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
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图 5 所示的钻孔位于研究区域以南约 50 m 的 缓坡上，距离管道 4 m 左右［13］． 如图 5 （ a） 所示， 该区 域 地 层 自 上 而 下 分 别 为 泥 炭 土、亚 砂 土、黏 土、风化花岗岩和花岗岩． 其中，亚砂土不含粗颗 粒，粉粒含量较高； 黏土层含 5% ～ 15% 的粒径 5 ～ 30 mm 的砂砾． 在管道热作用下，多年冻土温度较 高，2014 年 3 月 21 日 测 得 15 m 深 度 处 温 度 为 － 0． 3 ℃ ，多年冻土厚度大于 15 m（ 图 5b） ．
生，主要从事岩土工程及冻土与寒区工程方面的研究． E-mail： w angyp@ lzb． ac． cn * 通讯作者： 金会军，E-mail： hjjin@ lzb． ac． cn．
732
冰
川
冻
土
37 卷
图 1 中俄原油管道走向和研究区域 Fig． 1 M ap show ing the China-Ｒussia Crude Oil Pipeline route and the study site
看，该地年平均气温较高（ 相对于管道沿线多年冻
土区 其 他 区 域） ，极 端 气 温 变 化 幅 值 很 大 （ 可 达 83． 6 ℃ ） ， 7 月 和 1 月 气 温 差 异 较 大 （ 可 达 42． 5 ℃ ） ． 从加格达奇气象站数据可知，该区域年 降水量较大（ 表 2） ，尤其是 2013 年年降水量达到 了 723 mm（ 图 3） ． 受大陆季风气候的影响，该区域 寒 冷而干燥的冬季时间较长（ 一般从 9月下旬到来
M DX028
湿地
砂质土
融沉、水毁、冻胀
M DX040 M DX060
河流阶地 湿地
砂质土 黏质土
融沉、水毁、冻胀 融沉、水毁、冻胀
M DX113 M DX128 M DX199
沼泽湿地 湿地 湿地
黏质土 黏质土 黏质土
融沉、冻胀、水毁 融沉、冻胀、冰椎 融沉、冻胀、水毁
M DX286 M DX304 M DX364 M DX391
734
冰
川
冻
土
37 卷
年气温 /℃ － 0． 5
表 2 加格达奇气象站 1972 － 2013 年气候信息平均值 Table 2 M eteorological information at Jagdaqi M eteorological Station，1972 － 2013
年最高气温 /℃
年最低气温 /℃
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
王永平1，2 ， 金会军1* ， 李国玉1 ， 童长江1
（ 1． 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2． 中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049）
0 引言
随着国民经济的发展和国内原油产量下降、开 采成本的增加，我国对国外进口原油的依存度持续 上升［1］． 拥有巨大原油资源的俄罗斯距离我国最 近，2009 － 2010 年建成了我国原油进口主要渠道之 一的中俄原油管道工程． 中俄原油管道从俄罗斯的 斯科沃罗季诺起，经过 1 030 km 到达中国黑龙江 大庆市，其中，中国境内原油管道长约 953 km［2］． 中国境内管道从漠河起到乌尔其穿越了约 441 km 的多年冻土区（ 图 1） ，其中，高温、高含冰量冻土 约 119 km． 沿途地形崎岖，湿地和水系发育，多年 冻土与融区频繁过渡和交替，冻土环境和工程地质
图 4 M DX364 研究区域地形地貌 Fig． 4 Photos show ing the landscapes at the Site M DX364 on 21 M arch，2014 （ a） and 17 October，2014 （ b）
Fig． 5
图 5 M DX364 研究区域附近管道钻孔信息（ a） 和地温（ b） Profiles of the borehole stratum，the pipeline structures and the layout of ground temperature sensors （ a）
7 月气温 /℃
1 月气温 /℃
38． 2
－ 45． 4
19． 9
－ 22． 6
年降水量 /mm 512． 0
年 5 月初，约 150 ～ 200 d） ，温暖而多雨的夏季时间 很短 （ 一 般 从 6 月 中 旬 到 8 月 上 旬，约 60 ～ 120 d） ［8］． 在大兴安岭地区，根据气象观测资料和大 量实地调查分析，在 1 月平均气温 ＜ － 21． 6 ℃ 、年 平均气温 ＜ － 0． 2 ℃ 的地方，很容易产生冻胀丘［9］． 2． 1． 2 工程地质
本文通过对中俄原油管道中国境内多年冻土区 （ 漠河 － 加格达奇段） 的现场勘查，统计出管道运营 以来出现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、 水毁、冻胀丘、冰椎等，并以一个冻胀丘为例，利
收稿日期： 2014-06-10； 修订日期： 2015-01-03 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 41171055） ； 冻土工程国家重点实验室自主课题（ SKLFSE-ZY-11） 资助 作者简介： 王永平（ 1986 － ） ，男，甘肃庆阳人，2010 年毕业于山东科技大学，现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在读博士研究
研究区域冻胀丘位置为 50°41'8． 31″ N、124° 18'46． 62″ E，海拔约 398 m，管道里程为 M DX364， 属于黑龙江省加格达奇辖区（ 图 1） ，故以加格达奇 气 象站的资料为参考． 该地近 40多年来年平均气
3 期 王永平等： 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 733
该区域位于岛状多年冻土区山间沼泽地带，西 边 100 m 左右为加漠公路，南边约 20 m 以外的缓 坡上管道路权范围外为森林（ 图 1） ． 沼泽湿地植被 主要以塔头草为主，周围森林主要以灌木、丛桦、 沼柳和落叶松为主（ 图 4） ，多年冻土类型为饱冰冻
土和富冰冻土． 尽管该区域浓密的植被为多年冻土 提供了赖 以 保 存 的 基 本 条 件［10］，但 是 此 处 的 多 年 冻土正在退化［11］，冻土工程地质条件极不稳定［12］．
条件复杂［3 － 4］． 在东北大兴安岭地区冻土退化的大 背景下［5］，从 2011 年正式投入运营以来，在一些 不良地质条件地段的管道沿线出现了许多威胁管道 安全的冻融灾害． 如果这些灾害产生的差异性冻胀 和融沉位移量过大，管道应力就会达到屈服强度， 管道会发生屈曲变形逐渐破坏． 因此，为确保中俄 原油管道的安全长期运营，必须对管道沿线产生的 冻融灾害有一个长期不间断的现场勘查，并及时采 取工程措施．
表 1 中俄原油管道多年冻土区地质灾害统计 Table 1 The geohazards along the China-Ｒussia Crude Oil Pipeline in permafrost regions
管道里程 M DX007
地形地貌 河流阶地
土壤类型 黏质土
灾害名称 融沉、水毁、冻胀
湿地 湿地 湿地 湿地
砂质土 黏质土 砂质土 黏质土
融沉、冻胀丘、水毁、冻胀、冰椎 融沉、冻胀
冻胀丘、融沉、水毁、冻胀 融沉、水毁、冻胀
注： 灾害名称中的内容是按照研究区域主要灾害的规模从大到小排列的．
温呈增温趋势，2002 年以来多次出现年平均气温高
于 0 ℃ 的情况（ 图 2） ． 随着年平均气温的增长（ 升 温率为 0． 5 ℃ ·（ 10a） － 1 ） ，年平均地表温度也以显 著升温率（ 0． 4 ℃ ·（ 10a） － 1 ） 上升，地温与气温的 变化基本一致［7］． 从表 2 所示的气候信息平均值来
摘 要： 通过对中俄原油管道漠河 － 加格达奇段多年冻土区的现场勘查研究，统计了管道运营以来出 现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、水毁、冻胀丘、冰椎等． 在研究区域特定的气候背景下，管 道的修建和季节性变化的正油温运营，破坏了管道周围冻土的水热平衡，使得管道周围土体出现差异 性冻胀和融沉，这种差异性位移量的累积对管道安全稳定长期运营造成了威胁． 以管道里程 M DX364 处的冻胀丘为例，利用探地雷达进行了现场探测． 结果表明： 管道周围存在的融区为冻胀丘的发生和 发展提供了水源补给通道，管道的热影响加速了冻胀丘的发展和消融，2014 年 3 － 10 月管道周围地表 产生的差异性位移超过了 1． 1 m． 针对该次生开放型季节冻胀丘，提出了修筑或疏通管道附近的排水 通道、钻孔放水和保温排水渗沟等防治措施． 研究成果能为中俄原油管道的安全稳定运营提供技术支 撑，为其他冻土区管道设计施工和运营维护提供参考和依据． 关键词： 多年冻土； 中俄原油管道； 次生灾害； 冻胀丘； 差异性冻胀和融沉 中图分类号： P642． 14 文献标志码： A 文章编号： 1000-0240（ 2015） 03-0731-09
用探地雷达进行了现场探测，分析了地质灾害产生 的机理和原因，并给出了可行的防治措施建议．
1 次生地质灾害统计
中俄原油管道的开挖和回填等工程活动，如铲 除地表植被、车辙碾压形成坑槽、管道两侧就地挖 掘草皮、泥炭和土壤等，造成了冻土环境大面积破 坏． 工程施工破坏了多年冻土水热平衡，改变了地 表与浅地表地层中的水热交换条件． 自 2011 年 1 月 1 日管道正式运营以来，沿线很多区域出现了如 表 1 所统计的次生灾害． 在夏季，融沉问题较为严 重，地表沉陷积水，水流对管道周围土体冲刷、掏 蚀，使得管道架空或沉陷； 在冬季，冻胀问题普遍， 冻胀丘和冰锥发展速度较快，产生的冻胀力使得管 道有可能被顶起． 调查发现，这些冻融灾害主要分 布地段为 山 间 低 洼 的 沼 泽 湿 地、河 滩 阶 地 及 小 河
沟、山前缓坡及山麓洪积扇边缘地带．
2 管道里程 MDX364 处的冻胀丘
冻胀丘是由于土的冻结作用、地下水或土中水 分迁移并冻结导致地下冰积聚，使地表隆起形成的 丘状地形［6］． 根据现场勘查发现，管道沿线至少两 处出现了规模较大的冻胀丘． 为了防止冻胀丘引起 管道破坏，我们选取管道里程 M DX364 处的冻胀丘 （ 此区域出现的灾害以冻胀丘规模较大，表 1） ，对 其发展过程和防治措施进行了详细研究． 2． 1 区域概况 2． 1． 1 气候背景
图 2 加格达奇气象站 1972 － 2013 年年平均气温变化 Fig． 2 Variation of annual air temperature at Jagdaqi M eteorological Station，1972 － 2013
图 3 加格达奇气象站 1980 － 2013 年年降水量变化 Fig． 3 Variation of annual precipitation at Jagdaqi M eteorological Station，1980 － 2013
第 37 卷 第 3 期 2015 年 6 月
wk.baidu.com
冰川冻土
JOUＲNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCＲYOLOGY
Vol． 37，No． 3 Jun． ，2015
doi： 10． 7522 / j． issn． 1000-0240． 2015． 0082 Wang Yongping，Jin Huijun，Li Guoyu，et al． Secondary geohazards along the operating Mohe-Jagdaqi section of China-Ｒussia Crude Oil Pipeline in permafrost regions： a case study on a seasonal frost mound at the Site MDX364［J］． Journal of Glaciology and Geocryology，2015，37（ 3） ： 731 － 739． ［王永平，金会军，李国玉，等． 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］． 冰川冻土，2015，37（ 3） ： 731 － 739．］
生，主要从事岩土工程及冻土与寒区工程方面的研究． E-mail： w angyp@ lzb． ac． cn * 通讯作者： 金会军，E-mail： hjjin@ lzb． ac． cn．
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冰
川
冻
土
37 卷
图 1 中俄原油管道走向和研究区域 Fig． 1 M ap show ing the China-Ｒussia Crude Oil Pipeline route and the study site
看，该地年平均气温较高（ 相对于管道沿线多年冻
土区 其 他 区 域） ，极 端 气 温 变 化 幅 值 很 大 （ 可 达 83． 6 ℃ ） ， 7 月 和 1 月 气 温 差 异 较 大 （ 可 达 42． 5 ℃ ） ． 从加格达奇气象站数据可知，该区域年 降水量较大（ 表 2） ，尤其是 2013 年年降水量达到 了 723 mm（ 图 3） ． 受大陆季风气候的影响，该区域 寒 冷而干燥的冬季时间较长（ 一般从 9月下旬到来
M DX028
湿地
砂质土
融沉、水毁、冻胀
M DX040 M DX060
河流阶地 湿地
砂质土 黏质土
融沉、水毁、冻胀 融沉、水毁、冻胀
M DX113 M DX128 M DX199
沼泽湿地 湿地 湿地
黏质土 黏质土 黏质土
融沉、冻胀、水毁 融沉、冻胀、冰椎 融沉、冻胀、水毁
M DX286 M DX304 M DX364 M DX391
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冰
川
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37 卷
年气温 /℃ － 0． 5
表 2 加格达奇气象站 1972 － 2013 年气候信息平均值 Table 2 M eteorological information at Jagdaqi M eteorological Station，1972 － 2013
年最高气温 /℃
年最低气温 /℃
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
王永平1，2 ， 金会军1* ， 李国玉1 ， 童长江1
（ 1． 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2． 中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049）
0 引言
随着国民经济的发展和国内原油产量下降、开 采成本的增加，我国对国外进口原油的依存度持续 上升［1］． 拥有巨大原油资源的俄罗斯距离我国最 近，2009 － 2010 年建成了我国原油进口主要渠道之 一的中俄原油管道工程． 中俄原油管道从俄罗斯的 斯科沃罗季诺起，经过 1 030 km 到达中国黑龙江 大庆市，其中，中国境内原油管道长约 953 km［2］． 中国境内管道从漠河起到乌尔其穿越了约 441 km 的多年冻土区（ 图 1） ，其中，高温、高含冰量冻土 约 119 km． 沿途地形崎岖，湿地和水系发育，多年 冻土与融区频繁过渡和交替，冻土环境和工程地质
图 4 M DX364 研究区域地形地貌 Fig． 4 Photos show ing the landscapes at the Site M DX364 on 21 M arch，2014 （ a） and 17 October，2014 （ b）
Fig． 5
图 5 M DX364 研究区域附近管道钻孔信息（ a） 和地温（ b） Profiles of the borehole stratum，the pipeline structures and the layout of ground temperature sensors （ a）
7 月气温 /℃
1 月气温 /℃
38． 2
－ 45． 4
19． 9
－ 22． 6
年降水量 /mm 512． 0
年 5 月初，约 150 ～ 200 d） ，温暖而多雨的夏季时间 很短 （ 一 般 从 6 月 中 旬 到 8 月 上 旬，约 60 ～ 120 d） ［8］． 在大兴安岭地区，根据气象观测资料和大 量实地调查分析，在 1 月平均气温 ＜ － 21． 6 ℃ 、年 平均气温 ＜ － 0． 2 ℃ 的地方，很容易产生冻胀丘［9］． 2． 1． 2 工程地质
本文通过对中俄原油管道中国境内多年冻土区 （ 漠河 － 加格达奇段） 的现场勘查，统计出管道运营 以来出现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、 水毁、冻胀丘、冰椎等，并以一个冻胀丘为例，利
收稿日期： 2014-06-10； 修订日期： 2015-01-03 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 41171055） ； 冻土工程国家重点实验室自主课题（ SKLFSE-ZY-11） 资助 作者简介： 王永平（ 1986 － ） ，男，甘肃庆阳人，2010 年毕业于山东科技大学，现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在读博士研究
研究区域冻胀丘位置为 50°41'8． 31″ N、124° 18'46． 62″ E，海拔约 398 m，管道里程为 M DX364， 属于黑龙江省加格达奇辖区（ 图 1） ，故以加格达奇 气 象站的资料为参考． 该地近 40多年来年平均气
3 期 王永平等： 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 733
该区域位于岛状多年冻土区山间沼泽地带，西 边 100 m 左右为加漠公路，南边约 20 m 以外的缓 坡上管道路权范围外为森林（ 图 1） ． 沼泽湿地植被 主要以塔头草为主，周围森林主要以灌木、丛桦、 沼柳和落叶松为主（ 图 4） ，多年冻土类型为饱冰冻
土和富冰冻土． 尽管该区域浓密的植被为多年冻土 提供了赖 以 保 存 的 基 本 条 件［10］，但 是 此 处 的 多 年 冻土正在退化［11］，冻土工程地质条件极不稳定［12］．
条件复杂［3 － 4］． 在东北大兴安岭地区冻土退化的大 背景下［5］，从 2011 年正式投入运营以来，在一些 不良地质条件地段的管道沿线出现了许多威胁管道 安全的冻融灾害． 如果这些灾害产生的差异性冻胀 和融沉位移量过大，管道应力就会达到屈服强度， 管道会发生屈曲变形逐渐破坏． 因此，为确保中俄 原油管道的安全长期运营，必须对管道沿线产生的 冻融灾害有一个长期不间断的现场勘查，并及时采 取工程措施．
表 1 中俄原油管道多年冻土区地质灾害统计 Table 1 The geohazards along the China-Ｒussia Crude Oil Pipeline in permafrost regions
管道里程 M DX007
地形地貌 河流阶地
土壤类型 黏质土
灾害名称 融沉、水毁、冻胀
湿地 湿地 湿地 湿地
砂质土 黏质土 砂质土 黏质土
融沉、冻胀丘、水毁、冻胀、冰椎 融沉、冻胀
冻胀丘、融沉、水毁、冻胀 融沉、水毁、冻胀
注： 灾害名称中的内容是按照研究区域主要灾害的规模从大到小排列的．
温呈增温趋势，2002 年以来多次出现年平均气温高
于 0 ℃ 的情况（ 图 2） ． 随着年平均气温的增长（ 升 温率为 0． 5 ℃ ·（ 10a） － 1 ） ，年平均地表温度也以显 著升温率（ 0． 4 ℃ ·（ 10a） － 1 ） 上升，地温与气温的 变化基本一致［7］． 从表 2 所示的气候信息平均值来
摘 要： 通过对中俄原油管道漠河 － 加格达奇段多年冻土区的现场勘查研究，统计了管道运营以来出 现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、水毁、冻胀丘、冰椎等． 在研究区域特定的气候背景下，管 道的修建和季节性变化的正油温运营，破坏了管道周围冻土的水热平衡，使得管道周围土体出现差异 性冻胀和融沉，这种差异性位移量的累积对管道安全稳定长期运营造成了威胁． 以管道里程 M DX364 处的冻胀丘为例，利用探地雷达进行了现场探测． 结果表明： 管道周围存在的融区为冻胀丘的发生和 发展提供了水源补给通道，管道的热影响加速了冻胀丘的发展和消融，2014 年 3 － 10 月管道周围地表 产生的差异性位移超过了 1． 1 m． 针对该次生开放型季节冻胀丘，提出了修筑或疏通管道附近的排水 通道、钻孔放水和保温排水渗沟等防治措施． 研究成果能为中俄原油管道的安全稳定运营提供技术支 撑，为其他冻土区管道设计施工和运营维护提供参考和依据． 关键词： 多年冻土； 中俄原油管道； 次生灾害； 冻胀丘； 差异性冻胀和融沉 中图分类号： P642． 14 文献标志码： A 文章编号： 1000-0240（ 2015） 03-0731-09
用探地雷达进行了现场探测，分析了地质灾害产生 的机理和原因，并给出了可行的防治措施建议．
1 次生地质灾害统计
中俄原油管道的开挖和回填等工程活动，如铲 除地表植被、车辙碾压形成坑槽、管道两侧就地挖 掘草皮、泥炭和土壤等，造成了冻土环境大面积破 坏． 工程施工破坏了多年冻土水热平衡，改变了地 表与浅地表地层中的水热交换条件． 自 2011 年 1 月 1 日管道正式运营以来，沿线很多区域出现了如 表 1 所统计的次生灾害． 在夏季，融沉问题较为严 重，地表沉陷积水，水流对管道周围土体冲刷、掏 蚀，使得管道架空或沉陷； 在冬季，冻胀问题普遍， 冻胀丘和冰锥发展速度较快，产生的冻胀力使得管 道有可能被顶起． 调查发现，这些冻融灾害主要分 布地段为 山 间 低 洼 的 沼 泽 湿 地、河 滩 阶 地 及 小 河
沟、山前缓坡及山麓洪积扇边缘地带．
2 管道里程 MDX364 处的冻胀丘
冻胀丘是由于土的冻结作用、地下水或土中水 分迁移并冻结导致地下冰积聚，使地表隆起形成的 丘状地形［6］． 根据现场勘查发现，管道沿线至少两 处出现了规模较大的冻胀丘． 为了防止冻胀丘引起 管道破坏，我们选取管道里程 M DX364 处的冻胀丘 （ 此区域出现的灾害以冻胀丘规模较大，表 1） ，对 其发展过程和防治措施进行了详细研究． 2． 1 区域概况 2． 1． 1 气候背景
图 2 加格达奇气象站 1972 － 2013 年年平均气温变化 Fig． 2 Variation of annual air temperature at Jagdaqi M eteorological Station，1972 － 2013
图 3 加格达奇气象站 1980 － 2013 年年降水量变化 Fig． 3 Variation of annual precipitation at Jagdaqi M eteorological Station，1980 － 2013
第 37 卷 第 3 期 2015 年 6 月
wk.baidu.com
冰川冻土
JOUＲNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCＲYOLOGY
Vol． 37，No． 3 Jun． ，2015
doi： 10． 7522 / j． issn． 1000-0240． 2015． 0082 Wang Yongping，Jin Huijun，Li Guoyu，et al． Secondary geohazards along the operating Mohe-Jagdaqi section of China-Ｒussia Crude Oil Pipeline in permafrost regions： a case study on a seasonal frost mound at the Site MDX364［J］． Journal of Glaciology and Geocryology，2015，37（ 3） ： 731 － 739． ［王永平，金会军，李国玉，等． 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］． 冰川冻土，2015，37（ 3） ： 731 － 739．］