Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологических решений и исследования по оптимизации методики геодезического мониторинга геотехнических систем Заполярья

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологических решений и исследования по оптимизации методики геодезического мониторинга геотехнических систем Заполярья"

На правах рукописи

Калинченко Иван Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ИСЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАПОЛЯРЬЯ

25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 АПР 2(314

005547335

Новосибирск - 2014

005547335

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина» (ФГБОУ ВПО «ОмГАУ им. П. А. Столыпина»),

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Уваров Анатолий Иванович.

Официальные оппоненты: Дементьев Юрий Викторович,

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»), профессор кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования;

Тимофеев Александр Николаевич,

кандидат технических наук, ООО «Новосибирский

инженерный центр», заместитель директора.

Ведущая организация - ЗАО «Проектный институт реконструкции и строительства объектов нефти и газа» (ЗАО «ПИРС»), г. Омск.

Защита состоится 10 июня 2014 г. в 12 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА».

Материалы по защите диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА»: http://www.ssga.ru/main/zaschita_dissertaciy.html

Автореферат разослан 14 апреля 2014 г.

Ученый секретарь _ л

диссертационного совета гК^ Середович В. А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997 г.

Подписано в печать 04.04.2014. Формат 60 х 84 1/16 Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 26 Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Многие промысловые сооружения и объекты инфраструктуры нефтегазового комплекса построены в России в сложных геокриологических условиях, в том числе в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов. Для обеспечения промышленной безопасности (устойчивости оснований и фундаментов, эксплуатационной надежности, предотвращения случаев загрязнения окружающей среды и возникновения взрывоопасных и пожароопасных ситуаций) на исследуемых объектах создаётся система геодезического мониторинга, которая включает режимные наблюдения за температурным состоянием грунтовых оснований. В нормативных документах недостаточно четко определена необходимая точность определения вертикальных деформаций зданий и сооружений и их периодичность, особенно для условий южной зоны многолетней мерзлоты. Кроме того, опыт геодезических работ выявил необходимость решения задачи влияния природно-климатических факторов на точность цифрового нивелирования и, особенно, на устойчивость глубинных реперов, являющихся исходной основой мониторинга.

Таким образом, исследование и решение этих задач назрели и во многом могут оптимизировать методику мониторинга вертикальных деформаций объектов нефтегазодобывающих геотехнических комплексов и, безусловно, являя-ются актуальными.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в развитие теории и практики геодезического определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге, устойчивости глубинных реперов внесли такие ученые-геодезисты, как профессора Брайт П. И., Ганьшин В. Н., Голубцов А. В., Гуляев Ю. П., Зайцев А. К., Михелев Д. Ш., Рунов И. В., Соловьев М. Д., Столбов Ю. В., Стороженко А. Ф., Уставич Г. А., Со81ас11е1 А., Магсак Р., Тагпо\У5к1 К. и многие другие, результаты этих исследований приняты во внимание при постановке задач диссертационной работы. В настоящее время требуют решения такие до сих пор не в полной мере решенные вопросы,

как устойчивость исходных фундаментальных реперов (кустов реперов), разработка конструкции фундаментального репера на основе разведочных скважин, влияние климатических факторов на точность цифрового нивелирования, их периодичность и другие подобные задачи, связанные с геокриологическими условиями Южного Заполярья.

Решения по обеспечению промышленной безопасности на исследуемых объектах в определенной мере сдерживаются отсутствием нормативно-технической документации, регламентирующей точность и периодичность мониторинга вертикальных деформаций объектов нефтегазодобывающих геотехнических систем Южного Заполярья.

Цели и задачи исследований. Целью исследований являются технологические решения по оптимизации методики определения вертикальных деформаций объектов геотехнических систем нефтегазоконденсатных месторождений Заполярья, расположенных в южной зоне многолетнемерзлых грунтов.

Основные задачи исследований:

- обоснование необходимой точности и периодичности геодезического мониторинга вертикальных деформаций объектов газоконденсатного месторождения, на основе анализа результатов выполненных до настоящего времени повторных геодезических измерений на объектах ЯНАО;

- исследование влияния геокриологических и метеорологических факторов на устойчивость глубинных реперов исходной геодезической основы геотехнической системы нефтегазодобычи в ЯНАО;

- разработка оптимальной конструкции устойчивых глубинных реперов, в качестве исходной высотной основы при деформационном мониторинге территории нефтегазоконденсатных месторождений;

- разработка технологических решений, исследование и оптимизация методики цифрового нивелирования для определения вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Объектом исследования является система геодезического мониторинга объектов нефтегазоконденсатных месторождений Заполярья.

Предметом исследования являются особенности геодезического деформационного мониторинга, методические и технологические решения его проведения в условиях Южного Заполярья.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- учитывая, что разведочные скважины являются наиболее устойчивыми объектами в зоне наблюдений за деформациями объектов, впервые разработана и реализована конструкция фундаментальных реперов, в качестве которых используются разведочные скважины для проведения геодезического мониторинга вертикальных деформаций объектов Заполярного месторождения и получены качественные результаты таких наблюдений;

- выявлено влияние отдельных природно-климатических факторов на точность геодезических работ цифровым нивелиром Trimble DiNi 12 при этом впервые получены аналитические формулы зависимости погрешностей измерения превышений на станции от силы ветра и температуры среды в момент измерений;

- установлено влияние температуры и глубины водонасьнценности грунта, а также мощности снежного покрова на величину деформаций объектов, на основе чего получены формулы для вычисления деформаций с учетом данных факторов, что позволяет прогнозировать погрешности измерений и определять наиболее подходящие периоды наблюдений.

Теоретическая значимость работы. Заключается в создании основы для выполнения инженерных расчетов для определения необходимой периодичности, точности и оптимизации методики проведения геодезического мониторинга деформационных процессов в зонах многолетней мерзлоты Заполярья.

При выполнении исследований и практической апробации полученных результатов были использованы объекты Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство следующие технические решения:

- рекомендации по применению специально подготовленных законсервированных разведочных скважин в качестве фундаментальных реперов исходной основы в южной зоне многолетнемерзлых грунтов;

- рекомендации по обеспечению устойчивости и обеспечению надежной эксплуатации глубинных реперов, зданий и сооружений, расположенных в южной зоне многолетнемерзлых грунтов;

- методика расчета точности вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазокон-денсатного месторождения, с учетом деформационного состояния оснований и фундаментов;

- методика расчетов периодичности и сроков определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Результаты диссертационных исследований внедрены в производственный процесс ООО «Газпром добыча Ямбург», в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ОмГАУ им. П. А. Столыпина» при изучении учебных дисциплин: «Прикладная геодезия» (специальность 120101.65 - Прикладная геодезия); «Геодезический мониторинг состояния земель и инженерных сооружений» (магистратура по направлению 120100.68 - «Геодезия»)

Методология и методы исследования. Экспериментальной базой для проведения исследований являются выполненные измерения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения. Теоретической базой являются теория математической обработки измерений, а именно: теория погрешностей измерений, методы корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализа.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

- конструкция «скважинного» фундаментального репера;

- исследование и оптимизация методики цифрового нивелирования для определения вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазокон-денсатного месторождения;

- обоснование цикличности и периодичности определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует паспорту научной специальности 25.00.32 - «Геодезия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:

- 5 - Методы, технические средства и технологии геодезического обеспечения строительно-монтажных, кадастровых, землеустроительных, проектно-изыскательских, маркшейдерских, геолого-разведочных и лесоустроительных работ, освоения шельфа; монтажа, юстировки и эксплуатации технологического оборудования;

- 6 - Геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации крупных инженерных комплексов, в том числе гидротехнических сооружений, атомных и тепловых электростанций, промышленных предприятий, линейных сооружений. Геодезический контроль ведения технического надзора при строительстве и эксплуатации нефтегазодобывающих комплексов.

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях преподавателей и аспирантов ФГБОУ ВПО «ОмГАУ», г. Омск (2009, 2010, 2011 гг.), на международной научно-практической конференции «Роль и значение землеустроительной науки и образования в развитии Сибири», г. Омск, (2012 г.), на Между-

народном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск, 2013 г.), на производственных совещаниях организации «Газпром добыча Ямбург».

Публикации по теме диссертации. Количество опубликованных научных статей - 10, из них 2 входят в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Объем и структура диссертации. Основной текст диссертации изложен на 166 страницах. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования (из них 7 на иностранных языках), содержит 12 таблиц, 45 рисунков и 17 приложений.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цели и задачи этих исследований, их научная новизна, практическая и теоретическая значимость, а также основные положения, представляемые автором к защите.

В первом разделе дается анализ технологических решений и методики геодезического мониторинга вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения. В результате выполненного анализа нормативных документов по обеспечению надежности зданий и сооружений, расположенных в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, рассмотрены природно-климатические особенности территории размещения объекта и связанные с ними способы создания грунтовых оснований промышленных площадок на месторождениях, расположенных в северной и южной зоне многолетнемерзлых грунтов. Следующие нерешенные задачи обеспечения надежности оснований и фундаментов зданий и сооружений: в нормативных документах нет четких указаний по точности, по периодичности и срокам определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геодезиче-

ском мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения, расположенных в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов. Рассмотрен процесс организации и проведения геодезического мониторинга на территории исследуемого объекта для обеспечения промышленной безопасности.

На основании анализа, выполненного в первом разделе, сформулированы вышерассмотренные цели и задачи исследований автора диссертации.

Второй раздел посвящен методике геодезического мониторинга вертикальных деформаций земной поверхности и объектов геотехнических систем Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения, при этом выполнены исследования: влияния гидрометеорологических факторов на величины деформаций объектов; по оценке точности результатов нивелирования II класса цифровым нивелиром Trimble DiNi 12; влияния природно-климатических факторов на точность измерений цифровым нивелиром Trimble DiNi 12; методики расчета точности измерений вертикальных деформаций зданий и сооружений; причин вертикальных деформаций глубинных реперов и способов анализа устойчивости реперов.

Таким образом, выполнен анализ гидрометеорологических факторов, влияющих на величины деформаций объектов, и установлены зависимости влияния мощности снежного покрова (рисунок 1), средней температуры грунтов (рисунок 2) и глубины водонасыщенности грунтов (рисунок 3).

Мощность снежного покрова влияет на негативные геокриологические процессы, вызывающие как осадку, так и подъем объектов. Для проведения анализа использовалась величина квадрата деформаций.

Наточенные диаграммы нанесены линии тренда. Для каждой линии тренда получены уравнения регрессии и оценена достоверность аппроксимации (R2).

40,00 30,00 20,00 10,00 0,00

+ Зависимость квадрата

Величина квадрата деформации, деформации от мощности

ММ 2 свежного покрова

- Линейная зависимость

квадрата деформаций от мощности снежного покрова

3

Мощность снежного покрова, см

Рисунок 1 - Зависимость величины деформаций от мощности снежного покрова в 2011 г.

Величина квадрата деформаций, мм2

величины квадрата деформации от средней температуры грунтов

Средняя температура грунтов, °С

-2 0 2 4

Заисямость квадрата деформации от средней температуры грутнов

Линейная зависимость

Рисунок 2 - Зависимость величины деформаций от средней температуры грунтов в 2011 г.

Величина квадрата дефрмаций. 4 Зависимость квадрата

мм~ деформаций от глубины

60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10.00 0,00

♦

\.....ж

Л

водонасьпценности грунта

- Линейная зависимость

вепечины квадрата деформации от глубины водонасыщенного грунта

Глубина водонасыщенного

200 гРУнта, см

Рисунок 3 - Зависимость величины деформаций от глубины водонасыщенного грунта в 2011 г.

В результате исследований установлено, что зависимости между величинами деформаций и мощностью снежного покрова, средней температуры грунтов и глубины водонасыщенного грунта хорошо описываются (достоверность аппроксимации 0,6-0,7) линейными функциями

S2 = 2Р - 100, (1)

S2 = 307+106, (2)

S2 = 1,2Х- 35, (3)

где S - величина деформации (мм); Р - мощность снежного покрова (см); Т -средняя температура грунтов (°С); Х- глубина водонасыщенного грунта (см).

По полученным линейным зависимостям сделан прогноз влияния мощности снежного покрова, средней температуры и глубины водонасыщенного грунта на величины деформаций. Установлено, что величина снежного покрова, равная одному метру, вызывает деформации, равные 6,3 мм. Поэтому в южной зоне многолетнемерзлых грунтов необходимо очищать от снежного покрова территории объектов геодезического мониторинга, это обеспечит надежность и устойчивость их фундаментам и основаниям.

Так же выполнена оценка точности результатов нивелирования II класса деформационных марок с цифровым нивелиром Trimble DiNi 12. Для оценки качества геодезических измерений при определении вертикальных деформаций зданий и сооружений использованы невязки ходов, полученные за последние три года. Выборки невязок проверены на принадлежность к генеральной совокупности. Проверка показала, что гипотеза подтверждается с вероятностью 0,95. Объем выборки составляет 136 погрешностей. Выборка исследована на нормальное распределение, для этого применен критерий Колмагорова. При этом математическое ожидание составило: 0,009, среднее квадратическое от-

клонение погрешностей нивелирования на станции составило 0,06 мм, при допустимой 0,5 мм. По критерию Колмагорова гипотеза о нормальном распределении подтверждается с вероятностью 0,964. Погрешности носят случайный характер, систематические ошибки отсутствуют.

Кроме того, выполнен анализ влияния природноклиматических факторов на точность измерений цифрового нивелира Trimble DiNi 12. Для обработки материалов исследований использован метод двухфакторного дисперсионного анализа. Основная идея двухфакторного дисперсионного анализа заключается в разложении суммы квадратов отклонений общего среднего на компоненты, отвечающие предполагаемым факторам изменчивости. Для вычисления сумм квадратов Qt,Q2 и Qz при двухфакторном анализе использованы формулы:

Q = Ъг-^Ф* _ Й^^цГ

1 —М П1

(к =

(5)

— A = 1 = 1 Xij „ r T rL • W

Значения, полученные в результате анализа, не попадают в критическую область, поэтому нулевая гипотеза не опровергается. Таким образом, температуры измерений и скорость ветра влияют на точность измерений цифровым нивелиром Trimble DiNi 12.

Исходя из анализа исследуемых факторов, влияющих на точность нивелирования на станции, установлены аналитические зависимости влияния скорости ветра (рисунок 4) и температуры окружающей среды (рисунок 5), описываемые следующими функциями:

m= 0,0002V2 +1Е-05 V + 0,0496,

(7)

= -ЗЕ-0572 -0,00057+ 0,06,

(8)

где тп„ - ошибка нивелирования на станции (мм), К - скорость ветра в момент измерений (м/с), Т-температура окружающей среды в момент измерений (°С).

СКО нивелирования на станшш, мм

0,065 т— .....- — ----------

01234567

Зависимость ВЛИЯНИЯ СИ/ ветра не точность нивелирования не счнц» цифровым ниве пиром

Trimble 01 Ni 12

— Полиномиальная (Зависимость влияния силы

нивелирования на станции цифровым нивелиром T-imble DiNi 12)

Скорость ветра, м/с

Рисунок 4 - Зависимость влияния силы ветра на точность нивелирования на станции цифровым нивелиром Trimble DiNi 12

СКО нивелирования на станшш,

♦ I

0,065

0,06^

-0,055-0,050,045

-0,04-

Л

Зависимость влияния температуры окружающей среды точность нивелирования на станции цифровым нивелиром ТптЫе 01 N112

-Полиномиальная (Зависимость влияния температуры окружающей среды ма точность нивелирования на станции цифровым нивелиром ТМтЫеОМ 12)

20 окружающей среды, *С

Рисунок 5 - Зависимость влияния температуры окружающей среды на точность нивелирования на станции цифровым нивелиром Trimble DiNi 12

Таким образом, по полученным результатам исследований установлено, что при измерениях цифровым нивелиром Trimble DiNi 12 оптимальной температурой окружающей среды является диапазон от 10 °С до 15°С, наибольшие погрешности нивелирования на станции зафиксированы при температуре от минус 4°С до +1°С, минимальные погрешности нивелирования зафиксированы при ветре от 0 до 4 м/с, максимальные - при ветре 6 м/с и более.

Исходя из требований допусков производства работ, разработана методика расчета точности для определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геодезическом мониторинге объектов Заполярного нефтегазокон-денсатного месторождения. Для этого выполнено исследование методов расчета точности определения вертикальных деформаций. Исследование методов показало, что наиболее приемлемыми для проведений геодезического мониторинга являются:

метод 1 расчета точности с учетом процесса протекания деформаций оснований зданий и сооружений;

метод 2 расчета точности с учетом обеспечения предельных характеристик качества строительства, заданных в нормативных документах.

Первый метод применим, если наблюдения за вертикальными деформациями выполняются с начала строительства зданий и сооружений. В том случае, когда процесс протекания вертикальных деформаций не изучен или недостаточно стабилен, предлагается методика расчета допусков измерения вертикальных деформаций, основанная на применении второго метода. Расчет точности для одного из зданий с наибольшими относительными вертикальными деформациями фундамента, показал, что значение средней квадратической погрешности измерения относительных деформаций оснований и фундаментов равно тГн = 2,3 мм, что обеспечивается нивелированием III класса. Таким образом, обоснована целесообразность понижения класса точности определения вертикальных деформаций с нивелирования II класса до нивелирования III класса.

Так же исследована устойчивость глубинных реперов, расположенных в южной зоне многолетнемерзлых грунтов. Подробно рассмотрены основные факторы, влияющие на устойчивость глубинных реперов в южной зоне многолетнемерзлых грунтов. Для анализа устойчивости глубинных реперов на исследуемом объекте использованы: способы Соловьева А. Д., Костехеля А., Ботяна Г. К., Серебряковой Л. И., Рунова И. В., Черникова В. Ф., Готца Б., Попова В. В., Марчака П., модификацированный способ Марчака П.

В результате исследований по устойчивости реперов установлено, что:

— способ Соловьева А. Д. мало нагляден и рассчитан не более чем на три исходных репера, на исследуемом объекте восемь исходных реперов, поэтому анализировать устойчивость реперов этим способом затруднительно;

— способ Костехеля А. при использовании современных компьютерных программ прост и удобен, дает однозначный результат определения устойчивого репера, для получения количественной характеристики состояния высотной основы предлагается определять степень относительной устойчивости и неустойчивости реперов сети;

— способ Ботяна Г. К., автор полагает, что величины вертикальных деформаций реперов заведомо отрицательные, но в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов реперы испытывают не только осадку, но и подъем, таким образом, необходимо уточнить способ и брать по модулю наиболее близкое к нулю значение величины смещения реперов и принимать за исходный соответствующий этому значению репер, с учетом этого уточнения наиболее устойчивые реперы, определенные по способу Ботяна Г. К., совпадают с реперами, вычисленными по способу Костехеля А.;

— способ Серебряковой Л. И. неприемлем, так как автор предполагает, что реперы испытывают только осадку, а величины превышений меняются вследствие неравномерности осадки;

— способ Рунова И. В., автор предлагает при расчете использовать величину смещения реперов относительно друг друга, в условиях южной зоны много-летнемерзлых грунтов, для получения наиболее устойчивого репера в текущем цикле наблюдений необходимо сравнивать модуль величины смещения реперов с нулем, тогда результаты совпадут со способом Костехеля А.;

— способы математической статистики нецелесообразно применять для практических целей;

— способы, в основе которых лежит принцип неизменной средней отметки всех реперов сети или группы наиболее устойчивых реперов, такие как способ Черникова В. Ф., Готца Б„ Попова В. В., Марчака П., модификацированный способ Марчака П., дают одинаковые поправки в отметки реперов по циклам;

— способ определения устойчивости реперов, принятый на производстве, не является оптимальным и для производства работ лучше использовать способ Костехеля А.;

— большинство глубинных реперов данной конструкции (глубина залегания порядка 13 метров) не обеспечивают устойчивость в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов, их рекомендуется исключать из наблюдений, с течением времени число таких реперов возрастает, они не подходят для проведения ежегодного геодезического мониторинга;

— необходимо разработать способ закрепления исходных высот для проведения геодезического мониторинга в южных зонах многолетнемерзлых грунтов, рассмотрев возможность применения специально подготовленных законсервированных разведочных скважин в качестве фундаментальных реперов.

В третьем разделе даны технологические решения по оптимизации методики геодезического мониторинга вертикальных деформаций земной поверхности и объектов геотехнических систем Заполярного нефтегазодобывающего месторождения: предложен метод закрепления исходной высотной основы с помощью специально подготовленных законсервированных разведочных скважин; дано обоснование периодичности и сроков определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геодезическом мониторинге объектов.

На небольшом удалении от исследуемого объекта и кустов газовых скважин расположено большое количество разведочных скважин, средняя глубина забоя которых составляет 1 200 м, и срок консервации 10-15 лет. Для того чтобы использовать скважины в качестве фундаментальных реперов, необходимо было произвести строительно-монтажные работы по защите от сезонных геокриологических процессов и оборудовать их марками. Элементы конструкции скважин, дооборудованных марками, приведены на рисунке 6.

1 - защитная от метеорологических факторов крышка (0460 мм, L = 200 мм); 2 - репер-ная головка (020 мм, L = 1,2 м) с резьбой, для крепления спутниковой антенны (015 мм, L =20 мм); 3 - резиновая крышка, для защиты резьбы; 4 - оголенное устье скважины (0219 мм или 0159 мм, L = 1 м); 5 - обсадная труба, состоящая из стальной трубы, монтируемая для защиты от сезонных геокриологических процессов (0450 мм, L = 2,5 м); 6 - песок, засыпанный при монтаже репера; 7 - грунт; 8 - обсадные трубы, смонтированные при строительстве скважины (количество зависит от проектных и технологических решений, возникающих в процессе бурения, для каждой скважины в отдельности (0325мм, L = 550 м и 0245 мм, L = 950 м)); 9 - цементный камень

Рисунок 6 - Конструкция фундаментального репера

Так же, для определения устойчивости фундаментальных реперов данной конструкции, проведены экспериментальные исследования. В качестве исходного репера принимался фундаментальный репер № 1 и от него по программе нивелирования II класса с применением цифровых нивелиров Trimble DiNi 12

прокладывались ходы по двум остальным фундаментальным реперам. Затем от фундаментальных реперов прокладывались нивелирные ходы по кустовым (функционирующим) скважинам. Результаты исследований приведены в таблице 1 и таблице 2 соответственно.

Таблица 1 - Сравнительная таблица отметок фундаментальных реперов

Номер репера Отметки реперов, (м)

1 цикл 2 цикл 3 цикл 4 цикл

Июль 2009 Июль 2010 Июль 2011 Июль 2012

1 55,6817 55,6817 55,6817 55.6817

2 53,9361 53,9359 53,9364 53,9363

3 54,5619 54,5622 54,5616 54.5617

Таблица 2 - Отметки функционирующих скважин нескольких кустовых

площадок

Номер скважины Отметки реперов, (м)

1 цикл 2 цикл 3 цикл 4 цикл

июль 2009 июль 2010 июль 2011 июль 2012

325-1 52,4397 52,4394 52,4399 52,4394

325-2 52,7133 52,7112 52,7118 52,7111

325-3 52,9501 52,9516 52,9503 52.9502

325-4 52,9170 52.9193 52,9190 52,9199

324-1 60,8383 60.8387 60,8373 60,8383

324-2 60,9221 60,9220 60,9216 60,9236

324-3 61,0179 61,0184 61,0198 61,0185

324-4 61,2021 61,1987 61,1987 61,1991

Экспериментальными исследованиями установлено, что за четыре года фундаментальные реперы данной конструкции не утратили устойчивость. Подтверждается стабильность высотного положения. Присутствуют отклонения в превышениях между реперами и соответственно их отметками от минус 0,6 мм до плюс 0,3 мм. Отметки функционирующих скважин, относительно фундаментальных реперов, изменили свое высотное положение на величины от минус 5 до плюс 6 мм за четыре года наблюдений. Это обусловлено влиянием факторов, таких как: механическое воздействие (ремонт), действие идущего из недр с постоянной плюсовой температурой газа. Для получения однозначного результата при геодезическом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного

месторождения, расположенных в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов, необходимо использовать фундаментальные реперы данной конструкции.

На основе анализа нормативных документов и технического задания, а также ежегодных наблюдений за вертикальными деформациями и экспериментальных исследований, обоснованы периодичность и сроки определения вертикальных деформаций зданий и сооружений. Анализ показал, что экстремумы значений температур приходятся на сентябрь - максимальная и май - минимальная, но в эти месяцы определение вертикальных деформаций зданий и сооружений производятся частично или не производятся вовсе. В связи с этим были произведены экспериментальные наблюдения за вертикальными деформациями нескольких зданий, температура грунтов которых не превышала расчетные значения (здание № 1), раз в квартал (в том числе и в периоды экстремумов температуры грунтов), и зданий, температура грунтов которых превышает допустимые расчетные (здание № 2). раз в месяц. Результаты геодезических наблюдений за деформационными марками, зданий № I и № 2 представлены на рисунке 7 и рисунке 8 соответственно.

Рисунок 7 - График вертикального движения деформационных марок

здания № 1

При совместном рассмотрении геотемпературных карт (пример представлен на рисунке 9 и рисунке 10) и графиков вертикального перемещения деформационных марок выявлена зависимость между изменением температурного

режима грунтов и перемещением деформационных марок объектов, температура грунтов которых не превышала допустимые расчетные значения.

Рисунок 8 - График вертикального движения деформационных марок здания № 2

• •

• • •

0) .

Рисунок 9 - Геотемпературная карта фундамента под зданием № а) май 2009 г.; б) сентябрь 2009 г.

Рисунок 10 - Геотемпературная карта фундамента под зданием № 2: а) май 2009 г.; б) сентябрь 2009 г.

Результат проведенных исследований показал, что на период минимальных температур - май, приходится максимальная величина подъема деформационных марок (изменение высот со знаком «+»). В то же время на период максимальных значений температур - сентябрь, приходится максимальная величина осадки деформационных марок (изменения высот со знаком «-»). Производственными наблюдениями установлено, что отказа фундаментов на исследуемых объектах не выявлено, температура грунтов соответствовала расчетным значениям. Температура же грунтового основания здания № 2 превышала допустимые расчетные значения. С большим периодом времени эксплуатации такие объекты испытывают большую вертикальную деформацию, происходит отказ фундаментов, величины вертикальных деформаций близки к предельно-допустимым нормативным значениям, процесс деформаций протекает крайне неблагополучно и стремительно. Таким образом, для достоверного определения вертикальных деформаций и своевременного принятия мер по устранению или предупреждению критических деформаций, геодезический мониторинг объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения, необходимо производить не менее четырех раз в год для объектов, температура грунтов которых не превышает расчетных значений, и не менее раза в месяц, для объектов, температура грунтов которых превышает расчетные значения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, поставленные цели достигнуты, задачи решены, а именно:

- в результате анализа вертикальных деформаций объектов геотехнической системы нефтегазоконденсатных месторождений Южного Заполярья обоснована их точность, допуски и периодичность повторных измерений;

— выполненный анализ устойчивости глубинных реперов показал целесообразность использования законсервированных разведочных скважин в каче-

стве стабильных исходных реперов высотной основы нефтегазоконденсатных месторождений;

— разработана конструкция «скважинного» фундаментального репера, которая отличается простотой, надежностью и высокой устойчивостью, вплоть до обеспечения нивелирования I-II классов точности;

— результаты двухфакторного дисперсионного анализа показали, что при измерениях цифровым нивелиром Trimble DiNi 12 значительное влияние на точность определения превышений на станции оказывают природно-климатические факторы (сила ветра и температура окружающей среды);

— установлено, что для высокоточного цифрового нивелирования в условиях Южного Заполярья оптимальная температура воздуха составляет 10 °С -15 °С, при скорости ветра до 4 м/с;

— с учетом сезонных геокриологических условий в грунтах обоснована цикличность и периодичность определения вертикальных деформаций зданий и сооружений нефтегазоконденсатного месторождения, при этом выявлено, что вертикальные деформации зданий и сооружений на исследуемом объекте необходимо определять не менее четырех раз в год, в том числе в периоды экстремумов температур для объектов, температура фунтов которых не превышает расчетных значений, и не менее раза в месяц для объектов, температура грунтов которых превышает расчетные значения;

— результаты диссертационных исследований внедрены для решения производственных задач в ООО «Газпром добыча Ямбург», в учебный процесс кафедры «Геодезии и дистанционного зондирования» ФГБОУ ВПО «ОмГАУ им. П. А. Столыпина» при изучении учебных дисциплин: «Прикладная геодезия» (специальность 120101.65 - Прикладная геодезия); «Геодезический мониторинг состояния земель и сооружений» (магистратура по направлению 120100.68 - Геодезия и дистанционное зондирование»). Факты использования результатов диссертационных исследований подтверждены соответствующими актами.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Калинченко, И. С. Обоснование периодичности и сроков выполнения геодезических измерений при геотехническом мониторинге осадок фундаментов зданий и сооружений, расположенных на многолетнемерзлых грунтах [Текст] / И. С. Калинченко // Геодезия и картография. - 2012. - № 9. - С. 11-13.

2 Калинченко, И. С. Геодезический мониторинг осадок зданий и сооружений на территории нефтегазодобывающего комплекса [Текст] / И. С. Калинченко, Е. Н. Купреева, И. Р. Бикашев // Омский научный вестник. - 2008. - № 1. -С. 94-97.

3 Калинченко, И. С. Анализ устойчивости реперов, используемых для наблюдений за деформациями зданий и сооружений, в южной зоне распространения многолетнемерзлых грунтов [Текст] / И. С. Калинченко // Геодезия, геоинформатика, маркшейдерия // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15—26 апреля 2013 г.). — Новосибирск: СГГА, 2013. - Т. 3. - С. 165-170.

4 Калинченко, И. С. Исследование влияния отдельных природно-климатических факторов на точность геодезических измерений превышений на станции цифровым нивелиром Trimble DiNi 12 в условиях южной зоны многолетней мерзлоты [Текст] / И. С. Калинченко, А. И. Уваров // Малышевские чтения: материалы всерос. научн. конф. с междунар. участием (Старый Оскол, 24.04.2013 г.). - Старый Оскол: Старооскольский филиал РГГУ им. Серго Ор-дженикидзе; Кириллица, 2013. - С. 105-109.

5 Калинченко, И. С. Ошибки при проектировании глубинных реперов, расположенных в южной зоне области многолетнемерзлых грунтов [Текст] / И. С. Калинченко // Роль и значение землеустроительной науки и образования в развитии Сибири: материалы междунар. научно-практ. конф. - Омск, 2012. -С. 141-144.

6 Калинченко, И. С. О сроках и периодичности геодезических измерений при геотехническом мониторинге сооружений, расположенных в сложных геокриологических условиях [Текст] / И. С. Калинченко // Роль и значение землеустроительной науки и образования в развитии Сибири: материалы междунар. научно-практ. конф. - Омск, 2012. - С. 144-149.

7 Калинченко, И. С. Маркшейдерско-геодезический мониторинг за геомеханическими, геодинамическими и геокрелогическими процессами на Заполярном и Тазовском месторождениях [Текст] / И. С. Калинченко // Землеустроительное и кадастровое обеспечение комплексного развития территорий и недвижимости. - Омск, 2010. - С. 50-53.

8 Калинченко, И. С. Организация геодезического мониторинга геодинамических процессов на территории Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения [Текст] / И. С. Калинченко, А. И. Уваров // Земельно-имущественный комплекс: управление, оценка, организация и использование: материалы междунар. научно-произв. конф. - Омск, ОмГАУ, 2009. - С. 75-78.

9 Калинченко, И. С. Анализ устойчивости глубинных реперов, используемых для наблюдения геодезическими методами за деформациями инженерных сооружений промысловой площадки, на вечной мерзлоте [Текст] / И. С. Калинченко, А. И. Уваров // Земельно-имущественный комплекс: управление, оценка, организация и использование: материалы междунар. научно-произв. конф. -Омск, ОмГАУ, 2009. - С. 78-83.

10 Калинченко, И. С. Проблемы с устойчивостью глубинных реперов на объектах геотехнического мониторинга, расположенных на вечной мерзлоте [Текст] / И. С. Калинченко, А. И. Уваров // Земельно-имущественный комплекс: управление, оценка, организация и использование: материалы междунар. научно-произв. конф. - Омск, ОмГАУ, 2009. - С. 83-86.