中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素.pdf
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1、第 卷第 期黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 年 月 .:/中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素宋 杨 郭润琪 兰岩松 彭 飞 孙剑飞 柳艳杰(黑龙江大学 建筑工程学院 哈尔滨)摘 要:在东北高纬度冻土区的中俄输油工程是一条重要的能源线路 高寒地区冻土的冻胀性给输油工程的建设、运营和维护带来了更大的挑战 通过对中俄输油工程(漠河 大庆段)地质条件的考察与分析 系统研究了影响中俄输油工程岩土冻胀性的要素 结果表明:中俄输油工程沿线泥炭质黏土和含腐殖质粉质黏土是地质条件最差、冻胀灾害最严重的土体 天然含水率是影响岩土冻胀性最显著和最重要的因子 其他影响因素对岩土冻胀性影响较小 但不可忽视关键词:冻胀
2、 中俄输油工程 岩土性质 影响因素中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:冻土工程国家重点实验室开放基金资助项目()国家级大学生创新创业训练计划项目()年度黑龙江省大学生创新创业训练计划项目()作者简介:宋 杨()男 硕士研究生 研究方向:冻土工程:通讯作者:孙剑飞()女 讲师 硕士 研究方向:寒区土木工程和混凝土材料:柳艳杰()女 教授 博士 硕士研究生导师 研究方向:高性能混凝土及抗冻材料:引文格式:宋杨 郭润琪 兰岩松 等.中俄输油工程岩土冻胀性的影响因素.黑龙江大学工程学报 ():.引 言中国东北地区是“一带一路”建设面向北方的窗口 与俄罗斯远东地区联系紧密
3、 为了解决能源问题 中俄两国积极建设基础设施 大力开展经济交流 深化能源领域合作 中俄原油管线的建设与开通 振兴了东北地区工业发展 为“一带一路”提供了新活力 具有重大的战略意义东北地区是我国第二大冻土分布区 属于平原、丘陵和山地为主的低海拔高纬度多年冻土区 地表岩土层含水率较高 受冬季负温度影响 岩土体系中的孔隙水易冻结 中俄输油工程穿越多种地形工程地质复杂 其中以冻胀为主的冻害影响输油工程管道的设计、铺设以及运营维护 岩土冻胀使岩土体积增大 产生对输油管道有害的冻胀力 当岩土层的自重荷载和外部荷载不能和冻胀力平衡时 管道结构在冻胀力的影响下发生冻胀变形 甚至破坏结构 输油工程中 冻胀使管道
4、发生弯曲变形 严重时可破坏管道 造成油气泄露 污染沿线的生态环境 冻胀对于输油输气工程管道的影响是巨大的我国格尔木拉萨输油管道因冻胀丘发育 发生冻胀融沉使管道翘曲暴露 影响输油安全 了解天然状态下岩土性质对岩土冻胀性的影响 可以对输油工程冻胀因素进行识别和评价 从而实施针对性风险采取措施 预防冻害事故的发生 减少损失 保障输油工程的运行 工程概况及研究背景中俄输油工程起始于俄罗斯远东管道斯科沃罗季诺分输站 从中国漠河连崟入境 经过二十二站林场、塔河、新岭、加格达奇、大杨树镇 止于黑龙江省大庆末站 穿越黑龙江省和内蒙古自治区 个市(县、区)工程全长 其中 中国境内长 穿越多年冻土区约 占全线长度
5、约 输油工程由北向南多年冻土区可分为(图):不连续多年冻土区、岛状多年冻土区、斑状多年冻土区、季节冻土区 中俄输油工程穿越了林地、坡地、河漫滩、沟谷以及湿地沼泽等地形地貌工程地质条件复杂多变 有较大的工程差异性 通过实地探坑和钻孔的方式 获取了 个勘探点数据得到了相应的土样信息 分析地层岩土性质对于岩土冻胀性的影响 输油工程管道沿线有不同分布特点和不同深度岩土层 主要包含了 种典型土层:粉质黏土、砾砂、圆砾、砂岩和泥炭质黏土 分别占总样本数据的 和 共占总样本数据的 能够代表输油管线总体岩土层概况 各土样基本信息见表 图 管道沿线冻土分布 表 各土样基本信息 土样类型粉质黏土砾砂圆砾砂岩泥炭质
6、黏土代表地貌特征低山斜谷大片林地低山丘陵大片林地山间凹地山间坡地河漫滩山间沟谷山岭岩土层厚度/天然含水率/土石等级塑限/液限指数/土样描述含有 砂砾石 有少量冰晶体 呈可塑或 融 后 可 塑/流塑 输油工程沿线广泛分布冻结状态 黏土含量 输油工程沿线广泛分布 部分地段有冰晶体和冰夹层密 实 饱 和 颗粒较均匀 级配良好 磨圆度较好 细 粒 土 占 含冰晶全风化 强风化基岩块状结构 密实 结构大部分破坏 岩体破碎风化后呈碎石状 棱角形 含量 含有大量冰晶体 由大量植物根系等有机质及少量黏性土组成 部分地段含有腐烂的植物根系、少量黏土 夹杂少量的砂类土 输油工程沿线广泛分布第 期 宋 杨 等.中俄
7、输油工程岩土冻胀性的影响因素 中俄输油工程土体冻胀影响因子选择图 随机森林技术估计的岩土冻胀影响预测因子重要性排序 对中俄输油工程 个勘探点数据进行分析和处理 利用随机森林算法中增加均方误差百分比()和增加节点纯度()对变量进行重要性排序实现对中俄输油工程沿线岩土类型、天然含水率、土体厚度、埋深、密实度、饱和度及其他因素对土体冻胀影响的重要程度预测 预测结果见图 综合随机森林度量变量重要性的两个指标(和)分析显示影响岩土冻胀性最显著和最重要的因素是岩土含水率 其他因素有一定影响 但其显著性和重要性比含水率小 在实际工程中 为了预防冻胀灾害 应该着重对土体含水率问题进行处理对土体进行有效的排水
8、以解决大部分的冻胀问题 但在考虑土体冻胀性的影响因子时 土质类别、土体厚度、土体埋深、密实度、饱和度等其他影响因子也不可忽视 岩土冻胀性的影响因素分析 岩土类型中俄输油工程表层岩土主要为粉质黏土和泥炭质黏土 冻胀性表现非常明显 通过统计该输油工程中不同岩土类型的冻胀程度等级数量以及最高冻胀程度 结果为:泥炭质黏土 粉质黏土 砾砂 圆砾 砂岩(表)由于输油管线穿越众多河流 天然含水率较高 地下水丰沛 冬季水分能够源源不断向冻结锋面迁移 使冻胀加剧表 岩土冻胀程度分类数量统计 岩土类型冻胀程度分类统计粉质黏土砾砂圆砾砂岩泥炭质黏土 输油工程第一层、第二层的岩土层以粉质黏土和泥炭质黏土为主 粉质黏土
9、天然含水率较高 土质疏松 土石等级较低 土颗粒细小 冻胀程度偏大 泥炭质黏土富含腐烂的植物根系等有机质 并含有少量黏土、冰晶和砂类土 以及其他杂质 成分较为复杂 且大多厚度偏低 密度偏大 透水性能差导致大量的地下水和表层水在泥炭质黏土层滞留 砾砂属于粗粒土 为冻胀不敏感土类 虽然土颗粒表面可以附着水 但无薄膜水 粗颗粒土的冻结主要是孔隙水转化为固态冰而引起的膨胀 粗颗粒土是不会产生水分和正向迁移的 并且有时排出 冻胀程度不大 但在输油工程中 由于岩土是天然土 大部分砾砂土含有 的黏性土 产生连续的水膜 对整体的冻胀情况产生变化 因此在输油工程中粗颗粒砾砂土同样产生一定的冻胀危害 圆砾和砾砂也属
10、于粗粒土 并且圆砾的颗粒更均匀 自然状态下密实度大部分为中等密实度 饱和状态 透水性能好 土石等级较高 冻胀融沉程度低 是工程特性较好的岩土层 砂岩层为全风化 强风化状态 含水率低 土石等级高 冻胀类别为类或不冻胀 工程特性好 在输油工程中几乎不发生冻害黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷 岩土含水率岩土中含有气态水、固态冰、液态水 其中水分迁移的对象主要为液态水 当岩土中的含水率较低时 水冻结产生的冰和未冻水不能将土体中的孔隙填充完整 此时不发生冻胀现象 只有当含水率达到一定程度时 才发生冻胀 此时的含水率称为起始冻胀含水率 在天然状态下 岩土成分比较复杂 岩土层中的天然含水率是影响岩
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