中俄原油管道周围冻土热状况演化规律及块石管堤应用研究
发布时间：2020-12-25 22:13
在全球气候变暖背景下,多年冻土地区的冻土退化给各类工程建筑物、构筑物带来了极大的危害。与其它工程不同,埋地油气管道因其自身特性,对多年冻土的扰动更为剧烈。且受管道埋设深度、管道运行温度差异的影响,埋地式油气管道下部多年冻土的融化固结沉降以及差异性冻胀现象十分显著。为解决管道沿线受环境温度变化以及高温原油管道所造成的管道不均匀冻胀、融沉病害,已开展了大量的现场监测以及数值模拟分析研究。由于管道常年正温运营,导致管道周围冻土融沉、管沟积水、管道差异性沉降等问题十分严重。因此,掌握油气管道运营过程中周边冻土热状况对于研究管-土相互作用以及管道病害防治十分关键。本文以中俄原油管道（CRCOP）为研究背景,依据中俄原油管道已有现场监测数据及管道实际尺寸,通过一定比例的缩尺,开展了常规埋地式以及块石管堤架设式输油管道的室内模型试验研究。试验过程中通过监测管周冻土的温度、水分变化,系统地研究了管道与周边冻土的热交换过程和水分迁移规律。在此基础上,利用传热模型与流-固耦合模型,系统地研究了埋地式管道与块石管堤架设式管道对其下部冻土的长期热影响,主要结论如下:（1）埋地式输油管道模型试验:管周冻土受管道...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中俄原油管道走向及监测示范场地
?谙?实的勘察资料对管道沿线冻土工程地质条件进行了区划、分类和综合评价[1-2,7]，围绕管道与冻土间的热传递过程和差异性冻胀和融沉所导致的管道变形进行了大量卓有成效的模拟预测研究[8-15]，并就选线、设计及施工阶段分别提出了合理的工程措施建议[16-18]。然而，由于所应用的运营油温与观测值偏差较大，导致这些预测结果和实际情况偏差较大，如管基冻土融沉、管沟积水、管道差异性沉降等问题的前瞻性研究鲜有报道。中俄原油管道（I线和II线）正式投入运营以来，沿线多年冻土区高温高含冰量管段发生了显著融沉。如图1.2a~1.2d所示，管沟地表沉降（高达1.0m）且伴有纵向裂缝、管沟上方大量积水，水土流失造成警示带，甚至管道出露地表[19]。即在高油温运营的主要影响下，作为承载管道基础的多年冻土目前处于快速退化状态，管道正在面临严重的融沉灾害风险，如典型点监测资料显示，管基冻土融化进而固结沉降导致管道下沉高达1.4m[20]。对于多年冻土区埋地热油管道而言，成败的关键在于冻土，冻土的关键问题是融沉。其他冻害如冻胀丘和冰椎等（图1.2e、1.2f），在管道沿线广泛分布，对管道运行也造成潜在威胁[21]。此外，管道断裂、原油泄露在造成大量经济损失的同时也对该地区土壤环境、地下水以及生态环境造成严重的污染，甚至进对人类生命安全构成威胁，并且污染清除过程中技术难度高、费用大，可能会改变管基土的工程性质，造成管道失稳问题[22-24]。在此背景下，迫切需要对管道周围冻土的温度和含冰量变化特性及管道变形行为进行长期现场观测，及时发现管道冻融灾害并提出预警，对地表融沉变形明显管段采取积极的补强措施以减小冻土融化，保证管道的完整性。受制于管道-冻土热力相互作用监测资料的匮乏，Wang[25-26]等仅利用
中俄原油管道周围冻土热状况演化规律及块石管堤应用研究10(c)环境温度控制面板(d)底板温度控制面板图2.1模型试验系统图2.2模型厅构造示意图本次试验所选温度传感器为温敏电阻型传感器，该种类型温度传感器可采集土体内部电阻值并按2.1式转化为温度信号进行存储，传感器精度为±0.05°C，量程±60°C，采集间隔为1h/次；T=E×((D/(e(P-I)-C)-273.16)2)+F×(D/(e(P-I)-C)-273.16)+G（2.1）式中：C、D、E、G、I、P均为传感器校准参数。HTK-5TM水分传感器所使用的体积未冻水测试原理为频域反射法(FDR)，通过测量传感器在土体中因土体电场变化而引起介电常数ε的改变来测量土体的体积未冻水，这些变化转变为土体体积未冻水对应介电常数ε的三次多项式，进而求出土体的体积未冻水（）[66-67]。通过对试验土样进行标定，得出与ε对应关系如下：=4.3×10-6ε3-5.5×10-4ε2+2.92×10-2ε-5.3×10-2（2.2）表2.1为土体主要成分的介电常数：
【参考文献】：
期刊论文
[1]冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究[J]. 路建国,张明义,张熙胤,晏忠瑞. 岩石力学与工程学报. 2017(07)
[2]冻土区管土相互作用研究综述[J]. 黄龙,盛煜,胡晓莹,王生廷. 冰川冻土. 2017(01)
[3]Thermal state of soils in the active layer and underlain permafrost at the kilometer post 304 site along the ChinaRussia Crude Oil Pipeline[J]. WANG Yong-ping,LI Guo-yu,JIN Hui-jun,LU Lan-zhi,HE Rui-xia,ZHANG Peng. Journal of Mountain Science. 2016(11)
[4]中俄原油管道漠大线运营后面临一些冻害问题及防治措施建议[J]. 李国玉,马巍,王学力,金会军,王永平,赵迎波,蔡永军,张鹏. 岩土力学. 2015(10)
[5]漠河-加格达奇段多年冻土区中俄原油管道运营以来的次生地质灾害研究——以MDX364处的季节性冻胀丘为例[J]. 王永平,金会军,李国玉,童长江. 冰川冻土. 2015(03)
[6]冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究[J]. 谭龙,韦昌富,田慧会,周家作,魏厚振. 岩土力学. 2015(06)
[7]土的冻结温度与过冷温度试验研究[J]. 周家作,谭龙,韦昌富,魏厚振. 岩土力学. 2015(03)
[8]高寒冻土区管道露管原因分析及治理[J]. 蔡永军,王凯濛,张世斌,赵迎波,马云宾,张修和,陈朋超,赵海峰. 油气储运. 2014(05)
[9]中俄原油管道沿线多年冻土环境及管道施工技术探讨[J]. 郝加前,何瑞霞. 冰川冻土. 2013(05)
[10]多年冻土区石油污染物迁移过程研究回顾与展望[J]. 李国玉,马巍,李兴柏,穆彦虎,毛云程. 冰川冻土. 2011(04)
本文编号：2938481
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中俄原油管道走向及监测示范场地
?谙?实的勘察资料对管道沿线冻土工程地质条件进行了区划、分类和综合评价[1-2,7]，围绕管道与冻土间的热传递过程和差异性冻胀和融沉所导致的管道变形进行了大量卓有成效的模拟预测研究[8-15]，并就选线、设计及施工阶段分别提出了合理的工程措施建议[16-18]。然而，由于所应用的运营油温与观测值偏差较大，导致这些预测结果和实际情况偏差较大，如管基冻土融沉、管沟积水、管道差异性沉降等问题的前瞻性研究鲜有报道。中俄原油管道（I线和II线）正式投入运营以来，沿线多年冻土区高温高含冰量管段发生了显著融沉。如图1.2a~1.2d所示，管沟地表沉降（高达1.0m）且伴有纵向裂缝、管沟上方大量积水，水土流失造成警示带，甚至管道出露地表[19]。即在高油温运营的主要影响下，作为承载管道基础的多年冻土目前处于快速退化状态，管道正在面临严重的融沉灾害风险，如典型点监测资料显示，管基冻土融化进而固结沉降导致管道下沉高达1.4m[20]。对于多年冻土区埋地热油管道而言，成败的关键在于冻土，冻土的关键问题是融沉。其他冻害如冻胀丘和冰椎等（图1.2e、1.2f），在管道沿线广泛分布，对管道运行也造成潜在威胁[21]。此外，管道断裂、原油泄露在造成大量经济损失的同时也对该地区土壤环境、地下水以及生态环境造成严重的污染，甚至进对人类生命安全构成威胁，并且污染清除过程中技术难度高、费用大，可能会改变管基土的工程性质，造成管道失稳问题[22-24]。在此背景下，迫切需要对管道周围冻土的温度和含冰量变化特性及管道变形行为进行长期现场观测，及时发现管道冻融灾害并提出预警，对地表融沉变形明显管段采取积极的补强措施以减小冻土融化，保证管道的完整性。受制于管道-冻土热力相互作用监测资料的匮乏，Wang[25-26]等仅利用
中俄原油管道周围冻土热状况演化规律及块石管堤应用研究10(c)环境温度控制面板(d)底板温度控制面板图2.1模型试验系统图2.2模型厅构造示意图本次试验所选温度传感器为温敏电阻型传感器，该种类型温度传感器可采集土体内部电阻值并按2.1式转化为温度信号进行存储，传感器精度为±0.05°C，量程±60°C，采集间隔为1h/次；T=E×((D/(e(P-I)-C)-273.16)2)+F×(D/(e(P-I)-C)-273.16)+G（2.1）式中：C、D、E、G、I、P均为传感器校准参数。HTK-5TM水分传感器所使用的体积未冻水测试原理为频域反射法(FDR)，通过测量传感器在土体中因土体电场变化而引起介电常数ε的改变来测量土体的体积未冻水，这些变化转变为土体体积未冻水对应介电常数ε的三次多项式，进而求出土体的体积未冻水（）[66-67]。通过对试验土样进行标定，得出与ε对应关系如下：=4.3×10-6ε3-5.5×10-4ε2+2.92×10-2ε-5.3×10-2（2.2）表2.1为土体主要成分的介电常数：
【参考文献】：
期刊论文
[1]冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究[J]. 路建国,张明义,张熙胤,晏忠瑞. 岩石力学与工程学报. 2017(07)
[2]冻土区管土相互作用研究综述[J]. 黄龙,盛煜,胡晓莹,王生廷. 冰川冻土. 2017(01)
[3]Thermal state of soils in the active layer and underlain permafrost at the kilometer post 304 site along the ChinaRussia Crude Oil Pipeline[J]. WANG Yong-ping,LI Guo-yu,JIN Hui-jun,LU Lan-zhi,HE Rui-xia,ZHANG Peng. Journal of Mountain Science. 2016(11)
[4]中俄原油管道漠大线运营后面临一些冻害问题及防治措施建议[J]. 李国玉,马巍,王学力,金会军,王永平,赵迎波,蔡永军,张鹏. 岩土力学. 2015(10)
[5]漠河-加格达奇段多年冻土区中俄原油管道运营以来的次生地质灾害研究——以MDX364处的季节性冻胀丘为例[J]. 王永平,金会军,李国玉,童长江. 冰川冻土. 2015(03)
[6]冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究[J]. 谭龙,韦昌富,田慧会,周家作,魏厚振. 岩土力学. 2015(06)
[7]土的冻结温度与过冷温度试验研究[J]. 周家作,谭龙,韦昌富,魏厚振. 岩土力学. 2015(03)
[8]高寒冻土区管道露管原因分析及治理[J]. 蔡永军,王凯濛,张世斌,赵迎波,马云宾,张修和,陈朋超,赵海峰. 油气储运. 2014(05)
[9]中俄原油管道沿线多年冻土环境及管道施工技术探讨[J]. 郝加前,何瑞霞. 冰川冻土. 2013(05)
[10]多年冻土区石油污染物迁移过程研究回顾与展望[J]. 李国玉,马巍,李兴柏,穆彦虎,毛云程. 冰川冻土. 2011(04)
本文编号：2938481
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