CC BY
50ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ НА УЧАСТКАХ ПРЕРЫВИСТОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
УДК 624.131+621.644
Е.В. Марков, ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
(Тюмень, РФ), markov.ev@mail.ru
С.А. Пульников, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», spulnikov@mail.ru
В сложных климатических и инженерно-геологических условиях Западной Сибири эксплуатационная надежность трубопроводов определяется в основном способностью конструкции трубопровода сопротивляться неблагоприятной динамике гидрогеологических и геокриологических процессов, повторяющихся ежегодно. Один из наиболее опасных процессов -морозное пучение, способное развивать огромные усилия и приводить к сильным изгибам трубопроводов в вертикальной плоскости на коротких участках. Наибольшее влияние морозное пучение оказывает на «теплые» и «холодные» трубопроводы, поскольку перекачиваемый продукт служит источником холода. Проектируемые системы инженерной защиты от морозного пучения имеют недостаточную эффективность на участках прерывистого распространения многолетнемерзлых грунтов, о чем свидетельствуют многочисленные аварии, происходящие как на магистральных, так и на промысловых газо- и конденсатопроводах ежегодно. В связи с этим актуальна проблема повышения надежности трубопроводов на пучинистых грунтах. Авторы предложили разделить способы инженерной защиты на две группы: первая направлена на устранение морозного пучения грунтов; вторая - на снижение силовых воздействий со стороны пучинистого грунта. В статье проведено численное исследование различных методов инженерной защиты первой группы, сделаны выводы в отношении их эффективности в условиях сильно обводненных грунтов на равнинных территориях Западной Сибири с учетом имеющегося опыта эксплуатации. Численные исследования показали высокую эффективность методов обогрева и гидроизоляции для снижения деформаций морозного пучения грунтов. Электрообогрев позволяет полностью устранить морозное пучение, так как грунт перестает замерзать. Для гидроизоляции установлено оптимальное положение непроницаемой мембраны, которое способствует наибольшему снижению морозного пучения.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ, ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ, ЭЛЕКТРООБОГРЕВ, ЗАСОЛЕНИЕ, ПОТЕНЦИАЛ ВЛАГИ, ТЕПЛОПЕРЕНОС В ГРУНТАХ, МАССОПЕРЕНОС В ГРУНТАХ.
Эксплуатационная надежность трубопроводных систем в геокриологических и гидрологических условиях Западной Сибири определяется, главным образом, способностью конструкции трубопровода обеспечивать эксплуатационное положение в границах допустимых значений. Конструкция трубопровода находится под воздействием различных разрушающих геологических процес-
сов: суффозия, дефляция, ежегодные паводки, морозное пучение, термоэрозия [1].
Для теплых и холодных трубопроводов, по классификации СП 25.13330.2012 [2], существенную опасность представляет морозное пучение грунтов, что связано с не -равномерностью этого явления и огромными величинами погонных усилий. На сегодняшний день в проектировании используются
следующие классические методы инженерной защиты от морозного пучения: теплоизоляция и замена пучинистого грунта на непучини-стый (обычно крупнозернистый песок). Подобные проектные решения слабо подходят для территорий сплошного, с несквозными таликами, и прерывистого распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ), о чем свидетельствуют многочисленные аварии
Markov E.V., Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Industrial University of Tyumen" (Tyumen, Russian Federation), markov.ev@mail.ru
Pulnikov S.A., Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Industrial University of Tyumen", spulnikov@mail.ru
Theoretical study of methods of the engineering protection of underground pipelines from frost heaving at the areas of the non-continuous distribution of permafrost soils
The reliability of pipelines in the complex climatic and geotechnical conditions of Western Siberia is mainly determined by the ability of the pipeline structure to resist the adverse dynamics of repeated annually hydrogeological and geocryological processes. One of the most dangerous processes is frost heaving, which can develop great efforts and leads to tight bends of short sections in the vertical plane. Frost heaving has the greatest influence to the warm and cold pipelines, because the pumped product is a source of cold. The designed systems of engineering protection against frost heaving have insufficient efficiency at the areas of non-continuous distribution of permafrost soils, that is confirmed by the numerous accidents occurring both on the main and on the field gas and condensate pipelines annually. It demonstrates the urgency of the problem of improving the reliability of pipelines in heaving soils.
The authors proposed to divide the methods of engineering protection into two groups: the first group allows eliminating the frost heaving; the second group allows reducing the force effects from heaving soils. The paper presents the numerical study of various methods of engineering protection of the first group and conclusions on their effectiveness in the conditions of flooded soils on the flat territories of Western Siberia, taking into account the experience of pipeline operation. Numerical studies showed high efficiency of heating and waterproofing for engineering protection of pipelines from heaving soils. Electrical heating can completely eliminate a frost heaving, because the soil stops to freeze. The optimal position of the membrane was determined for waterproofing. This position reduces frost heaving with maximal efficiency.
KEYWORDS: FROST HEAVING, WATERPROOFING, ELECTRICAL HEATING, SALINITY, SOIL-WATER POTENTIAL, HEAT TRANSFER IN SOILS, MASS TRANSFER IN SOILS.
на магистральных и промысловых газо- и конденсатопроводах. На этих участках воздействие методов инженерной защиты противоречиво.
С одной стороны, понижение температуры продукта до отрицательных значений стабилизирует ММГ, но с другой - на участках с талыми грунтами отрицательная температура продукта становится причиной интенсивного морозного пучения. По опыту авторов в расследованиях причин аварийных инцидентов, теплоизоляция и замена грунта становятся неэффективными уже при температурах продукта ниже -4...-5 °С. Подогрев продукта до 0 °С реша -ет проблему с пучением талых грунтов, но тогда активизируется морозное пучение, связанное с намораживанием льда на кровле ММГ, так как трубопровод становится проводником влаги вниз. Дополнительно ситуация осложняется естественным сезонным и многолетним пучением,которое связано с перетоком воды из талого грунта в многолетнемерзлый на переходных участках. Подогрев
продукта до положительных температур приводит к просадкам ММГ при оттаивании.
Таким образом, найти оптимальную температуру перекачиваемого продукта с точки зрения стабилизации проектного положения проблематично, а обеспечить ее постоянство в производственных условиях практически невозможно. В целом классические методы инженерной защиты пригодны для территорий с талыми или многолетнемерзлыми грунтами. На участках с прерыви -стыми ММГ разработка методики выбора и теории расчета способов инженерной защиты от морозного пучения теплых и холодных трубопроводов остается актуальной проблемой [3].
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Морозное пучение включает сложные физико-химические процессы с большим количеством взаимодействующих факторов, изменяющихся во времени и пространстве. Перераспределение влаги является основным процессом, обусловливающим
пучение. Существенно влияние дисперсности, водонасыщения, минералогического состава, условий промерзания и предзимнего увлажнения на способность грунта к морозному пучению [4, 5].
Способы инженерной защиты трубопроводов от воздействия морозного пучения разделяют на две группы: первая направлена на устранение самого процесса морозного пучения грунта; вторая - на снижение силовых воздействий пучинистого грунта за счет специальных конструктивных решений. В статье рассмотрены способы первой группы, направленные на устранение процесса морозного пучения грунта.
В рамках статьи решены следующие задачи:
- разработка расчетной схемы, позволяющей без прямого моделирования трубопровода численно исследовать вертикальную деформацию морозного пучения грунта;
- численные исследования морозного пучения различных грунтов (пески,супеси,суглинки, глины) с учетом физических и хи -
мических способов инженерной защиты;
- выбор экологически безопасного, устойчивого к воздействиям внешней среды и эффективного на участках прерывистых мно-голетнемерзлых грунтов метода инженерной защиты от морозного пучения теплых и холодных трубопроводов с учетом геологических особенностей Западной Сибири.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для разработки физически обоснованных методов инженерной защиты авторы использовали численное моделирование. Исследование методов снижения пучения грунтов проводилось с использованием математической модели, состоящей из системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса (формулы (1) - (9)), полученных с учетом следующих предположений:
- перенос веществ в газовой фазе незначителен, что свойственно водонасыщенным грунтам Западной Сибири;
- перемещение жидкости описывается квазистационарными уравнениями (например, закон Дарси);
- кристаллизация льда и выпадение нерастворенных солей происходят через фазу метаста-бильных состояний [6];
- раствор принимается бинарным, т. е. рассматривается совокупный перенос солей;
- раствор перемещается под действием градиентов капил-лярно-сорбционного потенциала воды и гравитации; слабое влияние напряженно-деформированного состояния грунта под трубопроводами на давление во внутрипоровом растворе подтверждено экспериментальными исследованиями [7], поэтому давление в уравнения не входит; компоненты раствора диффундируют по закону Фика;
- при полном заполнении внут-рипорового пространства и отсутствии стока раствор остается
неподвижным, так как градиент гидростатического давления уравновешивает силу тяжести. Это учитывается в уравнениях с помощью множителя (1 - hav(E Д который обнуляет силу тяжести при превышении объема внутри-поровых веществ над объемом пор.
ят
(у £ +у с +у.с.+у с +у с )— =
Бк вк ' IV ИГ ' I I 1Б Б 1 ПБ ПБ'3+
ду. ду
+ [/. + (с - с)(Т - Т /. (1)
1 иг х IV г* м'-1 я 4 '
где узк - плотность скелета грунта, кг/м3; ум, у., у5, уп5 - содержание воды, льда, соли и нерастворен-ной соли в единице объема грунта, кг/м3; с ,, с , с, с , с - изо-
БК М ! Б ПБ
барная теплоемкость скелета грунта, воды,льда,растворенной и нерастворенной соли, Джкг^К-1; Т - температура, К; дШ - оператор частной производной по времени; t - время, с; \М - оператор дивергенции от векторной функции А; УВ - оператор градиента от скалярной функции В; Хт - коэффициент теплопроводности грунта, Втм-1К-1; - диффузионный поток воды в водно-солевом растворе через единицу поверхности грунта, кг с-1м-2; - конвективный поток водно-солевого раствора через единицу поверхности грунта, кгс-1м-2; сам, юб - массовая концентрация воды и солей, д. ед.;
- теплота плавления льда при нормальных условиях, Дж/кг; Тт. - температура плавления льда при нормальных условиях, К; -теплота растворения солей, Дж/кг.
—•-=--+ V' со —
dt dt I " g
- (1- hav(Ey))g] - О^Уи,-1-YjVco,
(2)
где - капиллярно-сорбци-онный потенциал воды, Дж/кг; Хр - коэффициент влагопроводно-сти, м/с; рмБ - плотность водно-солевого раствора, кг/м3; д - константа ускорения свободного падения, 9,81 м/с2; hav(x) - функ-
ция Хэвисайда от аргумента x; ev - относительная объемная де -формация грунта от морозного пучения, д. ед.; д - вектор ускорения свободного падения, м/с2; Dws - коэффициент диффузии соли в водно-солевом растворе в грунте, м2/с;
у +у Зю о dy dvi/ Эу
¡Б 'IV S S ' W TW 'ПБ.
со.
+ V
CO.
dt 00 dV|f dt dt
W T w
- (1 - hav(e,))g] + D Jyw+yjv«)s|. (3)
dt
-hav(Qw- Q^-haviyJ ■<
+ (4)
1/1
где - - разность полных термодинамических потенциалов воды и льда, Дж/кг; хп - параметр релаксации кристаллизации льда, Джс/кг2; - параметр релаксации плавления льда, Джс/кг2.
* Кг
* Иау(и5 - юБах)-Иау(у5) +
г
х [1 - (и - CD™*)]-hav(yJ,
(5)
где со™* - концентрация насыщенного раствора, д. ед.; 1сг - время релаксации кристаллизации солей, с; - время релаксации растворения солей, с.
J =—
sKVxi/w-[l-hav(8„)]g}. (6)
J = -J = -D (у + у )Уш ,
W <t w^'w 1 s' w7
(7)
где Л - диффузионный поток солей в водно-солевом растворе через единицу поверхности грунта, кг-с^-м-2.
Q - £2. = viz + ис
W I ' w rw
Цт-т)
wr
т.
(8)
где ^ - химический потенциал воды в растворе, Дж/кг.
хт = х? + xr; Ji ,
1 1 у + у ' у + у ' w ч ' w ч
где Х^1, X* - коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунта, Втм-1К-1.
+ —+ о
р р. р е + 1
"WS г, гп5
(10)
СО1
700
*hav(7"-273) + к hav(7"-252) [l - hav(7"-273)]; (11)
Mcw = 461,677ln(1 - 0,86а»s); (12)
р = р + 757,7ю, (13)
Таблица 1. Начальные, граничные и остановочные условия численного эксперимента
Table 1. Initial, boundary and stop conditions of numerical experiment
р., рп5 - плотность льда и нераство -ренных солей, кг/м3; е - коэффициент пористости, д. ед.
Подробное описание методики получения уравнений (1) - (9) приведено в работах [8-10]. Урав -нения тепломассопереноса решаются относительно следующих неизвестных величин: Т; ш ; со ; у.;
' ТГ б' 1 г
упз. Для решения системы уравне -ний использовался классический метод конечных разностей с неявной схемой. Конечно-разностные уравнения, аппроксимирующие дифференциальные уравнения (1) - (9), а также доказательство устойчивости использованной разностной схемы представлены в работе [11].
В численных экспериментах использованы физико-химические параметры водного раствора NaCl [10]:
(Г- 273) + 5523 21 ООО *
(Г-252) + 163,1
Наименование Name Математическое выражение Mathematical expression
Начальные условия, t = 0 Initial conditions, t = 0 T = T + 1; w = xiz - gz; to = шест; v. = 0; нз ' Tw тнас ^ ' s s ' 'i ' y = 0 ' ns
Верхняя граница, z = 0 Upper limit, z = 0 T = T + AT ; J = 0; J = 0 нз up' w ws
Нижняя граница, z = -Нгр Lower limit, z = -H ' гр T = T + 2; V = V (v™"); to = to«" нз ' Tw tWw " s s
Геометрические параметры Geometric parameters d = 0,1 м гр
Условия остановки эксперимента Conditions for stopping the experiment T = Гз при глубине промерзания Hfr = 0,1 м
Образец грунта Soil sample Теплоизолированные стенки Thermally insulated walls
Термостатированная плита Thermostatically controlled plate
Граничные условия: Boundary conditions: Г= (Г + АГ ),К;/ = 0;/ = О
* нэ up" ''и ,JW
Прирост высоты грунта Increase in soil height
Граничные условия: Boundary conditions: T =(Г + 2), К; ф =Ф ; Ы =ШКГ
\ нз /II Тцг Тнас! s 5
Пористая термостатированная плита Thermostatically controlled porous plate
Подача раствора
оф>
Solution feeding
Рис. 1. Расчетная схема численных экспериментов: Hfr - расстояние от поверхности грунта до поверхности с температурой T = Тнз
Fig. 1. Calculation scheme of numerical experiments: Hfr - distance from the soil surface to the surface with temperature T = T
где рт - плотность воды, кг/м3.
Для описания ^ применена двухпараметрическая зависимость, рекомендованная Калюжным и Лавровым [12]:
при ri = log
(14)
pu
¿Ks)
Коэффициент влагопроводности Хр рассчитан по формуле Муалема [13], которая с учетом (14) записывается как:
(У \2ч + 2,5
ymaxl /
(е + 1)у (е + 1)у
1 + —__—- +
ер,
еРа
(15)
где \|/вз - потенциал при влажно -сти завядания, увз « -1500 Дж/кг; \|/нв - потенциал при наименьшей влагоемкости, \|/нв = -33 Дж/кг; увз - содержание воды в грунте при \|/вз, кг/м3; унв - содержание воды в грунте при \|/нв, кг/м3.
где ХР0 - коэффициент фильтрации при полном водонасыщении, м/с; ушах - масса воды на 1 м3 грунта при полном заполнении пор, кг/м3, у™ = р„е/(1 + е).
В инженерной практике принято использовать относительную де-
формацию морозного пучения е№, полученную по ГОСТ 28622-20112 [14], для определения морозо-опасности грунта при промерзании. В ходе испытания грунт помещается в цилиндрическую обойму с доступом воды снизу и промораживается сверху (рис. 1). Этот способ получил широкое распространение за счет простоты, наглядности и управляемости.
Физические принципы развития морозного пучения под теплыми и холодными трубопроводами в условиях обводненных грунтов Западной Сибири совпадают с таковыми в условиях экс-
Таблица 2. Базовые значения параметров грунтов и условий численных экспериментов Table 2. Basic values of soil parameters and conditions of numerical experiments
№ инженерно- Тип грунта Базовые параметры Base parameters
No. of geotechnical element Soil type £V Ko Л ymax IV ysk œsecT M up H гр
1 Песок Sand 0,102 110-4 2,5 0,027 1450 0,0001 -4 0,15
2 Супесь Sand loam 0,104 110-5 3,5 0,087 1450 0,0001 -4 0,15
3 Суглинок Clay loam 0,111 110-7 5,0 0,260 1450 0,0001 -4 0,15
4 Глина Clay 0,060 110-9 7,0 0,534 1450 0,0001 -4 0,15
Таблица 3. Диапазоны изменения базовых значений параметров грунтов в каждом численном эксперименте
Table 3. Ranges of change in the base values of soil parameters in each numerical experiment
№ численного эксперимента No. of numerical experiment Изменяемый параметр Changing parameter Диапазон изменения Size of changing Единицы измерения Units of measurement
1 Ko 10-7-10-5 м/с m/s
2 Л 3,4-4,3 -
3 Y /ymax !вз 'w 0,055-0,100 -
4 Jsk 1200-1800 кг/м3 kg/m3
5 tosecT 0,0001-0,075 -
6 H гр 0,15-1,2 м m
7 M up -6...-0,25 °С
8 H из -0,15...0 м m
периментальных исследований по [14]. Поэтому авторы статьи провели численные исследования с начальными, граничными и остановочными условиями, максимально приближенными к условиям экспериментальных исследований по [14] (табл. 1, здесь: \|/нас - потенциал при полном заполнении пор водой, рассчитанный по формуле (14) при у^ = уГ, Дж/кг; Тнз - температура начала замерзания раствора в грунте, К; Тир - понижение температуры поверхности грунта по сравнению с температурой начала замерзания, К; ю*ст - естественная засоленность, д. ед.; Н - высо-
вия Дирихле по Т и Неймана по ^ и со5. На нижней поверхности при 2 = -Нгр задаются граничные условия Дирихле по Т, ^ и ок Начальные условия соответствуют термостабилизированному грунту, приведенному в контакт с раствором по нижней поверхности. Численный эксперимент, как и эксперимент по [14], останавливается при глубине промерзания Нг = 0,1 м (кроме эксперимента № 6).
После решения системы уравнений тепломассопереноса (1) -(9) с использованием уравнения (10) рассчитывается средняя объемная деформация грунта от морозного пучения б„, которая в рассмотренном одномерном случае совпадает с относительной деформацией морозного пучения
К [14]:
та образца грунта, м; йгр - диа- ег метр образца грунта, м). Такой подход позволил оценить эффективность физических и химических способов инженерной защиты без непосредственного моделирования трубопровода.
В соответствии с расчетной схе -мой на рис. 1 задача решается в одномерной постановке, поэтому оператор градиента тождественно равен: V = Э/Э2, где 2 - координата по вертикальной оси, направленной противоположно вектору силы тяжести д и берущей начало на поверхности грунта, м. На верхней поверхности грунта при 2 = 0 задаются граничные усло-
= F =_ft_
' " H ■
(16)
Величина, определяемая выражением (16), является окончательным результатом каждого расчета.
С помощью (16) можно определить вертикальное перемещение образца грунта К по формуле
К = еН, м.
Проведенные численные эксперименты позволили определить зависимость средней относительной объемной деформации грунта (формула (16)) от параметров математической модели,которые поддаются изменению физическим или химическим способа-
ш tj
■i М
0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0
а) а)
к*
1-Ю"'
МО"1
m/s
в) с)
0,15
0,12
5 I 0,09 ч е
0,06 0,03
о
ею
ига №2
Ш о
я Е
0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0
игэ
1-1D"5 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3
1
Dd)
0,012 0,008
и .1
£ | 0,000 Ibf- --Щ
= 0,004
1/ ГЭ № 2
0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
YjYj"
0,012
0,10 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
«г/м3 kg/m3
Рис. 2. Результаты численных экспериментов: а) № 1, зависимость ev от XP0\ б) № 2, зависимость ev от т|; в) № 3, зависимость ev от увз/у™ах; г) № 4, зависимость Дёу от
Fig. 2. Results of numerical experiments: a) № 1, dependence of ev on XP0;
b) № 2, dependence of ev on tj c) № 3, dependence of ev on у^/у™"; d) № 4, dependence of
on ysk
a) a)
6)b)
ИГЭ №3
/ /
' J
0,02
-•-Грунт N4 Soil No. 1 —-— Грунт N" 2 Soil No. 2
0,06
- Грунт №3 Soil No. 3 ■Грунт №4 Soil No. 4
0,50
■ 0,60 ■ 1,20
Рис. 3. Результаты численных экспериментов: а) № 5, зависимость ev от ш5ест; б) № 6, зависимость е„ от Н, /Н
V fr гр
Fig. 3. Results of numerical experiments: a) No. 5, dependence of ev on ш"т; b) No. 6, dependence of ev on Hfr/Hrp
ми при сооружении инженерной защиты.
При этом в каждом из восьми экспериментов один из параметров математической модели изменялся, а все остальные параметры принимались как базовые и
оставались неизменными. Базовые параметры представлены в табл. 2, диапазоны их изменения -в табл. 3. Численный эксперимент № 8 (см. табл. 3) отличался от остальных наличием гидроизолирующей мембраны на отметке Н
по оси г (м), которая полностью перекрывала движение воды вверх (на рис. 1 не показана). На гидроизолирующей мембране задаются граничные условия - = 0, = 0, а также непрерывность теплового потока и температуры.
Следующие параметры грунтов были приняты постоянными в каждом численном эксперименте в связи с их незначительной вариацией при переходе от одного грунта к другому: р^ = 1000 кг/м3; р = 2165 кг/м3; р. = "917 кг/м3; с =
гпб ' г/ 7 "
= 4190 Дж-кг-1-К-1; сз = 870 Дж-кг1-^1; с.=2100 Дж-кг1-К"1; сп$=870 Дж-кг1-К"1; г = 100 с; г = 105 с.
сг ds
Значения плотности твердых частиц для грунтов Западной Сибири: ртч = 2800 кг/м3 для песков; ртч = 2750 кг/м3 для супесей; ртч = 2700 кг/м3 для суглинков и глин [3].
Значения изобарной теплоемкости скелета грунта ск приняты в со-ответствии с рекомендациями [2] (приложение Б6): ск = 750 Дж-кг-1-К"1 для песков; ск = 850 Джкг^К-1 для супесей; с^ = 950 Джкг-1К-1 для суглинков и глин.
Согласно [15] коэффициент диффузии й составляет: 10-10-10-12 м2/с
Т 1 ^
в талых грунтах; 10-9-10-11 в мерзлых грунтах. По экспериментальной оценке, значения параметра релаксации находятся в диапазоне тГг = 103-105 Джсм 3/кг2 для льдообразования. Для процесса оттаивания запаздывание практически не фиксируется, т. е. параметр релаксации стремится к нулю: т£Л —» 0 [6]. Поскольку влия -ние на коэффициент диффузии и релаксацию при льдообразовании затруднительно, они не рассматривались в качестве изменяемых параметров и были приняты постоянными и средними из диапазона ожидаемых значений: й = 510-11 м2/с, т = 104 Джсм3/кг2,
" 7 Гг "
х „ = 0,1 Джсм3/кг2.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис. 2-4 представлены результаты численных экспериментов № 1-8, при этом № 1-4 показывают зависимость пучения от
а) а)
б» Ь>
Оптимальное положение гидроизоляции
0,015 0,012 0,009 0,006 0,003 0
игэ №2
-5 -4 -3 -2 VI
—- Грунт N4 ■ Soil No.1
0,15
0,12
3 1 0,09 = £
0,06 0,03
о
/
г
ч А f
Ч //
/
-1 о
-0,15 -0,12 -0,09 -0,06 -0,03 0 m
■ Грунт №3 —■— Грунт № 2 Soil No.3 Soil No. 2
■ Грунт N»4 Soil No. 4
Рис. 4. Результаты численных экспериментов: а) № 7, зависимость £.VHfr от Tup, грунт № 2; б) № 8, зависимость ev от Низ
Fig. 4. Results of numerical experiments: a) No. 7, dependence of £VHfr on Tup, soil No. 2; b) No. 8, dependence of ev on Низ
параметров, которые возможно изменять с помощью уплотнения (увеличивает удельную поверхность грунта) или путем насыщения грунтов одновалентными катионами К+ (увеличивает количество прочносвязанной, практически неподвижной воды в двойном электрическом слое). Но в инженерно-геологических условиях Западной Сибири, характеризующихся динамичностью процессов пучения, подтопления и эрозий, уплотненный грунт с большой вероятностью вернется в исходное состояние, а гидравлическая связь с окружающими водоемами восстановит исходный солевой состав или причинит экологический ущерб [1]. Поэтому уплотнение грунтов или изменение солевого состава в целом пригодно для снижения пучинистости, но не рекомендуется к применению в условиях Западной Сибири.
Численный эксперимент № 5 показывает, что увеличение концентрации соли исходного состава в грунтах приводит к снижению пучинистости. Этот способ, как и изменение состава обменных катионов, относится к химическому воздействию и, по мнению авторов, не применим в условиях Западной Сибири по тем же причинам.
Согласно численному эксперименту № 6 прокладка трубопровода выше уровня грунтовых вод (УГВ) является эффективным способом защиты от морозного пучения. Вместе с тем в условиях равнинного рельефа Западной Сибири отсутствует практическая возможность для понижения УГВ на протяжении десятков километров трассы трубопровода. Прокладка трубопровода выше УГВ требует создания обвалования, которое, по опыту эксплуатации [1], крайне неустойчиво в гидрогеологических условиях Западной Сибири.
Численный эксперимент № 7 показывает высокую эффективность повышения температуры грунта для защиты от мороз-
ного пучения. При температуре продукта выше -4...-5 °С при пересечении талых грунтов достаточно применения классической кольцевой теплоизоляции. При температуре продукта ниже -4.-5 °С теплоизоляция имеет недостаточную эффективность, что требует применения дополнительных мероприятий. В этом случае в качестве наиболее пер -спективной технологии может рассматриваться скин-система, позволяющая обогревать грунт локально на расстоянии до 30 км от источника напряжения, сохраняя прилегающие ММГ в замороженном состоянии. При этом затраты энергии на локальный обогрев грунтов обычно значительно ниже, чем на обогрев пе -рекачиваемого продукта. Малый диаметр трубки скин-системы и закрепление его с помощью хомута на наружной поверхности обеспечивают приспособляемость к перемещениям трубопровода и ремонтопригодность, в отличие от скин-систем внутри-кольцевой теплоизоляции.
По данным численного эксперимента № 8, гидроизоляция снижает пучение в несколько раз и наиболее эффективна при положении гидроизолирующего слоя на границе температуры
начала замерзания при стационарном температурном режиме. Областью применения гидроизолирующих материалов, по мнению авторов, являются трубопроводы с температурой перекачиваемого продукта ниже -4.-5 °С при пересечении участков талых грунтов и с температурой 0.4 °С при пересечении участков ММГ. Гидроизоляция представлена прочным водонепроницаемым материалом толщиной 250-500 мм, с удельным весом, превышающим удельный вес воды. Данный материал укладывают под нижнюю образующую трубопровода локально. В отличие от классической технологии с применением крупнозернистого песка обеспечивается полная блокировка притока воды в промерзающую зону.
ВЫВОДЫ
Предлагается разделить методы инженерной защиты на две группы. Первая группа направлена на устранение морозного пучения грунта. Ко второй группе принадлежат методы, направленные на снижение силовых воздействий со стороны пучинистого грунта.
Выполнены численные исследования зависимости морозного пучения от свойств грунта. В результате исследования было уста-
новлено, что физико-химические воздействия на грунт(уплотнение, засоление, изменение состава обменных катионов) позволяют существенно снизить морозное пучение. При этом в условиях сильно обводненных грунтов и интенсивных паводковых и эрозионных процессов использование таких методов инженерной защиты неэффективно или неэкологично.
Выполненные численные исследования показали высокую эффективность методов повышения температуры грунта и гидроизоляции для снижения деформаций морозного пучения грунтов. Повышение температуры позволяет полностью устранить морозное пучение, так как грунт перестает замерзать.
Гидроизоляция позволяет существенно снизить морозное пуче-
ние и наиболее эффективна при положении слоя гидроизоляции на границе фронта промерзания и оттаивания при стационарном температурном режиме. По опыту авторов статьи, данные методы инженерной защиты наиболее подходят для теплых и холодных трубопроводов, пересекающих территории с несплошным распространением ММГ, благодаря локальному воздействию на грунты. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Карнаухов М.Ю., Лазарев С.А., Пульников С.А., Сысоев Ю.С. Исследование процесса формирования эксплуатационного положения протяженных участков МГ Уренгой - Челябинск в сложных гидрогеологических условиях // Газовая промышленность. 2015. № S (724). С. 53-58.
2. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 (с Изменением № 1) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200095519 (дата обращения: 27.04.2018)
3. Горковенко А.И. Основы теории расчета пространственного положения подземного трубопровода под влиянием сезонных процессов. Дис. ... д.т.н. Тюмень, 2006. 305 с.
4. Орлов В.О., Дубнов Ю.Д., Меренков Н.Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений. Л.: Стройиздат, 1977. 184 с.
5. Иванов И.А., Кушнир С.Я. Магистральные трубопроводы в районах глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов. СПб.: Недра, 2010. 176 с.
6. Даниэлян Ю.С., Яницкий П.А. Особенности неравновесного перераспределения влаги при промерзании и оттаивании дисперсных грунтов // Инженерно-физический журнал. 1983. Т. 44. № 1. С. 91-98.
7. Михайлов П.Ю. Динамика тепломассообменных процессов и теплосилового взаимодействия промерзающих грунтов с подземным трубопроводом. Дис. ... к.ф.-м.н. Тюмень, 2012. 175 с.
8. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Development of Mathematical Model of Heat and Mass Transfer in Soil, with Provision for Gradients of Soil-Water and Soil-Salt Potentials. Part 1 // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol. 12. № 14. P. 4340-4344.
9. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Development of Mathematical Model of Heat and Mass Transfer in Soil, with Provision for Gradients of Soil-Water and Soil-Salt Potentials. Part 2 // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol. 12. № 19. P. 8717-8722.
10. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Development of Mathematical Model of Heat and Mass Transfer in Soil, with Provision for Gradients of Soil-Water and Soil-Salt Potentials. Part 3 // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol. 12. № 21. P. 11146-11151.
11. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Stability of Finite Difference Method for Frost Heaving Calculation in 2D Space // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol. 12. № 17. P. 6997-7000.
12. Калюжный И.Л., Лавров С.А. Гидрофизические процессы на водосборе: Экспериментальные исследования и моделирование. СПб.: Нестор-История, 2012. 616 с.
13. Maulem Ye. A New Model for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Porous Media // Water Resources Research. 1976. Vol. 12. Iss. 3. P. 513-522.
14. ГОСТ 28622-2012. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200101299 (дата обращения: 27.04.2018)
15. Комаров И.А. Термодинамика промерзающих и мерзлых дисперсных пород. Дис. ... д.г.-м.н. М., 1999. 296 с.
REFERENCES
1. Karnaukhov M.Yu., Lazarev S.A., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S. Study of the Operational Position Formation of Extended Sections of the Urengoy -Chelyabinsk Main Gas Pipeline in Complex Hydrogeological Conditions. Gazovaya promyshlennost' = Gas Industry, 2015, No. S (724), P. 53-58. (In Russian)
2. Code Specification SP 25.13330.2012. Soil Bases and Foundations on Permafrost Soils. Revised Edition of Construction Norms and Regulations 2.02.04-88 (with Amendment No. 1) [Electronic source]. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200095519 (access date: April 27, 2018). (In Russian)
3. Gorkovenko A.I. Basics of the Theory of Calculating the Spatial Position of an Underground Pipeline under the Influence of Seasonal Processes. Doc. Sci. (Eng.) Dissertation. Tyumen, 2006, 305 p. (In Russian)
4. Orlov V.O., Dubnov Yu.D., Merenkov N.D. Frost Heaving of Soils and Its Influence on Foundations. Leningrad, Stroyizdat, 1977, 184 p. (In Russian)
5. Ivanov I.A., Kushnir S.Ya. Main Pipelines in the Regions of Deep Seasonal Freezing of Heaving Soils. Saint Petersburg, Nedra, 2010, 176 p. (In Russian)
6. Danielyan Yu.S., Yanitskii P.A. Peculiarities of the Nonequilibrium Distribution of Moisture in the Freezing and Thawing of Disperse Soils. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 1983, Vol. 44, No. 1, P. 76-82.
7. Mikhaylov P.Yu. Dynamics of Heat and Mass Exchange Processes and Heat and Power Interaction of Freezing Soils with Underground Pipelines. Cand. Sci. (Phys. and Math.) Dissertation. Tyumen, 2012, 175 p. (In Russian)
8. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Development of Mathematical Model of Heat and Mass Transfer in Soil, with Provision for Gradients of Soil-Water and Soil-Salt Potentials. Part 1. International Journal of Applied Engineering Research, 2017, Vol. 12, No. 14, P. 4340-4344.
9. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Development of Mathematical Model of Heat and Mass Transfer in Soil, with Provision for Gradients of Soil-Water and Soil-Salt Potentials. Part 2. International Journal of Applied Engineering Research, 2017, Vol. 12, No. 19, P. 8717-8722.
10. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Development of Mathematical Model of Heat and Mass Transfer in Soil, with Provision for Gradients of Soil-Water and Soil-Salt Potentials. Part 3. International Journal of Applied Engineering Research, 2017, Vol. 12, No. 21, P. 11146-11151.
11. Markov E.V., Pulnikov S.A., Sysoev Yu.S., Gerber A.D. Stability of Finite Difference Method for Frost Heaving Calculation in 2D Space. International Journal of Applied Engineering Research, 2017, Vol. 12, No. 17, P. 6997-7000.
12. Kalyuzhny I.L., Lavrov S.A. Hydrophysical Processes in the Catchment Area: Experimental Research and Modeling. Saint Petersburg, Nestor-Istoriya, 2012, 616 p. (In Russian)
13. Maulem Ye. A New Model for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Porous Media. Water Resources Research, 1976, Vol. 12, Iss. 3, P. 513-522.
14. State Standard GOST 28622-2012. Soils. Laboratory Method for Determination of Frost-Heave Degree [Electronic source]. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200101299 (access date: April 27, 2018). (In Russian)
15. Komarov I.A. Thermodynamics of Freezing and Frozen Dispersed Rocks. Doc. Sci. (Geol. and Min.) Dissertation. Moscow, 1999. 296 p. (In Russian)
