автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Методы гидротехнической защиты подводных переходов трубопроводов от размыва

Актуальность темы. Трассы магистральных трубопроводов на территории Российской Федерации пересекают более 1 ООО водных преград. От надежности и безопасности работы газопроводов зависит экологическая стабильность водных объектов и бесперебойность подачи энергоносителей потребителям. Однако, из-за неучета ряда гидродинамических факторов при проектировании,ительстве и эксплуатации подводных переходов, уровень надежности и безопасности работы газопроводов снижается, о чем свидетельствуют значительные финансовые средства, ежегодно направляемые ОАО "Газпром" на предупреждение и ликвидацию аварий. Основными причинами возникновения аварийных ситуаций на подводных переходах являются провисы и оголения трубопроводов, образующиеся в связи с изменением интенсивности и направленности руслового процесса, в результате неучета факторов технологииительства подводных траншей, не верного выбора мест расположения карьеров и не учета общей динамики руслового процесса в зонах выше и ниже подводных переходов трубопроводов.

Анализ существующих методов защиты подводных переходов трубопроводов от размыва (защита трубопроводов песчано-гравийными грунтами, камнем, контейнерами с цементно-песчаной смесью; крепление берегов и дна гибкими синтетическими материалами; возведение местных русловыправи-тельных сооружений) показал, что они носят локальный характер и малоэффективны. Основные недостатки этих методов состоят в их недолговечности и не однозначном влиянии на естественный ход руслового процесса, прогнозирование которого в новых гидродинамических условиях затруднено. Кроме этого, причины разрушения этих сооружений состоят в подвижности дна рек, на котором возводится сооружение, и не учет динамики руслового процесса в период производства работ.

При проектировании подводного перехода наиболее важным является прогнозирование максимальных глубины и ширины размыва русла, определяющих заглубление трубопровода в ложе русла и ширину зоны подводного перехода. Существующие методы расчета русловых деформаций не учитывают специфику подводных переходов, заключающуюся в том, что разработка и последующий замыв траншей вызывают изменение физико-механических характеристик грунтов ложа за счет разрушения их естественной структуры и вымывания пылеватых, глинистых и органических частиц, вследствие чего на этих участках возникают интенсивные переформирования русла. Кроме того, прогноз русловых деформаций по осредненным гидравлическим характеристикам по створам, не учитывает гидравлические особенности течений рассматриваемого участка, что также приводит к значительным погрешностям при решении практических задач.

Состояние изученности вопросов темы. Исследованиям методов регулирования русел рек и защите магистральных трубопроводов посвящены работы В.Н.Гончарова, К.В.Гришанина, И.И.Леви, В.С.Кнороза, А.В.Карау-шева, Н.С.Знаменской, А.Г.Хачатряна, Х.Ш.Шапиро, Д.В.Штеренлихта, В.Ф.Снищенко, В.М.Лятхера, А.В.Магомедовой, А.Н.Милитеева, С.С.Медведева, В.С.Алтунина, О.Ф.Васильева, М.А.Великанова, В.С.Вербицкого, И.В.Егиазарова, Ю.А.Ибад-Заде, Н.Е.Кондратьева, Б.М.Кукушкина, Н.Ф.Нефедова, И.В.Попова, О.М.Иванцова, M.Abbott, I.Bogardi, Y.Chen, J.Cunge, F.Holly и других авторов.

Анализ литературных источников позволяет выделить три основных метода:

- к первому методу следует отнести способы экстренной защиты трубопроводов от возможных аварий при негативном воздействии русловых деформаций. Защита осуществляется с помощью засыпки ям размыва грунтом и камнем, укладки мешков с цементно-песчанной смесью, дополнительного заглубления трубопровода методом подсадки;

- ко второму методу можно отнести крепление береговых склонов гибкими синтетическими материалами различного состава;

- к третьей группе относятся методы защиты трубопроводов с помощью русловыправительных сооружений, полузапруд, наносоудерживающих сооружений, донных порогов, сквозных и глухих шпор, продольных и поперечных дамб.

Расчетные методики, позволяющие прогнозировать развитие руслового процесса и намечать защитные мероприятия, также можно разделить на несколько групп: гидроморфологический подход к прогнозу русловых деформаций, численные методы моделирования расчета и прогноза плановых и высотных деформаций дна реки и гидравлический метод расчета и прогноза русловых деформаций; каждая из которых имеет определенные ограничения, не позволяющие осуществлять прогноз русловых деформаций на участках подводных переходов с достаточной надежностью.

В связи с этим теоретические и экспериментальны^ исследования гидротехнических методов защиты подводных переходов трубопроводов от размыва и внедрение их в практику проектирования и производства работ имеет актуальное значение.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка метода гидротехнической защиты подводных переходов трубопроводов от размыва, который учитывает специфику руслового процесса на этих участках и его теоретическое обоснование.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать технические решения по защите подводных переходов трубопроводов от размыва и приведению русла в динамически устойчивое состояние;

- разработать методику расчета русловых деформаций на участке подводных переходов трубопроводов;

- разработать методику расчета и технологическую схему формирования тела намыва с созданием защитного поверхностного слоя из наиболее крупных фракций грунта.

Объектом исследования является русловой участок р.Оби в зоне технического коридора перехода магистральных газопроводов у п.Андра от о.Низямский до о.Безымянный.

Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований в производственных условиях. Теоретические исследования были посвящены изучению взаимодействия подводных переходов трубопроводов и русловых процессов с целью прогнозирования русловых деформаций, а также изучению процесса формирования тела намыва с созданием защитного'поверхностного слоя из более крупных фракций грунта, при подаче его в виде пульпы в текущую воду.

Экспериментальные натурные исследования проводились в процессе производства работ по защите от размыва подводных переходов газопроводов через р.Обь. Методическая схема, приемы и оборудование, используемые при производстве гидрометрических измерений определялись соответствующими нормативными документами. Обработка опытных данных проводилась методами математической статистики с привлечением вычислительной техники.

Научная новизна. На основании выполненных исследований получены следующие научные результаты:

1. Разработан способ защиты переходов трубопроводов от размыва, сущность которого заключается в том, что землесосные снаряды, перераспределяя грунтовые массы из зоны заиления в зону размыва, создают динамически устойчивое русло с одновременным выравниванием поля скоростей водного потока с понижением их до величин, близких к неразмывающим, и формируют при этом защитный поверхностный слой те^а намыва из наиболее крупных фракций грунта путем укладки его перемещением торца намывного плавучего пульпопровода земснаряда сначала поперек, а затем вдоль водного потока (патент РФ № 2108424).

2. Разработана методика расчета русловых деформаций, основанная на уравнении динамики насыщения потока взвесями для отдельных фракций грунта ложа реки и транспортируемых потоком наносов и учитывающая специфику участков переходов трубопроводов через реки.

3. Разработан метод расчета определения шага намыва с целью формирования защитного поверхностного слоя тела намыва из наиболее крупных фракций грунта.

Положения, выносимые на защиту:

1. Технология гидротехнической защиты подводных переходов трубопроводов через реки путем проведения русловыправительных гидромеханизированных работ с созданием динамически устойчивою русла, выравниванием поля скоростей и формированием защитного слоя тела намыва из наиболее крупных фракций грунта;

2. Методика расчета русловых деформаций, учитывающая специфику участков переходов трубопроводов через реки: определение расчетных временных интервалов на подъеме и спаде паводка, определение момента перехода процесса размыва в процесс заиления, путем установления точки "отсечения", замена в расчетных створах граничных условий на начальные, расчет деформаций по характерным гидродинамическим зонам.

Практическая значимость исследований. Результаты проведенных исследований рекомендуются для проектирования и производства работ по ремонту, реконструкции и строительству подводных переходов трубопроводов через реки.

Результаты исследований нашли применение при проектировании и производстве работ по защите от размыва подводных переходов газопроводов через р.Обь у п.Андра. Внедрение результатов исследований при ремонте 18-ниточного перехода магистрального газопровода через р.Обь позволило получить экономический эффект около 8,87 млн.рублей (в ценах 1984 г.).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на техническом совещании ОАО "Газпром" (Москва, 2000 г.) По результатам исследований опубликовано 4 статьи, в том I числе, патент Российской Федерации на изобретение. а

8.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Работа изложена на 164 страницах и содержит 18 таблиц, 43 рисунка и список литературы из 97 наименования.

выводы

1. В диссертации обобщены и систематизированы материалы о современном состоянии подводных переходов и существующим методам их защиты от размыва. Установлено, что основными причинами возникновения аварийных ситуаций являются провисы и оголения трубопроводов в связи с увеличением интенсивности руслового процесса в результате выноса потоком мелких фракций грунта и изменения его физико-механических свойств в составе донных отложений при разработке траншей и замыве трубопроводов. Существующие методы защиты подводных трубопроводов от размыва носят локальный характер, оказывают воздействие на русловой поток, влияют на естественный ход руслового процесса, в связи с чем ненадежны и неэффективны.

2. На основании анализа опыта производства русловыправительных работ, теоретических и экспериментальных исследований предложен способ защиты от размыва подводных переходов трубопроводов посредством устройства динамически устойчивого русла с одновременным выравниванием полей скорости водного потока и восстановления естественной отмостки (патент РФ №2108424).

3. В результате теоретических и натурных исследований разработана методика расчета русловых деформаций на участках подводных переходов, учитывающая установление расчетных периодов на подъеме и спаде паводка, момента перехода процесса размыва в процесс заиления, начальных гидрологических и гидравлических параметров для характерных гидродинамических зон.

4. Уточнены коэффициенты кь входящие в формулу транспортирующей способности потока, для условий р.Оби.

5. Разработана технология и методика расчета формирования защитного слоя тела намыва из наиболее крупных фракций грунта.

6. Разработаны рекомендации по технологии защиты подводных переходов трубопроводов от размыва путем производства гидромеханизированных русловыправительных работ, включающие устройство динамически ус

134 тойчивого русла соразработкой грунта в зоне заиления и перемещением в зону размыва землесосными снарядами с образованием защитного слоя ложа русла из более крупных фракций грунта и возведение регуляционных сооружений намывом грунта в текущую воду.

7. На основании натурных исследований установлено, что разработанная технология выправления русла реки может быть использована для долговременной защиты подводных переходов трубопроводов от размыва. Внедрение технологии при ремонте провисающих и оголенных подводных переходов газопроводов через р.Обь у п.Андра позволило получить экономический эффект равный 8,87 млн.рублей (в ценах 1984 г.). , 8. Дальнейшие исследования должны проводиться в направлении совершенствования технологии гидромеханизированных работ с целью сокращения потерь грунта и уточнении методики расчета применительно к более широкому диапазону грунтов и разнообразному гидрологическому и наносному режиму участков подводных переходов трубопроводов.

135

1. Алтунин B.C. Кинематические и морфологические зависимости и их применение для расчета общего размыва подмостовых русел. - Сб.на-учн. трудов ЦНИИС, вып. 14. - М.: 1965, с. 22-28.

2. Алтунин С.Т. Регулирование русел рек. М.: Сельхозгиз, 1962, 27 с.

3. Андреев О.В. Проектирование мостовых переходов. М.: Транспорт, 1980.215 с.

4. Барышников Н.Б. Речные поймы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 152 с.

5. Барышников Н.Б., Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловые процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

6. Бородавкин П.П., Кольцов А.А., Шадрин О.Б. Вопросы капитального ремонта подводных переходов нефте- и продуктопроводов. // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1967. 99 с.

7. Великанов М.А. Русловой процесс. Л.: Гидрометеоиздат, 1959. 395 с.

8. Вербицкий B.C. Комплексная гидравлическая теории руслового процесса. // Тр. ВНИИГиМ "Совершенствование и реконструкция мелиоративных систем". Том 78. -М.: 1990, с. 177-230.

9. Глушков В.Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований. М.: издательство АН СССР, 1961, с. 177-384.

10. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат; 1962. 374 с.

11. Гришанин К.В. Динамика русловых процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.312 с.

12. Гришанин К.В. Устойчивость русел рек и каналов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 144 с.

13. Дебольский В.К., Коган Л.Д., Н.А. Михайлова. Критические скорости потока и критерии форм транспорта наносов. Водные ресурсы, 1976, №4.

14. Егиазаров И.В. Влияние широкой смеси наносов и самоотмостки русла на движение и расход наносов. Ереван: Изв. АН Арм.ССР, серия техн. наук, т. 17, №2, 1964.

15. Егиазаров И.В. Наука о движении наносов, сопредельные науки и возможности экспериментирования. В кн.: Исследование и комплексное использование водных ресурсов. М.: АН СССР, 1960, с.49-86.

16. Замарин Е.А., Фандеев В.В. Гидротехнические сооружения. М.: Колос, 196.5. 301 с.

17. Знаменская Н.С. Грядовое движение наносов. Л?: Гидрометеоиздат, 1968.186 с.19.20,21.24,25,26