自2011年来,中俄原油管道及二线相继投产,管道起始于斯科沃罗季诺,止于大庆,国内段途经冻土区,此长距离大口径原油管输在国内尚属首例。尽管设计时已考虑了温度的影响,但冻土区土体随季节的冻胀融沉依然不可避免地对管道产生了较大的挤压、牵拉等作用,导致管道变形、漂浮甚至断裂,严重威胁着管道的安全运行。因此,探明冻土区原油管道在土体冻融作用下的应力状态和变化趋势,并以此指导管道设计、运营决策,就成为管道管理者和研究人员目前亟待解决的问题之一。论文针对中俄原油管道塔河地区的沼泽冻土和斜坡冻土的实际情况,研究了管道运营对邻域土体的水热力影响和管道在冻融作用下的稳定性及安全条件。本文基于Harlan水热耦合理论,建立了以孔隙率和温度为变量的饱和冻土水热耦合模型,并根据孔隙率与应变的关系,建立了水热场与应力场的联系,对模型控制方程进行离散,并将其写入COMSOLMultiphysics中的系数型偏微分方程模块。借鉴以往的单向冻结实验,从温度场、水分场及冻胀量三方面验证了模型及相关参数的适用性。以中俄原油管道漠河-塔河段数据为基础,建立了沼泽多年冻土区二维管土有限元模型,分析了在管道运行下,随着季节、冻融循环次数、管道埋深、保温层厚度的变化,管道周围土体的温度场分布、水分场分布、应力场分布、土体融化深度、土体冻融量、管道应力分布的变化规律。并根据上述分析,得出保证无保温层管道安全运行的埋深须大于2.1m～2.3m,小于2.1m大于1.8m须敷设50mm～60mm以上保温层。基于强度折减法及Drucker-Prager弹塑性本构模型,建立了斜坡-管道三维有限元模型,研究了含水量、角度不同的多年冻土斜坡及季节冻土斜坡在管道运行影响下,稳定性的变化规律。在管道运行后,多年冻土斜坡距离管道中心0.4065m(管道半径)的截面,安全系数较自然状态减小的最大比例为61%,季节冻土斜坡为16%;多年冻土斜坡距离管道中心5m的截面,安全系数减小的最大比例为46%,季节冻土斜坡为12%;管道运行对多年冻土斜坡的影响较季节冻土大;多年冻土斜坡角度大于30°,季节冻土斜坡角度大于25°,距离管道中心0.4065m截面已处于不稳定状态,因此管道穿越多年冻土区及季节冻土区斜坡且无防护措施时,保证管道安全运行的斜坡角度须低于30°及25°,大于30°及25°需采取防护措施;含水量对季节斜坡的影响大于多年冻土斜坡,含水从15%增加至25%,多年冻土斜坡安全系数减小12%～36%,季节冻土斜坡减小20.7%～40.39%。论文研究成果对掌握管道运行影响下管道及邻域土体水热力场变化规律、斜坡稳定性变化趋势,以更好地指导冻土区特殊地段管道的设计、施工及维护具有重要意义。