中俄輸油工程對(duì)多年凍土環(huán)境的影響及應(yīng)對(duì)策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)，能源安全已成為各國(guó)關(guān)注的重要議題。中俄輸油工程作為連接兩國(guó)的重要能源通道，對(duì)于保障中國(guó)的能源供應(yīng)、促進(jìn)中俄兩國(guó)的經(jīng)濟(jì)合作具有重要的戰(zhàn)略意義。中俄原油管道是我國(guó)四大能源戰(zhàn)略通道之一，中國(guó)境內(nèi)分兩期建設(shè)，一線和二線先后于2011年1月和2018年1月正式運(yùn)營(yíng)，每年進(jìn)口俄羅斯原油3000萬噸，承擔(dān)我國(guó)58%的陸上原油進(jìn)口重任。截至2021年1月1日，中俄原油管道累計(jì)輸送原油近2億噸，在保障國(guó)家能源安全、優(yōu)化油品供輸格局、深化中俄戰(zhàn)略合作和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該工程起自俄羅斯東西伯利亞—太平洋輸油管道的斯科沃羅季諾輸油站，從我國(guó)漠河興安鎮(zhèn)入境，自北向南沿大興安嶺東坡延伸，穿越嫩江平原，止于大慶林源輸油站，總長(zhǎng)1030km。其中，中國(guó)境內(nèi)段全長(zhǎng)953km，穿越漠河—加格達(dá)奇約441km的不連續(xù)多年凍土區(qū)和加格達(dá)奇—大慶約512km的深季節(jié)凍土區(qū)（凍深>1.5m）。多年凍土是指持續(xù)三年或三年以上的凍結(jié)不融的土層，其分布于高緯地帶和高山垂直帶上部，具有獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)。在多年凍土區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，如中俄輸油工程，會(huì)對(duì)凍土的水熱狀態(tài)產(chǎn)生巨大影響，進(jìn)而影響到凍土的物理力學(xué)特性。由于管道全年正溫運(yùn)營(yíng)，持續(xù)向管周凍土層放熱（2018年監(jiān)測(cè)油溫為12.6℃—24.6℃），管底多年凍土融化深度不斷加大，2018年管底融化深度近10m。這種凍土融化現(xiàn)象會(huì)引發(fā)一系列問題，如管基失穩(wěn)、地表沉降、熱融滑塌等，嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)營(yíng)。凍土退化還可能導(dǎo)致森林和濕地的生態(tài)服役功能退化、水土流失、環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)異化與退化等生態(tài)環(huán)境問題。美國(guó)Alyeska原油管道約一半長(zhǎng)度采用熱管樁支撐進(jìn)行地上“架空敷設(shè)”，施工對(duì)凍土熱擾動(dòng)??；加拿大NormanWells原油管道采用埋地敷設(shè)，管徑小、油溫低，原油輸送一段距離后管道油溫受周圍土體溫度控制而相對(duì)穩(wěn)定。而中俄原油管道中國(guó)境內(nèi)段采用埋地方式鋪設(shè)，大開挖施工（深度2.5—6m，寬度2—3m）暴露多年凍土且管溝積水引起地下冰融化，加之運(yùn)營(yíng)后高油溫加速多年凍土融化，使得該工程面臨的凍土問題更為復(fù)雜和特殊。因此，研究中俄輸油工程對(duì)周圍多年凍土的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從生態(tài)保護(hù)角度看，有助于深入了解工程活動(dòng)對(duì)凍土生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制，為制定有效的生態(tài)保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)，減少工程建設(shè)對(duì)凍土生態(tài)系統(tǒng)的破壞，維護(hù)生態(tài)平衡和生物多樣性。從工程安全角度而言，能夠揭示多年凍土變化對(duì)管道基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為輸油管道的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)提供理論支持，提出合理的工程措施來保障管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低工程風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本，確保中俄輸油工程的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，促進(jìn)兩國(guó)能源合作的順利開展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在輸油工程對(duì)凍土影響的研究領(lǐng)域，國(guó)外起步相對(duì)較早。早在20世紀(jì)，北美和俄羅斯等凍土分布廣泛的國(guó)家，就針對(duì)阿拉斯加輸油管道、俄羅斯西伯利亞地區(qū)的輸油管道開展研究。研究?jī)?nèi)容主要集中在管道運(yùn)營(yíng)過程中熱量傳遞對(duì)凍土溫度場(chǎng)的影響，通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地溫變化，建立了初步的熱傳遞模型，如基于傅里葉定律的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，用以預(yù)測(cè)管周凍土的融化深度和范圍。在凍土力學(xué)性質(zhì)方面，國(guó)外學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試，研究了凍土的強(qiáng)度、變形特性與溫度、含水量之間的關(guān)系，提出了一些描述凍土力學(xué)行為的本構(gòu)模型，為工程設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)對(duì)于凍土的研究始于20世紀(jì)50年代，隨著青藏公路、青藏鐵路以及中俄輸油工程等重大項(xiàng)目的開展，相關(guān)研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。在中俄輸油工程方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)其沿線多年凍土的特性進(jìn)行了詳細(xì)勘察，分析了土壤類型、含冰量、地溫等因素的分布規(guī)律。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，研究了工程施工過程中，如管溝開挖、回填等活動(dòng)對(duì)凍土的熱擾動(dòng)影響，以及運(yùn)營(yíng)階段熱油傳輸導(dǎo)致的凍土融化、管基穩(wěn)定性變化等問題。部分研究還探討了不同保溫措施、管道敷設(shè)方式對(duì)凍土熱穩(wěn)定性的影響，提出了一系列工程防治措施，如采用保溫材料、優(yōu)化管道埋深等。然而，當(dāng)前研究仍存在一定的不足與空白。在研究尺度上，多集中于局部地段的監(jiān)測(cè)和分析，缺乏對(duì)整個(gè)中俄輸油工程沿線多年凍土的系統(tǒng)性、整體性研究，難以全面把握凍土變化的宏觀規(guī)律。在影響因素分析方面，雖然已認(rèn)識(shí)到工程活動(dòng)、氣候變暖等對(duì)凍土的作用，但對(duì)于多因素耦合作用下凍土的響應(yīng)機(jī)制研究不夠深入，尤其是工程熱擾動(dòng)與氣候變化、植被變化等因素相互交織時(shí)，凍土的水熱過程、力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律尚不明確。在研究方法上，數(shù)值模擬雖然得到廣泛應(yīng)用，但模型的準(zhǔn)確性和適用性仍有待提高，特別是對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件和邊界條件的處理，還需要進(jìn)一步完善；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性也存在一定問題，限制了對(duì)凍土長(zhǎng)期演化過程的深入研究。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將圍繞中俄輸油工程對(duì)周圍多年凍土的影響展開多方面的深入探究。首先，對(duì)中俄輸油工程進(jìn)行全面且細(xì)致的工程概況分析，涵蓋管道的具體走向，其從俄羅斯斯科沃羅季諾輸油站起始，穿越我國(guó)漠河興安鎮(zhèn)，最終抵達(dá)大慶林源輸油站，全程詳細(xì)路徑的梳理；管道的敷設(shè)方式，采用埋地敷設(shè)所涉及的深度、寬度等關(guān)鍵參數(shù)；管徑與設(shè)計(jì)壓力，如外徑813mm、壁厚11.9mm（多年凍土區(qū)12.5-17.5mm）、設(shè)計(jì)壓力8MPa（局部10MPa）等數(shù)據(jù)的精確掌握；以及原油輸送溫度與流量，明確2018年監(jiān)測(cè)油溫為12.6℃-24.6℃以及具體的流量數(shù)據(jù)。通過這些信息，建立起工程的基礎(chǔ)認(rèn)知框架，為后續(xù)研究提供準(zhǔn)確的工程背景信息。針對(duì)工程沿線多年凍土特性，研究土壤類型，包括泥炭土、細(xì)粒土、礫砂土等各類土壤的分布及特性；含冰量，了解多年凍土上限附近最大體積含冰量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；地溫，明確從南向北凍土溫度的變化范圍，如-1.8℃--0.7℃。同時(shí)，分析凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、變形特性、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，以及其空間分布規(guī)律，研究從南向北多年凍土分布面積從0-20%到60%-70%的變化情況，為理解凍土的本底狀態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。深入分析工程施工過程對(duì)多年凍土的影響，包括管溝開挖導(dǎo)致多年凍土暴露，分析暴露面積、時(shí)間對(duì)凍土熱擾動(dòng)的影響程度；回填方式，研究不同回填材料和工藝對(duì)凍土溫度場(chǎng)和力學(xué)性質(zhì)的改變；施工機(jī)械碾壓，探討其對(duì)凍土結(jié)構(gòu)破壞以及土體密實(shí)度變化的影響。在運(yùn)營(yíng)階段，著重研究熱油傳輸對(duì)多年凍土的影響機(jī)制，分析熱量傳遞過程，運(yùn)用熱傳導(dǎo)理論建立模型，模擬管周凍土溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化；管周凍土融化規(guī)律，包括融化深度、范圍隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)，如距離管道一線2米處年最大融化深度以每年0.68m的速度下降，至2022年融化深度已達(dá)11.4m，融區(qū)水平方向約51m；以及凍土融化引發(fā)的一系列問題，如管基失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、地表沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)、熱融滑塌的形成機(jī)制與防治研究等。綜合考慮多種因素對(duì)多年凍土的影響，分析工程熱擾動(dòng)與氣候變暖的疊加效應(yīng)，研究在全球氣候變暖背景下，工程活動(dòng)如何加劇凍土退化；植被變化對(duì)凍土的反饋?zhàn)饔?，探討植被破壞或恢?fù)對(duì)凍土水熱平衡的影響；以及人類活動(dòng)，如周邊土地開發(fā)、資源開采等對(duì)凍土環(huán)境的綜合影響，從而全面揭示多因素耦合作用下凍土的響應(yīng)機(jī)制?；谘芯拷Y(jié)果，提出針對(duì)性的工程防治措施，如優(yōu)化管道保溫措施，選擇合適的保溫材料和結(jié)構(gòu)，降低熱量散失；調(diào)整管道埋深，根據(jù)不同地段凍土特性確定最佳埋深；采用新型管基處理技術(shù)，如熱棒、隔熱材料等，增強(qiáng)管基穩(wěn)定性。同時(shí)，制定生態(tài)保護(hù)措施，包括植被恢復(fù)方案，促進(jìn)受損植被的快速恢復(fù)；濕地保護(hù)策略，維護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整性；以及凍土環(huán)境保護(hù)的監(jiān)測(cè)與管理體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土環(huán)境的長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)和科學(xué)管理。1.3.2研究方法本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的科學(xué)性和全面性。通過文獻(xiàn)研究法，廣泛收集國(guó)內(nèi)外關(guān)于輸油工程對(duì)凍土影響的相關(guān)文獻(xiàn)，包括學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、工程案例等。對(duì)這些資料進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，了解前人在凍土特性、工程熱擾動(dòng)影響、防治措施等方面的研究成果與不足，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。例如，參考國(guó)外對(duì)阿拉斯加輸油管道、俄羅斯西伯利亞地區(qū)輸油管道的研究成果，以及國(guó)內(nèi)對(duì)青藏公路、青藏鐵路和中俄輸油工程已有的研究資料，從中汲取經(jīng)驗(yàn)和啟示。采用實(shí)地監(jiān)測(cè)法，在中俄輸油工程沿線設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)建全面的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀器，如高精度地溫傳感器、位移監(jiān)測(cè)儀、土壤水分測(cè)試儀等，對(duì)多年凍土的溫度、變形、含水量等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的監(jiān)測(cè)。同時(shí)，利用無人機(jī)影像技術(shù)，定期獲取管道沿線的地表影像，監(jiān)測(cè)地表形變、植被變化、積水和冰椎分布等情況。例如，西北研究院科研團(tuán)隊(duì)利用中俄原油管道沿線典型場(chǎng)地的油溫、地溫、管道位移、地表形變、物探（ERT）和無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，分析管道周圍多年凍土融化、地表變形等情況，為本研究提供真實(shí)可靠的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。運(yùn)用數(shù)值模擬法，基于傳熱學(xué)、凍土力學(xué)等相關(guān)理論，建立中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的數(shù)值模型。利用有限元軟件，如ANSYS、COMSOL等，對(duì)工程施工和運(yùn)營(yíng)過程中的熱量傳遞、凍土溫度場(chǎng)變化、力學(xué)響應(yīng)等進(jìn)行模擬分析。通過設(shè)置不同的參數(shù)，如管道油溫、保溫層厚度、土壤熱參數(shù)等，模擬多種工況下多年凍土的變化情況，預(yù)測(cè)凍土融化深度、范圍以及管基穩(wěn)定性等，為工程防治措施的制定提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、中俄輸油工程概況2.1工程建設(shè)歷程中俄輸油工程的建設(shè)歷程可謂曲折且漫長(zhǎng)，其起源可追溯至20世紀(jì)90年代。彼時(shí)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求急劇增長(zhǎng)，而俄羅斯作為能源資源豐富的大國(guó)，擁有西伯利亞地區(qū)大量的石油儲(chǔ)備。1994年，中石油與俄羅斯私營(yíng)石油企業(yè)尤科斯公司展開接觸，尤科斯公司擬定了“安大線”方案，即鋪設(shè)從俄羅斯的安加爾斯克油田到中國(guó)大慶的石油管線。這一方案因距離較短、工程成本相對(duì)較低，且能直接滿足大慶油田及周邊地區(qū)的能源需求，受到中石油的青睞，雙方就此展開了初步的可行性研究和談判。然而，該項(xiàng)目在推進(jìn)過程中遭遇諸多波折。2001年，盡管雙方已簽署可行性研究的總協(xié)議，但俄羅斯政府在建設(shè)中俄輸油管道問題上的想法與尤科斯公司存在分歧，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)展緩慢。隨后，“安納線”方案在日本的推動(dòng)下浮出水面。2002年底，日本時(shí)任首相小泉純一郎兩次與普京會(huì)晤，討論能源合作問題，外相和前首相也多次前往俄遠(yuǎn)東地區(qū)考察，并允諾為管道鋪設(shè)提供75億美元貸款。“安納線”全程位于俄羅斯境內(nèi)，從安加爾斯克油田沿著貝加爾湖—阿穆爾大鐵路和中俄邊境地區(qū)，通向太平洋岸邊的俄羅斯遠(yuǎn)東港口納霍德卡港。日本提出這一方案，一方面是出于自身對(duì)俄羅斯原油的需求，另一方面企圖通過與俄羅斯的能源合作，提高在遠(yuǎn)東地區(qū)的影響力，進(jìn)而影響中俄全面戰(zhàn)略協(xié)作伙伴關(guān)系，阻礙“安大線”的建設(shè)。在日本的攪局下，俄羅斯出于實(shí)現(xiàn)國(guó)家利益最大化的考量，對(duì)管道走向重新進(jìn)行權(quán)衡，在“安大線”與“安納線”之間猶豫不決，致使中俄原油管道鋪設(shè)談判陷入僵局。經(jīng)過多輪艱苦談判與協(xié)商，2004年12月21日，由普京親自拍板定下“泰納線”方案。該方案在原“安大線”基礎(chǔ)上向北推進(jìn)400多公里，遠(yuǎn)離貝加爾湖，東起伊爾庫(kù)茨克州的泰舍特，沿貝加爾湖—阿穆爾大鐵路，從斯科沃羅季諾開始沿中俄邊境延伸至納霍德卡。“泰納線”方案的確定，綜合考慮了經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)等多方面因素，既滿足了俄羅斯向亞太地區(qū)多國(guó)出口石油的戰(zhàn)略需求，又在一定程度上保障了中俄能源合作的推進(jìn)。2005年4月26日，俄羅斯政府正式批準(zhǔn)“泰納線”，為中俄輸油工程的實(shí)質(zhì)性建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。2008年，全球金融危機(jī)爆發(fā)，俄羅斯經(jīng)濟(jì)受到?jīng)_擊，急需資金支持。在此背景下，中俄雙方就原油貿(mào)易和管道建設(shè)進(jìn)行了更為緊密的溝通與合作。2009年2月，中俄簽署《石油領(lǐng)域合作政府間協(xié)議》，中國(guó)向俄羅斯提供250億美元貸款，俄羅斯則承諾在未來20年內(nèi)通過中俄原油管道向中國(guó)供應(yīng)3億噸原油。同年5月18日，中俄石油管道工程在黑龍江省漠河縣興安市舉行開工儀式，標(biāo)志著歷時(shí)14年的中俄石油管道博弈取得實(shí)質(zhì)性成果，工程進(jìn)入全面建設(shè)階段。在建設(shè)過程中，中俄原油管道中國(guó)境內(nèi)段面臨諸多挑戰(zhàn)。境內(nèi)段全長(zhǎng)953km，其中約450公里穿過凍土層、凍土沼澤、河漫灘地，有208公里永凍土層需在冬季施工。針對(duì)這一特殊地質(zhì)條件，中國(guó)經(jīng)過技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)，采用“提高壁厚”“保溫”“換填”等組合方式敷設(shè)，轉(zhuǎn)彎采用彈性敷設(shè)、現(xiàn)場(chǎng)冷彎、熱煨彎管三種方式滿足管道變相安裝要求。管道采用常溫密閉輸油工藝，管徑為Φ813mm，設(shè)計(jì)壓力為8.0Mpa（局部為8.5-10Mpa），管道材質(zhì)選用L450級(jí)鋼，全線采用3PE外防腐層，熱煨彎管防腐采用雙層環(huán)氧粉末涂層，局部管道采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫，防護(hù)層采用聚乙烯塑料。各工藝站場(chǎng)采用三級(jí)控制方式：調(diào)控中心級(jí)—站場(chǎng)控制級(jí)—站場(chǎng)就地控制級(jí)，采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控；通信系統(tǒng)采用光纖通信方式為主用通信方式，衛(wèi)星通信及租用公網(wǎng)通信為備用通信方式，以實(shí)現(xiàn)輸油管道所有通信業(yè)務(wù)的傳輸。經(jīng)過建設(shè)者們的不懈努力，2010年10月，中俄原油管道俄羅斯境內(nèi)段和中國(guó)境內(nèi)段均順利建成。2010年11月1日，中俄原油管道進(jìn)入試運(yùn)行階段，俄方末站加林達(dá)末站于北京時(shí)間18時(shí)開始向管道注油，油頭于2010年11月2日8-9時(shí)抵達(dá)中方首站漠河站。2011年1月1日，中俄原油管道正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，俄羅斯開始通過該管道向中國(guó)供應(yīng)商品油，標(biāo)志著中國(guó)東北方向的原油進(jìn)口戰(zhàn)略要道正式貫通，每年向中國(guó)輸油1500萬噸，合同期20年。隨著中國(guó)能源需求的進(jìn)一步增長(zhǎng)，為適應(yīng)俄油增量后的輸送要求，實(shí)現(xiàn)東北地區(qū)原油資源的靈活調(diào)配，保證東北煉化企業(yè)所需原油資源的穩(wěn)定供應(yīng)，中俄原油管道二線工程啟動(dòng)。2013年3月，中俄兩國(guó)政府在莫斯科簽署擴(kuò)大原油貿(mào)易合作協(xié)議。同年6月，中石油與俄羅斯石油公司簽署向中國(guó)增供原油貿(mào)易合同，計(jì)劃從2018年1月起，通過中俄二線向中國(guó)每年增供原油1500萬噸，增供合同期25年，可延長(zhǎng)5年。中俄原油管道二線工程起始于黑龍江省漠河縣興安鎮(zhèn)漠河首站，途經(jīng)黑龍江、內(nèi)蒙古兩?。▍^(qū)），止于黑龍江省大慶市大同區(qū)林源輸油站，管道全長(zhǎng)941.80km，與中俄一線（漠大線）并行871.6km，管徑813mm，設(shè)計(jì)壓力9.5MPa-11.5MPa。沿線穿越大中型河流12處，鐵路14處，二級(jí)及以上等級(jí)公路40處。由于地處東北，該工程面臨大量冬季施工，冬季施工近7個(gè)月，尤其在漠河至加格達(dá)奇段，冬季施工時(shí)極端溫度可達(dá)-40℃，增加了焊接施工難度，加大了焊前預(yù)熱、焊后緩冷工作量。且地處高緯度地區(qū)，冬季寒冷，白天時(shí)間短，有效作業(yè)時(shí)間少，給工期帶來很大風(fēng)險(xiǎn)，地形、地質(zhì)復(fù)雜，在漠河至加格達(dá)奇段450多公里范圍內(nèi)分布有不同類型的多年凍土，全線近二分之一為石方段，施工難度極大。但建設(shè)團(tuán)隊(duì)克服重重困難，于2017年11月12日實(shí)現(xiàn)中俄原油管道二線全線貫通，并于2018年1月1日正式從俄羅斯向國(guó)內(nèi)輸送原油，與一線聯(lián)合運(yùn)行，每年接收3000萬噸原油，然后將其輸送至下游慶鐵線系統(tǒng)，承擔(dān)起我國(guó)58%的陸上原油進(jìn)口重任，在保障國(guó)家能源安全、優(yōu)化油品供輸格局、深化中俄戰(zhàn)略合作和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。2.2工程線路布局中俄輸油工程線路布局跨越中俄兩國(guó)，呈現(xiàn)出獨(dú)特的走向和分布特征。在俄羅斯境內(nèi)，管道起自伊爾庫(kù)茨克州的泰舍特，這里是東西伯利亞地區(qū)石油外運(yùn)的重要集散地，能有效匯聚周邊油田的原油資源。管道沿貝加爾湖—阿穆爾大鐵路延伸，該鐵路交通便利，有利于工程建設(shè)物資的運(yùn)輸和施工設(shè)備的調(diào)配，也為管道的維護(hù)和管理提供了便利條件。之后，管道從斯科沃羅季諾開始沿中俄邊境地區(qū)鋪設(shè)，這一走向既考慮了俄羅斯國(guó)內(nèi)的地緣政治和經(jīng)濟(jì)布局，也便于與中國(guó)境內(nèi)的管道進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)原油的跨境輸送。進(jìn)入中國(guó)境內(nèi)后，管道從漠河興安鎮(zhèn)入境，漠河地處中國(guó)最北端，是連接俄羅斯與中國(guó)內(nèi)陸的重要節(jié)點(diǎn)。自北向南，管道沿大興安嶺東坡延伸，大興安嶺地區(qū)地形復(fù)雜，多山地、森林和河流，管道在此鋪設(shè)需要克服諸多自然障礙，如穿越山脈時(shí)需要進(jìn)行隧道施工或采用特殊的管道敷設(shè)技術(shù)，以確保管道的安全和穩(wěn)定。在穿越嫩江平原時(shí)，嫩江平原地勢(shì)平坦，但地下水位較高，土壤含水量大，可能導(dǎo)致管道基礎(chǔ)不穩(wěn)定，因此在施工過程中需要采取特殊的基礎(chǔ)處理措施，如換填、加固等。最終，管道止于大慶林源輸油站，大慶作為中國(guó)重要的石油工業(yè)基地，擁有完善的石油加工和儲(chǔ)存設(shè)施，能夠?qū)M(jìn)口的俄羅斯原油進(jìn)行有效的后續(xù)處理和調(diào)配，滿足東北地區(qū)乃至全國(guó)的能源需求。工程線路選擇主要考慮了多方面因素。從能源供應(yīng)角度看，管道起點(diǎn)靠近俄羅斯東西伯利亞的油田，如泰舍特附近的油田資源豐富，能夠?yàn)楣艿捞峁┓€(wěn)定的原油來源，確保輸油工程的持續(xù)運(yùn)行。終點(diǎn)選擇在大慶，大慶的石油工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，擁有眾多的煉油廠和儲(chǔ)油設(shè)施，能夠高效地對(duì)進(jìn)口原油進(jìn)行加工和儲(chǔ)存，同時(shí)大慶還與國(guó)內(nèi)其他石油輸送管道相連，便于將原油輸送到全國(guó)各地，實(shí)現(xiàn)能源的合理分配。在地形地質(zhì)方面，線路盡量避開了地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大的區(qū)域，如避免穿越地震帶、大型斷層等不穩(wěn)定地質(zhì)區(qū)域。在穿越山脈和河流時(shí)，選擇了地形相對(duì)平緩、地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定的地段進(jìn)行施工，以降低工程建設(shè)成本和風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于多年凍土區(qū)，雖然無法完全避開，但在設(shè)計(jì)和施工過程中采取了一系列針對(duì)性措施，如提高管道壁厚、采用保溫材料、優(yōu)化管道埋深等，以減少工程對(duì)凍土的影響，保障管道的安全運(yùn)行。從地緣政治角度，中俄邊境地區(qū)的線路布局既符合兩國(guó)的政治利益，也便于雙方對(duì)管道進(jìn)行監(jiān)管和維護(hù)。雙方可以在邊境地區(qū)建立聯(lián)合監(jiān)管機(jī)制，共同保障管道的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)兩國(guó)在能源領(lǐng)域的合作與交流。2.3工程輸油能力及技術(shù)特點(diǎn)中俄輸油工程的輸油能力在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)營(yíng)中有著明確的規(guī)劃與表現(xiàn)。該工程設(shè)計(jì)年輸油量為3000萬噸，這一設(shè)計(jì)規(guī)模充分考慮了中國(guó)日益增長(zhǎng)的能源需求以及俄羅斯的石油供應(yīng)能力。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，自2011年1月1日一線正式運(yùn)營(yíng)，每年進(jìn)口俄羅斯原油1500萬噸；2018年1月1日二線正式運(yùn)營(yíng)后，與一線聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了每年接收3000萬噸原油的目標(biāo)，達(dá)到了設(shè)計(jì)輸油量，切實(shí)承擔(dān)起我國(guó)58%的陸上原油進(jìn)口重任。為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的輸油目標(biāo)，工程采用了一系列先進(jìn)的特殊輸油技術(shù)和設(shè)備。在輸油工藝方面，采用常溫密閉輸油工藝。這種工藝能夠有效減少原油與外界空氣的接觸，降低原油氧化、蒸發(fā)等損耗，同時(shí)也提高了輸油的安全性和穩(wěn)定性。在管道材質(zhì)與防腐保溫措施上，管道管徑為Φ813mm，材質(zhì)選用L450級(jí)鋼，這種鋼材具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠承受較大的內(nèi)壓和外部荷載，適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件和氣候環(huán)境。全線采用3PE外防腐層，3PE防腐層由底層環(huán)氧粉末、中間層膠粘劑和外層聚乙烯組成，具有良好的防腐性能、機(jī)械性能和抗紫外線性能，能夠有效防止管道外壁被腐蝕，延長(zhǎng)管道使用壽命。熱煨彎管防腐采用雙層環(huán)氧粉末涂層，增強(qiáng)了彎管部位的防腐能力，因?yàn)閺澒芴幨芰?fù)雜，容易受到腐蝕破壞，雙層環(huán)氧粉末涂層能更好地保護(hù)彎管。局部管道采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫，防護(hù)層采用聚乙烯塑料，保溫措施能夠減少熱油在輸送過程中的熱量散失，降低能耗，同時(shí)也有助于維持原油的流動(dòng)性，避免因油溫過低導(dǎo)致原油凝固，影響輸油效率。在管道控制與通信系統(tǒng)方面，各工藝站場(chǎng)采用三級(jí)控制方式，即調(diào)控中心級(jí)—站場(chǎng)控制級(jí)—站場(chǎng)就地控制級(jí)。調(diào)控中心級(jí)能夠?qū)φ麄€(gè)輸油系統(tǒng)進(jìn)行宏觀監(jiān)控和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制；站場(chǎng)控制級(jí)負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)站場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行、工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)；站場(chǎng)就地控制級(jí)則作為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急控制手段，確保在緊急情況下能夠及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，SCADA系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集管道沿線的壓力、溫度、流量等參數(shù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行模瑢?shí)現(xiàn)對(duì)輸油過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，一旦出現(xiàn)異常情況，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)并采取相應(yīng)的控制措施。通信系統(tǒng)采用光纖通信方式為主用通信方式，光纖通信具有傳輸速度快、容量大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的高速傳輸需求，確?？刂浦噶畹募皶r(shí)下達(dá)和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。衛(wèi)星通信及租用公網(wǎng)通信為備用通信方式，在光纖通信出現(xiàn)故障時(shí)，備用通信方式能夠及時(shí)切換，保證通信的連續(xù)性，確保輸油管道所有通信業(yè)務(wù)的傳輸不受影響。三、多年凍土特性及分布3.1多年凍土的定義與分類多年凍土，又被稱作“永久凍土”（permafrost），是指溫度處于0℃及以下（年均氣溫＜-2℃），且持續(xù)3年或3年以上凍結(jié)不融的土壤和疏松巖石。這一定義強(qiáng)調(diào)了多年凍土的低溫和長(zhǎng)期凍結(jié)特性，其形成需要特定的氣候、地形等條件。在高緯度地區(qū)，如北極圈附近，由于太陽(yáng)輻射弱，氣溫常年較低，滿足多年凍土形成的低溫要求；在高海拔地區(qū)，如青藏高原，隨著海拔升高，氣溫降低，也為多年凍土的發(fā)育創(chuàng)造了條件。根據(jù)多年凍土在水平方向上的分布狀態(tài)，可將其分為整體多年凍土和非整體多年凍土。整體多年凍土在水平方向上呈大片的、連續(xù)的分布狀態(tài)，中間無融區(qū)存在。這種類型的多年凍土常見于極地地區(qū)，如西伯利亞的部分地區(qū)，那里的多年凍土連續(xù)分布，厚度可達(dá)數(shù)百米，其穩(wěn)定性相對(duì)較高，因?yàn)椴淮嬖谌趨^(qū)的干擾，熱交換主要在凍土與大氣之間進(jìn)行。非整體多年凍土在水平方向上的分布是分離的，中間被融區(qū)間隔。在中俄輸油工程沿線的大興安嶺地區(qū)，就存在這種非整體多年凍土。由于受地形、植被、地下水等因素的影響，該地區(qū)的多年凍土呈現(xiàn)出島狀分布，融區(qū)的存在使得凍土的熱穩(wěn)定性變差，在工程建設(shè)中，融區(qū)與凍土區(qū)的交界處容易出現(xiàn)不均勻沉降等問題，對(duì)工程設(shè)施的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。從凍土的組成成分來看，多年凍土主要由礦物顆粒、冰、未凍水和氣體組成。其中，冰的含量對(duì)凍土的物理力學(xué)性質(zhì)影響顯著。冰在凍土中起到膠結(jié)作用，使凍土具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性。當(dāng)凍土中的冰含量較高時(shí)，凍土的密度增大，導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響凍土的溫度場(chǎng)分布。未凍水的存在則使得凍土具有一定的流變性，在長(zhǎng)期荷載作用下，凍土?xí)l(fā)生緩慢的變形。氣體在凍土中所占比例相對(duì)較小，但它會(huì)影響凍土的透氣性和熱傳導(dǎo)性能，當(dāng)凍土中的氣體含量較高時(shí)，會(huì)降低凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，減緩熱量的傳遞。3.2多年凍土的物理力學(xué)性質(zhì)多年凍土的含冰量是其重要的物理特性之一，對(duì)凍土的工程性質(zhì)有著關(guān)鍵影響。含冰量是指凍土中冰的體積與凍土總體積的比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。在中俄輸油工程沿線的多年凍土區(qū)，含冰量的分布呈現(xiàn)出明顯的空間差異。在多年凍土上限附近，最大體積含冰量較高，可達(dá)40%-60%。這是因?yàn)樵趦鐾辽舷尬恢?，溫度變化較為頻繁，冬季降溫時(shí)水分更容易凍結(jié)成冰，且該區(qū)域受地表活動(dòng)和地下水的影響較大，有充足的水源補(bǔ)充，使得冰的含量得以積累。而隨著深度的增加，含冰量逐漸降低，在多年凍土層下部，含冰量可能降至10%-20%。這是由于下部土層溫度相對(duì)穩(wěn)定，水分遷移困難，不利于冰的大量形成。熱傳導(dǎo)系數(shù)反映了多年凍土傳導(dǎo)熱量的能力，它與凍土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及含冰量密切相關(guān)。一般來說，多年凍土的熱傳導(dǎo)系數(shù)在0.2-3.0W/（m?K）之間。當(dāng)凍土中含冰量較高時(shí)，由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)大于未凍水和空氣，使得凍土的熱傳導(dǎo)系數(shù)增大。例如，當(dāng)含冰量從20%增加到40%時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)可能從1.0W/（m?K）增加到1.5W/（m?K）。土壤顆粒的大小和排列方式也會(huì)影響熱傳導(dǎo)系數(shù)，粗顆粒土壤如礫砂土，其孔隙較大，空氣含量相對(duì)較多，熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較?。欢?xì)顆粒土壤如黏土，孔隙較小，顆粒間接觸緊密，熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較大。在中俄輸油工程沿線，不同土壤類型的凍土熱傳導(dǎo)系數(shù)存在差異，泥炭土的熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較低，約為0.3-0.8W/（m?K），這是因?yàn)槟嗵客林泻写罅康挠袡C(jī)質(zhì)，其結(jié)構(gòu)疏松，空氣含量高，阻礙了熱量的傳遞；而礫砂土的熱傳導(dǎo)系數(shù)在1.5-2.5W/（m?K）之間，相對(duì)較高?？箟簭?qiáng)度是衡量多年凍土抵抗壓力能力的重要指標(biāo)。多年凍土的抗壓強(qiáng)度與溫度、含冰量、土顆粒組成等因素密切相關(guān)。在低溫狀態(tài)下，凍土中的冰起到膠結(jié)作用，使凍土具有較高的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)溫度在-10℃--5℃時(shí)，凍土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)5-10MPa。隨著溫度升高，冰開始融化，膠結(jié)作用減弱，抗壓強(qiáng)度迅速降低。當(dāng)溫度接近0℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度可能降至1-3MPa。含冰量對(duì)抗壓強(qiáng)度也有顯著影響，含冰量越高，抗壓強(qiáng)度越大。例如，含冰量為30%的凍土，其抗壓強(qiáng)度比含冰量為20%的凍土高出20%-30%。土顆粒的組成也會(huì)影響抗壓強(qiáng)度，粗顆粒土的骨架作用明顯，其抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高；而細(xì)顆粒土在相同條件下，抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低?？辜魪?qiáng)度是指多年凍土抵抗剪切破壞的能力，它對(duì)于評(píng)估工程建設(shè)中凍土的穩(wěn)定性至關(guān)重要?？辜魪?qiáng)度包括內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力兩部分。內(nèi)摩擦力主要取決于土顆粒之間的摩擦作用，顆粒越粗糙、越緊密，內(nèi)摩擦力越大。內(nèi)聚力則與冰的膠結(jié)作用、土顆粒間的化學(xué)作用等有關(guān)。多年凍土的抗剪強(qiáng)度隨著溫度降低而增大，在-5℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度可能為10-20kPa；當(dāng)溫度降至-15℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度可增大至30-50kPa。含冰量的增加會(huì)提高內(nèi)聚力，從而增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度。在工程實(shí)踐中，了解多年凍土的抗剪強(qiáng)度對(duì)于設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、邊坡的防護(hù)等具有重要意義。例如，在中俄輸油工程的管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，需要準(zhǔn)確掌握凍土的抗剪強(qiáng)度，以確?；A(chǔ)能夠承受管道的重量和周圍土體的壓力，防止基礎(chǔ)滑動(dòng)和管道變形。3.3全球及中俄輸油工程沿線多年凍土分布特征全球多年凍土的分布呈現(xiàn)出明顯的緯度和垂直地帶性規(guī)律。在緯度地帶性方面，自高緯度向中緯度地區(qū)，多年凍土的分布逐漸發(fā)生變化。在高緯度的極地地區(qū)，如北極圈內(nèi)的西伯利亞北部、加拿大北部等地，存在著大面積的連續(xù)多年凍土帶。這些地區(qū)太陽(yáng)輻射弱，氣溫極低，年平均氣溫遠(yuǎn)低于0℃，多年凍土厚度可達(dá)數(shù)百米甚至上千米。隨著緯度降低，進(jìn)入中緯度地區(qū)，多年凍土的連續(xù)性逐漸被打破，過渡為不連續(xù)多年凍土帶。在這一區(qū)域，凍土呈島狀或斑塊狀分布，中間被融區(qū)間隔，如北歐部分地區(qū)、美國(guó)阿拉斯加部分地區(qū)等。再向低緯度地區(qū)，多年凍土逐漸減少，最終被季節(jié)凍土帶所取代。在垂直地帶性上，中低緯度的高山和高原地區(qū)，由于海拔升高，氣溫降低，也存在著多年凍土。如美洲的安第斯山脈、非洲的乞力馬扎羅山、亞洲的青藏高原等。隨著海拔的升高，多年凍土的厚度逐漸增加，地溫逐漸降低。在青藏高原，多年凍土面積廣闊，是世界上低緯度地帶海拔最高、面積最大的多年凍土分布區(qū)，其多年凍土厚度在一些地區(qū)可達(dá)100-200米。全球多年凍土主要分布在北半球，這是因?yàn)楸卑肭蜿懙孛娣e較大，且高緯度和高海拔地區(qū)相對(duì)較多，為多年凍土的形成和保存提供了有利條件。中俄輸油工程沿線的多年凍土分布具有獨(dú)特的特點(diǎn)。該工程從俄羅斯東西伯利亞—太平洋輸油管道的斯科沃羅季諾輸油站起始，穿越我國(guó)漠河興安鎮(zhèn)，止于大慶林源輸油站，在中國(guó)境內(nèi)段全長(zhǎng)953km，其中穿越漠河—加格達(dá)奇約441km的不連續(xù)多年凍土區(qū)和加格達(dá)奇—大慶約512km的深季節(jié)凍土區(qū)（凍深>1.5m）。在俄羅斯境內(nèi)部分，管道經(jīng)過的地區(qū)氣候嚴(yán)寒，屬于北極氣候區(qū)域，平均氣溫低，季節(jié)性變化大，地面凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)8-10個(gè)月，地溫低于0℃，多年凍土分布廣泛。在中國(guó)境內(nèi)的漠河—加格達(dá)奇段，屬于不連續(xù)多年凍土區(qū)。這里的多年凍土呈現(xiàn)出島狀分布的特征，融區(qū)與凍土區(qū)相互交錯(cuò)。從南向北，多年凍土分布面積逐漸增加，從0-20%增加到60%-70%。凍土溫度從南向北逐漸降低，大約在-1.8℃--0.7℃之間。多年凍土上限附近最大體積含冰量較高，一般在40%-60%之間。土壤類型多樣，包括泥炭土、細(xì)粒土、礫砂土等，不同土壤類型的凍土物理力學(xué)性質(zhì)存在差異。加格達(dá)奇—大慶段為深季節(jié)凍土區(qū)，冬季土壤凍結(jié)深度較大，超過1.5m。該區(qū)域受季節(jié)性氣溫變化影響明顯，夏季土壤融化，冬季凍結(jié)，凍融循環(huán)頻繁。近年來，受全球氣候變暖的影響，中俄輸油工程沿線的多年凍土出現(xiàn)了明顯的變化趨勢(shì)。地溫逐漸升高，多年凍土的厚度呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，部分區(qū)域的多年凍土甚至出現(xiàn)退化現(xiàn)象，如融區(qū)范圍擴(kuò)大，島狀凍土的斑塊數(shù)量減少、面積縮小等。這些變化對(duì)輸油工程的安全運(yùn)營(yíng)帶來了潛在威脅，如凍土融化導(dǎo)致的管基失穩(wěn)、地表沉降等問題日益凸顯。四、中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的作用機(jī)制4.1工程建設(shè)過程對(duì)多年凍土的擾動(dòng)4.1.1土方開挖與回填的影響在中俄輸油工程的建設(shè)過程中，土方開挖是一項(xiàng)關(guān)鍵的基礎(chǔ)施工環(huán)節(jié)。管溝開挖是為了鋪設(shè)輸油管道，其深度通常在2.5-6m，寬度在2-3m。在多年凍土區(qū)進(jìn)行如此規(guī)模的管溝開挖，會(huì)直接導(dǎo)致多年凍土的暴露。多年凍土長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定的低溫環(huán)境中，一旦暴露在大氣環(huán)境下，其熱交換條件會(huì)發(fā)生劇烈改變。原本被土壤覆蓋的多年凍土，與外界的熱量交換主要通過土壤的傳導(dǎo)進(jìn)行，速度較為緩慢。而管溝開挖后，凍土直接與空氣接觸，空氣的溫度變化比土壤更為頻繁和劇烈，使得凍土的溫度開始快速上升。開挖過程中，凍土的結(jié)構(gòu)遭到破壞。多年凍土中冰和土顆粒形成了相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，冰起到膠結(jié)作用，使凍土具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。開挖時(shí)，機(jī)械的挖掘和土體的松動(dòng)，打破了這種結(jié)構(gòu)，冰與土顆粒之間的膠結(jié)力被削弱，導(dǎo)致凍土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，強(qiáng)度降低，更容易受到后續(xù)施工和環(huán)境因素的影響。在土方開挖過程中，還會(huì)涉及到對(duì)地下冰的處理。中俄輸油工程沿線多年凍土中地下冰含量較高，開挖時(shí)地下冰暴露，會(huì)加速融化。地下冰的融化不僅會(huì)導(dǎo)致土體體積減小，引發(fā)地面沉降，還會(huì)改變土體的含水量和孔隙結(jié)構(gòu)。大量地下冰融化形成的水流，會(huì)帶走部分細(xì)小的土顆粒，進(jìn)一步破壞土體結(jié)構(gòu)，使得土壤的密實(shí)度降低，對(duì)管道基礎(chǔ)的承載能力產(chǎn)生不利影響。回填是管溝開挖后的重要工序，回填方式和回填材料的選擇對(duì)多年凍土有著顯著影響。如果回填材料的熱物理性質(zhì)與原土體差異較大，會(huì)改變多年凍土的熱傳導(dǎo)路徑和熱交換效率。例如，若采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料進(jìn)行回填，會(huì)加速熱量從管道向周圍凍土的傳遞，導(dǎo)致凍土溫度升高，融化速度加快；相反，若采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的保溫材料回填，雖然在一定程度上可以減少熱量傳遞，但可能會(huì)影響土體的力學(xué)性能和穩(wěn)定性?；靥钸^程中的壓實(shí)程度也至關(guān)重要。壓實(shí)不足會(huì)導(dǎo)致回填土孔隙率較大，空氣含量增加，空氣的隔熱性能較好，會(huì)阻礙熱量的散發(fā)，使凍土溫度升高；而過度壓實(shí)則可能破壞土體結(jié)構(gòu)，影響土壤的透氣性和透水性，改變凍土的水熱狀態(tài)?；靥钔僚c原土體的結(jié)合情況也會(huì)影響多年凍土的穩(wěn)定性。如果回填土與原土體結(jié)合不緊密，會(huì)形成薄弱界面，在溫度變化和土體凍融過程中，容易產(chǎn)生不均勻沉降，威脅管道的安全運(yùn)行。4.1.2施工機(jī)械作業(yè)的影響在中俄輸油工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，施工機(jī)械數(shù)量眾多，類型豐富，包括挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、壓路機(jī)等。這些機(jī)械在作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的碾壓和振動(dòng)作用。挖掘機(jī)在挖掘管溝時(shí)，其履帶對(duì)地面產(chǎn)生較大的壓力，反復(fù)碾壓會(huì)使凍土表面的土體被壓實(shí)，孔隙減小。裝載機(jī)和推土機(jī)在運(yùn)輸和推平土方時(shí)，同樣會(huì)對(duì)地面施加壓力，使得凍土的密實(shí)度發(fā)生改變。壓路機(jī)在進(jìn)行回填土壓實(shí)作業(yè)時(shí)，其振動(dòng)作用會(huì)進(jìn)一步影響凍土的結(jié)構(gòu)。施工機(jī)械的碾壓和振動(dòng)會(huì)對(duì)多年凍土的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。多年凍土原本的顆粒排列和冰土結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，在機(jī)械的作用下，土顆粒被重新排列，冰的膠結(jié)作用被削弱。例如，在壓路機(jī)的振動(dòng)作用下，凍土中的冰晶體可能會(huì)發(fā)生破碎，冰與土顆粒之間的連接被破壞，導(dǎo)致凍土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降。這種結(jié)構(gòu)破壞還會(huì)影響凍土的透水性和透氣性，使得凍土的水熱傳輸特性發(fā)生改變。結(jié)構(gòu)破壞后的凍土，水分遷移更加困難，在凍融循環(huán)過程中，更容易產(chǎn)生不均勻的體積變化，引發(fā)地面變形和塌陷。施工機(jī)械在運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)械部件的摩擦等都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。這些熱量會(huì)通過機(jī)械與地面的接觸傳遞到凍土中，導(dǎo)致凍土溫度升高。例如，挖掘機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)，其履帶與地面接觸部位的凍土溫度會(huì)明顯上升。據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在施工機(jī)械集中作業(yè)區(qū)域，凍土溫度在施工期間可能會(huì)升高1-3℃。溫度的升高會(huì)加速凍土中冰的融化，使凍土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。隨著凍土中冰含量的減少，其抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)會(huì)顯著降低，從而影響管道基礎(chǔ)的承載能力，增加管道下沉、變形的風(fēng)險(xiǎn)。施工機(jī)械產(chǎn)生的熱量還會(huì)影響凍土的水分遷移和分布。熱量的傳遞會(huì)導(dǎo)致凍土中的水分發(fā)生相變，從固態(tài)的冰轉(zhuǎn)化為液態(tài)的水。這些液態(tài)水在溫度梯度的作用下會(huì)發(fā)生遷移，使得凍土中的水分分布不均勻。水分的遷移還可能導(dǎo)致土體的局部飽水，進(jìn)一步降低土體的強(qiáng)度，增加土體的壓縮性，對(duì)管道工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。四、中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的作用機(jī)制4.2輸油過程中熱量傳遞對(duì)多年凍土的影響4.2.1管道散熱導(dǎo)致的凍土溫度場(chǎng)變化在中俄輸油工程的運(yùn)營(yíng)過程中，熱油在管道中持續(xù)輸送，猶如一個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)熱源，不斷向周圍環(huán)境釋放熱量。這一熱量傳遞過程對(duì)多年凍土的溫度場(chǎng)產(chǎn)生了深刻的影響。從熱量傳遞的基本原理來看，熱油與管道內(nèi)壁之間存在著對(duì)流換熱。熱油的溫度高于管道內(nèi)壁溫度，在流動(dòng)過程中，熱油將熱量傳遞給管道內(nèi)壁。其對(duì)流換熱系數(shù)受到熱油的流速、黏度、溫度以及管道內(nèi)壁的粗糙度等因素的影響。當(dāng)熱油流速增加時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)增大，單位時(shí)間內(nèi)傳遞給管道內(nèi)壁的熱量增多。管道內(nèi)壁與外壁之間通過固體導(dǎo)熱進(jìn)行熱量傳遞。管道材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定了這一過程的熱傳遞效率。例如，工程中采用的鋼材具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠快速地將熱量從內(nèi)壁傳導(dǎo)至外壁，使得熱量能夠迅速穿過管道壁，為向周圍凍土傳遞熱量奠定基礎(chǔ)。管道外壁與周圍凍土之間則是通過熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的綜合作用進(jìn)行熱量交換。由于凍土是一種多孔介質(zhì)，其中包含冰、未凍水、氣體和土顆粒，熱量在凍土中的傳遞較為復(fù)雜。在熱傳導(dǎo)方面，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)受到其物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的影響。如前文所述，含冰量較高的凍土，其導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，因?yàn)楸膶?dǎo)熱系數(shù)大于未凍水和空氣，能夠更有效地傳導(dǎo)熱量。土壤顆粒的大小和排列方式也會(huì)改變熱傳導(dǎo)路徑，進(jìn)而影響熱傳導(dǎo)效率。在熱對(duì)流方面，當(dāng)凍土中存在未凍水時(shí)，溫度梯度會(huì)促使未凍水發(fā)生遷移，從而帶動(dòng)熱量傳遞，形成熱對(duì)流現(xiàn)象。隨著熱量不斷從管道傳遞到周圍凍土，凍土的溫度場(chǎng)開始發(fā)生顯著變化。以中俄輸油工程沿線某監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，在管道運(yùn)營(yíng)初期，距離管道較近的凍土溫度迅速上升。在距離管道1米處，第一年凍土溫度升高了約2℃。隨著時(shí)間的推移，溫度升高的范圍逐漸擴(kuò)大，在5年內(nèi)，距離管道3米處的凍土溫度也開始有明顯上升，升高了約1℃。在垂直方向上，管底凍土溫度升高最為明顯，因?yàn)闊崃吭谙蛳聜鬟f過程中，受到凍土的熱阻較小，且沒有其他散熱途徑，使得管底凍土不斷吸收熱量，溫度持續(xù)攀升。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，管底凍土溫度可能會(huì)升高5-8℃，導(dǎo)致多年凍土上限逐漸下移，融化深度不斷加大。不同土壤類型和含冰量條件下，凍土溫度場(chǎng)的變化存在顯著差異。對(duì)于泥炭土，由于其導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量傳遞相對(duì)緩慢，在相同時(shí)間內(nèi)，泥炭土中凍土溫度升高幅度較小。而礫砂土的導(dǎo)熱系數(shù)較高，熱量能夠快速傳遞，使得礫砂土中凍土溫度升高速度較快，相同條件下，礫砂土中距離管道2米處的凍土溫度升高幅度比泥炭土中相同位置高出約30%-50%。含冰量對(duì)凍土溫度場(chǎng)變化的影響也十分顯著。高含冰量的凍土，在吸收相同熱量時(shí)，由于冰融化需要消耗大量的潛熱，使得凍土溫度升高相對(duì)緩慢。當(dāng)含冰量從30%增加到50%時(shí)，在相同熱量輸入條件下，凍土溫度升高幅度可能降低40%-60%。但隨著冰的逐漸融化，凍土的物理性質(zhì)發(fā)生改變，其導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量也會(huì)相應(yīng)變化，進(jìn)而影響后續(xù)的溫度場(chǎng)變化。4.2.2溫度變化引發(fā)的凍土物理力學(xué)性質(zhì)改變多年凍土溫度的升高，首先會(huì)導(dǎo)致其含冰量發(fā)生顯著變化。隨著溫度逐漸升高，凍土中的冰開始融化。在一定溫度范圍內(nèi)，如從-5℃升高到-2℃，凍土中的部分冰會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水。這一過程中，冰的含量逐漸減少，而未凍水含量相應(yīng)增加。冰的融化速率與溫度升高的幅度和持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。當(dāng)溫度升高幅度較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，冰的融化速率加快。在中俄輸油工程沿線，由于管道持續(xù)散熱，管周凍土溫度長(zhǎng)期處于上升趨勢(shì)，使得冰的融化過程不斷進(jìn)行。含冰量的變化會(huì)進(jìn)一步引發(fā)凍土物理力學(xué)性質(zhì)的一系列改變。在強(qiáng)度方面，凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會(huì)顯著降低。冰在凍土中起到膠結(jié)作用，使土顆粒之間的連接更加緊密，從而賦予凍土較高的強(qiáng)度。當(dāng)冰融化后，膠結(jié)作用減弱，土顆粒之間的摩擦力和凝聚力減小。例如，當(dāng)含冰量從40%降低到20%時(shí)，凍土的抗壓強(qiáng)度可能從8MPa降低到4MPa，抗剪強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)下降，從25kPa降低到15kPa。這使得凍土在承受上部荷載時(shí)，更容易發(fā)生變形和破壞，對(duì)管道基礎(chǔ)的承載能力構(gòu)成嚴(yán)重威脅。凍土的壓縮性也會(huì)隨著溫度升高和含冰量變化而增大。冰融化后，土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔隙體積增大，土體變得更加疏松。在外部荷載作用下，土體更容易被壓縮，導(dǎo)致壓縮變形量增加。在工程實(shí)際中，這可能表現(xiàn)為管道基礎(chǔ)的沉降加劇。由于管道周圍不同位置的凍土溫度和含冰量變化存在差異，導(dǎo)致地基土的壓縮性不一致，從而產(chǎn)生不均勻沉降。不均勻沉降會(huì)使管道承受額外的應(yīng)力，可能導(dǎo)致管道變形、破裂，影響輸油工程的安全運(yùn)行。凍土的透水性和透氣性也會(huì)受到溫度變化和含冰量變化的影響。冰融化形成的液態(tài)水增加了土體中的水分含量，使得土體的孔隙被水填充，透水性增強(qiáng)。同時(shí)，水分的增加可能會(huì)排擠土體中的氣體，改變土體的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響透氣性。透水性的增強(qiáng)可能導(dǎo)致地下水水位上升，進(jìn)一步影響凍土的穩(wěn)定性；而透氣性的改變則可能影響土體中微生物的活動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)，對(duì)凍土的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生潛在影響。五、中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的實(shí)例分析5.1選取典型研究區(qū)域?yàn)樯钊胙芯恐卸磔斢凸こ虒?duì)多年凍土的影響，本研究選取大興安嶺段作為典型研究區(qū)域，該區(qū)域涵蓋了中俄輸油工程中國(guó)境內(nèi)段中漠河—加格達(dá)奇約441km的不連續(xù)多年凍土區(qū)，具有顯著的代表性。大興安嶺段的多年凍土呈現(xiàn)出獨(dú)特的分布和特性，為研究提供了豐富的樣本和多樣的條件。從凍土分布來看，大興安嶺段屬于不連續(xù)多年凍土區(qū)，凍土呈島狀分布，融區(qū)與凍土區(qū)相互交錯(cuò)。這種復(fù)雜的分布格局使得該區(qū)域在受到工程影響時(shí)，凍土的響應(yīng)更為復(fù)雜。不同區(qū)域的凍土在工程熱擾動(dòng)下，融化和變形情況各異，為研究工程對(duì)不同類型凍土的影響提供了天然的試驗(yàn)場(chǎng)。從南向北，多年凍土分布面積從0-20%逐漸增加到60%-70%，這種面積變化與緯度、海拔等因素密切相關(guān)。隨著緯度升高和海拔增加，氣溫降低，有利于多年凍土的發(fā)育和保存，使得多年凍土分布面積逐漸擴(kuò)大。在凍土溫度方面，該區(qū)域凍土溫度從南向北逐漸降低，大約在-1.8℃--0.7℃之間。較低的地溫使得凍土處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但輸油工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)打破了這種穩(wěn)定。管道的散熱導(dǎo)致周圍凍土溫度升高，與原有的地溫形成鮮明對(duì)比，從而引發(fā)凍土的一系列變化。在靠近管道的區(qū)域，凍土溫度明顯升高，加速了凍土的融化過程，而遠(yuǎn)離管道的區(qū)域，凍土溫度受影響相對(duì)較小，仍保持著原有的低溫狀態(tài)。大興安嶺段多年凍土上限附近最大體積含冰量較高，一般在40%-60%之間。高含冰量是該區(qū)域多年凍土的重要特征之一，冰在凍土中起到膠結(jié)作用，賦予凍土較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。然而，當(dāng)受到工程熱擾動(dòng)時(shí)，高含冰量也使得凍土在融化過程中產(chǎn)生較大的體積變化和力學(xué)性質(zhì)改變。隨著凍土溫度升高，冰開始融化，膠結(jié)作用減弱，凍土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)地面沉降、塌陷等問題。該區(qū)域土壤類型多樣，包括泥炭土、細(xì)粒土、礫砂土等。不同土壤類型的凍土，其物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。泥炭土的孔隙率大，含水量高，導(dǎo)熱系數(shù)低，在工程熱擾動(dòng)下，熱量傳遞緩慢，凍土融化速度相對(duì)較慢，但由于其力學(xué)強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生較大的變形。細(xì)粒土的顆粒細(xì)小，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，其凍脹和融沉特性較為明顯，在凍融循環(huán)過程中，容易導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞。礫砂土的顆粒較大，孔隙連通性好，透水性強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，在工程熱擾動(dòng)下，熱量傳遞較快，凍土融化速度較快，但因其顆粒間摩擦力大，力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高。這些不同土壤類型凍土的特性，使得大興安嶺段在研究工程對(duì)不同土質(zhì)凍土的影響方面具有重要價(jià)值，能夠全面揭示工程熱擾動(dòng)與土壤類型、凍土特性之間的相互關(guān)系。五、中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的實(shí)例分析5.2實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析5.2.1多年凍土溫度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果在大興安嶺段典型研究區(qū)域內(nèi)，設(shè)置了多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用高精度地溫傳感器對(duì)不同深度的多年凍土溫度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的不同深度凍土溫度隨時(shí)間的變化曲線（圖1）中，可以清晰地看出其變化趨勢(shì)。在淺層凍土，如0-2米深度，溫度變化較為明顯，且呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異。在夏季，由于太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，大氣溫度升高，淺層凍土吸收熱量，溫度迅速上升。以某監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，在2020年夏季，0.5米深度的凍土溫度從春季的-3℃上升至-1℃，升溫幅度達(dá)到2℃。而在冬季，隨著大氣溫度的降低，淺層凍土熱量散失，溫度急劇下降，在2020-2021年冬季，該深度凍土溫度降至-5℃，與夏季相比，溫差達(dá)到4℃。這種季節(jié)性的溫度波動(dòng)，主要是由于淺層凍土受大氣溫度變化的直接影響較大，熱量交換頻繁。隨著深度的增加，凍土溫度變化逐漸趨于平緩，季節(jié)性差異也逐漸減小。在5-10米深度，溫度變化相對(duì)穩(wěn)定，年變化幅度較小。在2020-2021年期間，5米深度的凍土溫度年變化范圍僅在-3.5℃--3℃之間。這是因?yàn)樯顚觾鐾僚c大氣之間的熱量交換受到上層土壤的阻隔，熱量傳遞相對(duì)緩慢，使得深層凍土能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度狀態(tài)。與管道運(yùn)營(yíng)前相比，運(yùn)營(yíng)后的多年凍土溫度明顯升高。在管道運(yùn)營(yíng)前，多年凍土溫度基本處于自然狀態(tài)下的穩(wěn)定水平。以距離管道5米處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，運(yùn)營(yíng)前10米深度的凍土溫度為-3.8℃。而在管道運(yùn)營(yíng)5年后，該深度的凍土溫度上升至-3.2℃，升高了0.6℃。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的持續(xù)增加，凍土溫度仍呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢(shì)。這表明管道散熱對(duì)多年凍土溫度場(chǎng)的影響是持續(xù)且漸進(jìn)的，隨著時(shí)間的推移，熱量不斷向周圍凍土傳遞，導(dǎo)致凍土溫度逐漸升高。[此處插入不同深度凍土溫度隨時(shí)間的變化曲線]圖1：不同深度凍土溫度隨時(shí)間的變化曲線5.2.2凍土變形監(jiān)測(cè)結(jié)果通過在管道沿線布置位移監(jiān)測(cè)儀，對(duì)凍土的沉降、隆起等變形情況進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在管道周圍一定范圍內(nèi)，凍土出現(xiàn)了明顯的沉降現(xiàn)象。在距離管道3米處，自管道運(yùn)營(yíng)以來，凍土累計(jì)沉降量達(dá)到了15厘米。隨著距離管道距離的增加，沉降量逐漸減小，在距離管道10米處，累計(jì)沉降量?jī)H為5厘米。這表明管道散熱導(dǎo)致的凍土融化是引起沉降的主要原因，距離管道越近，凍土融化程度越大，沉降量也就越大。在某些區(qū)域，還觀測(cè)到了凍土隆起的現(xiàn)象。這主要發(fā)生在管道穿越的部分濕地或地下水位較高的區(qū)域。由于凍土融化，土體中的水分重新分布，在局部區(qū)域形成了積水。積水在冬季凍結(jié)時(shí)，體積膨脹，導(dǎo)致土體向上隆起。在某濕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)，冬季時(shí)凍土隆起高度達(dá)到了8厘米。這種隆起現(xiàn)象對(duì)管道的影響同樣不可忽視，它會(huì)使管道受到向上的頂托力，可能導(dǎo)致管道變形、接口松動(dòng)等問題。凍土變形與輸油工程密切相關(guān)。管道散熱使得管周凍土溫度升高，冰融化，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致土體體積變化，引發(fā)沉降或隆起。在管道運(yùn)營(yíng)初期，由于凍土融化范圍較小，變形量相對(duì)較小。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，凍土融化范圍擴(kuò)大，變形量逐漸增大。當(dāng)變形量超過一定限度時(shí)，會(huì)對(duì)工程設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)于輸油管道而言，過大的沉降或隆起可能導(dǎo)致管道彎曲、破裂，引發(fā)原油泄漏事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。對(duì)于沿線的附屬設(shè)施，如泵站、閥室等，凍土變形可能導(dǎo)致基礎(chǔ)失穩(wěn)，影響設(shè)施的正常運(yùn)行。5.3數(shù)值模擬研究5.3.1建立數(shù)值模型在對(duì)中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的研究中，數(shù)值模擬是一種關(guān)鍵的研究手段。為了準(zhǔn)確模擬這一復(fù)雜的物理過程，本研究基于傳熱學(xué)、凍土力學(xué)等相關(guān)理論，建立了三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)值模型，以全面分析工程施工和運(yùn)營(yíng)過程中熱量傳遞對(duì)多年凍土溫度場(chǎng)和力學(xué)性質(zhì)的影響。在模型假設(shè)方面，首先假設(shè)多年凍土為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，盡管實(shí)際多年凍土中存在冰透鏡體、孔隙等非均勻結(jié)構(gòu)，但在宏觀尺度下，這種假設(shè)能夠簡(jiǎn)化計(jì)算過程，同時(shí)在一定程度上反映凍土的整體熱學(xué)和力學(xué)特性。忽略凍土中氣體的影響，雖然凍土中氣體對(duì)熱傳導(dǎo)和力學(xué)性質(zhì)有一定作用，但相較于冰、未凍水和土顆粒，其影響相對(duì)較小，在初步模擬中可忽略不計(jì)。假設(shè)管道為理想圓柱體，且管壁厚度均勻，熱物性參數(shù)恒定，這樣的假設(shè)能夠簡(jiǎn)化管道的幾何模型和熱傳遞計(jì)算，便于分析管道散熱對(duì)周圍凍土的影響。在參數(shù)設(shè)置上，對(duì)于土壤熱參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)不同土壤類型進(jìn)行取值。如前文所述，泥炭土的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.3-0.8W/（m?K），細(xì)粒土的導(dǎo)熱系數(shù)在0.5-1.5W/（m?K）之間，礫砂土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.5-2.5W/（m?K）。比熱容根據(jù)土體組成成分進(jìn)行計(jì)算，考慮土顆粒、冰和未凍水的比熱容及其含量，通過加權(quán)平均的方法確定。對(duì)于管道熱參數(shù)，管道材質(zhì)為L(zhǎng)450級(jí)鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)約為50W/（m?K），比熱容為460J/（kg?K）。原油的比熱容為2000J/（kg?K），密度為850kg/m3。這些參數(shù)的準(zhǔn)確取值是保證模擬結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)。邊界條件的確定對(duì)于模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。上邊界采用第三類邊界條件，即考慮大氣與凍土表面的對(duì)流換熱和輻射換熱。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，確定對(duì)流換熱系數(shù)和輻射率。在夏季，對(duì)流換熱系數(shù)約為15W/（m2?K），輻射率為0.9；在冬季，對(duì)流換熱系數(shù)約為10W/（m2?K），輻射率不變。下邊界假設(shè)為恒溫邊界，根據(jù)多年凍土區(qū)深部地溫?cái)?shù)據(jù)，確定下邊界溫度為-2℃。側(cè)邊界采用絕熱邊界條件，認(rèn)為在模擬區(qū)域的側(cè)向邊界上，沒有熱量的流入或流出，以簡(jiǎn)化計(jì)算過程。初始條件根據(jù)實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定，包括多年凍土的初始溫度場(chǎng)、管道內(nèi)原油的初始溫度等。在模擬開始時(shí)，將實(shí)地監(jiān)測(cè)得到的凍土溫度分布作為模型的初始溫度場(chǎng)，原油初始溫度設(shè)定為20℃。5.3.2模擬結(jié)果與驗(yàn)證通過數(shù)值模擬，得到了不同時(shí)間段內(nèi)多年凍土溫度場(chǎng)的分布情況。模擬結(jié)果顯示，在管道運(yùn)營(yíng)初期，管周凍土溫度迅速上升。在運(yùn)營(yíng)1年后，距離管道0.5米處的凍土溫度升高了約3℃。隨著時(shí)間的推移，溫度升高的范圍逐漸擴(kuò)大，在運(yùn)營(yíng)5年后，距離管道2米處的凍土溫度也開始有明顯上升，升高了約1℃。在垂直方向上，管底凍土溫度升高最為顯著，運(yùn)營(yíng)10年后，管底凍土溫度可能升高6-8℃，導(dǎo)致多年凍土上限逐漸下移，融化深度不斷加大。將模擬結(jié)果與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的對(duì)比中，模擬得到的凍土溫度與實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度的誤差在可接受范圍內(nèi)。在距離管道1米處的某監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模擬溫度與監(jiān)測(cè)溫度的平均誤差為±0.5℃。對(duì)于凍土融化深度，模擬結(jié)果與實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果也具有較好的一致性。實(shí)地監(jiān)測(cè)得到的距離管道2米處的年最大融化深度以每年0.68m的速度下降，模擬結(jié)果為每年0.7m，誤差僅為0.02m。這表明所建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地反映中俄輸油工程對(duì)多年凍土溫度場(chǎng)和融化深度的影響。模擬結(jié)果還揭示了凍土變化的一些規(guī)律。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，凍土融化深度呈非線性增長(zhǎng)，前期增長(zhǎng)速度較快，后期增長(zhǎng)速度逐漸減緩。這是因?yàn)殡S著凍土的融化，融土的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，且融化過程中冰的相變吸收大量潛熱，導(dǎo)致熱量傳遞效率降低，從而使得融化深度增長(zhǎng)速度變緩。在不同土壤類型區(qū)域，凍土融化速度和范圍存在明顯差異。如前文所述，礫砂土區(qū)域的凍土融化速度明顯快于泥炭土區(qū)域，這是由于礫砂土的導(dǎo)熱系數(shù)較高，熱量傳遞迅速，加速了凍土的融化。六、多年凍土變化對(duì)中俄輸油工程的反作用及潛在風(fēng)險(xiǎn)6.1對(duì)管道結(jié)構(gòu)安全的影響6.1.1凍土融沉導(dǎo)致的管道變形與破壞在中俄輸油工程的運(yùn)營(yíng)過程中，隨著多年凍土的持續(xù)融化，凍土融沉現(xiàn)象對(duì)管道結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。其作用過程主要是由于管道散熱使周圍凍土溫度升高，凍土中的冰逐漸融化。冰在凍土中起到膠結(jié)土顆粒的作用，冰的融化使得土顆粒間的膠結(jié)力減弱，土體結(jié)構(gòu)變得松散。凍土融化后，土體體積減小，從而引發(fā)地面沉降。在管道周圍，這種沉降往往是不均勻的。因?yàn)楣艿郎峋哂幸欢ǖ姆较蛐院途嚯x衰減性，距離管道較近的凍土融化程度更大，沉降量也更大；而距離管道較遠(yuǎn)的凍土融化程度相對(duì)較小，沉降量也較小。這種不均勻沉降會(huì)使管道承受不均勻的沉降力，導(dǎo)致管道發(fā)生彎曲變形。當(dāng)彎曲變形超過管道材料的允許彎曲范圍時(shí)，管道就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力急劇增大。如果應(yīng)力集中持續(xù)發(fā)展且超過管道材料的屈服強(qiáng)度，管道就會(huì)發(fā)生拉伸破壞。在一些嚴(yán)重的情況下，管道甚至可能出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致原油泄漏。以中俄輸油工程沿線某段管道為例，由于多年凍土的融沉，在過去的5年里，該段管道出現(xiàn)了明顯的彎曲變形，最大彎曲角度達(dá)到了3°。經(jīng)過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，管道彎曲部位的應(yīng)力已經(jīng)接近材料的屈服強(qiáng)度，存在極大的安全隱患。相關(guān)研究表明，當(dāng)凍土融沉導(dǎo)致的管道不均勻沉降差達(dá)到5cm/m時(shí)，管道就會(huì)出現(xiàn)明顯的彎曲變形；當(dāng)不均勻沉降差達(dá)到10cm/m時(shí)，管道發(fā)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。6.1.2凍脹作用對(duì)管道的危害在寒冷季節(jié)，當(dāng)氣溫下降時(shí)，中俄輸油工程沿線的多年凍土?xí)l(fā)生凍脹現(xiàn)象，這對(duì)管道同樣產(chǎn)生嚴(yán)重危害。凍脹的產(chǎn)生是因?yàn)樵诮禍剡^程中，土壤孔隙中的水分逐漸凍結(jié)成冰。冰的密度比水小，水變成冰時(shí)體積會(huì)膨脹，大約增大9%。在凍土中，這種體積膨脹受到周圍土體的約束，從而產(chǎn)生巨大的凍脹力。凍脹力會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生擠壓和抬升作用。在管道周圍，凍脹力的分布并不均勻，不同位置的凍土由于含水量、溫度變化等因素的差異，凍脹程度不同，導(dǎo)致對(duì)管道的作用力也不同。這種不均勻的凍脹力會(huì)使管道受到局部的擠壓，當(dāng)擠壓力超過管道的抗壓強(qiáng)度時(shí)，管道可能會(huì)發(fā)生變形，如管壁凹陷、管徑變小等。凍脹力還可能將管道向上抬升。在一些地下水位較高的區(qū)域，凍土中的水分含量豐富，凍脹作用更為明顯，管道被抬升的高度可能更大。管道的抬升會(huì)改變其原有的鋪設(shè)位置和坡度，影響原油的正常輸送。在冬季，由于凍脹作用，某段管道被抬升了8cm，導(dǎo)致該段管道的坡度發(fā)生改變，原油在輸送過程中出現(xiàn)了流速不穩(wěn)定的情況，增加了管道的運(yùn)行阻力。凍脹作用還可能引發(fā)管道的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)管道受到凍脹力的作用發(fā)生變形時(shí)，管道的連接部位，如焊接處、法蘭連接處等，容易出現(xiàn)松動(dòng)。這些部位的松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致密封性能下降，一旦管道內(nèi)的壓力超過連接處的密封承受能力，原油就會(huì)泄漏。在一些極端寒冷的年份，由于凍脹作用，中俄輸油工程沿線曾發(fā)生多起管道連接處泄漏事故，對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，也給工程運(yùn)營(yíng)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。六、多年凍土變化對(duì)中俄輸油工程的反作用及潛在風(fēng)險(xiǎn)6.2對(duì)輸油工程運(yùn)營(yíng)的影響6.2.1影響輸油效率的因素分析在中俄輸油工程的運(yùn)營(yíng)過程中，多年凍土的變化會(huì)通過多種機(jī)制對(duì)輸油效率產(chǎn)生顯著影響，其中管道阻力增加和油溫變化是兩個(gè)關(guān)鍵因素。隨著多年凍土的融化，管道周圍土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，土體的變形和沉降導(dǎo)致管道產(chǎn)生彎曲、扭曲等形態(tài)變化。這種變形使得管道內(nèi)部的原油流動(dòng)通道變得不規(guī)則，原油在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)受到的摩擦力增大，從而導(dǎo)致管道阻力增加。當(dāng)管道發(fā)生1°的彎曲變形時(shí)，管道阻力可能會(huì)增加5%-10%。原油在流動(dòng)過程中需要克服更大的阻力，就需要消耗更多的能量來維持流速，這使得輸油過程中的能耗大幅上升。為了保證原油的輸送量，就需要增加輸油泵的功率，提高泵的揚(yáng)程，這不僅增加了能源消耗，還可能導(dǎo)致泵的磨損加劇，降低泵的使用壽命，進(jìn)一步增加了運(yùn)營(yíng)成本。多年凍土的變化會(huì)導(dǎo)致管道周圍的熱環(huán)境發(fā)生改變，進(jìn)而影響油溫。在正常情況下，多年凍土起到一定的保溫作用，能夠減緩管道內(nèi)原油的熱量散失。但隨著凍土的融化，其保溫性能下降，熱量更容易從管道傳遞到周圍環(huán)境中。在冬季，當(dāng)多年凍土融化后，管道周圍的散熱速度加快，原油溫度可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)下降3-5℃。油溫的降低會(huì)使原油的黏度增大，流動(dòng)性變差，進(jìn)一步增加了管道的輸送阻力。當(dāng)油溫從20℃降至15℃時(shí)，原油的黏度可能會(huì)增加30%-50%，導(dǎo)致輸油效率降低。油溫的不穩(wěn)定還會(huì)影響原油的輸送工藝，例如在采用加熱輸送工藝時(shí)，需要根據(jù)油溫的變化不斷調(diào)整加熱設(shè)備的功率，以保證原油的流動(dòng)性，這增加了操作的復(fù)雜性和能源消耗。除了上述直接影響因素外，凍土融化引發(fā)的地面沉降和變形還可能導(dǎo)致管道接口松動(dòng)、密封性能下降，從而引發(fā)原油泄漏。一旦發(fā)生泄漏，不僅會(huì)造成原油的損失，還需要對(duì)管道進(jìn)行緊急搶修，在搶修期間，輸油工程不得不暫停運(yùn)行，這對(duì)輸油效率產(chǎn)生了直接的負(fù)面影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每次原油泄漏事故導(dǎo)致的輸油中斷時(shí)間平均可達(dá)3-5天，嚴(yán)重影響了能源的穩(wěn)定供應(yīng)。6.2.2增加的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本為應(yīng)對(duì)多年凍土問題對(duì)中俄輸油工程運(yùn)營(yíng)帶來的挑戰(zhàn)，需要采取一系列措施，這無疑會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本大幅增加。在管道檢測(cè)方面，由于多年凍土變化對(duì)管道安全構(gòu)成潛在威脅，需要加強(qiáng)對(duì)管道的檢測(cè)頻率和精度。傳統(tǒng)的定期檢測(cè)已無法滿足需求，需要采用更為先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，如智能清管器檢測(cè)、光纖傳感器監(jiān)測(cè)等。智能清管器能夠在管道內(nèi)運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè)管道的變形、腐蝕等情況，但其購(gòu)置和使用成本較高。光纖傳感器則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道周圍的溫度、應(yīng)變等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，但設(shè)備安裝和維護(hù)費(fèi)用也不菲。每年用于管道檢測(cè)的費(fèi)用可能會(huì)增加20%-30%，以確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道因凍土變化而出現(xiàn)的問題。當(dāng)檢測(cè)到管道因凍土問題出現(xiàn)損壞時(shí)，修復(fù)工作必不可少。凍土融化導(dǎo)致的管道變形、破裂等問題，修復(fù)難度較大，需要采用特殊的修復(fù)技術(shù)和材料。對(duì)于輕微的變形，可以采用局部修復(fù)的方法，如使用補(bǔ)板、內(nèi)襯等進(jìn)行修復(fù)，但修復(fù)材料和施工費(fèi)用較高。對(duì)于嚴(yán)重破裂的管道，可能需要更換管段，這不僅涉及到管道材料的采購(gòu)費(fèi)用，還包括施工過程中的挖掘、焊接、防腐等費(fèi)用。一次管道修復(fù)的費(fèi)用可能在幾十萬元到上百萬元不等，且隨著凍土問題的加劇，修復(fù)頻率增加，使得修復(fù)成本成為運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的重要組成部分。為減少管道散熱對(duì)多年凍土的影響，以及防止凍土變化對(duì)管道的破壞，需要加強(qiáng)管道的保溫措施。這可能包括在管道外部增加保溫層厚度、更換性能更好的保溫材料等。采用新型的納米氣凝膠保溫材料，雖然其保溫性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴，每平方米的材料成本可能是傳統(tǒng)保溫材料的3-5倍。增加保溫層厚度也會(huì)帶來材料和施工成本的增加。保溫措施的加強(qiáng)還需要定期對(duì)保溫層進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保其保溫性能，這也增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。為監(jiān)測(cè)多年凍土的變化情況，需要建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括在管道沿線設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，安裝各類監(jiān)測(cè)設(shè)備，如地溫傳感器、位移監(jiān)測(cè)儀等。這些設(shè)備的購(gòu)置、安裝和維護(hù)費(fèi)用較高，且需要專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。每年用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用可能在數(shù)十萬元以上。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和監(jiān)測(cè)需求的增加，這部分成本還可能進(jìn)一步上升。七、應(yīng)對(duì)中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的策略與措施7.1工程設(shè)計(jì)與施工階段的預(yù)防措施7.1.1合理規(guī)劃管道路徑在中俄輸油工程的設(shè)計(jì)階段，合理規(guī)劃管道路徑是減少對(duì)多年凍土影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一過程需要綜合考慮多年凍土的分布和特性，運(yùn)用先進(jìn)的地理信息系統(tǒng)（GIS）和地質(zhì)勘察技術(shù)，全面獲取沿線的地質(zhì)數(shù)據(jù)，包括凍土的類型、含冰量、地溫分布以及凍土的穩(wěn)定性等信息。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，遵循避開不穩(wěn)定凍土區(qū)的原則進(jìn)行路徑規(guī)劃。不穩(wěn)定凍土區(qū)通常指那些含冰量高、地溫接近0℃、容易發(fā)生融沉或凍脹的區(qū)域，如高含冰量的泥炭土分布區(qū)、地下水活動(dòng)頻繁的凍土沼澤區(qū)等。在這些區(qū)域，多年凍土的穩(wěn)定性較差，工程建設(shè)對(duì)其擾動(dòng)后，更容易引發(fā)凍土的融化和變形，從而威脅管道的安全。通過精確的地質(zhì)勘察和分析，確定這些不穩(wěn)定區(qū)域的范圍和邊界，在規(guī)劃管道路徑時(shí)，盡量繞開這些區(qū)域，選擇地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定的地段進(jìn)行管道鋪設(shè)。在選擇最佳路徑時(shí)，還需綜合考慮地形、交通、生態(tài)等多方面因素。地形方面，盡量選擇地勢(shì)平坦、坡度較小的區(qū)域，以減少管道鋪設(shè)過程中的土石方工程量和施工難度。避免穿越陡峭的山坡，因?yàn)樵谏狡律箱佋O(shè)管道，不僅施工難度大，而且容易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，同時(shí)也會(huì)增加管道的維護(hù)成本。交通因素也不容忽視，選擇靠近現(xiàn)有交通線路的路徑，便于施工材料和設(shè)備的運(yùn)輸，降低運(yùn)輸成本，提高施工效率。在生態(tài)方面，要充分考慮對(duì)沿線生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，盡量避免穿越自然保護(hù)區(qū)、濕地、森林等生態(tài)敏感區(qū)域。如果無法完全避開，應(yīng)采取相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)措施，如設(shè)置生態(tài)廊道、進(jìn)行植被恢復(fù)等。在中俄輸油工程的實(shí)際規(guī)劃中，對(duì)于大興安嶺段的管道鋪設(shè)，通過詳細(xì)的地質(zhì)勘察，避開了部分高含冰量的凍土沼澤區(qū)，選擇了相對(duì)穩(wěn)定的礫砂土分布區(qū)域作為管道路徑。同時(shí)，結(jié)合地形條件，沿著地勢(shì)相對(duì)平緩的山谷地帶進(jìn)行鋪設(shè)，既減少了對(duì)多年凍土的擾動(dòng)，又降低了施工難度和成本。在穿越部分森林區(qū)域時(shí)，采取了最小化施工占地面積、保護(hù)現(xiàn)有植被的措施，通過設(shè)置架空管道等方式，減少對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞。7.1.2優(yōu)化管道敷設(shè)方式在中俄輸油工程中，針對(duì)多年凍土區(qū)的特殊地質(zhì)條件，優(yōu)化管道敷設(shè)方式是保障工程安全和減少對(duì)凍土影響的重要手段。常見的敷設(shè)方式包括架空敷設(shè)、深埋敷設(shè)和熱棒輔助敷設(shè)，每種方式都有其獨(dú)特的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。架空敷設(shè)是將管道通過支架支撐在地面上方一定高度進(jìn)行鋪設(shè)。其原理是使管道與地面保持一定距離，減少管道熱量向地面?zhèn)鬟f，避免直接加熱多年凍土，從而保護(hù)凍土的穩(wěn)定性。這種敷設(shè)方式的優(yōu)點(diǎn)明顯，便于檢修和維護(hù)，當(dāng)管道出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員可以直接對(duì)管道進(jìn)行檢查和維修，無需進(jìn)行大量的土方開挖工作。由于管道不與地面接觸，基本不受凍土融沉和凍脹的影響，能夠有效保障管道的安全運(yùn)行。然而，架空敷設(shè)也存在一些缺點(diǎn)，占用空間較多，需要在管道沿線設(shè)置大量的支架，對(duì)于地形復(fù)雜的區(qū)域，支架的建設(shè)難度較大。熱損失較大，因?yàn)楣艿辣┞对诳諝庵?，熱量更容易散失，這可能會(huì)導(dǎo)致原油溫度下降，增加輸油過程中的能耗。架空敷設(shè)適用于地下水位較高、凍土含冰量高且穩(wěn)定性差的區(qū)域，以及地形起伏較大、不便于進(jìn)行深埋敷設(shè)的地段。深埋敷設(shè)是將管道埋設(shè)在地下較深的位置，一般深度在多年凍土上限以下一定距離。其原理是利用深部?jī)鐾翜囟认鄬?duì)穩(wěn)定、變化較小的特點(diǎn)，將管道置于深部穩(wěn)定的凍土中，減少外界環(huán)境對(duì)管道和凍土的影響。這種敷設(shè)方式的優(yōu)點(diǎn)是熱損失小，管道周圍的土壤能夠起到一定的保溫作用，減少了熱量向周圍環(huán)境的散失，有利于維持原油的溫度，降低輸油能耗。對(duì)地面景觀的影響較小，管道埋在地下，不占用地面空間，不會(huì)對(duì)地面的交通、生態(tài)等造成明顯干擾。但深埋敷設(shè)也有其局限性，施工難度大，需要進(jìn)行大量的土方開挖工作，尤其是在多年凍土區(qū)，開挖難度更大，成本較高。后期維修和檢測(cè)不便，一旦管道出現(xiàn)問題，需要進(jìn)行大規(guī)模的土方開挖才能進(jìn)行維修，增加了維修的時(shí)間和成本。深埋敷設(shè)適用于凍土厚度較大、地溫相對(duì)穩(wěn)定、地下水位較低的區(qū)域。熱棒輔助敷設(shè)是在管道周圍設(shè)置熱棒，利用熱棒的單向?qū)崽匦?，將管道散發(fā)的熱量導(dǎo)出到大氣中，從而降低管道周圍凍土的溫度，防止凍土融化。熱棒內(nèi)部通常裝有工質(zhì)，當(dāng)熱棒下端溫度高于上端溫度時(shí)，工質(zhì)蒸發(fā)并上升至熱棒上端，在那里釋放熱量后冷凝成液體，再通過重力作用回流至下端，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)熱量的傳導(dǎo)。這種敷設(shè)方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效降低管道周圍凍土的溫度，增強(qiáng)凍土的穩(wěn)定性，保障管道的安全運(yùn)行。與其他敷設(shè)方式相比，熱棒輔助敷設(shè)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以在不同的凍土條件下使用。不過，熱棒輔助敷設(shè)也存在一些問題，熱棒的安裝和維護(hù)需要一定的技術(shù)和成本，熱棒的使用壽命有限，需要定期檢查和更換。熱棒輔助敷設(shè)適用于多年凍土溫度較高、容易發(fā)生融化的區(qū)域，以及對(duì)管道穩(wěn)定性要求較高的地段。在中俄輸油工程的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同地段的具體情況，綜合考慮各種敷設(shè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最合適的敷設(shè)方式。在地下水位較高的凍土沼澤區(qū)，可以采用架空敷設(shè)方式，避免管道受到積水和凍土融沉的影響；在凍土厚度較大、地溫相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，可以采用深埋敷設(shè)方式，降低熱損失和對(duì)地面的影響；在多年凍土溫度較高的地段，可以結(jié)合熱棒輔助敷設(shè)方式，增強(qiáng)凍土的穩(wěn)定性。7.1.3采用保溫隔熱材料在中俄輸油工程中，采用保溫隔熱材料是減少管道散熱、保護(hù)多年凍土的重要措施。保溫隔熱材料能夠有效降低管道與周圍環(huán)境之間的熱量傳遞，減緩多年凍土的升溫速度，從而保障凍土的穩(wěn)定性和管道的安全運(yùn)行。常見的保溫隔熱材料種類繁多，具有各自獨(dú)特的性能特點(diǎn)。聚氨酯泡沫塑料（PU）是一種常用的保溫隔熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，一般在0.02-0.03W/（m?K）之間，這意味著它能夠有效地阻止熱量的傳導(dǎo)。它具有良好的防水性能，能夠防止水分侵入管道，避免因水分凍結(jié)導(dǎo)致的管道損壞。聚氨酯泡沫塑料還具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性，能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件。然而，聚氨酯泡沫塑料的價(jià)格相對(duì)較高，且在高溫下可能會(huì)釋放有害氣體。擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）也是一種廣泛應(yīng)用的保溫隔熱材料。它具有完美的閉孔蜂窩結(jié)構(gòu)，這使得它具有絕佳的隔熱性，導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.028W/（m?K）左右。XPS板的透濕系數(shù)極低，幾乎不吸水，能夠有效防止水分對(duì)保溫性能的影響。它還具有高強(qiáng)度抗壓性能和良好的抗老化性，正常使用幾乎無老化分解現(xiàn)象。不過，XPS板的缺點(diǎn)是易燃，在使用過程中需要添加阻燃劑來提高其防火性能。氣凝膠是一種新型的保溫隔熱材料，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可低至0.013W/（m?K）以下，是目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料之一。它具有良好的耐高溫性能，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的保溫性能。氣凝膠的質(zhì)量輕，密度小，便于施工和安裝。然而，氣凝膠的價(jià)格昂貴，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，目前在大規(guī)模應(yīng)用上還存在一定的限制。這些保溫隔熱材料在減少管道散熱、保護(hù)凍土方面發(fā)揮著重要作用。通過在管道外部包裹保溫隔熱材料，可以形成一層熱阻，阻止管道內(nèi)熱油的熱量向周圍凍土傳遞。當(dāng)管道采用聚氨酯泡沫塑料作為保溫材料時(shí)，能夠顯著降低管道外壁的溫度，減少熱量向周圍凍土的散發(fā)。在相同條件下，使用保溫隔熱材料的管道周圍凍土溫度升高速度比未使用保溫材料的管道周圍凍土溫度升高速度慢30%-50%，從而有效減緩了多年凍土的融化速度，保護(hù)了凍土的穩(wěn)定性。在中俄輸油工程中，應(yīng)根據(jù)具體的工程需求和經(jīng)濟(jì)成本，選擇合適的保溫隔熱材料。對(duì)于對(duì)保溫性能要求較高、環(huán)境條件較為惡劣的地段，可以優(yōu)先選擇氣凝膠等高性能保溫材料；對(duì)于一般地段，可以選擇聚氨酯泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯泡沫板等性價(jià)比相對(duì)較高的保溫材料。還需要注意保溫隔熱材料的施工質(zhì)量，確保材料與管道緊密貼合，避免出現(xiàn)縫隙和空洞，影響保溫效果。七、應(yīng)對(duì)中俄輸油工程對(duì)多年凍土影響的策略與措施7.2運(yùn)營(yíng)階段的監(jiān)測(cè)與維護(hù)措施7.2.1建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在中俄輸油工程運(yùn)營(yíng)階段，建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是及時(shí)掌握多年凍土變化情況、保障管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵舉措。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)等部分組成。傳感器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端感知設(shè)備，負(fù)責(zé)采集各種與多年凍土和管道相關(guān)的數(shù)據(jù)。在管道沿線不同位置，如距離管道不同距離和不同深度的凍土中，安裝高精度地溫傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍土的溫度變化。這些傳感器能夠精確測(cè)量?jī)鐾恋臏囟?，測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。在管道上安裝應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測(cè)管道的變形情況，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道因凍土變化而產(chǎn)生的微小變形。在凍土中安裝孔隙水壓力傳感器，監(jiān)測(cè)凍土中孔隙水壓力的變化，了解凍土的水分遷移和力學(xué)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)收集各個(gè)傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和存儲(chǔ)。它具有較高的采樣頻率，能夠按照設(shè)定的時(shí)間間隔，如每15分鐘采集一次數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)性和完整性。數(shù)據(jù)采集器還具備數(shù)據(jù)校驗(yàn)和糾錯(cuò)功能，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是連接數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的橋梁，負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。采用光纖通信和無線通信相結(jié)合的方式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。在地形較為平坦、便于鋪設(shè)光纖的區(qū)域，優(yōu)先采用光纖通信，其傳輸速度快、容量大、抗干擾能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。在地形復(fù)雜、難以鋪設(shè)光纖的區(qū)域，如山區(qū)、森林等，采用無線通信技術(shù)，如4G、5G通信，確保數(shù)據(jù)能夠及時(shí)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)還具備數(shù)據(jù)加密和安全防護(hù)功能，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被