凍融作用對中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡影響

安寧, 萬寶峰, 侯云龍, 姜鈺泉

(1. 甘肅工程地質研究院, 蘭州 730000; 2. 陜西煤田地質勘查研究院有限公司, 西安 710000)

天然氣作為一種高效、清潔、優質能源,對環境造成的污染遠遠小于石油和煤炭,是近幾十年內發展低碳經濟、實現節能減排的必然選擇。中俄東線天然氣輸送工程是中國能源結構優化戰略的重要組成部分,也是目前國內輸氣量最大的跨國輸氣管道[1]。中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段屬于過境段控制性工程,該段管道沿坡體埋置。隨著季節的交替,邊坡上土體會反復發生凍融循環作用,在此過程中,土壤理化性質的改變使邊坡穩定狀態逐漸遭受破壞,最終發生失穩而引起管道失效并造成嚴重的后果[2-3]。確保該段工程的安全平穩運行,對沿線地區經濟增長和保障天然氣供需雙方那的經濟利益具有重要意義[4]。

凍融作用的影響一直以來都是寒區工程中需要重點關注的問題之一,伴隨著基礎設施建設的發展,與寒區邊坡工程相關的研究均取得了顯著成果。在凍融作用誘發滑坡的機理方面,現場調查與原位監測結果的分析是主要手段,吳瑋江[5]于1997年提出了季節性凍結滯水促滑效應,凍結滯水效應在一定條件下季節性凍融作用可導致斜坡體內地下水的富集和擴展,從而影響到斜坡深部,加速變形破壞進程,從而促發滑坡形成;而后張茂省等[6]通過建立氣溫、地溫和地下水位動態等協同觀測網,發現凍結滯水效應和循環凍融的雙重作用是滑坡在春季頻發的根本原因;朱賽楠等[7]研究了皮里青河“3.24”滑坡的凍融失穩機理與滑坡運動特征;申艷軍等[8]圍繞凍融作用下冰磧土水熱遷移及聚冰凍脹規律,闡明了內部富冰帶成因及滯水促滑失穩機制;羅路廣等[9]基于大氣溫度和降水變化規律,建立了天山地區凍融侵蝕強度評價模型。隨著科學技術的發展,模型試驗也在該項研究中被大量應用,如文獻[10-12]開展膨脹土邊坡模型試驗,研究了凍融過程中邊坡內土壓力、含水率、位移、溫度變化;趙文等[13]通過室內模型試驗分析了粗顆粒土邊坡在降雨—日曬—凍融—再降雨等自然條件下的變化特征。在凍融作用對巖土體的物理力學參數影響方面,張云龍等[14]基于靜三軸試驗,研究了不同含水量狀態下,季凍區粉砂土在經歷不同次數凍融循環后的黏聚力、內摩擦角等宏觀力學特性的變化規律;崔廣芹等[15]通過直剪試驗探索了凍融循環對粉砂土抗剪強度的影響規律;程秀娟等[16]通過原狀樣直剪試驗,分析了黑方臺地區的凍融作用特征及其對斜坡土體抗剪強度的影響;譚捍華等[17]實現了將巖塊的凍融力學參數向邊坡裂隙巖體凍融力學參數的轉化,并分析比較了巖體各參數的凍融劣化效應;黃文強[18]采用直剪試驗研究了含水率和凍融次數對黃土抗剪強度特性的影響。在工程應用方面,曾韜睿等[19]推導出了適用于凍融邊坡的傳遞系數法公式;董建華等[20]建立了考慮土體水熱力耦合、支護結構與土體耦合及相互作用的框架錨桿支護凍土邊坡計算模型,得出了框架錨桿內力、變形變化規律和工作機理;孫國棟等[21]推導出了考慮土體在凍融循環作用下的抗剪強度損傷、滲流作用以及氣溫變暖等因素的框架錨桿支護多年凍土區高陡邊坡的穩定性計算方法;羅懷廷等[22]推導出了露天礦組合邊坡凍融循環穩定系數計算公式;張小榮等[23]計算了春融期素土及根-土復合體邊坡的安全系數。綜上所述,眾多學者針對寒區邊坡工程進行了大量研究,對邊坡凍融失穩機理認識清晰,在大量室內試驗的基礎上提出了很多評價模型。然而在大多數試驗研究中,迫于現場監測和室內模型試驗的條件限制,研究成果大多都集中于一次凍融過程或監測時間較短,能夠反映多次凍融循環對邊坡影響的研究成果較少,且對應到實際工程中研究凍融作用對管道穿越邊坡影響的案例較少。

為了探究凍融循環作用對天然氣管道穿越邊坡的影響,現通過對中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡的現場監測,收集過境段邊坡1年內的坡體溫度與位移變化,然后結合數值模擬手段,分析凍結過程和融化過程對邊坡穩定性的影響,探討凍融作用對管道穿越邊坡安全的影響規律。以期為中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡安全運行維護工作及工程服役性能研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 天然氣管道工程

研究所涉及的天然氣管道工程地理位置如圖1所示,該工程屬于中俄東線天然氣管道過境段。中俄東線天然氣管道從黑龍江省入境,途經黑龍江、吉林、內蒙古自治區、遼寧、河北、天津、山東、江蘇等8省市區,止于江蘇省西一線甪直聯絡站,干線全長3 054 km,設計輸量380×108m3/a,設計壓力12/10 MPa,管徑D1422/D1219 mm。中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段屬于過境段控制性工程,位于黑河市西北方向的中俄民族風情園西北約500 m,是起點黑龍江穿越入境點(國界線處)后的第一段,穿越黑龍江后,在盾構的連接處延伸約15 m后,管道沿監測段的坡體敷設,坡體呈約40°,斜坡的水平距離總長度為477 m,高差為120 m。

圖1 中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段位置圖Fig.1 Location of pile AA001-AA004 of China Russia East gas pipeline

1.2 邊坡監測工程

該邊坡坡體主要由兩層土體構成,邊坡上土體第一層為粉質黏土,土質不均且含有20% ～ 30%的碎石,近地表20 cm為耕植土,含有植物根系及腐殖質,該層層厚為1.5 ～ 2.5 m;第二層為全風化-強風化安山巖,強度較高且鉆進困難,具有斑狀結構,斑晶主要由斜長石和暗色礦物組成。

結合該邊坡地層特征與管道位置,推測該邊坡可能發生失穩的位置在邊坡淺層,據此設計了中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段邊坡監測區,用于監測坡體表面位移、降雨量和淺層土體中的溫濕度。監測區內采用了1個GNSS移動站和3個拉線式裂縫計監測坡體表面位移,GNSS移動站位于坡體上部位置,GNSS基站安裝在坡體之外,距移動站直線距離為270 m,3個裂縫計在坡面自上而下依次為拉線計1、2、3;1個雨量計用于監測降雨量,雨量計安裝于GNSS移動站上;2個土壤溫濕度計被安裝于坡體中部位置的監測坑1內,分別安裝于坡面上深度0.5 m和2.0 m處。邊坡監測工程現場實施過程見圖2,監測區內各個傳感器的安裝位置見圖3。

圖3 中俄東線天然氣管道AA001～AA004樁段邊坡監測區傳感器布置圖Fig.3 Sensor layout in slope monitoring area of AA001-AA004 pile section of Russian East gas pipeline

1.3 數值模擬

選用FLAC3D軟件進行數值模擬分析,根據地形剖面建立邊坡模型,建立模型及其網格劃分見圖4,邊坡模型底面長1 000 m、寬10 m,模型高95～228 m,兩側邊界高度分別為95 m和204 m,數值模型中共包含271 627個單元和222 169個節點。模型的底面設置為固定邊界,模型的上表面設置為自由邊界,模型的側面設置為水平約束,模型的y方向全部設為水平約束。材料的模型全部選用摩爾庫倫模型,在坡面位置處設定了5個監測點1#～5#用于監測計算過程中的位移變化。

圖4 邊坡數值模型與監測點分布位置圖Fig.4 Slope numerical model and monitoring points distribution

首先計算了邊坡的初始應力場與溫度場,然后改變溫度邊界條件,計算了溫度場與應力場耦合條件下溫度變化對邊坡影響;然后考慮凍融循環對巖土體抗剪強度的影響,計算了多次凍融循環條件下邊坡位移場與安全系數,計算中凍融循環的最大次數為20次。溫度場是通過給定模型上表面和底面不同的溫度邊界實現的,圖5總結了近3年監測區的月平均溫度,根據每年的月平均氣溫和中俄輸油管線地溫研究資料[24],將凍結過程和融化過程的溫度場邊界條件設定為上表面-20 ℃/22 ℃、底面-2 ℃/2 ℃。計算過程中巖土體參數設置見表1。

表1 土體在不同凍融循環情況下的計算參數[25-30]Table 1 Calculation parameters of soil mass under different freeze-thaw cycles[25-30]

圖5 2018年1月—2021年11月月平均溫度Fig.5 Monthly average temperature from January 2018 to November 2021

2 結果與討論

2.1 現場監測數據

由于監測與自然條件惡劣,監測系統的實際運行過程中監測坑1內2.0 m深處的傳感器沒有正常工作,因此在數據分析時舍棄掉了該傳感器數據,其余傳感器數據見圖6?？芍?邊坡于2020年12月初—2021年4月底,GNSS和拉線計的監測數值都處于0附近,基本沒有變化;此階段中降雨量很小且土體中溫度始終處于0 ℃以下。在2021年5月初監測數值突然出現較大幅度的變化,3號拉線式位移計的數值達到了30 mm,同時GNSS數據也發生同步的波動;從溫度與濕度傳感器可以看出,此時土體中溫度在升高,由于土體中被凍結水分的融化和坡面上雪融水的入滲,土體含水率大幅增加,這一過程中含水率的增大降低了坡面土體強度是坡面發生位移的主要原因。邊坡在2021年6—10月期間GNSS和裂縫計的數值變化較小,波動范圍在10 mm以內,該段時間內邊坡一直在發生緩慢變形,但變形量很小;在此階段中,土體溫度持續回升,幾次較大的降水事件后雨水入滲是造成邊坡緩慢變形的主要原因。

圖6 現場監測數據Fig.6 Field monitoring data

根據2021年一整年的監測數據變化可看出,造成過境段邊坡表面位移變化的主要原因是表層土體含水率的變化,土體中水分的增加降低了土顆粒之間的滑動摩擦力和膠結黏聚力,使得土體抗剪強度變小,導致了坡面位移隨著土體含水率的增大而增大。春季融雪期和雨季汛期是坡面位移變化的關鍵時間節點,過境段邊坡不僅需要注意汛期的安全巡查,還需加強融雪期邊坡的巡查工作。

2.2 凍結過程與融化過程對邊坡影響分析

圖7為凍結與融化過程中邊坡的總位移云圖,可以看出,凍融作用引起的邊坡位移變化僅存在于邊坡表面。邊坡中下部位置位移較大,凍結過程中最大位移可達7.9 mm,融化過程中最大位移可達34 mm,3號拉線計所在位置處位移為25 mm,1號和2號拉線計位置處位移在5 mm以內,數值模擬計算結果與現場監測數據基本吻合。

圖7 邊坡的總位移云圖Fig.7 Cloud chart of total displacement of slope

從模型表面豎直向下通過5個監測點建立5條測線,測線的起點和終點為邊坡模型的表面和底面。圖8展示了從邊坡表面豎直向下深度12 m內的總位移變化,可以看出,凍融過程中位移最大處在坡面位置,隨著深度的增大,位移數值不斷減小,隨后逐漸趨向于0 m;凍融過程對邊坡位移的影響從地下8 m處開始可以忽略不計。對比5條測線可以看出,凍融過程對邊坡位移的影響從坡頂到坡腳逐漸增大。

圖8 邊坡模型中測線上不同深度處位移量Fig.8 Displacement at different depth on the measuring line in the slope model

采用強度折減法計算的邊坡安全系數為2.97(初始狀態與凍結過程)和2.67(融化過程),邊坡在一次凍融循環過程中始終處于穩定狀態。邊坡發生失穩時最大剪應變增量云圖見圖9,可以看出,邊坡可能發生失穩的滑動面在坡體內部較淺位置,可能發生失穩的位置與現場重點監測位置相同;經歷一次凍融循環后,邊坡安全系數降低了0.3,此時邊坡安全系數仍大于2.6,所以邊坡在圖9所示滑動面失穩的概率較小。

圖9 初始狀態與凍結過程和融化過程的邊坡最大剪應變增量云圖Fig.9 Cloud chart of maximum shear strain increment of slope in initial state and freezing process and melting process

盡管過境段邊坡的安全系數在凍結過程和融化過程中都大于2.6,邊坡始終處于安全狀態,但數值模擬與現場監測的結果都顯示邊坡坡面會在凍融作用下發生破壞。在熱力耦合計算結果中,邊坡表面深度1.5 m內的土體在凍融循環作用下會有少量位移;即邊坡表面1.5 m深度內的土體可能會在凍融循環作用下產生小型裂隙,形成雨水或雪融水入滲的優勢通道。在降雨或融雪等因素的持續作用下,管道上覆土體容易被進一步侵蝕或流失,甚至發生坡面溜滑。造成管道受力不均或將管道直接暴露出來,增大管道的事故風險。因此在管道后期的運維工作中應當重點關注過境段邊坡的坡面防護工作。

2.3 凍融循環對邊坡安全系數影響分析

圖10為不同凍融循環次數下強度折減法計算的邊坡安全系數,可以看出,所依托工程邊坡在凍融循環作用下安全系數不斷減小,從初始狀態的2.97經歷6次凍融循環后將至最低值2.5;經歷首次凍融循環時安全系數的變化量最大,而后安全系數變化量不斷減小;在20次凍融循環中,邊坡的安全系數始終大于等于2.5,該邊坡始終處于穩定狀態。

圖10 凍融循環作用下邊坡安全系數變化Fig.10 Change of slope safety factor under freeze-thaw cycle

邊坡安全系數隨著凍融循環次數的增加呈現出先降低然后趨于一個穩定值得趨勢,這與王掌權等[31]、崔廣芹等[15]的研究結果相同,邊坡安全系數在20次凍融循環之內遵循此規律,且邊坡安全系數的下降幅度不會超過1.0。但是在譚捍華等[17]的研究中,邊坡安全系數在50次凍融循環后下降了1.15,直接導致邊坡安全系數低于了設計要求的下限值,這可能與巖土體性質和凍融循環的次數有關。因此,凍融循環次數較少時(小于20次),過境段邊坡的安全系數可參考此規律;在過境段邊坡的運維工作中,隨著年限的增長,應當間隔固定時間(5年或10年)對過境段邊坡重新采樣進行巖土體土工試驗并計算邊坡穩定性。

3 結論

依托對中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡,通過現場監測和數值模擬的手段,進行了凍結過程和融化過程中的邊坡響應分析并預測了中俄東線天然氣管道工程過境段邊坡經歷多次凍融循環后坡體位移的發展趨勢。得出如下結論。

(1)過境段邊坡的現場監測方案設計合理,能夠有效地監測到坡體變化,為管道工程的安全提供預警工作;邊坡表面產生位移的主要原因是表層土體含水率的變化,春季融雪期和雨季汛期是坡面位移變化的關鍵時間節點,過境段邊坡不僅需要注意汛期的安全巡查,還需加強融雪期邊坡的巡查工作。

(2)凍融作用僅能影響過境段坡面土體的穩定性。過境段邊坡表面1.5 m深度以內的土體容易受凍融作用影響形成雨水入滲的優勢通道,進一步侵蝕土體或造成水土流失,在管道后期的運維工作中應當重點關注過境段邊坡的坡面防護工作。

(3)當凍融循環次數較少時,融循環作用對安全系數的影響隨著凍融循環次數的增加不斷減小,在一定的循環次數后安全系數不再發生變化。過境段邊坡安全系數在凍融作用影響下最大值為2.96,最小值為2.5。