Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическое обоснование инженерной защиты и геотехнического мониторинга строительства трубопроводов в криолитозоне

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическое обоснование инженерной защиты и геотехнического мониторинга строительства трубопроводов в криолитозоне"

На правах рукописи

СКАПИНЦЕВ Александр Евгеньевич

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ

ЗАЩИТЫ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540895

г 8 НОЯ 2013

Москва-2013

005540895

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Лаврусевич Андрей Александрович

Егоренков Леонид Иванович, доктор географических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный областной университет», профессор кафедры общей физической географии и охраны природы

Кроник Яков Александрович, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», доцент кафедры механики грунтов и геотехники

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

Защита состоится 18 декабря 2013 года в , 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 при ФГБОУ , ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, ул. Ярославское шоссе, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан _ ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Потапов Александр Дмитриевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие нефтегазовой отрасли в России стимулирует интенсивное строительство объектов добычи и транспортировки нефти и газа в суровых климатических и геокриологических условиях северных регионов.

В настоящее время остро стоит проблема обеспечения устойчивости, длительной эксплуатационной пригодности трубопроводных систем и напрямую связанной с этим геоэкологической безопасности территорий прокладки трасс трубопроводов, что обусловливает актуальность работы.

Трубопроводы надземной и подземной прокладки в процессе строительства и эксплуатации подвержены воздействию спектра негативных геологических процессов, угрожающих их целостности и эксплуатационной пригодности. Это, в свою очередь, несет угрозу изменения геоэкологического состояния компонентов природной среды вдоль трасс трубопроводов и влечет значительные материальные и временные расходы, связанные с ремонтными и восстановительными работами.

Поскольку трубопроводы, как правило, обладают значительной протяженностью, их трассы пролегают на территориях с различными климатическими, инженерно-геокриологическими, геоморфологическими и технологическими условиями, определяющими влияние на грунты оснований трубопроводов. Это области с повышенным снегонакоплением; районы распространения талых и многолетнемерзлых грунтов (ММГ), развития подземных льдов, перелетков, таликов, участков, сложенных льдистыми и пучинистыми грунтами, разуплотненными грунтами и торфами; протяженные склоновые участки, переходы через водотоки, пересечение с автомобильными и железными дорогами, существующими трубопроводами и т.п.

Необходимо учитывать и геоэкологический аспект строительства и эксплуатации трубопроводных систем. Строительство трубопроводных систем сопровождается значительным техногенным влиянием на окружающую среду. Оно включает широкий спектр воздействий - от разрушения почвенно-растительного слоя с последующей активизацией эрозионных процессов, до химического загрязнения почв и водотоков. Освоение месторождений осуществляется в сжатые сроки: период с начала освоения до выхода на проектную мощность составляет около 10 лет. Этот промежуток времени характеризуется большой концентрацией техники с интенсивным воздействием на окружающую среду. Геоэкологическая оценка показывает, что скорость техногенного изменения поверхностного слоя криолитозоны намного превышает скорость самовосстановления тундровых ландшафтов, что делает неизбежным активизацию различных опасных эрозионных процессов в зоне полосы строительства.

Учитывая вышеизложенное, очевидна необходимость разработки проектов инженерной защиты от развивающихся и активизирующихся

негативных процессов, позволяющих обеспечить геоэкологическую безопасность территории.

Также необходима разработка современной и эффективной сети геотехнического мониторинга для своевременного выявления нарушений технического состояния объектов трубопроводной системы и контроля геоэкологической ситуации вдоль трасс трубопроводов.

В настоящий момент имеет место дефицит методического материала по разработке комплексной инженерной защиты трубопроводов и созданию эффективной сети геотехнического мониторинга в условиях районов распространения ММГ. Используемые технические решения не обладают требуемой функциональной и экономической эффективностью, при их разработке не учтен ряд факторов, влияющих на процессы физического взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами. В существующей литературе имеют место пробелы в рекомендациях по установке элементов наблюдения сети геотехнического мониторинга, а также по части принятия управляющих решений.

Цель работы - разработка научно-методических положений геоэкологического обоснования проектов инженерной защиты и геотехнического мониторинга трубопроводов, обеспечивающих их устойчивость, требуемую несущую способность, многолетнюю эксплуатационную надежность и геоэкологическую безопасность при строительстве и эксплуатации в сложных инженерно-геологических условиях северных регионов на базе обобщения результатов работы автора с 2004 по 2013 гг. в ОАО «Фундаментпроект».

Для достижения указанной выше цели поставлены следующие задачи:

1. На основании анализа данных инженерно-геологических изысканий и строительных решений, с применением инженерно-геокриологической типизации и многоцелевого картирования, систематизировать разнообразные инженерно-геокриологические, геоморфологические и технологические условия территории прокладки трасс трубопроводов.

2. Провести геоэкологическую оценку по трассам трубопроводов с определением участков активизации и развития негативных геологических процессов (в том числе в результате влияния самих трубопроводов).

3. Обосновать необходимость организации мероприятий инженерной защиты от негативных геологических процессов и их практическую эффективность посредством прогнозных деформационных и теплотехнических расчетов.

4. Разработать рекомендации по оптимизации эффективных вариантов традиционных технических решений инженерной защиты от развивающихся и активизирующихся негативных геологических процессов, для обеспечения эксплуатационной надежности и геоэкологической безопасности, а также подтверждения экологической и экономической эффективности предлагаемых вариантов решений посредством технико-экономического сравнения вариантов.

5. Создать типовую сеть геотехнического мониторинга для основных способов прокладки трубопроводов и вдольтрассовых площадных объектов. Предложить дополнительные рекомендации по принципам размещения элементов для наблюдения за деформациями оснований сооружений, температурным режимом грунтов и гидрогеологическими параметрами территории с целью осуществления эффективного технического и геоэкологического контроля и принятия своевременных решений по предотвращению возможных внештатных ситуаций.

Научная новизна работы

1. Разработаны научно-методические положения геоэкологического обоснования комплексной разработки проектов инженерной защиты и геотехнического мониторинга, рассматривающие процесс создания проектной и рабочей документации от начальной стадии анализа исходных данных до разработки конкретных, обоснованных деформационными и теплотехническими расчетами технических решений.

2. Автором разработаны основы методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок с выделением параметров, являющихся наиболее существенными для обеспечения несущей способности основания трубопровода.

3. Разработаны оптимальные варианты традиционных технических решений по инженерной защите от негативных геологических процессов, являющиеся более эффективными с геоэкологической и экономической точки зрения, нежели применяющиеся на данный момент их аналоги.

4. Предложены рекомендации к созданию типовой сети геотехнического мониторинга объектов трубопроводных систем, более полно освещающие аспекты размещения элементов наблюдения с учетом изменения инженерно-геологических условий.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Комплексный подход при разработке проектов инженерной защиты и геотехнического мониторинга трубопроводов в северных регионах с рассмотрением всех стадий проектирования обусловливает возможность практического применения данных диссертации в качестве информационного материала при проведении аналогичных видов проектирования.

2. Предложенные автором основы методики инженерно-геокриологического районирования и номенклатуры, а также предложенные варианты технических решений применяются в проектах инженерной защиты и геотехнического мониторинга и термостабилизации грунтов в ОАО «Фундаментпроект» в период с 2004 г. по настоящее время.

3. Технические решения, разработанные для обеспечения устойчивости, эксплуатационной надежности и безаварийного функционирования трубопровода, обеспечивают геоэкологическую безопасность территории, в том числе, от развития эрозионных процессов, подтопления, оврагообразования, солифлюкции и оползания склонов в процессе строительства и эксплуатации.

4. Разработанная в соответствии с дополнительными рекомендациями типовая сеть геотехнического мониторинга объектов трубопроводных систем обеспечивает своевременное выявление нарушений технического состояния объектов и геоэкологический контроль состояния окружающей среды.

Объект и методика исследований

Объектом исследований являются строящиеся и эксплуатируемые в условиях северных регионов (районов распространения ММГ) трубопроводные системы и воздействующие на них негативные геологические процессы.

Используя в качестве исходных материалов продольные профили по трассам трубопроводов, рабочую документацию по строительным решениям, материалы топографической съемки, отчеты инженерно-геологических изысканий, данные замеров температур в скважинах и показатели физико-механических свойств грунтов, автором выполнена инженерно-геокриологическая типизация условий территории и районирование по геоморфологическим и технологическим особенностям. .

На основе результатов инженерно-геокриологической типизации проводилось многоцелевое картирование с созданием карт инженерно-геокриологического районирования, карт высот насыпей для вдольтрассовых площадных объектов, карт классификации строительных объектов и карт по подверженности опасным процессам.

С использованием систематизированных данных, полученных в результате вышеописанных действий, проведена геоэкологическая оценка по трассам трубопроводов с выделением участков активизации и развития негативных геологических процессов (под влиянием техногенных или естественных факторов), и анализом их воздействия на прилегающие территории.

Для оценки необходимости и эффективности мероприятий инженерной защиты, а также прогнозирования изменений под влиянием негативных процессов и взаимодействия объектов трубопроводной системы с ММГ в различных условиях проводился ряд деформационных и теплотехнических расчетов с использованием программных комплексов, а также методик, освещенных в нормативной литературе.

На основе данных, полученных при выполнении вышеперечисленных работ, и проведения необходимых деформационных и теплотехнических расчетов, были разработаны варианты традиционных мероприятий инженерной защиты от негативных процессов на конкретных участках. При разработке технических решений проводилось технико-экономическое сравнение вариантов и учитывались требования геоэкологической безопасности. Также были приняты во внимание результаты экспериментальных работ по тестированию эффективности технических решений с использованием современных материалов, проводившихся в 2005 г. на территории Заполярного ГНКМ.

С учетом технологических особенностей трубопроводной системы, инженерно-геологических условий и геоэкологической оценки территории

прокладки трасс трубопроводов и классов ответственности сооружений, разработана типовая сеть геотехнического мониторинга для объектов трубопроводных систем. ■

Личный вклад автора

В период работы в ОАО «Фундаментпроект» с 2004 по 2013 гг. (в отделе ОТИМ - «отдел термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга») автор принимал участие в разработке отчетов, проектной и рабочей документации по инженерной защите, геотехническому мониторингу и термостабилизации грунтов для строящихся и эксплуатируемых объектов в северных регионах (трубопроводные системы ВСТО-1 и ВСТО-И, газопровод «Бованенково-Ухта», газопровод «Алтай», нефтепроводная система «Харьяга-Индига», трубопроводная система Ванкорского нефтегазового месторождения, Заполярного ГНКМ), а также и еще более чем по 20 другим менее крупным объектам в районах распространения ММГ.

При участии автора разрабатывались технические решения инженерной защиты и геотехнического мониторинга, которые имеют свое применение на практике и их эффективность подтверждена опытом эксплуатации на вышеперечисленных объектах.

В 2005 г. автор участвовал в ряде экспериментальных работ на территории Заполярного ГНКМ. В ходе работ выделялись опытные участки, на которых воссоздавались варианты разработанных с использованием современных материалов технических решений, и проводилась последующая оценка их эффективности.

В 2009 г. при разработке рабочей документации инженерной защите, геотехническому мониторингу и термостабилизации грунтов для трубопроводной системы Заполярного ГНКМ автором были предложены основы методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок, которые используются в ОАО «Фундаментпроект» до настоящего времени при разработке подобной документации. Вместе с тем создана база типовых разрезов-колонок для инженерно-геокриологических условий различных регионов, которая используется и расширяется и в настоящее время.

При проектировании сетей геотехнического мониторинга для трубопроводных систем Ванкорского месторождения в период с 2010 по 2013 гг. автором разработаны рекомендации по принципам расстановки элементов наблюдения с • учетом изменения инженерно-геокриологических, геоморфологических и технологических условий вдоль трасс трубопроводов.

Защищаемые положения

1. Разработаны научно-методические положения геоэкологического обоснования оптимизации проектирования инженерной защиты и геотехнического мониторинга в северных регионах.

2. Основные положения методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок обеспечивают получение репрезентативных данных при систематизации инженерно-геокриологических

условий территории прокладки трубопровода с выделением параметров, наиболее существенных для обеспечения несущей способности оснований сооружений, а также при проведении многоцелевого картирования, прогнозных теплотехнических и деформационных расчетов и произведении геоэкологической оценки территории.

3. Разработанные варианты технических решений по инженерной защите от негативных геологических процессов имеют более высокую экологическую и экономическую эффективность по сравнению с традиционно используемыми решениями.

4. Предложены дополнительные рекомендации по устройству сети геотехнического мониторинга, позволяющие осуществлять более эффективное наблюдение за техническим состоянием объектов и контроль геоэкологической ситуации.

Апробация работы

Основные результаты и положения данной диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

- IX Международная конференция «Новые идеи в науках о земле». РГТРУ, 2009 г.;

- VI-я Международная конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых. РГТРУ, 2010 г.;

- Международная конференция «Инженерная защита территорий и безопасность населения» («Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safety») Engeopro-2011. Сентябрь, 2011 г., Москва;

- Международная научная конференция «Интеграции, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». Октябрь, 2011 г., МГСУ, Москва;

- Десятая международная конференция по мерзлотоведению TICOP. Июнь, 2012 г., Салехард.

Автором опубликованы 12 работ по теме диссертационного исследования; в том числе, в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК для публикации основных положений диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, - 2.

Основы методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок используются в ОАО «Фундаментпроект».

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Объем работы составляет 186 страниц, в том числе 11 таблиц и 68 рисунков. Список литературы содержит 179 наименований, в том числе 11 ссылок на иностранные источники.

Автор выражает искреннюю признательность за просмотр рукописи, советы, ценные замечания, поддержку и понимание руководителю

диссертационной работы к. г.-м. н., проф. кафедры "ИГ и ГЭ" МГСУ А.А.Лаврусевичу и заведующему кафедрой "ИГ и ГЭ" МГСУ, проф., Заслуженному геологу РФ д.т.н. А.Д. Потапову.

Считаю своим долгом вспомнить доброй памятью своего наставника, учителя, соавтора первых публикаций профессора кафедры общей физики РГГРУ (МГРИ), кандидата физ.-мат. наук |А.И. Ивашуру.|

Автор выражает благодарность своим коллегам: гл. инженеру отдела ОТИМ ОАО «Фундаментпроект» (бывший проектно-изыскательский институт «Фундаментпроект»), к.т.н. Кутвицкой Н.Б.; начальнику отдела ОТИМ к. г.-м. н. Рязанову A.B.; ГИП Шилову В.В., ГИП Иванову В.Н. и всем сотрудникам института в период с 2004 г. по настоящее время.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

Здесь же проведен литературный обзор по тематике исследований. В частности, особо отмечены работы, посвященные проблеме геоэкологического анализа изменения мерзлотно-грунтовых условий при освоении северных территорий (В.В. Баулин, Е.Б. Белопухова, Г.И. Дубиков, О.М. Иванцов, и др.). В т. ч., работы, освещающие аспекты взаимодействия объектов трубопроводных систем с ММГ оснований (М.И. Сумгин, А.Л. Ястребов, П.П. Бородавкин, Б.М. кукушкин, Г.А. Ланчаков, Г.В. Порхаев, М.А. Минкин, Е.И. Гайдаенко, В.В. Харионовский, и др.) - в частности исследования поведения малонагруженных опор или подземных трубопроводов при развитии сил морозного пучения или осадок при сезонном промерзании-оттаивании грунтов (Б.И. Далматов, В.О. Орлов, C.B. Гречищев, и др.).

Глава 1

Представлен комплекс работ на начальной стадии проектирования, включающий в себя:

1. Исходные данные. Перечень необходимых для разработки проектов инженерной защиты (ИЗ) и геотехнического мониторинга (ГТМ) исходных данных и особенности их анализа.

2. Описание основ методики инженерно-геокриологической типизации условий вдоль трассы трубопровода. Типизация проводится с целью обобщения инженерно-геокриологических условий вдоль трассы трубопровода по тем критериям, которые являются наиболее существенными для обеспечения несущей способности основания трубопровода. Это дифференциация талых грунтов и ММГ; сливающихся и несливающихся ММГ; участков развития таликов, перелетков, льдов; участки, сложенные грунтами с высокой степенью льдистости за счет ледяных включений (ij) и показателем текучести (II).

Конечным результатом типизации является набор типовых разрезов-колонок (рис. 1), на которых отображается литологический состав, границы кровли и подошвы ММГ, тип ММГ глубина СТС\СМС, блоки усредненных значений физико-механических свойств грунтов.

Предложенная система номенклатуры типовых разрезов-колонок, в отличие от простой сквозной нумерации по типам ИГЭ, является более функциональной, так как позволяет сразу, по ходу анализа геологического профиля, определять название нового разреза-колонки уже по дифференциации, например, на сливающийся или несливающийся тип ММГ по первому слою слагающих разрез грунтов. Кроме того, предлагаемая система номенклатуры позволяет, в любой момент, добавить вычлененный новый разрез к имеющимся разрезам, без нарушения уже сложившейся нумерации.

Тип Б1-1 Тип В2-1 Тип Г1-1

Физико-механические характеристики грунтоб

W ж 0,17-0,33 се.; Р" 1,73-2,01 е/см'; р.- 2,66-2,69 в/см'; pi= 1,24-1,68 е/см'; в - 0,56-1,12 д.е.; (Г, = 0J3-0.33 д.в.;

Й 18-421 де,-.05-0,12 дл

М

01,00 | 02,00 | 03,00 01,00 I 05,00 06,00 I 07,00 08,00 09,00

Цитологические разрез

Физико-механические характеристики грунтоб

W * 0,17-0,33 д.в.; р= 1.73-2,01 е/см'; Р>- 2,66-2,69 е/см'; Р4" I¿4-1.68 е/см'; е = 0,56-1,12 д.е.; WL° 0,23-0,33 д.в.;

ЙI8-<W gt; ,05-412 де.

W = 0,14-0,18 д.в.; р- ZI4 е/см'; pi* 164 е/см'; pt= 1,91 е/см'; е = 0,38-0.67 д.е.

3-й Цитологический разрез Физико -механические характеристики грунтоб

0.2-1,5 W « 3,2-3.7 д.е.; р- 1,02 е/см'; Р$~ 1,62 е/см'

1,0-2,5 02,00 lfO2L0&f.e. %,=42L0J2ge.

3.0-5,0 03,00 /// / z222 Р,* 2,64 е/см' i pd- 1,58... 1,63 е/см' \ it« 0,01 д.в.

05,00 06,00 07,00 08,00 09,00 | 10,00 WM = 0,20...0,26 д.е. Wm * 0.16...0.19 д.е. р.- 1,87... 1.95 е/см' р» 2,66...2,68 в/см' Pj= 1.48... 1.62 е/см' W. * 0.17...0.20 д.е. \lp - 0.04...0,11 д.в. 1 ¡, ш 0.07...0.14 д.е.

10,0 1 W - 0,14-0,18 д.е.; р= 2,14 е/см'; р,= 2,64 е/см'; Pf 1,91 е/см'; в * 0,38-0,67 д.е.

Рис. 1. Примеры типовых разрезов-колонок. Тип Б1-1 - несливающиеся ММГ; Тип В2-1 - талые грунты; Тип Г1-1 - перелеток

3. Многоцелевое картирование территории, при котором разрабатываются следующие виды карт:

- Карта инженерно-геокриологического районирования, отображающая информацию о инженерно-геокриологической обстановке территории.

- Карта высот насыпи для вдольтрассовых площадных объектов. Здесь выделяются зоны высотных интервалов насыпи и производится расчетная оценка потенциально возможных касательных сил морозного пучения на свайные фундаменты сооружений.

- Карта классификации строительных объектов, на которой отображаются все объекты, оказывающие влияние на трубопровод.

- Карта по подверженности опасным процессам, моделирующая вероятность возникновения негативных геологических процессов с учетом факторов, отраженных на предыдущих картах.

Вышеперечисленные комплекты карт, при наложении друг на друга позволяют получить наиболее полную информацию об условиях территории строительства.

4. Геоэкологическая оценка территории прокладки трубопроводов. Анализ взаимодействия объектов трубопроводной системы с геологической средой и вычленение участков, требующих разработки определенных технических решений.

5. Проведение деформационных и теплотехнических расчетов. С целью определения необходимости организации мероприятий ИЗ и их прогнозной эффективности в различных программных комплексах, а также по методикам, приведенным в нормативных документах, проведена серия расчетов.

Глава 2

Рассмотрены технические решения по инженерной защите (ИЗ) от негативных геологических процессов и явлений. Глава состоит из нескольких разделов, содержащих анализ традиционных мероприятий и вариантов технических решений, предложенных автором. Технико-экономическое сравнение рассмотренных вариантов приведено в таблице 1.

1. ИЗ на участках водных переходов. Предложен вариант укрепления русловой и пойменной частей водотоков с применением гибких защитных бетонных матов УГЗБМ-105 и УГЗБМ-202 (рис. 2). Маты укладываются на слой геотекстиля для предотвращения вымывания из-под них частиц грунта и крепятся к грунтовой поверхности посредством анкеровки металлическими арматурными стержнями. Секции бетонных матов скрепляются между собой металлическими скобами.

Затапливаемая Русло ЗатаплиОоемая

Рис. 2. Мероприятия инженерной защиты на участке водного перехода

Предложенный вариант технического решения обеспечивает защиту пойменной части от боковой эрозии, которая приводит к расширению речной долины, в результате чего происходит обнажение подземных трубопроводов или воздействие на опоры надземных трубопроводов. Также защищается русловая часть водотока от развития донной эрозии, приводящей к углублению русла и обнажению подземного трубопровода.

В качестве сравнительного традиционного решения рассмотрено берегоукрепление с применением железобетонных плит. Данное решение имеет ряд технических недостатков. Укладка ж\б плит весьма трудоемка по сравнению с УГЗБМ, которые возможно закреплять на вершине склона и раскатывать в направлении его падения. Необходимо устраивать надежные уступы для упора ж\б плит в русловой части (что требует производства подводных работ), а также обеспечивать песчаную подсыпку под плиты. Данное решение неприменимо для защиты трубопровода в русловой части от воздействия донной эрозии. В случае резкого понижения уровня водотока, образуется избыточное гидростатическое давление переувлажненного грунта на ж\б плиту, неуравновешенное вследствие исчезновения противодавления воды. Это может привести к деформациям плит, поскольку через их монолитную поверхность не обеспечивается свободная эксфильтрация. В то же время УГЗБМ являются относительно легкой немонолитной конструкцией, лишенной подобных недостатков.

2. Мероприятия ИЗ на участках развития солифлюкции. Протяженные склоновые участки в районах распространения ММГ крайне неустойчивы к развитию солифлюкции, что обусловлено увеличением глубины сезонного оттаивания с последующим течением оттаявшего обводненного грунта по кровле мерзлого слоя.

Здесь в качестве защитных мероприятий предлагается обоснованное теплотехническим расчетом решение, предусматривающее устройство на склоне элементов из теплозащитных экранов, с помощью которых достигается неравномерность оттаивания и утрачивается ровная поверхность скольжения

(рис. 3).

Геотекстиль

Рис. 3. Укрепление сезонно-талого слоя на склоне

12

Размеры теплозащитных экранов и их шаг определяются по результатам теплотехнических расчетов. Теплоизоляционный материал накрывается геотекстильным полотном, которое заанкеривается скобами из арматурной стали. На участках с повышенными значениями среднегодовых температур грунтов, а также с большой мощностью сезонно-талого слоя охлаждающее воздействие теплозащитного экрана возможно усилить установкой термостабилизаторов.

В качестве традиционного мероприятия рассматривается устройство удерживающего сооружения из шпунтовых микросвай, которые заглубляются в нижележащий мерзлый слой грунта и укрепляют слой сезонного оттаивания. Преимуществом данного технического решения является возможность изготовления микросвай на месте. Кроме того, такие сооружения позволяют удерживать от солифлюкционного течения слои грунта большой мощности. Однако, устройство удерживающих сооружений весьма трудоемко, требует применения спецтехники и связано со значительными материальными затратами (таблица 1).

3. Мероприятия ИЗ подземных трубопроводов на участках развития термокарста. На участках прокладки подземных трубопроводов с положительной температурой транспортируемого продукта, развивается процесс протаивания льдистых грунтов, в результате чего происходит осадка грунта и самих трубопроводов, сопровождающаяся значительными деформациями вплоть до разрыва труб.

г ш///ш //■/л. ■ ////.///> » / // р- т У/у'/// ••"' // // ///./ // ш.

ч

Рис. 4. Подземная опора с применением элементов из теплозащитных экранов, усиленная устройством вертикальных термостабилизаторов

13

Традиционные, рекомендованные СНиП 22-02-2003, мероприятия на таких участках предусматривают замену грунта, укладку на поверхности теплоизоляционных покрытий, устройство термостабилизаторов и регулирование стока поверхностных вод.

В рамках данной работы предлагается обоснованное теплотехническими расчетами решение с применением подземных опор из теплозащитных экранов, располагаемых в траншее под трубопроводом (рис. 4). При необходимости, опоры усиливаются вертикальными термостабилизаторами.

4. Мероприятия ИЗ от развития эрозионных процессов и процесса суффозии. Развитию процессов эрозии способствует нарушение почвенно-растительного слоя (ПРС) в процессе строительства, а также разуплотненное состояние грунтов обратной засыпки подземных трубопроводов. Также в грунтах обратной засыпки на склонах развивается процесс выноса подземными водами частиц грунта мелкой фракции - суффозия.

Традиционно для восстановления нарушенного ПРС используется рекультивация гидропосевом с применением различных составов, содержащих семена трав, удобрений и поливиниловый спирт. В настоящее время широкое применение находят биоматы - двуслойные материалы, содержащие семена морозостойких растений, удобрения и влагоудерживающие компоненты.

В данной работе предлагается комбинированное техническое решение, совмещающее применение биоматов и использование геосеток или геоячеек с перфорацией. Важным аспектом такого решения является его эффективность при рекультивации на легко размываемых пылеватых песчаных грунтах. Геосинтетический материал засыпается сверху слоем грунта и обеспечивает уложенным сверху прорастающим биоматам основу для укоренения, при этом дополнительно армируя вмещающий геосинтетик слой грунта на глубине. Результатом является объемное упрочнение грунта (рис. 5).

также устройство локальной противосуффозионной защиты (вариант ПСЭ-2)

Для защиты грунтов обратной засыпки от развития суффозии традиционно используются мероприятия, направленные на снижение скорости фильтрационного потока внутри траншеи: закрепление грунтов

14

силикатизацией, глинизацией, цементацией; заполнение полостей, в которые выносятся частицы грунта устойчивыми к суффозии материалами; перекрытие мест выхода подземных вод тампонированием; гидроизоляция с поверхности.

Автором предлагается устройство в траншеях на склонах противосуффозионных экранов (ПСЭ) различной модификации. Вариант ПСЭ-1 устраивается на протяженных склоновых участках (рис. 2). Элементы ПСЭ-1 из геотекстильного полотна фиксируются хомутами к трубопроводу, образуя последовательную цепочку по всей длине траншеи на склоне. Компактный вариант ПСЭ-2 также запроектирован из геотекстильного полотна и разработан для локального устройства в пределах небольших склонов (рис. 5).

5. Организму вдольтрассового водоотвода. При уклоне рельефа в сторону трубопровода или наличии пониженных участков рельефа в непосредственной близости от трубопровода необходима организация вдольтрассового водоотвода - универсального технического решения, которое применяется для предотвращения развития целого спектра негативных процессов. Водоотведение препятствует возникновению поверхностной эрозии и оврагообразования; морозного пучения и термокарста, применяется для осушения грунтов сезонно-талого слоя в целях снижения риска развития солифлюкции.

Согласно СНиП 2.06.15-85, для крепления откосов открытых дренажных канав рекомендуется использовать железобетонные плиты или каменную наброску. На практике в настоящее время применяются готовые лотки железобетонные и из стальных полутруб. Основным их недостатком является отсутствие гибкости. Под протяженными монолитными сегментами ж\б и металлических лотков происходит вымывание грунта с образованием промоин, в которые перенаправляются отводимые воды. Лотки перестают выполнять свою функцию, а далее, по мере размыва грунта под ними, претерпевают деформации вплоть до разрушения конструкции. Предлагаемые автором варианты устройства водоотводных канав запроектированы с использованием материалов с гибкими сегментами, которые сохраняют плотный контакт с грунтовой поверхностью даже в случае размыва под ними и осадки на отдельных участках.

В настоящей работе предложены два варианта устройства водоотводных канав с применением современных материалов (рис. 6). Первый вариант водоотводной канавы запроектирован с использованием универсальных гибких бетонных матов УГЗБМ-202.

Во втором варианте водоотводная канава устраивается с применением плоскостных конструкций из сетки двойного кручения, заполненных крупнообломочным каменным материалом. Конструкции укладываются на слой геотекстиля и скрепляются с помощью вязальной проволоки. Для предотвращения размыва на участках сброса воды из канав, в местах их выхода на отметку естественной поверхности предусмотрено устройство гасителей.

В качестве альтернативного варианта технического решения на протяженных склоновых участках с предельной величиной уклона естественной поверхности предлагается устройство грунтовых отбойных валов (рис. 7), устраиваемых с целью отвода поверхностных вод от траншеи трубопровода и снижения скорости и энергии размывающего потока и распределения его по площади. Шаг элементов и параметры склона, на которых требуется их устройство, определяются расчетным способом.

Рис. 7. Устройство грунтовых отбойных валов

Таблица 1. Технико-экономическое сравнение традиционных и предлагаемых вариантов технических решений инженерной защиты

Традиционное техническое решение Стоимость, руб. Предлагаемое техническое решение, год внедрения Стоимость, руб.

1 2 3 4

Мероприятия на участках водных переходов

Берегоукрепление ж\б плитами 511 960 (на 1 водный переход) Берегоукрепление матами УГЗБМ-202 по слою геотекстиля, 2008 393 133 (на 1 водный переход)

1 1 2 | 3 1 4

ИЗ на участках развития солифлюкции

Удерживающие сооружения (шпунтовая стенка из свай) 3 250 347 , (на 1000 м.п.) Устройство элементов из теплозащитных экранов с покрытием геотекстилем, 2006 371 180 (на 1000 м.п.)

ИЗ на участках развития термокарста

Замена грунта (отсыпка песчаных или песчано-гравийных грунтов) 1 560 000 (на 1000 м.п.) Устройство подземных опор с применением теплозащитных экранов,2006 978 750 (на 1000 м.п.\ на 100 опор)

Устройство надземных опор 13 802 500 (на 1000 м.п., шаг опор 20 м)

ИЗ от эрозионных процессов

Смолизация грунтов* 227 700 (на 1000 м.п.) Устройство противосуффозионных экранов. Вариант ПСЭ-2,2008 530 190 (на 1000 м.пЛна 20 элементов)

Рекультивация гидропосевом* 163 100 (на 1000 м.п.) Объемное упрочнение грунтов комбинированием геосинтетиков и биоматов, 2011 193 839 (на 1000 м.п.)

Вдольтрассовый водоотвод

Устройство водоотводных канав из ж\б лотков 2 742 641 (на 1000 м.п.) Канавы из УГЗБМ-202 по слою геотекстиля, 2009 4 142 615 (на 1000 м.п.)

Устройство водоотводных канав из металлических полутруб 9 312 660 (на 1000 м.п.) Канавы из плоскостных конструкций, заполненных щебнем, по слою геокомпозита, 2011 3 211 585 (на 1000 м.п.)

* - несмотря на более низкую стоимость отмеченных традиционных решений, они имеют ряд существенных недостатков: 1) Эффективность смолизации грунтов будет снижена, так как основные работы по строительству в р-нах распространения ММГ производятся в периоды отрицательных температур воздуха (смолы полимеризуются при 1=4-10°С). 2) Гидропосев не обеспечивает объемного упрочнения грунта, неэффективен на пылеватых песках, семена могут смываться поверхностными водами еще до их прорастания.

Глава 3

Посвящена созданию сети геотехнического мониторинга (ГТМ) трубопроводных систем. В действующей нормативной литературе и прочих источниках, регламентирующих проведение ГТМ трубопроводных систем, недостаточно освещены принципы расстановки по трассе трубопровода элементов наблюдения. В особенности это касается принципов расстановки термометрических скважин. Этот момент является принципиальным, поскольку инженерно-геокриологические, геоморфологические и технологические условия даже на небольших участках трасс трубопроводов могут значительно изменяться, что обусловит неактуальность данных, полученных в крайних точках, для соседних участков. Изменяться могут следующие факторы: длина свай в конструкциях опор надземных трубопроводов; наличие участков с потенциальным изменением теплового режима грунтов - места повышенного

17

снегонакопления или обводненные участки, тепловыделяющие объекты; изменение типов ММГ, наличие участков таликов, перелетков, подземных льдов, льдистых и текучих грунтов. Перечисленные факторы являются наиболее существенными для оценки деформаций и температурного режима грунтов оснований, поэтому установку элементов сети ГТМ необходимо производить прежде всего с их учетом.

Ввиду вышеизложенного, в рамках 3 главы разработан ряд дополнительных рекомендаций по расстановке отдельных элементов сети ГТМ трубопроводных систем. В главе освещаются следующие аспекты:

1. Состав сети ГТМ. Описаны элементы сети ГТМ, с помощью которых осуществляются различные виды наблюдений: грунтовые реперы, деформационные марки, гидрогеологические и термометрические скважины, точки снегомерной съемки. Приведены чертежи с предлагаемыми вариантами конструкций элементов сети ГТМ и рекомендации по принципам их установки.

2. Проведение наблюдений. Состав, точность и периодичность наблюдений, осуществляемых в рамках выполнения ГТМ, обеспечивающие получение необходимого набора параметров, позволяющего достоверно определить текущее состояние объекта, а также спрогнозировать возможное изменение ситуации в течение ближайших 1-3 лет с целью выработки на ранних стадиях развития отклонений необходимых мероприятий по стабилизации ситуации. Рассмотрен необходимый состав сотрудников для осуществления наблюдений на линейной части и вдольтрассовых площадных объектах трубопроводных систем.

3. Принятие управляющих решений. Приведены основные наблюдаемые параметры, которые имеют строго определенные предельно допустимые значения и характеризуют безопасность эксплуатации объектов. Рассмотрен порядок принятия решений по предотвращению возможных внештатных ситуаций.

Заключение

Результаты диссертации формулируют научно-методические положения для проектирования документации по инженерной защите и геотехническому мониторингу трубопроводных систем, которые возможно применять на практике в качестве методического материала при разработке аналогичных проектов.

В диссертации рассмотрены все этапы проектирования от начальной стадии анализа исходных данных до принятия конкретных решений инженерной защиты, обоснованных деформационными и теплотехническими расчетами, экспериментальными данными, статистикой успешного применения на практике и технико-экономическим сопоставлением вариантов.

Выводы

1. С использованием данных инженерно-геологических изысканий и архитектурно-строительных решений были проведены инженерно-

геокриологическая типизация и многоцелевое картирование территории прокладки трубопроводов с последующей систематизацией разнообразных инженерно-геокриологических, геоморфологических и технологических условий территории строительства. Инженерно-геокриологическая типизация основана на предложенных автором методических подходах. Систематизированные данные отображены в созданных типовых инженерно-геокриологических разрезах-колонках и мерзлотных картах, комплектах карт высот насыпей, карт классификации строительных объектов и карт районирования по подверженности опасным процессам.

2. На основании систематизированных исходных данных произведена геоэкологическая оценка территории прокладки трубопроводов с определением участков активизации и развития негативных геологических процессов и явлений. Особо внимание уделено подробному анализу изменения геоэкологической ситуации под влиянием процесса строительства и эксплуатации трубопроводов. Оценена степень воздействия рассмотренных негативных геологических процессов на прилегающих к трубопроводам территориях.

3. Посредством ряда прогнозных деформационных и теплотехнических расчетов обоснована необходимость организации мероприятий инженерной защиты от негативных геологических процессов. Дополнительно, расчетным путем определена прогнозируемая эффективность предлагаемых к использованию вариантов технических решений.

4. С целью обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов и геоэкологической безопасности территории прокладки разработаны более эффективные варианты традиционных технических решений инженерной защиты от развивающихся и активизирующихся негативных геологических процессов и явлений. Геоэкологическая и экономическая эффективность предложенных мероприятий подтверждена технико-экономическим сравнением с традиционными решениями, а также опытом их применения на строящихся и эксплуатируемых объектах.

5. Разработана типовая сеть геотехнического мониторинга для основных способов прокладки трубопроводов и вдольтрассовых площадных объектов, позволяющая оценивать необходимые параметры, являющиеся наиболее существенными для обеспечения несущей способности основания трубопроводов. Предложены дополнительные рекомендации по размещению элементов наблюдения за деформациями оснований сооружений, температурным режимом грунтов и гидрогеологическими параметрами территории. С использованием предложенных рекомендаций возможно осуществлять эффективный технический и геоэкологический контроль трубопроводных систем, а также принимать своевременные решения по предотвращению возможных внештатных ситуаций.

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Скапинцев АЕ. Типизация инженерно-геокриологических условий и создание инженерно-геокриологических карт участка прокладки проектируемой трубопроводной системы на территории Ванкорского месторождения // Инженерные изыскания - М.: 2013. • №б. - С. 30-39.

2. Скапинцев АЕ., Потапов А.Д., Лаврусевич A.A. Инженерная защита трубопроводов от эрозионных процессов // Вестник МГСУ-М.: 2013. - № 7. - С. 140—151.

Публикации в других научных изданиях:

1. Ивашура АИ., Скапинцев А.Е. К оценке глобального потепления на районы распространения многолетнемерзлых пород / Тезисы // Международная конференция. - М.: РГГРУ, 2008. — С. 74-75.

2. Ивашура А.И., Скапинцев А.Е. К оценке глобального потепления на районы распространения многолетнемерзлых пород / Тезисы. Доклад // Научно-практическая конференция «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданских и промышленных комплексов города Москвы». — М.: РГГРУ,2008 . - С. 289.

3. Ивашура АИ., Киселев В.А., Скапинцев АЕ. Влияние глобального потепления на деградацию вечной мерзлоты, освоение и разработку месторождений нефти и газа, других полезных ископаемых в криолитозоне /Тезисы, доклад // IX Международная конференция: «Новые идеи в науках о земле». - М.: РГГРУ, 2009. - С. 86.

4. Ивашура АИ., Киселев В. А., Скапинцев АЕ. Химическое закрепление грунтов при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых / Тезисы, доклад // VI-я Международная конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: РГГРУ, 2010. - С. 233-234.

5. Ивашура АИ., Киселев В.А., Скапинцев А.Е. Глобальное потепление и перспективы добычи полезных ископаемых из россыпных месторождений криолитозоны России / Тезисы, доклад // X Международная конференция «Новые идеи в науках о земле». -М.: РГГРУ, 2011.-С. 42.

6. A.V. Ryazanov, N.B. Kutvitskaya, V.D. Kaurkin, АЕ. Skapintsev. Measures Of Engineering Protection From Hazardous Engineering Geological Processes And Geotechnical Monitoring Of Pipelines In Northern Regions // Международная конференция «Инженерная защита территорий и безопасность населения» («Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safety») Engeopro-2011. -M.: 2011. - C. 222.

7. Рязанов A.B., Кутвицкая Н.Б., Скапинцев A.E., Инженерная защита трубопроводов подземной прокладки от эрозионных процессов // Международная научная конференция «Интеграции, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М.: МГСУ, 2011.-С.354-358.

8. Кутвицкая Н.Б., Рязанов A.B., Скапинцев А.Е, Икан A.B. Инженерная защита трубопроводов от опасных инженерно-геологических процессов в условиях северных регионов // Десятая международная конференция по мерзлотоведению Т1СОР. - Т.: 2012. -С. 170-171.

9. A.A. Lavrusevich, АЕ. Skapintsev. Loess Pseudokarst // Global View of Engineering Geology and the Environment. - Wu & Qi (eds), 2013 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-1-138-00078-0.

10. Скапинцев A.E. Инженерная защита трубопроводов на водных переходах // материалы международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (VI—е научные чтения Н.Я. Денисова), М.: МГСУ, 2013. -С. 10-11.

Подписано в печать: 13.11.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 1031 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Скапинцев, Александр Евгеньевич, Москва

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

04201451639 На правах рукописи

Скапинцев Александр Евгеньевич

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ

ЗАЩИТЫ И ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальность: 25.00.36 «Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат геолого-минералогических наук, доцент Лаврусевич Андрей Александрович

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................... 4

1 Глава 1. Предварительный этап работ

1.1 Анализ исходных данных......................................................... 22

1.2 Типизация инженерно-геокриологических условий территории строительства........................................................................ 25

1.3 Многоцелевое картирование территории строительства.................. 31

1.4 Геоэкологическая оценка территории строительства....................... 44

1.5 Проведение прогнозных расчетов.............................................. 49

2 Глава 2. Разработка технических решений инженерной защиты трубопроводов

2.1 Графическое оформление проектов инженерной защиты.................. 60

2.2 Выбор мероприятий инженерной защиты..................................... 61

2.3 Мероприятия инженерной защиты на переходах через водотоки........ 62

2.4 Мероприятия инженерной защиты от развития солифлюкции........... 72

2.5 Мероприятия инженерной защиты трубопроводов на участках развития термокарста............................................................... 83

2.6 Мероприятия инженерной защиты от эрозионных процессов............ 103

2.7 Мероприятия инженерной защиты трубопровода при действии нормальных сил морозного пучения грунтов................................. 112

2.8 Мероприятия инженерной защиты на протяженных склоновых участках с предельной величиной угла наклона естественной поверхности.......................................................................... 120

2.9 Организация поверхностного водоотвода..................................... 125

3 Глава 3. Разработка сети геотехнического мониторинга

3.1 Введение.............................................................................. 132

3.2 Графическое оформление проектов геотехнического мониторинга ..... 136

3.3 Состав сети геотехнического мониторинга.................................... 137

3.4 Методика ГТМ геотехнического мониторинга.............................. 147

3.5 Принятие управляющих решений............................................... 156

Заключение........................................................................... 168

Литература........................................................................... 170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Развитие нефтегазовой отрасли в России стимулирует интенсивное строительство объектов добычи и транспортировки нефти и газа в суровых климатических и геокриологических условиях северных регионов.

В настоящее время остро стоит проблема обеспечения устойчивости, длительной эксплуатационной пригодности трубопроводных систем и напрямую связанной с этим геоэкологической безопасности территорий прокладки трасс трубопроводов, что обусловливает актуальность работы.

Практика эксплуатации трубопроводов показывает, что именно трубопроводные системы являются наиболее уязвимым звеном в промысловой системе подготовки, сбора и транспортировки нефти и газа [Авдеенко Н.И., 1982]. Трубопроводы надземной и подземной прокладки в процессе строительства и эксплуатации подвержены воздействию спектра негативных геологических процессов, угрожающих их целостности и эксплуатационной пригодности. Это, в свою очередь, несет угрозу изменения геоэкологического состояния компонентов природной среды вдоль трасс трубопроводов и влечет значительные материальные и временные расходы, связанные с ремонтными и восстановительными работами.

Экстремальные природно-климатические условия северных регионов и особенности эксплуатации трубопроводов в многолетнемерзлых грунтах (ММГ) предъявляют повышенные требования к конструкциям опор и техническим решениям оснований [ВСН 013-88].

Поскольку трубопроводы, как правило, обладают значительной протяженностью (рис. 1), их трассы пролегают на территориях с различными климатическими, инженерно-геокриологическими, геоморфологическими и технологическими условиями, определяющими влияние на грунты оснований трубопроводов. Это области с повышенным снегонакоплением; районы

распространения талых и многолетнемерзлых грунтов, развития подземных льдов, перелетков, таликов, участков, сложенных льдистыми (потенциально просадочными) и пучинистыми, карстующимися, разуплотненными грунтами и торфянниками [Геокриологическая карта СССР, 1991; Геокриология СССР, 1989], разуплотненными грунтами и торфами; протяженные склоновые участки, переходы через водотоки, пересечение с автомобильными и железными дорогами, существующими трубопроводами, прочие тепловыделяющие объекты, различные климатические зоны и т.п.

Необходимо учитывать и геоэкологический аспект строительства и эксплуатации трубопроводных систем. Строительство трубопроводных систем сопровождается значительным техногенным влиянием на окружающую среду [Ананенков А.Г. и др., 2000; Бондаренко Г.И., 2003]. Оно включает широкий спектр воздействий - от разрушения почвенно-растительного слоя с последующей активизацией эрозионных процессов, до химического загрязнения почв и водотоков [Булатов А.И. и др., 1997]. Освоение месторождений осуществляется в сжатые сроки: период с начала освоения до выхода на проектную мощность составляет около 10 лет. Этот промежуток времени характеризуется большой концентрацией техники с интенсивным воздействием на окружающую среду.

Геоэкологическая оценка показывает, что скорость техногенного изменения поверхностного слоя криолитозоны намного превышает скорость самовосстановления тундровых ландшафтов, что делает неизбежным активизацию различных опасных эрозионных процессов в зоне полосы строительства.

Интенсивность аварий на трубопроводах в России в 1996-2000 гг. составила [Иванцов О.М., Фролова Ю.А., 2001 г] на 1000 км: 1996 г - 0.24, 1997 г - 0.26, 1998 г - 0.18, 2000 г - 0.21. В качестве причин аварий брак строительно-монтажных работ составляет 13%, механические повреждения -22.5%. В северных регионах интенсивность аварий на трубопроводах, в процентном соотношении к остальным регионам безусловно больше.

Рис. 1 Схема трубопроводных систем, для которых разрабатывались технические решения инженерной защиты и геотехнического мониторинга, представленные в данной диссертационной работе (разработано автором)

Учитывая вышеизложенное, очевидна необходимость разработки проектов инженерной защиты от развивающихся и активизирующихся негативных геологических процессов и явлений, позволяющих обеспечить геоэкологическую безопасность территории [ВСН 014-89; Комментарий к Закону РФ..., 1995; ВСН 51-1-80].

В подобных условиях от качества и объема принятых технических решений существенно зависят и будущие материально-технические расходы, направленные на поддержание эксплуатационной надежности трубопроводов [Материалы совещания..., 2003].

Также очевидна необходимость разработки современной и эффективной системы геотехнического мониторинга для наблюдения за деформациями трубопроводов и их опор, температурным режимом грунтов оснований, гидрологическим режимом грунтовой толщи и прочими определяющими параметрами для своевременного выявления нарушений технического состояния данных объектов и контроля геоэкологической ситуации среды вдоль трасс трубопроводов [Королев В.А., 1995; СТО Газпром 2-3.1-071-2006; СТО Газпром 2-3.1-072-2006].

В настоящий момент данная проблема не имеет достаточного освещения в доступной литературе. Имеет место дефицит методического материала по разработке комплексной инженерной защиты трубопроводов и созданию эффективной сети геотехнического мониторинга в условиях районов распространения многолетнемерзлых грунтов. Используемые технические решения не обладают требуемой функциональной и экономической эффективностью, при их разработке не учтен ряд факторов, влияющих на процессы физического взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами [Пазиняк В.В., 2002]. К этим факторам относятся: рельеф территории, нарушение почвенно-растительного слоя, изменение величины снежного покрова, изменение теплового режима грунтов при подтоплении и на участках пересечения водотоков, нарушение природных процессов

оттаивания и промерзания грунтов в зоне влияния подземных трубопроводов.

В существующей литературе имеют место пробелы в рекомендациях по установке элементов сети геотехнического мониторинга (в частности, отсутствует эффективная концепция установки термометрических скважин для различных условий), а также по части принятия управляющих решений.

Цель диссертационной работы

Разработка научно-методических положений геоэкологического обоснования проектов инженерной защиты и геотехнического мониторинга трубопроводов, обеспечивающих их устойчивость, требуемую несущую способность, многолетнюю эксплуатационную надежность и геоэкологическую безопасность при строительстве и эксплуатации в сложных инженерно-геологических условиях северных регионов на базе обобщения результатов работы автора с 2004 по 2013 гг в ОАО «Фундаментпроект».

Для достижения указанной выше цели поставлены следующие задачи:

1. На основании анализа данных инженерно-геологических изысканий и строительных решений, с применением инженерно-геокриологической типизации и многоцелевого картирования, систематизировать разнообразные инженерно-геокриологические, геоморфологические и технологические условия территории прокладки трасс трубопроводов.

2. Провести геоэкологическую оценку по трассам трубопроводов с определением участков активизации и развития негативных геологических процессов (в том числе в результате влияния самих трубопроводов).

3. Обосновать необходимость организации мероприятий инженерной защиты от негативных геологических процессов и их практическую эффективность посредством прогнозных деформационных и теплотехнических расчетов.

4. Разработать рекомендации по оптимизации эффективных вариантов традиционных технических решений инженерной защиты от развивающихся и активизирующихся негативных геологических процессов, для обеспечения эксплуатационной надежности и геоэкологической безопасности, а также подтверждения экологической и экономической эффективности предлагаемых вариантов решений посредством технико-экономического сравнения вариантов.

5. Создать типовую сеть геотехнического мониторинга для основных способов прокладки трубопроводов и вдольтрассовых площадных объектов. Предложить дополнительные рекомендации по принципам размещения элементов для наблюдения за деформациями оснований сооружений, температурным режимом грунтов и гидрогеологическими параметрами территории с целью осуществления эффективного технического и геоэкологического контроля и принятия своевременных решений по предотвращению возможных внештатных ситуаций.

Научная новизна работы

1. Разработаны научно-методические положения геоэкологического обоснования комплексной разработки проектов инженерной защиты и геотехнического мониторинга, рассматривающие процесс создания проектной и рабочей документации от начальной стадии анализа исходных данных до разработки конкретных, обоснованных деформационными и теплотехническими расчетами технических решений.

2. Автором разработаны основы методики инженерно-геокриологической типизации и номенклатуры типовых разрезов-колонок с выделением параметров, являющихся наиболее существенными для обеспечения несущей способности основания трубопровода.

3. Разработаны оптимальные варианты традиционных технических решений по инженерной защите от негативных геологических процессов,

являющиеся более эффективными с геоэкологической и экономической точки зрения, нежели применяющиеся на данный момент их аналоги.

4. Предложены рекомендации к созданию типовой сети геотехнического мониторинга объектов трубопроводных систем, более полно освещающие аспекты размещения элементов наблюдения с учетом изменения инженерно-геологических условий.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Комплексный подход при разработке проектов инженерной защиты и геотехнического мониторинга трубопроводов в северных регионах с рассмотрением всех стадий проектирования обусловливает возможность практического применения данных диссертации в качестве информационного материала при проведении аналогичных видов проектирования.

2. Предложенные автором основы методики инженерно-геокриологического районирования и номенклатуры, а также предложенные варианты технических решений применяются в проектах инженерной защиты и геотехнического мониторинга и термостабилизации грунтов в ОАО «Фундаментпроект» в период с 2004 г по настоящее время.

3. Технические решения, разработанные для обеспечения устойчивости, эксплуатационной надежности и безаварийного функционирования трубопровода, обеспечивают геоэкологическую безопасность территории, в том числе, от развития эрозионных процессов, подтопления, оврагообразования, солифлюкции и оползания склонов в процессе строительства и эксплуатации.

4. Разработанная в соответствии с дополнительными рекомендациями типовая сеть геотехнического мониторинга объектов трубопроводных систем обеспечивает своевременное выявление нарушений технического состояния объектов и геоэкологический контроль состояния окружающей среды.

Объект и методика исследований

Объектом исследований являются строящиеся и эксплуатируемые в условиях северных регионов (районов распространения многолетнемерзлых грунтов) трубопроводные системы и воздействующие на них негативные геологические процессы.

Используя в качестве исходных материалов продольные профили по трассам трубопроводов, рабочую документацию по строительным решениям, материалы топографической съемки, отчеты инженерно-геологических изысканий, данные замеров температур в скважинах и показатели физико-механических свойств грунтов, автором выполнена инженерно-геокриологическая типизация условий территории и районирование по геоморфологическим и технологическим особенностям.

На основе результатов инженерно-геокриологической типизации проводилось многоцелевое картирование с созданием карт инженерно-геокриологического районирования, карт высот насыпей для вдольтрассовых площадных объектов, карт классификации строительных объектов и карт по подверженности опасным процессам.

С использованием систематизированных данных, полученных в результате вышеописанных действий, проведена геоэкологическая оценка по трассам трубопроводов с выделением участков активизации и развития негативных геологических процессов (под влиянием техногенных или естественных факторов), и анализом их воздействия на прилегающие территории.

Для оценки необходимости и эффективности мероприятий инженерной защиты, а также прогнозирования изменений под влиянием негативных процессов и взаимодействия объектов трубопроводной системы с многолетнемерзлыми грунтами в различных условиях проводился ряд деформационных и теплотехнических расчетов с использованием расчетных программных комплексов, а также методик, освещенных в нормативной литературе.

На основе данных, полученных при выполнении вышеперечисленных работ, и проведения необходимых деформационных и теплотехнических расчетов, были разработаны варианты традиционных мероприятий инженерной защиты от негативных процессов на конкретных участках. При разработке технических решений проводилось технико-экономическое сравнение вариантов и учитывались требования геоэкологической безопасности. Также были приняты во внимание результаты экспериментальных работ по тестированию эффективности технических решений с использованием современных материалов, проводившихся в 2005 г на территории Заполярного ГНКМ.

С учетом технологических особенностей трубопроводной системы, инженерно-геологических условий и геоэкологической оценки территории прокладки трасс трубопроводов и классов ответственности сооружений, разработана типовая сеть геотехнического мониторинга для объектов трубопроводных систем.

Личный вклад автора

В период работы в ОАО «Фундаментпроект» с 2004 по 2013 гг (в отделе ОТИМ - «отдел термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга») автор принимал участие в разработке отчетов, проектной и рабочей документации по инженерной защите, геотехническому мониторингу и термостабилизации грунтов для строящихся и эксплуатируемых объектов в северных регионах (трубопроводные системы ВСТО-1 и ВСТО-Н, газопровод «�