Опыт обустройства и эксплуатации месторождений газа на севере Западной Сибири свидетельствует о том, что, несмотря на попытки свести к минимуму техногенное воздействие на природную среду, освоение промыслов, как правило, сопровождается сравнительно быстрым и глубоким изменением геокриологических условий территории. Особенно существенны такие изменения в промзонах месторождений, кустах эксплуатационных скважин, жилых поселках, где вследствие наиболее сильных техногенных воздействий часто происходит коренное изменение теплового состояния грунтов – их многолетнее промерзание на талых участках или, наоборот, протаивание в районах развития многолетнемерзлых пород. Изменение комплекса геокриологических условий дает толчок к образованию генетически связанных (или парагенетических) рядов экзогенных геологических процессов, угрожающих устойчивости фундаментов газопромысловых сооружений.
Строительство и эксплуатация трубопроводов в криолитозоне приводит к новообразованию или активизации геокриологических процессов, развивающихся как в зоне непосредственного взаимодействия с трубопроводом, так и на прилегающей к нему территории. Эти процессы могут оказать существенное влияние на работоспособность трубопровода и быть причиной его аварий, а также нарушить экологическую устойчивость природной геокриологической среды.
Температурный режим трубопроводов в криолитозоне является основополагающим для теплового и механического взаимодействия их с мерзлыми грунтами, так как определяет направленность и интенсивность процессов промерзания-оттаивания пород, развитие криогенный процессов, напряжение в металле трубы, конструктивные решения трубопровода. В зависимости от температуры продукта участки трубопровода подразделяются на горячие, теплые и холодные. Из всех способов прокладки трубопроводов наибольшее тепловое воздействие на грунты оказывается при подземном способе прокладки трубопроводов. При транспортировке продукта с положительной среднегодовой температурой (“горячие” и “теплые” участки) вокруг трубопроводов, уложенных в мерзлые грунты, происходит дестабилизация естественных тепловых процессов и формирование ореолов оттаивания пород, размеры которых для трубопроводов диаметром 1220 и 1420 мм в зависимости от инженерно-геокриологических характеристик грунтов и температуры продукта, по данным компьютерного моделирования и натурных наблюдений, достигают 3-10 м и более за 7-10 лет эксплуатации. Наибольшая интенсивность оттаивания мерзлых грунтов наблюдается в первые 2-4 года эксплуатации, когда скорость оттаивания составляет от 1,0 – 1,8 м/год при температуре продукта 20-30° C до 0,6-1,0 м/год при температуре 5-10° C.
Строительство и эксплуатация трубопроводов приводит к активизации геокриологических процессов, развитых до их прокладки, а иногда к возникновению новых, ранее не проявлявшихся. На участках бугристых торфяников, кочковатых тундр с болотами и в понижениях рельефа по трассам газопроводов широко развивается процесс заболачивания, чему способствует избыточная влажность при оттаивании мерзлых грунтов, малая величина испарения, близость водоупора – мерзлых грунтов.
В результате техногенный геокриологических процессов, связанных с оттаиванием мерзлых грунтов, возникают значительные горизонтальные и вертикальные деформации газопроводов, приводящие к появлению напряженных участков. Отмечаются такие дефекты, как отклонение проектного положения трубы на несколько метров, вертикальные и горизонтальные арки, гофры, змейки и другие дефекты. На вдольтрассовых полосах в результате техногенных нарушений, вызванных прокладкой газопроводов и сопутствующими ей работами (уничтожение древесной растительности, повреждение мохово-растительного покрова, изменение характера снегоотложений и стока поверхностных вод и т.д.), наблюдается увеличение в 1,2-1,6 раза глубин сезонного оттаивания пород, развитие термокарстовых просадок глубиной до 1,0-2,0 м, заболачивание территории. Возрастает неравномерность пучения пород при промерзании сезонноталого слоя.
Комплекс спровоцированных техногенным воздействием деструктивных геокриологических процессов (оттаивание и осадка мерзлых грунтов, термоэрозия, разуплотнение, заболачивание и т.д.) в наибольшей степени проявляется при подземной прокладке теплых трубопроводов на льдистых мерзлых грунтах. Развитие этих процессов происходит настолько интенсивно, что эксплуатация трубопровода через несколько лет становится практически невозможной.
Для уменьшения неблагоприятного воздействия на трубопроводы техногенных геокриологических процессов используются инженерные мероприятия: устройство теплоизолирующих экранов, баллансировка или заанкеривание трубы, охлаждение грунтов сезоннодействующими охлаждающими устройствами и т.д. Однако должного эффекта эти мероприятия, как правило, не дают, и к тому же являются трудоемкими и дорогостоящими.
Наиболее радикальный путь предотвращения неблагоприятных техногенных геокриологических процессов – это постоянное сохранение мерзлого состояния грунтов вокруг трубопровода, что достигается круглогодичным охлаждением транспортируемого газа до отрицательных температур. Значительные энергетические затраты на искусственное охлаждение газа окупаются повышением пропускной способности трубопроводов и надежностью их эксплуатации.
Вместе с тем, при транспортировке газа, охлажденного до отрицательных температур, возникают новые проблемы, связанные как с промораживанием талых грунтов, пересекаемых газопроводом, так и с обратным промерзанием оттаивших при эксплуатации теплого газопровода мерзлых грунтов. Геокриологические процессы, которые при этом будут происходить, могут привести к значительным деформациям трубопровода.
В процессе строительства участка подземных газопроводов существенно нарушаются природные условия. Нарушение растительных покровов, изменение температурного режима и глубин сезонного оттаивания-промерзания пород активизируют такие геокриологические процессы, как солифлюкционное течение и термоэрозия. Нередко солифлюкция и термоэрозия развиваются совместно: термоэрозионные врезы сопровождаются солифлюкционным оплыванием больших масс грунта. Термоэрозионному размыву также способствует проходка траншеи для укладки трубопровода, которая является аккумулятором для поверхностных и надмерзлотных вод.
Проходка траншеи также приводит к частичному или полному спуску озер и новообразованию мерзлых пород в котловинах осушенных озер. Процесс промерзания при этом, как правило, сопровождается образованием сегрегационных бугров пучения, высота которых достигает 1,1-1,4 м. Увеличение мощности слоя сезонного оттаивания-промерзания, влажности пород и повышение их температуры приводит к увеличению сезонного пучения и осадки грунтов в полосе строительства в 1,1-2 раза (4-12 см/м), а в траншее в 2-5 раз (8-30 см/м) по сравнению с их величиной в естественных условиях.
Уничтожение растительности, уменьшение высоты снежного покрова до его полного удаления, транспортировка холодного газа значительно охлаждают поверхностные слои мерзлых пород. Это может привести к температурным напряжениям и образованию криогенных трещин в мерзлых грунтах, что в ряде случаев является причиной дополнительных растягивающих напряжений в холодных трубопроводах, способствующих нарушению изоляции трубы, увеличению коррозии.
Из всех видов наземной прокладки наибольшее распространение в криолитозоне получила наземная прокладка в насыпи (обваловке). Геокриологические техногенные процессы, развивающиеся на участках наземной прокладки, обусловлены как тепловым воздействием транспортируемого продукта, так и нарушениями естественных условий теплообмена и поверхностного стока при устройстве насыпи. Формирование под трубопроводом чаши оттаивания вызывает неравномерную осадку грунтов основания и способствует деформированию насыпи (оседанию, образованию провалов и воронок, сползанию откосов). При этом надмерзлотные и поверхностные воды будут собираться в чаше оттаивания как в дрене. В случае хорошо дренированных грунтов поток надмерзлотных вод вызывает процесс подземной суффозии, сопровождающийся оседанием и разрушением тела насыпи. Если грунты под трубопроводом плохо дренированы, то эти воды могут смыть насыпь. На холодных участках трубопроводов происходит поднятие границы мерзлых грунтов в насыпь. В этом случае насыпь и труба играют роль плотины, перегораживающей сток поверхностных и грунтовых вод, особенно в паводок и половодье. Накопление этих вод в результате барражного эффекта и их фильтрация через тело насыпи приводят к ее постепенному размыву. Отмечаются также случаи разрушения насыпей в результате эрозионного размыва поверхностными водами при прохождении трубопроводов вдоль крутых склонов.
Многочисленные наблюдения, выполненные на трубопроводах, показывают, что большинство насыпей на участках наземной прокладки через 2-3 года полностью разрушаются, а труба обнажается. Учитывая, что металл труб, как правило, не рассчитан на воздействие низких зимних температур воздуха, последнее обстоятельство способствует возникновению аварийных ситуаций. Наземная прокладка трубопровода в насыпи, затрудняя сток поверхностных вод, благоприятствует обводненности и заболоченности повернхости на прилегающей территории выше трубопровода и осушению ниже его. На обводненных участках отмечается развитие термокарстовых просадок глубиной до 1,5-2,0 м, на осушенных – пучение поверхности и образование бугров пучения со скоростью 3-5 см /год.
Наибольшую сохранность природных геокриологических условий обеспечивает надземный способ прокладки трубопроводов. При надземном способе непосредственное тепловое воздействие транспортируемого продукта на мерзлые грунты практически исключается, в связи с чем проявление техногенных геокриологических процессов связано, главным образом, с техногенными нарушениями при строительстве трубопровода, при проведении ремонтных работ, а также с изменением характера снегоотложений у опор трубопровода.
Города и поселки на Севере представляют собой очаги концентрированного техногенного влияния на природную обстановку, приводящего к развитию опасных для устойчивости зданий и сооружений геокриологических процессов (термокарст, пучение, морозобойное растрескивание, наледообразование и др.). Естественно, что результат этого негативного влияния зависит как от природных условий (климатических, геокриологических, гидрогеологических), так и от интенсивности антропогенного воздействия. Последнее, как известно, сопровождается изменением теплового состояния пород и химическим загрязнением геологической среды.
Формирование температурного поля на застроенной территории зависит от интенсивности тепловой нагрузки, от сочетания и площади участков, к которым она приложена. Это, в свою очередь, определяется планировкой застройки, конструкцией и назначением сооружений, уровнем благоустройства территории и климатом. Распределение температуры в грунтах зависит еще и от механизма теплоперадачи. В подавляющем большинстве случаев передача тепла происходит за счет теплопроводности. Однако на отдельных участках, где имеются грунтовые воды, вместе с кондуктивной может быть и конвективная теплопередача. При этом изменения температуры грунта будут происходить более интенсивно.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20
