Profileoffrozengrounddistribution
fortheChina-RussiaPipeLine
应中国石油天然气管道工程有限公司和大庆油
田工程有限公司的委托,根据最新冻土勘察和资料
搜集分析结果,结合多年冻土区道路工程的冻土工
程分类经验,以中俄原油管道在运行期间管道
地基土的融沉变形量为评价准则,以影响多年冻土
稳定性的年平均地温和含冰量为评价指标,对管道
沿线多年冻土进行工程分类.
2详细评价过程
2.1评价系统简介
该评价系统采用多年冻土的最终融沉变形量来
评价多年冻土的稳定性,评价指标为冻土类型和年
平均地温.首先通过数值模拟计算管道在使用年限
内,各种类型冻土在各温度指标下的上限变化.在
上述计算结果的基础上,依据各类冻土的融沉系数
计算最大融沉变形量,将计算结果填人年平均地温
及含冰类型条件F管道地基的融沉变形量表.最后
根据在初始设定条件下管道的允许变形范围确定管
道地基在各种年平均地温条件下的融沉稳定性,即
当管基融沉变形量超过管道最大允许变形量时,管
道就处于不稳定状态,需要选择相应管道敷设方式
或对管基土进行特殊处理.依照上述方法从而最终
确定评价所用的年平均地温值,在应用中可依据该
值确定冻土的工程分类.评价基本流程如图2.
2.2冻土工程地质基本设定
为合理简化影响因素和稳定性评价过程,结合
中俄原油管道实际建设过程和中国东北多年冻土区
的冻土赋存和发育现状,并考虑沿线冻土工程地质
实际情况的复杂性,多变性,以及影响因素的多样
性,对该区冻土工程地质条件做出如下基本设定:
（1）冻土赋存和发育条件,给水和排水条件:
主
要根据钻孔揭示的天然含水量,地质背景,以及所在
位置的地形,坡度,坡向,地表植被等特征判断.
（2）多年冻土地温主要是实测或依据过去的冻
土温度（管道埋设深度范围内）得到;无资料时,参
考气温.本评价系统中的年平均地温均采用年平均
地表温度.
（3）多年冻土地区,重点考虑融沉产生的影响,
兼顾冻胀影响;季节冻土和融区（含多年冻土在管
道影响下的融化圈）重点考虑冻胀产生的影响.油
18
（2）吉延峻等:
中俄原油管道（漠河一大庆段）地基土融沉稳定性评价研究243
气温,地温资料
对比管基土最大
建立相关数学确定相应的
水文资料分析资料融沉量与管道最
——
模型,计算使———管基设计原
确定管基评大允许变形量,确
用年限内管基则和敷设方
岩性,钻孔资料价基本设定定冻土分类的年
最大融沉量.A.
平均地温.
管道,油温资料
图2管道工程融沉稳定性评价基本步骤
Fig.2Basicstepsforthaw-stabilityassessmentofpipelineengineering
温影响范围,年变化影响范围按照管道周围3.0～
4.0m考虑,长期变化按照50a考虑.
（4）冻结和融化深度:
该强度的大小与地表植
被类型,地表条件,水分条件,太阳辐射条件,雪盖,
风向,风速,地质条件等诸多因素有关,与土层含水
量,土层导热系数的变化密切相关.为简化评价过
程,根据以往研究成果,归纳简化出几种典型状况:
多年冻土区:
①地表植被良好,但地表较为干燥的山坡,山顶
等地段,融化深度一般为2.0～3.0m.
②地表植被良好,但地表较为湿润的山前缓坡
等,融化深度一般为1.5～2.0m.
③沼泽化湿地,低洼谷地等水分补给良好,且地
表潮湿,饱水等地段,融化深度一般为1.0～1.5m.
季节冻土区（融区）:
①地表植被良好,但地表较为干燥的山坡,山顶
等地段,冻结深度一般为2.5～3.Om左右.
②地表植被良好,但地表较为湿润的山前缓坡
等地段,冻结深度一般为2.0～2.5m左右.
③沼泽化湿地,低洼谷地等水分补给良好,且地
表潮湿,饱水等地段,冻结深度一般为1.5～2.Om
左右.
同时,需要考虑未来50a管道施工和运行期间,
管道热力影响和地表覆被改变条件下的融化和冻结
深度及其发展过程.
（5）为突出冻融循环过程对稳定性的影响,根
据不同土质冻融敏感性,将地质背景按照土质大的
类型进行了简化,简化方案如下:
素填土:
素填土,人工填土
有机土:
淤泥质,泥炭质黏土,腐质土
粉质黏土:
黏土,粉质黏土
粉土:
粉土,细砂
砂土:
砾砂,粗砂,中砂
砾石土:
圆砾,角砾
碎石土:
碎石,卵石,混合土
基岩:
砂岩,花岗岩,安山岩.基岩应区分全风
化和强风化.
（6）地质背景范围:
考虑原油管道下及周围3.0
—
5.Om深度范围内岩性特征及冻土类型.
（7）在工程施工与相互作用引发的工程稳定性
评价过程中,工程条件为设计文件规定的埋设条件.
直接埋设条件为少冰,多冰冻土及基岩埋藏浅地区,
管顶埋深1.2～1.8m;在采用换填的富冰,饱冰冻
土区,管顶埋深1.5～1.8m,管径按照1.0m考
虑.
（8）原油温度:
由俄罗斯方面提供的进人中国
管线原油温度J,即在冬季工况下斯科沃罗季诺和
漠河站出站油温为一6℃,夏季工况下出站油温为+
10℃.
（9）在评价过程中均按照最不利情况,即考虑
裸管对周围土体的影响.
（10）管道沿线多采用8.0和9.0MPa管道油
压,管道壁厚多采用1.25,1.42和1.60cm.基
于安全和适用性考虑,评价采用9.0MPa管道油压
和1.42cm壁厚.通过模拟计算得到,管道在40m
长度范围内,在该油压和壁厚情况下管道最大允许
变形量为25cm』,在冻土工程分类中,以此为标准
进行级别划分.
（11）敷设方式建议:
根据实际工程设计和施工
条件状况,对不同稳定性分别给出如下敷设方式建
议:
①传统埋设:
不采取其它措施,将管道直接埋设
到设计深度.适用于稳定性评价"良好"及部分评
价"较好"的地区.
JournalofEngineeringGeology工程地质2010
②埋设:
外包裹8cm隔热层的管道埋设到设计
深度,适用于稳定性评价"较好"及部分评价"不良"
地区.
③埋设+换填（+部分地段土工布）:
适用于稳定
性评价"不良"地区.
④埋设+换填+隔热（+局部地段热桩）:
适用于
稳定性评价"极差"地区.
⑤架空敷设:
适用于稳定性评价"极差"且存在
冻胀丘地区.
2.3管道地基融化深度计算模型简介
根据以上分析,采用有限元方法,针对管道沿线
不同地温分带（年平均地表温度分别为-0.5,一1.0,
一
1.5,一2.0和一2.5~C）及冻土含冰类型（少冰冻土,
多冰冻土,富冰冻土,饱冰冻土,含土冰层）,综合考
虑大气升温,输油工艺（油温）以及人为活动（清除
地表植被）等影响,对管道地基土在今后50a内的温
度场和变形场进行了数值模拟研究.计算模型简介
如下:
2.3.1数学模型
在冻土温度场计算中,当仅考虑介质的热传导,
冰水相变而忽略热对流和其它作用,并认为未冻水
含量仅是温度的函数时,冻土地基横断面内的温度
场分布可用如下伴有相变问题的二维热传导方程描
述:
p'c警=（A+（A
其中:
C=
=
式中:
P为土的天然容重（km'm）;C为考虑冻
土相变的等效比热（J/kg?
K）,C和c,分别为融土
及冻土的比热;A为土的视导热系数（J/m?
h?
K）,
A和A,分别为融土及冻土的导热系数;L为水的相
变潜热（J/kg）,W和分别为冻土的总含水量及含
冰量;和分别为冻土剧烈相变区的上,下界温
度值（℃）;T为温度变量（℃）,t为时间变量（h）,
和,,为空间变量（m）...
2.3.2计算区域
根据管道预计施工情况,计算中取模型的宽度
为75m.其中,地表两侧各30m为天然地表,中间
15m为施工作业带或防火隔离带,该区域清除植
被.计算深度取为天然地面以下30m.根据中俄
原油管道典型钻孔资料_4J,计算剖面内土层按岩性
分为3层:
0—2.5m为亚砂土,2.5～10m为粉质
黏土,10～30m为全风化砂岩.同时,假定各土层
为分层均质,各向同性（图3）.管道的直径取为
0.9m,埋入地下,管顶距地表2.0m.当采取隔热措
施时,保温材料直接包裹于管道外壁,厚度8.0cm.
I'日m
亚砂土/,
粉质粘土
全风化砂岩
3地基士温度场计算域图
Fig.3Calcu]ationregionalmapfortemperature
fieldof~undationsoils
2.3.3边界条件
根据东北地区气象观测资料,计算区域的上
边界温度条件可以表示为如下的三角函数形式:
HAs（+詈）
式中:
为年平均地表温度（c【=）,为未来50a由
大气升温引起的年平均地表温度的增温率（~C/a）,t
为管道运行时问（h）,A为地表温度的年振幅（oC）,
rr/2为计算的初始相位（对应一年中地表温度最高
的时刻）.根据有关文献资料:
O/:
0.048~C/a;对
天然地表A=18.5c【=,对施工作业带或防火隔离带A
=
20.5~C;施工作业带或防火隔离带相对于天然地
表的年平均地表温度增加值取为1.0℃.
根据此前俄罗斯设计部门提供的相关信息,一
年中最高油温为+10℃,最低油温为一6℃.由于资
料有限,依据实际情况作出如下设定:
①设定油温经过很薄管壁时温度保持不变.
②出于较不利情况考虑,设定管道内油温同样
按正弦规律变化,其相位与地表温度相同,见下式:
T:
2+8sinf+1
≤
≥<≤））≤
><
一
一十一1）
Z"—16,,l/一,
一
～一
斗
18
（2）吉延峻等:
中俄原油管道（漠河一大庆段）地基土融沉稳定性评价研究245
根据钻孔测温资料,东北地区天然地表以下一定深
度内地温梯度的平均值为0.04~C/m,故以此作为计
算区域的下边界条件.考虑到施工作业带或防火隔
离带两侧选取的计算宽度较大,故可将两个侧面设
为绝热边界.
2.3.4初始条件
取不同年平均地表温度条件下=0时的天然
地表温度方程作为上边界条件,计算lOOa后天然场
地的温度场,以此作为计算区域的初始温度.
2.3.5热物理参数
根据有关参考文献l卜,将计算中所需各土层
及保温材料的热物理参数归纳为表1～表4.其中,
土的等效比热是根据不同温度区间内冻土中未冻水
含量或结冰率,考虑水的相变潜热,通过计算而获得
的比热值.
表1各土层及保温材料的热物理参数
Table1Thermophysicalparametersofsoilsandinsulationmaterials
注:
以黏性土为例,位于地表以下2.5～lOm.
表3不同含冰类型土的热物理参数
Table3Thermophysicalparametersofdifferentfrozensoils
注:
以黏性土为例,位于地表以下2.5～10m.
JournalofE,,gineeringGeology工程地质2010
2.4计算结果
2.4.1多年冻土上限变化
将上述边界条件,初始条件以及各土层与保温
材料的热物理参数代人模型中,利用有限元分析软
件MSC.Marc2000进行计算'mJ,得出不同年平均
地表温度与冻土含冰类型条件下裸管管底以下多年
冻土上限随时间的变化进程,如图4所示.由图可
见管道下部多年冻土的融化深度均随管道运行时间
的延长而持续下降,并且这种趋势在管道施工20～
30年以后表现的更为强烈（融化速率增大）.同时,
融化深度随冻土含冰量的增大及年平均地表温度的
降低而减小.当多年冻土的含冰量较大且年平均地
温较高时,其融沉变形量具有相当可观的量级,工程
设计中应给予高度重视.
管道在使用年限（50a）末,各含冰类型冻土上
限下降最大值如表5.
2.4.2管基土融沉变形量
根据以上计算结果,参照不同冻土类型所对应
的融沉系数（表6,其中含土冰层融沉系数取
35%）.
根据地基土融沉变形量计算公式:
AH=H×6o
式中:
△日:
融沉变形量;H:
冻土层厚度;:
融沉系
数.出于较不利因素考虑,计算所采用8.均取各冻
埋地禄瞥（J~lA-o.6℃）
-
1
一
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-4
譬一s—
矗
一
7
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8
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i:
冰层士饱冰冻土+謇冰冻土f,,,
岳多冰冻土十少冰球土卜__
IIIII1
051Ol52025∞364O466o
运行时间/a
埋地裸管（tg~-i.512）
}禽土I屡+饱球壤土+富球冻土
—
自一多冰冻土_..球冻土
表5裸管第50年末冻土上限下降的最大值（m）
Table5Maximumpermafrosttabledescendent
ofbarepipelineattheendof50a
冻土类型
冻土温度——
少冰冻土多冰冻土富冰冻土饱冰冻土含土冰层
一
O.5℃6.604.903.402.2O1.15
一
1.0℃4.803.702.7O1.80O.8O
—
1.5℃3.702.8O2.2O1.500.75
—
2.O℃3.oo2.251.801.2O0.74
—
2.5℃2.401.801.200.950.70
土类型融沉系数的上限.得到不同年平均地温及不
同冻土含冰类型条件下,裸管管底多年冻土在管道
运行期间（50年）的融化变形量（表7）.
根据前述基本设定中管道地基土最大允许变形
量为25cm的变形标准进行稳定性判断,可以得出:
1）少冰冻土和多冰冻土在各年平均地温下均处于
稳定状态:
2）年平均地温为一2.5~C的饱冰冻土和含土冰
层的变形量接近但小于最大允许变形量,处于稳定
边缘,属于过渡类型;
3）年平均地温高于一1.0~C的富冰冻土及年平
均地温高于一2.0c【=的饱冰冻土和含土冰层处于不
稳定状态;
4）年平均地温高于一1.0~C的饱冰冻土和高于一
0.5~C的含土冰层融沉变形量显着,地基土处于极不
.
一
1
墨_2-3
一4
-6
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6
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一
1
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埋地棵管（地温一1.O℃）
一.一
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IIIIl
O51O162o263036∞46鼬
运行时间,a
埋地摄管（~ll-2.012）
——.～'～r''～
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L\'—～k——
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——
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一,\k
,
～
\
\
—
J岳古土球层古锥冰球士+童球球土I,\
l廿多冰球±串少冰砖土
06101520253035404fi50O510lfi20263035|D4680
运行时间/a运行时间,a
图4裸管下冻土上限随时间变化进程
Fig.4Changeprocessofpermafrosttablewithtime
喝'r
Ⅲ,噬
18
（2）吉延峻等:
中俄原油管道（漠河一大庆段）地基土融沉稳定性评价研究247
注:
以粘性土为例
表7裸管管道第50年末融沉变形的最大值（om）
Table7Maximumdeformationofthawsettlementofpipeline
foundationsoil（50a,centimeter）
稳定状态;
3冻土工程分类及评价结果
在中俄原油管道条件下,根据上述计算和融沉
稳定性分析结果,按多年冻土的年平均地温将其分
为极高温冻土（≥一1.0~C）,高温冻土（一1.0～一
2.O℃）和低温冻土（≤一2.0℃）,按照含冰特征将其
分为高含冰量冻土（富冰冻土,饱冰冻土和含土冰
层）以及低含冰量冻土（少冰冻土和多冰冻土）.综
合考虑二者对管道工程地基土稳定性的影响,细分
为四大类型（表8）.
针对以上管道工程冻土分类方案,对应稳定性
评价为:
稳定型一"良好"工程地质地段;过渡型一"较
好"工程地质地段;不稳定型一"不良"工程地质地
段;极不稳定型一"极差"工程地质地段;
依据上述评价原则,对管道全线约430km多年
冻土区融沉稳定性进行评价,详细逐段评价结果如
下（表中使用以下简称:
s一少冰冻土;D一多冰冻土;
F一富冰冻土;B一饱冰冻土;H一含土冰层;R一融
区）:
（表9）.
稳定性评价结果如下汇总如下（表10）:
需要指出的是:
1）管道沿线多年冻土区出现的岛状融区均按
照良好工程地质地段处理;
2）在冰锥和冻胀丘等极差冻土工程地质地段,
考虑到管道工程造价以及原油可能被盗取等问题,
在管道工程建设中并没有采取架空敷设,而是采取
保温和增大管道壁厚进行埋设的措施.
4讨论
冻土是自然界在长期演化过程中地一气交换的
产物.伴随着复杂的冻融循环过程,热质迁
升级会员 