凍土對油田設備管道基礎的影響及防治

張新萍 勝利油田油氣集輸總廠

凍土對油田設備管道基礎的影響及防治

張新萍 勝利油田油氣集輸總廠

土體經過凍結融化后，土體中的水分會移動，結冰并聚集。凍土融解時土孔隙中的自由水分增加，稠度增大，土體的承載力下降，融沉就會發生。勝利油田所在地區，尤其是小清河以北，土中的含水量非常大。油田的輸油、輸氣設備都建設在地面，部分管道也在地面，要使凍土對輸油、輸氣設備管道基礎造成的危害最小，就必須采取相應措施。對于長輸管線和設備基礎，采取集坑集中降水較為理想，等地下水位降至基礎埋深以下，再對基槽進行開挖。當地基填料達不到規定的最小強度時，應采取撮合粗粒料換填，或用石灰等穩定材料處理。根據站庫區的地形地貌及防火要求，采用明溝和涵管共同組成排水網，排水口設置2個以上，使設備和罐區周圍的水能及時排除。用輕質材料填筑地基可減輕對地基承載力的要求。

凍土；地下水埋深；基礎埋深；3∶7灰土；壓實；排水

1 凍土對設備管道基礎的影響

1.1 土的顆粒粒徑對凍脹的影響

土的顆粒粒徑對土的凍脹影響非常大，粒徑在0.1～0.05 mm內的土體在土凍結時就會發生凍脹；土粒徑為0.05～0.002 mm，土凍結時土體的凍脹最大；當土顆粒粒徑小于0.002 mm時，隨著顆粒粒徑減小，土顆粒的分散性就會增大，水分的移動量減小，凍脹性就會隨著減弱[1]。所以當土顆粒粒徑大于0.1 mm或小于0.002 mm時土基本不凍脹。因此，顆粒較粗的如沙土基本不凍脹或凍脹較小，顆粒稍小的粉土和亞黏土凍脹性較大，黏土顆粒最小次之。

1.2 影響土凍脹性的因素

當土的性質確定后，土孔隙中水分的含量是影響土體凍脹程度的重要因素。土體中孔隙水含量達到一定的程度后，土體的凍脹就會發生[2]。土體孔隙中含水量及地下水的不斷充填是地基土凍脹的根本原因，土體孔隙中含水量愈大，地下水充填的愈充分，在相同條件下土孔隙中的水分結的冰愈多，則地基土的凍脹性愈強。也就是地表下地下水位越高，對土體的凍脹影響越大。

1.3 土凍結后的凍融特征

土中的結冰在任何外力的作用下都會造成冰的塑性流動重新排列，也造成沒有結冰的水膜產生流變。當凍土中應力增大時蠕變加快，造成土體脆性或塑性破壞，所以土凍結后會發生應力松弛和蠕變變形。

土體經過凍結融化后，土體中的水分會移動，結冰并聚集。凍土融解時土孔隙中的自由水分增加，稠度增大，土體的承載力下降，融沉就會發生。如果再受到外荷載的作用，沉降會更加明顯，使建筑物、構筑物下地基承載力下降，造成主體沉降不均勻，墻體變形、開裂和傾斜，道路出現翻漿，設備和管道基礎傾斜、移位等現象。

當凍土融化時，因土中孔隙水的增加，孔隙比、壓縮性等隨著變大，內摩擦角、黏聚力等隨著減少，承載力隨之降低。只有當土體孔隙中的水排出，土體重新固結后，土體的承載力才能得到恢復。

2 勝利油田地區土的特征

（1）勝利油田所在地區，尤其是小清河以北，土中的含水量非常大。例如油氣集輸總廠，勝利、河口、孤島等各采油廠的設備管道跨越三縣兩區（廣饒縣、墾利縣、利津縣，東營區、河口區），大部分集中在小清河以北，該地區淺層地下水位埋深較淺，東營區牛莊、史口、龍居等區域范圍內，地下水位埋深較淺，一般在0.1～2.2 m；利津縣范圍內地下水埋深一般在0.8～7.2 m；墾利縣境內地下水埋深在0.3～2.6 m。由此可以看出，地下水埋深普遍較淺，地表土層含水率極高，所以該地區凍土的融沉系數和壓縮系數也很大。

（2）勝利油田所在的地區屬于亞熱帶氣候，四季分明，四季的溫差也很大。該油區的凍土屬于季節性凍土，即每年冬季凍結，春季隨著氣溫回暖凍結土全部融化。近幾年來，隨著全球氣溫不斷升高，氣候惡化加劇，極冷、極熱天氣的出現越來越頻繁。勝利油田位于黃河入?？?，平均海拔只有5.0 m，地下水埋深在0.1～2.2 m之間波動，因此受極端天氣的影響特別大，在極冷天氣地表凍土層厚度增大，對油田設備管道基礎的強度造成直接的影響，給設備管道的安全造成極大危害。

（3）勝利油田所在地區的土質屬于黏土和亞黏土，顆粒粒徑在0.05～0.002 mm之間，所以凍脹性較大。由以上分析可以看出，勝利油田所在的地區尤其是小清河以北，土的凍結和融沉非常大，給油區管道的基礎造成的不均勻沉降、移位也非常大，可能造成管道的焊口開焊使管道產生變形，從而產生極大的安全隱患，若輸油、輸氣管道一旦泄漏，后果不堪想象。

3 對凍土影響的防治辦法

油田的輸油、輸氣設備都建設在地面，部分管道也在地面，要使凍土對輸油、輸氣設備管道基礎造成的危害最小，就必須采取相應措施。

3.1 減小基土中的含水量

（1）土中的含水量降低了，就會減小土的凍脹率，從而減小凍土對基礎的影響。要做到這一點，最有效的辦法是，在對基礎施工前，先降低地下水位。可以采取井點降水和集坑集中降水。對于長輸管線和設備基礎，采取集坑集中降水較為理想，即在距離基礎2 m外挖一個集水坑，用潛水泵抽水，這樣即可達到降水的效果，又可以節約降水成本[3]。等地下水位降至基礎埋深以下，再對基槽進行開挖。

（2）通過降水措施把地下水位降至基礎以下后，把基槽深度挖至基礎埋深以下200～300 mm處，做3∶7灰土墊層。在做3∶7灰土墊層時，先對黏土進行翻土晾曬，將土中的有機雜質剔除干凈，把大塊的土搗碎過篩，土的粒徑不得大于15 mm。待黏土呈半干狀時，再拌合石灰。石灰應提前一到兩天加水熟化悶成灰粉，使石灰粒徑不大于5 mm。拌合時必須使石灰和黏土拌合均勻，灰土要分層拌合，分層夯實。

（3）根據施工所在地區冰凍線的位置，將設備管道基礎的設計埋深增加至冰凍線以下。冰凍線以下的土不產生凍結，地基不發生變形，所以對設備管道的基礎就不會產生影響。

（4）在基礎施工前，可用防滲布在基礎下（冰凍線以下）和基礎四周做擋水層，將地下水與基礎隔離開一定距離，在基礎下和周圍填干燥的土或其他材料并壓實，然后再對基礎進行施工?；A周圍沒有凍土的形成，地基不會變形，也就不會影響基礎的強度。

3.2 地基填土與壓實

勝利油田原油庫、壓氣站、聯合站等站區地面要承受100 t以上的大型車輛的碾軋，所以站區承重地基0～30 cm的墊層填料CBR值應大于8，當地基填料達不到規定的最小強度時，應采取撮合粗粒料換填，或用石灰等穩定材料處理。

3.3 油田站廠區地基地面排水

站廠區地面排水設施采用邊溝、截水溝、跌水、急流槽以及地表的排水管。對于甲級站庫區，如各采油廠的聯合站，油氣集輸的壓氣站、輕烴儲備站、原油庫等的地面排水，一般都要求雨季時不能有積水。所以根據站庫區的地形地貌及防火要求，采用明溝和涵管共同組成排水網，排水口設置2個以上，以使設備和罐區周圍的水能及時排除，避免了地基周圍土被凍結，從而提高了地基的工程質量。

路面排水的任務是迅速排除路面范圍內的降水，減少水從路面滲入，使之不沖刷路基邊坡。路拱橫坡應≥2%。雨水排出路面的方式有集中排水和分散排水[4]。

3.4 油區軟土地基處理

用輕質材料填筑地基可減輕對地基承載力的要求。目前國內已有應用粉煤灰填筑地基的成功經驗，可使墊層自重減輕25%左右。用重型擊實試驗法測定最大干容重為9～12 kN/m3。硅鉆型粉煤灰黏性小，不具塑性，但液限在64%左右，最佳含水量為37%～41%，有良好的壓實性能。粉煤灰地基墊層邊坡表層1～2 m用黏質土包覆，地基墊層頂面用粗粒土封閉，厚0.3～0.5 m。

4 結語

根據油田輸油、輸氣設備管道所在地區的地質情況和大氣溫度變化情況，對地基采取不同的處理方法，可將凍土對設備管道基礎的影響降到最低甚至消除，確保設備管道的安全運行。

[1]項玉璞、曹繼文、李承孝，等．冬期施工手冊[M]．北京：中國建筑工業出版社，1988.

[2]尹貽林、龔維麗、叢培經，等．建設工程技術與計量（土建工程部分）[M]．北京：中國計劃出版社，2000.

[3]龔曉南，地基處理手冊[M]，北京：中國建筑工業出版社，2008.

[4]高大釗，土力學與基礎工程[M]，北京：中國建筑工業出版社，1998.

（欄目主持焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.058