Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Методы защиты подводных переходов трубопроводов от размыва 8
1.1. Анализ состояния подводных переходов магистральных трубопроводов 8
1.2. Основные причины аварийных ситуаций, возникающих в результате размыва русла 11
1.3. Методы ремонта подводных переходов трубопроводов на размываемых участках рек 14
ГЛАВА II. Прогнозирование состояния подводных переходов трубопроводов на размываемых участках рек 37
2.1. Существующие методы прогнозирования русловых деформаций 39
2.2. Методы расчета, основанные на теории насыщения потока наносами 45
2.3. Методика расчета глубины заложения трубопровода относительно дна реки 48
2.4. Методика оценки состояния подводного перехода трубопровода 63
ГЛАВА III. Натурные и численные исследования на участке подводных переходов 70
3.1. Состояние подводных переходов через Алешкинскую протоку 70
3.2. Цели, задачи и методика проведения натурных исследований 72
3.3. Результаты натурных исследований 78
3.4. Численное моделирование гидродинамических процессов на участке исследований 90
ГЛАВА IV. Рекомендации по проектированию производства работ и технические решения по защите подводных переходов трубопроводов от размыва 100
4.1. Оценка процесса выноса грунта из тела намыва 100
4.2. Проектирование производства работ по защите подводных переходов от русловых деформаций 106
4.3. Проектные решения по защите от размыва подводных переходов газопроводов через Алешкинскую протоку 113
4.4. Оценка экономической эффективности мероприятий по защите подводных переходов газопроводов от размыва 129
Выводы 130
Литература 132
Приложения 141
- Основные причины аварийных ситуаций, возникающих в результате размыва русла
- Методика расчета глубины заложения трубопровода относительно дна реки
- Численное моделирование гидродинамических процессов на участке исследований
- Проектирование производства работ по защите подводных переходов от русловых деформаций
Основные причины аварийных ситуаций, возникающих в результате размыва русла
Среди возможных причин необходимо выделить естественное переформирование рельефа дна, обусловленное происходящими в реке русловыми процессами (меандрирование русла, образование и движение побочней и осередков, грядовое движение наносов и т. д.), а также прямое и косвенное воздействие на ход русловых процессов. различных гидротехнических мероприятий (таблица 1.2), количественная оценка влияния которых не всегда представляется возможной.
Основными причинами образования провисов и оголений являются ошибки проектирования, некачественное строительство и несвоевременное принятие мер по обнаружению и устранению неблагоприятного развития русловых деформаций в реке на участках подводных переходов.
К характерным ошибкам проектирования подводных переходов относится не учет ряда влияющих на динамику размыва факторов, установленных исследованиями последних лет и не отраженных в нормативных документах: - вынос водным потоком мелких фракций грунта (до 40%) при разработке и засыпке траншей земснарядами (при этом недостающий объем грунта для засыпки траншей восполняется строителями непосредственно из русла реки, что приводит к понижению отметок дна на участке переходов); - разрушение на дне защитного слоя (отмостки) из наиболее крупных фракций донных отложений, десятилетиями формируемого речным потоком. Процесс самовосстановления отмостки, длительностью 5-10 лет и более, сопровождается переформированием состава донных отложений и понижением отметок дна. За период строительства технического коридора подводных переходов газопроводов через р. Обь у поселка Андра отметки дна понизились в среднем на 2,6м за счет выноса мелких фракций грунта и разрушения отмостки. Этот процесс не был учтен при проектировании; - отсутствие достаточно полного учета последствий гидротехнического вмешательства в жизнь реки, осуществленного до строительства подводных переходов (гидроузлы, плотины, водохранилища, мостовые переходы причалы, русловые карьеры и многое другое). В результате снижается качество прогноза русловых процессов на участке подводных переходов, на основе которого определяется линия предельного размыва русла и, следовательно, глубина заложения трубопровода. К вышеперечисленным ошибкам проектирования, в отдельных случаях, можно отнести-использование для прогнозов размыва русла неполных или недостоверных гидрологических данных по реке в зоне проектируемых подводных переходов трубопроводов. Значительное количество оголений и провисов трубопроводов имеет место вследствие некачественного строительства, в основном, за счет работы земснаряда без применения сгущающих пульпу насадок, использования для засыпки траншей грунта из русла реки в непосредственной близости от подводного перехода, недозасыпки, а иногда и отсутствия засыпки траншей, укладки дюкера выше проектных отметок, вследствие недоработки траншеи до проектной глубины или занесения ее наносами. Оголения и провисы дюкеров часто образуются в процессе эксплуатации по причине слабого контроля и отсутствия надлежащих служб на предприятиях, эксплуатирующих многониточные подводные переходы. К основным причинам образования оголений и провисов трубопроводов в период их эксплуатации относятся: - строительство гидротехнических объектов выше или ниже по течению после ввода в эксплуатацию подводных переходов; - разработка русловых карьеров вблизи переходов трубопроводов; - русловыправительные работы на близлежащих к переходам участках реки и другие гидротехнические вмешательства, влияющие на динамику русловых процессов в районе перехода (выше и ниже по течению на расстоянии порядка ста глубин потока); - применение для ликвидации провисов и оголений технических решений, ухудшающих русловую обстановку на участке переходов и нарушающих динамическую устойчивость речного русла. В качестве примера можно привести укладку под провисающими участками дюкера грунтозаполненных контейнеров, которые создают вихревое движение потока при их обтекании и уменьшают поперечное сечение речного русла. В результате зона размыва смещается на нижележащие нитки переходов, а провис ремонтируемого дюкера образуется на другом, не защищенном контейнерами участке. Например, так произошло на подводных переходах через Алешкинскую протоку после ремонта газопровода Уренгой-Ужгород. 1.3. Методы ремонта подводных переходов трубопроводов на размываемых участках рек Методы защиты трубопроводов от русловых деформаций 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. Согласно данным работы [79], «Мострансгаз» используют методы первой группы в 81% случаев капитального ремонта. Защита трубопроводов осуществляется с помощью укладки мешков с цемент-но-песчаной смесью, дополнительного заглубления трубопровода методом подсадки, засыпки трубопровода песчано-гравийными грунтами и камнем. Вторую группу составляют методы защиты с помощью русловыправи тельных сооружений - полузапруд, наносоудерживающих решеток, донных порогов, сквозных шпор.
В настоящее время все более широкое распространение получают методы третьей группы, основанные на креплении береговых склонов гибкими синтетическими материалами, отличающимися друг от друга составом исходных полимеров и способом упрочения волокон.
Основные методы ремонта представлены в таблице 1.3. Рассмотрим эти методы более подробно с целью выяснения достоинств и недостатков их практического применения.
Методика расчета глубины заложения трубопровода относительно дна реки
По такой схеме выправлен Зимне - Пуштинский перекат р.Конды [24]. Полузапруды, намытые землесосом, имели облегченное крепление. Расстояние между ними было выбрано равным критическому. Отметки гребня каждой полузапруды превышали уровень ледохода. Поэтому профиль полузапруд принят распластанным для устойчивости при навале ледяного поля.
После возведения полузапруд межполузапрудные пространства послужили емкостями для отложения наносов, в результате чего у правого берега образовался массивный, высокий и устойчивый побочень. Прежде затруднительный перекат превратился из россыпи в обычный перевал, на котором больше не требуются землечерпательные работы.
Как показала практика выправительных работ, обобщенная в трудах [18, 22, 31, 36, 58, 74, 82, 85] на выбор схемы проведения этих работ оказывает влияние характер руслового процесса, который зависит от гидролого-морфологических условий и выражается в изменениях строения речного рус- -ла и поймы, происходящих под действием текучей воды. Однако, несмотря на различие руслового процесса при свободном, ограниченном и незавершенном меандрировании, это деление схем коренного улучшения судоходных условий на меандрирующих реках целесообразно, поскольку развитие меандр протекает относительно медленно по сравнению со сроком работы выправительных сооружений из грунта. При свободном или ограниченном меандрировании улучшение судоходных условий на извилистых берегах можно осуществлять по схемам, предложенным для рек с побочневым типом руслового процесса. Исключение составляет строительство системы берегозащитных шпор на изгибе ведущего берега.
Система берегозащитных шпор, возведенная у вогнутого берега, вызывает местное изменение режима потока (за каждой шпорой образуются зоны водоворотных вторичных течений) и не только резко замедляет боковую эрозию в половодье, но, наоборот создает условия для отложения наносов в межполузапрудных пространствах. Кроме того, при берегозащитных шпорах получается новая прерывистая пологая форма берега, при которой не опасны большие скорости течения.
Постройка берегозащитных шпор рекомендуется также [6, 22, 25, 29, 75, 79, 82] для предупреждения намечающихся местных размывов ведущего берега (выбоин), что в дальнейшем ведет к образованию мысов и местных уширений русла. Надо учитывать, что берегозащитные шпоры, возводимые в начале появления выбоин, будут иметь небольшие размеры, а затраты получаются незначительными. Если же строительство шпор отложить на более поздний период, то дальнейшее разрушение берега приведет к местным уши-рениям русла, ликвидация которых требует больших расходов.
Особое внимание заслуживает опыт выправления разветвленных русел рек, характеризующиеся высокой степенью сложностью русловых процессов. Разветвленные участки рек выправляют по двум схемам: перекрытием несудоходных рукавов запрудами и устройством наносоуправляющих сооружений. В первом случае происходит перераспределение расхода воды между рукавами, во втором - увеличение глубины достигается отклонением насыщенных наносами донных струй в несудоходный рукав, а осветленных поверхностных - в судоходный.
Основная причина изменения глубин в рукавах - надвижение побочней на приверх острова при перемещении их вниз по течению [85, 86]. Период цикличности зависит от скорости передвижения побочней и величины их шага. Поскольку острова перемещаются вниз по течению реки со скоростью значительно меньшей, последние или проходят транзитом по рукавам, или причленяются к островам.
Побочень оказывает влияние на русловые деформации в рукавах значительно раньше, чем он придвинется непосредственно к узлу разветвления. На расстоянии от места деления на рукава, превышающем в 5-6 раз ширину русла, побочень вызывает заметное увеличение твердого стока в рукавах, расположенных у того же берега. В этих рукавах наносы аккумулируются и они мелеют. При дальнейшем надвижении побочня на остров, наносы перераспределяются в сторону судоходного рукава, который в свою очередь также начинает обмеливать. В несудоходном рукаве, наоборот начинается размыв русла.
Наносоуправляющие выправительные сооружения, возведенные выше деления русла на рукава или у приверха острова, на определенный период локализуют влияние побочней и направляют наносы в несудоходный рукав. Пока побочень ещё не придвинулся непосредственно к приверху острова, его рост и движение можно приостановить, построив наносоуправляющую полузапруду от берега со стороны несудоходного канала. [71, 74, 80]. Если побочень у противоположного берега уже приблизился в приверху острова и оказывает влияние на твердый сток в судоходном рукаве, то возводят встречную шпору от приверха острова [75]. Цель возведения шпоры состоит в том, чтобы частично перекрыть несудоходную протоку и создать условия для аккумуляции наносов в этой протоке.
При проектировании схемы защиты переходов подводных трубопроводов и схемы выправления переходов под ухвостьем острова необходимо исходить из гидравлики потока в районе слияния рукавов, где встречаются течения, направленные под углом друг к другу. Эти течения взаимно оказывают сопротивление и торможение, в результате чего уменьшается транспортирующая способность, происходит аккумуляция наносов и образование перекатов [17, 36, 49, 84, 83]. Режим слияния осложняется ещё и тем, что уклоны свободной поверхности в рукавах неодинаковы вследствие различной их длины, поэтому возникают свальные течения, и динамическая ось потока становится неустойчивой. Чем больше угол между направлениями течения сливающихся рукавов, тем интенсивнее идет обмеление устьевых склонов и сильнее свальные течения.
Численное моделирование гидродинамических процессов на участке исследований
Осаждение частиц крупных фракций во второй зоне сопровождается увеличением кинетической энергии потока, что вызывает эрозию береговых склонов (таблица 2.3). Прогнозируемая величина максимального размыва равна 59 м; измеренные значения горизонтального смещения берегового склона находятся в пределах 41 м А5 55 м.
В третьей зоне направленные деформации отсутствуют: баланс наносов близок к нулю.
Достоинства используемого в данной работе метода расчета русловых деформаций, можно выявить путем сравнения величин деформаций, значения которых даны в таблице 2.3, с данными о русловых деформациях, вычисленными с применением классических методов, в основе которых заложено уравнение транспорта наносов [87, 11, 19, 56].
Как следует из рис. 2.9 - 2.10, на которых изображены карты русловых деформаций, полученные численным моделированием с применением модели Ляхтера - Милитеева, максимальная величина размыва в зоне слияния (зона I) не превышает 0,6 м после прохождения расходов 3% - обеспеченности. Эта величина размыва на порядок меньше прогнозируемых по методу С.С.Медведева величин и полностью (также на порядок) расходится с данными гидрометрических измерений. Объяснить столь значительное расхождение данных моделирования с данными натурных исследований можно, если учесть, что в модели Ляхтера - Милитеева используется уравнение транспорта наносов q = f(V"), где q - расход наносов, кг/с; V - скорость течения, м/с; п - эмпирический показатель степени, зависящий, следуя [59], от механического состава донных грунтов. Зависимость q = f(V") получена для прямолинейных участков рек с довольно простой пространственной структурой потока и поэтому не может быть использована при прогнозировании деформаций русел со сложной плановой конфигурацией к которым принадлежит участок слияния трех проток (рис. 2.3). Указанный выше метод расчета деформаций русла, построенный на использовании расходов редкой повторяемости, может быть использован при прогнозировании максимальных величин русловых переформирований. Однако для своевременного проведения профилактического ремонта подводных трубопроводов требуется определение последовательно изменяющихся во времени значений русловых деформаций, вызванных прохождением ежегодно повторяющимися половодьями (паводками). Для определения этих значений воспользуемся все той же методикой, изложенной в работе [30]. В качестве характерного половодья примем половодье 25% обеспеченности (Q = 2040м3/с). Характеристики течения при прохождении такого половодья по Алешкинской протоке приведены в таблице 2.4. В этой же таблице помещены значения величин, фигурирующих в формулах для расчета русловых деформаций и сами значения этих деформаций. Деформации определялись для двух вариантов: в первом случае механический состав донных грунтов участка технического коридора соответствовал механическому составу естественного ложа реки; во втором - расчет проводился для русла с разрушенной строительными работами отмосткой. Разрушение отмостки привело к увеличению удельного содержания мелких фракций донного грунта. В результате этого коэффициент к\ для мелких фракций ( i 0,01 мм), определяемый из формулы (2.30) значительно уменьшается. Так в зоне I (таблица 2.4) значение этого коэффициента снизилось с 7,7 до 1,43, в зоне II - с 6,9 до 1,15. Из формулы 2.30 следует, что изменения Ц существенно влияют на длину пути насыщения, т.к. эта величина прямо пропорциональна Ц. Поэтому, согласно формуле 2.30, при разрушении отмостки коэффициент к\ для крупных частиц значительно возрастает, а длина пути насыщения потока частицами мелких фракций уменьшается. Действительно, данные таблицы 2.4 подтверждают этот факт: для зоны I величина /001 снизилась с 600 м до 127 м, для зоны II - с 529 м до 211 м, для зоны III - с 544 м до 202 м. Как следует из анализа величин деформаций, помещенных в таблице 2.4, эти значения также значительно отличаются для периода, предшествующего строительным работам, и для послестроительного периода. Особенно велика эта разница для зоны I, где размыв дна после прохождения паводка 25% обеспеченности возрастает в послестроительный период в три раза. В третьей зоне, где строительные работы не проводились, как и ожидалось, размеры деформаций для сравниваемых периодов практически совпали. Данные, помещенные в таблице 2.4, отнесены к окончанию периода прохождения одного характерного половодья. Для определения суммарных величин деформаций за период эксплуатации подводных переходов, необходимо значения деформаций, вычисленных для характерного половодья, умножить на число лет эксплуатации. Строительство подводных переходов через протоку велось с 1982 по 1995 гг. В 2000 г. был проведен комплекс гидротехнических мероприятий, направленных на защиту подводного перехода от размыва. Следовательно, период эксплуатации технического коридора в условиях с нарушенной отмосткой длился 16 лет (1983-1999 гг.). В таблице 2.5 приведены величины прогнозируемых деформаций русла, полученных по методике С.С.Медведева для расходов 25% и 3% обеспеченности, проектные данные института Типроречтранс" и данные инструментальных измерений автора настоящей работы, выполненные им в составе экспедиции АОЗТ "Эконг" в 1999 г.
Проектирование производства работ по защите подводных переходов от русловых деформаций
В качестве объекта исследований нами был выбран подводный переход магистральных газопроводов Октябрьского ЛПУ через Алешкинскую протоку, где к 1999 г. сложилась аварийная ситуация и назрела необходимость в проведении его капитального ремонта.
Технический коридор из 18 ниток пересекает Алешкинскую протоку примерно в 500 м ниже по течению от точки слияния трех проток: Лесная, Няганьпосл и Большая (рис. 2.3). Ниже точки слияния расположена яма размыва, продольная ось которой сориентирована по оси протоки Няганьпосл.
Гидравлический режим в яме аналогичен режиму потока ниже затопленного водослива с широким порогом, где преобладают высокие придонные скорости при наличии сильно развитой продольной и поперечной циркуляции. Наибольшие величины скоростей до 1,0... 1,1 м/с наблюдаются в период подъема, пика и спада паводков, когда протока Лесная, впадающая в протоку Няганьпосл, и сама протока Няганьпосл принимают талые воды с водосброса левобережной части долины. При этом, донные скорости в яме размыва достигают 1,0 м/с.
Существенное влияние на плановое распределение скоростей потока ниже точки слияния трех проток оказывает протока Большая, которая впадает в протоку Няганьпосл под углом 50-60. Под влиянием протоки Большая поток ямы ниже размыва закручивается вокруг горизонтальной оси, направленной вдоль потока, отжимается к левому берегу, усиливая вдоль него размыв дна. В то же время протока Большая при слиянии с протокой Нягынь-посл частично гасит продольную скорость потока в яме размыва.
Как показали результаты приборно-водолазного обследования подводных трубопроводов зимой 1999 г., часть ниток подводных трубопроводов оголилась, в основном в левобережной части русла, а на верхней нитке перехода Уренгой-Ужгород образовался опасный провис, который был ликвидирован при помощи грунтозаполненных контейнеров, уложенных под провисающим участком трубопровода. Однако уложенные контейнеры усиливали размыв нижележащей основной нитки Уренгой-Ужгород.
Одной из основных причин резкого увеличения интенсивности размыва русла на участке подводных переходов является смещение вниз по течению точки слияния проток. По данным наблюдений АОЗТ «ЭКОНГ» точка слияния сместилась вниз по течению на 150-200 м. Соответственно на это расстояние сместилась и воронка размыва за перепадом, в зону которой попали обе нитки ужгородской трассы.
Смещение вниз по течению точки слияния проток произошло из-за образования побочня у левого берега протоки Большая объемом около 500 тыс.м3 и размыва ее правого берега в непосредственной близости от узла слияния проток.
Под воздействием побочня поток в конце протоки Большая сместился к её правому берегу, что вызвало его размыв и отклонение оси потока на участке переходов к левому берегу Алешкинской протоки. Для исправления сложившегося положения на подводных переходах и предотвращения дальнейшего ухудшения их состояния необходимо было провести комплекс русловыправительных мероприятий, включающих создание динамически устойчивого русла. Для определения параметров динамически устойчивого русла необходимо располагать сведениями об уровневом и водном режимах участка реки в районе подводных переходов трубопроводов, а также установить характеристики взвешенных и донных наносов, и величину русловых деформаций. Все эти данные были получены в результате проведения натурных исследований в 1999 г. Целью натурных исследований на участке технического коридора подводных переходов магистральных газопроводов Октябрьского ЛПУ через Алешкинскую протоку в доремонтный (1999 - март2000 г.) период явилось обоснование технических решений и технологии производства ремонтных работ по защите подводного перехода от размыва. В задачи исследований входило: - определение гидравлических и гидрологических характеристик потока, в том числе состава донных и взвешенных наносов; - установление причин неблагоприятного развития русловых деформаций, вызвавших возникновение оголений и провисов на ряде ниток газопроводов; - проверка и уточнение основных положений методики прогноза русловых деформаций и определения безопасности подводных переходов газопроводов. На втором этапе в послеремонтный период (октябрь 2000 — 2001 г.) целью натурных исследований явилась проверка соответствия выполненных работ проектным техническим решениям и подтверждение адекватности принятых технических решений новым гидравлическим характеристикам потока. Характеристики уровенного и стокового режима участка подводных переходов газопроводов получены на основании данных водомерных постов Октябрьское и Белогорье. Перенос расчетных значений уровней и расходов с водомерного поста Октябрьское осуществлен с учетом падения уровней между постом и створом перехода СРТО-Урал равным 0,3. .0,6 м.
