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:管周冻土受管道热影响存在显著的升温、融化现象,六个周期后最大融深可达0.84m;最大融化深度随管壁温度波动呈周期性波动,靠近管道处形成融化夹层,且这一融化夹层厚度随管道运行时间的增加不断加大;管底未冻水含量受管道热影响存在显著的水分迁移现象,但随着管道运行周期的增加,水分逐渐消散;管道运行过程中地表存在显著的冻胀、融沉变形,但整体呈沉降趋势,沉降变形量越靠近管道处越高。(2)块石管堤架设模型试验结果表明:管堤底部冻土存在显著的冷却降温过程,这是由于块石层阻断了管道与底部冻土的直接热交换;管堤底部未冻水含量变化幅度明显低于埋地式断面,无明显水分迁移现象,这是由于管堤底部冻土始终处于一个稳定的冷却降温过程;块石层顶部填土受两侧环境温度影响地表变形量高于埋地式,且从中部往两侧逐渐减小。(3)常规埋地式数值模拟结果表明:包裹保温层可显著降低管道与周围冻土间的热交换强度,不同保温层厚度下管道运行50年内管底最大融化深度可分别达7m(4 cm)、6m(8 cm)、5.5m(12 cm),下降幅度分别为0.1 m/a、0.08 m/a、0.07m/a;通过分析不同保温层厚度下管周融化圈的变化过程可知,当保温层厚度达到8cm后,融化圈的增加速度随保温层厚度的增加差异较小。(4)块石管堤架设管道数值模拟结果表明:开放边界条件下管堤的冷却降温效果优于封闭边界,包裹保温层后降温效果进一步提升;管道运行初期,管堤底部冻土存在显著的降温过程,之后随管道运行时间的增加,管堤底部冻土温度逐渐升高;开放边界底部冻土地温场呈显著不对称分布,但随着管道运行时间的增加这一不对称性逐渐减弱。