鄭美玉，孫楊楊，趙小宇，孔凡丹，張作合，鄭麗穎

（1.綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061；2.大興安嶺地區(qū)行政公署水務(wù)局，黑龍江 加格達(dá)奇 165002；3.綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)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(duì)溫度敏感和易變化的特殊性，因此造成凍土區(qū)建筑物容易出現(xiàn)凍脹和融沉破壞[1]。近年來(lái)，我國(guó)的工業(yè)化正在飛速發(fā)展，隨之而來(lái)的是對(duì)能源的需求持續(xù)提高。石油消耗逐年增加，國(guó)內(nèi)可供量已無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展需求。中俄原油管道是繼西北、海上油氣進(jìn)口戰(zhàn)略后，攻克黑龍江穿越的世界級(jí)難題，開(kāi)辟了1 條我國(guó)東北部從俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)陸路進(jìn)口原油的跨國(guó)管道運(yùn)輸干線(xiàn)通道[2]。中俄石油管道北起我國(guó)漠河連崟口岸，沿大興安嶺東坡延伸，經(jīng)塔河、大揚(yáng)氣、加格達(dá)奇至大慶林源。管道全長(zhǎng)953 km，處在多年凍土區(qū)管線(xiàn)長(zhǎng)為440.7 km。中俄管道穿越沼澤、永凍土、原始森林和地質(zhì)斷裂等惡劣自然環(huán)境。沿途地形起伏，水系沼澤發(fā)育，凍土工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜[3]。在自然環(huán)境和人為因素的影響下，管道周?chē)亩嗄陜鐾敛粩嗳诨?，出現(xiàn)了一系列凍融破壞問(wèn)題。如凍土的融沉、熱融洼地和熱融沉陷等問(wèn)題，因此需要對(duì)管線(xiàn)的凍土穩(wěn)定性進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)分析。

何瑞霞等[4]對(duì)中俄原油管道沿線(xiàn)多年凍土環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出利用地表穩(wěn)定性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)沿線(xiàn)的凍土環(huán)境，根據(jù)地表擾動(dòng)程度、位移量、景觀改變狀況及沿線(xiàn)的凍土類(lèi)別、年平均地溫等參數(shù)，將地表穩(wěn)定性分成4 個(gè)等級(jí)。郭微微[5]針對(duì)中俄原油管線(xiàn)，通過(guò)野外調(diào)查、觀測(cè)，揭示管線(xiàn)工程的影響機(jī)理、凍土退化過(guò)程，分析工程對(duì)凍土空間分布特征變化及演變影響，對(duì)管道沿線(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王光宇[6]針對(duì)原油管線(xiàn)沿線(xiàn)多年凍土地溫的分布，開(kāi)展氣候變化對(duì)大興安嶺多年凍土溫度場(chǎng)影響的數(shù)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(yù)測(cè)結(jié)果。

土體的凍脹融沉破壞具有高度復(fù)雜的、模糊性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前常用的方法有層次分析法、熵權(quán)物元可拓法、云模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，但上述評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)過(guò)程的便捷性或評(píng)價(jià)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性上略有不足[7]?？勺兡：碚撟鳛橐环N處理模糊不確定的方法，在水資源評(píng)價(jià)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和大壩安全性評(píng)價(jià)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)中俄石油管線(xiàn)工程，根據(jù)管道周?chē)煌こ痰刭|(zhì)條件，選取代表區(qū)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用可變模糊集對(duì)立統(tǒng)一定理，對(duì)中俄石油管道漠-大線(xiàn)多年凍土進(jìn)行凍土穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)。

1 管道沿線(xiàn)凍土概況

中俄管道從我國(guó)的漠河至大慶，沿線(xiàn)穿越多年凍土與季節(jié)凍土。由于管道所處緯度不同，周?chē)馏w的凍結(jié)狀態(tài)也不同，自北向南凍土由片狀不連續(xù)凍土（連崟-瓦拉干）、融區(qū)不連續(xù)凍土（瓦拉干-翠峰）、稀疏島狀多年凍土（翠峰-加格達(dá)奇）及零星多年凍土（加格達(dá)奇-大楊樹(shù)）向季節(jié)凍土過(guò)渡。管道沿線(xiàn)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(xiàn)自然條件復(fù)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(zhì)等因素，對(duì)管道的安全和穩(wěn)定都有影響。多年凍土區(qū)的管線(xiàn)，由于內(nèi)部油溫高于0 ℃，導(dǎo)致管道周?chē)馏w逐漸融化，凍土主要體現(xiàn)融沉災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大。在季節(jié)凍土區(qū)的管線(xiàn)旁，土體隨季節(jié)溫度變化呈周期性?xún)鋈?，因此在大楊?shù)以南的管線(xiàn)主要考慮凍脹帶來(lái)的破壞。

2 評(píng)價(jià)方法

可變模糊集對(duì)立統(tǒng)一定理是大連理工大學(xué)陳守煜教授提出的。該方法是通過(guò)對(duì)立模糊概念或?qū)傩?，事物在連續(xù)區(qū)間[1，0]與[0，1]的任意一點(diǎn)上，對(duì)立模糊屬性的相對(duì)隸屬度之和為1。其步驟如下。

1）確定待評(píng)對(duì)象u及多個(gè)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)h（h=1，2，…，c），滿(mǎn)足μih（u）+μi(h+1）（u）=1。

2）計(jì)算待評(píng)對(duì)象u 的指標(biāo)i（i=1，2，…，m）的特征值xi對(duì)h 與（h+1）級(jí)的相對(duì)隸屬度為

3）計(jì)算待評(píng)對(duì)象u對(duì)級(jí)別h 的綜合相對(duì)隸屬度。

若評(píng)價(jià)系統(tǒng)為線(xiàn)性公式，綜合相對(duì)隸屬度νh（u）表示為

若考慮評(píng)價(jià)系統(tǒng)是非線(xiàn)性系統(tǒng)，綜合相對(duì)隸屬度νh（u）表示為

4）確定綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 凍土工程分區(qū)評(píng)價(jià)

3.1 管線(xiàn)凍土評(píng)價(jià)區(qū)選擇

本次對(duì)管線(xiàn)凍土穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，選取大片融區(qū)多年凍土松嶺區(qū)、島狀多年凍土加格達(dá)奇區(qū)及季節(jié)凍土喇嘛甸區(qū)段為代表，進(jìn)行管線(xiàn)凍土穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。松嶺區(qū)參考文獻(xiàn)[9]，在管線(xiàn)364 km 附近，選擇該區(qū)域主要考慮水文地質(zhì)條件復(fù)雜，存在較大規(guī)模的凍脹丘，對(duì)管道的安全極為不利，因此作為研究點(diǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。第二個(gè)點(diǎn)選在島狀多年凍土加格達(dá)奇地區(qū)，該區(qū)域受氣溫和自然條件，以及人類(lèi)活動(dòng)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(tài)[10]。第三個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)選擇松嫩平原季節(jié)凍土區(qū)大慶市讓胡路區(qū)喇嘛甸鎮(zhèn)，該段為沖洪積平原，土體受鹽漬災(zāi)害影響，植被覆蓋率低。管道沿線(xiàn)各評(píng)價(jià)區(qū)凍土特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輸油管道沿線(xiàn)特征參數(shù)

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

凍土的性質(zhì)不同于常規(guī)的土體，其性質(zhì)受到諸多因素的影響。從土體自身性質(zhì)分析，包括土體的類(lèi)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(zhì)。從外部環(huán)境分析，如氣候因素、地形地貌、第四紀(jì)地質(zhì)因素和人類(lèi)活動(dòng)等因素也會(huì)影響凍土的性質(zhì)。因此，在對(duì)某一工程的凍土體進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)在眾多影響要素中選擇出最具有代表性的因子進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[11]。

中俄石油管道工程，穿越大興安嶺多年凍土，凍土的穩(wěn)定性因素主要從自然環(huán)境、凍土狀況和管道擾動(dòng)3 方面分析。自然環(huán)境包括年平均氣溫、植被覆蓋度、土質(zhì)、坡度和地表徑流等。凍土一般在融土區(qū)、植被稀疏和粗顆粒土地段的穩(wěn)定性較好；在坡腳、洼地凍土穩(wěn)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(dòng)層厚度等。多年凍土的穩(wěn)定性與冰的相態(tài)變化緊密相關(guān)，并且穩(wěn)定性與含冰量呈反相關(guān)，即含冰量愈大，凍土的穩(wěn)定性愈低。年平均地溫對(duì)凍土的物理、力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)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(qiáng)，凍土穩(wěn)定性愈好。多年凍土區(qū)活動(dòng)層厚度反映出了陸－氣間熱交換程度，活動(dòng)層厚度越大，表明暖季、冷季溫度極差大，不利于管道周?chē)鼗恋臒岱€(wěn)定性。輸油管道擾動(dòng)包括油溫、管道埋深。管道油溫相對(duì)周?chē)鷥鐾潦歉邷?，凍土在高油溫持續(xù)作用下，使凍土含冰量下降，土體出現(xiàn)融化變形，地表出現(xiàn)熱融下沉。管道施工過(guò)程中，土石方開(kāi)挖改變了地表狀態(tài)和下墊面性質(zhì)。石油管道鋪設(shè)的埋深，影響多年凍土的穩(wěn)定性。

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

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是考慮凍土區(qū)影響管道穩(wěn)定性的因素，選取對(duì)管道穩(wěn)定性影響顯著的因素，建立評(píng)價(jià)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)前人的研究成果，結(jié)合文獻(xiàn)[1]，漠大線(xiàn)輸油管道病害評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，反映評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)過(guò)程中的地位或起的作用的重要程度。確定權(quán)重的方法有多種，如專(zhuān)家估計(jì)法、層次分析法等，本文的權(quán)重參考文獻(xiàn)[9]，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.4 凍土工程分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表3，可知設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)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(biāo)權(quán)向量后，進(jìn)行綜合相對(duì)隸屬度及特征值計(jì)算，計(jì)算按照線(xiàn)性即α=1，p=1 的情況下進(jìn)行計(jì)算。管道沿線(xiàn)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 管道凍土穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

中俄石油管道漠-大線(xiàn)凍土的凍害破壞穩(wěn)定性通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，在不同區(qū)域受諸多條件的影響，穩(wěn)定性有所差異。松嶺區(qū)由于年均地溫相對(duì)較低、多年凍土含冰量高，管道周?chē)袃雒浨鸬男纬?，多年凍土?nèi)的管道平均油溫為正溫度，使周?chē)嗄陜鐾脸霈F(xiàn)熱融下沉現(xiàn)象，通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)為不良（Ⅲ級(jí)）。加格達(dá)奇區(qū)為島狀多年凍土，多年凍土占5%～30%，季節(jié)凍土占優(yōu)勢(shì)，人類(lèi)活動(dòng)加劇，凍土穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為較好（Ⅱ級(jí)）。喇嘛甸為季節(jié)凍土區(qū)，年平均地溫相對(duì)較高，土體含鹽量高，植被覆蓋率低，季節(jié)凍土穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為不良（Ⅲ級(jí)）。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用可變模糊集對(duì)立統(tǒng)一定理，對(duì)中俄石油管道漠河至大慶段進(jìn)行了土體凍害破壞的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在參考相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，選擇影響中俄石油管道土體凍害穩(wěn)定性的因素主要有3 大方面、10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)、4 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。通過(guò)可變模糊集對(duì)立統(tǒng)一定理的計(jì)算，漠大線(xiàn)松嶺區(qū)管道凍害穩(wěn)定性為不良（Ⅲ級(jí)），加格達(dá)奇區(qū)管道凍害穩(wěn)定性為較好（Ⅱ級(jí)），喇嘛甸季節(jié)凍土區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為不良（Ⅲ級(jí)）。該評(píng)價(jià)結(jié)果與其他評(píng)價(jià)方法所得到的結(jié)果一致，并與實(shí)際基本吻合，說(shuō)明可變模糊集對(duì)立統(tǒng)一定理在凍土的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)上應(yīng)用是可行的。根據(jù)管道沿線(xiàn)的凍土穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，以便采取相應(yīng)的措施，防止凍害破壞的發(fā)生。