中俄原油管道漠大線凍土穩定性評價

鄭美玉，孫楊楊，趙小宇，孔凡丹，張作合，鄭麗穎

（1.綏化學院 農業與水利工程學院，黑龍江 綏化 152061；2.大興安嶺地區行政公署水務局，黑龍江 加格達奇 165002；3.綏化學院 食品與制藥工程學院，黑龍江 綏化 152061）

凍土是指溫度在0 ℃及以下的巖土體，由于凍土對溫度敏感和易變化的特殊性，因此造成凍土區建筑物容易出現凍脹和融沉破壞[1]。近年來，我國的工業化正在飛速發展，隨之而來的是對能源的需求持續提高。石油消耗逐年增加，國內可供量已無法滿足未來發展需求。中俄原油管道是繼西北、海上油氣進口戰略后，攻克黑龍江穿越的世界級難題，開辟了1 條我國東北部從俄羅斯遠東地區陸路進口原油的跨國管道運輸干線通道[2]。中俄石油管道北起我國漠河連崟口岸，沿大興安嶺東坡延伸，經塔河、大揚氣、加格達奇至大慶林源。管道全長953 km，處在多年凍土區管線長為440.7 km。中俄管道穿越沼澤、永凍土、原始森林和地質斷裂等惡劣自然環境。沿途地形起伏，水系沼澤發育，凍土工程地質條件極為復雜[3]。在自然環境和人為因素的影響下，管道周圍的多年凍土不斷融化，出現了一系列凍融破壞問題。如凍土的融沉、熱融洼地和熱融沉陷等問題，因此需要對管線的凍土穩定性進行合理的評價分析。

何瑞霞等[4]對中俄原油管道沿線多年凍土環境進行評價，提出利用地表穩定性指標來評價沿線的凍土環境，根據地表擾動程度、位移量、景觀改變狀況及沿線的凍土類別、年平均地溫等參數，將地表穩定性分成4 個等級。郭微微[5]針對中俄原油管線，通過野外調查、觀測，揭示管線工程的影響機理、凍土退化過程，分析工程對凍土空間分布特征變化及演變影響，對管道沿線地質災害進行了評價。王光宇[6]針對原油管線沿線多年凍土地溫的分布，開展氣候變化對大興安嶺多年凍土溫度場影響的數值模擬研究，提出多年凍土地溫變化在不同年平均地溫條件下的預測結果。

土體的凍脹融沉破壞具有高度復雜的、模糊性強的特點，目前常用的方法有層次分析法、熵權物元可拓法、云模型和神經網絡等，但上述評價方法在評價過程的便捷性或評價結果的嚴謹性上略有不足[7]。可變模糊集理論作為一種處理模糊不確定的方法，在水資源評價、洪水風險分析和大壩安全性評價等領域都有廣泛的應用。本文針對中俄石油管線工程，根據管道周圍不同工程地質條件，選取代表區的基礎上，運用可變模糊集對立統一定理，對中俄石油管道漠-大線多年凍土進行凍土穩定性綜合評價。

1 管道沿線凍土概況

中俄管道從我國的漠河至大慶，沿線穿越多年凍土與季節凍土。由于管道所處緯度不同，周圍土體的凍結狀態也不同，自北向南凍土由片狀不連續凍土（連崟-瓦拉干）、融區不連續凍土（瓦拉干-翠峰）、稀疏島狀多年凍土（翠峰-加格達奇）及零星多年凍土（加格達奇-大楊樹）向季節凍土過渡。管道沿線高溫、高寒冰凍土占多年凍土的23%，島狀凍土與零星凍土所占比例更高，占到多年凍土的40%[8]。由于管道沿線自然條件復雜多變，土體凍脹融沉差異性容易受到外界的干擾，如植被、含水量、坡向和土質等因素，對管道的安全和穩定都有影響。多年凍土區的管線，由于內部油溫高于0 ℃，導致管道周圍土體逐漸融化，凍土主要體現融沉災害風險較大。在季節凍土區的管線旁，土體隨季節溫度變化呈周期性凍融，因此在大楊樹以南的管線主要考慮凍脹帶來的破壞。

2 評價方法

可變模糊集對立統一定理是大連理工大學陳守煜教授提出的。該方法是通過對立模糊概念或屬性，事物在連續區間[1，0]與[0，1]的任意一點上，對立模糊屬性的相對隸屬度之和為1。其步驟如下。

1）確定待評對象u及多個級別標準h（h=1，2，…，c），滿足μih（u）+μi(h+1）（u）=1。

2）計算待評對象u 的指標i（i=1，2，…，m）的特征值xi對h 與（h+1）級的相對隸屬度為

3）計算待評對象u對級別h 的綜合相對隸屬度。

若評價系統為線性公式，綜合相對隸屬度νh（u）表示為

若考慮評價系統是非線性系統，綜合相對隸屬度νh（u）表示為

4）確定綜合評價等級。

3 凍土工程分區評價

3.1 管線凍土評價區選擇

本次對管線凍土穩定性評價，選取大片融區多年凍土松嶺區、島狀多年凍土加格達奇區及季節凍土喇嘛甸區段為代表，進行管線凍土穩定性評價。松嶺區參考文獻[9]，在管線364 km 附近，選擇該區域主要考慮水文地質條件復雜，存在較大規模的凍脹丘，對管道的安全極為不利，因此作為研究點進行分析評價。第二個點選在島狀多年凍土加格達奇地區，該區域受氣溫和自然條件，以及人類活動的影響，多年凍土分布不均勻，多年凍土分布面積較小，而且凍土厚度較薄，所以多年凍土呈退化狀態[10]。第三個評價區選擇松嫩平原季節凍土區大慶市讓胡路區喇嘛甸鎮，該段為沖洪積平原，土體受鹽漬災害影響，植被覆蓋率低。管道沿線各評價區凍土特征參數見表1。

表1 輸油管道沿線特征參數

3.2 評價指標的建立

凍土的性質不同于常規的土體，其性質受到諸多因素的影響。從土體自身性質分析，包括土體的類型、土體的含水量、凍土中冰的含量及外界溫度的變化等因素影響凍土的性質。從外部環境分析，如氣候因素、地形地貌、第四紀地質因素和人類活動等因素也會影響凍土的性質。因此，在對某一工程的凍土體進行穩定性分析時，應在眾多影響要素中選擇出最具有代表性的因子進行風險性評價[11]。

中俄石油管道工程，穿越大興安嶺多年凍土，凍土的穩定性因素主要從自然環境、凍土狀況和管道擾動3 方面分析。自然環境包括年平均氣溫、植被覆蓋度、土質、坡度和地表徑流等。凍土一般在融土區、植被稀疏和粗顆粒土地段的穩定性較好；在坡腳、洼地凍土穩定性較差。凍土狀況主要包括凍土含冰量、年平均地溫和活動層厚度等。多年凍土的穩定性與冰的相態變化緊密相關，并且穩定性與含冰量呈反相關，即含冰量愈大，凍土的穩定性愈低。年平均地溫對凍土的物理、力學性質及穩定性有影響，年平均地溫愈低，土體中未凍水含量愈少，凍土的含冰量愈高，凍土抵御變形的能力愈強，凍土穩定性愈好。多年凍土區活動層厚度反映出了陸－氣間熱交換程度，活動層厚度越大，表明暖季、冷季溫度極差大，不利于管道周圍地基土的熱穩定性。輸油管道擾動包括油溫、管道埋深。管道油溫相對周圍凍土是高溫，凍土在高油溫持續作用下，使凍土含冰量下降，土體出現融化變形，地表出現熱融下沉。管道施工過程中，土石方開挖改變了地表狀態和下墊面性質。石油管道鋪設的埋深，影響多年凍土的穩定性。

綜合以上分析，共選取10 個評價指標，分別為年平均氣溫、植被覆蓋度、土質、坡度、地表徑流、凍土含冰量、年平均地溫、活動層厚度、年平均油溫和管頂埋深。將管道病害等級劃為4 級：良好（Ⅰ）、較好（Ⅱ）、不良（Ⅲ）和較差（Ⅳ）。

評價標準是考慮凍土區影響管道穩定性的因素，選取對管道穩定性影響顯著的因素，建立評價體系。評價指標根據前人的研究成果，結合文獻[1]，漠大線輸油管道病害評價分級標準見表2。

表2 穩定性評價指標等級標準

3.3 評價指標權重

評價指標權重，反映評價指標在評價過程中的地位或起的作用的重要程度。確定權重的方法有多種，如專家估計法、層次分析法等，本文的權重參考文獻[9]，各評價指標權重見表3。

表3 評價指標權重

3.4 凍土工程分區評價結果

根據表3，可知設計指標權向量為

ω=（0.051，0.048，0.057，0.062，0.065，0.128，0.148，0.108，0.221，0.112）。

在確定指標權向量后，進行綜合相對隸屬度及特征值計算，計算按照線性即α=1，p=1 的情況下進行計算。管道沿線穩定性計算結果見表4。

表4 管道凍土穩定性評價結果

中俄石油管道漠-大線凍土的凍害破壞穩定性通過計算結果可知，在不同區域受諸多條件的影響，穩定性有所差異。松嶺區由于年均地溫相對較低、多年凍土含冰量高，管道周圍有凍脹丘的形成，多年凍土內的管道平均油溫為正溫度，使周圍多年凍土出現熱融下沉現象，通過計算評價為不良（Ⅲ級）。加格達奇區為島狀多年凍土，多年凍土占5%～30%，季節凍土占優勢，人類活動加劇，凍土穩定性評價為較好（Ⅱ級）。喇嘛甸為季節凍土區，年平均地溫相對較高，土體含鹽量高，植被覆蓋率低，季節凍土穩定性評價為不良（Ⅲ級）。

4 結束語

本文運用可變模糊集對立統一定理，對中俄石油管道漠河至大慶段進行了土體凍害破壞的穩定性評價，在參考相關文獻資料的基礎上，選擇影響中俄石油管道土體凍害穩定性的因素主要有3 大方面、10 個評價指標、4 個評價等級。通過可變模糊集對立統一定理的計算，漠大線松嶺區管道凍害穩定性為不良（Ⅲ級），加格達奇區管道凍害穩定性為較好（Ⅱ級），喇嘛甸季節凍土區穩定性評價為不良（Ⅲ級）。該評價結果與其他評價方法所得到的結果一致，并與實際基本吻合，說明可變模糊集對立統一定理在凍土的穩定性評價上應用是可行的。根據管道沿線的凍土穩定性評價結果，以便采取相應的措施，防止凍害破壞的發生。