中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素.pdf

第 卷第 期黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 年 月 .:/中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素宋 杨 郭润琪 兰岩松 彭 飞 孙剑飞 柳艳杰(黑龙江大学 建筑工程学院 哈尔滨)摘 要:在东北高纬度冻土区的中俄输油工程是一条重要的能源线路 高寒地区冻土的冻胀性给输油工程的建设、运营和维护带来了更大的挑战 通过对中俄输油工程(漠河 大庆段)地质条件的考察与分析 系统研究了影响中俄输油工程岩土冻胀性的要素 结果表明:中俄输油工程沿线泥炭质黏土和含腐殖质粉质黏土是地质条件最差、冻胀灾害最严重的土体 天然含水率是影响岩土冻胀性最显著和最重要的因子 其他影响因素对岩土冻胀性影响较小 但不可忽视关键词:冻胀 中俄输油工程 岩土性质 影响因素中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:冻土工程国家重点实验室开放基金资助项目()国家级大学生创新创业训练计划项目()年度黑龙江省大学生创新创业训练计划项目()作者简介:宋 杨()男 硕士研究生 研究方向:冻土工程:通讯作者:孙剑飞()女 讲师 硕士 研究方向:寒区土木工程和混凝土材料:柳艳杰()女 教授 博士 硕士研究生导师 研究方向:高性能混凝土及抗冻材料:引文格式:宋杨 郭润琪 兰岩松 等.中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素.黑龙江大学工程学报 ():.引 言中国东北地区是“一带一路”建设面向北方的窗口 与俄罗斯远东地区联系紧密 为了解决能源问题 中俄两国积极建设基础设施 大力开展经济交流 深化能源领域合作 中俄原油管线的建设与开通 振兴了东北地区工业发展 为“一带一路”提供了新活力 具有重大的战略意义东北地区是我国第二大冻土分布区 属于平原、丘陵和山地为主的低海拔高纬度多年冻土区 地表岩土层含水率较高 受冬季负温度影响 岩土体系中的孔隙水易冻结 中俄输油工程穿越多种地形工程地质复杂 其中以冻胀为主的冻害影响输油工程管道的设计、铺设以及运营维护 岩土冻胀使岩土体积增大 产生对输油管道有害的冻胀力 当岩土层的自重荷载和外部荷载不能和冻胀力平衡时 管道结构在冻胀力的影响下发生冻胀变形 甚至破坏结构 输油工程中 冻胀使管道发生弯曲变形 严重时可破坏管道 造成油气泄露 污染沿线的生态环境 冻胀对于输油输气工程管道的影响是巨大的我国格尔木拉萨输油管道因冻胀丘发育 发生冻胀融沉使管道翘曲暴露 影响输油安全 了解天然状态下岩土性质对岩土冻胀性的影响 可以对输油工程冻胀因素进行识别和评价 从而实施针对性风险采取措施 预防冻害事故的发生 减少损失 保障输油工程的运行 工程概况及研究背景中俄输油工程起始于俄罗斯远东管道斯科沃罗季诺分输站 从中国漠河连崟入境 经过二十二站林场、塔河、新岭、加格达奇、大杨树镇 止于黑龙江省大庆末站 穿越黑龙江省和内蒙古自治区 个市(县、区)工程全长 其中 中国境内长 穿越多年冻土区约 占全线长度约 输油工程由北向南多年冻土区可分为(图):不连续多年冻土区、岛状多年冻土区、斑状多年冻土区、季节冻土区 中俄输油工程穿越了林地、坡地、河漫滩、沟谷以及湿地沼泽等地形地貌工程地质条件复杂多变 有较大的工程差异性 通过实地探坑和钻孔的方式 获取了 个勘探点数据得到了相应的土样信息 分析地层岩土性质对于岩土冻胀性的影响 输油工程管道沿线有不同分布特点和不同深度岩土层 主要包含了 种典型土层:粉质黏土、砾砂、圆砾、砂岩和泥炭质黏土 分别占总样本数据的 和 共占总样本数据的 能够代表输油管线总体岩土层概况 各土样基本信息见表 图 管道沿线冻土分布 表 各土样基本信息 土样类型粉质黏土砾砂圆砾砂岩泥炭质黏土代表地貌特征低山斜谷大片林地低山丘陵大片林地山间凹地山间坡地河漫滩山间沟谷山岭岩土层厚度/天然含水率/土石等级塑限/液限指数/土样描述含有 砂砾石 有少量冰晶体 呈可塑或 融 后 可 塑/流塑 输油工程沿线广泛分布冻结状态 黏土含量 输油工程沿线广泛分布 部分地段有冰晶体和冰夹层密 实 饱 和 颗粒较均匀 级配良好 磨圆度较好 细 粒 土 占 含冰晶全风化 强风化基岩块状结构 密实 结构大部分破坏 岩体破碎风化后呈碎石状 棱角形 含量 含有大量冰晶体 由大量植物根系等有机质及少量黏性土组成 部分地段含有腐烂的植物根系、少量黏土 夹杂少量的砂类土 输油工程沿线广泛分布第 期 宋 杨 等.中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素 中俄输油工程土体冻胀影响因子选择图 随机森林技术估计的岩土冻胀影响预测因子重要性排序 对中俄输油工程 个勘探点数据进行分析和处理 利用随机森林算法中增加均方误差百分比()和增加节点纯度()对变量进行重要性排序实现对中俄输油工程沿线岩土类型、天然含水率、土体厚度、埋深、密实度、饱和度及其他因素对土体冻胀影响的重要程度预测 预测结果见图 综合随机森林度量变量重要性的两个指标(和)分析显示影响岩土冻胀性最显著和最重要的因素是岩土含水率 其他因素有一定影响 但其显著性和重要性比含水率小 在实际工程中 为了预防冻胀灾害 应该着重对土体含水率问题进行处理对土体进行有效的排水 以解决大部分的冻胀问题 但在考虑土体冻胀性的影响因子时 土质类别、土体厚度、土体埋深、密实度、饱和度等其他影响因子也不可忽视 岩土冻胀性的影响因素分析 岩土类型中俄输油工程表层岩土主要为粉质黏土和泥炭质黏土 冻胀性表现非常明显 通过统计该输油工程中不同岩土类型的冻胀程度等级数量以及最高冻胀程度 结果为:泥炭质黏土 粉质黏土 砾砂 圆砾 砂岩(表)由于输油管线穿越众多河流 天然含水率较高 地下水丰沛 冬季水分能够源源不断向冻结锋面迁移 使冻胀加剧表 岩土冻胀程度分类数量统计 岩土类型冻胀程度分类统计粉质黏土砾砂圆砾砂岩泥炭质黏土 输油工程第一层、第二层的岩土层以粉质黏土和泥炭质黏土为主 粉质黏土天然含水率较高 土质疏松 土石等级较低 土颗粒细小 冻胀程度偏大 泥炭质黏土富含腐烂的植物根系等有机质 并含有少量黏土、冰晶和砂类土 以及其他杂质 成分较为复杂 且大多厚度偏低 密度偏大 透水性能差导致大量的地下水和表层水在泥炭质黏土层滞留 砾砂属于粗粒土 为冻胀不敏感土类 虽然土颗粒表面可以附着水 但无薄膜水 粗颗粒土的冻结主要是孔隙水转化为固态冰而引起的膨胀 粗颗粒土是不会产生水分和正向迁移的 并且有时排出 冻胀程度不大 但在输油工程中 由于岩土是天然土 大部分砾砂土含有 的黏性土 产生连续的水膜 对整体的冻胀情况产生变化 因此在输油工程中粗颗粒砾砂土同样产生一定的冻胀危害 圆砾和砾砂也属于粗粒土 并且圆砾的颗粒更均匀 自然状态下密实度大部分为中等密实度 饱和状态 透水性能好 土石等级较高 冻胀融沉程度低 是工程特性较好的岩土层 砂岩层为全风化 强风化状态 含水率低 土石等级高 冻胀类别为类或不冻胀 工程特性好 在输油工程中几乎不发生冻害黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷 岩土含水率岩土中含有气态水、固态冰、液态水 其中水分迁移的对象主要为液态水 当岩土中的含水率较低时 水冻结产生的冰和未冻水不能将土体中的孔隙填充完整 此时不发生冻胀现象 只有当含水率达到一定程度时 才发生冻胀 此时的含水率称为起始冻胀含水率 在天然状态下 岩土成分比较复杂 岩土层中的天然含水率是影响岩土冻胀性的主要因素 地表岩土层的水主要来自于地表水的渗入和地下水的补给两方面 在无补给水的情况下 岩土中只冻结高过塑限的这部分水 同种类型的天然土其他条件相同或者近似相同的情况下 天然含水率越高的土层 冻胀率越大 且呈近似线性的关系当岩土层为粗粒土时 颗粒之间无法形成薄膜水 水分不能向冻结面迁移 根据王正秋对粗粒土冻胀性的研究 得出粗粒土安全临界含水率的数据 针对粗砂土冻胀性和含水率的关系 王恩良等发现在一定范围内 含水率增大粗砂土冻胀率也随之增大 在输油工程中大部分施工段的天然含水率都高于临界含水率 因此有不同程度的冻胀 但在天然状态下 岩土层中含有其他物质成分 以及上部荷载情况的不同 使冻胀情况不尽相同在中俄输油工程中 粉质黏土是最为常见的岩土类型之一 平均含水率为 以级和级冻胀为主 最高天然含水率为 在太阳沟附近 存在冰椎和冻胀丘 类冻胀 其中含有大量的冰晶体和冰夹层 泥炭质黏土整体含水率最高 土石工程等级最低 是冻胀融沉程度最大的岩土层 在二十四站林场乌尔其村约 输油管道沿线均分布着泥炭质黏土 泥炭质黏土天然含水率最低为 位于松岭种子园至加北的低山丘陵区域 为 级冻胀 最高含水率为 位于绣峰南的沼泽湿地 为含土冰层 该处含有大量冰椎和冰胀丘 冻胀明显 为级冻胀 砾砂、圆砾和砂岩含水率整体偏低 冻胀情况较少 由于自然状态下获取的含水率离散性较大 通过对同一岩土类型和冻胀等级的天然含水率取平均值 得到平均天然含水率和冻胀等级的关系见图 由图 可见 就同种岩土而言 冻胀等级随着平均天然含水率升高而增大 砂岩的含水率低 冻胀程度不明显 为级冻胀或不冻胀 粉质黏土冻胀随含水率升高而稳定增长 泥炭质黏土最为剧烈 并且泥炭质黏土的冻胀随着含水率的增加而快速增长 其中级冻胀的泥炭质黏土 含水率或含冰率远高于岩土 此外 勘探结果显示粉质黏土最低天然含水率为 位于塔源北的河谷滩地塔头发育 常年积水灌木地带 类冻胀是由于该处粉质黏土层位于地下 处 存在冰椎引起的 岩土层厚度及埋深输油工程穿越多个地区 存在多种岩土层 且由于地质变化 岩土层厚度和埋深均有不同 根据勘探结果 厚度最大岩土层是大于 且埋深超过 的砾砂层 最薄岩土层是厚度为 的表层泥炭质黏土 不同的岩土厚度和埋深 主要影响的是上部荷载及围压的大小 当上部荷载和围压较大时 压缩土体 使岩土颗粒孔隙中的空气和水被挤出 增加荷载可降低岩土冻结的冰点和影响土体内部水分的重分布 从而减少土体的冻胀 当荷载等于土颗粒中的冻结锋面所产生的界面能量时 岩土的冻胀停止此时荷载产生的压强称为中断压强 王铁行等研究荷载对黄土冻胀性影响时 发现荷载对于冻胀率主要为抑制作用 并随着荷载增加 冻胀率呈指数形式递减 从地面开始 冻胀率往下越来越小 此外 荷载变化使已冻结岩土内部的冰体发生塑性流动和冰晶体重新定向 同时影响土颗粒的重新排列引起冻土的结构变化和力学性质改变 对岩土的冻结有一定影响 输油工程中 岩土分布不均 厚薄不一 对同种岩土和同一冻胀等级下的岩土厚度取平均值 得出平均岩土厚度和冻胀等级之间的关系见图 自然状态下 岩土层非均匀分布 同时在岩土层之间也存在交叉和混合 由图 可见 冻胀程度随岩土厚度变化不大 且粉质黏土、砾砂和圆砾的岩土层厚度相近 表层的泥炭质黏土层 由于流动性较大且有机质含量较高 厚度较薄 埋深更大的砂岩层 风化程度较低 厚度大 冻胀不明显第 期 宋 杨 等.中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素图 平均天然含水率和冻胀等级的关系 图 平均岩土厚度和冻胀等级的关系 密实度和饱和度输油工程中 上层岩土层为粉质黏土和泥炭质黏土 压实度和密实度低 且含水率高 粉质黏土处于湿润可塑、融后可塑或流塑的饱和状态 泥炭质黏土为不均匀的可塑或流塑的饱和状态 往下为中等密实度的饱和状态的砾砂层和圆砾层 当温度降低时 岩土中的部分水分开始冻结 同时未冻水沿着岩土颗粒中的缝隙进行迁移 进而增大冻胀程度 密实度的降低可增大土体之间的孔隙 在密实度较低而含水率较高的土体发生冻结时 土体中充满自由水的孔隙使冰自由膨胀 使冻胀量增大 冻胀程度加剧饱和度较低时 土体孔隙中空气占据的空间较大 土体冻结时 冰在土体中有较大的活动空间 此时的岩土冻胀程度偏低 而在实际输油工程中 大部分岩土层为饱和状态 土体冻结时 土体冻胀量增大 密实度和饱和度在自然状态下较为稳定 对岩土的冻胀性影响程度偏小 不够显著 其他影响因素天然状态下的岩土层组成复杂 通常含有不同种类 含量不均且粒径不一的其他岩土 或是植物根系等有机物 输油工程中 粉质黏土含有 碎石和砂砾 下层砂砾层同样含有 的黏性土 粗粒土的圆砾层中含有 的细粒土 而泥炭质黏土层中除了含有少量的砂类土和黏土还存在大量的腐殖的植物根系等有机质 这些掺杂在岩土层的其他成分 影响岩土的透水性以及塑限等同时也影响岩土的力学性能 不同粒级的土颗粒含量和种类对砂土的冻胀性有显著影响 砂类土的冻胀性随着粉土、黏土的含量增加而增大 影响土颗粒吸附能力高低与薄膜水的多少此外 岩土所处地形位置的不同 如山体阴面、阳面 影响着降水量的多少 植被覆盖程度改变岩土中有机质的含量和含水率的多少 年平均气温、地温 海拔高度 地貌部位等也有不同程度的影响其他影响因素直接影响着岩土类型和天然含水率等 进而间接影响着岩土的冻胀性 结 论本文研究了中俄输油管线中典型土样的岩土类型、天然含水率、岩土层厚度及埋深、密实度及饱和度、其他因素与岩土冻胀性的关系 得出了以下结论:)含水率对土体冻胀的影响最为显著 随着含水率的增加 岩土的冻胀程度增大 岩土层厚度及埋黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷深对岩土类型和含水率的变化表现不明显 对冻胀的影响不显著 密实度及饱和度在实际工程中对岩土的冻胀性影响程度偏小 需要说明的是 上述关系 只是一种变化趋势 很难用单一指标来评价岩土的冻胀性 其变化受到含水率、岩土类型、埋深、密实度和饱和度等多种因素共同影响)从冻胀程度数据来看 富含植物根系等有机质的泥炭质黏土冻胀程度最大 级冻胀情况最多全风化 强风化基岩的砂岩层的冻胀程度最小 为级冻胀或不冻胀 粉质黏土的冻胀随着含水率增加而增长 且增长趋势平稳 砂岩和圆砾的冻胀情况较少 且主要集中在级和级)其他因素对冻胀性的影响 主要体现在影响岩土含水率 从而影响岩土冻胀性 在输油工程中选择合适的路线和施工方式能够有效减少其他因素对冻胀的影响 节省投资参考文献:刘清才 齐欣.“一带一路”框架下中国东北地区与俄罗斯远东地区发展战略对接与合作.东北亚论坛():.许勤华.中国能源国际合作报告.北京:中国人民大学出版社:中国人民大学研究报告系列 .沈娜.区域合作视角下“一带一路”倡议在东北亚区域的推进研究.长春:吉林大学.李昀赟 刘鸿雁.中国东北多年冻土区植被生长对气候变化的响应.北京大学学报:自然科学版 ():.陈肖柏 刘建坤 刘鸿绪 等.土的冻结作用与地基.北京:科学出版社.杨思忠 金会军 于少鹏 等.中俄输油管道(漠河 大庆段)主要冻土环境问题探析.冰川冻土():.金会军 喻文兵 陈友昌 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