О ВОЗДЕЙСТВИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РЕК НА ЛИНЕЙНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
О ВОЗДЕЙСТВИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РЕК НА ЛИНЕЙНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Аннотация
Одним из основных факторов работоспособности магистральных газопроводов, а также переходов через водные объекты, является взаимодействие со сложными геологическими и эксплуатационными условиями. Возможные изменения состояния подводного перехода во многом определяются наличием факторов, оказывающих на трубопровод различные воздействия: в русловой части трубопровод подвергается размыву, вплоть до обнажения и провисания, а также воздействию меандрирования реки; в пойменной части к возможным воздействующим факторам добавляется механическое давление грунта на трубопровод, вызванное его промерзанием [1].
Подводный переход магистрального газопровода (ППМГ) через р. Лена возведен открытым способом с укладкой в подводную траншею. В процессе эксплуатации ППМГ происходят оголение и потеря устойчивости, а также в подводной части газопровод подвергается гидродинамическому воздействию потока воды, в весенний период – ударному воздействию ледяных масс, которые приводят к снижению эксплуатационной надежности трубопровода и к возникновению аварий. Размыв русла реки под трубопроводом приводит к просадке, а в дальнейшем – к отказу. Соблюдение правил строительства и эксплуатации трубопроводов позволило бы уменьшить аварийные ситуации [2].
В статье рассмотрено изменение профилей дна р. Лена в районе ППМГ, фиксированные по четырем створам. Приведены результаты профилирования. На всех створах у правого берега резко меняется профиль дна реки.
Наличие ППМГ существенно изменяет характер перемещения микро- и мезоформ дна, соответственно направления руслового течения реки. В результате земляных работ по углублению и подсадке ППМГ, выноса большого объема грунта донных отложений создан искусственный мини-остров. Также нами зафиксирован интенсивно размываемый участок острова Былдьасыктах ниже створа ППМГ. Гидрологические русловые процессы в данном створе сложны и необходимо дальнейшее проведение мониторинговых исследований.
1. Введение
Обеспечение эксплуатационной надежности подводных переходов имеет особую значимость, отказы и аварии на них по своим экономическим и экологическим последствиям намного превышают аналогичные на линейной части. Большинство эксплуатируемых подводных переходов в стране возведено открытым способом с укладкой в подводную траншею (в единичных случаях – по дну).
Учет русловых деформаций при проектировании трубопроводов на реках позволит значительно снизить количество отказов и аварий, и, как следствие, улучшит экологическую обстановку на территории деятельности нефтегазовых предприятий [3], [4].
Протяженность ППМГ через р. Лена с учетом прогнозируемого размыва берегов в течение 30 лет составляет: по основной нитке – 2297 м, по резервной нитке – 2245 м. Максимальная глубина русла в межень (УСМ 86,3 м в БС) составляет 10 м. Средние скорости течения на вертикалях по гидродинамической оси потока составляют: в межень – 0,8¸1,0 м/с, в период паводка – 1,5¸2,0 м/с. Поверхностные скорости течения в паводок могут достигать 2,5¸3,0 м/с. При заторных явлениях и резком спаде уровня воды при разрушении затора эти скорости значительно возрастают [5].
Русло реки Лена от гидропоста (г/п) г. Покровска до г/п п. Намцы подвергается значительной эрозии во время ледохода, особенно при образовании затора льда, а также в многоводные годы. Данные, полученные при гидрометрических работах, показывают, что русловые процессы в районе с. Табаги характеризуются явным преобладанием боковой эрозии. Правый берег реки, особенно ниже водомерного поста, интенсивно размывается примерно на 20 м в год. У левого берега, наоборот, отмечается намыв песков с интенсивностью 0,5 м в год. Анализ показал, что деформация в значительной степени зависит от расходов воды в реке. В целом переформирование главного русла на участке длиной 4,5 км составляет 1,7-7,5 млн.м3 в год [6].
Одним из серьезных гидрологических процессов по течению реки Лена является смещение массивов подвижных песков, значительно влияющих на характер ледохода и весенние паводки. В этом плане морфология русла р. Лена на участке Табага-Кангалассы очень динамична, так как русло р. Лены на этом участке относится к слабоустойчивому или неустойчивому типу. Ложе реки сложено песчаными грунтами, поэтому подвергается сильной деформации. Полных объективных материалов по деформации русла на этом участке нет. Имеются отдельные материалы: Ленское бассейновое водное управление («Ленское БВУ») – изменение фарватера реки, АО «Водоканал» – только деформация дна реки на месте водозабора, ФГБУ «Якутское управление ГМС» (ФГБУ «ЯУГМС») – только по одной линии гидроствора Табага для расчета расхода воды через водное сечение [7].
Гидропост с. Табага находится в 1597 км от устья р. Лена, а ППМГ через р. Лена от г/п с. Табага находится примерно 9000 м ниже. При этом нулевой километр принят в устьевом участке реки Быков мыс.
Антропогенное загрязнение воды р. Лена наблюдалось за период строительства двух ниток подводного перехода магистрального газопровода (ППМГ) через р. Лена «Хатассы-Павловск». Первая нитка была построена в 2003 году. С 2007 года по 2012 год на створе «Хатассы-Павловск» круглогодично велись земляные работы ООО «Спрут» (г. Иркутск) по заглублению и подсадке первой нитки, а также при строительстве и подсадке второй (резервной) нитки ППМГ через р. Лена. В результате земляных работ со дна реки изымаются огромные объемы грунта, основная часть которых оставляется в русловой части реки. Они деформируют морфологию дна реки, изменяют естественное формирование русловых микро-, мезо- и макроформ р. Лена [8].
В результате этого в мае 2010 года вследствие созданных препятствий в районе ППМГ «Хатассы-Павловск» через р. Лена в данном створе образовался мощный затор льда, который вызвал затопление населенных пунктов. Данный затор был спровоцирован большим объемом вытащенного грунта при проведении земляных работ на ППМГ (две нитки), подсадке в зимнее время второй нитки ППМГ через р. Лена, проложенной в апреле 2009 года, а также двумя оставленными плавкранами у левого и правого берегов реки, защищенными возникшими песчаными островами искусственного происхождения [9].
В процессе эксплуатации ППМГ имеет место явление размыва трубопровода в траншее и его провис. Это приводит к возникновению напряжений в стенке трубы, уровень которых возрастает при увеличении длины размытого участка. Кроме статических напряжений, от провиса возникают динамические напряжения, вызванные колебаниями размытого участка в водном потоке [10], [11].
2. Материалы и методы исследования
В октябре 2012 г. нами произведено профилирование дна реки Лена при уровне воды ППМГ – 87,50 м по БС с использованием катера «Вельбот» ФГБУ «ЯУГМС». ППМГ «Хатассы – Павловск» проходит от южного края с. Павловск на расстоянии примерно 1,0 км. Направление движения катера «Вельбот» параллельно I-й и II-й ниток ППМГ следующее: начало отсчета профилирования принято от правого берега по створу № 2, катер отправляется к левому берегу (правому берегу острова Улуу Арыы). Достигнув левого берега, катер более 200 м спускается вниз по течению и направляется к правому берегу по створу № 1. Достигнув правого берега (левого берега острова Yос Кумах), где газопровод пересекает русло реки между островами Бэргэсэ Yос и Yос Кумах через прорытый канал, катер поднимается вверх по течению и, зафиксировав начало створа № 3, плывет по данному створу и достигает левого берега (правого берега острова Улуу Арыы), затем, зафиксировав начало створа № 4, двигается вдоль ППМГ через р. Лена и достигает правого берега (левого берега острова Бэргэhэ Yос).
Результаты профилирования по четырем створам приведены на рис. 1. Со стороны левого берега профили на створах № 1 и № 2 более равномерны и постепенно углубляются по мере приближения к правому берегу. На последующих створах № 3 и № 4 со стороны левого берега ранее имевшаяся равномерность профилей на створах № 1 и № 2 резко ухудшается. Резко изменяется профиль дна у левого берега на створах № 3 и № 4, возрастает глубина русла у левого берега до 5,7 м на створе № 3, до 5,0 м - на створе № 4. Наблюдается ярко выраженная неровность профиля дна на створе № 3, соответствующая примерно положению I-й нитки ППМГ. На всех этих четырех профилях у правого берега (левых берегов островов Yос Кумах и Бэргэhэ Yос) резко меняется профиль дна реки, еще более ниже спускаясь максимально до 76,5 м по БС (рис. 1).
Рисунок 1 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 1
Рисунок 2 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 2
Рисунок 3 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 3
Рисунок 4 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 4
Рисунок 5 - ППМГ через р. Лена у правого берега
Примечание: у берега островов Yос Кумах и Бэргэhэ Yос
Рисунок 6 - Размыв берега у левого берега
Рисунок 7 - Правый берег протоки
Рисунок 8 - Интенсивно размываемый участок острова Былдьасыктах ниже створа ППМГ «Хатассы-Павловск»
Анализ изменения максимальных глубин по створам показывает, что по створу № 1 – достигает 10,4 м, № 2 – 10,8 м, № 3 – 10,6 м, № 4 – 10,2 м. Следует отметить, что 13.10.2012 г. максимальная глубина русла зафиксирована в районе ППМГ через р. Лена у правого берега (у берега островов Yос Кумах и Бэргэhэ Yос), где был прорыт канал (фото 1) для прокладки двух дюкеров магистрального газопровода. Кроме того, как отмечено выше, у левого берега глубина на створе № 3 достигает 5,7 м, на створе № 4 – 5,0 м. Здесь же у левого берега наблюдается значительный размыв берега (фото 2). Следовательно, наличие подводного перехода магистрального газопровода существенно изменяет характер перемещения микро- и мезоформ дна, соответственно направления руслового течения реки.
Из фото 1 видно, что в результате земляных работ по углублению и подсадке двух ниток ППМГ «Хатассы-Павловск» через р. Лена и выноса большого объема грунта донных отложений плавкранами создан высокий искусственный намыв (мини-остров), за которым лежит протока, проходящая за островами Бэргэhэ и Yос Кумах. На правом берегу этой протоки на фоне острова Былдьасыктах виден участок сверхжелтого цвета, который является местом выхода на берег проложенной в 2009 году II-ой нитки ППМГ с выполненными берегоукрепительными работами (фото 3). Кроме того, нами зафиксирован интенсивно размываемый участок острова Былдьасыктах ниже створа ППМГ «Хатассы-Павловск» (фото 4).
Из этих данных видно, что гидрологические русловые процессы в данном створе достаточно сложны. Исходя из этого, рассмотрим влияние русловых процессов на динамику размыва дюкера I-ой нитки ППМГ «Хатассы – Павловск» через р. Лена.
3. Заключение
1. Результаты профилирования дна реки со стороны левого берега показали равномерность (створы № 1, № 2) и постепенное углубление по приближению к правому берегу. На створах № 3, № 4 со стороны левого берега наблюдается неровность профиля дна, ярко выраженная на створе № 3, соответствующая положению 1-й нитки ППМГ. На всех четырех створах резко меняется профиль дна реки до 76,5 м по БС.
2. Наличие ППМГ существенно изменяет характер перемещения микро- и мезоформ дна, соответственно направления руслового течения реки. В результате земляных работ по углублению и подсадке ППМГ, выноса большого объема грунта донных отложений создан искусственный мини-остров. Также нами зафиксирован интенсивно размываемый участок острова Былдьасыктах ниже створа ППМГ. Гидрологические русловые процессы в данном створе сложны и необходимо дальнейшее проведение мониторинговых исследований.
3. Размыв дна реки в области траншеи ППМГ может привести к оголению дюкера, и к экстремальным нагрузкам добавятся гидродинамические, а также возникновение изгибающих, крутящих моментов, гидроабразивный износ, что может привести к усталостному разрушению отдельных участков трубопровода.