Влияние донных наносов и дампинга грунта на устойчивость морских подводных трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.692.4

М.Н. Мансуров, Т.И. Лаптева, ЛА Копаева

Влияние донных наносов и дампинга грунта на устойчивость морских подводных трубопроводов

Проектирование и строительство морских подводных трубопроводов требуют дифференцированного подхода к принимаемым техническим и технологическим решениям в зависимости от природно-климатических характеристик региона. Важное внимание при этом должно уделяться их устойчивости после укладки.

Одним из условий обеспечения устойчивости является строгое соблюдение нормативных требований по расчету и проектированию трубопроводов. Однако они не охватывают все многообразие факторов, воздействующих на трубопровод.

Самое неблагоприятное сочетание нагрузок, влияющих на устойчивость, имеет место, когда трубопровод не заглублен, а лежит на дне. В других случаях, например, когда трубопровод уложен в подводную траншею и засыпан грунтом, число нагрузок, снижающих запас устойчивости, соответственно, уменьшается. В [1, 2] при проведении статического расчета поперечной устойчивости подводных трубопроводов рекомендуется применять значение коэффициента запаса устойчивости трубопровода кн в, равное не менее 1,1.

На устойчивость подводных трубопроводов существенное влияние оказывают сложные инженерно-геологические условия дна морской акватории. К числу основных причин развития опасных геологических процессов относятся геодинамические и гидрометеорологические факторы [3]. Наблюдается весьма сложное переплетение прямых и опосредованных влияний всех указанных факторов. Самое активное и повсеместное воздействие на геологическую среду шельфа оказывает динамика водной морской среды, определяющая характер развитие зон и литодинамических (гидродинамических) процессов, обусловленных придонными перемещениями грунтовых масс. По характеру и степени воздействия гидродинамических факторов на донные отложения шельф можно разделить на зоны: прибрежную, переходную и глубоководную (табл. 1).

Ключевые слова:

литодинамические

процессы,

дампинг грунта,

коэффициент

устойчивости

трубопроводов

против всплытия,

концентрация

взвешенных

наносов,

мутьевые потоки.

Keywords:

tectonics, ground damping, pipelines’ factor of stability against surfacing,

density of suspended

sediments,

mud flows.

Таблица 1

Зоны воздействия гидродинамических факторов

Зона Глубина моря, м Основные гидродинамические процессы

Прибрежная (преимущественное влияние волновых факторов) 0-30 Абразия берега и дна, интенсивные вдольбереговые потоки наносов, выносные потоки

Переходная (совместное влияние волновых факторов и течений) 30-140 Взмучивание донных отложений, приливно-отливные и постоянные течения

Глубоководная (преимущественное влияние течений) > 140 Постоянные и квазипостоянные течения

Прибрежная зона характеризуется неустойчивым гидродинамическим режимом, при котором процессы выноса обломочного материала находятся в неустойчивом равновесии с процессами его приноса, часто с кратковременным (в том числе периодическим, сезонным) преобладанием размыва или аккумуляции. Переходная зона характеризуется совместным влиянием волновых процессов и приливно-отливных явлений. Влияние штормового волнения на наносы прослеживается до глубины,

№ 3 (14) / 2013

120

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

равной 1/3 длины наиболее крупных штормовых волн. Глубоководная зона характеризуется ведущей ролью течений.

Под действием различных экзогенных факторов осадочные частицы, поступающие на какой-либо ограниченный участок поверхности моря, обычно во взвешенном состоянии вместе с толщей воды перемещаются на более или менее значительное расстояние. В ходе разноса одни частицы опускаются на дно быстрее, другие - медленнее [4]. Содержание взвешенного осадочного материала в морской воде колеблется в широких пределах. Под каждым квадратным метром площади океана в столбе воды от его поверхности до дна содержится от 1 до 10 кг взвеси.

Частицы, осевшие на дно или сконцентрированные в придонном слое воды, также подвержены дальнейшему перемещению. Важнейшими факторами донного перемещения в береговой зоне и на мелководье являются волнение, приливные и нагонные течения. На больших глубинах массовое перемещение осадочных частиц осуществляют мутьевые потоки, подводные оползни, а также донные плотностные течения.

На частички грунта, находящиеся в воде, действуют силы, вызывающие их всплытие и движение в воде в виде взвеси или движение по грунту без всплытия в виде наносов [5]. Согласно [6], полагается, что на песчинку диаметром ds и плотностью ps при плотности морской воды pw, находящуюся в наружном слое песчаного дна, действуют две силы: горизонтальная, пропорциональная напряжению трения воды т:

Ft= т d2, (1)

и вертикальная, пропорциональная силе Архимеда:

Fg = (р, -pw)gd3s- (2)

Начало движения песчинок определяется из условия равенства моментов этих сил. Если учитывается уклон дна (выражаемый углом ф), отсчитываемый от вертикальной оси, то равенство моментов сил записывается в виде

FT sinф = Fg cos ф. (3)

Отношение упомянутых сил, называемое параметром Шилдса Т, представляется формулой

т

g ds (Ps

(4)

Предельное значение этого параметра, при котором происходит сдвиг песчинок и начинается их движение сначала в виде скольжения, качения и коротких прыжков (сальтаций), оценивается величиной = 0,05.

Скорость оседания взвеси может быть определена из простейшего уравнения

dt

= g

1 -'-

4—2

nds

(5)

где к - коэффициент вязкости воды.

Из уравнения (5) при нулевой начальной

скорости оседания взвеси следует, что

J 4kt Л

Ws =

Kgd;

2 f

4k

Л

1 -^>

V ps

1 - e

nd:

(6)

C ростом плотности и размера частицы взвеси скорость ее оседания увеличивается. В принципе к этой скорости должна добавляться вертикальная составляющая скорости движения воды. Более просто скорость осаждения взвеси оценивается по эмпирической формуле, полученной для песчаной взвеси:

Ws = 0,155ds - 0,0075. (7)

Поток наносов qb определяется за счет их влечения по дну и за счет взвеси. Первое слагаемое представляется формулой

qb = — та, (8)

гиф

где и - донная орбитальная скорость; eb - часть мощности всего потока ти, расходуемая на перемещение влекомых наносов. В работе [6] эта доля оценивается как 10-1 .

Второе слагаемое, характеризующее поток взвеси, записывается выражением

qs = £s — ти, (9)

ssW

s

где es ~10-2.

Этот поток взвеси может быть также выражен через произведение градиента взвеси и коэффициента вертикальной турбулентности. Общий поток наносов представляется суммой

№ 3 (14) / 2013

Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа

121

влекомых и взвешенных компонентов. Если выразить напряжение трения в виде стандартной формулы

т = ^р>|и, (10)

то формула для расчета потока наносов принимает вид:

q =

PWfW

(

£b £s

—— +--—Щи

tg9 Ws'

Л

иЩ

(11)

Общий поток наносов представляется выражением

q = ^-^u2 + Wi 1-fwpy + B

4 tg9 Ws ^ 3n

u, (12)

где B = pwkb2; кь - осредненный квадрат пуль-сационных скоростей течения; в и может входить скорость прибрежного течения.

По расчетам [6], взвесь составляет более 2/3 общей массы перемещающихся наносов, причем половина взвеси в области пика транспорта наносов создается за счет обрушения волн.

Поперечный расход наносов [6] определяется по формулам:

--G(Ub -2s^U2b + [if + VB2]); (13)

9п £b F £ s

+ — (4F + B); (14)

a 9- ьр 50

2 f 3 — fwPwU , 3n (15)

где F - потери мощности на донное трение, а G характеризует погруженный вес движущихся песчаных зерен на единицу площади; Ub, Vb - компоненты скорости переноса в волновом пограничном слое; sx - уклон дна; V5 -скорость движения воды на верхней границе придонного пограничного слоя. Остальные составляющие скоростей характеризуют обычные переносные скорости в придонном слое. Чтобы оценить общий перенос наносов в некотором слое эту формулу следует проинтегрировать по заданному слою. Этот поток может переносить наносы как в сторону берега, так и в сторону моря в зависимости от рельефа дна и изменения скоростей течения.

Поскольку перенос взвеси имеет важное значение для решения целого ряда задач, то применительно к шельфу Карского моря, в частности на Байдарацкой губе, проводился комплекс

исследований динамики взвешенных наносов. Исследования на трассе морского перехода газопровода Бованенково - Ухта показали, что основная часть транспорта наносов сосредоточена в прибрежной зоне, где дно сложено мелкими или пылеватыми песками [7]. За пределами зоны обрушения волн отсутствуют современные подвижные донные формы, свойственные более активным участкам шельфа, такие как песчаные волны и гряды. Поэтому существенных деформаций рельефа дна в центральной части губы ожидать не следует, и проектирование трубопроводов необходимо вести от существующих отметок дна. Основная часть материала, поступающего в Байдарацкую губу в результате размыва берегов и дна, переносится в виде взвеси. При сильных штормах на большом расстоянии от берега (вплоть до глубин 5-6 м) фоновые концентрации взвешенных наносов составляют 1-2 г/л. На больших глубинах увеличивается влияние связности грунта, и концентрация взвеси уменьшается. Вдольбереговой транспорт наносов, включающий перемещение влекомых и взвешенных наносов на прибрежном мелководье, рассчитывался по модели Леонтьева (1993), которая базируется на модели трансформации нерегулярных волн в береговой зоне и учитывает влияние особенностей рельефа дна на формирование прибрежной циркуляции и действие течений неволнового происхождения. Интенсивность вдольберегового транспорта на восточном участке перехода существенно выше, что объясняется преобладанием здесь более тонких осадков. Приведенные величины вдольберего-вого переноса близки к объему наносов, поступающих в море на восточном и западном участках перехода. Отметим, что величины вдольбе-регового транспорта наносов могут изменяться от года к году в пределах 50-100 % в зависимости от вариаций штормовой активности и продолжительности безледного периода.

Полученные оценки вдольберегового переноса нашли подтверждение в ходе экспериментов по заносимости опытной траншеи, прорытой в 1993 г. на восточном мелководном участке перехода. Траншея, имеющая ширину 15-20 м и глубину до 4-5 м, была занесена наполовину в течение 1994 г. и практически полно -стью - в 1995 г. При этом в траншее отлагалось 25-30 % от общего объема взвеси, переносимой за счет вдольберегового транспорта наносов. Приведенные выше оценки особенностей

№ 3 (14) / 2013

122

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

динамики наносов в Байдарацкой губе отвечают фоновому состоянию.

Поступление большого количества материала в результате дноуглубительных работ может существенно повлиять на устойчивость морских подводных трубопроводов при их строительстве.

Согласно отечественным и зарубежным данным натурных исследований дампинга грунта в различных условиях сброса, во взвесь переходит обычно 1-5 % сбрасываемого грунта. В процессе разгрузки грунтоотвозной шаланды или землесоса формируется поток грунта (водогрунтовой смеси), проходящего через толщу воды до дна. При этом часть грунта в результате его трения о воду теряет связность и переходит во взвешенное состояние, перераспределяясь в слое воды, примыкающем к потоку. В соответствии с [10] было определено количество грунта, переходящего во взвешенное состояние при дампинге. Количество образующейся взвеси зависит от свойств самого грунта (гранулометрического состава, удельных сцеплений, объемного веса грунта и удельного веса частиц грунта), технологии разгрузки судна (типа судна, времени опорожнения трюма, времени полного открытия днищевых люков и их конструктивных параметров) и природных условий в месте строительства (глубины воды, плотностной стратификации толщи). При перемещении и изъятии донного грунта гидромеханизированным способом переход тонкодисперсного материала во взвешенное состояние при погрузке грунтоотвозного судна происходит, главным образом, с переливом технологической воды за борт. Масса частиц грунта mn, выходящего во взвесь при погрузке с переливом, определяется согласно [10, п. 1.1.1].

С точки зрения проектирования при расчете морских трубопроводов на устойчивость против всплытия [11] важно корректно определить коэффициент надежности устойчивого положения трубопровода против всплытия, который прямо пропорционален сумме расчетных нагрузок G, действующих сверху вниз, и обратно пропорционален сумме расчетных нагрузок на трубопровод Q, действующих снизу вверх:

К,.= Q ■ (16)

Как отмечалось ранее, значение коэффициента кнв принимается обычно не менее 1,1. Однако в научно-технической и нормативной

литературе для морских трубопроводов случаи применения иных значений коэффициента кн. в не приводятся, кроме [11], где для подводных переходов трубопроводов даются его различные значения. В связи с этим важно определять значение кн в для тех ситуаций, когда при проектировании не только не всегда удается получать достоверные данные о составе донных грунтов и гидрологические данные, но и не учитываются концентрация взвеси, возможной при дампинге грунта при проведении строительных работ, а также фоновая концентрация взвешенных наносов, что может впоследствии при расчетах устойчивости трубопровода привести к некорректным значениям, например, толщины стенки бетона. Это может обусловить потерю устойчивости морского трубопровода как в период его строительства, так и при эксплуатации.

Авторы в рамках данных исследований первоначально провели расчеты по оценке концентрации взвеси, возможной при дампинге грунта при проведении строительных работ. Затем для определенных условий была рассчитана разница масс, которую в целях обеспечения устойчивого положения морского трубопровода необходимо компенсировать, а также толщина слоя бетона, обеспечивающая устойчивое положение морского трубопровода.

В табл. 2 для акватории Байдарацкой губы приводятся данные расчета разницы масс для морского трубопровода диаметром 1219 мм с толщиной стенки 27 мм на давление 11,8 МПа. В табл. 3 даны показатели толщины слоя бетона с учетом взвешенных наносов и дампинга грунта и отдельно - только с учетом взвешенных наносов. Для расчета был взят самоходный трюмный землесос с волочащимся грунтоприемником POSEIDON вместимостью трюма грунтоотвозного судна 4720 м3 и производительностью по грунту до 4000 м3/ч. При углублении дна разрабатываются пески мелкие пылеватые, плотность сухого грунта которых составляет 1600 кг/м3. Значение отношения производительности землесоса к вместимости трюма грунтоотвозного судна [10] составило примерно 0,85, а дг = 0,058. Масса частиц выходящего во взвесь грунта, содержащихся в 1 м3, составила 92,8 кг. При расчете максимальной скорости течения воды на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, возможной один раз в год, при высоте волны 13 % обеспеченности (3,1 м) принималась рав-

№ 3 (14) / 2013

Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа

123

Таблица 2

Расчетная разница масс, подлежащая компенсации

Обеспеченность высоты волны, % Плотность морской воды, кг/м3 Разница масс, подлежащая компенсации, кг/м

с учетом взвешенных наносов с учетом взвешенных наносов и дампинга грунта

13 1020 317,346 359,870

1025 323,252 365,777

1029 327,977 370,501

1 1020 317,937 360,461

1025 323,843 366,367

1029 328,568 371,092

0,1 1020 319,118 361,642

1025 325,024 367,548

1029 329,749 372,273

Таблица 3

Расчетная толщина слоя бетона, обеспечивающая устойчивое положение

морского трубопровода

Обеспеченность высоты волны, % Плотность морской воды, кг/м3 Толщина слоя бетона, м

с учетом взвешенных наносов с учетом взвешенных наносов и дампинга грунта

13 1020 0,089 0,099

1025 0,091 0,100

1029 0,092 0,101

1 1020 0,098 0,107

1025 0,099 0,109

1029 0,100 0,110

0,1 1020 0,104 0,114

1025 0,105 0,115

1029 0,106 0,117

ной 0,48 м/с; при высоте волны 1 % обеспеченности (4,5 м) - 0,7 м/с; при высоте волны 0,1 % обеспеченности (5,3 м) - 0,82 м/с. Для высоты волны 13 % обеспеченности фоновая концентрация взвешенных наносов принималась равной 0,5 г/л; для высоты волны 1 % обеспеченности - 1 г/л; для высоты волны 0,1 % обеспеченности - 2 г/л.

По результатам анализа табл. 2 и 3 можно сделать вывод, что в целях сохранения устойчивости морского трубопровода при условии отсутствия учета частиц выходящего во взвесь грунта и фоновой концентрации взвешенных наносов необходимо примерно на 10 % увеличить толщину слоя бетона. Для трубопроводов, потеря устойчивости которых может вызвать тяжелые последствия, кнв должен быть увеличен. Так, при проектировании для условий строительства в целях учета в неявном виде условий фоновой концентрации взвешенных наносов и частиц выходящего во взвесь грунта при дампинге необходимо, чтобы значение коэффициента кн в для мелких пылеватых песков

составляло 1,19. В дальнейшем этот же принцип расчета будет распространен и на другие типы грунтов, что приведет к более обоснованному применению тех или иных значений коэффициента кн е. .

Список литературы

1. ГОСТ Р 54382-2011. Подводные трубопроводные системы.

2. DNV RP E305. Расчет устойчивости на дне подводных трубопроводов.

3. Козлов С.А. Опасные для нефтегазопромысловых сооружений геологические и природно-техногенные процессы на Западно-Арктическом шельфе России / С.А. Козлов. - http://www.ogbus. ru/2005_1.shtml

4. Леонтьев О.К. Морская геология /

О.К. Леонтьев. - М.: Высшая школа, 1982. -344 с.

№ 3 (14) / 2013

124

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

5. Доронин Ю.П. Океанография шельфовой зоны / Ю.П. Доронин. - СПб., 2007. - 105 с.

6. Леонтьев И.О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов / О.К. Леонтьев. - М.: ГЕОС, 2001. - 228 с.

7. Одишария ГЭ. Природные условия Байдарацкой губы: Основные результаты исследований для строительства подводного перехода системы магистральных газопроводов Ямал - Центр / Г.Э. Одишария, А.С. Цвецинский, В.В. Ремизов и др. -

М.: ГЕОС, 1997. - 432 с.

8. Прозоров А.А. Методика расчета зоны короткопериодного воздействия дампинга грунтов дноуглубления: дис. ... к.ф.-м.н.: 11.00.2011. - СПб., 2000. - 132 с.

9. Геоэкология шельфа и берегов морей России / под. ред. Н.А. Айбулатова. - М.: Ноосфера, 2001. - 428 с.

10. Порядок расчета платы за загрязнение акваторий водных объектов, являющихся федеральной собственностью Российской Федерации (исключая подземные водные объекты), при производстве работ, связанных с перемещением и изъятием донных грунтов, добычей нерудных материалов из подводных карьеров и захоронением грунтов в подводных отвалах (утв. Госкомэкологии РФ 04.07.1997 г.) (ред. от 02.11.1999 г).

11. Левин С. И. Подводные трубопроводы /

С.И. Левин. - М.: Недра, 1970. - 280 с.

Научно-технический сборник «Вести газовой науки»

2014

Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений

российского шельфа

В тематическом выпуске будут представлены новые результаты в области применения современных технологий и технических средств в масштабных проектах освоения шельфовых месторождений углеводородов. Особое внимание планируется уделить дополнительным трудностям и проблемам, возникающим при разработке проектов обустройства морских месторождений, расположенных в Арктике и других ледовитых морях, и подходам к их преодолению.