Инженерная защита и геотехнический мониторинг линейной части

Северо-Европейского газопровода.

Минкин М.А., Кутвицкая Н.Б., Рязанов А.В., Селюков Е.И.

 

Газопроводы, в особенности больших диаметров, являются достаточно сложными инженерными соружениями. Это обусловлено тем, что имея значительную протяженность, газопроводы пересекают на своем пути множество участков с различными природно-климатическими, гидрологическими и инженерно-геологическими характеристиками.  Повышенные требования к обеспечению безопасного режима эксплуатации газопроводов диктует необходимость разработки новых надежных и в то же время экономичных способов обеспечения их сохранности.

Проектируемый в настоящее время Северо-Европейский магистральный газопровод на своем протяжении пересекает заболоченные территории, водотоки, склоны. Прокладку газопровода предполагается осуществлять подземным способом. При этом, в процессе проектирования мероприятий инженерной защиты газотранспортной системы, следует учитывать, что подземная прокладка газопроводов приводит к существенному изменению ландшафтных и инженерно-геологических условий, способствуя активизации опасных процессов.

Как показывает практика, к одним из наиболее часто встречаемых процессов и явлений в Европейской части России в пределах трасс магистральных газопроводов относятся всплытие газопроводов под действием выталкивающих сил, водная эрозия грунтов на склонах и в поймах водотоков, а также коррозия трубопроводов.

Всплытие газопроводов наиболее опасно на заболоченных участках (фото 1), водотоках и в пределах периодически подтапливаемых пойм. Риск всплытия трубы, как известно, возрастает с увеличением диаметра и, соответственно, плавучести трубы. Одним из способов стабилизации проектного положения газопроводов в таких случаях является его пригрузка чугунными, железо-бетонными или полимерно-грунтовыми утяжелителями. Однако, зачастую применение утяжелителей не дает желаемого результата из-за неправильного учета величины силы всплытия (фото 2).

Для предотвращения всплытия газопроводов специалистами ФГУП «Фундаментпроект» было разработано специальное анкерное устройство – анкер составной винтовой (рис. 1). Особенностью анкерного устройства является наличие винтовой части с оребрением, которая забуривается через слабые грунты в слой несущих грунтов. В зависимости от величины выдергивающей нагрузки длина винтовой части, состоящей из отдельных звеньев, может меняться. Погружение анкеров осуществляется мобильными бурильными установками.

На склоновых участках, обладающих даже незначительным уклоном, нарушение почвенно-растительного слоя при подземной прокладке уже в первые годы эксплуатации газопровода приводит к развитию эрозии (фото 3). Причем процесс склоновой эрозии протекает очень интенсивно, принимая во внимание разуплотненность грунтов обратной засыпки траншеи.

Активизация эрозионных процессов также происходит на береговых участках водных переходов газопроводов подземной прокладки за счет уничтожения почвенно-растительного слоя и нарушения природной плотности грунтов при производстве земляных работ (фото 4).

Традиционным способом защиты нарушенных грунтовых поверхностей от эрозии является восстановление почвенно-растительного слоя путем посева многолетних трав. Однако на практике реализация этого способа оказывается достаточно трудоемкой и малоэффективной. Это связано с тем, что большая часть семян практически сразу после высева уничтожается птицами или смывается дождевыми водами. На формирование сплошного почвенно-растительного слоя в этом случае обычно уходит более 3-4 лет. При этом в течение нескольких лет ежегодно требуется осуществлять досев семян для воссоздания качественного сплошного растительного покрова, чего обычно не выполняют. Таким образом, эрозионная опасность на таких участках сохраняется.

В практике ФГУП «Фундаментпроект» для защиты грунтов обратной засыпки от разрушения на эрозионноопасных участках и выноса грунтовых частиц применяются специально разработанные геотекстильные перемычки и грунтово-геотекстильные обоймы, выполняющие функцию армирующих прослоек. Однако, предотвращая вынос грунтовых частиц фильтрационными потоками, геотекстильные перемычки и обоймы не останавливают поверхностной водной эрозии и оврагообразования. Для защиты от поверхностной эрозии дополнительно к ним осуществляется рекультивация почвенно-растительного слоя с применением биоматов, разработанных в ООО «Стройгеооснования». Биоматы представляют собой текстильный материал специального состава, содержащий в себе смесь семян, удобрений, стимуляторов роста и почвообразующих биологических добавок. В настоящее время разработано несколько типов биоматов для различных по природно-климатическим и грунтовым условиям районов применения. Текстильная основа разлагается в течение нескольких лет, на протяжении которых выполняет функцию материала, армирующего грунтовую поверхность и предохраняющего семена, что позволяет защитить грунты от эрозии в течение всего периода восстановления устойчивого почвенно-растительного слоя.

Биоматы предназначаются для защиты практически любых грунтовых поверхностей, включая обваловки газопроводов (фото 5) и откосы насыпей подъездных и вдольтрассовых автодорог (фото 6).

Несмотря на появление большого количества антикоррозионных материалов, коррозия стенок газопроводов остается на сегодняшний день одной из самых актуальных проблем. При этом, сложной задачей является не только диагностика состояния подземных газопроводов в период их эксплуатации, но и прогнозирование развития коррозии с целью выделения наиболее опасных участков на стадиях проектирования газотранспортных систем.

Существует множество причин и связанных с ними особенностей развития коррозии в стенках газопроводов. При стандартной методике проведения инженерно-геологических изысканий по трассе газопровода, когда коррозионная активность грунтов и грунтовых вод определяется только на основании анализа образцов из инженерно-геологических скважин, получаемых данных обычно недостаточно для проведения качественной типизации участков трассы по степени коррозионной опасности.

Помимо коррозионной активности грунтов и грунтовых вод, связанной с их химическим составом, одной из причин интенсивной коррозии стенок газопроводов может являться наличие геодинамических зон, пресекаемых газопроводом. Геодинамическими зонами являются участки, сложенные грунтами, находящимися в аномальном напряженно-деформированном состоянии. Одной из особенностей геодинамических зон является повышенная интенсивность корродирования металлических конструкций в ее пределах. Для выделения этих зон специалистами ФГУП «Фундаментпроект» применяются такие мобильные геофизические методы, как радиоволновая, а также газовая и эманационная съемки.

Так, при обследовании участка разрыва газопровода Уренгой-Петровск в районе Башкирии с помощью радиоволновой съемки было выявлено наличие геодинамической зоны, в которой и была зафиксирована аварийная ситуация (рис. 2). При этом, при прочих относительно равных геологических условиях в целом по трассе газопровода, в границах геодинамической зоны было отмечена повышенная степень коррозии стенок трубопровода, что в конечном итоге и явилось причиной его разрыва.

Помимо радиоволнового метода для выделения опасных участков может применяться газовая и эманационная съемка (рис. 3).

Эти два метода объединяет невысокая стоимость и мобильность. Используя переносное оборудование можно обследовать 10-20 км трассы в день. Это дает возможность применять их как на стадии проведения инженерных изысканий, так и в процессе проведения геотехнического мониторинга в процессе эксплуатации газопровода.

Принимая во внимание то, что Северо-Европейский газопровод проходит по достаточно населенным районам России, уже на стадии его проектирования следует предусмотреть возможность использования современных материалов и разработок, позволяющих обеспечить необходимый уровень его безопасности и сохранности окружающей среды.

 

 

Фото 1. Всплытие магистрального газопровода на заболоченном участке.

 

 

Фото 2. Всплытие магистрального газопровода с утяжелителями на заболоченном участке.  

 

 

Рис. 1. Анкер составной винтовой (1 – винтовая (анкерная) часть, 2 – оребрение винтовой части, 3 – часть анкерного устройства без оребрения, 4 – анкерные звенья, 5 – ось анкерного устройства, 6 – подающие звенья, 7 – слой несущих грунтов, 8 – грунтовая поверхность).

 

 

Фото 3. Водная эрозия вдоль газопровода подземной прокладки на склоновом участке.

 

 

Фото 4. Береговая эрозия на участке подземной прокладки газопровода через водоток (фото Пазиняка В.В.).

 

 

Фото 5. Вид восстановленной обваловки газопровода после укладки на ее поверхность биоматов.

 

 

Фото 6. Восстановленный откос насыпи автодороги, защищенный биоматами.

 

 

Рис. 2. Выделение геодинамической зоны с помощью радиоволновой съемки на аварийном участке газопровода.

 

 

Рис. 3. Выявление геодинамических зон по трассе магистрального газопровода по результатам газовой и эманационной съемки.