О ВЛИЯНИИ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛАНОВО-ВЫСОТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА НА БЕРЕГОВОМ УЧАСТКЕ ПРОТОКИ

Подземные магистральные трубопроводы с большой протяженностью в районах многолетней мерзлоты подвергаются различным экзогенным процессам. Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную надежность, является их взаимодействие с многолетнемерзлыми грунтами. Экстремальные климатические и инженерно-геологические условия Северных регионов характеризуются низкими температурами воздуха, высоким уровнем грунтовых вод, заболоченностью и заторфованностью грунтов, глубоким сезонным промерзанием на участках локальных поднятий и подтоплением территорий во время весеннего и осеннего паводков

В условиях вечной мерзлоты существуют участки подземного трубопровода, в которых периодически происходят значительные деформации при сезонных процессах морозного пучения и протаивания грунта, где надежность подземного трубопровода снижается до предельно низкой величины задолго до истечения гарантированного проектом срока эксплуатации. Исходя из этого, следует, что поиск таких участков с последующим исследованием является актуальной.

В связи с этим нами был проведен поиск участков с экзогенными мерзлотными процессами для мониторингового наблюдения протяженных металлоконструкций эксплуатирующихся в области криолитозоны. В осенний и весенний периоды происходят: максимальное промерзание грунта, а весной оттайка грунта. При этом надо отметить, что процессы морозного промерзания и пучения происходят более динамично, чем процессы оттаивания и просадок.

Рассматриваемый магистральный трубопровод (МТ) проложен в сложных инженерно-геологических условиях многолетнемерзлых грунтов, характеризующихся значительными перепадами высот и высокой вероятностью оттайки или морозного пучения.

Особую опасность представляет на пойменном участке для магистральных трубопроводов миграция влаги при промерзании и протаивании (оттайке) мерзлых грунтов и связанная с ними деформация земной поверхности, влияющая на оценку прочности и надежности конструкции в целом

Многолетний мониторинг подземного газопровода показал, что имеются участки, где подземный трубопровод, проложенный в вечномерзлом грунте дважды в год деформируется различным образом. На рисунке 1 приведены данные измерений ПВП 2-й нитки газопровода ППМГ через р. Лена на береговом участке протоки «Хатасская», проведенные в ряд последовательных сезонов 2016-2018 г.г.

Из рис. 1, а видно, что ПВП трубопровода в октябре 2016 г. примерно повторяло очертание грунта. Через полгода, в апреле 2017 г., в промерзшем грунте случился сильный прогиб вниз (более полутора метров) возле отметки 165 м (рис. 1, б). Еще через полгода, в октябре 2017 г., в оттаявшем грунте этот прогиб выпрямился и появился прогиб величиной около 2 метров возле отметки 130 м (рис. 1, в). По прошествии еще одного сезона, после замерзания грунта, в апреле 2018 года, этот прогиб тоже почти выпрямился, но появился прогиб величиной примерно 1 метр возле отметки 185 м (рис. 1, г).

Изменение высоты трубопровода в одной точке за одно замерзание или оттаивание может достигать величины до двух метров – это значительные деформации, как и возникающие при этом напряжения. Следовательно, величины деформаций трубопровода превышают возможные сдвиги грунта от морозных пучений.

Показанный на рис. 1 участок можно разделить на три части: склон со стороны поймы, дно протоки и склон со стороны острова. Все три части насыщены водой примерно одинаково. Морозные пучения на них должны проходить также примерно в равной мере, но результаты пучений наиболее сильно действуют на склоне со стороны поймы. На дне и склоне со стороны острова деформации значительно меньше, достигают нескольких десятков сантиметров, т.е. на уровне сдвига грунта при морозных пучениях. Это показывает, что на деформации трубы, кроме самого пучения, действует еще какой-то фактор. Мы предполагаем, что этим фактором является предварительное напряжение, возникшее при строительстве трубопровода. Поскольку склон с левой стороны протоки более крутой, во время укладки труба приобрела более сильный изгиб, чем на другом склоне, а по дну проложена прямо. На это предварительное напряжение налагается напряжение от морозных пучений, что и вызывает более сильные деформации.

Рисунок 1 - Планово-высотные положения 2-й нитки газопровода ППМГ через р. Лена на береговом участке протоки «Хатасская»: 

а - октябрь 2016 г.; б - апрель, 2017 г.; в - октябрь, 2017 г.; г - апрель 2018 г.; квадрат ‒ измеренное положение трубопровода; ‒‒‒ ‒ интерполированное положение трубопровода; ромб ‒ измеренное положение дневной поверхности грунта; ---- ‒ интерполированное положение дневной поверхности грунта

DOI:10.60797/IRJ.2024.145.92.1

В результате измерений планово-высотных положений получают глубину залегания трубопровода с привязкой к плану местности в нескольких точках. Если труба отклонилась от прямолинейности только в одном участке, то по точечным данным можно выяснить стрелу прогиба, оценить радиус изгиба и возникшее напряжение по формуле

[5]

,

[6]

:

(1)

где: E ‒ модуль упругости, D ‒ диаметр трубы, r ‒ радиус изгиба.

В условиях вечной мерзлоты, из-за неравномерности морозных пучений встречаются участки, где прогибы идут без интервалов (рис. 1) – выпуклость сменяется вогнутостью, которая переходит в выпуклость и т. д. В таком случае из точечных данных невозможно выяснить стрелу прогиба. И именно на таких участках и происходят наибольшие деформации. Предложено по точечным данным ПВП восстановить функцию пространственного положения трубопровода и оценить напряжения.

Для получения функции положения подземный трубопровод рассматривают как балку, лежащую на упругом основании

(2)

где: E – модуль упругости, I – момент инерции сечения, P – сжимающее усилие, с – коэффициент постели грунта, v – поперечное перемещение трубы.

В уравнении считается, что глубина залегания трубы постоянная, свойства грунта однородны либо кусочно-однородны. Сжимающее усилие рассматривается как независимая переменная и в зависимости от него исследуется устойчивость трубопровода. Реакция грунта на давление трубы моделируется по закону Гука и задается коэффициентом постели.

Для поставленной задачи это уравнение не подходит. В наших измерениях глубина трубопровода не является постоянной величиной. Реакция грунта из-за неравномерных морозных пучений может значительно меняться на расстоянии нескольких метров. Сложность представляет определение сжимающих усилий, трение стенок трубы из-за неравномерного защемления при морозном пучении.

В работе

(3)

где: E – модуль упругости, I – момент инерции сечения, S – равнодействующая продольных усилий, r – реакция грунта, q – вертикальная распределенная нагрузка, w – вертикальное перемещение трубы.

Во многие используемые математические модели подземного трубопровода как независимый параметр входят продольные усилия, которые рассчитываются исходя из условий укрепления краев рассматриваемого участка, наличия компенсаторов и температурных расширений.

В нашей задаче точки укрепления трубопровода могут находиться достаточно далеко от изучаемого участка. Чтобы применить устоявшиеся модели, необходимо будет измерить очень длинные участки. Также и при численном решении потребуются очень большие вычислительные ресурсы.

По этой причине нами получено уравнение подземного трубопровода, в котором нет явной зависимости от продольных усилий

(4)

где: E ‒ модуль упругости; I ‒ момент инерции сечения; D ‒ диаметр трубопровода; ρл ‒ линейная плотность трубы; q ‒ реакция грунта; p ‒ вертикальная распределенная нагрузка; Z ‒ вертикальное положение оси трубы.

По результатам измерений планово-высотного состояния ППМТ на береговом участке протоки Хатасская выявлен участок с большими сезонными деформациями. Величины деформаций превышают сдвиги грунта от морозных пучений.

Возможно, большие деформации связаны с предварительными напряжениями трубопровода, полученными во время строительства, заложенными в проект для перехода через пересеченные места с малым перепадом уровней.

Показано, что метод упругого изгиба, часто используемый в проектировании трубопроводов, приводит к аварийному состоянию. Вероятно, есть предел предварительного упругого напряжения, и трубопровод от малых пучинистых сдвигов получает значительные деформации.

Разработана математическая модель подземного трубопровода по точечным измерениям планово-высотного положения, где смоделирована реакция грунта, действующая сверху и снизу на трубопровод при неравномерных морозных пучениях. Решение полученного уравнения дает возможность оценивать НДС подземного трубопровода.