Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Совремаенное соотояние подводных трубопроводов и анализ методов защиты их от размыва 9
1.1. Состояние подводных магистральных трубопроводов на территории Российской Федерации 9
1.2. Анализ существующих методов защиты подводных переходов трубопроводов от размыва 12
1.3. Предлагаемый метод защиты подводных переходов трубопроводов от размыва... 24
1.4. Вопросы проектирования выправления русла реки на участке
подводных трубопроводов и задачи исследований 26
ГЛАВА II. Теоретические предпосылки защиты подводных переходов трубопроводов от размыва 31
2.1. Анализ существующих методов расчета деформаций русел 31
2.2 Современное состояние нормативной базы для проектирования 52
2.3. Основные положения методики расчета русловых деформаций на участке подводных переходов трубопроводов 59
ГЛАВА III. Натурные исследования на участке подводных переходов газопроводов через р.Обь 69
3.1. Задачи и методика исследований 69
3.2. Гидрологический и гадравлический режим потока в реке на участке переходов газопроводов 75
3.3. Режим твердого стока 88
3.4. Деформации речного русла на участке переходов газопроводов 91
ГЛАВА IV. Оценка основных положений предлагаемой методики расчета русловых деформаций 95
4.1. Определение гидрологических и гидравлических характеристик 95
4.2. Выбор зависимости для определения транспортирующей способности потока 97
4.3. Расчет русловых деформаций по предлагаемой методике 101
4.4. Сравнение результатов расчета русловых деформаций по различным методикам 105
ГЛАВА V. Рекомендации по защите подводных переходов трубопроводов от размыва 110
5.1. Гидротехнические мероприятия и основные положения по технологии производства гидромеханизированных работ 110
5.2. Алгоритм расчета русловых деформаций при проектировании защитных мероприятий... 112
5.3. Технология формирования тела намыва и методика расчета.его параметров 115
5.4. Применение результатов исследований для защиты от размыва подводных переходов газопроводов через р.Обь у п.Андра и оценка их состояния после выполнения русловьшравительных работ 117
5.5. Экономическая эффективность предлагаемых мероприятий 128
Выводы 133
Литература 135
Приложение 141
- Анализ существующих методов защиты подводных переходов трубопроводов от размыва
- Основные положения методики расчета русловых деформаций на участке подводных переходов трубопроводов
- Гидрологический и гадравлический режим потока в реке на участке переходов газопроводов
- Выбор зависимости для определения транспортирующей способности потока
Анализ существующих методов защиты подводных переходов трубопроводов от размыва
Методы защиты подводных переходов трубопроводов от размыва можно разделить на 3 большие группы. К первой группе относятся методы, которые нашли широкое применение для экстренного предотвращения аварий, вызванных негативными воздействиями русловых деформаций на подводные переходы трубопроводов. Защита трубопроводов осуществляется с помощью засыпки и укладки мешков с цементно-песчаной смесью, дополнительного заглубления трубопровода методом подсадки, засыпки трубопровода песчано-гравийными грунтами и камнем. Согласно данным работы [48], "Мострансгаз" используют методы первой группы в 81% случаев капитального ремонта. Защита трубопроводов с помощью засыпки и укладки грунто-заполненных контейнеров освещена в трудах [4, 13, 20,42, 59].
В настоящее время все более широкое распространение получают методы второй группы, основанные на креплении береговых склонов гибкими синтетическими материалами, отличающимися друг от друга составом исходных полимеров и способом упрочения волокон.
Третью группу составляют методы защиты с помощью русловыправи-тельных сооружений - полузапруд, наносоудерживающих решеток, донных порогов, сквозных шпор.
Обследование переходов через р.Малая Соня, проведенные в 1985-1988 гг. [42], выявили оголение участка трубопровода длинной 16-20 м в правобережной и средней части русла, ширина которого составляла 40 м. Поэтому в 1989 г. был выполнен ремонт перехода с укладкой мешков, заполненных цементно-песчаной смесью, поверх оголенного трубопровода. Протяженность - полосы крепления по оси трубопровода составила 20 м, ширина полосы -4м при толщине слоя 0,4 м. В 1994 г. был зафиксирован интенсивный размыв у правого берега на участке длиной 15 м, а в 1995 г. также установлено оголение трубопровода до 15 см на участке длиной 6 метров. Повторный ремонт путем укладки мешков с цементно-песчаной смесью спровоцировал размыв русла за креплением и на участках примыкающих к берегам.
Данные обследования перехода через р.Айюва, проведенного в период 1974-1975 гг. показали, что трубопровод оголен у левого берега на участке длиной 10-13 м. После засыпки нефтепровода слоем грунта толщиной до 0,5 м в 1983 г., проведенные обследования его состояния показали, что оголенные участки отсутствуют. Однако при обследованиях, выполненных в 1988-1994 гг., вновь были обнаружены оголенные участки.
Подводный переход трубопровода через р.Меча был подмыт на глубину 1 м, в результате чего образовался провис в пределах всего русла. С целью его устранения было принято решение о создании перемычки из бутового камня в 15 м ниже створа перехода. Однако следующий паводок перемычку разрушил, а высота провисания газопровода над дном увеличилась на 0,5 м. Для ликвидации аварийной ситуации была проложена новая нитка трубопровода в 15 м выше существующего створа с заглублением трубопровода на 0,8 м от существующей отметки дна.
Сооружение подводного перехода трубопровода через р.Керженец привело к активизации процесса размыва дна русла ниже трубопровода, где образовалась яма местного размыва. Участок трубы был укреплен мешками с цементно-песчаной смесью, что вызвало увеличение скоростей потока и дополнительный местный размыв ниже этого сооружения.
Подводный переход из 18 ниток газопроводов через Алешкинскую протоку (р.Обь) нуждался в принятии неотложных мер от неблагоприятного размыва. Как показали результаты обследования подводных трубопроводов, выполненные зимой 1999 г., часть ниток подводных трубопроводов оголи 14 лась в основном в левобережной части русла, а на верхней нитке перехода
Уренгой-Ужгород образовался опасный провис, который был ликвидирован при помощи грунтозаполненных контейнеров, уложенных над провисающим участком трубопровода. Результаты приборного обследования проведённого после прохождения в 1999 г. паводка 7-10% обеспеченности, показали, что применение в качестве средства защиты грунтозаполненных контейнеров привело к размыву нижележащей основной нитки подводного перехода магистрального газопровода (11111) Уренгой-Ужгород. Приведенные примеры показывают малую эффективность ремонта подводных трубопроводов с помощью методов засыпки и укладки мешков (контейнеров). Очевидным недостатком этого метода является возникновение вторичных русловых деформаций в зонах крепления, приводящих в последующем к размыву трубопроводов. Использование крепления береговых склонов для защиты трубопроводов не оказывают влияния на гидравлику руслового потока. Простейший вид крепления - посев трав, который является самым дешевым видом и самым неэффективным, так как в первое время после посева, когда трава ещё не выросла, откос продолжает разрушаться, и вместе с оползающим грунтом уносятся семена и неокрепшие всходы травы. Другой относительно дешевый и недефицитный вид материала, используемый для защиты береговых откосов от размыва - это хворостяные покрытия, обладающие эластичностью и долгим сроком службы при постоянной работе под водой. Однако небольшой срок службы в условиях попеременного затопления и высыхания, плохая устойчивость покрытий против воздействия ледохода привели к тому, что эти покрытия применяются как временные. Самый распространенный вид крепления — каменная наброска, которая при хорошем качестве выполнения работ не требует частого ремонта и выдерживает неравномерную осадку береговых откосов. Экономически целесо 15 образность использования каменной наброски оправдывается при наличии необходимого качества местного, дешевого камня и при достаточно устойчивых грунтах основания, способных выдержать дополнительную нагрузку. Вместе с тем, каменное крепление сравнительно дорогостоящее для защиты русла от размыва. Гравийные покрытия можно применять как для укрепления береговых откосов, так и дна русла реки. Гравийные и галечные покрытия укладывают на откос непосредственно по окончании строительства, так как им не опасна осадка тела сооружения, тщательной планировки откоса не требуется. Следует отметить, что покрытия из гравия и других мелкообломочных материалов менее устойчивы и надежны в защите береговых откосов от размыва текущей водой, волн и ледохода, чем каменные и бетонные. Кроме того, возрастает площадь крепления и объем самого сооружения, так как для устойчивости мелкообломочных материалов на откосах, требуется значительно более пологий откос, чем для покрытия из хвороста и камня. В любых гидрологических условиях можно применять бетонные и железобетонные крепления береговых откосов. Они отличаются высокой прочностью и долговечностью, изготовление элементов бетонных покрытий осуществляется индустриальным способом, при укладке этих покрытий имеется возможность полной механизации работ.
Основные положения методики расчета русловых деформаций на участке подводных переходов трубопроводов
Несомненным достоинством гидроморфологической теории является возможность долгосрочного прогнозирования хода руслового процесса, исходя из обнаруженной тенденции в процессе переформирования речного русла. Смещение меандр в плане, перемещение макро и мезоформ и других надводных образований легко определяется в рамках гидроморфологического подхода. Однако определить деформации, происходящие в самом русле, вследствие перемещения русловых форм и изменения кинематической структуры течения, с помощью методов гидроморфологического подхода невозможно: гидроморфологическая теория не содержит ни одного уравнения для описания механизма движения водного потока в реках.
Между тем вся нормативная база для прогноза русловых переформирований на участках подводных переходов трубопроводов основывается на методах, разработанных в рамках гидроморфологического подхода. Ограниченные возможности этого подхода приводят, или, точнее, уже привели к тому, что огромное количество трубопроводов, пересекающие водотоки, находятся в аварийном состоянии.
Положение значительно усугубляется при больших объемах земляных работ, выполняемых в период строительства подводных переходов.
Масштаб строительства по отношению к масштабам реки и масштабам времени, на первый взгляд, крайне невелик. Так длина средней по величине реки измеряется сотнями километров, а однониточныи подводный переход вдоль направления осредненного течения имеет размеры десятков метров. Река вырабатывает профиль динамического равновесия за тысячелетия, создает ландшафтные элементы меженного русла (поймы, излучины) за столетия, осередки, побочни за десятилетия, а строительство подводного перехода осуществляется за 2-3 месяца. Таким образом, казалось бы, техническое воздействие на водоток при строительстве подводного перехода можно характеризовать как незначительное, что и нашло свое отражение в классификации инженерных сооружений по степени их воздействия на русловой процесс, приведенной в ВСН 163-83.
Согласно этой классификации все инженерные сооружения в руслах рек подразделяются на активные и пассивные. Последние не оказывают, никакого влияния на ход русловых процессов и поэтому эти процессы можно прогнозировать по методам гидроморфологического подхода, не учитывая последствий строительства. Следуя этой классификации, подводные переходы трубопроводов отнесены к классу пассивных сооружений.
К сожалению, в большинстве случаев вмешательство в русловой процесс оказывается настолько значительным, что нарушаются веками установившиеся причинно-следственные связи. Доказательством тому служат огромные инвестиции, направляемые на капитальный ремонт трубопроводов.
В работах [44, 47, 48] названы основные причины, вызывающие значительные отклонения русловых деформаций от прогнозируемых - изменение физико-механических свойств грунтов в теле траншеи и разрушение отмос-тки на участке строительства, дополнительные выемки грунта в ложе русла, влияющие на ход руслового процесса.
Физико-механические свойства грунта, извлеченного из тела траншеи и вновь используемого для засыпки, существенно отличаются от первоначальных. Одна из причин этого отличия состоит в том, что в естественных уеловиях речной аллювий содержит большое количество органических и минеральных соединений, которые придают донным формам дополнительную прочность [48]. При разработке и засыпке траншеи из грунта вымываются пылеватые и глинистые частицы и органические вещества. Прочность грунта по отношению к размыву снижается. Однако при проектировании в расчетах на устойчивость, заносимость, размываемость используются физико-механические свойства естественных грунтов.
Таким образом, можно сделать вывод, что в рамках гидроморфологической теории невозможно учесть деформации речного русла вследствие нарушения физико-механических свойств грунта, а следовательно, методы расчета русловых переформирований, изложенные в нормативной базе, могут быть применены только после восстановления состава грунтов отмостки и отметок дна, имеющих место до строительства перехода.
Одновременно с ростом интенсивности эрозионных процессов в русле реки на участках переходов наблюдается увеличение интенсивности береговых деформаций по сравнению с интенсивностью размыва берега в случае естественного хода руслового процесса. Это связано с нарушением рельефа на пойме при строительстве подводных переходов, которое выражается в ликвидации растительности на полосе примерно 100 м, срезки положительных форм и засыпке отрицательных.
В меженный период подобные вмешательства в экологию реки не вносят реальных последствий для динамической системы русло-пойма. Однако в период высоких вод (половодье, реже паводок) нарушения антропогенного характера могут существенно исказить динамику взаимодействия потоков в русле и на пойме и привести к нежелательным для экологии реки и для надежности трубопровода последствиям.
В настоящее время известны работы по типизации взаимодействия руслового и пойменных потоков [4].
Для первого типа характерна параллельность осей руслового и пойменного потоков. При этом типе взаимодействия потоков создаются дополнительные сопротивления за счет возникновения вихрей с вертикальной осью вращения и их смещения согласно закона Кутта-Жуковского в сторону потока, движущегося с большей скоростью, т.е. в сторону руслового потока. Образование вихрей, их перемещение, передача части энергии от потока русла пойменному потоку сопровождается общей потерей энергии. По отдельным оценкам снижение пропускной способности может достигать 10%.
При втором типе взаимодействия руслового и пойменного потоков характерно расхождение векторов динамических осей. Пропускная способность русловой части может возрастать или убывать, в зависимости от топографии конкретного участка. Этому типу взаимодействия, как правило, сопутствует расширение долины вниз по течению реки.
Третий тип взаимодействия сопровождается схождением динамических осей руслового и пойменного потоков, при этом геометрические оси русла и поймы могут быть, как и при втором типе параллельными или непараллельными. При третьем типе массы пойменного потока поступают в русловую сеть под разными углами, что приводит к торможению последнего и уменьшению его пропускной способности. По разным оценкам это уменьшение может достигать 50% и даже более. Данный тип взаимодействия возникает, как правило, на участках сужения долины и поймы вниз по течению реки. Наиболее распространенным в природе является четвертый тип взаимодействия руслового и пойменного потоков, так как этот тип наблюдается, как правило, на реках, на которых имеет место меандрирующий тип руслового процесса. Этот тип взаимодействия потоков как бы обобщает три предшествующих. На самом деле, при углах 0 а 50 в зависимости от характера изменения ширины долины и поймы отмечается тип взаимодействия руслового и пойменного потоков, аналогичный либо второму (расширение поймы) либо третьему (сужение поймы) типу.
Гидрологический и гадравлический режим потока в реке на участке переходов газопроводов
Для определения транспортирующей способности потока и длины пути насыщения необходимо располагать сведениями о значениях концентрации взвешенных наносов и фракционном составе размываемых грунтов. Для проведения сравнительного анализа состояния донных грунтов и состава взвешенных наносов были собраны сведения для участка реки на водпосту Бело-горье (табл.3.3-3.4) и изучен гранулометрический состав донных отложений в створе перехода по данным измерений, проведенных в 1989 и 1999 гг. (см. табл. IV. 1—IV.4 приложения IV).
Наблюдаемая картина распределения фракционного состава донных отложений вполне соответствует распределению скоростей течения в зим-нюю межень. Отклонения, видимо, вызваны распределением грунта по рельефу существующих гряд. Там, где наибольшие скорости течения фиксируются длительный период времени (фарватер), наблюдается повышенное содержание крупных фракций (до 90%). Там, где скорости течения уменьшаются (левый берег в пределах коридора подводных переходов, левый берег о.Низямский, обе стороны осередка, берега о.Безымянный), возрастает относительное содержание мелких фракций.
Фракционный состав грунта в период паводка (июль 1999 г.), свидетельствует о возрастании процента крупных фракций. Кроме того, прослеживается заметное перераспределение крупных и мелких фракций грунта вдоль всех гидростворов. Так, в результате размыва правого берега начинает расти процентное содержание крупных фракций грунта, особенно фракций с диаметром большим 0,25 мм.
Анализ фракционного состава донных отложений, отобранных в створах №1-3, показал также, что на участке перехода практически отсутствуют мелкие фракции с диаметром частиц d 0,01 мм (см. табл. IV.2—IV.4 приложения IV и рис.3.13). Диаграммы распределения донных наносов по фракциям получены для каждого створа с помощью осреднения процентного содержания фракций на вертикалях. Диаграммы дают наглядное представление о структуре донных грунтов на участке подводного перехода газопроводов. Если воспользоваться формулой (2.31), то можно вычислить минимальную гидравлическую крупность донных отложений, значения которой в гидрометрических створах колеблется от 18,1 мм/с до 33,0 мм/с. Такой гидравли-ческой крупностью обладают мелкие пески с размерами зерен от 0,15 мм до 0,5 мм. Как следует из анализа диаграмм, изображенных на рис.3.13, доля частиц диаметром d 0,5 мм в донных отложениях на изучаемом участке довольно значительна (92-98%) и способствует высокой интенсивности русловых процессов.
Как следует из анализа данных (см. табл. IV.2—IV.4 приложения IV), в створах №2 и №3 не обнаружены мелкозернистые фракции диаметром d 0,05 мм за исключением правобережной зоны, где отмечено присутствие частиц диаметром 0,050 мм d 0,005 мм. В створе №1, где строительные работы не проводились, структура естественной отмостки сохранилась: анализ проб свидетельствует о присутствии в составе донных грунтов мелкозернистых фракций. На фарватере и в областях русла близких к нему, структура естественной отмостки значительно изменена. Так, на вертикалях: 15 (створ №2) и 3, 4 и 6-10 (створ №3) - не обнаружены фракции с диаметром d 0,10 мм. Мелкозернистые фракции были зафиксированы в донных отложениях левобережной части русла, где как показали измерения скоростей, существует зона со слабоинтенсивными гидродинамическими процессами. Следовательно, восстановление структуры разрушенной строительными работами отмостки начинается с зон со слабоинтенсивными гидродинамическими процессами.
Результаты, полученные в ходе натурных исследований полей мутности свидетельствуют о наличии в динамической структуре руслового потока долгопериодных флуктуации, осложняющих выявление каких-либо законо-мерностей. Однако изучение режима движения взвешенных наносов и их распределения по поперечному сечению в створах участка перехода (см. рис.3.14 и рис.УЛ и V.2 приложение V) было крайне необходимо для проверки основных теоретических положений принятой методики расчета русловых деформаций.
Изучение русловых переформирований проводилось на основе данных, полученных в период изысканий и выполненных нами исследований.
Размеры деформаций определялись с помощью сравнения русловых съемок, выполненных институтом Типроречтранс" [58], в 1967, 1986 и 1989 гг. и съемок, проведенных в период исследований в 1999 г. Объем размыва определялся по совмещенным поперечникам (рис.3.15 и pnc.VI.l—VI.3 приложения VI). На поперечных сечениях были выделены зоны размыва и зоны заиления, для которых были вычислены соответствующие объемы.
За период с 1967 г. по 1981 г. в створе №1 в левой части русла произошло заиление примыкающей к пойменной части береговой полосы шири-ной 450 м. Максимальная высота тела заиления составила 4,5 м.
Выбор зависимости для определения транспортирующей способности потока
Сравнение расчетных и измеренных деформаций свидетельствует о достаточной для инженерных целей точности предлагаемой методики, на что указывает практически совпадение максимальных расчетных и измеренных значений понижений отметок дна во второй и третьей зонах. Так, расчетные значения эрозии в области фарватера достигают 8,36 м, в то время как наблюдаемые значения составили 8,00 м; в правобережной зоне соответствующие деформации также практически совпали: 6,50 м и 6,38 м.
На достоверность методики указывает и сравнение площадных характеристик размыва: наблюдаемая аккумуляция наносов в левобережной зоне соответствует приращениям донных отложений, полученных расчетным путем; а эрозионные процессы, зафиксированные на фарватере и в правобережной зоне, соответствуют тенденции размыва дна, выявленной при проведении расчетов.
В общем случае прогноза процесса переформирования русла, когда самовосстановление структуры отмостки идет без вмешательства инженерной техники, предлагаемую методику следует применять совместно с методикой, изложенной в [70], так как после образования отмостки, русловые процессы развиваются по законам естественного переформирования русел. На совместное использование обеих методик указывают существенные отклонения между расчетными и измеренными значениями AZ и АВ в левобережной части русла. В этой зоне в период наблюдений развился побочень, который, впо 105 следствии был отторгнут от левого берега с последующим образованием протоки. Такой прогноз хода русловых процессов, предлагаемая методика осуществить не сможет, впрочем, как и любая другая известная методика, основанная на балансе наносов или разности транспортирующих способностей. Процесс переформирования русловых форм и их динамики можно прогнозировать только с помощью разновременных съемок русла, которые необходимо выполнять после строительства подводных переходов трубопроводов в течение всего периода эксплуатации. Только при данном условии можно выявить негативное развитие хода русловых процессов, вмешаться с помощью технических средств в это развитие и предотвратить аварийные ситуации.
Результаты расчетов указывают также на обязательное выделение на участке зон с различными гидродинамическими процессами. Действительно, осредненные по всему участку значения глубин, скоростей, отметок дна приводит к серьезным ошибкам прогнозирования русловых деформаций. Так, следуя данным, показанным в таблице 4.4, величина размыва, полученная посредством осреднения расчетных величин для всего участка, существенно отличается от наблюдаемых размывов в створах № 1, №2 и №3. Она близка к проектной величине эрозии дна, равной 2,5-3,0 м, в то время как по данным измерений она составляет 8,0 м (II зона). Это лишь еще раз подчеркивает несовершенство существующей нормативной базы и необходимость учета гидродинамических особенностей различных зон участка перехода подводных трубопроводов при проектировании.
Оценку предлагаемой методики расчета возможно установить посредством сравнения данных измерений деформаций с расчетными вычисленными по предлагаемой и существующим методикам и прежде всего, с использованием методов, изложенных в нормативной литературе (ВСН 163-83).
Согласно положениям этого документа для прогнозирования русловых деформаций необходимо установить тип руслового процесса. Анализ данных гидрометрических измерений показал, что на участке перехода преобладает русловая многорукавность осередкового и островного типов. Русловая многорукавность представляет собой особую линию развития ленточногрядового типа руслового процесса, которая возникает в условиях резкого увеличения объемов переносимых потоком наносов. Перегрузка потока наносами приводит к образованию осередков, при этом происхождение осередков на данном участке нередко связано с отторжением побочней от берегов и образованием проток. Один из таких крупных побочней объе-мом около 2,5 млн.м образовался в начале 80-х годов ме«сду о.Безымянный и о.Низямский (см. рис.3.1). Оба острова представляют собой результат разрастания осередков, имеют овальное очертание. Близость расположения этих форм русла создает благоприятные предпосылки к их тесному взаимодействию и значительно усложняет прогноз деформаций. В протоках между островами и линией берега, в свою очередь, могут развиваться процессы различных типов, в том числе ленточногрядовый, побочневый и меандрирова-ния. На участке между островами имеет место сильно развитая поперечная циркуляция, вследствие чего и произошло образование вышеупомянутого побочня, имеющего в плане серповидное очертание.
В 1984-1989 гг. побочень оторвался от левого берега и между ним, и линией берега образовалась протока. Смещение побочня-осередка направлено в сторону фарватера, а продольная составляющая смещения практически отсутствует. Сужение руслового течения смещающимся к центру русла осередком привело к увеличению скорости течения на фарватере в 1,2-1,5 раза в период прохождения волн половодья. В результате в центре потока был зарегистрирован размыв дна - отметки русла понизились на 7,0-7,5 м и подвод-ные переходы оголились.
Образование протоки вызвало размыв левого берега. Полоса размыва левого берега протянулась на 600 м вниз по течению от створа перехода, а линия берега сместилась в сторону поймы за период 1981-1989 гг. на 100-150 м с понижением отметок поверхности на 10 м. Таким образом, наличие групповых мезоформ, интенсивные деформации дна, вызванные смещением фарватера и поперечное смещение осередка свидетельствуют, что на участке перехода имеет место русловая многорукав-ность осередко-островного типа.
Прогнозирование деформаций при русловой многорукавности начинается с определения скорости перемещения затопляемых мезоформ речного русла. Скорость перемещения определяется по формуле [70]:
