Содержание к диссертации
Введение
1. Критический анализ работ, посвященных борьбе с оползневыми явлениями и строительству магистральных трубопроводов в сложных горно-геологических условиях 6
1.1. Состояние проблемы строительства, эксплуатации и диагностики газопроводов в горных условиях 6
1.2. Характеристики грунтов в районах прохождения трасс газопроводов и современное состояние противооползневой защиты 8
1.3. Аварийность газопроводов и. анализ факторов, её вызывающих 13
1.4. Цель и задачи исследований 19
2. Экспериментальные исследования взаимодействия трубы с грунтом в условиях смещения основания трубопровода 20
2.1. Постановка задачи 20
2.2. Приборы и оборудование для изучения физико- механических свойств грунтов и свойств материала газопровода 22
2.3. Создание экспериментального стенда для изучения взаимодействия трубы и грунта основания 25
2.4. Методика проведения исследований 31
2.5. Результаты исследования взаимодействия
трубы газопровода с грунтом основания 38
3. Исследования устойчивости трубопроводов на оползневом участке 46
3.1. Постановка задачи 46
3.2. Анализ грунтов и пород оползневого участка трассы газопровода Майкоп-С амурская -Сочи 48
3.3. Методы и особенности расчёта на устойчивость трубопроводов на оползневых участках 56
3.4. Результаты расчёта устойчивости участка газопровода ООО «Кубаньгазпром» 60
4. Разработка методов защиты трубопроводов при их строительстве в сложных условиях 73
4.1. Методы и средства повышения несущей способности грунтов на оползневых склонах 73
4.2. Новые решения по защите магистральных газопроводов от оползней с применением поворотно-осевого компенсатора 76
5. Результаты внедрения разработанных методов защиты конструкции газопроводов от оползней 81
5.1. Система долговременных геодезических наблюдений за оползневыми участками магистральных газопроводов 81
5.2. Контроль напряженно-деформированного состояния газопровода на потенциально опасных участках 87
5.3. Контроль состояния грунта на оползневых участках 94
Заключение 96
Список использованной литературы... 100
Приложение
- Характеристики грунтов в районах прохождения трасс газопроводов и современное состояние противооползневой защиты
- Приборы и оборудование для изучения физико- механических свойств грунтов и свойств материала газопровода
- Анализ грунтов и пород оползневого участка трассы газопровода Майкоп-С амурская -Сочи
- Новые решения по защите магистральных газопроводов от оползней с применением поворотно-осевого компенсатора
Введение к работе
Российская Федерация является крупнейшим экспортером газа. Транзит добытого газа осуществляется по системе магистральных газопроводов, общая длина которых на сегодняшний день составляет около 200 тыс. километров. Существование газовой отрасли невозможно без строительства новых и реконструкции старых газопроводов, их технического перевооружения и модернизации. Эффективность работы газопровода напрямую зависит от его аварийной опасности, поэтому снижение данного показателя остается наиболее важной проблемой при транспортировании газа по системе магистральных газопроводов. Правильный выбор конструктивных решений, проведение инженерных изысканий в полном объеме и применение новых технических средств дает возможность существенно снизить или полностью исключить возможность возникновения аварии.
Снижение аварийной опасности при эксплуатации магистральных газопроводов занимает одно из ведущих мест по своей значимости и экономическим затратам. Поэтому в настоящее время большое значение приобрела проблема снижения эксплуатационных затрат, связанных с ремонтно-восстановительными мероприятиями и капитальным ремонтом газопроводов.
Характеристики грунтов в районах прохождения трасс газопроводов и современное состояние противооползневой защиты
С геологической точки зрения оползнем называется исторический процесс, в ходе которого происходило постепенное накопление осадочных пород на склоне, сложенном из коренных пород. Этот процесс сопровождался также частичным разрушением верхнего слоя коренных пород, и обломки породы перемешивались с глинистым и суглинистым связующим. Оползни можно условно подразделить на несколько групп по внешнему виду: узкие или широкие, мощные или поверхностные, с кругло-цилиндрической поверхностью скольжения или с криволинейной. В теле большого оползня могут находиться, так называемые, «ложные» оползни (рис.1.2.а). При отсутствии удерживающих сил, оползень активизируется (рис. 1.2.б). По положению к оси газопровода оползни делятся на продольные и поперечные (рис. 1.2.в, [13]). Активизация продольных оползней, как правило, не приводит к разрушению газопровода, так как грунт имеет возможность проскальзывать вниз по трубе и наблюдается эффект самокомпенсации трубопровода. Поперечные оползни обычно проявляются в ложбинах между двумя водоразделами и водотоком в нижней своей части, перпендикулярно или под некоторым углом направлены к оси трубопровода и являются наиболее опасными при эксплуатации газопровода в горной местности.
Согласно статистике аварий и документам о ликвидации предаварийных ситуаций оползневые явления наиболее часто встречаются на газопроводах Майкоп - Самурская - Сочи, Курчанская - Анапа, Краснодар - Крымск. На газопроводе Курчанская - Анапа (0 530 и 325 мм) в 1998 году были проведены работы по капитальному ремонту оползневого участка. На газопроводе Краснодар - Крымск (0 530 мм) в результате активизации оползневых процессов повреждены участки длиной 200метров. Вдоль трасс обоих газопроводов имеется более 30 балок, каналов и ручьев, склоны которых сложены малосвязными грунтами с большим содержанием щебня и гальки. На газопроводе «Майкоп - Самурская - Сочи» (0 720мм) в 1998 году были проведены работы по ликвидации аварий на трех оползневых участках. Общая сумма затрат на эти работы составила более 1 млн. руб. На участке МГ «Самурская - Сочи» имеется несколько площадок, на которых сложилась предаварийная ситуация. Сейсмичность в районе газопровода колеблется от 8 до 9 баллов в зависимости от характеристик грунтов основания.
В качестве противооползневых мероприятий применялись: буронабивные сваи и переукладка трубы в надземное положение с устройством скользящих опор (Лазаревская ЛЭС), установка дополнительных опор под провисший надземный участок газопровода и уполаживание склонов (Черноморская ЛЭС).
Необходимо отметить, что противооползневая защита, практикуемая последние десятилетия свидетельствует об ошибочности формальных подходов к решению задач по борьбе с оползнями. Необходим большой объем данных о геологических условиях трассы, тщательное выявление границ оползня, определение его формы и линии скольжения, а также полный комплекс исследований пород, слагающих оползневой участок. Особенно сложны для анализа "первичные оползни", не имеющие ярко выраженной линии скольжения. Развитие поверхности скольжения в толще склона происходит в условиях постепенного перенапряжения грунта под действием осадков, грунтовых вод и динамических нагрузок (транспорт и сейсмические толчки). В связи с этим, использование коэффициента запаса устойчивости, как основного аргумента при разработке тех или иных мероприятий по защите склона, не дает возможности оценить их эффективность и повысить надежность газопровода. Так с одной стороны, предъявляемые требования к грунту основания трубопровода ($Изап 1) не учитывают возможность его подвижек, несмотря на проведение противооползневых мероприятий. С другой стороны изменение ситуации на оползневом склоне (вырубка леса, изменение направления потоков грунтовых вод, сильные ливни и снегопады и т.п.) часто ведет к уменьшению рассчитанного коэффициента запаса устойчивости и к подвижке оползня. Если рассматривать оползневой берег реки, то при изменении водного режима (ледоход, паводок) или положения русла, коэффициент запаса устойчивости необходимо постоянно корректировать с учетом всех влияющих на оползень факторов. Отсюда вытекает вопрос о корректности данного коэффициента и необходимости его использования при разработке противооползневых мероприятий.
При определении несущей способности грунта следует использовать коэффициент запаса прочности в каждой точке массива [1]:
Реальное использование данного коэффициента возможно при использовании в составе буровой колонны «крыльчатки» при выполнении геологических изысканий на оползневом склоне. Однако, наличие гравия и щебня в породе затрудняет применение данного устройства. Здесь возможно применение компьютерного моделирования оползневых процессов, но существующие математические модели оползня предусматривают статический метод расчета устойчивости склона без учёта динамически изменяющихся условий развития оползневых процессов.
Главными стимулирующими факторами активизации оползневого процесса являются подрезка склона строительными машинами, изменение русла и уровня воды в реке у подножия оползневого склона и отсутствие водоотводных траншей и нагорных канав при явных эрозионных процессах на склоне. Особую опасность представляют грунтовые воды (верховодки), которые могут менять направление движения и облегчать скольжение оползневой массы грунта вниз по склону. При этом они насыщают массив грунта водой и ухудшаю сцепление грунта в зоне скольжения. Борьба с ними чрезвычайно сложна и сопряжена с большими затратами, что повышает стоимость транспортируемого продукта.
Вдоль трассы строящегося магистрального газопровода «Россия - Турция» имеется около 10 активных оползневых участков. Большинство этих участков сложены аргиллитами различной степени прочности и трещиноватости. Отличительной особенностью аргиллитов является способность резко снижать прочность при замачивании. Поэтому при производстве земляных работ необходимо не допускать замачивания коренных пород.
Приборы и оборудование для изучения физико- механических свойств грунтов и свойств материала газопровода
На сегодняшний день существует большое количество методик и средств измерения механических характеристик твердых тел, однако они имеют массу ограничений и возможность их применения определяется свойствами изучаемых твёрдых тел [17]. Грунт, являясь сложной механической системой, в свою очередь состоит из упругих и пластичных элементов (заполнитель и связующее). Они взаимодействуют друг с другом с образованием упруго-пластических связей. Такие связи имеют характерные электромагнитные и акустические параметры, определяя которые можно анализировать состояние грунта. Современные методы инженерно-геологических изысканий базируются на использовании сейсмо-акустического зонда [32], позволяющие решать задачи оценки прочности и водонасыщенности грунта. Звуковая волна, проходя и отражаясь от поверхностей раздела упругих и пластичных элементов, принимается сетью пьезоэлектрических датчиков. Сравнивая скорости прохождения звука через слои грунта, строится карта и профили строения геологической среды. Такие системы нашли применение и в практике предупреждения активизации оползневых процессов [31]. При существенном увеличении амплитуды и количества «щелчков», можно говорить об образовании сети магистральных трещин внутри грунта и о скорых подвижках оползневого грунта. Однако, такие системы имеют рад существенных ограничений: сложность и высокую стоимость обслуживания оборудования; необходимость бурения новой скважины после активизации оползня и деформации ствола скважины, высокая вероятность влияния случайных помех (работа машины, шаги людей) на оценку активизации оползня.
Для оценки механических свойств стальных трубопроводных конструкций также нашли применение акустические методы [11]. Наиболее современным методом в этой области является акустическая эмиссия, базирующаяся на регистрации шумов при возникновении и развитии магистральных трещин в нагруженных конструкциях. Данный метод хорошо зарекомендовал себя при обследованиях ядерных реакторов, газового и нефтяного оборудования и технологических трубопроводов малой протяженности. Для подземных магистральных газопроводов метод имеет ряд существенных ограничений: Сложность и высокая стоимость обслуживания оборудования; невозможность определения напряжений и пластических деформаций в стенке подземного газопровода; необходимость изменения давления транспортируемого газа на участке обследования.
Кроме того, в настоящее время имеются возможности применения [44]:
1. электромагнитных датчиков и спектрозональной космической съемки для слежения за пространственным положением трубопровода;
2. комплексного контроля состояния газопровода с помощью датчиков струнного типа и датчиков давления (мездоз) для контроля НДС и измерения давления грунта.
В 2000 году были выполнены сравнительные измерения абсолютных напряжений на выходном трубопроводе пылеуловителя с помощью тензорезисторов, ультразвуковых приборов, амплитудно- фазочастотного и магнитошумовых приборов. По результатам сравнительных замеров наименьшая погрешность по отношению к показаниям тензорезисторов (40%) получена магнитошумовым прибором З еББсап. Данный прибор является штатным оборудованием при определении аномалий НДС на технологических трубопроводах компрессорных станций.
Таким образом, на сегодняшний день ни один прибор не может быть инструментом измерения, а является лишь индикатором напряжений. Поэтому, лишь применяя группу методов, включая расчётный, тензометрический и приборный, можно определить реальные напряжения на оползневом участке трубопровода.
Для построения адекватной модели подземного трубопровода, нагруженного распределенной нагрузкой от смещающегося грунта, разработан и изготовлен экспериментальный стенд. Данный стенд позволяет проводить изучения характера взаимодействия грунта и конструкции трубопровода.
Стенд представляет собой центральный скользящий лоток (1x3м) на шарикоподшипниковых опорах, наклонённый к горизонту под углом 33 (рис. 2.3.1). К нему примыкают с обеих сторон неподвижные лотки (1,5x1м). Общие габариты стенда составляют 5x1,5м. Перемещение скользящего лотка осуществляется с помощью механического домкрата грузоподъемностью 3000кг. Полный ход лотка составляет 26 см.
На стенде моделируется реальный оползень мощностью 6 метров и размерами 50x100 метров. Из условия подобия натуры и модели нагрузки и трубопровода принят масштабный коэффициент 1:14. При выборе масштабного коэффициента были также учтены возможности изготовления. Стенд заполняется грунтом, который адекватно воспроизводит контакт газопровода с оползневым массивом. Для этих целей выбран песок средней фракции, который смешивается в пропорциях 1:0, 3:1 (по объему) со щебнем мелкой фракции (5-20мм), и засыпается слоем 40 см по всей поверхности стенда (5x1,5м).
Анализ грунтов и пород оползневого участка трассы газопровода Майкоп-С амурская -Сочи
Для проведения расчётов необходимо знать нагрузки от оползневого массива грунта и его прочностные характеристики. С этой целью приведены конкретные материалы изысканий, выполненные на трассе газопровода Самурская - Сочи за период 19972002 год. В основном трасса представлена оползнями с криволинейной поверхностью скольжения, большим содержанием гравия и валунов (до 40 %) и удлинённой в плане формой (/ Ь) (рис. 1.2.1 .,табл. З.2.1.).
Большинство оползней склонны к мгновенному срыву из-за больших углов наклона (а=30-50) и крайней неоднородности по своей структуре (табл. 3.2.1). Это подтверждается статистикой аварий, большинство которых связано с резкой активизацией оползающих масс грунта в период дождей и подъема уровня воды в горных реках.
При ликвидации предаварийных ситуаций на магистральном газопроводе Майкоп - Самурская - Сочи в 2002 году были проведены замеры фактических смещения оползней, которые достигали 30-50 см в день (приложение 3).
Как предварительное обследование, так и более детальные изыскания на 12-ти участках газопровода, сосредоточенных в основном на участке, обслуживаемом Лазаревской ЛЭС, показали, что основной причиной аварийных и предаварийных ситуаций на газопроводе являются неблагоприятные физико-геологические процессы (оползни, обвалы, боковая и донная речная и балочная эрозия, выветривание и плоскостной смыв на крутых склонах). Особенно интенсивно эти процессы проявились в последние годы, когда за более чем двадцатилетний период эксплуатации газопровода проектный и строительный запас прочности на многих участках исчерпал себя. В этой связи следует отметить, что почти на всех исследуемых участках при строительстве не были выполнены все проектные решения, обеспечивающие устойчивость газопровода в довольно сложных инженерно-геологических и климатических условиях Кавказского Причерноморья. Геоморфология
В геоморфологическом плане трасса пересекает несколько геоморфологических элементов первого порядка (предгорье и горный массив Большого Кавказа) и несколько десятков геоморфологических элементов второго и третьего порядков (террасы крупных горных рек, щели и долины мелких). Рельеф местности, как мелко и высокогорный, эрозионно-денудационных форм, не ровный, с уклоном к северу на начальном этапе и к югу на значительном протяжении. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 270 до 2200 м.
В геоморфологическом отношении большинство склонов приурочено к бортам долин рек и ущелий с периодическим стоком воды. Естественный рельеф часто изменен при прокладке основного газопровода, производится частая вырубка кустарника и деревьев. В геологическом строении принимают участие врехнеплейстоцен- голоценовые отложения оползневого генезиса (с!р Ош О и современными техногенными отложениями. Техногенные и насыпные грунты представлены отсыпками строительного мусора и суглинками темно-бурыми с включением дресвы, песчаника, аргиллита, мергеля.
Оползневые отложения распространены по всей территории с поверхности, максимальная вскрытая мощность 13м. Расчётное сопротивление грунтов составляет 100 кПа, модуль деформации - 7МПа.
Геолого-литологическое строение и гидрогеологические условия Исследованная территория располагается в пределах юго- западной приморской и горной частей Кавказской гидрогеологической складчатой области, общие геолого-гидрологические закономерности обусловлены геолого-структурными условиями и своеобразной историей геологического развития этого региона.
Применительно к исследованной территории эти основные закономерности выражаются в следующем: I. Развитые в пределах района геологические образования по характеру обводненности весьма четко делятся на две группы: маломощный чехол четвертичных и плиоценовых отложений и мезокайнозойскую толщу, сложенную осадками флишевой (флишоидной) морской субплатформенной, морской геосинклинальной, а также вулканогенной и молассовой формации, общей мощности более семи километров.
II. Наиболее водообильные горизонты порово-пластовых вод приурочены к валунно-галечниковым толщам переуглубленных речных долин, сформировавшихся в результате позднеплейстоценовых колебаний Черного моря. Указанные горизонты содержат основные ресурсы пресных подземных вод района.
Водообильные водоносные горизонты, имеющие, однако, локальное распространение, связаны с отложениями в междуречье Кудепста-Псоу, а также с толщей плиоценовых конгломератов Адлерского района.
Новые решения по защите магистральных газопроводов от оползней с применением поворотно-осевого компенсатора
На основании вышеизложенного, предложено несколько вариантов защиты газопровода на оползневом склоне.
На этапе проектирования и строительства применимы конструкции, которые способны воспринимать значительные растягивающие усилия (металлические накладки в местах сварных стыков, рассекатели и компенсаторы в середине и по краям оползневого участка) (рис.4.2.1.). Обратная засыпка должна производиться грунтом с низкой защемляющей способностью (песком). Рекомендуется уменьшать защемляющую способность участков газопровода, расположенных за границами оползня, с помощью «чулка» из полиэтиленовой пленки, который выстилается под трубой, засыпается сухим песком и заворачивает всю трубу газопровода. На этапе эксплуатации необходимо применять комплекс мер, включающий в себя: 1. Постоянную диагностику напряженно-деформированного состояния стенки трубы газопровода магнитными приборами или тензометрированием; 2. Геодезическое сопровождение и оперативное наблюдение за перемещением оползневых масс в районе залегания газопровода; 3. Корректировка результатов диагностики оценочными расчетами; 4. Оперативная работа по снижению уровня напряжений в стенке газопровода с помощью разгрузки или разрезки газопровода.
Для целей повышения точности геодезической съемки предлагается использовать марки специальной конструкции, устанавливаемые непосредственно на газопроводе.
Для сбора исходных данных о нагрузках на трубопровод со стороны оползневого массива используется прибор, который определяет давление и направление движения грунта. Таким прибором является пункт электронного контроля состояния грунта (ПЭК). Он определяет величину и направление смещения грунта относительно трубы, влажность и температуру грунта, а также величину давления грунта на газопровод (рис. 5.3.1.). Дополнительно, при выполнении периодических геологических наблюдений необходимо определять текущее сопротивление грунтов за границей оползня на сжатие с помощью ручных устройств с цилиндрическими штампами.
Кроме того, предлагается установить универсальные компенсаторы в комплексе с измерительной аппаратурой на оползневых участках газопроводов. Универсальный поворотно-осевой компенсатор представляет собой сильфон с приваренными патрубками и сальниковым устройством с фиксацией зазора с помощью стальных шариков. Данный комплекс позволит снизить вероятность возникновения аварии за счёт осевой и изгибной компенсации внешних воздействий на газопровод и дистанционного контроля компенсационных перемещений.
Кроме того, разработан рассекатель грунта для снижения оползневого давления на трубопровод. Он применяется для уменьшения поверхности, на которую оказывается давление оползающим грунтом и для снижения его прочности путем рассечения самого грунта. Такие конструкции используются при проектировании свай и опор на оползневом склоне. Предлагается оснастить газопровод рассекателем, имеющим угол при вершине 30, который крепится к трубопроводу с помощью хомутов или накладок (рис 4.2.3.). Внутренняя полость между рассекателем и трубопроводом может заполняться цементным либо эпоксидным раствором для восприятия сжимающих нагрузок при действии боковой нагрузки от грунта.
В заключение необходимо отметить, что все работы по предотвращению аварий газопроводов на оползневых склонах являются дорогостоящими и задача по снижению стоимости этих работ должна быть приоритетной, а конструктивные и технологические решения по защите газопровода должны быть простыми в исполнении и высокоэффективными. Разработка таких мероприятий необходима и при строительстве нового магистрального газопровода Россия - Турция, вдоль трассы которого имеются 31 оползневой участок и большое количество естественных препятствий.
В качестве проектных решений инженерной защиты газопровода применены противооползневые стенки из буронабивных свай, противоэрозионные экраны из ж/б перемычек и матов Рено, контрбанкеты из щебня. Расчёты устойчивости склона выполнялись с помощью комплекса программ 81ореЛ\ методом общего предельного равновесия с учётом повышающих коэффициентов на сейсмичность 9 баллов. Кроме того, выполнялись расчёты устойчивости склона методом оползневого давления Г.М. Шахунянца с решением плоской задачи по заданным геологическим сечениям и при наличии фиксированной поверхности скольжения: объем слоя грунта в оползне, рф - плотность слоя грунта, (3 - угол наклона поверхности скольжения слоя грунта, ф- угол внутреннего трения слоя грунта, с - сцепление слоя грунта с поверхностью скольжения, Ь - длина линии скольжения.
