книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

Технология возведения теплоизолирующей насыпи весьма проста (рис. 16.20).

Рис. 16.20. Теплоизолирующая подушка под резервуар 1 - резервуар; 2 - подушка; 3 - теплоизолятор; 4 - слой мха или торфа; 5 - вечномерзлый грунт

На площадке строительства устраивают с послойным уп­ лотнением подушку из супесчаного грунта толщиной 0,8 - 0,9 м, поверх которой укладывают теплоизолирующие элементы, из­ готовленные в виде отдельных плит из синтетического материа­ ла.

Размеры теплоизолирующего слоя в плане должны быть приняты большими диметра резервуара с таким расчетом, чтобы теплоизолирующий слой выступал на 5 - 6 м за пределы площа­ ди резервуара. Это необходимо для предохранения мерзлых грунтов в основании от оттаивания под воздействием солнечных лучей.

Растительный спой и слой мха, как в пределах площади по­ душки, так и на прилегающей территории должен быть сохра­ нен. Поверх слоя теплоизоляции укладывают слой грунта тол­ щиной около 2 м и продолжают возводить подушку с послой­ ным ее уплотнением, причем размеры вахней части подушки в плане должны превышать диаметр резервуара лишь на 2-3 м. В результате будет образована как бы двухслойная подушка с ус­ тупом на краях. В пределах верхней части укладывают еще один слой теплоизолирующего материала таким образом, чтобы рас­ стояние между днищем резервуара и верхом этого слоя состав­ ляло не менее 30 см.

После завершения работ по возведению грунтовой тепло­ изолирующей подушки на ее поверхности, как обычно, устраи­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 4 0 2 - объектов в условиях Севера

вают гидроизолирующий слой и приступают к монтажу конст­ рукций резервуара.

Рис. 16.21. Относительная толщина теплоизолирующего слоя. 1 - при температуре продукта 20°С; 2 - при температуре 10°С

По окончании всех работ поверхности откосов покрывают гидроизолирующим слоем и устраивают дренажные системы вокруг готового резервуара. Для предохранения подушки от воздействия солнечных лучей ее поверхность и откосы жела­ тельно покрыть светоотражающим материалом или краской.

Предлагаемая конструкция основания резервуаров не тре­ бует применения дорогостоящих строительных материалов и механизмов. Теплоизоляционные плиты из синтетических мате­ риалов могут быть заранее изготовлены в заводских условиях и без всяких проблем доставлены на строительную площадку. При выборе теплоизолирующего материала необходимо исхо­ дить из того, что плиты должны обладать минимальной сжи­ маемостью и иметь минимально возможную теплопроводность.

Суммарная толщина слоя теплоизолирующего материала определяется на основе соответствующих теплотехнических расчетов, базирующихся на решениях задачи об оттаивании мерзлых грунтов под воздействием теплового потока. Получен­ ное решение позволяет определить глубину зоны оттаивания

для плоского случая распространения теплового потока исходя из условия

( 16.88)

; здесь k f , k u и к.

теплопроводность мерзлого грунта, талого грунта подушки и

t f ~ t g - средняя температура грунта ниже точки замерзания

подземной воды, °С; /г - - толщина слоя теплоизолирующего ма­ териала, м.

Решение этого уравнения позволяет определить необходи­ мую толщину теплоизолирующего слоя для плоского случая распространения теплоты. Для пространственной задачи урав­ нение теплового баланса имеет несколько другой вид:

К 1

(16.89)

С практической точки зрения представляет интерес то об­ стоятельство, что толщина изолирующего слоя в основании ре­ зервуара (рис. 3) прямо пропорциональна его диаметру и в зна­ чительной степени зависит от разности температур хранимого в резервуаре продукта и мерзлого грунта. Толщина теплоизоли­ рующего слоя в значительной степени зависит от начальной температуры мерзлого грунта. Следовательно, предложенная конструкция основания особенно эффективна в северных рай­ онах.

При теплотехнических расчетах мерзлых грунтов темпера­ туру замерзания подземной воды обычно принимают равной 0°С. Однако при использовании теплоизолирующих подушек целесообразнее принять эту температуру равной -1°С, что по­ зволит избежать случайностей и обеспечит некоторый запас в

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 4 0 4 - объектов в условиях Севера

отношении предохранения мерзлых грунтов от оттаивания. Не­ который запас обеспечивает также и наличие самой подушки, поскольку ее теплофизические свойств в расчетах не учитыва­ ются.

Практические случаи применения теплоизолирующх поду­ шек в основаниях резервуаров авторам не известны. В тоже время в технической литературе имеются сообщения об исполь­ зовании теплоизолирующих материалов при строительстве на­ сыпей автомобильных дорог в районах распространения мерз­ лых грунтов.

Основания резервуаров на многолептемерзлых грунтах

При использовании грунтов основания в мерзлом состоянии резервуары следует проектировать на свайных фундаментах с высоко расположенным ростверком или на подсыпках из круп­ нозернистого материала.

Сохранение мерзлого состояния грунтов достигается путем устройства проветриваемого пространства между поверхностью грунта и днищем резервуара с круглогодичной естественной вентиляцией. При устройстве подсыпок их конструкция и раз­ меры должны определяться на основе технологических расчетов с условием сохранения мерзлого грунта основания под подсып­ кой.

При использовании грунтов основания в оттаивающем или оттаявшем состоянии резервуары следует располагать на фун­ даментах, уложенных по подсыпке. Толщину подсыпки с уче­ том дополнительной теплоизоляции принимают по теплотехни­ ческому расчету, чтобы при данной глубине оттаивания дефор­ мации (осадка, крен и т. д.) не превышали предельных значений.

Допускается предварительное искусственное оттаивание мерзлых грунтов основания до строительства резервуара или замена льдонасыщенных мерзлых грунтов талыми.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве осно­ вания резервуара, а также мероприятия, обеспечивающие вы­ полнение этого принципа, выбирают в каждом случае отдельно в соответствии с конкретными условиями площадки и результа­ тами технико-экономических расчетов. В любом случае должны быть предусмотрены, мероприятия по инженерной подготовке территории: сохранение мохорастительного покрова, отвод лив­

невых вод, обеспечение устойчивости откосов подсыпок, уст­ ройство внутриплощадочных дорог и др.

Проблема качества основания резервуаров, сооружаемых на слабых переувлажненных грунтах, имеет большое практическое значение, так как эксплуатационная надежность конструктив­ ных элементов резервуаров зависит как от качества выполнения строительные работ, так и от правильности выбранных проект­ ных решений.

Возведение оснований резервуаров на строительных пло­ щадках, сложенных переувлажненными слабыми грунтами, со­ пряжено со значительными техническими трудностями, к кото­ рым относятся: обилие поверхностных вод, заболоченность тер­ ритории и высокий уровень грунтовых вод; наличие слабых прослоек погребенных органических грунтов (торфов); плохие строительные и физико-механические свойства местных грун­ тов в связи с их переувлажненностью; глубокое сезонное про­ мерзание; плывунные свойства многих разновидностей мине­ ральных грунтов; пучинистость грунтов при промораживании в условиях свободного подтягивания влаги, сопровождающаяся снижением, несущей способности их при сезонном оттаивании; большая деформационная способность грунтов. Достаточно ска­ зать, что модуль деформации слабых грунтов на глубине зало­ жения оснований резервуаров колеблется в пределах 2-10 МПа.

В большинстве случаев районы строительства со сложными грунтовыми условиями бывают отнесены к суровым природноклиматическим условиям. Поэтому в настоящее время нет еди­ ного проектного решения по основаниям стальных вертикаль­ ных резервуаров, которое можно рекомендовать специально для строительства на слабых переувлажненных грунтах. Принятые в практике резервуаростроения типовые проектные решения ос­ нований для сложных грунтовых условий (например, условий нефтяного региона Среднего Приобья) оказались непригодны­ ми.

Опыт эксплуатации резервуаров РВС-5000, РВС-10000 и РВС-20000, построенных на основаниях из минерального грунта с привозной, песчано-травийной смесью, показывает, что осно­ вания, устроенные по традиционным проектам, дают недопус­ тимо большую осадку. В некоторых случаях ежегодная осадка

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -4 0 6 - объектов в условиях Севера

достигает 250-300 мм, что резко снижает эксплуатационную на­ дежность.

ВОПРОСЫ

1.В чем заключаются особенности взаимодействия трубо­ провода с мерзлыми грунтами?

2.Какие факторы определяют взаимодействие трубопрово­ дов с мерзлыми грунтами?

3.Как влияет способ прокладки трубопровода на его взаи­ модействие с мерзлым грунтом?

4.Каковы назначение призм обвалования трубопроводов и факторы, влияющие на их устойчивость?

5.Какие СОУ применяются при устройстве свайных фун­ даментов в условиях мерзлых грунтов?

6.Как производится расчет фундаментов на компрессор­ ных и насосных станциях в условиях слабых грунтов?

7.Какими особенностями отличается строительство резер­ вуаров в условиях мерзлых грунтов.

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

НЕФТЕГАЗОВЫ Х ОБЪЕКТОВ В

УСЛОВИЯХ М ЕРЗЛЫ Х ГРУНТОВ

Промышленное освоение северных регионов началось в на­ чале 60-х г XX в в чрезвычайно сложных природноклиматических и инженерно-геологических условиях: холодная длинная зима, короткое холодное лето, повсеместная обводнен­ ность территорий. Так, болота занимают от 40 до 70 % террито­ рий Западной Сибири. Северная часть региона находится в зоне многолетнемерзлых грунтов. Это обусловило образование очень тонкого и ранимого почвенного слоя (от нескольких сантимет­ ров до нескольких миллиметров), который при любой человече­ ской деятельности необходима нарушается.

Строительство любых, в том числе и нефтегазовых, объек­ тов связано с выполнением подготовительных работ, включаю­ щих: расчистку; удаление пней, валунов; планировку; подсыпку; сооружение временных дорог; подготовку площадок под здания и сооружения, автомобильные дороги, трубопроводы, инженер­ ные сети.

Воздействие на окружающую среду начинается с наруше­ ния почвенного покрова уже при проведении планировочных и строительных работ. В связи с заболоченностью территорий почти все промышленные объекты строятся на искусственных основаниях (насыпных грунтах), при этом карьеры сопровож­ дают всякое строительство на севере, где повсеместно ведется подготовка оснований с толщиной слоя от 2 до 6 м. Площади карьеров составляют 20 - 500 га, а глубина от 3 до 30 м.

Карьерный грунт, отсыпанный под инженерные сооруже­ ния (здания, дороги др.) на естественный, изменяет гидрологи­ ческие, геохимические и геоморфологические условия, затруд­ няя поверхностный сток. Это приводит к заболачиванию и под­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 4 0 8 - объектов в условиях Севера

топлению ландшафта и к его деградации. Отсыпки приводят к смене кислой реакции среды в болотах и тундрах на нейтраль­ ную и обуславливает деградацию местных растений и смену их на пришлые.

Огромную опасность для окружающей среды несут трубо­ проводы и дороги. Их строительство сопровождается вырубкой леса, выемкой и засыпкой грунта. Ширина коридора для маги­ стральных трубопроводов составляет около 100 м. Подсчитано, что на каждые 100 км трассы трубопроводов нарушается в сред­ нем 500 га земли, а при прокладке дорог - не менее 250 га. Са­ мовосстановление растительности происходит крайне медленно, причем, чем севернее - тем медленнее.

Отвод земель под объекты производится в соответствии со СНиП в постоянное под стационарные объекты, и во временное пользование - на период строительства.

Так, для магистральных подземных трубопроводов в посто­ янное пользование - для размещения запорной арматуры • отво­ дят участки размером не более 10 х 10 м каждый, а для времен­ ного пользования и на период строительства, не более трех лет отводят участки, согласно табл. 17.1.

При прокладке двух и более параллельных ниток к полосе отвода прибавляют расстояние между осями 1файних соседних трубопроводов (табл.17.2).

Влияние строительства объектов на окружающую среду проявляется в виде:

отчуждения лесных и др. земель для строительства объек­

тов;

расчленения лесных массивов трассами коммуникаций; нарушения поверхностного стока (затопление и подтопле­

ние территорий); загрязнения почв и поверхностных вод нефтепродуктами,

минеральными водами, шламом, буровыми растворами, химреа­ гентами, факельными выбросами;

механического разрушения почв и грунтов; захламления древесными остатками; увеличения источников огня;

механического повреждения деревьев и растительного по­ крова;

браконьерской добычи промйсловых зверей и дичи, кедро­ вых шишек и др.

Для уменьшения нарушений применяются природосбере­ гающие технологические решения:

используются транспорт и строительные машины с малым давлением на грунт (от 0,06 до 1 МПа), а для летних перевозок не более 0,02 МПа;

опережающее строительство подъездных и технологиче­ ских дорог - грунтовых, снего-ледовых (зимников), способных пропустить гусеничную и колесную технику;

применение для строительства грунтовых дорог методом отсыпки "от себя", максимальное использование местных

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 4 1 0 - объектов в условиях Севера

строительных материалов, армирование полотна дорог неткаными материалами типа "Дорнит” и др., с послойной проминкой и уплотнением полотна специальной дорожно-строительной техникой;

применение новых дорожно-строительных технологий для слабых грунтов с пропиткой структурообразующими нефтехи­ мическими и полимерными составами;

недопущение срезок грунта, а применение подсыпок; обязательное устройство водопропусков в понижениях

рельефа; размещение поселков и строительных баз в районах ММГ

должно проводиться только на отсыпанных площадках с посто­ янными подъездами;

конструкции мобильных жилых и технологических ком­ плексов должны предусматривать комплектно-блочные канали­ зационные системы, агрегаты утилизации твердых отходов, сис­ темы оборотного водоснабжения, экологически чистые источ­ ники энергии;

места стоянки и ремонта техники, склады ГСМ, мойки и другие подобные объекты необходимо обваловывать для ис­ ключения утечки на рельеф и в водоемы случайных стоков, про­ литых ГСМ, химреагентов.

Эффективной мерой снижения уровня техногенных воз­ действий являются сезонно-временные ограничения на произ­ водство работ, например, как принято на Ямале.

Крайний Север отличается от других территорий высокой ранимостью из-за наличия вечной мерзлоты, которая, как отме­ чалось ранее, обусловила образование очень тонкого (несколько миллиметров) слоя почвенного покрова и скудную раститель­ ность тундры.

Сезонные промерзания и протаивания почвогрунтов со­ ставляют от 0,2 до 2 метров. Количество льда и воды определя­ ется состоянием грунта. Наиболее льдистым является торф, ме­ нее всего льда в песках и скальных грунтах.

Антропогенные воздействия на почвенный покров связаны как с увеличением нагрузки от традиционных форм ведения хо­ зяйственной деятельности (оленеводство, рыболовство, охота) из-за отвода занимаемых ранее сельскохозяйственных земель под промышленные объекты, так и с интенсификацией про­