CC BY
16Выбор оптимальных конструкций при проектировании воздушных линий электропередачи в сложных инженерно-геологических условиях
Магомедов Марсель Айдемирович
аспирант кафедры "Автомобильные дороги, основания и фундаменты", ФГБОУ Дагестанский государственный технический университет, [email protected]
Статья посвящена рассмотрению особенностей выбора оптимальных конструкций при проектировании воздушных линий электропередачи в сложных инженерно-геологических условиях. Учитывая темпы развития энергетики, а также объем ввода воздушных линий электропередачи (ЛЭП) напряжением 110 кВ и выше в России, к числу одной из ключевых задач относится возведение ЛЭП в сложных инженерно-геологических условиях. Кроме того, обязательным условием устойчивого развития энергетики в Российской Федерации является создание безопасных условий работы и достижение надежности конструкций. Надежность воздушных линий электропередач, а также отдельных элементов не может быть оценена с использованием вероятностных законов распределения воздействий и внешних нагрузок. Например, если в нормальных условиях надежность конструкций, которые работают под статической нагрузкой, может находиться на высоком уровне, эти же параметры в условиях заболоченной местности могут быть существенно снижены. В данной работе будут рассмотрены заболоченные участки ЛЭП и выбор оптимальных конструкций фундаментов опор. В результате обследования свойств грунтов, рельефа трассы воздушных ЛЭП и всех стесненных условий работ, на сложных инженерно-геологических участках, мной предложена конструкция поверхностного фундамента с расположением грузовых балок в шахматном порядке, которое в свою очередь позволило повысить прочность опор воздушных ЛЭП, а также уменьшение деформаций. Ключевые слова: заболоченные участки, отбор проб грунтов, лабораторные исследования, изучение грунтов, поверхностный фундамент, надежность конструкций, экономическая обоснованность.
Надежность воздушных линий электропередач, а также отдельных элементов не может быть оценена с использованием вероятностных законов распределения воздействий и внешних нагрузок. Например, если в нормальных условиях надежность конструкций, которые работают под статической нагрузкой, может находиться на высоком уровне, эти же параметры в условиях заболоченной местности могут быть существенно снижены. В данной работе будут рассмотрены заболоченные участки ЛЭП и выбор оптимальных конструкций фундаментов опор [1].
Задача проведения инженерно-геологических исследований заключается в получении информации о гидрогеологическом, геоморфологическом, геологическом строении изучаемого участка, обнаружении опасных инженерно-геологических процессов. Для достижения обозначенных целевых ориентиров был проведен комплекс работ, включающий в себя: отбор образцов грунтов нарушенного сложения, бурение скважин, рекогносцировочное обследование территории, лабораторные анализы грунтов, обработку полученных полевых материалов и результатов лабораторных исследований.
Рассмотрим несколько слоев грунтов, позволяющих оценить обстоятельства, связанные с необходимостью применения на практике поверхностных фундаментов. Пробурено несколько скважины и рекогносцировочное обследование на предмет выявления активных геологических процессов. В геоморфологическом отношении рассматриваемый участок расположен в пределах При-беломорской низменности, сформированной на фоне неглубоко и неровного залегания коренных скальных грунтов. Современный рельеф равнинный, в значительной степени, обусловленной дочетвертичной пенелизи-рованной поверхностью кристаллического основания. Отдельные части равнины неодинаковые построению и относятся к различным генетическим типам рельефа. Среди современных рельефообразующих процессов основными являются морозное выветривание, аккумулятивная деятельность моря, глубинная эрозия рек и заболачиваемость [2].
В геологическом строении участка принимают участие современные биогенные (b IV) отложения. Биогенные отложения (bIV) представлены: торфами средне-разложившимися коричневыми насыщенные водой с растительными остатками (ИГЭ 1). Озерно-ледниковые отложения (lg III) представляют собой: пылеватые пески со средней плотностью, которые насыщены водой с гравием до 10% (ИГЭ 2). Ледниковые отложения (g III) представлены: валунно-галечными грунтами с песчано-гра-вийным заполнителем до 30% (ИГЭ 3). Архейские отложения (AR) представлены: - гранито-гнейсами серыми слаботрещиноватыми прочными (ИГЭ 4).
Физико-механические свойства грунтов. На основании ГОСТ 25100-2011, а также принимая во внимание генезис, возраста, вида грунтов, слагающих участок, на
X X
о го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
см
0 см
01
о ш т
X
<
т О X X
рассматриваемой глубине до 11 м, на основе статистической обработки результатов лабораторных определений физико-механических свойств грунтов, согласно ГОСТ 20522-2012 мною выделено следующий инженерно-геологические элементы (ИГЭ1,2,3,4). ИГЭ 1 -торф среднеразложившийся коричневый насыщенный водой с растительными остатками. По степени пучини-стости, в соответствии с таблицей Б.27 ГОСТ 251002011, относятся к чрезмерно пучинистым грунтам. Модуль деформации Е = 1 МПа.
Биогенные грунты отличаются малой прочностью и большой сжимаемостью. Также для них характерным является существенные колебания прочностных, деформационных, фильтрационных свойств при нарушении естественного сложения. Кроме того, под воздействием статических и динамических нагрузок можно наблюдать анизотропию фильтрационных, деформационных, прочностных характеристик. В связи с неоднородностью состава и плотностью сложения выполнено выемка специфических грунтов (насыпных и органоми-неральных грунтов), с последующей заменой их на пески (не менее, чем средней крупности) с послойным уплотнением. ИГЭ 2 - пески пылеватые средней плотности серые насыщенные водой с гравием до 10%. Модуль деформации Е = 11 МПа. Нормативный угол внутреннего трения фн = 26° при нормативном сцеплении Сн =2 кПа. ИГЭ 3 - валунно-галечные грунты с песчано-гравий-ным заполнителем до 30%. По степени пучинистости, в соответствии с таблицей Б.27 ГОСТ 25100-2011, относятся к практически непучинистым грунтам. В соответствии с табл. В.9, прил. В, СП 22.13330.2011, расчетное сопротивление R0>500 кПа. ИГЭ 4 - гранито-гнейсы серые слаботрещиноватые прочные. В соответствии с табл. В.9, прил. В, СП 22.13330.2011, расчетное сопротивление R0>500 кПа.
Гидрогеологические условия. В неблагоприятные периоды года (периоды осенних обложных дождей, весеннего снеготаяния) грунтовые воды со свободной поверхностью устанавливаются на уровне бликом к дневной поверхности на глубинах 0,1-0,2 м. Также в этот период возможно образованием открытого зеркала грунтовых вод. Разгрузка грунтовых вод происходит в местную гидрографическую сеть. Участок работ, согласно СП 11105-97, часть II, прил. И, принадлежит к району 1-А-2 -сезонно подтопленные в естественных условиях. При гидрогеологических расчетах коэффициент фильтрации, принят: торф среднеразложившийся ИГЭ-1 - 0,151,0 м/сут; По трудности разработки согласно ГЭСН-2001 Изменения и дополнения, вып.4, т.1-1, Торф ИГЭ 1 - 1; 2м. Коррозионная агрессивность грунтов и грунтовых вод [3].
В соответствии с данными таблиц В.3 и В.4 СП 28.13330.2017 на изучаемом участке грунтовые воды по отношению к бетону нормальной проницаемости слабоагрессивны. В тоже время, согласно ГОСТ 9.602-2005 для грунтовых вод характерной является высокая коррозионная агрессивность по отношению к свинцовой оболочке кабеля и средний уровень коррозионной агрессивности, если используется алюминиевая оболочка кабеля. При рекогносцировочном обследовании и в процессе дальнейших работ опасных геологических и инженерно-геологических процессов не зафиксировано. Следует производить строительные работы способами, не приводящими к возникновению и развитию опасных геологических процессов и руководствоваться рекомендациями СП 116.13330.2012 [4].
На основании изучения свойств грунтов, а также из моего опыта работ следует, что строительство воздушных ЛЭП - это линейные сооружения, что сопровождается наличием различных грунтов и особенно характеризуются заболоченностью участками с протяженностью от 1 до 10 км. В связи со стесненными условиями производства работ: технология производства работ свайных работ, перебазировка тяжелой строительной техники к месту производства работ, следует, что на практике наиболее рациональным решением является применения поверхностных фундаментов, что позволит уменьшить затраты и сроки производства работ. Рассмотрим несколько решений данного вопроса:
Уплотненные грунтовые подушки и замена слабых (торф ИГЭ1) грунтов. [5] Замена грунтов сопровождается привлечением дополнительных затрат на перемещение и утилизацию грунтов, также доставку не пучини-стых грунтов. Подушки уплотнения могут быть изготовлены из разнообразных материалов (гравия, песка, связного грунта, щебня). Анализ используемых на практике подушек в процессе строительства ЛЭП свидетельствует о том, что наибольшее распространение получили песчаные подушки. Изготавливаются песчаные подушки из крупно- или среднезернистого песка, который насыпают в толщину, не превышающую 30 см и затем уплотняют до тех пор, пока не будет достигнута плотность сухого грунта в его теле на уровне не менее 1,65 т/м3. Для достижения такой плотности необходимо применения вибрационных уплотнителей, что в свою очередь является дополнительными затратами, а также доставка техники к месту производства работ.
Также мною детально изучены места установки опор и их защиты от повреждений и принятия мер перехода через опасные участки с целью перекрытия их пролетами. Выявлению вредных физико-геологических явлений на стадии проектирования ЛЭП, придается весьма важное значение изучению заболоченных грунтов, так как их наличие чаще всего является причиной удорожания сооружения ВЛ и аварий при ее эксплуатации. Для устойчивости опор ВЛ имеет значение механическая суффозия. В таких случаях образовывается пустоты, ослабление основания фундамента опоры и его неравномерную осадку.
Плывучесть грунтов (плывуны). На изученных участках не представляется возможным обойти участок ВЛ с выявленной плывучестью грунтов или перекрыть его пролетом. Осушение плывуна, расположенный непосредственно под фундаментом опоры, производится редко, а осушение плывунов на значительной площади из-за опоры ВЛ с экономической точки зрения нецелесообразно. Одной из особенностей при обследовании опор ВЛ было обнаружено неравномерная осадка грунта в пределах одной опоры, что вызвано исключительно местными условиями грунтов и их увлажнением на небольшой площади [3].
Заключение. На основании обследования участков трассы ЛЭП и сложными условиями технологии производства работ свайных и грибовидных фундаментов, мною предложена конструкция поверхностного фундамента, состоящий из 36-ти свай (Рис. 1) с рациональным расположением грузовых балок (в шахматном порядке), которое позволило увеличить площадь «опирания» на основание, что в свою очередь повысило прочность конструкций фундаментов воздушных ЛЭП и уменьшило осадки в 2 раза по сравнению части применяемым на
практике конструкции поверхностного фундамента в соответствии с типовым проектом 11141 тн-т.1; (Рис. 2).
В результате расчета было показано увеличение прочности опоры, которая работает на вертикальную нагрузку, кроме того, при увеличении площади ПФ был получен более высокий эффект, чем при его первоначальном положении. Сформулированы рекомендации, касающиеся рационального расположения и общего количества балок, с учетом технико-экономических расчетов их применения на практике. Для расчета фундамента была использована проектно-вычислительная программа SCAD, которая позволяет проводить анализ динамических нагруженных вычислительных схем, строить конечно-элементную модель, осуществлять контроль конструкций на устойчивость, выбирать невыгодные сочетания усилий, арматуру, ж/б конструкций, рассчитывать надежность металлических систем. Главная модель метода деформаций выбрана путем наложения в любом узле всех связей, воспрещающих узловые деформации. Расчет выполнен на 12 нагрузок, из которых 9 являются статическими, а 3 — динамическими. Динамический расчет фундамента выполнен с использованием разложения по формам собственных колебаний (Рис. 3). [1].
В динамической нагрузке используется модуль №21 «Пульсация ветрового потока, определяемый по ПУЭ-7» и расчет произведен по методике, в которой усилие от ветровой нагрузки на конструкцию рассматривается, как сумма статической и пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Предметом исследований являются: напряженно-деформированное состояние фундаментов опор, воспринимающих вертикальную нагрузку, с применением грузовых балок в зависимости от геометрических размеров, количества и высоты приложения нагрузки, распределения давлений по поверхности фундамента и подземной части опоры [5].
Рис 1. Расчетная схема
Рис. 2. Перемещения по оси Z фундамента
а) б)
Рис. 3. Поверхностный фундамент, состоящий из железобетонных грузовых балок Г35-12 (12шт): а) конструкция ПФ по проекту 11141 тн-т.1; б) конструкция ПФ с увеличением площади опирания и рациональным расположением грузовых балок
Литература
1. Лакомов И.В., Помогаев Ю.М. Выбор оптимальных параметров линий электропередачи // Главный энергетик. 2020. № 1. С. 52-58.
2. Магомедов М.А. Оптимизация конструкций поверхностного фундамента воздушной линии электропередач // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020. Т. 10. № 2 (33). С. 242-249.
3. Морозова Н.С., Мальцева О.В. Исследование возможности применения экономико-статистического подхода к созданию оценочных моделей при строительстве линий электропередачи // Динамика систем, механизмов и машин. 2020. Т. 8. № 3. С. 66-71.
4. Варганова А.В., Байрамгулова Ю.М., Гончарова И.Н., Кроткова О.А. Технико-экономическое обоснование места установки источников распределенной генерации // Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 3 (44). С. 68-72.
5. Стрелков Ю.М., Радайкин О.В., Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л. Сравнительный анализ статической работы различных типов стальных опор линий электропередач на основе компьютерного моделирования системы «опора - фундамент - грунт основания» // Строительная механика и расчет сооружений. 2019. № 1 (282). С. 7179.
The choice of optimal structures in the design of overhead power transmission lines in difficult engineering and geological conditions Magomedov M.A.
Dagestan State Technical University JEL classification: L61, L74, R53
The article is devoted to the consideration of the features of the choice of optimal designs in the design of overhead power transmission lines in difficult engineering and geological conditions. In connection with the development of the energy sector and the volume of commissioning by the Ministry of Energy of the Russian Federation of overhead power transmission lines (PTL) with a voltage of 110 kV and above, one of the most important tasks is the construction of air transmission lines in difficult engineering-geological conditions (watered peat soils). Also, one of the main strategies for the development of the power industry in Russia in normal and emergency situations is to ensure the reliability of structures and the creation of safe working conditions. The reliability of overhead power lines, as well as individual elements, cannot be assessed, neglecting the probabilistic laws of the distribution of external loads and influences. If the reliability of structures operating under static load under normal conditions can be very high, then the provision of the same parameters of the system in wetland conditions can be significantly reduced. This paper will consider the wetlands of power transmission lines and the choice of optimal structures for the foundations of the supports. As a result of the survey of soil properties, the relief of the overhead power transmission line route and all the cramped working conditions, in complex engineering and geological areas, I proposed a surface foundation design with the arrangement of cargo beams in a checkerboard pattern, which in turn made it possible to increase the
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О
м
strength of the overhead power transmission line supports as well as 3. reduction of deformations.
Keywords: wetlands, soil sampling, laboratory research, soil study, surface foundation, structural reliability, economic feasibility.
References 4.
1. Lakomov I.V., Pomogaev Yu.M. The choice of optimal parameters of power transmission lines // Chief Power Engineer. 2020. No. 1. S. 52-58.
2. Magomedov M.A. Optimization of structures of the surface foundation of 5. an overhead power line // Izvestiya vuzov. Investments. Building. Real estate. 2020. Vol. 10.No. 2 (33). S. 242-249.
Morozova NS, Maltseva OV. Investigation of the possibility of applying the economic-statistical approach to the creation of evaluation models in the construction of power lines // Dynamics of systems, mechanisms and machines. 2020. Vol. 8.No. 3.P. 66-71.
Varganova A.V., Bayramgulova Yu.M., Goncharova I.N., Krotkova O.A. Feasibility study of the installation site of distributed generation sources // Electrotechnical systems and complexes. 2019. No. 3 (44). S. 68-72. Strelkov Yu.M., Radaykin OV, Sabitov L.S., Kuznetsov I.L. Comparative analysis of the static operation of various types of steel supports of power transmission lines based on computer modeling of the "support -foundation - foundation soil" system. Structural mechanics and calculation of structures. 2019. No. 1 (282). S. 71-79.
CS
0
CS
01
O HI
m
X
<
m
o
X X
