摘要： 冻土灾害是穿越高寒冻土区输油管道安全运营所面临的最严重的威胁，冬季气温降低，冻融循环时土壤中的水分冻结伴随着一系列的水分迁移和热量交换。冻胀灾害的表现形式为冰椎、冻胀丘。冻胀的发展速度很快，局部管道在冻胀力下会发生抬升，产生附加应力，严重影响了管道的安全生产。本文以中俄（漠大）管道高寒冻土区的运行管理为例，描述了冻胀成因、对管道的危害、监测方法及治理措施。通过对管道面临的冻胀风险因素进行识别和评价，进而有针对性的实施风险减缓措施，从而预防事故发生，保证管道安全经济的运行。

关键词： 冻土区管道；冻胀；监测；处理方法

1 引言

高寒冻土区输油管道运行管理及维抢修是世界难题，管道面临冻胀融沉、热熔滑坡等地质灾害。国外Norman Wells输油管道就发生过因冻胀引起的管道翘曲现象，国内格尔木-拉萨管道也发生过管道翘曲露管。中俄（漠大）原油管道是我国第一条穿越高寒永冻土区域的大口径长输原油管道，高寒冻土区管道管理及维抢修目前在国内尚属空白，没有相应的管理标准及规范。中俄（漠大）管道三年来的运行管理经验，为冻土区管道管理及维抢修提供了参考。

2 冻胀的危害

冻胀是由于土中水分的冻结和冰体（特别是凸镜状冰体）的增长引起土体膨胀、地表不均匀隆起的现象。冻胀会对与土体接触的管道产生附加应力，一般也会导致地面发生变形。冻胀的原因包括土中原有的水分结冰体积膨胀，土冻结过程中下部未冻结土中的水分迁移并向冻结面富集，水分相对集中，水与土粒分异形成冰透镜体或冻夹层，使土体积膨胀。

2.1 冻胀的形式

在冬季，地下水受冻结地面和多年冻土（或隔水层）的阻隔冻结在薄弱地带，由于其发生膨胀作用而将地表抬起，形成隆起的土丘，称之为冻胀丘。在寒季，流出封冻地表或封冻冰面的地下水或河水冻结后形成丘状隆起的冰体，称为冰椎，因为远看像结冰的湖水，东北人俗称冰湖。冰椎、冻胀丘是冻胀灾害的主要表现形式，冻胀具有发展迅速，地点不确定的特性。

2.2 冻胀对管道的危害

由于沿管道长度方向的不均匀冻胀使管道产生弯曲应力；地下管道与连接点在支管周围切向冻胀力作用下破坏。对于不均匀冻胀的产生，主要有以下几种情况：

1）管体周围冰椎、冰丘的形成使管道产生应力弯曲，如果发生在管道底部，对管道危害更大，严重会使管道发生断裂。

2）不同冻胀性土交界地段的不均匀冻胀力，管道产生应力弯曲。

3）过渡性地段，如沼泽地与石方段、冻胀与非冻胀、阴坡与阳坡等交界处，由于不均匀冻胀产生应力弯曲。

4）埋深不均匀地段产生不均匀冻胀力，例如穿越公路、铁路、河流地段，这些地段由于管道埋深不同，埋深较深的地段受埋深较浅地段冻胀力作用，从而产生应力弯曲。

3 冻胀监测方法

3.1 采取有效的监测方法和手段来掌握冻土地区管道的位移变化至关重要。管道建设及运营阶段，可以通过多种监测方法来降低管道风险。选择典型地段安装温度、水分、位移监测装置。温度监测确定管道周围冻融圈及冻土发展趋势；水分监测实时测量并记录管道周围土壤的总含水量；位移监测实时测量并记录监测管段的应力应变状态。

3.2 富冰冻土性斜坡地段安装斜坡稳定性监测系统，在冻土区斜坡的油气管道上方安装表位位移监测桩，在冻土区斜坡安装深部位移监测装置、温度监测装置、含水量监测装置，深部位移监测装置的数据通过位移数据采集仪进行采集；温度监测装置、含水量监测装置的数据通过多功能数据采集仪进行采集。位移数据采集仪、图像数据分析仪、多功能数据采集仪处理后的数据通过卫星通信模块传输至上位机，从而实现对冻土区斜坡的实时监测。

3.3 在坡地漫流、饱冰冻土、洼地漫流、冻胀丘和换填管段等冻胀高风险区域安装半机械式位移监测装置，其工作原理是通过在管道附近安装坐标系基准桩，在管道上安装位移监测标志杆，利用全站仪定期或不定期对标志杆指定点进行坐标测量，获得监测数据并进行对比，来获取管道的运行情况。

4 冻胀治理措施

根据管道沿线多年冻土地质条件、管道热应力、冻胀类型，采取如下治理措施：

4.1 提高管道壁厚

对于多年冻土区的富冰冻土地段，通过增加管材壁厚能克服多年冻土区差异性变形对管道带来的冻害，采取传统敷设方式。管道敷设断面图如图1所示。

4.2 保温

对于管底饱冰多年冻土层较厚，管底多年冻土融化呈可塑或硬塑地段、小型河流穿越地段，采取保温敷设方式。管道敷设断面图如图2所示。

4.3 保温+换填

对于管底饱冰、含土冰层多年冻土层较厚，多年冻土融化后为软塑、流塑状态的地段，采取“保温+换填”的敷设方式。管道敷设断面图如图3所示。

4.4 破冰泄压，覆冰保温，配合隔离通道

对于冻胀丘、冰椎等不良冻土现象地段，采取破冰泄压，覆冰保温，配合防水隔离通道方式进行治理。破冰可以泄放冰椎压力，泄放的水流冻结后对管道起到保温作用，修筑防水隔离通道可以将地下水汇集起来，排至管道以外，防止冰椎、冰丘再次出现。

5 案例分析

漠大管道出现过较大冰锥，并且成长很快，3天内管道上方的冰面升高了约50cm，最高处相对于自然地面隆起约2.9米，表面冰层厚度约150cm，冰椎如图4所示，地表裂纹严重。

经过现场调查后画出该区域的地形图，如图5所示。从图5可知，管道与一条河流交叉。冬季地表先冻结，水流通道受到管道和公路的阻断，随着冻结过程的发展，冰下的水继续冻结，将表面的冰拱起。水流的持续补充使该过程快速持续发展，最后形成冰椎。整个冰椎的发展过程如图6所示。

针对该冰椎的形成原因，采取了开挖表层冻结面，将水流压力泄放的措施，如图7所示。为了更好地泄放水压，防止未冻结水对冰椎的继续补充，可以在泄放点修筑排水通道。泄放处的水在管道表面冻结，形成保温层，可以阻止持续冻结。排水和保温措施消除了冻胀的发生条件，保证了管道安全。

6 结论

高寒冻土地区的冻胀灾害是影响管道运行的重要风险，了解掌握冻胀形成的机理及产生原因，进而采取有效的监测方法及治理措施，做到早发现、早处理，将冻胀对管道的危害降到最小程度，来保证输油管道正常运行。

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