Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Наледообразование и его прогноз при строительстве и эксплуатации трубопроводов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Наледообразование и его прогноз при строительстве и эксплуатации трубопроводов"

ГОССТРОЙ РСФСР

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО- ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ

НАЛЕДООБРАЗОВАНИЕ И ЕГО ПРОГНОЗ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ (НА ПРИМЕРЕ СЕВЕРОВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ЕНИСЕЙСКОГО СЕВЕРА)

Специальность 04.00.07 - "Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНИИИС)

На правах рукописи

РИВКИН Феликс Менделеевич

УДК 551.328.4

Москва 1990

Работа выполнена в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерши изысканиям в строительстве Госстроя Р(Ж!Р и Всесоюзном научно-исследовательском институте по строительству магистральных трубопроводов Шннефтегазстроя СССР.

Научный руководитель - доктор геолого-минера.огических наук, ведущий научный сотрудник С.М.£отнев.

Консультант - доктор географических наук, ведущий научный сотрудник М.М.Корейша.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Н.Н.Романовский, кандидат геолвго-минералогических наук, ведущий научный сотрудник С.Е.Суходольский.

Ведущая организация: Всесоюзный научно-исследовательский институт природных газов (ВНИИГАЗ).

Защита состоится "30 " О^^-Яс^Л 1990 г. ъ/3 часов на заседании специализированного совета К 033.11.01. Производственного и научно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя РСФСР по адресу:

105058 Москва, Окружной проезд, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИИИС.

Автореферат разослан " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералогических наук О.В.Слинько

ОВВДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Опыт строительства и эксплуатации магистральных трубопроводных систем указывает на необходимость изучения сложного процесса работы трубопроводов в условиях активного воздействия на него всего комплекса инженерно-геокриологических процессов и явлений, в том числе и наледообразования. Это необходимо для обоснования мероприятий и конструктивных решений, обеспечивающих надежное функционирование этих дорогостоящих и опасных, в случае аварии, сооружений. Обоснование противоналедных мероприятий и выбор конструктивных решений не возможен без анализа механизма воздействия наледей на трубопровод. Именно эта часть проблемы практически не изучена. При этом, существенные отличия (конструктивные, технологические, эксплуатационные) трубопроводов от других линейных сооружений требуют развития теории техногенного наледообразования и практического прогноза наледей при сооружении и эксплуатации трубопроводов.

Цель работы - на основе изучения региональных закономерностей образования и распространения наледей установить закономерности техногенного наледообразования на трассе газопровода Мессояха-Норильск, исследовать механизм воздействия наледей на работу его конструкций и разработать метод прогноза наледей при строительстве и эксплуатации трубопроводов. Это определило круг задач, решаемых в настоящей работе:

- установить региональные закономерности влияния геолого-географических факторов на формирование наледей;

- разработать региональную генетическую классификацию наледей;

- исследовать региональные особенности формирования и распространения естественных наледей;

- установить закономерности формирования техногенных наледей на трассе газопровода;

- установить вида воздействия наледей и сопутствующих процессов на надземный газопровод и установить степень опасности этого воздействия;

- разработать метод прогноза наледей вод грунтово-фильтра-ционных таликов при строительстве и эксплуатации трубопроводов.

Основные результаты исследований и их научная новизна заключаются в следующем:

- установлены региональные закономерности влияния геолого-географических факторов на формирование наледей, определяющие их пространственную и временную изменчивость в регионе;

- разработана региональная генетическая классификация -налздей

- исследованы региональные особенности формирования и распространения естественных наледей;

- установлены закономерности формирования техногенных наледей на трассе газопровода;.

- установлены и исследованы вида воздействия наледей на надземный газопровод и проведена количественная оченка этого воздействия; у

- разработана специальная классификация наледей по степени их опасности для надземного газопровода;

- разработан метод прогноза наледей вод грунтово-фильтрацион-ных таликов, основанный на количественной оценке, возможности прорыва грунтовых вод через перекрывающие отложения.

Практическое значение работы состоит в том, что результаты проведенных исследований могут быть использованы при инженерно-геодогических изысканиях для трубопроводного строительства с

целью выбора конструктивных решений переходов через наледоопасные участки и для выбора противоналедных мероприятий. Материалы, содержащиеся в настоящей работе, в виде отчетов и рекомендаций по обеспечению надежности газопровода на наледных участках переданы ПО "Норильскгазпром"; использованы при разработке методических, справочных, информационных материалов по строительству трубопроводов на наледоопасннх участках.

Личный вклад автора. Работа выполнена на основе результатов полевых (режимных и экспедиционных) исследований, полученных и обработанных лично автором и при его непосредственном участии в течение 1979-1986 г.г. Автором сделана теоретическая, экспедиционная и расчетная части работы, включая и постановку задач.

Апробация работы. Основные материалы докладывались на научных конференциях и семинарах ВНИИСТа (1981, 1986 г.г.), ПНИИИСа (1983, 1987 г.г.), геологического факультета 'ЛГУ (1984, 1987 г.г.), на секции Прочности и надежности трубопроводов Ученого совета ВНИИСТа.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 130 страниц машинописного текста, который иллюстрируется 95 графиками, схемами, картами, разрезами, фотографиями и 18 таблицами. Список исполь-зованой литературы включает 113 названий работ отечественных и зарубежных авторов.

Диссертационная работа выполнена в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя РСФСР под руководством д.г.-м.н. С. Я.Фотиева и консультанта д.г-м.н. М.^.Корейши и во Всесоюзном научно-исследовательском институте строительства магистральных трубопроводов Мин-нефтегазстроя СССР под руководством к.г.-м.н. Л.М.Демидок. Поль-

зуясь случаем автор выражает им свою искреннюю благодарность. Автор глубоко признателен за помощь, оказанную в процессе работы над диссертацией сотрудникам лаборатории геокриологического прогноза ПНИИИСа, ВНШСТа, кафедры геокриологии геологического факультета МГУ, ИШС АН СССР, ВНИИгидротрубопровод, Норильской гидрологической экспедиции, которые советами, помощью, критическими замечаниями содействовали завершению этой работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. Закономерности влияния геолого-географических

факторов на формирование условий наледообразования

Формирование условий наледообразования определяется сочетанием и взаимодействием целого комплекса природных факторов: гидрометеорологических условий, рельефа, гидрогеокриологических условий. Роль выделенных факторов в формировании условий наледообразования рассмотрена в работах ¡И.И.Сумгина, Н.И.Толстихина, А.М.Чекотилло, П.Ф.Швецова, А.А.Цвида, С.М.Фотиева, М.Н.Корейши, Н.Н.Романовского, В.Р.Алексеева, Б.Л.Соколова, О.Н.Толстихина и многих других.

Особенность анализа природных факторов наледообразования определяется положением территории исследования, включающей северовосточный сектор Западной Сибири и северо-западаый сектор Средней Сибири. При анализе роли факторов и формирования региональных условий наледообразования автором использовались методические положения, разработанные В.Р.Алексеевш и Б.Л.Соколовым (1980, 1984 г.г.) и теоретические положения, лежащие в основе мерзлотной съемки (Методика..., 1979 г.).

4

Низкие среднезимнпе температуры воздуха ( t ср.зим. = -17,6 + -19,5°С) способствующие глубокому промерзанию водоносных горизонтов и, следовательно, образованию наледей, устанавливаются ежегодно на всей территории.

Закономерности влияния снежного покрова на наледообразование изучались многими исследователями. В целом, влияние.снежного покрова проявляется как фактор регуляции режима промерзания фильтрационного потока и как фактор увеличения мощности наледи.

Выпадение снега на всей территории происходит практически одновременно. Устойчивый снежный покров устанавливается в конце сентяб-ря-начале октября. На фоне регионального возрастания высоты снежного покрова с севера на юг (от 0,22 до 0,75 м), установлено увеличение его высоты в низовьях Енисея (до 0,4-0,6 м). В результате ветрового перераспределения снега, происходит его повышенное накопление (более 2 м) в логах, долинах ручьев, залесенных и подветренных склонах. Это способствует существованию на таких участках несквозных таликов и определяет в них режим промерзания потоков грунтовых вод, обеспечивая быстрое промерзание путей движения грунтовых вод (на открытых участках); - существование потока грунтовых вод большую часть зимы (на залесенных и подветренных склонах); - существование потока грунтовых вод в течение всей зимы -(в логах, долинах ручьев и рек, промерзающих до дна).

Установлена зависимость наледообразования от соотношения температурного режима воздуха, со сроком установления и динамикой накопления снега в октябре-декабре, выражающаяся в активизации наледообразования в годы, когда скорость промерзания грунтов опережает скорость падения уровня грунтовых вод.

Важнейший источник питания наледообразующих вод - летне-осенние осадки. Колебания их количества существенно влияют на изменения ре-

жима и размеров наледей. В равнинной (западно-сибирской) части территории, на основе выявленной неравномерности (по годам) атмосферного питания грунтовых вод в летне-осенний период (от 70 до 222 мм), • установлена эмпирическая зависимость возможности возникновения наледей от количества довдевшс вод. Наледи образуются когда (при прочих равных условиях) количество дождевых вод за сезон превышает 100 мм. В горной части территории (плато Хараелах, Лоитокойский камень) большое количество дождевых вод (до 284 мм) обеспечивает ежегодное формирование наледей. Изменения количества додцевых вод по годам влияет только на изменения объемов и динамики формирования наледей.

По характеру речного стока территория подразделяется на две части - равнинную и горную. Большинство рек в обоих частях промерзает до дна, а летом имеет постоянный сток. Отличительная особенность -характер стока притоков Ш-1У порядков. В горной части территории после весеннего и осеннего паводков они быстро, из-за больших продольных уклонов (до 0,03) теряют расход и пересыхают. В равнинной части территории притоки рек имеют, как правило, постоянный сток в летнее время, несмотря на достаточно большие продольные уклоны долин (до 0,02). В начале зимы сток из дренируемых озер способствует медленному падению уровня грунтовых вод в несквозном талике, создавая условия для образбвания наледей вод грунтово-фильтрационных таликов.

Интенсивный сброс промстоков в реки в районе Норильска вызвал существенное изменение режима поверхностного стока, оно проялилось: в появлении круглогодичного речного стока на участках сброса промстоков; увеличений (до 3,2 г/л) минерализации воды; увеличении количества механических примесей в воде (до 10 г/л). Это привело к активному образованию наледей промстоков, которые соединяясь между со . бой и ледяным покровом озер образуют обширные наледные поля.

Рельеф района, как один из факторов наледообразования, сущест-

венно влияет на мощность и закономерности распространения водоносных комплексов, в первую очередь, позднекайнозойских отложений, а также обуслав-ливает различие гидрогеокриологических условий водораздельных участков и долин. Оценка влияния рельефа на наледообразование проведена по двум показателям: - глубине эрозионного вреза речных долин, как основного фактора формирования в днищах долин отложений, которые можно рассматривать как потенциальный коллектор наледообразующих вод; - величине продольных уклонов речных долин, как фактора, определяющего величину гидравлического уклона потока наледообразующих вод. Настроена схема (масштаба 1:1000000) и выделены по орографическим признакам участки с наиболее благоприятными условиями формирования гидравлических напоров грунтовых вод в водоцроводящих таликах.

В результате анализа гидрогеокриологических условий установлены закономерности распределения по территории устойчивых штоков наледообразующих вод, разнообразие последних определяет и разнообразие генетического состава наледей. Устойчивые потоки наледообразующих вод существуют: - в пределах СТО, сложенного хорошо проницаемыми щебнистыми и гравийно-галечными отложениями с песчаным заполнителем (в горной части); в грунтово-фильтрационных таликах, сложенных гравийно-галечными и песчаными отложениями в долинах рек, промерзающих до дна (в равнинной и горной частях), а также в долинах глубоких логов (глубина вреза более 25 м) в области развития с поверхности отложений, содержащих большое количество крупно-обломочного материала (в равнинной части); - в водовыводящих напорно-фильтрационных таликах, приуроченных к тектоническим нарушениям (в горной части); - в водоцроводящих таликах на переуглубленных участках эрозионно-тектонических долин, расчленяющих плато и сложенных гравийно-галечно-валунными и песчаными отложениями (в горной части).

ГЛАВА П. Региональные особенности формирования и распространения естественных наледей.

Глава посвящена решению вопросов региональной систематизации наледей, установлению региональных закономерностей пространственной изменчивости наледообразования и особенностей формирования природных наледей.

Основы генетического подхода к систематизации вдледей были заложены Н.И.Толстихиным и получили свое развитие в трудах М.И.Сумгина, Н.И.Романовского, С.М.Большакова, М.М.Корейши, В.Р.Алексеева, О.Н.Тол-стихина, И.М.Осокина и др.

Важной частью процесса наледообразования, во многом определяющей разнообразие наледей, является механизм наледообразования. Это положение частично было учтено В.В.Кравченко (1983) в предложенной им классификации наледей на реках, М.М.Корейшей в классификаторе наледей .и В.Р.Алексеевым (1987) в общей генетической классификации наледей. Наш предложена региональная генетическая классификация наледей, которая учитывает не только генезис наледообразующих вод, но и механизм образования наледей. Выделение механизма наледообразования в качестве классификационного признака позволило конкретизировать видовой состав наледей иразделить генетически однородные наледи по механизму их образования. Выделено девять видов и двадцать один подвид наледей, из них, соответственно, пять и девять наледей подземных вод.

Разработана схема районирования территории (в масштабе 1:1000000) по видовому составу наледей, отражающая пространственную неоднородность наледообразования. Выделено три наледных района: устойчивого, ограниченного и локально-эпизодического наледообразования.

Район устойчивого наледообразования расположен в цределах средне-сибирской части территории. Для него характерен глубоко расчлененный платообразный рельеф с узкими, часто переуглубленными эрозионно-

тектоническими долинами. Сплошное распространение криогенных толщ, характерное для всей области исследования, здесь нарушается сквозными водно-тепловыми таликами под крупными озерами, реками и вблизи тектонических нарушений, создавая условия для интенсивного водообмена поверхностных и подземных вод. Хорошие условия для водообмена обеспечивают как генетическое разнообразие наледей, так и усточивость наледопроявлений в многолетнем цикле. Под действием напорного, подпорного и криогенно-напорного механизмов наледообразования в этом районе формируются наледи подземных вод пяти видов и девяти подвидов.

Район локально-эпизодического наледообразования расположен в пределах западно-сибирской части территории. Он представляет собой полого-волнистую равнину, местами сильно расчлененную (Хетская и Танам-ская возвышенности). Для района характерно сплошное распространение мерзлых толщ, которое нарушается локальными сквозными таликами лишь под крупными озерами. Существующая геокриологическая обстановка обусловила.- полную изоляцию подмерзлотных вод от поверхностных- и надмерз-лотных. Образование наледей связано преимущественно с водами грунто-во-фильтрационных таликов в днищах логов, дренирующих озерные котловины. Региональная приуроченность наледей этого вида контролируется с одной стороны областью развития отложений, содержащих в верхней части разреза большое количество обломочного материала, с другой -глубиной эрозионного вреза. Доминирует криогенно-напорный механизм наледообразования и формируются наледи одного подвида.

Район ограниченного наледообразования территориально и по условиям образования наледей занимает промежуточное положение и расположен в пределах правобережной Приенисейской равнины. Район характеризуется увалисто-холмистым рельефом с глубиной расчленения по долинам основных рек до 50 м. Сплошное распространение многолетнемерзлых пород нарушается лишь локальными сквозными таликами под крупными озера-

ми. Толща ММП практически полностью экранирует водообмен поверхностных и надмерзлотных вод с подмерзлотными водами. Образуются наледи вод грунтово-фяльтрационннх таликов в долинах рек промерзающих до дна и в логах, дренирующих озера. Преобладает подпорный и криогенно-напор-ный механизмы и формируются наледи одного венетического вида и двух подвидов.

ПАВА Ш. Техногенные наледи и их воздействие на работу газопровода.

В главе рассмотрены закономерности формирования техногенных наледей, и проведен анализ их воздействия на работу газопровода.

До настоящего времени образование наледей на трассах линейных сооружений рассматривалось преимущественно применительно к автомобильным и железным дорогам и наншо свое отражение в работах В.Г.Петрова, Г.А.Низовкина, В.Р.Алексеева, С.М.Большакова, В.А.Дементьева, Е,А.Румянцева, В.К.Рябова, Н.Ф.Савко, Е.В.Щушакова и др. Наледообразо-вание на трассах трубопроводов специально не исследовалось.

Установлены основные факторы, вызывающие наледообразование при строительстве и эксплуатации газопровода: I) Уменьшение мощности снега на трассе газопровода; 2) уменьшение живого сечения потока грунтовых вод боковой поверхностью стальных свай большого диаметра (на балочных переходах) и боковой поверхностью трубопровода (на подводных переходах); 3) дополнительное уменьшение сечения потока грунтовых вод при промерзании грунта вокруг стальных свай, за счет их большей теплопроводности (на балочных переходах) и вокруг подземного участка трубы, за счет охлаждающего влияния газа (на подводных переходах).

Проведенные исследования позволили выделить на трассе надземного газопровода Мессояха-Норильск основные виды техногенных налддей, проследить причинно-следственные связи между гидрогеокриологической об-

становкой, ее изменением при сооружении и эксплуатации газопровода и наледообразованием.

Уменьшение мощности снега на трассе газопровода, как основной наледообразующий фактор, проявляется на склоновых участках при формировании наледей вод СТО.' Закономерности формирования техногенных наледей вод СТС определяются сокращением.на 35-40 дней периода промерзания грунтов слоя сезонного оттаивания, из-за уменьшения отепляющего влияния снежного покрова. Это вызывает образование наледей на склоновых участках трассы или способствует увеличению их объема. Наледи вод СТС располагаются полосой.(до 500 м) вдоль трассы газопровода, и при

мощности до I м достигают в ширину 60 метров, выходя за пределы проз 2 секи. Объем наледей не превышает 7,0 тыс.м , а площадь - 10 тыс.м .

Участки наледообразования хорошо диагностируются по избыточно увлажненным ложбинам стока, осложненным многочисленными буграми пучения, которые расположены выше (по склону) трассы газопровода.

Влияние опор проявляется на участках балочных переходов через небольшие реки и ручьи, под руслом которых существуют водопроводящие несквозные талики. Динамическое соотношение уровня грунтовых вод и глубины сезонного промерзания формируется здесь при непосредственном влиянии опор газопровода. Установлено, что влияние стальных опор приводит к дополнительному уменьшению сечения потока грунтовых в период с октября по январь на 3040$ в створе перехода. Это вызывает активизацию образования наледей вод грунтово-фильтрационных таликов в пер-вбй половине зимы. Появление наледей вод грунтово-фильтрационных таликов установлено только на участках перехода газопровода через небольшие реки и лога, где ширина подруслового талика (фильтрационного потока) не велика (8-10 м) и соизмерима с суммарной шириной свай в опоре (0,5-2 м).

Влияние трубы проявляется на участках подводных переходов (дюке-

pax) надземного газопровода. Подземная часть дюкера (на пойме и в пределах подруслового талика) является зимой постоянным и активным источником охлаждения грунта (т.к. температура газа равна температуре воздуха) и, что способствует сокращению живого сечения потока в створе перехода. В начале зимы это создает условия для барражирования грунтового потока сразу после осеннего перехода температуры воздуха 0°С (до начала естественного промерзания грунтов сверху). Закономерности формирования наледей определяются: дополнительным уменьшением сечения потока грунтовых,вод за счет увеличения ореола обмерзания вокруг трубы. Это вызывает активизацию образования наледей вод грунтово-фильтра-ционных таликов на подводных переходах во второй половине зимы после прекращения поверхностного стока.

Наледи, образующиеся в результате сброса промышленных вод.- Наледи промстоков широко развиты в районе Норильска. Формирование наледей происходит в течение всей зимы, их размеры определяются режимом сброса промстоков. Их мощность достигает 3,5 м. Промстоки содержат большое количество тонкодисперсных механических частиц (до 10 г/л). Отложение последних в русле рек и пойме гидравлически экранировало подрус-ловый талик, уменьшив расход потока грунтовых вод. Поэтому наледи за счет вод подруслового талика образуются здесь только во второй половине зимы при его глубоком промерзании.

Образование наледей промстоков непосредственно с газопроводом не связано, но они вызывают нарушения в работе газопровода и в движении транспорта по технологической дороге. Установлено влияние газопровода на образование наледей, оно выражается в увеличении мощности наледи в створе перехода газопровода через наледные участки, а также прорывами наледообразующих вод по периметру сваи и концентрации ледяных бугров вблизи газопровода.

Воздействие наледей на газопровод. Нарушения вызываются как непосредственным воздействием наледного льда, так и влиянием сопутствующих процессов и образований. Воздействие наледей на трубопроводы существенно отличается от их воздействия на другие линейные сооружения. Количественная оценка степени воздействия геокриологических процессов на работу конструкций проводилась до специально разработанной нами методике (Результаты экспериментальных исследований..., 1988) с помощью коэффициента нарушения <7 (количество повреждений конструкций на I км трассы).

• Величина коэффициента 3 на участках вероятного образования наледей достигает 15-20 на I км. На других участках трассы газопровода количество нарушений не превышает обычно 5-6 на один километр.

Установлены виды воздействия наледей на трубопровод: I) вмерзание трубы в наледный лед; 2) выпучивание свай;'3) перекос и разрушение ряжевых опор; 4) снятие антикоррозионного покрытия с трубы и стальных опор; 5) эрозия (термоэрозия).

Вмерзание трубы в лед происходит на участках, где максимальная мощность наледи превышает высотные отметки нижней образующей трубы, Основной результат вмерзания трубы в лед - нарушение самокомпенсации трубы, из-за наледи,играющей в данном случае роль дополнительной неподвижной опоры. Появление дополнительной неподвижной опоры нарушает расчетную схему трубопровода. Проведены (по методике ВНИИСТа, Иварц, 1982) расчеты напряжений в трубе и нагрузок на опоры, возникающих в газопроводе при вмерзании его в лед. Установлено, что при вмерзании трубы в лед на прямолинейном участке температурного отсека нагрузка на неподвижные опоры в 14-18 раз превышает предельно допустимые. Результатом этого является сдвиг трубы в неподвижной опоре, и последняя при этом теряет свое функциональное назначение. При вмерзании трубы в наледь на компенсационном участке дополнительные нагрузки не велики,

но напряжения в "углах" компенсатора близки к предельным.

На участках вмерзания трубы в лед происходит снятие с нее антикоррозионного покрытия, - вызывающее активизацию коррозии стальных конструкций. Характерное нарушение антикоррозионного покрытия трубы и стальных опор является специфическим техногенным диагностическим признаком наледей на трассе газопровода, позволяющим достоверно установить участок наледообразования, а также максимальные высоту и ширину наледи в створе газопровода.

Выпучивание свай на наледных участках приводит к потере опорами своего функционального назначения, которое выражается в отсутствии операния трубы о ригель опоры, вызывает повышенную вибрацию трубы и удары трубы о ригель опоры.

В результате режимных наблюдений за выпучиванием свай на участке образования наледи установлена связь между циклами приращения мощности наледи и циклами перемещения свай (образование каждого слоя наледи приводит к перемещению сваи). Суммарное выпучивание сваи на участке станционарных наблюдений за период эксплуатации (по данным режимных наблюдений) может достигать 3,0 м, что полностью нарушает функциональное назначение опор.

Перекос и разрушение ряжевых опор вызывается образованием гидролакколитов и развитием эрозии (термоэрозии) в непосредственной близости от газопровода.

На основании анализа воздействия наледей на конструкции газопровода нами разработана классификация наледей по степени их опасности для надземного газопровода (табл.1). Классификация учитывает способ прокладки, размеры наледи и ее воздействие на трубопровод. Выделено пять категорий наледей, учитывающих: соотношение высоты наледи и высоты положения трубы, величину вмерзания трубы в лед, состав криогенных образований на наледных участках, видовой состав наледей, вызы-

Таблица I.

Классификация наледей по степени их опасности для надземного трубопровода

Категория наледи по степени опасности Соотношение высоты наледи и высоты трубопровода Характеристика воздействия наледи Нарушения

Не опасная нн<<нт Не оказывает воздействия на трубопровод, опоры и технологическую дорогу Нет нарушений

Потенциально опасная Нн < нт Воздействует на опоры и дорогу при образовании гидролакколитов и на-ледных бугров, но не вызывает нарушений, требующих ремонта Затрудняет движение по технологической дороге,эрозия тра ссы,сняти е гидрои з оляци он-ного покрытия со стальных опор.

Малоопасная .нн> нт //< 1/3^ Воздействует на опоры и трубу; вызывает повреждения, требующих контроля и профилактического ремонта Незначительное выпучивание опор, зависание трубы над ригелями, частичное снятие гидроизоляционного покрытия с трубы и стальных свай,препятствие движению по технологической дороге.

Опасная 1 Нн> нт Вызывает повреждения,требующие ремонта и противоналедных мероприятий Нарушение системы самокомпенсации, сдвиг трубы в неподвижной опоре,выпучивание свай,перекос опор.срыв ригеля.

Весьма опасная нн> нт Вызывает разрушение конструкций и требует проведения аварийного ремонта Наклон или падение опор,выпучивание свай рядом с антиреек-тивной опорой,падение трубы с опор.

- величина вмерзания трубы в лед; & - диаметр трубы V

веющих нарушения в работе газопровода. Классификация позволяет: 1)оце-нить при визуальном обследовании степень опасности наледи и разработать противоналедные мероприятия для действующего газопровода; 2) выбрать конструкцию перехода через наледный участок, обеспечивающую надежность его эксплуатации (для проектируемого газопровода).

ГЛАВА 1У. Прогноз наледообразования при строительстве и эксплуатации трубопроводов

В гл?л?.е анализируются существующие методы прогноза и разрабатывается новый метод прогноза наледообразования.

Проведенный анализ показал, что существующие метода прогноза наледей в настоящее время все-таки не позволяют достаточно эффективно прогнозировать наледообразование. При этом генетическое разнообразие наледей и дифференцированность механизма их образования предопределяет и многообразие методов прогноза наледей. Все существующие методы расчета наледей подземных вод не учитывают условий прорыва грунтовыми водами кровли фильтрационного потока, и это существенно снижает возможность количественного прогноза наледообразования.

I

Для каждой из основных составляющих процессов наледообразования (промерзание фильтрационного потока, образование криогенного напора в фильтрационном потоке, прорыв перекрывающих поток отложений, выход грунтовых вод на поверхность, замерзание излившейся воды) существуют достаточно хорошо разработанные теории, что позволяет их раздельно использовать для прогноза наледообразования в целом.

Разработан метод прогноза наледей вод грунтово-фильтрационных таликов (наиболее распространенного вида наледей на территории, пересекаемой трассой газопровода), включающий: - оперативный прогноз наледообразования, основанный на региональной эмпирической зависимости наледообразования от количества дождевых осадков; - количественную оценку возможности прорыва грунтовых вод на поверхность' с учетом прочности перекрывающих их отложений.

Условие образования наледи представляется в виде ^ "ч , где /и - фактическое напряжение в мерзлой толще, возникшее под действием криогенного напора » ^ кр ~ пРеДельно допустимое напряжение. Криогенный напор является энергетической характеристикой, величина которой определяет возможность образования наледи.

Прогноз состоит из пяти этапов: предварительная оценка возможности наледообразования, расчет глубины промерзания грунтов, расчет криогенного напора, расчет возможности прорыва наледообразугацих вод, оценку мощности наледи.

Предварительная оценка возможности наледообразования, основанная на установленной эмпирической зависимости наледообразования от количества летне-осенних осадков; ^ 0< 100 мм - наледи не образуется; ЮО^С ч л 0 < 150 мм - возникают небольшие наледи, формирующиеся в течение короткого промежутка времени; 150<<ГЧ л 200 мл - наледи образуются в течение всего зимнего периода; С) „ 200 мл - наледи образуются в течение всего зимнего периода и достигают больших размеров.

Расчет глубины промерзания грунтов. Нестационарный процесс промерзания фильтрующего грунта в целях упрощения рассматривается как квазистационарный. Численное определение глубины промерзания грунта за промежуток времени представляется в виде:

0>,ср + См Т> ср

где ^ , - соответственно, тепловой поток из фильтрующего грунта к фронту промерзания и тепловой поток в атмосферу из промерзшего грунта, ВТ:

/м2 '' ; ? средняя1 температура промерзшего грунта, °К; время промерзания, час; О^ - теплота фазового перехода, кдж'/м3; См - объемная теплоемкость мерзлого грунта, кдж./м3,0К. Для расчета глубины промерзания фильтрующего грунта использовалось реше-

ние И.С.Клейна (1983,1984,1985) для величины теплового потока с учетом его изменения при изменении расхода грунтового потока ,■

Основное следствие промерзания фильтрующего грунта - появление криогенного напора. При этом криогенный напор возникает сначала непосредственно перед участком промерзания, а затем и выше по потоку.

Рассмотрены три случая формирования криогенного напора:

1. Промерзание фильтрующего грунта происходит только на участке пересечения потока с трассой газопровода. На остальной части потока глубина залегания уровня грунтовых вод больше глубины промерзания.

2. Фильтрационный поток промерзает на участке пересечения потока с трассой газопровода и выше по потоку.

3. Фильтрационный поток промерзает равномерно (сверху) на всем своем протяжении.

На основе решений Ю.Г.Вфимеаа и А.Б.Сотникова (1979) для процесса подпора фильтрационного потока предложены выражения для расчета напора с учетом: протяженности участка промерзания, глубины промерзания в естественных условиях и на участке пересечения потока с трассой газопровода, глубины уровня грунтовых вод в грунтово-фильтрационном талике, мощности потока грунтовых вод.

Расчет возможности прорыва наледообразутощих вод. Для выхода на поверхность наледообразующих вод необходимо возникновение критического криогенного напора, обеспечивающего прорыв перекрывающих поток отложения. Величина критического криогенного напора определяется прочностью кровли фильтрационного потока, воспринимающей воздействие кри генного напора.

Механизм прорыва грунтовыми водами перекрывающих отложений в грунтово-фильтрационном подрусловом талике в первом приближении прел ставляется в виде деформации бесконечной, равномерной по толщине,

изотропной полосы,жестко закреплений по краям,под действием равномер-

но распределенной нагрузки, направленной вертикально вверх. Исходя из этого нам получено выражение для определения величины критическо-™ ттипррннпгп няттгтя:

соответственно, вес грунта и воды, нУм3. Сравнение критичес-

кого напора с реально возможным в конкретной геокриологической обстановке значением позволяет количественно обосновать возможность появления наледи на том или ином участке.

Анализ результатов расчета криогенного напора и его критического значения на различных участках потока позволяет сделать общий для на-ледообразования вывод. Для формирования криогенного напора, достаточного для прорыва кровли и образования наледей, необходимо промерзание фильтрующего грунта на достаточно протяженном (в зависимости от соотношения глубина промерзания, глубины залегания грунтовых вод и ширины их потока) участке, т.к. при его промерзаний только на участке пересечения с трассой газопровода, возникающий криогенный напор идет на упругое насыщение зоны над уровнем грунтовых вод. В силу этого ранее использовавшиеся расчетные схемы возникновения грунтовых наледей (Е.А.Румянцев, 1969,1978 и др.),где рассматривалось промерзание фильтрующего грунта только на локальном участке, очевидно могут использоваться при прогнозе образования наледей только при наличии количественного обоснования величины напора. Промерзание фильтрационного потока на участке пересечения с газопроводом может привести только к возникновению наледей вод С ТС. Так как в этом случае небольшая глубина залегания водоулора в сочетании с быстрым промерзанием (октябре-

ни'е мерзлой кровли

ширина потока, м; ^

января) фильтрующих грунтов способствует формированию криогенного напора, достаточного для прорыва перекрывающих отложений выше участка пересечения потока грунтовых вод с трассой газопровода. А также на участках дополнительного сокращения сечения потока сваями или трубой (в'несквозных грунтово-фильтрационных таликах).

Оценка мощности наледи. Для расчета параметров наледи использовалась эмпирическая зависимость (Алексеев, Савко, 1975) мощности наледи от ведгчины избыточного напора. Расчет параметров наледи проводится при выполнении соотношения: , Ндр^Н* ( ^ - глубина промерзания, Н I - криогенный напор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследования, отражающие теоретическую и практическою значимость работы заключаются в следующем:

I. Установлено влияние геолого-географических факторов на региональные закономерности наледообразования, определяющиеся:

- равнинной части территории: сплошным распространением КТ, отсутствием водовыводяЩих сквозных таликов, преобладанием в верхней части разреза слабопроницаемых глинистых отложений, исключающих участие в наледообразовании подземных вод глубокого стока, а также распространением с поверхности отложений, содержащих в верхних частях разреза большое количество (до 30$) обломочного материала, глубиной эрозионного вреза логов и величиной гидравлических уклонов потоков грунтовых вод. В таких условиях наледообразование по годам определяется: количеством доддевых вод и соотношением со сроком установления и динамикой накопления снега в начале зимы;

- е горной части: прерывистостью криогенной толщи, способствующей участию в наледообразовании подземных вод глубокого стока, хорошей проницаемостью пород в талом состоянии, глубоким расчленёнием

рельефа. В таких условиях наледи появляются ежегодно. Варьируют, в зависимости от климатических условий, только их объем,и "динамика формирования.

2. Разработана региональная генетическая классификация наледей, учитывающая не только генезис наледообразующих вод, но и механизм образования наледей,' что позволило конкретизировать их видовой состав

и разделить генетически однородные наледи по механизму образования.

3. Разработана схема районирования территории (масштаб 1:1000000) по видимому составу наледей, позволяющая: провести предварител"" оценку условий наледообразования на территории при выборе трассы линейного сооружения, установить генетический состав наледей и участки их образования, выбрать оптимальный способ перехода через наледный участок; сделать оптимальный прогноз техногенного наледообразования.

4. Исследованы особенности формирования наледе? подземных вод, основанные на днфференциированности механизма формирования наледей. Выделены наиболее распространенные виды наледей и доминирующий механизм их возникновения.

5. Установлены закономерности формирования техногенных наледей на трассе газопровода, определеяющиеся: сокращением на 35-40 дней периода промерзания сезонно талого слоя и вызывающего образование наледей или увеличение их объема на склоновых участках трассы (для наледей вод СТО); - уменьшением сечения потока грунтовых вод на переходах газопровода через лога и долины рек (для наледей вод грунтово-фильтра-ционных" таликов). На балочных переходах "со свайными опорами дополнительное уменьшение сечения грунтового потока на 30-40% в октябре-январе вызывает активизацию наледообразования в первой половине зимы.

На подводных переходах - дополнительное уменьшение сечения потока грунтовых вод, по мере увеличения ореола обмерзания вокруг трубы, вызывает активизацию наледообразования во второй половине зимы.

6. Установлены и исследованы основные виды воздействия наледей на работу надземного газопровода, выражающиеся в нарушении системы его самокомпенсации; в нарушении функционального назначения опор; в возникновении дополнительных нагрузок на опоры и напряжений в трубе; в активизации коррозии стальных конструкций.

7. Проведена количественная оценка (расчетная) напряженного состоянья газопровода при вмерзании трубы в наледный лед. Установлено, что защемление трубы в наледи неизбежно вызывает возникновение в газопроводе нэ-.'рузок и напряжений, превышающих предельно допустимые.

8. Разработана специальная классификация наледей по степени их опасности для газопровода. Выделено пять категорий наледей. Классификация позволяет оценить степень опасности наледи (для действующего газопровода) и выбрать оптимальную конструкцию перехода через наледный участок (для проектируемого газопровода).

9. Пре.адожен метод прогноза наледей вод грунтово-фильтрационных таликов, учитывающий региональные особенности наледообразрвания и специфику влияния газопровода на образование наледей. В отличии от известных метод включает: - оперативный региональный прогноз наледо-образования; - количественную оценку влияния опор газопровода;

- оценку возможности прорыва грунтовых вод с учетом прочности перекрывающих поток отложений.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Ривкин Ф.М. О наледообразовании на трассах северных трубопроводов// Сб.Экспресс-информация. Строительство предприятий нефтяной и газовой промышленности. -М. 1983. Вып.10, с.33-35.

2. Ривкин Ф.М. К вопросу о механизме образования речных наледей. М. 1984. С.44-46. Деп. в ВИНИТИ 02.07.84 К 5414.

3. Ривкин Ф.М. Наледи на Енисейском Севере // Формирование мерзлых пород и прогноз криогенных процессов. -М. 1983, с.132-138.

4. Ривкин Ф.М., Деревянко И.Б. Смирнов В.М. Наледообразование на трассах северных трубопроводов. М. 1987. С.2-9. - Деп. в ВИНИТИ. 30.12.87 № 9000. .

5. Ривкин Ф.М. Техногенное наледообразование на трассах трубопроводов.// Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья: Тез.доки.

- Чита, 1987. С.46-47.

6. Ривкин Ф.М. Экспериментальные исследования воздействия процессов наледос-бразования на конструкции действующего газопровода Мессояха-Норильск.// Исследования действительных условий работы трубопроводов на опытных участках и эксплуатируемых трубопроводах. -М. ВНИИСТ, 1988. С.38-55.

7. Ривкин Ф.М. Региональная генетическая классификация наледей.// Гляциологические исследования. -М.: Радио и связь, 1989. - № 66 : Теоретические и экспериментальные исследования явлений. - С.142-144.

1-42130 Подписано в печать 27/2-1990г. Тир.ЮО экз. Зак.16

Ротапринт ВНИИСТа