Инженерная защита территорий от подтопления в условиях сложной природно-климатической обстановки 

Кутвицкая Н.Б.*, Рязанов А.В.*, Шеховцов А.В.**, Борозинец В.Е.***

* ФГУП «ГПИИ Фундаментпроект», г. Москва, Россия

** ОАО «ВНИПИгаздобыча», г. Саратов, Россия

*** Московский автомобильно-дорожный институт (государственно-технический университет), г.Москва, Россия

 

УДК 69+624.131.6

 

Подтопление осваиваемых территорий – одна из актуальных проблем для северных объектов нефтегазовой добывающей промышленности. Суровые климатические условия многократно усложняют задачи, связанные с разработкой эффективных мероприятий по инженерной защите территорий. Водонасыщение грунтов негативно сказывается на их свойствах, что затрудняет производство строительных работ и эксплуатацию сооружений, выражаясь в конечном итоге в существенном удорожании эксплуатационных расходов. В настоящей работе, основываясь на концепции сохранения водного баланса территории, предложен вариант комплексного решения проблемы подтопления путем создания многоуровневой системы инженерной защиты.  

 

Underflooding of sites of building under development is one of actual problems for northern objects of an oil-and-gas mining industry. Severe climatic conditions repeatedly complicate the tasks, connected to development of effective actions for engineering protection of territories. Water-saturation of grounds has a negative effect on their properties that make difficulties for construction and operation of buildings. Finally it results in essential rise en operating costs. In the present work, being based on the concept of preservation of water balance of territory, it was offered the variant of the complex decision of a problem of flooding by creation of multilevel system of engineering protection.

 

 

Введение.

 

Проблема подтопления хозяйственных территорий известна давно. Тем не менее, ввиду своей сложности, а также в связи с увеличением темпов освоения все новых и новых земель, возрастанием уровня ответственности инженерных сооружений и ухудшением экологической ситуации приобретает на сегодняшний день особую актуальность. Многие аспекты этой проблемы на сегодняшний день достаточно хорошо проработаны и изложены в научных публикациях и нормативной литературе. Однако, многообразие техногенных и природных факторов, оказывающих влияние на водный баланс территории так велико, что в практике не всегда представляется возможным использование рекомендуемых в нормативных документах мероприятий по защите территории от подтопления, что предопределяет индивидуальный подход в каждом конкретном случае. Одна из сложностей – изменчивость природно-климатических условий во времени и пространстве. В данной работе затронута часть проблемы, связанная с региональными особенностями обеспечения защиты хозяйственных объектов от подтопления поверхностными и грунтовыми водами в условиях, когда традиционные способы защиты не позволяют достичь желаемого результата. Речь идет о защите объектов нефтегазовой промышленности, расположенных, в частности, на севере Западно-Сибирской низменности.

 

Краткая характеристика природных условий района.

 

Характерной чертой большинства осваиваемых северных территорий Западно-Сибирской низменности является практически повсеместное распространение многолетнемерзлых пород (ММП), в большинстве случаев выполняющих функцию местного водоупора по отношению к расположенным над ними грунтовым водам. Наличие мерзлой толщи обусловлено отрицательными среднегодовыми значениями температур воздуха, достигающих в высоких широтах –10…-12ºС. Глубина залегания кровли ММП в зависимости от сочетания природно-климатических, геоморфологических, геоботанических и ряда других факторов колеблется от 0,3-3,0 м (на участках распространения ММП сливающегося типа, где глубина залегания кровли ММП равна глубине сезонного оттаивания-промерзания пород) до 5-10 м и более (на участках ММП несливающегося типа, в пределах которых кровля ММП располагается ниже подошвы слоя сезонного оттаивания-промерзания). Верхние 5-10-ти метровые горизонты многолетнемерзлой толщи характеризуются повышенным содержанием льда в породах со значениями льдистости за счет видимых включений льда от 0,2 до 0,5 и выше. Годовое количество осадков в пределах района в разное время изменяется от 250 до 500 мм [1]. Незначительные уклоны естественной поверхности наряду со слабой испаряемостью осадков привели к развитию заболачивания на обширных площадях. Наиболее интенсивно питание поверхностных, а также грунтовых, относящихся к группе надмерзлотных, вод происходит в периоды весеннего снеготаяния и осенних дождей, в отдельные, относительно продолжительные моменты времени (до нескольких недель) – на фоне инверсии среднесуточной температуры воздуха. В группу надмерзлотных вод входят воды слоя сезонного оттаивания и собственно надмерзлотные воды, содержащиеся в талых грунтах несквозных таликов.

 

Нарушение водного баланса территории в процессе обустройства нефтегазовых месторождений Севера.

 

В связи со сложными инженерно-геологическими условиями района (наличие ММП, повышенная льдистость мерзлых пород, пучинистость грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания, заболачивание поверхности и т.д.) в пределах промышленных площадок, кустов добывающих скважин и других хозяйственных объектов, устраиваются общепланировочные насыпи из местных, по возможности непучинистых грунтов. Как правило, в качестве материала для насыпей используются мелкие или пылеватые пески, что обусловлено отсутствием запасов песков крупных фракций в большинстве северных районов. Значение их коэффициента фильтрации, по результатам лабораторных исследований для различных объектов, большей частью составляет 0,3-3 м/сут. Площадь отсыпаемых участков достигает 15-30 га. Высота насыпей колеблется большей частью в интервале 1-3 м.

Таким образом, создание общепланировочных насыпей является искусственной преградой на пути естественного стока поверхностных вод на значительных по площади участках. Помимо этого, на площадках, где, как правило, допускается поднятие кровли ММП в тело насыпи, имеет место нарушение режима движения грунтовых надмерзлотных вод. Происходит подтопление территорий, прилегающих к хозяйственным объектам. Непосредственно на площадках наблюдается интенсивное изменение инженерно-геологических условий и активизация негативных процессов (пучение, термокарст, термоэрозия и др.). Отсутствие водостоков влечет водонасыщение грунтов насыпи и потерю ее устойчивости [2].

Дополнительным источником водонасыщения насыпных грунтов являются талые и дождевые воды, концентрирующиеся на поверхности общепланировочных насыпей, а также поступающие вследствие возникновения аварийных ситуаций и несанкционированных сбросов. За период нахождения грунтов насыпи в талом состоянии, из-за невысоких значений их коэффициента фильтрации, избыточная влага не успевает отфильтровываться из тела насыпи. В таких случаях в процессе сезонного промерзания поверхность насыпи и несущие конструкции инженерных сооружений подвергаются деформациям, связанным с морозным пучением грунтов.

В связи с переувлажнением на отдельных участках насыпи грунтовые воды могут выходить на поверхность. Формирующийся поверхностный сток избытка грунтовых вод способствует эрозионному размыву насыпного слоя. Воздействие динамических нагрузок (работа строительной техники, движение автотранспорта и др.) приводит к потере структурной прочности грунтов насыпи и их разуплотнению. Кроме того, столь существенное отклонение влажности насыпных грунтов от проектных значений, которое наблюдается при их водонасыщении, является причиной изменения теплофизических параметров насыпи, что недопустимо для хозяйственных объектов, расположенных в зоне распространения ММП [3].

В период эксплуатации промышленных территорий, общепланировочные насыпи которых находятся в пределах участков с многолетнемерзлыми породами сливающегося типа, наблюдается неодинаковое по глубине сезонное оттаивание насыпных грунтов, обусловленное неравномерным воздействием солнечных лучей на поверхность насыпи в черте застройки. Под сооружениями и в границах других затененных поверхностей формируются участки локального поднятия кровли ММП, являющиеся еще одним фактором, затрудняющим движение грунтовых вод в насыпи.

Подтопление территорий часто отмечается на участках распространения ММП несливающегося типа с глубиной залегания кровли в пределах 5-15 м при предпостроечном промораживании грунтов, когда происходит нарушение следующего условия сохранения естественного водного баланса территории:

i=t

Σ (Vп*Fп) ≥ Σ (Vз*Fз),

i=1

 

где Vп, Vз – соответственно скорости движения подземных вод в природной обстановке и после застройки территории; Fп, Fз – площади поперечных сечений подземных фильтрующих потоков в природном состоянии и после застройки в связи с уменьшением площадей сечения природных фильтрующих горизонтов.

Очевидно, что защита осваиваемых территорий севера Западной Сибири от подтопления – одна из острых и сложных проблем, от качества решения которой зависит надежность функционирования целого комплекса промышленных и гражданских объектов, входящих в состав месторождений углеводородного сырья, и экологическая обстановка района.

 

Обзор существующих мероприятий по защите объектов месторождений от подтопления.

 

В качестве мероприятий по борьбе с подтоплением территорий промышленных площадок месторождений широко применяется устройство вдоль автомобильных и пешеходных дорог внутриплощадных канав. При этом зачастую пренебрегают  возможностью водонасыщения насыпных грунтов через внешние бермы насыпи с поверхности прилегающих территорий. Укрепление внутриплощадочных канав осуществляется путем укладки в них жестких конструктивных элементов: железобетонных лотков, металлических полутруб диаметра 426 мм и более. Основным недостатком таких решений является то, что системы канав осуществляют частичный сбор поверхностных вод. Значительная же часть влаги, выпадающая на участки, не покрытые твердым дорожным покрытием, путем инфильтрации попадает в грунты насыпи и в русла канав не отводится. Обследование на различных объектах водоотводных канав, выполненных из жестких конструктивных элементов, показало, что уже в первый сезон их эксплуатации происходит интенсивная водная эрозия планировки вдоль бортов лотков или полутруб. В дальнейшем это приводит к тому, что такая система на многих участках вообще не выполняет функции водоотвода поверхностных вод. Размыв грунта насыпи вокруг лотков является причиной их деформации, нарушению заданных уклонов и разгерметизации стыков между отдельными элементами. К следующему серьезному недостатку таких систем следует отнести невозможность их эффективного применения на этапе возведения насыпей и строительства сооружений вследствие частого нарушения целостности канав. Неудобством является также и то, что на участках пересечения канав с дорогами необходимо предусматривать устройство подземных водопропусков. В период весеннего снеготаяния подземные водопропуски еще находятся в замерзшем состоянии, а их внутренняя полость, как правило, заполнена льдом и снегом, оттаивание которых занимает долгое время.

С целью улучшения водоотвода из насыпи используют устройство в насыпных грунтах дренажных каналов из перфорированных труб или системы канав, засыпанных гравием. Их применение целесообразно на этапе эксплуатации объекта, после окончания основных строительных работ. Отрицательным моментом является то обстоятельство, что в насыпных грунтах с низкими значениями коэффициента фильтрации малое количество каналов не осушает насыпь с необходимой скоростью, а увеличение их числа приводит к значительному удорожанию дренажной системы. Кроме того, в течение уже первых нескольких сезонов эффективность системы дренирования снижается за счет кальматации и образования ледяных пробок, которые не успевают оттаивать ы течение короткого летнего сезона.

 

Комплексные проектные решения по защите территорий от подтопления. 

 

В практике института «Фундаментпроект» при проектировании систем инженерной защиты промышленных территорий от подтопления широко используется принцип сохранения природного водного баланса осваиваемого района путем комплексного решения проблемы начиная с самых ранних этапов строительства. С появлением современных строительных материалов эта задача существенно облегчилась.

В соответствии с этим принципом, на стадии создания планировочной насыпи проект инженерной защиты предусматривает проведение мероприятий по улучшению ее свойств для обеспечения возможности осуществления дальнейших строительных работ: интенсивное площадное осушение поверхности и верхнего слоя насыпи толщиной 0,4-1,5 м с одновременным его упрочнением по отношению к механическим нагрузкам. Для этого в теле насыпи в процессе ее отсыпки на глубинах 0,4-1,5 м от планировочной поверхности укладывается дренажный слой. Для создания дренажного слоя применяются материалы типа экструдированных геосеток, дополнительно выполняющих функцию армирующего материала. Несложность их транспортировки и укладки, а также отсутствие помех при проведении строительных работ, предполагающих внедрение в грунты насыпи, предопределило удобство использования.

На этапе эксплуатации объектов (после завершения строительных работ) отвод поверхностных вод организован по схеме, имеющей четыре уровня (рис.1, 2). На первом уровне происходит концентрация поверхностного стока в пределах большей части территории, не имеющей твердого покрытия. При этом часть влаги, просочившаяся в насыпные грунты, отводится за пределы насыпи по дренажному слою. Уклон поверхности насыпи задается таким образом, чтобы сток осуществлялся на проезжую часть внутриплощадочных автодорог – водосбор второго уровня. Для этого отметки поверхности автодорог рекомендуется задавать несколько ниже отметок прилегающей территории, чего раньше в практике обустройства нефтегазовых месторождений севера не осуществлялось. Движение воды в пределах автодорог регулируется созданием уклонов в продольном и поперечном профилях. Разгрузка с поверхности дорог осуществляется в систему внутриплощадных водоотводных канав – третий уровень. С помощью внутриплощадных канав вода отводится за пределы насыпи в русло внешних, расположенных по периметру насыпи, канав, представляющих собой четвертый уровень. Помимо прочего, внешние канавы принимают поверхностные воды, скапливающиеся на прилегающей территории у откосов насыпи. Сброс вод из внешних канав осуществляется в направлении естественных дрен (полосы стока, временные и малые водотоки). Таким образом, сохраняется водный баланс района. Укрепление русел внутриплощадных и внешних водоотводных канав осуществляется с помощью такого материала, как объемные георешетки. Применение этого материала позволяет создавать канавы различного по форме поперечного профиля с переменными его размерами по длине канавы, что очень сложно выполнить при использовании жестких конструктивных элементов. В случае деформирования русла таких канав практически не нарушается их функционирование. Что не маловажно, не происходит эрозионного размыва насыпных грунтов вдоль бортов канав. Использование не жестких материалов для устройства внешних водоотводных канав позволяет минимизировать воздействие на естественные грунты при проведении работ по планировке русла.

В тех случаях, когда существует опасность застаивания поверхностных вод в пределах насыпи, в насыпных грунтах до глубины дренажного слоя устраиваются дренажные воронки, заполняемые крупнообломочным материалом.

Поступление в контуры насыпи надмерзлотных грунтовых вод предотвращается созданием вдоль насыпи, где это необходимо, противофильтрационных ледогрунтовых завес. Ледогрунтовые завесы создаются на пути фильтрации грунтовых вод путем замораживания грунтов с использованием специальных охлаждающих устройств – вертикальных парожидкостных стабилизаторов пластичномерзлых грунтов сезонного и круглогодичного действия, разработанных в институте «Фундаментпроект».

 

 

Выводы.

 

Рассмотренный в данной работе принцип комплексной многоуровневой инженерной защиты застраиваемых и эксплуатируемых территорий Севера в недавнем времени был опробован на строящихся объектах Заполярного, Песцового, Уренгойского месторождений, а также г. Салехарда и предложен для использования на перспективных месторождениях полуострова Ямал.

Опыт первого сезона эксплуатации систем комплексной защиты территорий от подтопления подтвердил ряд достоинств, перечисленных выше, наиболее важными из которых являются:

-                      возможность организации эффективной водоотводной системы и ее функционирования уже на ранних стадиях строительства;

-                      осуществление комплексной защиты насыпного слоя от водонасыщения как с поверхности самой насыпи, так и за счет поверхностных и грунтовых вод с прилегающих территорий в течение всего периода эксплуатации;

-                      сохранение естественного водного баланса района и нормальной экологической обстановки.   

 

 

Список литературы.

[1] Геокриология СССР. Западная Сибирь. Под ред. Ершова Э.Д. Москва, Недра, 1989.

[2] Рязанов А.В. Пример развития деструктивных процессов, связанных с осуществлением строительных работ на участке обустройства Заполярного газонефтеконденсатного месторождения (Западная Сибирь) без разработки необходимых мероприятий по инженерной защите осваиваемой территории. Материалы международной  геокриологической конференции в Пущино, 2003г. Стр.236-237.

[3] Булдович С.Н., Афанасенко В.Е., Гарагуля Л.С., Оспенников Е.Н. Феномен влияния условий обводнения на геокриологические условия промышленных площадок Западной Сибири. Материалы международной конференции «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты». Пущино, 2002, стр.103-104.