中俄石油管道多年冻土物理力学性质试验研究及温度场数值分析

【摘要】：为了保障能源供给,我国目前正从俄罗斯大量进口的原油。漠河一大庆段原油输送管道工程需要穿越东北大小兴安岭和嫩江平原北部、大约500 km的多年冻土区和465m的季节冻土区。该地区冻土正处于逐渐消退过程中,所经过多年冻土地带冻土工程地质条件复杂,不良冻土现象发育,沿线多年冻土工程地质特征存在较大的差异,可能对管道工程安全造成严重威胁。冻土区的输油管道设计和施工具有许多特殊性,管道油温对其周围和沿线冻、融土的水热状态将会产生巨大的影响,进而直接影响到冻、融土的物理力学特性,威胁着管道的整体稳定性和结构完整性。由此,开展对管道沿线冻土区工程地质性质及其相关的工程地质问题的研究具有重要意义。 为了满足该管道初勘阶段勘察评价和设计施工的需要,我院冻土实验室受大庆石油工程有限公司的委托,对所送冻土样品按照中国石油管道公司在《中俄原油管道(漠河一大庆段)工程多年冻土工程地质勘察技术规定(试行)》中对冻土指标提出的各种技术要求进行了相当数量的冻土专项试验。 本文首先通过各种实验方法对取自中俄管道沿线的地基土进行了相关的物理指标测试,主要包括冻土未冻水、骨架比热、体积热容、导热系数与导温系数。这些物理参数都是冻土热物性研究与工程设计中的重要指标。这一部分内容中重点论述冻土未冻水的测试研究。从理论上分析测定未冻水含量的测温法与量热法,得出测温法原理存在混淆温度概念问题,即测温法通过Wu=aθ-b预报模式衍生而来,实际上是将起始冻结温度下的未冻水含量当成任意负温下的未冻水含量。从模拟试验数据的对比分析,测温法试验结果存在不确定性。相比之下,量热法根据能量守恒原理进行试验与计算公式的推导,试验原理清晰明确,并且经过大量试验验证,量热法的测试精度较高,满足工程设计使用要求。 采用量热法对管道冻土区六大类原状土样进行了综合试验研究,归纳了温度、土质和含水量对未冻水含量的影响规律。温度是影响未冻水含量的主要因素,随温度降低,未冻水含量均减少,不同土的未冻水含量剧烈变化的温度区间范围有所不同；六种土质类型在各温度下平均未冻水含量与温度关系反映出,随着土质分散性的增大(塑性增强),未冻水含量增加。在相同负温下有机土比无机土未冻水含量高,有机土随着有机质含量的增大,未冻水含量增大；初始含水量对有机质土的未冻水含量有非常明显的影响。初始含水量对未冻水含量的影响程度依次是粘土粉土、粉质粘土砾砂。 通过对未冻水影响因素的分析,本文总结了石油管道工程沿线各类土在给定负温下的未冻水含量代表值(平均值)以及冻土未冻水通用公式幂函数wu=at-b中的参数a、b数值。在此基础上,拟合得出粘土、粉质粘土、粉土和泥炭质土的wu-wp-t经验计算公式和在给定温度下的wu-wo-wp关系的二元一次线性回归方程式。这些经验公式不但反映出了土质、含水量和温度对未冻水的综合影响规律,同时也可供工程快速确定未冻水含量提供参考依据。 本文完成的冻土基本热物理参数包括导热系数、体积热容量、导温系数,冻土骨架比热。这些参数是冻土热工计算的应用指标,在现场很难直接获得,主要是在实验室内测定。本次冻土热物理参数采用的试验方法是：导热系数采用稳定状态热流计法测定,导温系数用正规状态法测定。冻土体积热容和冻土骨架比热采用量热法。 对大兴安岭多年冻土区泥炭草炭、泥炭质土、粘土、粉质粘土、粉土和各种砾砂等一系列土样的进行冻土骨架比热测试,经统计分析和比较可知,随颗粒变粗和塑性减弱,冻土骨架比热逐渐减小。冻土骨架比热值不仅与颗粒和塑性大小有关,而且与土中有机质含量有关。随土中有机质含量增加,骨架比热值增大：根据-10℃条件下的体积热容试验和计算结果,分土类讨论其与总含水量和干容重的关系。对四类土Cvf_W_γd试验数据进行二元一次线性回归分析,得到冻土体积热容随总含水量和干密度增加而增大且线性相关性均很好。结合未冻水与骨架比热测试结果连同土样总含水量与干容重,从而可以计算出任一负温下的冻土体积热容；冻土导热系数的测定采用热流计法,通过试验给出了大兴安岭多年冻土区五种典型土料的λ_w_γd线性回归方程式,相关性较好。热流计法能较好地揭示冻融状态、含水量、干容重和土质条件等因素对导热系数的影响和规律。 大多数在北半球的国家为冻胀和融沉问题所困。但是,对冻土这个特殊环境的科学和技术难题,特别是寒区岩土和管道工程的研究却非常不足。本文第二部分通过室内试验对各种不同土质进行冻胀敏感性分析与管道区冻土融沉性分析。 对典型土料进行室内冻胀模拟试验,找出土质条件、含水量、饱和度、密实状态、等因素与冻胀率之间的经验关系。分别对影响细粒土与粗粒土的冻胀敏感性的主导因素进行分析。细粒土冻胀性,在含水量相同时塑性指数越大,所需起始冻胀含水量越高,而冻胀性也越弱；粘性土和粉土的冻胀性随超塑含水量(W-WP)变化的规律基本相同,可统一按土的η～(W-WP)关系进行细粒土冻胀敏感性分类；细粒土的冻胀性还受饱和度和压实度的影响,在同一饱和度下.土的冻胀性随着压实度的增加而降低,当含水量一定时,细粒土的冻胀率都随着压实度或饱和度的增加而增大；对η～(W-WP)～Kd/Sr进行回归分析.(W-WP)对土体冻胀性的贡献要比Kd或Sr大,说明超塑含水量是影响细粒土冻胀性大小的主导因素。 在对粗粒土冻胀敏感性及分类的研究中可知,土中的含水率是使其产生冻胀最主要的因素,而含泥量的影响有限。从粉砂到粗砂,冻胀率随含水率的增长而显著增长。通过与规范对比研究,可得出规范规定的含泥量界限值是不合适的,含泥量低于规定的界限值在一定含水率的情况下仍然存在冻胀,甚至可达到强胀；规范在除粉砂外的粗粒土冻胀性分类面,在土类划分、含泥量界限、冻率与含水率关系及界限值规定上,都存在许多问题明显偏于不安全方面,值得商榷。 对引起管道冻胀变形的2-6m范围的地基土冻胀性的分析中可知,AB段沿线在2-6m深度范围内粉质粘土的冻胀是引起该段管道冻胀破坏的主要原因。从实验资料看,沿线粉质粘土的冻胀性没有明显规律,很可能是各段水分补给条件的影响不同所致。AB段分布的粗粒土主要是砾砂和圆砾角砾,砾砂大多数属于弱冻胀性,冻胀强弱取决于含水量(补水条件),考虑到管道运营后可能改变下部水分条件,对一些天然含水量较低的弱冻胀性地区,也需要考虑水分充足后演变成冻胀甚至强冻胀类型的可能性。该段含有的圆砾角砾土层可按不冻胀处理。 本文完成了细砾、砂土、粉土、粘性土、泥炭化粘性土、泥炭质土六种共345个土样的融沉试验,通过对大量的试验数据进行分析,提出了多年冻土融沉系数与融化压缩系数的经验确定方法,并对冻土融沉性分类做了进一步的研究。 总结了各类土融沉系数a0与含水量和干容重关系。各类土的融沉敏感性是不一样的。粉土的融沉敏感性最大。砾石土在条件具备时亦可产生可观沉降,但总体上看融沉较小,一般是良好的冻土地基；在冻土融沉性分类研究中本文比现有规范增加了泥炭化粘性土和泥炭质土这两种土类。在回归分析基础上提出了各融沉等级界限含水量和界限超塑含水量；融化压缩系数在实验荷载范围(200KPa)以内并非常数,而是随着荷载的增大而减小,所以冻土融化后体积压缩系数mv不应取定值,而应根据实际压力段大小取相应值；总结出来六类土mv-rd回归关系和数字化表格,可供工程上估计mv时使用。 冻土是一种对温度十分敏感的土体,随着温度的不同其物理力学性质会发生很大的变化。在多年冻土区埋设常温输油管道必然会破坏冻土与大气间已经建立的热量平衡状态,使地基土的温度状况及冻融过程发生较大的改变,从而对管道基础的稳定性造成不良影响。因此,针对管道工程的施工和运行特点,对管道地基土在设计使用年限内的温度场做出预报有重要意义。 论文对管道周围土壤温度场建立一理想物理模型,给出一定的模型假定条件,根据相关文献和设计资料给出相应的边界条件,计算管道周围土壤温度场的变化。不考虑油温的影响与给定一负温油温两种情况对冻土温度场进行预测。从管道横截面轴心的地温冻融过程线看,管道在运行前25年左右,季节冻土深度在7米左右变化,而在计算的后25年,季节性冻土的冻结深度逐年减小,说明季节冻土也在逐年消退。计算的前25年,多年冻土上限呈逐年降低趋势,同时多年冻土的下限在逐年抬升,说明多年冻土在逐年退化；计算到27年,多年冻土完全退化为季节性冻土。因此,在全球变暖的气候大条件下,使得高温极不稳定冻土受到较大影响,多年冻土退化至季节冻土直至完全退化。油温在整个计算过程中是随着地温场的变化而变化,并不是恒定温度。由管道横截面轴心深度方向作出温度一深度关系曲线可知,管道界面中心地温随运行时间的变化规律,同一深度处的地温成递增趋势,10m以上范围内温度变化梯度较大,10m一下温度变化梯度逐渐减小。冻土人为上限随着运行年限在减小,说明在油温的影响下,人为上限逐年抬升。