冻土对油田设备管道基础的影响及防治

张新萍 胜利油田油气集输总厂

冻土对油田设备管道基础的影响及防治

张新萍 胜利油田油气集输总厂

土体经过冻结融化后，土体中的水分会移动，结冰并聚集。冻土融解时土孔隙中的自由水分增加，稠度增大，土体的承载力下降，融沉就会发生。胜利油田所在地区，尤其是小清河以北，土中的含水量非常大。油田的输油、输气设备都建设在地面，部分管道也在地面，要使冻土对输油、输气设备管道基础造成的危害最小，就必须采取相应措施。对于长输管线和设备基础，采取集坑集中降水较为理想，等地下水位降至基础埋深以下，再对基槽进行开挖。当地基填料达不到规定的最小强度时，应采取撮合粗粒料换填，或用石灰等稳定材料处理。根据站库区的地形地貌及防火要求，采用明沟和涵管共同组成排水网，排水口设置2个以上，使设备和罐区周围的水能及时排除。用轻质材料填筑地基可减轻对地基承载力的要求。

冻土；地下水埋深；基础埋深；3∶7灰土；压实；排水

1 冻土对设备管道基础的影响

1.1 土的颗粒粒径对冻胀的影响

土的颗粒粒径对土的冻胀影响非常大，粒径在0.1～0.05 mm内的土体在土冻结时就会发生冻胀；土粒径为0.05～0.002 mm，土冻结时土体的冻胀最大；当土颗粒粒径小于0.002 mm时，随着颗粒粒径减小，土颗粒的分散性就会增大，水分的移动量减小，冻胀性就会随着减弱[1]。所以当土颗粒粒径大于0.1 mm或小于0.002 mm时土基本不冻胀。因此，颗粒较粗的如沙土基本不冻胀或冻胀较小，颗粒稍小的粉土和亚黏土冻胀性较大，黏土颗粒最小次之。

1.2 影响土冻胀性的因素

当土的性质确定后，土孔隙中水分的含量是影响土体冻胀程度的重要因素。土体中孔隙水含量达到一定的程度后，土体的冻胀就会发生[2]。土体孔隙中含水量及地下水的不断充填是地基土冻胀的根本原因，土体孔隙中含水量愈大，地下水充填的愈充分，在相同条件下土孔隙中的水分结的冰愈多，则地基土的冻胀性愈强。也就是地表下地下水位越高，对土体的冻胀影响越大。

1.3 土冻结后的冻融特征

土中的结冰在任何外力的作用下都会造成冰的塑性流动重新排列，也造成没有结冰的水膜产生流变。当冻土中应力增大时蠕变加快，造成土体脆性或塑性破坏，所以土冻结后会发生应力松弛和蠕变变形。

土体经过冻结融化后，土体中的水分会移动，结冰并聚集。冻土融解时土孔隙中的自由水分增加，稠度增大，土体的承载力下降，融沉就会发生。如果再受到外荷载的作用，沉降会更加明显，使建筑物、构筑物下地基承载力下降，造成主体沉降不均匀，墙体变形、开裂和倾斜，道路出现翻浆，设备和管道基础倾斜、移位等现象。

当冻土融化时，因土中孔隙水的增加，孔隙比、压缩性等随着变大，内摩擦角、黏聚力等随着减少，承载力随之降低。只有当土体孔隙中的水排出，土体重新固结后，土体的承载力才能得到恢复。

2 胜利油田地区土的特征

（1）胜利油田所在地区，尤其是小清河以北，土中的含水量非常大。例如油气集输总厂，胜利、河口、孤岛等各采油厂的设备管道跨越三县两区（广饶县、垦利县、利津县，东营区、河口区），大部分集中在小清河以北，该地区浅层地下水位埋深较浅，东营区牛庄、史口、龙居等区域范围内，地下水位埋深较浅，一般在0.1～2.2 m；利津县范围内地下水埋深一般在0.8～7.2 m；垦利县境内地下水埋深在0.3～2.6 m。由此可以看出，地下水埋深普遍较浅，地表土层含水率极高，所以该地区冻土的融沉系数和压缩系数也很大。

（2）胜利油田所在的地区属于亚热带气候，四季分明，四季的温差也很大。该油区的冻土属于季节性冻土，即每年冬季冻结，春季随着气温回暖冻结土全部融化。近几年来，随着全球气温不断升高，气候恶化加剧，极冷、极热天气的出现越来越频繁。胜利油田位于黄河入海口，平均海拔只有5.0 m，地下水埋深在0.1～2.2 m之间波动，因此受极端天气的影响特别大，在极冷天气地表冻土层厚度增大，对油田设备管道基础的强度造成直接的影响，给设备管道的安全造成极大危害。

（3）胜利油田所在地区的土质属于黏土和亚黏土，颗粒粒径在0.05～0.002 mm之间，所以冻胀性较大。由以上分析可以看出，胜利油田所在的地区尤其是小清河以北，土的冻结和融沉非常大，给油区管道的基础造成的不均匀沉降、移位也非常大，可能造成管道的焊口开焊使管道产生变形，从而产生极大的安全隐患，若输油、输气管道一旦泄漏，后果不堪想象。

3 对冻土影响的防治办法

油田的输油、输气设备都建设在地面，部分管道也在地面，要使冻土对输油、输气设备管道基础造成的危害最小，就必须采取相应措施。

3.1 减小基土中的含水量

（1）土中的含水量降低了，就会减小土的冻胀率，从而减小冻土对基础的影响。要做到这一点，最有效的办法是，在对基础施工前，先降低地下水位。可以采取井点降水和集坑集中降水。对于长输管线和设备基础，采取集坑集中降水较为理想，即在距离基础2 m外挖一个集水坑，用潜水泵抽水，这样即可达到降水的效果，又可以节约降水成本[3]。等地下水位降至基础埋深以下，再对基槽进行开挖。

（2）通过降水措施把地下水位降至基础以下后，把基槽深度挖至基础埋深以下200～300 mm处，做3∶7灰土垫层。在做3∶7灰土垫层时，先对黏土进行翻土晾晒，将土中的有机杂质剔除干净，把大块的土捣碎过筛，土的粒径不得大于15 mm。待黏土呈半干状时，再拌合石灰。石灰应提前一到两天加水熟化闷成灰粉，使石灰粒径不大于5 mm。拌合时必须使石灰和黏土拌合均匀，灰土要分层拌合，分层夯实。

（3）根据施工所在地区冰冻线的位置，将设备管道基础的设计埋深增加至冰冻线以下。冰冻线以下的土不产生冻结，地基不发生变形，所以对设备管道的基础就不会产生影响。

（4）在基础施工前，可用防渗布在基础下（冰冻线以下）和基础四周做挡水层，将地下水与基础隔离开一定距离，在基础下和周围填干燥的土或其他材料并压实，然后再对基础进行施工。基础周围没有冻土的形成，地基不会变形，也就不会影响基础的强度。

3.2 地基填土与压实

胜利油田原油库、压气站、联合站等站区地面要承受100 t以上的大型车辆的碾轧，所以站区承重地基0～30 cm的垫层填料CBR值应大于8，当地基填料达不到规定的最小强度时，应采取撮合粗粒料换填，或用石灰等稳定材料处理。

3.3 油田站厂区地基地面排水

站厂区地面排水设施采用边沟、截水沟、跌水、急流槽以及地表的排水管。对于甲级站库区，如各采油厂的联合站，油气集输的压气站、轻烃储备站、原油库等的地面排水，一般都要求雨季时不能有积水。所以根据站库区的地形地貌及防火要求，采用明沟和涵管共同组成排水网，排水口设置2个以上，以使设备和罐区周围的水能及时排除，避免了地基周围土被冻结，从而提高了地基的工程质量。

路面排水的任务是迅速排除路面范围内的降水，减少水从路面渗入，使之不冲刷路基边坡。路拱横坡应≥2%。雨水排出路面的方式有集中排水和分散排水[4]。

3.4 油区软土地基处理

用轻质材料填筑地基可减轻对地基承载力的要求。目前国内已有应用粉煤灰填筑地基的成功经验，可使垫层自重减轻25%左右。用重型击实试验法测定最大干容重为9～12 kN/m3。硅钻型粉煤灰黏性小，不具塑性，但液限在64%左右，最佳含水量为37%～41%，有良好的压实性能。粉煤灰地基垫层边坡表层1～2 m用黏质土包覆，地基垫层顶面用粗粒土封闭，厚0.3～0.5 m。

4 结语

根据油田输油、输气设备管道所在地区的地质情况和大气温度变化情况，对地基采取不同的处理方法，可将冻土对设备管道基础的影响降到最低甚至消除，确保设备管道的安全运行。

[1]项玉璞、曹继文、李承孝，等．冬期施工手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1988.

[2]尹贻林、龚维丽、丛培经，等．建设工程技术与计量（土建工程部分）[M]．北京：中国计划出版社，2000.

[3]龚晓南，地基处理手册[M]，北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]高大钊，土力学与基础工程[M]，北京：中国建筑工业出版社，1998.

（栏目主持焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.058