Влияние высоты планировочной насыпи на динамику геокриологической обстановки на примере участка обустройства Заполярного ГНКМ (Западная Сибирь).
А.В. Рязанов
(ФГУП ГПИИ «Фундаментпроект», г.Москва, 125993, Россия.)
Аннотация: освоение месторождений нефти и газа на севере Западной Сибири во многих случаях сопровождается созданием на застраиваемых территориях планировочных насыпей. Это приводит к существенному изменению геокриологических условий в пределах участков строительства. Для обеспечения принятия оптимальных проектных решений, поддержания эксплуатационной надежности инженерных сооружений и сохранности окружающей среды необходимо осуществлять точную прогнозную оценку таких изменений.
В ходе исследования влияния планировочных насыпей на изменчивость геокриологических условий в условиях Заполярного ГНКМ был установлен нелинейный характер зависимости интенсивности охлаждения грунтовой толщи от толщины насыпного слоя. На основе расчетов установлено, что существует некоторый интервал высот насыпи, при котором понижение температур грунтов происходит наиболее интенсивно.
Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, насыпь, температура грунтов, геокриологический прогноз, охлаждение.
Abstract:
Keywords:
Заполярное газонефтеконденсатное месторождение (ГНКМ) находится на севере Западной Сибири за Полярным Кругом в пределах Пур-Тазовского междуречья. Суровый резкоконтинентальный климат района со среднегодовыми температурами воздуха порядка минус 8,5ºС обусловил существование здесь многолетнемерзлой толщи (ММТ) мощностью от 200 до 450 м. Исследуемый участок, площадка промбазы Заполярного ГНКМ размерами 1 км на 2,5 км, находится в пределах IV казанцевской прибрежно-морской равнины, сложенной верхнеплейстоценовыми морскими, прибрежно-морскими отложениями, представленными большей частью суглинками с прослоями глин, супесей и песков различной крупности. Территория промбазы характеризуется равным распространением многолетнемерзлых пород (ММП) как сливающегося типа, так и несливающегося с глубиной залегания кровли большей частью в интервале 4,5-8,0 м. В верхней части ММТ выделяются горизонты пород с льдистостью за счет видимых включений шлиров льда от 0,2 до 0,6 д.ед. и более. Среднегодовые температуры пород изменяются от –0,1 до –1,7ºС и на большей части территории составляют –0,8ºС. Глубина сезонного промерзания (оттаивания) пород изменяется от 0,5 м в пределах торфяников до 1,5-2,0 м – в породах минерального состава.
В ходе строительных работ в пределах всей территории промбазы была создана площадная насыпь из мелкого песка с влажностью 10% высотой от 0,9 до 3,5 м. В соответствии с проектом все инженерные сооружения возводятся по I принципу – с сохранением многолетнемерзлых пород в основании.
Сложные, неустойчивые инженерно-геокриологические условия и интенсивное преобразование природного ландшафта площадки позволяют предполагать здесь существенное изменение мерзлотной обстановки в период эксплуатации месторождения. С целью обеспечения контроля над геокриологической ситуацией институтом «Фундаментпроект» был разработан проект инженерно-геокриологического мониторинга и осуществлены первые наблюдения, охватывающие период строительства и начало эксплуатации инженерных объектов с 1997 по 1999 гг. В ходе мониторинга проводились периодические инструментальные наблюдения за деформациями сооружений и поверхности насыпи, а также измерения температур грунтов в основании сооружений. Инструментальные наблюдения велись по программе нивелирования II класса. Температурные наблюдения выполнялись с шагом по глубине, равным 1 м, с точностью до 0,1ºС, в специально оборудованных скважинах глубиной 10 м. Наблюдения производились с периодичностью раз в квартал.
Данные инженерно-геокриологического мониторинга показывают, что изменение геокриологической ситуации происходит уже в первые годы строительства и протекает разнонаправлено. Выделяются участки, характеризующиеся как понижением температур грунтов, так и участки их повышения. В пределах некоторых участков распространения многолетнемерзлых пород (ММП) несливающегося типа отмечается постепенное промерзание талого слоя. Так на одном из объектов толщина талого слоя за два года уменьшилась с 3 м до 1 м. Инструментальные наблюдения за деформациями поверхности насыпи говорят о том, что в площадном отношении преобладают деформации осадки. Ее суммарные величины изменялись в пределах первых 100 мм, в отдельных случаях достигая 300-400 мм. Величины деформаций за счет пучения изменялись в пределах 50 мм.
Для оценки возможных изменений геокриологических условий в период строительства и эксплуатации инженерных сооружений был составлен геокриологический прогноз сроком на 25 лет (период эксплуатации сооружений). На его основе исследовалось влияние фактора производства площадной планировки на динамику геокриологических условий площадки. Прогноз осуществлялся путем математического моделирования теплового взаимодействия внешних факторов с породами. Моделирование происходило с помощью компьютерной программы STATEM, разработанной в институте “Фундаментпроект”. В качестве математического аппарата для расчета динамики температурных полей в программе использован разностный метод решения многофронтовых задач типа Стефана по неявной разностной схеме со сглаживанием коэффициентов.
В связи с тем, что расчетная область имеет значительные в плане размеры, задача решалась в одномерной постановке. На верхней границе расчетной области задавались граничные условия третьего рода, на нижней – граничные условия второго рода (на глубине 150 м задавался теплопоток, равный 0). Максимальная за зимний период мощность снежного покрова с учетом данных наблюдений принималась равной 0,3 м.
По результатам инженерно-геокриологического прогноза можно сделать вывод, что для исследуемой площадки создание насыпи из мелкого песка с влажностью 10% приводит к понижению температур грунтов. Период относительной стабилизации среднегодовых температур грунтов соответствует первым 15 годам. В зависимости от высоты насыпи, охлаждение подстилающих грунтов происходит с различной интенсивностью. Причем с увеличением толщины насыпного слоя интенсивность охлаждения грунтов изменяется сложным, не линейным, образом (рис.1). Как видно на рисунке, с увеличением высоты насыпи до 2,0 м ее охлаждающее влияние усиливается. Понижение среднегодовой температуры грунтов относительно естественного значения за 25-летний период существования насыпи составит 0,1-1,4ºС. В интервале высот от 2,0 до 3,0 м происходит уменьшение охлаждающего эффекта. Величина понижения среднегодовых температур грунтов за тот же срок уменьшается от 1,4ºС - при высоте насыпи 2,0 м, до 0,6ºС – при высоте 3,0 м. В тех случаях, когда высота насыпи превышает 3,0 м интенсивность охлаждения грунтов в основании не зависит от толщины насыпного слоя. Таким образом, обнаруживается существование некоторого “критического” интервала высот, соответствующего в условиях Заполярного ГНКМ 1,5-2,2 м, при котором понижение среднегодовых температур грунтов основания максимально и достигает по окончании 25-летнего периода величин порядка 1,2-1,4ºС. Создание в пределах исследуемой территории насыпи высотой 3,0 м и более приводит к сглаживанию неоднородности геотемпературного поля, наблюдавшейся в естественных условиях. При высоте насыпи более 1,5 м толщина слоя сезоннооттаивающего грунта естественного сложения в основании насыпи не будет превышать толщины сезоннооттаивающего грунтового слоя в естественных условиях. Причем, если высота насыпи будет составлять более 2,5 м, сезонное оттаивание не будет распространяться ниже подошвы насыпи.
Заключение
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что создаваемая насыпь действительно является серьезным фактором, приводящим к значительным изменениям температур грунтов. Правильный выбор высоты планировочной насыпи позволяет формировать оптимальные условия эксплуатации инженерных сооружений, заключающиеся в обеспечении более высокой несущей способности свайных фундаментов и устойчивости насыпи к развитию сезонных деформаций.
Рис.1. Кривая изменения среднегодовой температуры грунтов в основании насыпи из мелкого песка с влажностью 10% и глубины сезонного оттаивания-промерзания в зависимости от высоты насыпи по состоянию на 25-й год ее существования.