CC BY
70
- © В.В. Смирнов, Ю.Д. Земенков,
С.Ю. Торопов, И.В. Сероштанов, В.Н. Никифоров , 2014
УДК 622.692.4.053
В.В. Смирнов, Ю.Д. Земенков, С.Ю. Торопов, И.В. Сероштанов, В.Н. Никифоров
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Рассмотрены перспективы развития систем геотехнического мониторинга объектов трубопроводной транспортной отрасли, построенных в области распространения многолетнемерзлых грунтов на основе использования данных, фиксируемых в настоящее время службами производственного предприятия, что является экономически целесообразным. В качестве базового источника информации предлагается использовать изменение положения в пространстве элемента конструкции и на основе расчета сил, определивших данное перемещение производить анализ вероятного состояния грунта и его изменение за период между произведенными наблюдениями. Особенность разработки данной технологии состоит в сложности многофакторных процессов, протекающих в грунте, и возможной многозначности причин одного и того же зафиксированного явления, что требует разработки вариантов сценариев развития геотехнической системы и определения вероятности их реализации.
Ключевые слова: трубопровод, многолетнемерзлый грунт, деформации, напряженно-деформированное состояние, пучение грунта, геотехнический мониторинг, прогнозирование.
Эксплуатация объектов добывающих и транспортных систем нефтегазовой отрасли в области залегания многолетнемерзлых грунтов осуществляется длительный период времени. Нестабильность свойств сезонно-талого слоя приводит к перемещению оснований сооружений и несет угрозу их безопасной эксплуатации. Наиболее распространенным способом при строительстве является использование грунта в замерзшем состоянии [1]. Обеспечение сохранения мерзлого состояния достигается с помощью систем геотехнического мониторинга, теплотехнического прогноза, установки охлаждающих каналов, сезонно-действующих охлаждающих установок и т.д. Указанные технологии, в ряде случаев, не обеспечивают достижение 100 % эффекта: отмечаются случаи движения фундамента объекта, в результате чего конструкция деформируется. При этом возникает потребность в принятии управленческого решения о необходимости действий, направленных на
предупреждение развития опасных перемещений фундамента или ремонта деформированных конструкций.
Обоснованное решение данного вопроса связано с прогнозом развития ситуации. В настоящее время коллективом авторов ТюмГНГУ ведется разработка наиболее эффективных методов для прогнозирования изменений состояния геотехнических систем, математического и алгоритмического обеспечения. Так, например, авторами [2, 3] разработаны математические основы для обоснования принятия управленческого решения на основе метода определения возможности наступления недопустимых (пластических) деформаций трубопровода при сохранении зафиксированной динамики перемещений.
Прогноз развития перемещений элементов геотехнической системы в настоящее время производят на этапе проектирования на основе теплотехнического и механического анализа и моделирования системы «грунт-конструкция». Например, при разработке такого прогноза для линейного объекта - железной дороги [4,5], авторы учитывали следующие параметры системы: модули деформации грунта при первичном и повторном нагружении, одометрический модуль, степень зависимости жесткости от напряжения, сцепление, угол внутреннего трения, угол дилатансии, удельный вес и плотность грунта. При постановке задачи были предложены три варианта расчетной схемы с различными условиями расположения мерзлого, талого и оттаивающего слоев, в том числе с учетом консолидации грунта. Однако, все три решения дали различные результаты: разрушение, сохранение свойств, промежуточный результат. В работе [5], анализируя вертикальный процесс таяния грунта, автор показывает, как, на основе сравнения скоростей процесса консолидации и процесса оттаивания, можно сделать выбор в пользу двухслойной или трехслойной модели оттаивания («мерзлый грунт - талый консолидированный» или «мерзлый — оттаивающий неконсолидированный - талый консолидированный»). При исследовании осадки основания учитывались исследования специалистов МГУПС (МИИТ), а также аналогичные эксперименты Зарецкого Ю.К. и Григорьевой Ю.В., в результате которых установлено, что в процессе оттаива-
ния фильтрационная консолидация грунта происходит значительно быстрее, чем в талом грунте. На основании рассмотренного примера, можно утверждать, что для прогнозирования развития перемещений в системе «грунт-конструкция» необходимо исследование состояния всех ее элементов и их свойств, что для протяженных линейных объектов трудоемкий и дорогостоящий процесс.
Очевидно, экономическая целесообразность частых полномасштабных исследований грунта на протяженных линейных объектах и производственных площадках остается под вопросом и требует дополнительных исследований. В то же время, ориентируясь на первоначальную задачу - прогнозирование развития перемещений в эксплуатирующейся системе, можно отметить, что уже существующие, зафиксированные перемещения содержат в себе информацию о состоянии системы и параметрах ее элементов, включая те, которые по тем или иным причинам не были учтены или не могли быть учтены при проектировании и строительстве. Примером ситуации, когда регламентированные геологические изыскания были недостаточными для проектирования, является выявленная при строительстве трубопровода «Ванкор-Пурпе» необходимость проведения исследований грунта непосредственно в месте установки свай опор [6].
Для демонстрации наиболее очевидных возможностей оценки состояния грунта по перемещению опоры трубопровода приведем анализ условной схемы морозного пучения (рис. 1) и уравнения равновесия сил, действующих на сваю в условиях морозного пучения (1), приведенное в [7].
п т
и1 Е Тш ' Кш = и2 Е Т«к ■ Кк + К (1)
/=1 к=1
где п - число слоев активного пучения; т - число слоев мерзлой толщи; Ьап.1. - глубина 1-го слоя активного пучения, м; Лмк -глубина к-го слоя мерзлой толщи, м; и1 - средний периметр сечения фундамента по длине м; и2 - средний периметр сечения фундамента по длине Лмк, м; тп - величина сил морозного пучения 1-го слоя, кПа; тсмк - величина прочности смерзания к-го слоя мерзлой толщи и фундамента, кПа; N — вертикальная нагрузка, создаваемая трубопроводом, Н.
Рис. 1. Условная схема перемещения сван Ahl при пучении: 1, 2 -
слои сезонно-талого грунта; 3, 4 - слои многолетнемерзлого грунта; 3' - слой многолетнемерзлого грунта, на данном этапе эксплуатации перешедший в талое состояние; Ahl - вертикальное перемещение сваи.
На рис. 1 слева изображено проектное положение, справа -перемещение сваи вверх в результате действия сил пучения. Первоначальный расчет уравнения баланса сил проведенный на этапе проектирования учитывал совершенно определенную структуру слоев: их глубину, расположение и состояние. Перемещение стало возможным в результате изменения составляющих уравнения. Выталкивающие силы (левая часть уравнения) стали превышать силы их компенсирующие (слагаемые правой части). Наиболее вероятной причиной изменения ситуации является увеличение зоны оттаивания и появления нового талого слоя 3', образовавшегося в летний период. В зимний период возросшие силы пучения привели к перемещению сваи вверх и уменьшению глубины смерзания сваи с многолет-немерзлым слоем 4. Далее, процесс перемещения остановился в результате возрастающей нагрузки передаваемой от трубопровода, т.е. снова наступило статическое равновесие. Нагрузку, создаваемую трубопроводом после деформации можно рассчитать, воспользовавшись алгоритмом расчета НДС, предложенным в статье (Смирнов В. В. Применение метода граничных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов, проложенных на многолетнемерзлых грунтах / Смирнов В.В., Земенков Ю.Д. ). В этом случае на основании уравнения (1) появляется возможность рассчитать глубину слоя 3'. Таким об-
разом, перемещение является значимым дополнительным источником информации, позволяющим анализировать причины эволюции геотехнической системы. Кроме того, анализируя уравнение (1) можно отметить направления для конструктивного усовершенствования сваи, которое заключается в изменении соотношения периметров и1 и и2, что непосредственно скажется на соотношении сил, действующих на сваю.
Для дальнейшего описания системы необходимо разработать адекватную модель, которая должна учитывать как механическую, так и тепловую составляющую системы, а также их взаимосвязь при изменениях консолидации, пучения грунта, поглощения / выделения скрытой теплоты льдообразования или таяния льда, миграцию влаги. Изменение температурного поля, как определяющей характеристик состояния грунта, связано с влиянием атмосферного воздуха, действием солнечной радиации, толщиной снегового покрова, количеством теплоты, передаваемым фундаментом, миграцией влаги, и изменением данных параметров во времени. Часть указанных параметров в настоящее время фиксируется системой метеорологических станций, часть диспетчерскими службами предприятий, другие могут быть определены расчетным путем.
Таким образом, изменение положения элементов геотехнической системы является существенным источником информации, на основе которого возможно выявление законов развития системы, в том случае, если причину перемещения можно определить однозначно или существует ограниченное число вариантов причин. Предлагаемое направление развития систем геотехнического мониторинга является перспективным с экономической точки зрения, так как в качестве исходных данных для анализа выступают наблюдения, регулярно выполняемые в настоящее время: геодезические исследования положения трубопроводов, метеорологические наблюдения, диспетчерские данные о параметрах перекачиваемого продукта.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. — Введ. 1990-01-01. — М.: Государственный строительный комитет СССР, 1990. — 147 с..
2. Смирнов В. В. Повышение надежности эксплуатации надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах / Смирнов В.В., Земенков Ю.Д.// Нефть и газ: Отдельный выпуск Горного инфор-
мационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — М.: Издательство «Горная книга». — 2013. — №ОВ3. — С. 197-208.
3. Смирнов В. В. Разработка методики контроля напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов на многолетнемерзлых грунтах. Автореф. дис.. канд. техн. наук / ТюмГНГУ. — Тюмень. — 2013. — 16 с.
4. Ашпиз Е.С. Расчет деформаций насыпей в районах мерзлоты/ Ашпиз Е.С., Вавринюк Т.С.// Мир транспорта. — 2012. — Т.41. — №3.
— С. 102-107.
5. Вавринюк Т.С. Оценка устойчивости и деформативности земляного полотна железных дорог в условиях распространения мерзлоты. Автореф. дис.. канд. техн. наук / МГУПС (МИИТ). - Москва. — 2013. - 24 с.
6. Губарьков А.А. Инженерно-геологические изыскания и строительство нефтепровода «Ванкорское месторождение — НПС Пурпе». Известия вузов. Нефть и газ. - 2011. - №5. - стр. 25-28.
7. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебн. пособие. М.: Высш. школа. — 1973. - 448 с.
8. Смирнов В. В. Применение метода граничных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния надземных магистральных нефтепроводов, проложенных на многолетнемерзлых грунтах / Смирнов В.В., Земенков Ю.Д.. // Трубопроводный транспорт: теория и практика.
— 2013. — №4. — С. 18-23.
9. Эксплуатация магистральных и технологических нефтегазопроводов. Процессы: Учебное пособие. Под общей редакцией Ю.Д. Земенко-ва./ Подорожников С.Ю., Маркова Ё.М., Чекардовский С.М., Чекардов-ский М.Н., Курушина В.А. и др.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2013 - 393 с.
10. Земенкова М.Ю. Повышение надежности метода расчета ингибитора при изменяющихся параметрах технологического процес-са/Земенкова М.Ю., Павлов В.П., Шиповалов А.Н., Земенков Ю.Д.//Трубопроводный транспорт: теория и практика, №6 (40), С. 26-29.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Смирнов Владимир Викторович — ассистент, аспирант
Земенков Юрий Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой,
Тюменский государственный нефтегазовый университет,
Торопов Сергей Юрьевич — доктор технических наук, профессор,
Никифоров Владимир Николаевич — доктор технических наук, профессор,
Тюменский государственный нефтегазовый университет,
Сероштанов Иван Владимирович — аспирант ТюмГНГУ, инженер ООО
«Газпром трансгаз Югорск».
PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF GEOTECHNICAL MONITORING SYSTEMS
Smirnov V.V., Assistant, postgraduate
Zemenkov Y.D., Doctor of Technical Sciences, Professor, the head-blowing Department,
Tyumen state oil and gas University,
Toropov S.Y., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Nikiforov V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Tyumen state oil and gas University,
Seroshtanov I.V., Post-graduate student TSOGU, engineer of OOO "Gazprom transgaz Yugorsk.
The article discusses the prospects of development of geotechnical monitoring systems for objects of pipeline transportation, built in the area of permafrost soils based on the data recorded in the services manufacturing facility that is economically feasible. As a basic source of information is proposed to use the change of position in space design element and an estimate of the forces that have shaped this movement to analyze the likely state of the soil and the change produced in the period between observations. The development feature of this technology consist in multifactorial processes, occurring in the soil, and a variety of possible reasons for the same fixed conditions, that require the development of options scenarios of evolution geotechnical system and determine the probability of their realization.
Key words: pipeline, permafrost, deformation, stress-strain condition, soil heaving, geotechnical monitoring, prognostication.
REFERENCES
1. SNiP 2.02.04-88. Osnovanija i fundamenty na vechnomerzlyh grun-tah. — Vved.1990-01-01. — Moscow: Gosudarstvennyj stroitel'nyj komitet SSSR, 1990. 147 p.
2. Smirnov V.V. Povyshenie nadezhnosti jekspluatacii nadzemnyh magi-stral'nyh nefteprovodov na mnogoletnemerzlyh gruntah (Increased reliability of operation of above-ground pipelines on permafrost soil) / Smirnov V.V., Zemenkov Ju.D.// Neft' i gaz: Ot-del'nyj vypusk Gornogo informacionno-analiticheskogo bjulletenja (nauchno-tehnicheskogo zhurnala). — Moscow: Izdatel'stvo «Gornaja kniga». 2013, OV3. pp.197208.
3. Smirnov V.V. Razrabotka metodiki kontrolja naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija nadzemnyh magistral'nyh nefteprovodov na mnogo-letnemerzlyh gruntah (Development of methods of stress-strain state of above-ground pipelines on permafrost soil). Av-toref. dis.. kand. tehn. nauk / TjumGNGU. Tju-men'. 2013, 16 p.
4. Ashpiz E.S. Raschet deformacij nasypej v rajonah merzloty (Calculation of deformation of embankments in areas of permafrost) / Ashpiz E.S., Vavrinjuk T.S.// Mir transporta. 2012, Vol. 41, No 3, pp. 102-107.
5. Vavrinjuk T.S. Ocenka ustojchivosti i deformativnosti zemljanogo polotna zheleznyh dorog v uslovijah rasprostranenija merzloty (Evaluation of stability and deformation of subgrade Railways in conditions of permafrost). Avtoref. dis.. kand. tehn. nauk / MGUPS (MIIT). Moscow, 2013, 24 p.
6. Gubar'kov A.A. Inzhenerno-geologicheskie izyskanija i stroitel'stvo nefteprovoda «Vankorskoe mestorozhdenie (Geological engineering and construction of oil pipeline Vankor field). NPS Purpe». Izvestija vuzov. Neft' i gaz. 2011, No 5, pp. 25-28.
7. Cytovich N.A. Mehanika merzlyh gruntov (Mechanics of frozen soils). Uchebn. posobie. Moscow, Vyssh. Shkola, 1973, 448 p.
8. Smirnov V.V. Primenenie metoda granichnyh jelementov dlja rascheta naprjaz-henno-deformirovannogo sostojanija nadzemnyh magistral'nyh nefte-provodov, prolozhen-nyh na mnogoletnemerzlyh gruntah (The application of the boundary element method for calculating stress-strain state of above-ground pipelines, built on permafrost soil)/ Smirnov V.V., Ze-menkov Ju.D.. // Truboprovodnyj transport: teorija i praktika. 2013, No 4, pp.
9. Jekspluatacija magistral'nyh i tehnologicheskih neftegazoprovodov. Processy: Uchebnoe posobie. Pod obshhej redakciej Ju.D. Zemenkova./ Po-dorozhnikov S.Ju., Mark-ova L.M., Chekardovskij S.M., Chekardovskij M.N., Kurushina V.A. i dr. Tjumen', Tjum-GNGU, 2013, 393 p.
10. Zemenkova M.Ju. Povyshenie nadezhnosti metoda rascheta ingibito-ra pri izmen-jajushhihsja parametrah tehnologicheskogo processa (Improving the reliability of the method of calculation inhibitor when changing the parameters of the technological process) /Zemenkova M.Ju., Pavlov V.P., Shipovalov A.N., Zemenkov Ju.D.//Truboprovodnyj transport: teorija i praktika, No 6 (40), pp.26-29.
18-23.
