Межпромысловый гозопровод

Применение особой технологии вызвано следующими причинами:

- обратная засыпка производилась  мерзлыми комьями диаметром 0,5-0,7 м;

- при оттаивании обратной  засыпки летом на дне траншеи,  особенно в понижениях рельефа,  скапливается большое количество воды;

- несущая способность  комковатых несмёрзшихся мерзлых  грунтов обратной засыпки незначительна,  поэтому их удерживающая способность от всплытия трубы диаметром 420 мм мала, что на некоторых участках и привело к всплытию трубопровода.

В дальнейшем следует рекомендовать  производство работ по обратной засыпке  траншеи в местах устройства анкеров, железобетонных пригрузов и т.п. по схеме: рыхление мерзлых грунтов обратной засыпки до размера комьев диаметром 0,1—0,2 м; послойная отсыпка разрыхленного мерзлого грунта; полив каждого слоя отсыпки водой из расчета 0,1 т на 1 м³ отсыпки и отсыпка следующего слоя только на замороженный предыдущий слой.

Такая технология обратной засыпки даст возможность полностью  использовать несущую способность  мерзлых грунтов оснований и  значительно увеличить работоспособность и надежность примененных анкерных конструкций и железобетонных пригрузов.

Основные задачи исследований состоят в анализе работоспособности различных видов прокладки газопровода диаметром 1420 мм, а также отдельных конструктивных решений на каждом участке и в их сравнении между собой. Поэтому на опытно-промышленном участке были установлены розетки тензорезисторов, термокарманы, самописцы перемещений надземного трубопровода, термопоперечники, пучиномеры, геодезические марки и т.п. Задачи исследований условно сгруппированы по разделам:                                                     

- механическая надежность  трубопроводов в многолетнемерзлых  грунтах, куда входят инструментальное  обследование прочности и устойчивости всех типов прокладки газопровода, анализ колебаний и вибропрочности надземного газопровода, устойчивости свайных оснований, измерения напряженно-деформированного состояния, изучение несущей способности газопроводов при пучении, морозобойном растрескивании пород и т.п.;

- взаимодействие грунтов  с трубопроводом в полосе трассы, в том числе анализ механических  и теплофизических свойств грунтов,  передачи усилий на трубопровод,  механизма их распределения, измерения посредством термопоперечников, пучиномеров и т.д;

- природоохранные исследования  в зоне трассы газопроводов, включая изучение техногенных процессов, термокарста, термоэрозии, пучения грунтов, температурного режима, обследование работоспособности технических решений по водопропуску, закреплению грунтов, сквозные наблюдения природных процессов при нарушении естественного режима с использованием аэрофотосъемки и т.д.

Рассмотрим отдельные  результаты исследований.

Участок надземной прокладки  трубопровода имеет протяженность около 1,5 км,   пересекает шесть различных по своим характеристикам геомикрорайонов и условно разбит на температурные блоки между неподвижными опорами.

В состав температурного блока  включены трапецеидальные компенсаторы на свайных опорах, ригель которых  регулируется по высоте.

Участок оборудован тензокарманами для измерения фактического напряженно-деформированного состояния труб. Для подтверждения достоверности информации, получаемой при тензоконтроле, используются значения фактических линейных перемещений в горизонтальной плоскости. Для измерения этих перемещений были смонтированы и опробованы специальные механические устройства записи траектории.

На части участка надземной  прокладки, который в течение  зимнего сезона не заносится снегом и в течение всего года расположен перпендикулярно к преобладающему направлению наиболее сильных ветров, проводятся исследования колебательных процессов трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При этом определяются декремент колебаний трубы, оптимальная и максимальная возможная длина пролета между опорами различных типов с учетом прокладки между трубой и ригелем материала с низким коэффициентом трения.

Для анализа работоспособности  опорных конструкций установлены пучиномеры. Интенсивное льдовыделение в околосвайной зоне приводит к значительному увеличению сил морозного пучения, действующих на металлическую сваю при промерзании грунтов. На опытно-промышленном участке для обеспечения устойчивости металлических свай опор газопровода от воздействия сил морозного пучения применены различные  конструктивные  решения по увеличению несущей способности свай. Натурные наблюдения в течение 4 лет за установленными на опытно-промышленном участке противопучинными металлическими сваями (с вырезами и приварными уголками) показали, что выпучивание не происходит. С точки зрения экологических нарушений следует отметить, что на всей протяженности экспериментального участка техногенные нагрузки не оказали отрицательного воздействия на ландшафт. Выяснилось, что надземный трубопровод на опорах практически не реагирует на динамические процессы в грунтах.

Для наземной части газопровода  протяженностью около 800 м (на поверхностных  опорах-лежках специальной конструкции) был применен двойной трапецеидальный компенсатор. Участок проложен на склоне крутизной 4 – 9° и пересекает два различных геомикрорайона. При эксплуатации этого участка при транспортировании газа с переменной температурой выявлено, что почти все опоры, вдавившись в грунт в период его протаивания, заняли свое рабочее положение и находятся в нормальном состоянии. Однако наблюдались явления вдавливания в грунт трубы вместе с опорами, что способствовало формированию стока воды под трубой.

Участок наземной прокладки  в обваловании пересекает геомикрорайоны трех различных типов. Технология строительства наземного трубопровода в обваловании не предусматривает непосредственного воздействия на мерзлые грунты и непочвенные покровы. Труба уложена на практически не нарушенную поверхность и обвалована привозным грунтом из местного карьера. Состояние обваловки практически не подвергается действию мерзлотных процессов из-за низкой влажности грунтов. Однако насыпь интенсивно размывается, осыпается, сползает с трубы. Попытка засева насыпи специальной растительностью не дала желаемого результата. Наблюдаются термоэрозионные врезы, провоцируемые водой, а также местами заболачивание вокруг трубы. Обвалованная часть газопровода в основном находится в удовлетворительном состоянии, хотя в некоторых ее местах обваловании размыта и труба оголена.

Подземная прокладка. Участок подземной прокладки на опытно-промышленном участке имеет общую протяженность около 1,5 км. Здесь проходят испытания анкерные устройства трех типов: дорожные плиты, уложенные "домиком", анкеры-опоры, опорный массив.

Проблемой подземной прокладки  в мерзлых грунтах являются сохранение целостности засыпки в траншее и  предотвращение всплытия трубы. На опытном участке эту проблему решить не удалось, несмотря на ряд технических новшеств, признанных предотвратить нежелательные процессы, представляющие угрозу для нормального функционирования сооружения (эрозия, термокарст, пучение, заболачивание и др.). Через два года после строительства трубопровод обнажился по всему подземному участку, местами всплыл. По бортам траншеи активно развивается термоэрозия, вдоль трассы – термокарст.

Трансформация и нарушение  насыпи начались в первый же после  строительства теплый сезон, когда  транспорт газа еще не осуществлялся. Как только днем установились положительные температуры воздуха, появились талые воды и указанные процессы стали интенсивно развиваться.

При этом дефекты насыпи (пустоты, трещины) способствовали проникновению талых вод в тело насыпи задолго до начала массового сезонного протаивания грунтов. С установлением суточных положительных температур воздуха активизировался поверхностный сток и в траншею потекла практически вся вода, стекающая с вдольтрассовых склонов. В результате вдоль трубопровода сформировался внутригрунтовый сток талых вод. Это привело к нарушению трассы и формированию на ней крупных водоемов.

Таким образом, проведенные  комплексные исследования на опытно-промышленном участке показали, что наибольшей надежностью из рассмотренных технических решений и наименьшими негативными воздействиями на окружающую среду обладают надземный и наземный варианты укладки газопровода.

Во-первых, доказано, что  в принципе строительство надземного газопровода диаметром 1420 мм не представляет технических трудностей и не требует применения специальных техники и конструктивных решений. Более того, применение эффективных свайных пор позволило снизить их металлоемкость до уровня металлоемкости типовых опор, используемых на газопроводах диаметром 720 мм. Во-вторых, применение низкой прокладки дало возможность фактически исключить влияние ветровых нагрузок (занос снегом трубопровода) и повысило устойчивость свайного основания. В-третьих, в полосе строительства надземного участка фактически нет нарушения поверхностного покрова.

Опорные конструкции с  низким коэффициентом трения надземного газопровода обеспечивают поддержание  трубопровода диаметром 1420 мм и его плавное перемещение без вибраций от ветрового воздействия, применяемые противопучинные сваи специальной конструкции работоспособны.

Наблюдения за наземным (на лежневых опорах) участком также показали его работоспособность при высокой  экономичности данного способа. Относительно подземного участка нужно  заметить, что устройство траншеи  под трубопроводом диаметром 1420 мм вносит значительные изменения в  мерзлотно-грунтовые и гидрологические  процессы в полосе строительства, что сказывается в первый летний сезон.

Зафиксированные напряжения в металле трубопровода оказались  ниже предела текучести металла  в 1,5 раза. К началу зимнего сезона надземный (в местах низкой прокладки) и весь наземный газопроводы полностью занесены снегом, что обеспечивает мягкий температурный режим эксплуатации металла труб. Трубопроводы наземной прокладки на лежках не оказывают сколько-нибудь значительного воздействия на природные компоненты на плоских поверхностях, но здесь интенсифицируются процессы   разрушения склонов. Наземная прокладка в обваловке при определенных условиях вызывает заболачивание прилегающих участков, поэтому для ее успешного применения требуется создание системы надежных водопропусков.    

Техногенные нарушения ландшафта  при подземной прокладке трубопровода явились причиной активных мерзлотных эрозионных процессов, а также вызвали перераспределение поверхностного и надмерзлого стоков, размывы и растепление грунта засыпки траншей. В результате чего участок газопровода оказался оголенным и подвергается активному температурному воздействию.

Нарушения в процессе строительства  подземного участка трубопровода в  первый летний период привели к активизации солифлюкционных, термокарстовых и термоэрозионных процессов, что поставило под вопрос эффективность применяемых решений конструктивного и природоохранного характера по стабилизации грунтов и положения трубопровода и потребовало дополнительных разработок.

2. Экспериментальные исследования вертикальных перемещений газопровода, уложенного подземно на пойме р. Енисея

Для изучения действительных условий работы газопровода Мессояха-Норильск, проложенного подземно на поймах рек  Енисея и Большой Хеты, экспедицией  МГУ совместно с ВНИИСТом проводились  стационарные наблюдения за температурным режимом грунтов, их пучением и осадкой при промерзании и оттаивании в полосе трассы, а также за вертикальными перемещениями трубопровода и изменением температуры     газа по ее длине. Полученные результаты позволили изучить некоторые закономерности процессов пучения и осадки грунтов в области теплового влияния трубопровода на многолетнемерзлые грунты, выяснить применимость различных расчетных методов для оценки вертикальных перемещений трубопроводов.

Природные условия в долине р. Енисея, ниже г. Дудинки, характеризуются  суровым климатом. Среднегодовая  температура воздуха равна -10°С, годовая амплитуда температур воздуха  достигает 45°С и более. Снежный покров в долине распределяется крайне неравномерно: его высота изменяется от 0,3 м на возвышенных открытых участках до 1,5 - 2,0 м на участках с густым высоким кустарником и на подветренных склонах.

Высокая пойма р. Енисея, где были организованы стационарные наблюдения (9 створ), характеризуется значительной пересеченностью рельефа. Полого-выпуклые холмы и валы чередуются с озерными котловинами и староречьями. Возвышенные поверхности имеют абсолютные отметки 8÷12 м. Местами они образуют уступы высотой 1-2 м. Вблизи стариц и озерных котловин прослеживаются пониженные участки с отметками 4÷6 м. В средней части высокой поймы по трассе располагается озерная котловина. Поверхность котловины, свободная от воды, сильно заболочена. Глубина озёр превышает 1,5÷2,0 м.                                                                   

Растительный покров на высокой  пойме представлен густым высоким  кустарником ольхи и ивы на возвышенных участках и мохо-травяным покровом в озерных котловинах.                                                        

Разрез отложений высокой  поймы представлен толщей переслаивающихся супесей, суглинков, песков пойменной фации современных аллювиальных отложений. Все разновидности пород содержат большое количество частиц пылеватой фракции и органических остатков. В мерзлотном отношении пойма р. Енисея характеризуется прерывистым распространением многолетнемерзлых грунтов со среднегодовой температурой от 0 до 1,0°С. Под озерами и водотоками глубиной 0,7-1,0 м существуют талики. На участках с высоким снежным покровом развита несливающаяся мерзлота. Влажность грунтов повсеместно равна или близка к полной влагоемкости. Расчеты, выполненные по формуле В.А. Кудрявцева в соответствии с ВСН-2-26-7, показали, что естественная влажность грунтов значительно превышает влажность порога пучения, т.е. грунты в пределах пойменного левобережного участка р. Енисея пучинистые (таблица 2.2.2.1).