李康一，楊 雪，郭潤(rùn)麒，丁 琳

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2．黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 材料與相關(guān)數(shù)據(jù)

中俄輸油管道全長(zhǎng)為1030 km，中俄輸油工程從俄羅斯遠(yuǎn)東管道斯科沃羅季諾分輸站(圖1)[1]開始，由漠河連崟處入境，自北向南沿二十二站林場(chǎng)，橫穿嫩江平原，最后停在黑龍江省大慶市林源輸油站[2], 管道敷設(shè)方式采用傳統(tǒng)溝埋敷設(shè)方式，在多年凍土區(qū)埋深為 1.6～2.0 m[3-4]。通過對(duì)多年凍土區(qū)公路凍脹融沉的土的類型、天然含水量進(jìn)行研究，發(fā)掘其凍脹融沉產(chǎn)生的緣由和影響凍土區(qū)路基的結(jié)構(gòu)安全作用的因素有哪些，這不僅對(duì)于中俄輸油管道的安全起到有利的作用，而且對(duì)于以后眾多多年凍土區(qū)的工程建設(shè)起到典范作用。

圖1 中俄原油管道及沿線地區(qū)凍土分布

我們對(duì)國內(nèi)管道工程的凍土工程地質(zhì)進(jìn)行一個(gè)描述，我們?nèi)A段進(jìn)行某個(gè)連續(xù)區(qū)段的仔細(xì)探索。AA段地處于漠河縣境內(nèi)興安鎮(zhèn)附近，輸油管道從連崇首站沿東南出發(fā),途徑額木爾村最后到達(dá)24站林場(chǎng)，總長(zhǎng)為25.053 km。沿線有起伏較大的地形，西北與東南的地形相對(duì)來講偏高一些，屬于剝蝕的低山丘陵區(qū)域，在山勢(shì)上相對(duì)平緩順滑，在山頂處相對(duì)平坦，大面積分布著一些殘坡積層。海拔高程為200～400 m左右,相對(duì)高差可以達(dá)到200 m的差別。額木爾河流域是從黑龍江氣候上看屬于最為寒冷的地域，此處的年平均氣溫低至-5.5～-4.0 ℃,而它的極端最低氣溫低至-52.3 ℃，但是在炎熱的夏季，其極端最高氣溫卻高達(dá)33.0 ℃。此處大范圍遍布著多年凍土，除了黑龍江與額木爾河河床相關(guān)區(qū)域之外，別處均為多年凍土帶，連續(xù)程度高達(dá)70%～75%。在河流階地、漫灘和山間洼地集中的區(qū)域是高含冰量?jī)鐾羺^(qū)域主要存在的地方，因?yàn)樵陬~木爾河兩側(cè)環(huán)境地質(zhì)比較復(fù)雜和含水量較高，所以產(chǎn)生強(qiáng)烈的融沉變形情況會(huì)很常見，極其不利于工程建筑的穩(wěn)定，屬于較差的凍土工程地質(zhì)區(qū)域。額木爾河在AA段屬于較大的河流，河流平均值為150 m, 5 m左右的河水深,流速很快，平均1.5 m/s, 多年平均流量為86.5 m3/s，豐水期的最大流量達(dá)到2.160 m3/s。

當(dāng)里程數(shù)為11.804 km，間距為3770.952 m時(shí)，地形地貌是屬于額木爾河河灘階地以及大片的塔木與低矮的灌木。對(duì)此處地質(zhì)條件探坑，凍土分類為F-B，凍融深度為1.5～2.0 m。當(dāng)巖層深度為1.2～8.7 m時(shí)天然含水量為29.5%，凍脹等級(jí)為Ⅲ-Ⅳ級(jí)。巖層深度為1.9～4.7 m時(shí)屬于中粗砂，天然含水量為24.1%，凍脹等級(jí)為Ⅲ級(jí)。巖層深度為0～5.0 m時(shí)存在圓礫，天然含水量為10.8%，凍脹等級(jí)為Ⅱ級(jí)。巖層深度存在4.9～10.0 m時(shí)，多存在灰色砂巖。

當(dāng)里程數(shù)為17.985 km時(shí)，間距為6181.700 m時(shí)，地形地貌屬于低山丘陵、山間凹地、大片森林、基巖出露。地此處地質(zhì)條件進(jìn)行探坑，凍土分類為S，凍融深度大約為3 m。當(dāng)巖層深度為2.7～4.3 m屬于黃褐色的粉質(zhì)黏土，并且含有5%～20%左右的礫砂，天然含水率為17.2%，凍脹等級(jí)為Ⅰ級(jí)。巖層深度為0～0.9 m時(shí)，存在碎石層，天然含水率為5.7%，凍脹等級(jí)為Ⅰ級(jí)。當(dāng)巖層深度為0～4.3 m時(shí)，主要存在砂巖。

當(dāng)里程數(shù)為18.405 km時(shí)，間距為420.000 m，地形地貌屬于山間凹地、濕地、大片森林，凍土類別為F-B，凍融深度為1.5～2.0 m。巖層深度為3.7～7.7 m時(shí)屬于黑色狀的粉質(zhì)黏土，天然含水率為6.368%～12.600%，凍脹等級(jí)為Ⅲ-Ⅳ級(jí)。巖層深度在7.7 m左右時(shí)，存在較多砂巖，呈粉質(zhì)黏土混礫石土狀。

當(dāng)里程數(shù)為19.415 km間距為1010.000 m時(shí)，地貌特征屬于低山區(qū)、山脊、大片林地、基巖出露，凍土類別為S，凍融深度為3.0 m。巖層深度為1.1 m左右時(shí)多為雜色、中密、飽和的碎石，天然含水率為5.7%，凍脹等級(jí)為Ⅰ級(jí)。當(dāng)深度為2.8 m時(shí)是多以砂巖為主的基巖殘破積物，屬于少冰多年凍土區(qū)。

2 天然含水量對(duì)凍脹性影響

該段富含冰多年凍土路段主要出現(xiàn)在山間溝谷、低洼濕地、河流高漫灘地與階地等大片路段。多年凍土富含冰深度首要在上限至3.5 m的深度范圍。不同地域的含水量不同，它的凍脹程度也會(huì)大相徑庭，但是在其他條件相同或者相似度較大的情況下，天然含水率越高的土層，它的凍脹程度也就越大，呈現(xiàn)一種近似線性的一種關(guān)系[5]。在多年凍土區(qū)域，由于環(huán)境溫度的轉(zhuǎn)變，土體中的水分會(huì)發(fā)生一系列的凍結(jié)和融化，從而致使土體顆粒與土體整體力學(xué)性能產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)周圍溫度下降時(shí)，土體內(nèi)各層的溫度也會(huì)逐步下降，當(dāng)溫度下降到某一程度，并且足以將土體縫隙中的水凍結(jié)成冰的時(shí)候，土體就會(huì)慢慢發(fā)生凍結(jié)反應(yīng)，這時(shí)土體縫隙的水會(huì)凍結(jié)成冰，便會(huì)引起土體整體的體積變大，最后土體形體改變，產(chǎn)生凍脹作用。多年凍土溫度隨凍土埋深的增大，變化趨勢(shì)基本相同[6]。

凍脹量與土體中的含水量緊密相關(guān)，如果土體含水量比較低時(shí)，土體水分在凍結(jié)時(shí)便無法發(fā)生凍脹反應(yīng)，只有當(dāng)土體的含水量超過凍脹起始含水量時(shí)，土中水的凍結(jié)才會(huì)引發(fā)凍脹[7]。我國現(xiàn)行的《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB 10038—2012)從五個(gè)方面將多年凍土分為五個(gè)等級(jí)和類別，詳情見表1[8]。

表1 多年凍土的凍脹性分級(jí)劃分

凍土的凍脹跟天然含水量是緊密關(guān)聯(lián)的，但是通過數(shù)據(jù)可以看出，會(huì)受到地下水的深度與土體顆粒的類型等影響。根據(jù)表格可以得出下面表格，見圖3。在凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離和外界條件基本一致時(shí)，天然含水率跟凍脹等級(jí)的關(guān)系。由圖可知，在其他影響因素一定時(shí)，土體天然含水率的含量跟凍土的凍脹等級(jí)是呈簡(jiǎn)單線性關(guān)系。在輸油管線附近，由于氣候環(huán)境跟地質(zhì)條件存在差異性，會(huì)導(dǎo)致凍脹可能發(fā)生在管道的各個(gè)部位，從而產(chǎn)生不均勻的凍脹現(xiàn)象，極其影響輸油管線的平順性，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全可靠性造成威脅。東北地區(qū)的多年凍土受到緯度地帶性的影響較為普遍，從北部地區(qū)到南部地區(qū)，隨著緯度的慢慢降低，年平均氣溫逐漸升高、多年凍土區(qū)域的平均地溫在不斷升高、多年凍土的厚度會(huì)不斷降低、致使多年凍土的分布范圍逐漸縮小，這直接導(dǎo)致多年凍土的融區(qū)會(huì)慢慢變大，沿線的多年凍土在平面上的連續(xù)性變差[9]。又加上因氣候變暖引起管道沿線多年凍土退化速率加快[5]，導(dǎo)致凍土退化嚴(yán)重。在春季回溫時(shí)，凍土區(qū)域開始融化，凍融后，各項(xiàng)參數(shù)均會(huì)發(fā)生較大變化，而不同參數(shù)的變化趨勢(shì)不盡相同。融化的土體會(huì)產(chǎn)生融沉的不均勻性，導(dǎo)致管道受力不均勻，從而造成管道的破壞，影響其安全可靠性[10]。

圖3 天然含水量跟凍脹等級(jí)的關(guān)系

3 結(jié) 論

中俄輸油工程中多年凍土的凍脹受很多因素的干擾，如土體顆粒、天然含水量，凍結(jié)時(shí)地下水位距截面距離等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致凍土的凍脹等級(jí)有所區(qū)別。而凍脹與融沉的發(fā)生主要是由于水分在溫度梯度的影響下發(fā)生遷移與相變。當(dāng)土體外部溫度降低，土體內(nèi)部的自由水便發(fā)生凍結(jié)作用，這時(shí)固體冰對(duì)土體顆粒發(fā)生擠壓，使土體體積發(fā)生膨脹作用，從而導(dǎo)致土體表面產(chǎn)生不均勻沉降。當(dāng)然，上述只是一種簡(jiǎn)單的變化趨勢(shì)，很難用單一的因素來評(píng)價(jià)凍土的凍脹性。本文研究了土體顆粒的不同、天然含水量的不同、凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離不同對(duì)凍脹等級(jí)的影響得出以下結(jié)論：

(1)從凍脹等級(jí)上看，在土的類型及外界因素一定時(shí)，土體天然含水率的含量跟凍土的凍脹等級(jí)是呈簡(jiǎn)單線性關(guān)系。

(2)根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在多年凍土區(qū)，不是所有的含有水分土體都能發(fā)生凍脹反應(yīng)，有且僅當(dāng)土體中的水分含量達(dá)到相應(yīng)程度后，才會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象；當(dāng)土體中的水分含量或多或少時(shí)都達(dá)不到凍脹的要求時(shí)，便無法發(fā)生凍脹。

(3)當(dāng)外界因素近似一致的情況時(shí)，凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離越小時(shí)，凍土的凍脹強(qiáng)度跟等級(jí)會(huì)上升。土體顆粒越小，土中的空隙越小，這時(shí)毛細(xì)作用會(huì)越強(qiáng)，凍土凍脹強(qiáng)度越大。