ON THE IMPACT OF HYDROLOGICAL PROCESSES OF RIVERS ON LINEAR STRUCTURES

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.124.75
Issue: № 10 (124), 2022
Suggested:
29.09.2022
Accepted:
11.10.2022
Published:
17.10.2022
467
8
XML PDF

Abstract

One of the main factors of operability of main gas pipelines, as well as water objects crossings, is interaction with complex geological and operational conditions. Possible changes in the state of an underwater crossing are largely determined by the presence of factors exerting various impacts on the pipeline: in the channel part, the pipeline is exposed to erosion, up to exposure and deflection, as well as the impact of river meandering; in the bottomland part, mechanical pressure of soil on the pipeline caused by its freezing is added to possibly influencing factors [1].

The underwater crossing of the main gas pipeline (UCGP) across the Lena river was erected by the open method, with laying in the underwater trench. During operation of the UCGP, the pipeline is exposed to the hydrodynamic impact of water flow and, in the spring period, to the impact of ice masses, which leads to the reduction of the pipeline operational reliability and to accidents. Riverbed erosion beneath the pipeline leads to slumping and subsequently to failure. Compliance with the rules of pipeline construction and operation would reduce accidents [2].

The article reviews the changes in the Lena River bottom profiles in the area of the UCGP, fixed by four sections. The results of profiling are presented. At all sections near the right bank, the profile of the river bottom changes sharply.

Presence of UCGP significantly changes the nature of movement of micro- and mesoforms of the bottom, according to the direction of the river channel flow. As a result of excavation works on deepening and replanting of UCGP, removal of large volume of bottom sediments soil, an artificial mini-island was created. We also registered an intensively eroded section of the island Byldyasyktah below the UCGP site. Hydrological channel processes in this section are complicated and further monitoring studies are necessary.

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).

Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 1

Рисунок 1 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 1

Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 2

Рисунок 2 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 2

Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 3

Рисунок 3 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 3

Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 4

Рисунок 4 - Поперечный профиль р. Лена по створам газопровода от 13.10.2012 г., створ № 4

ППМГ через р. Лена у правого берега

Рисунок 5 - ППМГ через р. Лена у правого берега

Примечание: у берега островов Yос Кумах и Бэргэhэ Yос

Размыв берега у левого берега

Рисунок 6 - Размыв берега у левого берега

Правый берег протоки

Рисунок 7 - Правый берег протоки

Интенсивно размываемый участок острова Былдьасыктах ниже створа ППМГ «Хатассы-Павловск»

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.

Article metrics

Views:467
Downloads:8
Views
Total:
Views:467