Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технологий устройства инженерных коммуникаций в сложных грунтовых и климатических условиях 15
1.1. Природно-климатическая характеристика северной зоны строительства : 15
1.2. Анализ опыта строительства и эксплуатации водонесущих трубопроводов 31
1.2.1. Планировка и застройка населенных мест 31
1.2.2. Анализ патентных материалов 32
1.2.3. Краткий обзор зарубежного опыта строительства систем водоснабжения и канализации в районах
Крайнего севера 35
1.3. Изучение особенностей устройства оснований водоводов на вечномерзлых грунтах 42
1.4. Изучение опыта строительства канализационных трубопроводов 45
1.4.1. Трассировка и схемы сетей 45
1.4.2. Прокладка трубопроводов 50
1.4.3. Глубина заложения трубопроводов 60
Выводы по главе 1 65
ГЛАВА 2. Исследование особенностей устройства оснований трубопроводов на вечномерзлых грунтах 67
2.1. Исследование особенностей устройства оснований и фундаментов сооружений и инженерных сетей на вечномерзлых грунтах 67
2.1.1. Изучение физико-механических свойств мерзлых грунтов 67
2.1.2. Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружений инженерных коммуникаций 76
2.2. Изучение методов теплового расчета трубопроводов 85
2.3. Исследование особенностей теплового режима канализационных сетей 93
2.4. Аналитические исследования технологии транспортирования воды по трубопроводам
при отрицательных температурах 110
2.4.1. Исследование возможности использования тонкого
слоя льда на внутренней поверхности труб 110
2.4.2. Исследование инерционности замерзания воды в трубах 113
2.4.3. Оценка экономической целесообразности работы
водовода в режиме обледенения 115
Выводы по главе 2 121
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования гидравлических режимов трубопроводов с образованием тонкой корки льда на внутренней поверхности труб 123
3.1. Задача исследований 123
3.2. Конструкция экспериментальной установки и методика проведения опытов : 123
3.3. Испытательный стенд для исследования ледовых режимов работы трубопроводов и приборное оснащение 125
3.4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ. 135
3.5. Управление гидравлическим и тепловым режимом водоводов 142
Выводы по главе 3 „ 147
ГЛАВА 4. Исследование особенностей прокладки и эксплуатации инженерных коммуникаций на вечномерзлых грунтах 149
4.1. Выбор трассы инженерных коммуникаций 149
4.2. Способы прокладки инженерных коммуникаций и типы каналов 151
4.3. Исследование эффективных видов материала труб и стыковых соединений водоводов на вечномерзлых грунтах 163
4.4. Исследования свойств труб из новых материалов и перспективы их использования в строительстве трубопроводов на вечномерзлых грунтах..'. 167
4.5. Исследования особенностей эксплуатации инженерных коммуникаций на вечномерзлых грунтах 171
4.6. Анализ аварий трубопроводов инженерных коммуникаций, проложенных в вечномерзлых грунтах 179
4.7. Технико-экономическая эффективность результатов исследования 197
Выводы по главе 4 198
Общие выводы 200
Список использованной литературы
- Планировка и застройка населенных мест
- Изучение физико-механических свойств мерзлых грунтов
- Испытательный стенд для исследования ледовых режимов работы трубопроводов и приборное оснащение
- Исследование эффективных видов материала труб и стыковых соединений водоводов на вечномерзлых грунтах
Введение к работе
Освоение обширной территории Крайнего Севера и Северо-востока началось с 30-х годов прошлого столетия. За это время произошли грандиозные перемены в северных и северо-восточных районах, бывших окраинах страны. Разведаны огромные богатства и налажена добыча полезных ископаемых: алмазов, золота, цветных и редких металлов, железных руд, нефти, угля, природных газов и т.п.
Однако вследствие сложных природно-климатических условий (низкая температура воздуха с годовыми амплитудами колебания до 100С, частые ураганные ветры, большая снегозаносимость, продолжительный период с отрицательной температурой воздуха - свыше 200 дней в году, вечномерзлое состояние грунтов, полярные ночи и т.п.) условия строительства в этих районах сложны и существенно отличаются от строительства в средней полосе России.
Основной особенностью этих районов, осложняющей и удорожающей строительство и эксплуатацию сооружений, является наличие вечномерзлых грунтов, занимающих пространство до 60% всей территории России. Характерными явлениями, имеющими место в верхнем сезонномерзлом слое и деградирующей вечной мерзлоте, являются пучение и просадки грунтов, образование наледей, каверн, провалов, выветривание, образование морозобой-ных трещин и др.
Строительство в таких условиях является очень сложным и дорогостоящим процессом, а эксплуатация построенных объектов требует большой за-траты сил и средств. Поэтому сейчас изучению вопросов строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов уделяется большое внимание.
В настоящее время уже накоплен значительный опыт строительства; произошли существенные сдвиги в части усовершенствования конструктив-
ных и планировочных решений, как отдельных объектов строительства, так и комплексов жилых массивов и населенных мест.
Хуже обстоит дело с проектированием и строительством инженерных
коммуникаций и очистных станций. Их сооружение значительно отстает от
промышленного и жилищного строительства. Большинство поселков, обору
дованных системами теплоснабжения и водопровода, не имеют централизо
ванной системы канализации. Даже такой город как Якутск не имеет сетей
канализации, обслуживающих все его жилые районы. В то же время обеспе
чение населения всеми видами благоустройства является вопросом первосте-
'& пенной важности и одним из основных стимулов заселения отдаленных рай-
онов страны с суровыми климатическими условиями постоянными кадрами.
Следует подчеркнуть, что в общем, комплексе благоустройства населенных мест Севера важнейшими элементами являются инженерные коммуникации и оборудование. Вполне объяснимо, что наличие продолжительной зимы, сурового климата, полярных ночей и т.д. вынуждает население основную часть времени проводить в помещении. Поэтому в последнее время вопросам санитарии и экологии стало уделяться значительное внимание.
Строительство и эксплуатация показывают чрезвычайное разнообразие в технических решениях обусловленных недостаточной изученности вопроса и ограниченного обмена опытом. До последнего времени не было даже нормативных документов по проектированию, строительству и эксплуатации инженерных коммуникаций. Лишь с 1959 г. началась работа по составлению проекта «Указаний по проектированию, строительству и эксплуатации инженерных сетей в районах распространения вечномерзлых грунтов». В 1967 г. были выпущены в свет «Указания по проектированию населенных мест, предприятий, зданий и сооружений в северной строительно-климатической зоне» СН 353-66. Нормативные документы составлены на основе отечественного и зарубежного опыта проектирования, строительства и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения в районах распространения вечно-
мерзлых грунтов. В процессе работы над этими нормативными документами обнаружено практически полное отсутствие научно-исследовательских материалов по работе канализационных трубопроводов в условиях вечной мерзлоты.
В 1979 г. Госстроем СССР выпускается СН 510-78 «Инструкция по проектированию сетей водоснабжения и канализации для районов распространения вечномерзлых грунтов», которая фактически до настоящего времени является основным нормативным документом. Все виды трубопроводов, проложенных в мерзлом грунте, должны быть защищены от действия двух основных факторов: от замерзания жидкости в них; от просадок, происходящих в результате возможного оттаивания вечномерзлого грунта в основании трубопроводов.
Вопросы прокладки трубопроводов и назначение тепловых режимов работы водоводов в суровых климатических условиях с наличием вечномерзлых грунтов впервые в мировой практике встали перед российскими учеными в начале XX века в связи со строительством транссибирской железной дороги. Первые экспериментальные исследования тепловых режимов работы трубопроводов и основы их расчета заложили ученые А.О.Скварченко, А.А.Сурки, И.А.Юхоцкий, А.М.Чекотилло, М.Я.Чернышев, М.И.Сумгин, Н.С.Богданов, А.В.Львов, В.Г.Шухов. Требования к надежности работы систем водоснабжения предъявлялись жесткие, так как устойчивое снабжение водой железнодорожной станции обеспечивало бесперебойную работу паровозной тяги.
Отдельные аспекты водоснабжения на вечномерзлых грунтах в условиях
сурового климата позднее освещались в работах М.М.Андрияшева,
И.И.Алешкина, О.В.Акимова, Ю.А.Александрова, Г.В.Алексеевой,
С.Н.Аронова, Д.Н.Бибикова, П.А.Богословского, Н.В.Богдасарова,
Э.А.Бондарева, Ю.И.Вдовина, Г.И.Воловника, А.А.Вершинина,
В.С.Дикаревского, В.Д.Дмитриева. Б.М.Доскемпирова, Н.Г.Зенгера,
Н.П.Заборщиковой, О.В.Заборщикова, В.М.Жидких, В.П.Зырянова,
В.Ф.Кардымон, А.А.Кошелева. В.И.Карпова, А.В.Люгова,
'' Д.А.Нусупбековой, А.С.Образовекого, Н.Н.Петруничева. А.Ф.Порядина,
Г.А.Пчелкина, А.И.Поисеевой, А.В.Путько, Г.В.Порхаева, Ю.А.Попова, В.П.Стеганцева, Л.П.Семенова, Л.Д.Терехова. Б.Ф.Турутина, Н.Ф.Федорова, М.Ю.Юдина, Ю.В.Якунина, А.Л.Ястребова и др.
В работах отечественных ученых рассматриваются особенности проек
тирования источников водоснабжения, конструирования и расчета водоза
борных сооружений, особенностей работы насосных станций, совершенство-
'"И вания способов прокладки водоводов и водопроводных сетей, методики теп-
лотехнических и гидравлических расчетов устройств, предохраняющих трубопроводы и арматуру от разрушения вследствие перемерзання, проведения организационных мероприятий, повышающих надежность эксплуатации систем водоснабжения.
Из зарубежных исследований следует отметить работы, выполненные Локом, Боллом, Зиерманом, Рихтером. Шмидтом, Стюартом, Гиллином, Фу-кусако, Хирата и др.
Режим работы самотечных канализационных сетей отличается от трубопроводов другого назначения. Тепловой режим работы отличается от теплового режима работы напорных трубопроводов, а подземная прокладка является основном типом устройства канализационных трубопроводов.
Большой объем исследований по вопросу теплового взаимодействия трубопроводов с окружающей средой проводился в основном для напорных трубопроводов. В результате этих работ достигнуты определенные успехи, имеющие как теоретическое, так и практическое значение.
Актуальность проблемы. Наличие огромных природных богатств сырьевых и энергетических ресурсов в северных районах России способствует дальнейшему освоению этих районов, росту промышленного и граждан-
ского строительства. В настоящее время здесь проживают около 4 миллионов человек, более чем в 400 населенных пунктах.
Системы водоснабжения и водоотведения являются важными состав
ляющими, обеспечивающими бесперебойность работы промышленных пред
приятий и создание для населения бытовых условий, отвечающих современ
ным требованиям. Водонесущие трубопроводы являются основным элемен
том этих систем, определяющим их надежность и экономичность. Строи
тельство и эксплуатация водоводов на Севере имеет свои особенности, свя
занные с наличием вечномерзлых грунтов и сурового климата, а также до-
*' полнительными мероприятиями по предотвращению их перемерзання. По
капитальным затратам на водоводы, не зависимо от способа прокладки, приходится до 50% от сметной стоимости систем водоснабжения и водоотведения.
Себестоимость воды в Северных районах в среднем в 20-30 раз выше, чем в средней полосе страны. Это связано со значительным потреблением электроэнергии и топлива на транспортирование и подогрев воды.
Для борьбы с замерзанием воды в трубах водоводы обычно утепляют, а
х *
воду перед подачей по трубам подогревают. По нормам подогрев следует назначать таким, чтобы в конце водовода температура воды была не ниже 3С. Для выполнения этого условия воду необходимо подогревать на 10-20С.
При снижении подогрева, а также в периоды вынужденной остановки движения воды в водоводах на внутренней поверхности труб возможно образование льда, что по действующим нормативам не допускается.
Анализ эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения, расположенных в условиях сурового климата, на примере станций Байкало-Амурской магистрали (БАМ) показал, что существующие нормативы по назначению экономичных тепловых режимов завышены, не в полной мере учитывают современный уровень развития техники. Необходима разработка но-
вых технологий подачи воды в условиях сурового климата, обеспечивающих значительную экономию топлива и электроэнергии.
Целью диссертации является разработка и обоснование принципиально новых технологий строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- сделать анализ отечественного и зарубежного опыта в области строи
тельства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотве-
f- дения в условиях вечномерзлых грунтов;
дать анализ аварийности водонесущих трубопроводов на примере построенных станций БАМ;
обосновать надежные и эффективные технологии строительства и условия эксплуатации водоводов в северной климатической зоне;
дать описание физического процесса перемерзання водоводов и оценить влияние различных факторов на увеличение безопасной продолжительности остановки воды в трубопроводах;
обосновать минимальные значения степени подогрева и температуры транспортируемой воды;
провести экспериментальные исследования и разработать математическую модель теплового режима работы водовода с минимальным значением температуры транспортируемой воды при возможном обледенении трубопровода и образованием тонкого слоя льда на его внутренней поверхности;
разработать методику определения оптимальной толщины слоя тепло-изоляции водонесущих трубопроводов при обеспечении минимальных затрат на их строительство и эксплуатацию;
дать оценку экономической целесообразности работы водоводов с минимально возможным подогревом транспортируемой воды в условиях внутреннего обледенения трубопровода.
Методика исследований включает: аналитическую часть, базирующуюся на отечественном и зарубежном опыте строительства, эксплуатации, аварийных ситуаций, а также тепловых режимах в системах водоснабжения и водоотведения; экспериментальную часть на масштабных установках; математическое моделирование процессов переноса веществ и энергии в водоводах.
Научная новизна заключается в актуальном и принципиально новом подходе к технологии прокладки и теплоизоляции водонесущих трубопроводов, а также изменению эксплуатационных характеристик трнаспортируемой воды и состоит в следующем:
на основании собранных статистических материалов по аварийности водоводов БАМа выявлено, что наименьшее количество аварий происходит на водоводах надземной прокладки;
дано описание физического процесса перемерзання водовода, установлена зависимость времени остывания воды и времени перемерзання водовода от температуры воздуха, транспортируемой воды и толщины слоя теплоизоляции;
составлена математическая модель инерционности замерзания воды в водоводах; предложены технологические параметры «защитное время» и «время восстановления», регламентирующие действия службы эксплуатации при возникновении аварий на водоводах;
экспериментально обоснована целесообразность снижения температуры транспортируемой воды до 0,1 С; разработана методика расчета и составлена программа, позволяющая определить оптимальную толщину слоя теплоизоляции водовода при минимальных затратах на его строительство и подогрев воды в зимний период;
установлены закономерности формирования корки льда на внутренней поверхности трубопровода и по его длине; создана математическая модель, позволяющая учитывать широкий спектр условий работы водовода и про-
граммировать параметры его эксплуатации с минимальными затратами на
подогрев транспортируемой воды.
Ф Практическая ценность выполненных исследований:
- рекомендованы способы прокладки водонесущих трубопроводов пре
имущественно надземным способом или в проходных каналах;
- снижены затраты на организационно-технические мероприятия по экс
плуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, одновре
менно обеспечиваются топливо- и энергосбережение; это позволило реализо
вать результаты исследований на ряде объектов Байкало-Амурской магист-
^' ради, а затем на Дальневосточной железной дороге, получив существенную
экономию;
- служба эксплуатации получила рекомендации по ремонтно-
восстановительным работам при авариях на водоводах или остановки подачи
воды, которые должны быть проведены в пределах расчетного времени вос
становления водовода без опорожнения его от воды, что снижает затраты и
возможные последствия при выпуске значительного количества воды в грунт
м или на поверхность земли;
разработанный новый подход к тепловым режимам трубопроводов с минимальным подогревом и образованием корки льда на внутренней поверхности трубы дает экономию топлива до 20-40%, а в ряде случаев позволяет либо вообще отказаться от подогрева, либо на некоторых насосных станциях 1-го подъема исключить котельные;
снижается вредное воздействие на окружающую среду от продуктов сгорания топлива, вредных газов и пыли;
,у0 - реализация программ оптимизации подбора толщины теплоизоляции
водоводов позволяет получить до 10-15% экономии затрат на строительство и эксплуатацию водоводов.
Личный вклад автора:
сформулирована концепция построения работы, направленной на решение актуальной проблемы, постановке цели и разработке задач исследований;
проанализирован опыт строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, построенных в сложных климатических и грунтовых условиях, а также сделан анализ патентных материалов;
сделан многолетний анализ аварий трубопроводов, построенных в районах вечномерзлых грунтов. Систематизированы причины аварий, установлена их зависимость от способа прокладки трубопроводов, материала труб, периода эксплуатации и др. факторов;
проведены экспериментальные исследования гидравлических режимов водоводов с образованием корки льда на внутренней поверхности труб;
исследована инерционность замерзания воды в трубах;
разработаны рекомендации по расчету защитного времени в зависимости от температуры воздуха и воды, диаметра трубопровода, толщины слоя теплоизоляции;
разработана методика расчета оптимального слоя теплоизоляции водоводов;
разработаны рекомендации для службы эксплуатации по ремонтно-восстановительным работам водоводов, и также система учета аварийных ситуаций;
результаты исследований внедрены на ряде объектов БАМ и в учебном процессе.
Апробация работы. Отдельные положения диссертации разрабатывались в соответствии с научно-техническими программами Министерства Путей Сообщения РФ "Экспериментально-теоретические исследования ледо-термических режимов трубопроводов" заказ ЦЭУ МПС 1996-97 гг. № 7.14 и Российской академии архитектурно-строительных наук (РААСН)'"Разработ-
ка и создание эффективной энергосберегающей технологии подачи воды по
водоводам в суровых климатических условиях для Северных районов Рос-
^ сии".
Основные положения и результаты работы были доложены: на научно-технической региональной конференции "Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока" (Хабаровск, 1987), конференции ХабИИЖТа (Хабаровск. 1989), 3 региональной научно-практической конференции "Пути улучшения работы сооружений водоснабжения и водоотведения Дальнего Востока" (Хабаровск, 1989), научно-техническом семинаре "Обеспечение на-.^: ' дежности питьевого водоснабжения" (Москва, 1989), научно-технической конференции "Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера" (Хабаровск, 1997). научно-практической конференции "Человек и окружающая природная среда" (Пенза, 2000), научно-практической конференции "Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Саха (Якутия)" (Якутск, 2003).
Рекомендованные экономичные режимы водоводов внедрены на систе-
I) мах водоснабжения ст. Тында, п. Новый Ургал ДВЖД.
Результаты работы используются в учебном процессе ДВГУПС при изучении спецкурса "Водоснабжение и водоотведение в условиях сурового климата" для студентов специальности 2908 "Водоснабжение и водоотведение" и на курсах повышения квалификации работников водоснабжения ДВЖД и ЗабЖД.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, выполнено 2 отчета по НИР.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, че-тырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложения; изложена на 147 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков, 20 таблиц, приложение. Список использованной литературы включает 129 наименований.
Планировка и застройка населенных мест
Большинство поселений на Аляске и на северной территории Канады возникло до того, как вопросам водоснабжения и канализации таких поселений стали уделять внимание. Места поселений выбирались случайно, а планировка их создавалась хаотически, что приводило к высокой стоимости инженерного оборудования, являясь главным фактором задержки строительства современных систем водоснабжения и канализации.
В настоящее время все более ощущается влияние общественного мнения, требующего для поселений Арктики и Субарктики обеспечения такого же уровня водоснабжения и канализации, как в умеренной зоне Северной Америки. Контроль за загрязнением окружающей среды и охране природы стали факторами чрезвычайной важности, даже для самых отдаленных мест и самых незначительных поселений.
Ряд промышленных фирм США и Канады выпускает оборудование для систем водоснабжения и канализации на Крайнем Севере. На рынке промышленных изделий появилось также специальное оборудование, рекомендуемое для использования на Крайнем Севере и способное снизить высокую стоимость водоснабжения и канализации в северных поселениях. За последние 15 лет проблемами водоснабжения и канализации на Севере стали интересоваться различные правительственные органы, учебные и научно-исследовательские центры и промышленные фирмы.
Водоснабжение. Источниками водоснабжения служат озера, реки, ручьи и в редких случаях, подмерзлотные воды. Большинство рек во время паводка несет мутную воду, непригодную без подготовки для цели водоснабжения. Эта объясняется незначительным растительным покровом и эрозией почвы. В таких случаях крупные водотоки используются в качестве источника водоснабжения лишь в течение летних месяцев, так как строительство больших очистных сооружений считается нецелесообразным. Подземное водоснабжение наиболее дорого в условиях залегания вечномерзлых грунтов и не очень надежно. Скважина может замерзнуть даже летом, а большое артезианское давление часто приводит к образованию наледей. С другой стороны, если качество подмерзлотных вод удовлетворительно, скважина может оказаться наиболее удобным средством водоснабжения при неглубоком залегании водоносного пласта, поскольку требуется короткий водовод для подачи воды в поселок.
Примером водоснабжения из скважин может служить Паин-Поинт в Канаде. Это горняцкий поселок на южном берегу Большого Невольничьего озера у свинцово-цинкого рудника, население около 1500 человек. Вода добывается из глубоких скважин. В поселке имеется подземная сеть трубопроводов с постоянной циркуляцией в них воды. В день потребляется 5 млн. галлонов, которые идут, в основном, на производственные нужды.
В большинстве случаев в арктических областях Крайнего Севера не-трудно получить питьевую воду благодаря изобилию ледниковых ручьев и небольших мелких озер. Зимой все озера и ручьи промерзают до дна и воду получают, растапливая снег и лед.
Опреснение морской воды может быть применено во многих поселениях Арктики. Технология этого процесса полностью отработана, но стоимость опреснения воды очень высока. На Аляске опреснение морской воды используется для водоснабжения поселка Коцебу, а в Канаде небольшая экспериментальная опреснительная станция установлена в Грайз-Фьорде. Это самое северное поселение Канады. Расположенное на широте 7625 на южном берегу о.Элсмир Канадского Арктического архипелага. Проживает здесь всего 70 человек.
Системы водоснабжения в поселениях Крайнего Севера можно разделить на два основных типа: трубопроводная система и система доставки воды автоцистернами в дома. В свою очередь трубопроводная система разделяется на два вида: круглогодично действующая и работающая только в летний период. При доставке воды автоцистернами тоже могут встретиться два случая: круглый год или в летний период, а зимой доставляется лед.
Круглогодичная доставка воды по трубам существует только в крупных поселках и городах. В большинстве же поселений работают одновременно обе системы - трубопроводная и завоз воды автоцистернами. Первая, как правило, обслуживает только административные, торговые и медицинские здания и жилые дома администрации.
Заглубленные непосредственно в грунт трубопроводы применяются редко. При сложных мерзлотно-грунтовых условиях и при скальных грунтах широко применяются водопроводные сети наземной и надземной прокладки.
При прокладке водопроводных труб без теплоизоляции, они заглубляются в грунт на значительную глубину. Для Аляски рекомендуется глубина заложения труб (в м) равная 1,75; 2,20; 2,75 при расчетной зимней температуре воздуха (в С) соответственно -24: -39; -34.
Изучение физико-механических свойств мерзлых грунтов
На глубину заложения канализационных трубопроводов в грунт основное влияние оказывает рельеф местности. Умелое использование рельефа местности при трассировке канализационных сетей может привести к значительному уменьшению их глубины заложения.
Немалое значение для глубины заложения трубопроводов имеет величина их начального заглубления. Для районов средней полосы, где имеет место сезонное промерзание верхнего слоя грунта, начальная глубина заложения трубопроводов нормируется с учетом глубины его промерзания. Иная картина наблюдается в районах распространения вечномерзлых грунтов. Здесь на десятки и сотни метров от поверхности земли в глубь залегают вечномерзлые грунты. Поэтому принципы определения глубины заложения глубины в грунт в районах средней полосы России не годятся для районов Севера. Определение глубины заложения трубопроводов в вечномерзлых грунтах должно производится с выполнением теплотехнических расчетов. Немаловажную роль при определении глубины заложения трубопроводов играет состав грунтов, их влажность (льдистость) и температура, мощность деятельного слоя (глубина сезонного протаивания мерзлого грунта), наличие межмерзлотного слоя грунта и т.п.
От правильного выбора глубины заложения сети в большой степени зависит надежность ее работы и долговечность.
В первые годы строительства водопроводно-канализационных сетей трубы укладывались на большой глубине (3-5 м). Эксплуатация таких сетей показала несостоятельность этих решений. Разрушение трубопроводов и частые аварии, ликвидация которых обходилась очень дорого и требовала большой затраты сил и времени, заставила значительно уменьшить глубину заложения трубопроводов.
Влияние на целостность трубопроводов глубины их заложения объясняется физической сущностью тепловых процессов, происходящих в грунте. Между поверхностью грунта и наружным воздухом происходит довольно интенсивный теплообмен, в результате чего верхний слой грунта глубиной 0,5-1 м в период холодного времени года имеет более низкую минимальную температуру, чем нижележащие слои грунта. Изучение и анализ данных геотермических режимов по отдельным скважинам на строительных площадках г. Норильска показывает, что с увеличением глубины температура грунта довольно быстро повышается и на глубине 3,0 м, почти в два раза выше, чем на глубине 1,0 м, а на глубине 5,0 м уже в несколько выше (табл. 1.6).
Табл. 1.6 составлена по материалам Норильской мерзлотной станции. Кроме того, процессам распространения тепла в грунте присуща значительная инертность. Суточные колебания температуры наблюдается только в неглубоком верхнем слое грунта и уже на глубине 0,5-0,6 м затухают. На большей глубине происходит изменение температуры грунта под влиянием внешних факторов, постоянно действующих довольно длительное время от нескольких суток до месяца.
Помимо изложенного следует отметить, что грунт, окружающий трубопровод является своего рода теплоизоляцией и чем более мощным слоем он прикрывает трубопровод, тем меньше тепла уходит через поверхность грунта в воздух. Следовательно, при глубоком заложении большая часть тепла участвует в растеплении грунта вокруг трубопровода, чем при мелком его заложении.
Из сказанного следует, что при глубоком заложении трубопровода вокруг него образуется талая зона грунта (талик) значительно большей величины, чем при мелком заложении. Величина такой зоны определяется тепловыми расчетами. Так, на глубине 1,2-1,5 м в связных, с небольшими коэффициентами фильтрации, грунтах толща талой зоны вокруг канализационных и водопроводных трубопроводов не превышает, как правило 0,5-1,0 м от стенки трубы. В то же время на большей глубине она может достигать 1,5-2,.0 м и более. При прокладке трубопроводов в несвязных, фильтрующих грунтах диаметр талика может достигнуть нескольких метров.
Приведенные в табл. 1.7 данные по величине талика вокруг трубопровода, проложенного в районе г. Воркуты свидетельствуют, что размеры талика зависят от температуры грунта и теплоносителя, а также в значительной степени от глубины заложения трубопроводов.
Талик вокруг трубопровода, уложенного во влажных просадочных грунтах, и представляет собой разжиженную массу, которая обладает исключительно малой несущей способностью. Очевидно, что чем меньше размеры талика, тем устойчивее будет трубопровод при эксплуатации.
Учитывая изложенное, становится понятным стремление сокращать глубину заложения трубопроводов, прокладываемых в условиях вечномерз-лых грунтов. Кроме того, с уменьшением глубины заложения снижается стоимость строительства и ремонта трубопроводов, облегчаются условия их эксплуатации. Оптимальным решением, при достаточной мощности деятельного слоя, является прокладка трубопроводом в этом слое, так как в этом случае может отсутствовать деградация вечной мерзлоты в основании трубопровода и, следовательно, отпадает необходимость устройства искусственного основания под ним.
Испытательный стенд для исследования ледовых режимов работы трубопроводов и приборное оснащение
На глубину заложения канализационных трубопроводов в грунт основное влияние оказывает рельеф местности. Умелое использование рельефа местности при трассировке канализационных сетей может привести к значительному уменьшению их глубины заложения.
Немалое значение для глубины заложения трубопроводов имеет величина их начального заглубления. Для районов средней полосы, где имеет место сезонное промерзание верхнего слоя грунта, начальная глубина заложения трубопроводов нормируется с учетом глубины его промерзания. Иная картина наблюдается в районах распространения вечномерзлых грунтов. Здесь на десятки и сотни метров от поверхности земли в глубь залегают вечномерзлые грунты. Поэтому принципы определения глубины заложения глубины в грунт в районах средней полосы России не годятся для районов Севера. Определение глубины заложения трубопроводов в вечномерзлых грунтах должно производится с выполнением теплотехнических расчетов. Немаловажную роль при определении глубины заложения трубопроводов играет состав грунтов, их влажность (льдистость) и температура, мощность деятельного слоя (глубина сезонного протаивания мерзлого грунта), наличие межмерзлотного слоя грунта и т.п.
От правильного выбора глубины заложения сети в большой степени зависит надежность ее работы и долговечность.
В первые годы строительства водопроводно-канализационных сетей трубы укладывались на большой глубине (3-5 м). Эксплуатация таких сетей показала несостоятельность этих решений. Разрушение трубопроводов и частые аварии, ликвидация которых обходилась очень дорого и требовала большой затраты сил и времени, заставила значительно уменьшить глубину заложения трубопроводов.
Влияние на целостность трубопроводов глубины их заложения объясняется физической сущностью тепловых процессов, происходящих в грунте. Между поверхностью грунта и наружным воздухом происходит довольно интенсивный теплообмен, в результате чего верхний слой грунта глубиной 0,5-1 м в период холодного времени года имеет более низкую минимальную температуру, чем нижележащие слои грунта. Изучение и анализ данных геотермических режимов по отдельным скважинам на строительных площадках г. Норильска показывает, что с увеличением глубины температура грунта довольно быстро повышается и на глубине 3,0 м, почти в два раза выше, чем на глубине 1,0 м, а на глубине 5,0 м уже в несколько выше (табл. 1.6).
Табл. 1.6 составлена по материалам Норильской мерзлотной станции. Кроме того, процессам распространения тепла в грунте присуща значительная инертность. Суточные колебания температуры наблюдается только в неглубоком верхнем слое грунта и уже на глубине 0,5-0,6 м затухают. На большей глубине происходит изменение температуры грунта под влиянием внешних факторов, постоянно действующих довольно длительное время от нескольких суток до месяца.
Помимо изложенного следует отметить, что грунт, окружающий трубопровод является своего рода теплоизоляцией и чем более мощным слоем он прикрывает трубопровод, тем меньше тепла уходит через поверхность грунта в воздух. Следовательно, при глубоком заложении большая часть тепла участвует в растеплении грунта вокруг трубопровода, чем при мелком его заложении.
Из сказанного следует, что при глубоком заложении трубопровода вокруг него образуется талая зона грунта (талик) значительно большей величины, чем при мелком заложении. Величина такой зоны определяется тепловыми расчетами. Так, на глубине 1,2-1,5 м в связных, с небольшими коэффициентами фильтрации, грунтах толща талой зоны вокруг канализационных и водопроводных трубопроводов не превышает, как правило 0,5-1,0 м от стенки трубы. В то же время на большей глубине она может достигать 1,5-2,.0 м и более. При прокладке трубопроводов в несвязных, фильтрующих грунтах диаметр талика может достигнуть нескольких метров.
Приведенные в табл. 1.7 данные по величине талика вокруг трубопровода, проложенного в районе г. Воркуты свидетельствуют, что размеры талика зависят от температуры грунта и теплоносителя, а также в значительной степени от глубины заложения трубопроводов.
Талик вокруг трубопровода, уложенного во влажных просадочных грунтах, и представляет собой разжиженную массу, которая обладает исключительно малой несущей способностью. Очевидно, что чем меньше размеры талика, тем устойчивее будет трубопровод при эксплуатации.
Учитывая изложенное, становится понятным стремление сокращать глубину заложения трубопроводов, прокладываемых в условиях вечномерз-лых грунтов. Кроме того, с уменьшением глубины заложения снижается стоимость строительства и ремонта трубопроводов, облегчаются условия их эксплуатации. Оптимальным решением, при достаточной мощности деятельного слоя, является прокладка трубопроводом в этом слое, так как в этом случае может отсутствовать деградация вечной мерзлоты в основании трубопровода и, следовательно, отпадает необходимость устройства искусственного основания под ним.
Учитывая, что промышленность не выпускает КИП и датчики, работоспособные при образовании льда на внутренней поверхности трубы, проведению эксперимента предшествовала работа по разработке специальных конструкций датчиков, измеряющих гидравлические и тепловые параметры трубопровода. Часть датчиков, выпускаемых отечественной промышленностью, удалось модернизировать, приспособив к специфическим условиям эксперимента. На отсутствующие датчики предложены новые конструкции.
Исследование эффективных видов материала труб и стыковых соединений водоводов на вечномерзлых грунтах
Материал труб и стыковых соединений для канализационных сетей, прокладываемых в условиях вечномерзлых грунтов, имеют огромное значение с двух точек зрения. Это сложность и экономичность монтажа трубопроводов и надежность их эксплуатации. Кроме того, немаловажным является и вопрос доставки труб в отдаленные, труднодоступные районы Севера и Севера-Востока России. При этом имеет значение вес труб, их длина, транспортабельность и т.п.
Как уже отмечалось, вокруг трубопровода, уложенного в мерзлый грунт, образуется талая зона, называемая таликом. В льдонасыщенных просадочных грунтах талик не может нести нагрузку от трубопровода. В этом случае трубопровод представляет собой провисшую балку на двух опорах с пролетом, равным расстоянию между колодцами. Балка имеет жесткое закрепление по концам, т.е. в колодцах. Понятно, что в таких условиях огромное значение для устойчивости трубопроводов имеют материал труб и стыки, способные выдерживать возникающие деформации. Материал труб имеет значение и с точки зрения обеспечения не замерзаемости жидкости в трубопроводе, так как чем меньше теплопроводность стенок, тем медленнее она остывает.
С изложенных позиций мы и рассмотрим вопрос о рациональности применения труб из различных материалов для условий вечномерзлых грунтов. До последнего времени в практике бытовых канализационных сетей наибольшее применение находят чугунные водопроводные раструбные и стальные трубы, реже - железобетонные и асбестоцементные. Заполнителями сты-ковых соединений является: цементный раствор, асбестоцемент, асфальтовая мастика.
Ни один из указанных материалов труб, используемых для строительства канализационных сетей в условиях вечномерзлых грунтов, не отвечает требованиям рационального устройства и эксплуатации. Металлические тру
бы наиболее широко применяются в строительстве, обладают плохими теплозащитными свойствами (у стали = 50 ккал/м.час.град, у чугуна = 40 ккал/м.час.град), большим весом, подвержены разрушительному воздействию коррозии и блуждающих токов. При просадках наряду с разрушением стыков соединений может произойти и разрушение стенок трубы.
Железобетонные трубы имеют коэффициент теплопроводности значительно меньше, чем у металлических труб (у железобетона = 1,4 ккал/м.час.град.), но зато примерно в 1,5 раз тяжелее последних. Под железобетонные трубы необходимо устраивать более мощное и дорогостоящее основание, чем под металлические.
Асбестоцементные трубы в 2-3 раза легче металлических и обладают лучшими теплоизоляционными свойствами (у асбестоцемента = 0,3 ккал/м.час.град.), мало подвержены и химическому воздействию различных реагентов. Стоимость асбестоцементных труб значительно меньше стоимости металлических и железобетонных труб. Но асбестоцементные трубы, несмотря на многие положительные свойства, не нашли широкого применения в практике строительства на Севере ввиду их хрупкости и малой эластичности при отрицательной температуре резиновых колец, применяемых в муфтовых соединениях в качестве уплотнителя.
Общим недостатком всех перечисленных труб является разрушение их при замерзании воды в трубопроводах. Известно, что при замерзании воды происходит увеличение ее объема примерно на 9%, а это соответствует линейному термическому расширению примерно на 3%. При таком расширении разрушаются даже стальные трубы.
Еще один недостаток, присущий всем перечисленным выше трубам, кроме стальных - это несовершенство применяемых стыковых соединений. При устройстве раструбных или муфтовых соединений неизбежны мокрые процессы, которые являются крайне нежелательными в суровых климатических условиях крайнего Севера. Такие стыки необходимо защищать от замерзания. А это требует дополнительных затрат рабочей силы и средств и удлиняет сроки строительства.
Кроме того, принятые конструкции стыковых соединений чаще всего являются причиной аварий, происходящих на трубопроводах. Как указывает Н.М.Сироткина в г. Воркуте, например, все аварии, вызваны одной причиной - выдавливается заполнитель, и гладкий конец трубы выходит из раструба. В результате между трубами образуется зазор в 2-6 см.
В литературных источниках зарубежных авторов указывается тот же материал труб при устройстве канализационных сетей, который применяется и в России. При этом указывается на довольно широкое применение деревянных труб, которые имеют малую теплопроводность, хорошо сопротивляются коррозии и истиранию, но довольно быстро загнивают при переменном воздействие влаги и воздуха. Кроме того, в результате достаточно резких и многократных изменений температуры внутри древесины и замерзания и оттаивания воды в теле клепки они весьма интенсивно разрушаются. Это подтверждается результатами опыта г. Норильска, где водовод из деревянной клепки работал без существенных нарушений только в течении первых 3-4 лет. Уже за девять лет эксплуатации он имел значительные разрушения и потерял свою герметичность.
Изучение и анализ имеющегося опыта проектирования, строительства и эксплуатации инженерных коммуникаций в условиях вечномерзлых грунтов и свойств, применяемых в строительстве труб, показали какое большое значение для надежной и безаварийной работы трубопроводов, имеет материал труб и стыковые соединения. Это обстоятельство привело нас к поискам новых прогрессивных материалов труб, обладающих хорошими теплозащитными свойствами, способных переносить деформации, возникающие в результате просадок и пучения вечномерзлых грунтов, не разрушающихся при замерзании жидкости в них и допускающих их монтаж без применения мокрых процессов. Этим требованиям наилучшим образом отвечают полиэтиленовые трубы.
