Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Предварительный этап работ
1.1 Анализ исходных данных 22
1.2 Типизация инженерно-геокриологических условий территории строительства 25
1.3 Многоцелевое картирование территории строительства 31
1.4 Геоэкологическая оценка территории строительства 44
1.5 Проведение прогнозных расчетов 49
Глава 2. Разработка технических решений инженерной защиты трубопроводов
2.1 Графическое оформление проектов инженерной защиты 60
2.2 Выбор мероприятий инженерной защиты 61
2.3 Мероприятия инженерной защиты на переходах через водотоки 62
2.4 Мероприятия инженерной защиты от развития солифлюкции 72
2.5 Мероприятия инженерной защиты трубопроводов на участках развития термокарста 83
2.6 Мероприятия инженерной защиты от эрозионных процессов 103
2.7 Мероприятия инженерной защиты трубопровода при действиинормальных сил морозного пучения грунтов 112
2.8 Мероприятия инженерной защиты на протяженных склоновыхучастках с предельной величиной угла наклона естественнойповерхности 120
2.9 Организация поверхностного водоотвода 125
Глава 3. Разработка сети геотехнического мониторинга
3.1 Введение 132
3.2 Графическое оформление проектов геотехнического мониторинга 136
3.3 Состав сети геотехнического мониторинга 137
3.4 Методика ГТМ геотехнического мониторинга 147
3.5 Принятие управляющих решений 156
Заключение 168
Литература 170
- Типизация инженерно-геокриологических условий территории строительства
- Мероприятия инженерной защиты на переходах через водотоки
- Мероприятия инженерной защиты трубопроводов на участках развития термокарста
- Организация поверхностного водоотвода
Введение к работе
Актуальность работы
Развитие нефтегазовой отрасли в России стимулирует интенсивное строительство объектов добычи и транспортировки нефти и газа в суровых климатических и геокриологических условиях северных регионов.
В настоящее время остро стоит проблема обеспечения устойчивости, длительной эксплуатационной пригодности трубопроводных систем и напрямую связанной с этим геоэкологической безопасности территорий прокладки трасс трубопроводов, что обусловливает актуальность работы.
Трубопроводы надземной и подземной прокладки в процессе строительства и эксплуатации подвержены воздействию спектра негативных геологических процессов, угрожающих их целостности и эксплуатационной пригодности. Это, в свою очередь, несет угрозу изменения геоэкологического состояния компонентов природной среды вдоль трасс трубопроводов и влечет значительные материальные и временные расходы, связанные с ремонтными и восстановительными работами.
Поскольку трубопроводы, как правило, обладают значительной протяженностью, их трассы пролегают на территориях с различными климатическими, инженерно-геокриологическими, геоморфологическими и технологическими условиями, определяющими влияние на грунты оснований трубопроводов. Это области с повышенным снегонакоплением; районы распространения талых и многолетнемерзлых грунтов (ММГ), развития подземных льдов, перелетков, таликов, участков, сложенных льдистыми и пучинистыми грунтами, разуплотненными грунтами и торфами; протяженные склоновые участки, переходы через водотоки, пересечение с автомобильными и железными дорогами, существующими трубопроводами и т.п.
Необходимо учитывать и геоэкологический аспект строительства и эксплуатации трубопроводных систем. Строительство трубопроводных систем сопровождается значительным техногенным влиянием на окружающую среду. Оно включает широкий спектр воздействий - от разрушения почвенно-растительного слоя с последующей активизацией эрозионных процессов, до химического загрязнения почв и водотоков. Освоение месторождений осуществляется в сжатые сроки: период с начала освоения до выхода на проектную мощность составляет около 10 лет. Этот промежуток времени характеризуется большой концентрацией техники с интенсивным воздействием на окружающую среду. Геоэкологическая оценка показывает, что скорость техногенного изменения поверхностного слоя криолитозоны намного превышает скорость самовосстановления тундровых ландшафтов, что делает неизбежным активизацию различных опасных эрозионных процессов в зоне полосы строительства.
Учитывая вышеизложенное, очевидна необходимость разработки проектов инженерной защиты от развивающихся и активизирующихся
негативных процессов, позволяющих обеспечить геоэкологическую безопасность территории.
Также необходима разработка современной и эффективной сети геотехнического мониторинга для своевременного выявления нарушений технического состояния объектов трубопроводной системы и контроля геоэкологической ситуации вдоль трасс трубопроводов.
В настоящий момент имеет место дефицит методического материала по разработке комплексной инженерной защиты трубопроводов и созданию эффективной сети геотехнического мониторинга в условиях районов распространения ММГ. Используемые технические решения не обладают требуемой функциональной и экономической эффективностью, при их разработке не учтен ряд факторов, влияющих на процессы физического взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами. В существующей литературе имеют место пробелы в рекомендациях по установке элементов наблюдения сети геотехнического мониторинга, а также по части принятия управляющих решений.
Цель работы - разработка научно-методических положений геоэкологического обоснования проектов инженерной защиты и геотехнического мониторинга трубопроводов, обеспечивающих их устойчивость, требуемую несущую способность, многолетнюю эксплуатационную надежность и геоэкологическую безопасность при строительстве и эксплуатации в сложных инженерно-геологических условиях северных регионов на базе обобщения результатов работы автора с 2004 по 2013 гг. в ОАО «Фундаментпроект».
Для достижения указанной выше цели поставлены следующие задачи:
1. На основании анализа данных инженерно-геологических изысканий и
строительных решений, с применением инженерно-геокриологической
типизации и многоцелевого картирования, систематизировать разнообразные
инженерно-геокриологические, геоморфологические и технологические
условия территории прокладки трасс трубопроводов.
-
Провести геоэкологическую оценку по трассам трубопроводов с определением участков активизации и развития негативных геологических процессов (в том числе в результате влияния самих трубопроводов).
-
Обосновать необходимость организации мероприятий инженерной защиты от негативных геологических процессов и их практическую эффективность посредством прогнозных деформационных и теплотехнических расчетов.
-
Разработать рекомендации по оптимизации эффективных вариантов традиционных технических решений инженерной защиты от развивающихся и активизирующихся негативных геологических процессов, для обеспечения эксплуатационной надежности и геоэкологической безопасности, а также подтверждения экологической и экономической эффективности предлагаемых вариантов решений посредством технико-экономического сравнения вариантов.
5. Создать типовую сеть геотехнического мониторинга для основных способов прокладки трубопроводов и вдольтрассовых площадных объектов. Предложить дополнительные рекомендации по принципам размещения элементов для наблюдения за деформациями оснований сооружений, температурным режимом грунтов и гидрогеологическими параметрами территории с целью осуществления эффективного технического и геоэкологического контроля и принятия своевременных решений по предотвращению возможных внештатных ситуаций.
Научная новизна работы
1. Разработаны научно-методические положения геоэкологического
обоснования комплексной разработки проектов инженерной защиты и
геотехнического мониторинга, рассматривающие процесс создания проектной
и рабочей документации от начальной стадии анализа исходных данных до
разработки конкретных, обоснованных деформационными и
теплотехническими расчетами технических решений.
2. Автором разработаны основы методики инженерно-геокриологической
типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок с выделением
параметров, являющихся наиболее существенными для обеспечения несущей
способности основания трубопровода.
3. Разработаны оптимальные варианты традиционных технических
решений по инженерной защите от негативных геологических процессов,
являющиеся более эффективными с геоэкологической и экономической точки
зрения, нежели применяющиеся на данный момент их аналоги.
4. Предложены рекомендации к созданию типовой сети геотехнического
мониторинга объектов трубопроводных систем, более полно освещающие
аспекты размещения элементов наблюдения с учетом изменения инженерно-
геологических условий.
Практическая значимость диссертационной работы
1. Комплексный подход при разработке проектов инженерной защиты и
геотехнического мониторинга трубопроводов в северных регионах с
рассмотрением всех стадий проектирования обусловливает возможность
практического применения данных диссертации в качестве информационного
материала при проведении аналогичных видов проектирования.
2. Предложенные автором основы методики инженерно-
геокриологического районирования и номенклатуры, а также предложенные
варианты технических решений применяются в проектах инженерной защиты и
геотехнического мониторинга и термостабилизации грунтов в ОАО
«Фундаментпроект» в период с 2004 г. по настоящее время.
3. Технические решения, разработанные для обеспечения устойчивости,
эксплуатационной надежности и безаварийного функционирования
трубопровода, обеспечивают геоэкологическую безопасность территории, в том
числе, от развития эрозионных процессов, подтопления, оврагообразования,
солифлюкции и оползания склонов в процессе строительства и эксплуатации.
4. Разработанная в соответствии с дополнительными рекомендациями типовая сеть геотехнического мониторинга объектов трубопроводных систем обеспечивает своевременное выявление нарушений технического состояния объектов и геоэкологический контроль состояния окружающей среды.
Объект и методика исследований
Объектом исследований являются строящиеся и эксплуатируемые в условиях северных регионов (районов распространения ММГ) трубопроводные системы и воздействующие на них негативные геологические процессы.
Используя в качестве исходных материалов продольные профили по трассам трубопроводов, рабочую документацию по строительным решениям, материалы топографической съемки, отчеты инженерно-геологических изысканий, данные замеров температур в скважинах и показатели физико-механических свойств грунтов, автором выполнена инженерно-геокриологическая типизация условий территории и районирование по геоморфологическим и технологическим особенностям.
На основе результатов инженерно-геокриологической типизации проводилось многоцелевое картирование с созданием карт инженерно-геокриологического районирования, карт высот насыпей для вдольтрассовых площадных объектов, карт классификации строительных объектов и карт по подверженности опасным процессам.
С использованием систематизированных данных, полученных в результате вышеописанных действий, проведена геоэкологическая оценка по трассам трубопроводов с выделением участков активизации и развития негативных геологических процессов (под влиянием техногенных или естественных факторов), и анализом их воздействия на прилегающие территории.
Для оценки необходимости и эффективности мероприятий инженерной защиты, а также прогнозирования изменений под влиянием негативных процессов и взаимодействия объектов трубопроводной системы с ММГ в различных условиях проводился ряд деформационных и теплотехнических расчетов с использованием программных комплексов, а также методик, освещенных в нормативной литературе.
На основе данных, полученных при выполнении вышеперечисленных работ, и проведения необходимых деформационных и теплотехнических расчетов, были разработаны варианты традиционных мероприятий инженерной защиты от негативных процессов на конкретных участках. При разработке технических решений проводилось технико-экономическое сравнение вариантов и учитывались требования геоэкологической безопасности. Также были приняты во внимание результаты экспериментальных работ по тестированию эффективности технических решений с использованием современных материалов, проводившихся в 2005 г. на территории Заполярного ГНКМ.
С учетом технологических особенностей трубопроводной системы, инженерно-геологических условий и геоэкологической оценки территории
прокладки трасс трубопроводов и классов ответственности сооружений, разработана типовая сеть геотехнического мониторинга для объектов трубопроводных систем.
Личный вклад автора
В период работы в ОАО «Фундаментпроект» с 2004 по 2013 гг. (в отделе ОТИМ - «отдел термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга») автор принимал участие в разработке отчетов, проектной и рабочей документации по инженерной защите, геотехническому мониторингу и термостабилизации грунтов для строящихся и эксплуатируемых объектов в северных регионах (трубопроводные системы ВСТО-І и ВСТО-П, газопровод «Бованенково-Ухта», газопровод «Алтай», нефтепроводная система «Харьяга-Индига», трубопроводная система Ванкорского нефтегазового месторождения, Заполярного ГНКМ), а также и еще более чем по 20 другим менее крупным объектам в районах распространения ММГ.
При участии автора разрабатывались технические решения инженерной защиты и геотехнического мониторинга, которые имеют свое применение на практике и их эффективность подтверждена опытом эксплуатации на вышеперечисленных объектах.
В 2005 г. автор участвовал в ряде экспериментальных работ на территории Заполярного ГНКМ. В ходе работ выделялись опытные участки, на которых воссоздавались варианты разработанных с использованием современных материалов технических решений, и проводилась последующая оценка их эффективности.
В 2009 г. при разработке рабочей документации инженерной защите, геотехническому мониторингу и термостабилизации грунтов для трубопроводной системы Заполярного ГНКМ автором были предложены основы методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок, которые используются в ОАО «Фундаментпроект» до настоящего времени при разработке подобной документации. Вместе с тем создана база типовых разрезов-колонок для инженерно-геокриологических условий различных регионов, которая используется и расширяется и в настоящее время.
При проектировании сетей геотехнического мониторинга для трубопроводных систем Ванкорского месторождения в период с 2010 по 2013 гг. автором разработаны рекомендации по принципам расстановки элементов наблюдения с учетом изменения инженерно-геокриологических, геоморфологических и технологических условий вдоль трасс трубопроводов.
Защищаемые положения
1. Разработаны научно-методические положения геоэкологического
обоснования оптимизации проектирования инженерной защиты и
геотехнического мониторинга в северных регионах.
2. Основные положения методики инженерно-геокриологической
типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок обеспечивают получение
репрезентативных данных при систематизации инженерно-геокриологических
условий территории прокладки трубопровода с выделением параметров, наиболее существенных для обеспечения несущей способности оснований сооружений, а также при проведении многоцелевого картирования, прогнозных теплотехнических и деформационных расчетов и произведении геоэкологической оценки территории.
3. Разработанные варианты технических решений по инженерной защите
от негативных геологических процессов имеют более высокую экологическую
и экономическую эффективность по сравнению с традиционно используемыми
решениями.
4. Предложены дополнительные рекомендации по устройству сети
геотехнического мониторинга, позволяющие осуществлять более эффективное
наблюдение за техническим состоянием объектов и контроль геоэкологической
ситуации.
Апробация работы
Основные результаты и положения данной диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
IX Международная конференция «Новые идеи в науках о земле». РГГРУ, 2009 г.;
VI-я Международная конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых. РГГРУ, 2010 г.;
Международная конференция «Инженерная защита территорий и безопасность населения» («Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safety») Engeopro-2011. Сентябрь, 2011 г., Москва;
Международная научная конференция «Интеграции, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». Октябрь, 2011 г., МГСУ, Москва;
Десятая международная конференция по мерзлотоведению TICOP. Июнь, 2012 г., Салехард.
Автором опубликованы 12 работ по теме диссертационного исследования; в том числе, в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК для публикации основных положений диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, - 2.
Основы методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок используются в ОАО «Фундаментпроект».
Структура и объем работы
Типизация инженерно-геокриологических условий территории строительства
В рамках данного раздела диссертационной работы освещены предложенные автором основные положения методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок.
Типизация инженерно-геокриологических условий проводится на основе анализа продольных геологических профилей по трассам трубопроводов и физико-механических свойств слагающих разрез грунтов.
Данный вид типизации проводится с целью обобщения разнообразных инженерно-геокриологических условий вдоль трассы трубопровода по тем критериям, которые являются наиболее существенными при разработке мероприятий по обеспечению устойчивости и несущей способности основания трубопровода и исключению (или снижению) влияния негативных инженерно-геологических процессов. Это такие определяющие факторы как: Дифференциация участков распространения талых и многолетнемерзлых грунтов;
- Выделение участков распространения сливающихся и несливающихся ММГ;
- Наличие участков развития перелетков, таликов, подземных льдов [Кудрявцев В. А. и др., 1979];
- Разделение грунтов по литологическому составу (суглинки, супеси, пески, коренные породы, торфа);
- Распределение разрезов, сложенных грунтами разных степеней льдистости за счет ледяных включений [ГОСТ 25100-95], различных показателей текучести IL, водонасыщенности и т.д.;
- Наличие участков с большой мощностью торфов и других «слабых» грунтов.
При дифференциации грунтов в зависимости от физико-механических свойств учитывается такой определяющий фактор как способ прокладки трубопровода - надземный, подземный или наземный в обваловке.
Соответственно, для каждого способа прокладки трубопровода может быть два разных вида типизации, или смешанный вид (при смешанном способе прокладки). Например, при подземном способе прокладки определяющим показателем будет степень льдистости за счет ледяных включений ij, так как этот фактор в дальнейшем будет определять осадку «теплого» трубопровода вследствие оттаивания. Или, при надземном способе прокладки, определяющим свойством грунта будет показатель текучести IL, ориентируясь на значение которого возможна подразделение грунтов по пучинистости [ГОСТ 25100-95].
Конечным результатом типизации является набор типовых разрезов-колонок («поперечников») (рис. 1.2.1), в которых отображается литологический состав, границы кровли и подошвы ММГ, границы слоя сезонного оттаивания-промерзания, блоки физико-механических свойств грунтовых слоев, присутствующих в разрезе. К данному набору разрезов-колонок прилагаются условные обозначения (рис. 1.2.2).
Автором данной диссертационной работы при разработке проектов ИЗ и ГТМ в организации ОАО «Фундаментпроект» в период с 2009 г по настоящее время повсеместно применяется предложенная им условно-частная система номенклатуры типовых разрезов-колонок, выделяемых при инженерно-геокриологической типизации. Эта система номенклатуры была разработана при типизации инженерно-геокриологических условий территории газопроводов-шлейфов и газопроводов подключения Заполярного ГНКМ в 2009г [РД 8777-УКПГ-2В-ГП-ИЗ,ГТМ; 8926-УКПГ-1В-ГП-ИЗ,ГТМ].
В данной номенклатуре грунты делятся на несколько следующих групп (см. рис. 1.2.1):
- Группа грунтов А соответствует многолетнемерзлым грунтам сливающегося типа;
- Группа грунтов Б соответствует многолетнемерзлым грунтам несливающегося типа;
- Группа грунтов В соответствует талым грунтам;
- Группа грунтов Г соответствует участкам распространения таликов;
- Группа грунтов Д соответствует участкам, сложенным талыми грунтами с перелетками мерзлых грунтов.
Соответственно, обозначение «А1-1» можно расшифровать как разрез, сложенный ММГ сливающегося типа, в котором верхним слоем грунта является слабольдистый суглинок, слагающий разрез на всю глубину изысканий. Разрезы А1-2 и А1-3 в данной номенклатуре могут быть разрезами, сложенными сливающимися ММГ и у обоих сверху будут слабольдистые суглинки, но вторым слоем в разрезе могут быть пески или, например, льдистые суглинки - в зависимости от приращения разрезов в процессе типизации.
На взгляд автора данной работы, такая система номенклатуры, в отличие от простой сквозной нумерации разрезов-колонок, является более функциональной, так как позволяет сразу, по ходу анализа геологического профиля, определять название нового разреза-колонки уже по дифференциации на сливающийся или несливающийся тип ММГ и по первому слою слагающих разрез грунтов. К тому же, такая система номенклатуры позволяет в любой момент добавить вычлененный новый разрез к имеющимся разрезам без нарушения уже сложившейся системы нумерации.
При выделении типовых разрезов с двумя и более слоями, критерием, при котором слой считается существующим, условно принята мощность 0,5 м. Это значение варьируется в зависимости от требуемой точности и масштаба геологических профилей.
Показатели физико-механических свойств грунтов как правило усредняются. Степень усреднения составляет порядка 0,1-0,2 д.е. (или 15-30% в процентном соотношении). Например: показатели коэффициента водонасыщения по данным изысканий Sr составляют 0,73 д.е.; 0,78 д.е.; 0,83 д.е.; 0,86 д.е.; 0,89 д.е.; 0,91 д.е.; 0,95 д.е.; 0,98 д.е.; 1.11 д.е.; 1.15 д.е. Соответственно, при выполнении типизации Sr следует привести со значением Sr = 0,8... 1,0 д.е.
Данные усреднения, в целом, не приводят к сильному разбросу прочностных характеристик данных фунтов, либо относятся к параметрам, слабо влияющим на осадку.
Грунты также подразделяются на категории согласно отдельным показателям их физико-механических свойств. Например, по льдистости за счет ледяных включений ij выделялись слабольдистые, льдистые, сильнольдистые и очень сильнольдистые грунты (с показателем ij: 0,2; ОД-ОД; 0,4-0,6; 0,6-0,9 соответственно для дисперсных грунтов).
Мероприятия инженерной защиты на переходах через водотоки
Как показывает практика, водные переходы являются наиболее аварийными участками трасс трубопроводов. Сроки ликвидации аварий на водных переходах превышают сроки при аналогичных повреждениях на линейной части трубопроводов, а их ремонт сопоставим по затратам со строительством нового участка водного перехода [Забела К.А., 1986].
Существуют различные способы переходов через водотоки [ВСН 010-88; Кукушкин Б.М., Канаев В.Я., 1982]. Возможны варианты подземных (рис. 2.3.5) переходов - в траншее или методом наклонно-направленного бурения (ННБ). Также используются надземные варианты (рис. 2.3.6) - например, с использованием длиннопролетных конструкций.
Пересекаемые участки водотоков представляют собой сложные природные системы, характеризующиеся изменчивой инженерно-геокриологической обстановкой и развитием (или являются потенциально опасными в этом плане) спектра негативных процессов, которые могут оказывать влияние на процесс строительства и эксплуатации трубопроводной системы [Бородавкин П.П. и др., 1979; Влияние переходов трубопроводов..., 1996].
Пойменная и русловые части водотоков характеризуются развитием процессов речной боковой эрозии (рис. 2.3.1) и глубинной (донной) речной эрозии (рис. 2.3.2) [Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1986; Walker H.J., 1966]. Речная донная эрозия ведет к углублению русла водотока, и, как следствие, может являться причиной обнажения трубопровода при подземном способе прокладки. Боковая эрозия ведет к подмыву берегов и расширению речной долины [Мирцхулава Ц. Е., 1988]. В этом случае воздействию могут быть подвержены и надземные опоры трубопроводов при переходе водотока надземным способом. На первоначальных стадиях развития этих двух процессов преобладает глубинная эрозия, которая определяет глубину вреза речной долины [ВСН 163-83].
Ввиду вышесказанного, необходима разработка ряда инженерных мероприятий для стабилизации русловой и пойменной частей перехода [Беркович К.М., 1992; Забела К.А. и др., 2001; СП 108-34-97].
В качестве инженерной защиты водного перехода в русловой и пойменной частях автором предложен вариант укрепления русловой и пойменной частей водотоков с применением гибких защитных бетонных матов УГЗБМ (рис. 2.3.3), которые представляют собой гибкие полотнообразные конструкции из бетонных блоков, соединенных замоноличенными искуственными канатами [ТУ 5859-001-35842586-2004].
Бетонные маты крепятся к поверхности посредством анкеровки металлическими арматурными стержнями, а между собой секции УГЗБМ скрепляются металлическими скобами. УГЗБМ укладываются на слой геотекстильного полотна [ТУ 83 88-002-55208360-2001] с целью предотвращения вымывания из-под них частиц грунта [РД 51-2.4-007-97].
Существует несколько разновидностей УГЗБМ, отличающихся геометрическими параметрами ячеек. Для укрепления русловой части рекомендуется применение УГЗБМ-105 с большей высотой ячеек (рис. 2.3.4). Косвенно, УГЗБМ-105 могут выполнять функцию балластировки трубопровода.
Для укрепления пойменной части применяются более уплощенные УЗГБМ-202. Схемы укрепления русловой и пойменной частей водного перехода для трубопроводов надземной и подземной прокладки представлены на рис. 2.3.5, 2.3.6
Высота укрепления пойменной части с применением УГЗБМ определяется расчетным способом с учетом расчета высоты наката на откос поймы волн 1% обеспеченности по накату [СНиП 2.06.04-82 ].
На рисунке 2.3.5 показана комплексная инженерная защита участка водного перехода, включающая устройство противосуффозионных экранов (вариант ПСЭ-1) на склоновых участках поймы. Подробно мероприятия по защите от суффозии в грунтах обратной засыпки на склонах освещены в разделе 2.8 данной главы.
В качестве сравнительного традиционного решения ИЗ по укреплению склоновых участков поймы рассмотрено берегоукрепление с применением железобетонных плит. Данное решение имеет ряд технических недостатков:
- Укладка ж\б плит весьма трудоемка по сравнению с УГЗБМ, которые возможно закреплять на вершине склона и раскатывать в направлении его падения;
- Необходимо устраивать надежные уступы для упора ж\б плит в русловой части (что требует производства подводных работ), а также обеспечивать песчаную подсыпку под плиты;
- Данное решение неприменимо для защиты трубопровода в русловой части от воздействия донной эрозии;
- В случае резкого понижения уровня водотока, образуется избыточное гидростатическое давление переувлажненного грунта на ж\б плиту, неуравновешенное вследствие исчезновения противодавления воды (даже при использовании плит с перфорацией). Это может привести к деформациям плит, поскольку через их монолитную поверхность не обеспечивается свободная эксфильтрация. В то же время УГЗБМ являются относительно легкой немонолитной конструкцией, лишенной подобных недостатков.
В таблице 2.3.1 приведено технико-экономическое сравнение вышеописанных технических решений по осуществлению берегоукрепления.
Мероприятия инженерной защиты трубопроводов на участках развития термокарста
В рамках данной работы процесс развития термокарста рассмотрен с точки зрения изменения геоэкологической ситуации на участках прокладки подземных трубопроводов с положительной температурой транспортируемого продукта, влияющей на температурный режим многолетнемерзлых грунтов основания.
Термокарст представляет собой процесс неравномерного проседания грунтов вследствие протаивания льдистых многолетнемерзлых грунтов (ММГ) или подземных льдов [Шарапова Т.А., 1990]. В результате этого процесса образуются отрицательные формы рельефа (воронки, провалы и т.п.) (рис. 2.5.1).
Вследствие неравномерности по длине трубопровода осадок многолетнемерзлых, грунтов при оттаивании формируются местные прогибы трубопроводов. В местах изгибов трубопровода происходит концентрация опасных по величине напряжений.
При надземном способе прокладки трубопровода протаивание происходит преимущественно с поверхности. В зависимости от степени дренированности поверхностных условий понижения могут оставаться сухими или заполняться водой. Обычно, в термокарстовых понижениях происходит увеличение мощности снега, что создает условия для развития многолетнего процесса.
На участках прокладки трубопроводов с положительной температурой транспортируемого продукта в многолетнемерзлых грунтах со значительными показателями степеней льдистости [ГОСТ 25100-95] создаются идеальные условия для развития термокарста [Иванцов О.М., 1985; МинкинМА., 2005].
Особо опасными с точки зрения развития термокарста по трассе проектируемого трубопровода можно считать участки, где трубопровод проходит через ММГ сливающегося типа, сложенные сильнольдистыми торфами и льдистыми минеральными грунтами. Чаще всего, под торфами залегают льдистые суглинистые, реже песчанистые грунты, иногда с повторно-жильными льдами.
При выборе трассы для подземных трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах следует по возможности избегать участков с подземными льдами, наледями и буграми пучения, проявлениями термокарста, косогоров с льдонасыщенными, глинистыми и переувлажненными пылеватыми грунтами [СНиП 2.05.06-85 ]. Но, как правило, в связи с достаточно большой протяженностью неблагоприятных участков нет возможности их обхода без изменения генерального направления трассы.
Величина осадок, возникающих в результате оттаивания льдистых отложений определяется в соответствии со [СНиП 22-02-2003].
В строительный период (от 1 до 3 лет) производится укладка трубы (транспортируемый продукт не пускается), что приводит к нарушению естественных условий. Для укладки трубы в грунт вырывается траншея. Минимальная глубина ее составляет 1,5 м - отметка низа трубы (при прокладке на органогенных грунтах - торфяниках - следует осуществлять полную выемку слабых грунтов). Если укладка трубы производится летом в оттаявших грунтах, глубина оттаивания грунтов устанавливается на уровне дна траншеи и на протяжении строительного периода не меняется. Если труба укладывается зимой в замерзшие грунты, то летом грунты оттаивают до дна траншеи, ниже которого сохраняют мерзлое состояние на протяжении всего строительного периода.
В эксплуатационный период (до 30 лет) на участках сильно льдистых ММГ с «теплым» трубопроводом происходит оттаивание грунтов (и их осадка), глубина которого зависит от температуры транспортируемого продукта.
Для защиты от термокарста на участках возможного его развития традиционно применяется следующий комплекс мероприятий, позволяющий не допустить, или существенно снизить протаивание верхних, как правило, наиболее льдистых горизонтов грунтовой толщи [СНиП 22-02-2003;, Научно-технический отчет..., 1994; Проектирование фундаментов..., 2006; Разработка технических решений..., 2007; Long E.L., 1964; и др.]:
- Обеспечение восстановления нарушенного при строительстве растительного покрова (см. раздел 2.6 данной главы);
- Укладка на поверхности грунта теплозащитных экранов (ТЗЭ) [Методические рекомендации..., 2002] и устройство кольцевой теплоизоляции [СП 41-103-2000];
- Установка сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ) [Долгих Г.М. и др., 1991; Долгих Г.М., Окунев В.Н., 2003; Кутвицкая Н.Б., 1990].
- Замена грунта с отсыпкой непросадочных песчаных или гравийно песчаных грунтов. Толщина отсыпки определяется теплотехническим расчетом. Отсыпку необходимо производить в зимний период после промерзания сезонно-талого слоя с послойным уплотнением насыпного грунта. Для уменьшения толщины отсыпки допускается применение теплозащитных экранов и СОУ вертикального и горизонтального заложения, обоснованное теплотехническими расчетами.
- Регулирование стока поверхностных вод (см. раздел 2.9 данной главы), вытеснение воды из термокарстовых понижений путем засыпки их песчаным грунтом с уплотнением и последующей организацией поверхностного водоотведения на данной территории;
- Создание вентилируемых подполий при строительстве зданий и сооружений со значительным тепловыделением [Кутвицкая Н.Б., Дашков А.Г., 1983].
- Препятствие возникновению снегонакопления [Носов В.Л., 1980].
Рассмотрим технические решения основания «теплого» трубопровода на участках распространения многолетнемерзлых грунтов сливающегося типа на примере трассы газопровода «Алтай» [Разработка технических решений..., 2007], разрабатывавшиеся с участием автора.
В пределах распространения ММГ сливающегося типа предполагается прокладка газопровода с положительными температурами транспортируемого газа, которые на выходе из КС Ортьягунская - КС Курайская могут достигать значения плюс 45С.
По данным проведенных прогнозных теплотехнических расчетов в период эксплуатации газопровода с заданными температурами газа на таких участках будет происходить многолетнее оттаивание ММГ. Максимальная глубина оттаивания от нижней образующей трубы, при ее фиксированном положении к концу срока эксплуатации составит 7,6 м. При таком оттаивании тепловая осадка грунтов под трубопроводом может составить 2,27 м. Если положение трубы не будет зафиксировано, то при ее осадке вместе с вмещающим грунтом, абсолютные глубины оттаивания под трубой будут соответственно увеличиваться.
Если территория прокладки газопровода дренирована за счет естественных уклонов поверхности, всплытие газопровода даже при его положительной плавучести маловероятно, в связи с отсутствием воды в траншее. На недренированных участках, ожидается всплытие и обнажение газопровода в результате оттаивания ММГ и последующего их обводнения.
Применение теплоизоляционного слоя вокруг трубы (кольцевая теплоизоляция) позволит несколько уменьшить глубину оттаивания многолетнемерзлых грунтов под трубой. При толщине теплозащитного слоя из экструзионного пенополистирола типа «Пеноплекс» [ТУ 5767-016-56925804-2011] равного 40 мм, глубина многолетнего оттаивания ММГ уменьшается на 1,5 м, что сокращает осадку грунтов на 0,54 м. Увеличение толщины теплозащитной оболочки до 80 мм приводит к дополнительному уменьшению глубины оттаивания на 1,8 м. Таким образом, применение теплоизоляции толщиной 80 мм не предупреждает оттаивание ММГ под трубой, но обеспечивает устойчивость газопровода (значения осадок меньше предельно допустимых).
Для обеспечения проектного положения «теплого» газопровода подземной прокладки на участках с ММГ сливающегося типа необходимо устройство опор с жестким креплением трубы с целью исключить ее подвижки - не только вертикальные (осадка), но и горизонтальные. Крепление трубы к опоре на недренированных участках обеспечивает также стабилизацию положения газопровода от действия выталкивающих сил (от всплытия).
Организация поверхностного водоотвода
При направлении движения поверхностных вод в сторону трубопровода, а также наличии замкнутых пониженных участков рельефа в непосредственной близости от трубопровода необходима организация поверхностного вдольтрассового водоотвода.
Вдольтрассовый водоотвод является универсальным техническим решением, которое применяется для предотвращения развития целого спектра негативных процессов. Водоотведение препятствует возникновению поверхностной эрозии и оврагообразования; морозного пучения и термокарста (в необводненных грунтах риск их возникновения значительно снижается), применяется для осушения грунтов сезонно-талого слоя в целях снижения риска развития солифлюкции.
С этой целью следует применять открытые и закрытые дренажные системы (лотки, канавы, трубы), проектирование которых следует производить в соответствии с [СНиП 33-01-2003; СНиП 2.04.03-85; СНиП 2.06.15-85].
Наиболее целесообразно использование водоотводных канав различных конструкций, которые проектируются в зависимости от расчетного объема поверхностных вод, поступающих на участках трубопровода, подверженных эрозионным размывам.
Традиционно, для крепления откосов открытых дренажных канав рекомендуется использовать бетонные или железобетонные плиты или каменную наброску [СНиП 2.06.15-85]. На практике в настоящее время применяются готовые лотки бетонные, железобетонные и из стальных полутруб.
На практике в настоящее время применяются готовые лотки бетонные, железобетонные и из стальных полутруб.
Основным недостатком подобных конструкций является отсутствие гибкости. Под протяженными монолитными сегментами бетонных и металлических лотков происходит вымывание грунта с образованием промоин, по которым в дальнейшем осуществляется ток воды. Лотки при этом перестают выполнять свою функцию, а далее, по мере размыва грунта под ними, претерпевают деформации вплоть до разрушения конструкции. Предложенные в данной диссертационной работе варианты устройства водоотводных канав запроектированы с использованием материалов с гибкими сегментами, которые сохраняют плотный контакт с грунтовой поверхностью даже в случае размыва под ними и осадки на отдельных участках.
В настоящей диссертационной работе автором предложены два варианта устройства водоотводных канав и лотков с применением современных материалов
В первом варианте водоотводные канавы проектируются с применением плоскостных конструкций из металлической сетки двойного кручения (рис. 2.9.1) типа матрасов Рено [ТУ 1275-016-75957906-2009], заполненной крупнообломочным материалом. Металлическая сетка удерживает крупнообломочный материал от его сноса водным потоком.
Плоскостные конструкции укладываются на дно выемки на слой нетканого геотекстильного полотна (служит для предотвращения вымывания из-под лотка частиц грунта) и\или геокомпозитного материала с гидроизоляцией (в случае необходимости обеспечения 100% гидроизоляции в гидрофильных грунтах). Плоскостные конструкции изготавливаются вручную из сетки двойного кручения, крепление соседних конструкций осуществляется с помощью вязальной проволоки диаметром не менее 3 мм. Конструкции засыпаются крупнообломочным каменным материалом (фракция 70-120 мм, но не более высоты самой конструкции из сетки) металлических труб диаметром 273 мм и дорожных плит ПДН-AV (см рис. 2.9.3).
Сброс отводимых лотками вод осуществляется на пониженные части естественного рельефа. Для предотвращения размыва естественной поверхности в местах сброса воды из канав в месте их выхода на отметку естественной поверхности предусмотрено устройство так называемого гасителя, заполненного щебнем фракции 40-70 мм (рис. 2.9.2).
Во втором варианте водоотводные канавы проектируются открытого типа трапециевидного сечения с использованием универсальных гибких защитных бетонных матов УГЗБМ-202 (рис. 2.9.4). УГЗБМ укладываются (вдоль или поперек) на дно и откосы канавы. УГЗБМ крепятся к грунтовой поверхности посредством анкеровки металлическими арматурными стержнями. Секции бетонных матов скрепляются между собой металлическими скобами - креплениями для бетонных матов. Под бетонные маты укладывается геотекстильное полотно с целью предотвращения вымывания частиц грунта из-под бетонных матов. В качестве гасителя в месте выхода канавы на отметку естественной поверхности предусмотрена дополнительная укладка универсальных гибких защитных бетонных матов УГЗБМ-202. В месте выхода на естественную поверхность глубина канавы сводится на нулевой уровень.
Канавы из УГЗБМ обладают рядом преимуществ:
- возможность создания канав с любым сечением за счет гибкости матов;
- высокие прочностные характеристики самих матов;
- в случае вымывания грунта под ячейками УГЗБМ пустоты под ними компенсируются усадкой матов под их собственным весом.
Помимо описанных выше вариантов конструкций существует также множество альтернативных вариантов устройства водоотводных канав с применением геосинтетических материалов типа геоячеек и георешеток (рис. 2.9.5), современных закрытых бетонных лотков с решетками и пр. Бетонные лотки и стальные лотки из полутруб часто применяются при устройстве внутриплощадочной ливневой канализации.
