中俄原油管道冻融灾害形成机理及防治对策研究

埋设于多年冻土上限附近的输油管道在油温正负交替变化和地表温度季节波动影响下，极易在冻胀和融沉作用下发生过量变形而破坏。目前，对于冻土区埋地输油管道冻融灾害形成过程和机理研究甚少。本项目以国家重大工程中俄原油管道为应用背景，通过现场和室内模型试验对管道-冻土系统水、热、力、变形的定量观测，深入系统研究管道-冻土间热交换过程、水分迁移规律以及力学作用行为，利用数理统计方法建立冻土水、热、力耦合经验模型，重点研究管道周围冻融圈发展过程和大小、管道-冻土间应力变化过程和大小、管道热力状态与冻土水热力状况间的定量关系，深入揭示管道冻融灾害形成过程和机理，提出科学合理的防治对策和适用条件。研究成果为中俄管道安全运营、灾害防治、应急措施选择等提供重要科学依据和技术支撑，为其他冻土管道工程提供重要参考，为我国相关标准规范制定奠定基础。项目在试验方法、测试技术和理论研究方面都有一定的突破和创新。

开展中俄原油管道冻融灾害形成机理和防治对策研究具有重要的现实意义。主要研究内容包括：通过现场和室内模型试验对管道-冻土系统水、热、力、变形的定量观测，深入系统研究管道-冻土间热交换过程、水分迁移规律以及力学作用行为，建立冻土水、热、力耦合经验模型，研究管道周围冻融圈、管道-冻土间应力变及其相互关系化，揭示管道冻融灾害形成过程和机理，提出科学合理的防治对策和适用条件。研究目标包括：1）揭示管道-冻土间复杂的热、力演化过程；2）建立管道应力应变与冻土水分、温度、应力、冻胀融沉变形间定量关系；3）建立冻土水、热、力耦合经验模型；4）揭示冻土区埋地管道冻融灾害形成机理并提出防治对策。基本达到了预期成果: 1）掌握中俄原油管道-冻土热传递过程、影响范围; 2）掌握中俄原油管道-冻土间力相互作用过程、规律和大小; 3）建立中俄原油管道应力与冻土水、热、力、变形间的定量关系; 4）了解冻土区埋地管道冻融灾害形成机理并提出防治对策和使用条件。研究成果以年度报告、结题研究报告和论文形式提交，已发表论文5篇，其中SCI 3篇， EI收录1 篇，国际会议收录1篇，专利一部；后续还有论文。培养硕士1名（刘敏）、博士1 名（王永平）。关键数据包括： 1）中俄原油管道典型管基土物理力学性质研究，包括典型现场原状土和重塑土的水热物理和力学性质；2）中俄原油管道-冻土热、力相互作用现场监测研究，包括三次探地雷达数据（2780 m，62个横断面，三个点的2012-2015年的监测数据）。3）冻土区埋地管道冻融灾害形成机理大型室内模型试验研究，这主要是C-CORE的离心机1:73模型试验数据。4）中俄原油管道冻融灾害形成机理及防治对策研究。针对现有数据对沿线的融沉灾害分布规律和变化趋势进行评价，并提出了对策。主要结论包括：随运营时间增加，油流的热作用可以引起周围1.0-4.5 m左右范围内冻土的（差异性）纵向和横向融化，并且管道保温、热管、换填、控制排水和施工后及时复种和整治沿线冻土灾害具有明显效果，长期监测系统和定期巡检以及及时补强措施具有重要价值。融沉问题有加重趋势，亟待防治新措施研发。研究成果为中俄管道安全运营、灾害防治、应急措施选择等提供重要科学依据和技术支撑，为其他冻土管道工程提供重要参考，为我国相关标准规范制定奠定基础。