仲夏夜(大慶油田第一采油廠規(guī)劃設計研究所，)

油田埋地管道地基處理方法探討

仲夏夜(大慶油田第一采油廠規(guī)劃設計研究所，)

大慶地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，冬季凍結，夏季全部融化?？紤]到油田管線數(shù)量多及允許變形量大的因素，大部分管線采取埋地式鋪設，可降低成本，同時增加美觀性。然而季節(jié)性凍土的凍脹、融沉問題對油田埋地管線產(chǎn)生的危害不容忽視，為保證油田管線安全運輸，延長管道使用壽命，對比不同土質類型和保溫層厚度對埋地管線產(chǎn)生的影響，提出減小季節(jié)性凍土危害的措施，解決管道地基變形問題。

季節(jié)性凍土;埋地管道

1 輸油管道及地基概況

1.1 輸油管道概況

油田管道是線性工程，與道路線性工程相比，管道是一個柔性構造物，允許的變形量較大。埋地式管道，荷載小，地基承載力一般都能滿足要求。故埋地式管道的地基設計只需滿足變形要求便可以。

1.2 季節(jié)性凍土的危害

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)附錄F《中國季節(jié)性凍土標準凍深線圖》，大慶地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，凍結時間為當年10月中下旬至第二年5月中下旬。

(1)凍脹

由于凍土分為多年凍土和季節(jié)凍土，故凍脹也分為兩種不同情況：在多年凍土區(qū)易產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，但不是很明顯，而在季節(jié)性凍土區(qū)的凍脹問題較為明顯。

(2)融沉

凍土的融沉主要隨土體的含水量的增大而增大，隨干密度的增大而減小，在相同水量的情況下，粘土的融沉性大于砂土。

1.3 存在問題

當輸油管道敷設于季節(jié)性凍土區(qū)時，由于管道溫度較高，在冬季低溫狀態(tài)下，管道散發(fā)熱量將會對周圍凍土產(chǎn)生影響，引起管道基礎融沉、管道變形等問題。倘若管道輸送常溫介質且距離較長，介質溫降較大，導致周圍土體凍結，從而使管道豎向上產(chǎn)生不均勻凍結，導致凍脹變形。因此，如何解決季節(jié)凍土層管道基礎融沉、地基凍結變形問題，保障管線安全運輸，是管線工程在季節(jié)凍土區(qū)所面臨的主要問題。

2 影響因素分析

2.1 保溫層的影響

季節(jié)凍土區(qū)管道凍結圈模型見圖1。管道考慮裸露和外包5cm和10cm保溫層三種情況。管道保溫層一般選擇密封性好，耐久性強的材料。

圖1 管道埋地模型圖圖

圖2 季節(jié)凍土區(qū)油管凍結圈發(fā)展過程圖

季節(jié)凍土區(qū)油管凍結圈厚度及凍脹量見圖2和表1。從圖2不難看出，季節(jié)凍土區(qū)管道地基，未進行隔熱處理的裸管周圍土體最大凍結厚度為1.0m，凍脹量12cm，為減小凍結圈厚度，可以外包保溫層。從表1可知，外包5cm和10cm保溫層后，地基凍脹量分別為3.6cm和2.4cm，減小70%和80%的凍脹量。對比5cm和10cm保溫層，從經(jīng)濟來看，5cm保溫層便可以了。

表1 凍結圈厚度及凍脹量表

2.2 地基土的影響

地基土產(chǎn)生凍脹有三個基本條件，即地基填土中存在凍脹敏感性的土，足夠的負溫總量與水分補給。其中：凍脹敏感性的土屬于地基土和填料自身的性質，是地基產(chǎn)生凍脹的主因；考慮到凍土地基的氣溫波動和一定的安全儲備，宜對季節(jié)凍土地基進行一定的處理。從減小凍脹率的角度，可將管道周圍地基土進行換填。季節(jié)性凍土區(qū)地表土層，多為粘土、粉質黏土，土體孔隙率較高，含水量較大，參數(shù)見表2。

管道周圍換填材料采用細顆粒含量不大于15%的粗顆粒土或碎石土，含水量10%，密度1.63g/cm3，單位體積潛熱為15230千卡/平方米，導熱系數(shù)1.0千卡/米·時·℃。季節(jié)凍土地基換填后凍結圈厚度及結果見表3。

表3 季節(jié)凍土換填后人工地基凍結圈凍結厚度計算結果表

在同一含水狀態(tài)下，粉質亞粘土、粉質亞砂土的融沉性最強，其次是重粘土和細砂，以砂礫石土最弱。這是由于它們的表面能和孔隙大小的不同所決定的。 凍害是在凍土地區(qū)廣泛存在的地基病害，當不均勻凍脹超過一定界限，影響到管道的允許變形值時，就形成了管道地基土的凍害。如果在較長的距離內出現(xiàn)的凍脹變形比較均勻，對輸油管道不產(chǎn)生不利影響時，這種凍脹是允許存在的。

3 季節(jié)凍土區(qū)的地基處理措施

3.1 土體換填

鋪設管線時，將原有一定厚度的粘土、粉質粘土去除，在管道底部和周圍換填一定厚度的透水性好的非凍脹土，并進行壓實，以減少管道周圍土體凍脹引起的地基變形。

3.2 管道保溫

為管道選擇合適的保溫層，以減少管道周圍凍結圈的厚度，防止發(fā)成管道基礎融沉。目前，油田大量采用黃夾克保溫管，保溫材料為硬質聚氨酯泡沫塑料，其導熱系數(shù)為0.027W/ m·K，抗壓強度不低于0.2MPa，隔熱性好，吸水率低，是較理想的保溫材料，保溫層外包防腐層。

油田季節(jié)性凍土區(qū)域，部分管道埋設采用了以上所探討的地基處理方案及方法，經(jīng)過近幾年的運行，管線及所處地基狀況一直十分穩(wěn)定，因此在油田同類工程上具有一定的參考價值。

[1]GB50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范[J].

表2 地基土凍脹性評價

仲夏夜(1988- )，女，助理工程師，2010年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè)，現(xiàn)在大慶油田第一采油廠規(guī)劃設計研究所地面工程管理人員。