CC BY
131
УДК 622.692.4.07 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10208
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ГАЗОПРОВОДОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ПРОКЛАДКЕ НА УЧАСТКАХ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КАРСТОВЫМ ПРОЦЕССАМ
ANALYSIS OF METHODS FOR PROTECTING GAS PIPELINES DURING UNDERGROUND LAYING IN AREAS SUBJECTED TO KARST PROCESSES
А.А. Ялиев, Р.Ф. Гильметдинов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2020-0339, Email: arturyaliev@mail.ru Email: st.kafedra@mail.ru
Резюме: Перспективная для развития трубопроводной отрасли территория нашей страны является частично закарстованной. В связи с этим совершенствование методов защиты от карста является актуальной задачей трубопроводной отрасли как на этапе строительства трубопроводов, так и во время их эксплуатации. Классификация карста и вариантов защиты трубопроводов, прокладываемых на участках с карстом, а также разработка алгоритма выбора метода защиты для каждого конкретного случая позволят повысить эффективность проектирования магистральных трубопроводов.
Ключевые слова: трубопровод, карст, защита от карста, проектирование.
Для цитирования: Ялиев А.А., Гильметдинов Р.Ф. Анализ методов защиты газопроводов при подземной прокладке на участках, подверженных карстовым процессам // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 2. С. 36-40.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10208
Artur A. Yaliev, Rais F. Gilmetdinov
Ufa State Oil Technical University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2020-0339, Email: arturyaliev@mail.ru Email: st.kafedra@mail.ru
Abstract: The territory of our country, which is promising for the development of the pipeline industry, is partially encrusted. In this regard, improving methods of protection against karst is an urgent task for the pipeline industry both at the stage of pipeline construction and during their operation. Classification of karst and options for protection of pipelines laid in areas with karst, as well as the development of an algorithm for selecting the method of protection for each specific case, will improve the efficiency of the design of main pipelines.
Keywords: pipeline, karst, protection against karst, design.
For citation: Yaliev A.A., Gilmetdinov R.F. ANALYSIS OF METHODS FOR PROTECTING GAS PIPELINES DURING UNDERGROUND LAYING IN AREAS SUBJECTED TO KARST PROCESSES. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020. no. 2, pp. 3640.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10208
При проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводных систем в осложненных условиях особое внимание уделяется тем участкам, где наиболее высока вероятность возникновения аварийной ситуации при прохождении трассы в инженерно-геологических условиях, подверженных воздействию опасных природно-техногенных процессов, таких как карст, оползни, подтопление, овражная эрозия, заболачивание, криогенное пучение, сейсмичность и др. Особое место среди них по степени скрытости протекания процесса, внезапности проявления и трудности прогнозирования последствий занимает карст.
Карст представляет собой совокупность геологических процессов и созданных ими явлений в земной коре и на ее поверхности, вызванных химическим растворением горных пород и выраженных в образовании в земной коре пустот. Он сопровождается разрушением и изменением структуры и состояния пород, созданием особого характера циркуляции и режима подземных вод, характерного рельефа местности и режима гидрографической сети.
Механизм карстовых деформаций определяется множеством разнообразных природных и техногенных факторов. На него оказывают большое влияние состояние и свойства горных пород и грунтов, гидрогеологические условия даже на сравнительно небольших по площади территориях. Геологическое строение и гидрогеологические условия определяют не только количественные
параметры карстовых деформаций, но и их характер. С этой точки зрения целесообразно выделение в массиве горных пород, затронутом карстовым процессом, двух специфических для него сред: карстующихся и некар-стующихся пород.
Несмотря на широкое распространение карста, единых специальных норм проектирования, сооружения и эксплуатации трубопроводов в карстовых районах Российской Федерации не существует. Зарубежный опыт также отсутствует в силу специфичности карстового явления для условий России.
Следует отметить, что последствия в случае неучета влияния карста при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводов самые серьезные. Это и риск возникновения аварии, и тяжелые экологические последствия, и весьма значительные затраты на устранение последствий, что в конечном счете предопределяет необходимость учета взаимодействия геотехнической системы «трубопровод-карст» и применение методов защиты для повышения устойчивости трубопроводов сооружаемых и эксплуатируемых на участках подверженных карсту.
Прохождение трассы магистральных газопроводов по карстовой территории, по сильно пересеченному рельефу местности связано с развитием силовых воздействий на газопроводы со стороны грунта.
Перспективная для развития трубопроводной отрасли территория нашей страны является частично закарстован-ной (в частности, Сибирь и Дальний Восток). К примеру, 4,5% участка магистрального нефтепровода Восточная Сибирь - Тихий океан занимает карст [1].
В связи с этим совершенствование методов защиты от карста является актуальной задачей трубопроводной отрасли как на этапе строительства трубопроводов, так и во время их эксплуатации.
Количество публикаций по вопросу взаимодействия объектов магистральных трубопроводов с карстовыми проявлениями весьма ограниченно. В работах: Е.Г. Карпова рассмотрена необходимость учета особенностей и опасности закарстованных территорий; Н.З. Готмана - приведены результаты экспериментальных исследований поведения свайных фундаментов опор трубопроводов, проложенных в карстовых грунтах; И.А. Шаммазова, В.А. Чичелова, В.А. Зарипова - представлено обеспечение прочности действующих магистральных газопроводов, пересекающих массивы карстующихся пород.
Также в существующих нормативно-технических документах отсутствуют единые требования по проектированию, сооружению и эксплуатации магистральных трубопроводов на участках, подверженных карстовым процессам. Регламентирование существующих нормативных требований не учитывает особенностей строительства линейно протяженных объектов, а также действия нагрузок на трубопровод от просадки грунта, приводящих к провисанию трубопровода, что, в свою очередь, осложняет принятие обоснованных инженерных решений. Это говорит о том, что в настоящее время существует необходимость разработки рекомендаций по выбору методов защиты для повышения устойчивости нефтепроводов, подверженных воздействию карста.
Н.В. Кожевниковой предложена классификация карста с учетом характеристик и особенностей с позиций возможного его влияния при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопровода [1] (табл. 1).
Степень разрушающего воздействия карстовых деформаций, образовавшихся в основании сооружений, в
I
Таблица 1
Классификация карста в трубопроводном строительстве
Литологический состав
Тип Растворимость пород
Карбонатный (известняковый (СаМд(С03)2), меловой, доломитовый, Малая концентрая СаС03 не превышает пх 100 мг/л и зависит от свободного
мраморы, известняковый туф) С02
Сульфатный (гипсовый (CaSO4■2H2O), ангидритовый (CaSO4), мирабилитовый) Значительная концентрация CaSO4 достигает 7 г/л
Соляной (каменная, калийная соль) Очень высокая
Залегание карстующихся пород
по отношению к земной поверхности: по отношению к уровню подземных вод:
а) открытый карст (карстующиеся породы выходят на поверхность); а) карстующиеся породы находятся в зоне аэрации;
б) покрытый карст: карстующиеся породы перекрываются слоями б) карстующиеся породы залегают в зоне постоянного водонасыщения;
нерастворимых слабоводопроницаемых пород и карстующиеся породы в) карстующиеся породы залегают в зоне постоянного водонасыщения и в
перекрываются слоями нерастворимых водопроницаемых пород зоне аэрации
Проявление карстовых деформаций
Провалы Оседания
Карстово-суффозионные
(возникают при перемещении Локальные - не более десятков Карстово-обвальные (возникают при ,. . фильтрующейся водой обломочного „ метров и общие оседания -наличии ослабленной кровли, на Смешанные материала из покрывающих пород в постепенное опускание участков малой глубине) ' карстовые полости и расширенные земной поверхности
трещины)
Влияние техногенных воздействий на развитие карстового процесса
Механическое Гидродинамические Гидрохимические Тепловые воздействия
Местоположение
Восточноевропейский Восточносибирский Дальневосточный
Климат
Аридный (сухой климат с высокими температурами воздуха) Гумидный (влажный климат в областях с избыточным увлажнением)
Рельеф
Равнинный Горный
Геоморфология
Водораздельный Долинный
Гидрогеология
Промывной Затопленный
Происхождение
Автохтонный (горные породы, исходный материал которых возник на месте Аллохтонный (горные породы и полезные ископаемые, образовавшиеся из
их образования) переотложенного исходного материала)
Заполнитель
Полый Аккумулятивный
значительной мере определяется следующими параметрами [2]:
- размером деформаций в плане (наиболее характерным для локальных деформаций: провалов, проседаний, карстовых просадок);
- глубиной деформаций (наиболее характерной для карстовых просадок и оседаний, в меньшей степени для провалов и проседаний);
- местоположением деформаций относительно сооружений в плане;
- скоростью деформации (наиболее характерной для оседаний и проседаний).
Такие природные явления, как карстовые провалы, овра-гообразование, размывы потоком воды, просадка грунта и пр., вызывают изменение первоначального напряженно-деформированного состояния газопроводов, возникшего при их строительстве [3].
При проектировании трубопровода должны выполняться следующие условия:
- обход (по возможности) при трассировке закарстован-ных участков;
- удаленность мест установки узлов пуска-приема очистных диагностических снарядов на расстояние не менее 100 м от прогнозной границы карста;
- устройство контрольных скважин для периодического отбора проб воды для анализа на химический состав и оценки состояния подземной гидрогеологии в процессе эксплуатации трубопровода;
- отнесение всех участков, проходящих через закарсто-ванные зоны, к I категории по [4];
- неприменение типовых проектных решений; к каждому переходу должен применяться индивидуальный подход и технические решения, проверенные расчетом на прочность и устойчивость с учетом прогнозных осадков пород;
- радиус упругого изгиба в вертикальной плоскости должен приниматься не менее 2500 Ду.
Для предотвращения перенапряжения газопровода вследствие наличия карстовых процессов необходимо устраивать противокарстовую защиту.
Для повышения надежности газопровода предусматривается решение следующих групп задач:
1) изменение в нужном направлении естественного развития карстовых процессов, предусматривающих уменьшение интенсивности растворения карстую-щихся пород (создание фильтрационных завес, осушение карстующегося массива, регулирование поверхностного стока), заполнение карстовых пустот грунтами и тампонажными растворами, закрепление покрывающей толщи пород (армирование грунта, использование свай, опор и т. д.;
2) уменьшение влияния хозяйственной деятельности человека на карстовые процессы;
3) защита объектов планировочными, конструктивными решениями или контролем за проявлением карстовых процессов.
Конструктивные решения для повышения устойчивости нефтепровода условно можно разделить на профилактические пассивного и активного воздействия и инженерно-технические [1].
К профилактическим мероприятиям пассивного воздействия можно отнести:
- устройство противокарстовой охранной зоны шириной 100 м (по 50 м вправо и влево от оси газопровода);
- устройство ограждающих водоотводных канав вдоль газопровода;
- заполнение карстовых полостей, расположенных в пределах полосы отвода газопровода, глинистым грунтом с раскрытием их устья для возможности механизированного производства работ с послойным уплотнением глинистого грунта почвенно-растительным слоем;
- организацию поверхностного стока (вертикальная планировка, рекультивация земель с нарушенным почвен-но-растительным слоем при строительстве трубопроводов и другой хозяйственной деятельности).
К профилактическим мероприятиям активного воздействия можно отнести:
- заполнение карстовых воронок, провалов, просадок, расположенных вблизи трассы и непосредственно под нефтепроводом, недренирующим грунтом, с применением песчано-глинисто-цементных, золошлакоцементных и вспененных цементных растворов;
- создание противофильтрационных завес и экранов высокой плотности для максимального снижения расходов потоков подземных вод с применением цементных и химических инъекционных растворов;
- увеличение толщины стенки трубопровода, заглубление траншеи ниже воронки с использованием кривых (гнутых) вставок, усиление жесткости трубы и т.д.
К инженерно-техническим мероприятиям относится тампонирование карстовых полостей и провалов
Рис. 1. Варианты защиты трубопровода, прокладываемого на участке с карстом
Конструктивные решения
Профилактические
Пассивного действия Активного действия
Устройство противокарстовой охранной зоны шириной 100 м
Организация поверхностного стока
Заполнение карстовых полостей глинистым грунтом;
заполнение карстовых воронок, провалов, просадок недренирующим грунтом
Устройство ограждающих водоотводных каналов вдоль нефтепровода
Создание противофильтрационных завес и экронов высокой плотности; увеличение толщины стенки трубы с использованием кривых (гнутых) вставок
Инженерно-технические
Тампонирование
Устройство нефтепровода на опорах
I Рис. 2. Алгоритм выбора метода защиты трубопровода
Исходные данные для расчета
Расчет параметров карстового провала, в т.ч. скорость протекания в период между диагностическим обследованием и проведением расчета
Оценка вероятности провала
Расчет на долговечность по проектному давлению, фактическим напряжениям с определением предельного срока эксплуатации
непосредственно под трубопроводом, а также укладка бетонных блоков, плит, устройство трубопровода на опорах, создающих безопасный интервал провисания труб (рис. 1).
Каждый метод защиты обладает своими преимуществами и недостатками. Основными недостатками существующих методов защиты являются недостаточная надежность, необходимость использования специальной техники, недостаточное повышение прочности грунтов основания, ограниченность по применимости методов в различных грунтах.
В связи с многообразием методов защиты трубопровода, прокладываемого на участке с карстом, возникает необходимость в алгоритме выбора метода защиты для каждого конкретного случая.
Применение защиты от карста должно быть обосновано технически. В качестве методики, позволяющей определить необходимость инженерной защиты трубопровода, можно использовать приведенную в [1].
Для каждого выявленного провиса магистрального нефтепровода (МН) в результате диагностического обследования по исходным данным - диаметр Dн, измеренная толщина стенки трубы 5 определяются размеры провиса нефтепровода Lpacч - длина, Нрасч - величина провиса на момент проведения расчета, протяженность участка; грунтовые условия; результаты расчета максимально возможного провиса нефтепровода.
Расчеты параметров провиса МН проводятся по отношению проектного предела прочности материала к величине фактических напряжений в трубе, скорости развития процесса и времени проведения расчета ^расч - ^иагн).
Также проводится расчет на прочность с определением предельного напряжения спред для трубы с провисом,оце-
нивается статическая пр°чность С проект ^ sпред, ™е С проект -
проектное напряжение; спред - предельное напряжение для трубы с провисом (рис. 2).
При выполнении условия статической прочности далее проводится расчет на долговечность по проектному напряжению спроект и прогнозируемому максимальному провису с
пред
определением предельного срока эксплуатации t|
Предельный срок эксплуатации определяется по результатам расчетов на прочность и долговечность по нормативным документам, согласованным Ростехнадзором РФ и нормативным документам, действующими на дату проведения расчетов.
При невыполнении условия статической прочности дальнейшая эксплуатация трубопровода невозможна без применения инженерной защиты
При определении экономической эффективности про-тивокарстовой защиты используется отношение параметра, характеризующего результат, достигнутый благодаря выполнению противокарстовой защиты (сокращение вероятного ущерба) к ее стоимости, выражаемой соответственно показателем эффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ясин Э.М. Устойчивость подземных трубопроводов: учеб. пособ. М.: Недра, 1967. 119 с.
2. СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*. М.: Минрегион России, 2012. 97 с.
3. Кожевникова Н.В. Влияние карста на эксплуатационную надежность нефтепровода. Методы защиты // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2011. № 1 (83). С. 72-77.
4. Толмачев В.В. Инженерно-строительное освоение закарстованных территорий. М.: Стройиздат, 1986. 176 с.
REFERENCES
1. Yasin E.M. Ustoychivost' podzemnykh truboprovodov [Stability of underground pipelines]. Moscow, Nedra Publ., 1967. 119 p.
2. SP 36.13330.2012. Magistral'nyye truboprovody. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP2.05.06-85* [SP 36.13330.2012. Trunk pipelines. Updated edition of SN&P 2.05.06-85 *]. Moscow, Minregion Rossii Publ., 2012. 97 p.
3. Kozhevnikova N.V. Impact of karst on the operational reliability of the oil pipeline. Protection methods. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov, 2011, no. 1 (83), pp. 72-77 (In Russian).
4. Tolmachev V.V. Inzhenerno-stroitel'noye osvoyeniye zakarstovannykh territoriy [Engineering and construction development of karst territories]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986. 176 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Ялиев Артур Анурович, магистрант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Гильметдинов Раис Фарахетдинович, к.т.н., доцент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Artur A. Yaliev, Undergraduate of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Rais F. Gilmetdinov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
