CC BY
10
3/2008_МГСУТНИК
ОБЩАЯ ОЦЕНКА ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНЫХ
СИТУАЦИЙ НА ТЕРРИТОРИИ СЫКТЫВКАРСКОГО ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА В ДЕКАБРЕ 2000 И В
МАРТЕ 2001 гг.
В.А. Лютоев
ВВЕДЕНИЕ
С увеличением мощностей энергетических установок на промышленных объектах возрастают нагрузки динамического характера на их фундаменты и основания, они в свою очередь передают вибрации на грунты, которые могут резко изменить свои несущие свойства. Для северных регионов России, в частности для Республики Коми, характерны явления повышенной пластичности и текучести грунтов [1]. Это объясняется отличительными особенностями формирования и накопления осадочных горных пород на данной территории, связанных с такими явлениями как заболоченность обширных пространств; глубокое промерзание почвы в зимнее время; наличие осадочных горных пород, образованных во времена последних оледенений; обилие рек и ручьев, формирующих осадконакопления в условиях частой смены направления водотоков. Зоны, в которых грунты под воздействием вибраций и воды ухудшили свои первоначальные прочностные свойства, были названы зонами ослабления (ЗО).
6 декабря 2000 г. около 20 ч (московское время) работниками ОАО «Сыктывкарский ЛПК» на территории теплоэлектростанции (ТЭЦ) была замечена сильная раскачка дымового коллектора высотой 150 м. Несмотря на то, что ветра фактически не было, амплитуда колебаний верхней части трубы составляла 6-8 м. При этом был слышен сильный скрежет разрываемого металла. В результате появилась реальная угроза падения многотонной металлической трубы на силовые установки ТЭЦ или на цеха лесохимии, что могло бы привести к серьезным последствиям не только для самого предприятия, но и для всего г. Сыктывкара. Специалисты отдела капитального строительства ОАО «Сыктывкарский ЛПК» обратились в Институт геологии с просьбой выяснить причины аварийной раскачки трубы.
После анализа обстановки сотрудниками института было принято решение о проведении комплексных инженерно-геологических исследований, связанных с изучением вибросейсмической обстановки на месте аварии.
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
На территории, где расположена ТЭЦ, преимущественно развиты ледниковые отложения печорского горизонта, которые состоят из суглинков с включениями растительных остатков и гравия с прослоями песков мелких и пылеватых (рис. 1). Инженерно-геологический разрез по скважинам 3043 и 3044 сверху вниз представлен следующими породами:
1. Насыпной грунт (мощность 1-2 м, объемный вес - 1.7х103 кг/м3)
2. Песок мелкий с возможным насыщением в межсезонье грунтовыми водами (мощность 1-3 м, объемный вес - 1.8х103 кг/м3, крутизна откоса - 28° показатель прочности - 0.6)
глубина, м
120-
115-
110-
105-
СКВ. 3044
контур фундамента
*
ш
1 У/Ш/ Ш
Фа 1111
ш ш
100-1
Рис. 1. Инженерно-геологический разрез
в районе дымового коллектора 1 - насытной грунт; 2 - песок мелкий с возможным насыщением грунтовык и технических вод; 3 - суглинок тугопластичный с пропластками среднезернистого песка; 4 - песок мелкий водонасыщенный; 5 - суглинок полутвердый с пропластками мелкозернистого песка; УУГВ -установившийся уровень грунтовыгх вод
3. Суглинок тугопластичный, местами твердый, с растительными остатками и мелким
уугв " гРавием- Присутствуют небольшие прослои среднезернистого песка (мощность суглинков 9-10 м, песков 0.5-1 м). Показатели консистенции изменяются от средних - 0.35 до минимальных значений - 0; объемный вес варьирует от 1.82х103 кг/м3 до 2.1х103 кг/м3, крутизна откоса для суглинка с растительными остатками - 13°, для суглинков с включениями гравия - 20°, показатель прочности меняется от 0.82 до 0.45).
4. Песок мелкий водонасыщенный (мощность 1-2 м, объемный вес - 1.82х103 кг/м3).
5. Суглинок полутвердый, внизу переходит в тушпластичное состояние. Присутствуют небольшие прослои мелкозернистого песка (мощность менее 1 м). Показатели консистенции от низких значений - 0.21 до средних - 0.35; объемный вес - 2.1х 103 кг/м3, крутизна откоса для суглинков с включениями гравия - 20°, показатель прочности - 0.45).
АППАРАТУРА И ЭТАПЫ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ
Для определения уровня вибросейсм была использована цифровая сейсмическая станция РЦСС-1, разработанная в конструкторском бюро Института Физики Земли под руководством И.П. Башилова. В качестве преобразователя сейсмических колебаний в электрические сигналы использовались сейсмоприем-ники СМ3-КВЭ-И, ориентированные на север-юг (компонента-Х), запад-восток (компо-нента-У) и к центру Земли (компонента^). Рабочий диапазон сейсмических датчиков составлял 0.5-40 Гц. Динамическое нагружение извлеченного грунта осуществлялось специальным вибратором с возможностью закрепления керноотборника с горной породой к вибрационному столу. Отсчет величин от момента уплотнения до момента дила-тансии или перехода в плывунное состояние исследуемого грунта осуществлялся с помощью индикаторных часов с ценой деления 10-5 м. Частота и сила вибрации менялась в диапазоне 3-30 Гц.
Были проведены следующие виды исследований:
- вибросейсмический мониторинг турбинного цеха, цеха лесохимии, опор фундамента дымового коллектора;
- динамическое изучение несущих способностей грунтов в районе опор фундамента дымового коллектора.
ТУРБИННЫИ ЦЕХ
_Турбоцех
ш
скв. 3044 о
ш
о СКВ. 3043
ш
ш
1---1
ш
<Е>
Лесохимия 2 Лесохимия 1 -у-ЦЕХ ЛЕСОХИМИИ
Рис. 2. Схема района работ на территории ТЭЦ 1 - пункты наблюдений в турбинном и лесотехническом цехах; 2 - пункты с наблюдений по опорам фундамента дымового коллектора; 3 - линия расчета коэффициента поглощения энергии расхождения; 4 - положение трубы;
5 - скважины
РЕЗУЛЬТАТЫ МИКРОСЕИСМИЧЕСКО-ГО МОНИТОРИНГА
Вибросейсмический мониторинг, проведенный в турбинном цехе ТЭЦ, на фундаменте дымового коллектора и в цехе лесохимии показал, что наибольший уровень вибрации исходит от турбинного цеха (рис. 2). Вертикальная компонента Ъ испытывала здесь смещения 9х10-5 м с частотой 12.45 Гц. Вибро-сейсмы на фундаменте дымового коллектора были разделены на два вида - ветровые микро-сейсмы в полосе частот 0.59-3.17 Гц и вибрации от турбинного цеха постоянной частоты 12.45 Гц. В первом случае смещения фундамента по горизонтальным компонентам X и У находились в пределах (2.1-3.24)х10-5 м, во втором случае - 1.3х10 5 м. Частота колебаний самой трубы была вычислена по эмпирической формуле Медведева, которая используется для приближенных вычислений периодов колебаний высотных зданий, и составила 0.31 Гц [2]. Это значение несколько отличается от зарегистрированной частоты колебаний от воз-
действий ветра (см. выше). Поэтому вероятность появления резонансных явлений в колебательных системах: слабый ветер + дымовая труба (собственные колебания) - очень мала, так как энергетический уровень в данных условиях для возникновения явления резонанса недостаточен [3]. Но и полностью исключать эту возможность тоже нельзя, потому что в реальных средах возможно изменение физико-механического состояния самой среды под действием вдруг возникших неблагоприятных факторов.
Для вычисления коэффициента поглощения энергии расхождения в слоистой среде была использована промышленная частота 12.45 Гц, исходящая от электродвигателей теплоэлектростанции. В результате по выбранному направлению: ТЭЦ - фундамент дымового коллектора - цех лесохимии - были вычислены производные функции убывания амплитуды продольной сейсмической волны от расстояния, которые меняются от 0.014 до 0.02 м-1. Такие значения характерны для грунтов с высокой пористостью, и, следовательно, с хорошей водопроницаемостью.
После сопоставления среднестатистических результатов повторных наблюдений: микросейсм ветрового происхождения и уровней вибраций от электродвигателя на фундаменте дымового коллектора - было замечено, что первая и четвертая опоры фундамента имеют большую свободу колебаний, чем вторая и третья опоры. Это дает право утверждать, что первое движение раскачки трубы было направлено в сторону турбинного цеха, и наибольшие повреждения металлических крепежей должны были произойти со стороны третьей и второй опор. Действительно, после осмотра верхней части трубы рабочие-верхолазы подтвердили наши предположения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГРУНТОВ
Вибрациям подвергались грунты, извлеченные специальным керноотборником, позволяющим сохранить их целостность, в интервале глубин от 0 до 4м. В ходе испытаний была определена последовательность уплотнения связных и несвязных грунтов до перехода их в плывунное состояние в зависимости от силы вибраций (рис. 3). Было определено, что:
S, см
a/go
О -0.1 -0.2 -0.3 -0.4
■
\ к ■
Vs и
\ • 1
V
\ 1 И fHN
\ И и Si-
к я ж ll
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2 0
Рис. 3. Зависимость уплотнения грунтов от интенсивности вибраций
1 - относительное ускорение, 2 - суглинок, 3 - глина, 4 - крупный песок, 5 - мелкий песок
V E3U BJ Е»35
- связные грунты начинают слабо уплотняться уже с ускорения 0.00а относительно сильное уплотнение происходит с 0.162-0.233g;
- у несвязных грунтов средней и мелкой зернистости величина уплотнения зависит в первую очередь от степени их увлажнения, чем она выше, тем с меньшими ускорениями идет уплотнение, снижаясь от 0.399g до 0.23g. В крупнозернистых песках, в которых содержание воды высокое, наоборот, устойчивость к вибрациям повышается до 0.444&
- кроме степени насыщенности влагой грунтов, на способность их к уплотнению ощутимо влияет разнородность зерен. Грунты с большей хаотичностью расположения зерен, уплотняются при вибрации меньшей силы;
- уплотнение грунтов проходит в несколько стадий;
- резонансные частоты для песков составляют 24-30 Гц, для глин и суглинков -12-20 Гц.
В целом, устойчивость к вибрациям у крупнозернистых песков несколько выше, чем у глин и суглинков, а мелкие и пылеватые пески наоборот начинают интенсивно уплотняться даже при небольших ускорениях - 0.059g. Слабо обводненные пески, глины и суглинки фактически имеют одинаковые значения эффективных ускорений - 0.339g, при которых осуществляется их интенсивное уплотнение.
3/2008_МГСУТНИК
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
После завершения исследований нами было высказано предположение, что процесс уплотнения грунтов до конца не завершен, и есть вероятность его возобновления. Действительно, несмотря на проведенные ремонтные работы по укреплению фундамента и самой трубы, в марте 2001 г аварийная ситуация на территории ТЭЦ повторилась. Это объясняется на наш взгляд следующими основными причинами:
- низкие значения относительных ускорений уплотнения грунтов объясняется нахождением объекта исследований в ЗО;
- процесс уплотнения мелких и пылеватых песков до конца не был завершен;
- временное увеличение мощности ТЭЦ для восполнения потерь в производстве усилило воздействие вибраций на грунты.
Руководство Сыктывкарского ЛПК было вынуждено принять решение об уменьшении длины дымового коллектора на 20 м, чтобы снизить опрокидывающий момент, возникающий при раскачке многотонной трубы. После этого подобная аварийная ситуация на Сыктывкарском ЛПК не возникала.
Литература:
1. Лютоев В.А. Сейсмогенные зоны Республики Коми и особенности микросейсморайониро-вания г. Сыктывкара. Сыктывкар: Геопринт, 2001. -32с.
2. Медведев С.В. Экспериментальные исследования колебаний жестких сооружений при сейсмических воздействиях // Вопросы инженерной сейсмологии. Тр. Ин-та физики Земли. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1958. Вып. 1. С. 65-128.
3. Стрелков СЛ. Механика. М.: Наука, 1975. 500 с.
