Прокладка трубопроводов в условиях вечной мерзлоты
научный журнал «Актуальные исследования» #6 (9), март '20

Прокладка трубопроводов в условиях вечной мерзлоты

В статье рассматриваются различные способы прокладки трубопроводов в условиях вечной мерзлоты. Классические технические методы совершенно не подходят в этом случае, более того они являются экономически не выгодными. Необходимо разрабатывать и внедрять новые технологические решения, учитывая долгосрочные прогнозы температурных режимов грунтов оснований, которые должны быть способны предупредить или же компенсировать отрицательное воздействие тепла для всех трубопроводов, прокладываемых в условиях вечной мерзлоты.

Аннотация статьи
вечная мерзлота
прокладка трубопровода
Крайний Север
мерзлые грунты
Ключевые слова

Основными характеристиками температурного режима вечномерзлых грунтов являются температура верхней границы зоны нулевых годовых амплитуд и толщина деятельного слоя. Деятельный слой – поверхностный грунт, который ежегодно оттаивает летом и вновь замерзает зимой. Сезонное оттаивание грунта летом в заполярных районах составляет в среднем от 0,5 до 3м. При переходе грунтов из мерзлого состояния в талое их несущая способность понижается, а для грунтов с высокой льдистостью становится ничтожной.

Применяются два основных принципа:

  1. Использование грунтов оснований в мерзлом состоянии.
  2. Использование грунтов оснований в оттаивающем и оттаявшем состоянии.

Строительство по принципу 1 рекомендуется для грунтов, находящихся в твердомерзлом состоянии. Для сохранения грунтов в мерзлом состоянии предусматривается устройство продуваемого холодного подполья с естественной круглогодичной вентиляцией. При низких среднегодовых температурах грунтов (ниже -3) возможно применение вентилируемой подсыпки из крупнообломочных грунтов, так называемого, термоизолирующего слоя.

Строительство по принципу 2 осуществляется при неглубоком залегании скальных грунтов, а также в районах при не сплошном распространении вечномерзлых грунтов. При этом в процессе эксплуатации зданий и сооружений необходимо предусматривать мероприятия по уменьшению неравномерности осадок путем равномерного распределения нагрузок на фундаменты и устройства теплоизолирующей искусственной грунтовой подушки под основанием зданий и сооружений [1].

Прокладка трубопроводов

Существуют следующие виды прокладки водоотводящих коммуникаций: подземная, наземная и надземная (рис.1). Они в свою очередь могут быть одиночными и совмещенными. При проектировании и строительстве сетей канализации следует учитывать взаимную зависимость типа прокладки и условий ее применения [2].

Подземная. По сравнению с другими типами прокладки трубопроводов подземная прокладка обладает некоторыми преимуществами. При подземной прокладке не загромождается территория населенного места, чем достигается максимальное ее благоустройство; уменьшается снегозаносимость; облегчается поверхностный водоотвод атмосферных вод. Кроме того, при подземной прокладке вокруг трубопровода образуется талик, который является аккумулятором тепла и защищающий периодически действующие трубопроводы канализации от замерзания в них жидкости.

В настоящие время в практики строительства известен ряд типов искусственных оснований под трубопроводы, устраиваемых в условиях вечной мерзлоты: свайные, продольно лежневые опоры, “плавающие” – сплошные настилы из пластин, уложенные поперек траншеи, подземные эстакады. Эти конструкции относятся к числу сложных, трудоемких и дорогостоящих решений. Рациональным типом оснований может быть грунтовое основание. Его можно устраивать путем замены местного грунта в основании или предпостроечного оттаивания и уплотнения грунтов основания.

Рис. 1. Виды прокладки трубопроводов

Таблица

Высота слоя замененного грунта

Степень просадочности грунта, в %

Диаметр трубопровода, в м

Глубина заложения до верха трубы

Толщина слоя глинобетона под трубопродовом, в см

Высота слоя замененного грунта, в см

Менее 3

150-200

70-100

25

-

110-150

25

-

250-300

70-100

25

-

110-150

25

-

От 3 до 6

150-200

70-100

25

60

110-150

25

80

250-300

70-100

30

80

110-150

30

100

Более 6

150-200

70-100

25

80

110-150

30

110

250-300

70-100

35

100

110-150

35

120

Высота слоя замены грунта, приведенная в таблице проверяется тепловым расчетом, которым определяется радиус талого грунта под трубопроводом по известным расчетным формулам А.А. Андрияшего, Д.В. Редозубого,

Одним из видов подземной прокладки трубопроводов в условиях просадочных льдонасыщенных грунтов является совмещенная прокладка всех или нескольких инженерных сетей в проходных железобетонных каналах. Проходные каналы могут быть одноярусными или двухъярусными

Наземная прокладка. Наземная прокладка канализационных трубопроводов в практике строительства встречается значительно реже подземной и может быть осуществлена при наличии достаточно естественного уклона местности (рис.2). Ее следует применять вне застройки населенных мест. При достаточном уклоне местности лучшим способом следует считать прокладку коммуникаций в проветриваемых подпольях под зданиями.

Наземная прокладка трубопроводов имеет перед подземной прокладкой непосредственное в грунте или в непроходных каналах ряд преимуществ: ограниченное тепловое воздействие на вечномерзлые грунты; простота обслуживания и ремонта, а также возможность быстрой ликвидации аварии; как правило, меньшая стоимость строительства и эксплуатации.

Рис. 2. Наземная прокладка

Наряду с преимуществами наземная прикладка имеет существенные недостатки: загромождение территории населенного места; сложность пересечения с проездами; повышенные теплопотери; необходимость устройства теплоизоляции и предотвращения тепловых деформаций.

Частота отказа на 1 км трассы при подземном способе – 3, надземном – 0,42, подземном – 0,13. Анализ трассы Соленинское-Месояха-Норильск [3].

Прокладка в земляных валиках. В случае отсутствия теплоизоляционных материалов на месте и при высоком уровне грунтовых вод применяется одиночная прокладка трубопроводов в земляных валиках.

Земляные валики можно отсыпать или по естественному растительному покрову (рис. 3.), или над выемкой, заполненной замененным грунтом (полувыемка - полунасыпь). Если по теплотехническим расчетам окажется, что валик получается выше 1,2 м, то следует применять полувыемку-полунасыпь, заполнив выемку сухим, уплотненным мало фильтрующим грунтом. Глубина выемки принимается до 0,8-l,l м.

Рис. 3. Прокладка трубопровода в земляном валике

Прокладку трубопроводов в земляных валиках следует осуществлять вне территории населенных мест. Преимуществами прокладки сетей в земляных валиках является:

по сравнению с наземной прокладкой: наличие талика вокруг труб, допускающего более длительный перерыв движения жидкости по ним; отсутствие тепло- и гидроизоляции трубопроводов; простота строительства и экономия капитальных затрат;

по сравнению с подземной прокладкой: простота и экономичность устройства; отсутствие трудоемких и дорогостоящих земляных работ по рытью траншей; значительно легче обнаружить и устранить утечки воды из труб; исключается фильтрация надмерзлотных вод вдоль труб.

В тоже время этот тип прокладки имеет ряд недостатков: загромождается территория; увеличивается ее снегозаносимость; требуются дополнительные устройства по организации отвода поверхностных вод.

Глубина заложения трубопроводов

На глубину заложения канализационных трубопроводов в грунт основное влияние оказывает рельеф местности. Умелое использование рельефа местности при трассировке канализационных сетей может привести к значительному уменьшению их глубины заложения [4].

Влияние на целостность трубопроводов глубины их заложения объясняется физической сущностью тепловых процессов, происходящих в грунте. Между поверхностью грунта и наружным воздухом происходит довольно интенсивный теплообмен, в результате чего верхний слой грунта глубиной 0,5-1 м в период холодного времени года имеет более низкую минимальную температуру, чем нижележащие слон грунта.

Суточные колебания температуры наблюдается только в неглубоком верхнем слое грунта и уже на глубине 0,5-0,6 м затухают. На большей глубине происходит изменение температуры грунта под влиянием внешних факторов, постоянно действующих довольно длительное время от нескольких суток до месяца.

Помимо изложенного следует отметить, что грунт, окружающий трубопровод является своего рода теплоизоляцией и чем более мощным слоем он прикрывает трубопровод, тем меньше тепла уходит через поверхность грунта в воздух. Следовательно, при глубоком заложении большая часть тепла участвует в растеплении грунта вокруг трубопровода, чем при мелком его заложении.

Из сказанного следует, что при глубоком заложении трубопровода вокруг него образуется талая зона грунта (талик) значительно большей величины, чем при мелком заложении. Талик вокруг трубопровода, уложенного во влажных просадочных грунтах, и представляет собой разжиженную массу, которая обладает исключительно малой несущей способностью. Очевидно, что чем меньше размеры талика, тем устойчивее будет трубопровод при эксплуатации. с уменьшением глубины заложения снижается стоимость строительства и ремонта трубопроводов, облегчаются условия их эксплуатации. Оптимальным решением, при достаточной мощности деятельного слоя, является прокладка трубопроводом в этом слое, так как в этом случае может отсутствовать деградация вечной мерзлоты в основании трубопровода и, следовательно, отпадает необходимость устройства искусственного основания под ним.

Следовательно, целесообразно прокладывать трубы на глубине 0,7-1 м. При устройстве самотечных канализационных сетей такая глубина заложения по условиям рельефа местности может быть превышена. Поэтому максимальную глубину заложения можно допускать 2,5-3м. Если этой глубины недостаточно, следует устраивать станцию перекачки [5].

Заключение

Способ прокладки инженерных коммуникаций зависит от способности грунтов к просадке при оттаивании. Водонесущие коммуникации прокладываются раздельно или совместно в каналах; способ прокладки может быть подземным, наземным или надземным.

При подземной прокладке теплого трубопровода вокруг труб образуются большие ореолы оттаивания и грунт в основании труб проседает, деформируя трубопровод. Кроме того, в результате оттаивания происходит осадка дневной поверхности и это при наличии высокольдистых грунтов или подземного льда может привести к термокарсту. При подземной прокладке холодного трубопровода вокруг труб образуется ореол промерзания. Если ниже труб находится талый грунт, то трубопровод может быть разрушен силами нормального пучения.

Текст статьи
  1. СП 445.1325800.2018 Водопропускные трубы и системы водоотвода в районах вечной мерзлоты. Правила проектирования
  2. Колоколова Н.А., Гаррис Н.А. О выборе способа прокладки трубопроводов в районах вечной мерзлоты // Транспорт и хранение нефтепродуктов. 2013. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vybore-sposoba-prokladki-truboprovodov-v-rayonah-vechnoy-merzloty (дата обращения: 08.10.2019).
  3. Харионовский В.В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях. – Л.: Недра, 1990. – 180 с.
  4. СП 32.13330.2012 "СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения". – М.: Министерство регионального развития РФ, 2011
  5. Ахметов А.Х. (УГНТУ) Способ прокладки трубопровода, проходящего в талых с островной мерзлотой просадочных многолетнемерзлых грунтах. Пат. 2622681 Россия, МПК F16L 1/026 (2006.01). УГНТУ. N 2016106847; Заявл. 25.02.2016; Опубл.19.06.2017. Рус.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 декабря по 15 декабря
Осталось 13 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии
19 декабря
Загрузка в elibrary
19 декабря
Рассылка печатных экземпляров
23 декабря