CC BY
19УДК 624.154.1
ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ОПОР
ТРУБОПРОВОДА НАДЗЕМНОЙ ПРОКЛАДКИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ «ЗАПОЛЯРЬЕ — ИПС «ПУРПЕ»
PREDICTION OF THE GROUNDS TEMPERATURE BEHAVIOR OF THE
SURFACE LAYING PIPELINE SUPPORT FOUNDATIONS FOR ENSURING THE TROUBLE-FREE OPERATION OF THE PIPELINE SYSTEM «ZAPOLYARIE — NPS PURPE»
В. В. Паи. юн, Ю. В. Богатсмкок, M. Ю. Зотов, А. П. Пете, иш
V. V. Pavlov. Y и. V. Bogatenkov. M. Yu. Zolov. A. N. Pclclin
ОАО «Гипротрубопровод», ООО «Научно-исследочательскии институт транспорта нефти и нефтепр<х)уктст», Москва; ОАО «Сибнефтенровод», <>. Тюмень
Ключесые слша: прогтчши теп, ютехпическии расчет, терлюспиюншкипор. лишголепии^нергши грунт Key words: predictable heal engineering calculation, heat stabilizer, permafrost ground
Строительство и эксплуатация объектов трубопроводного транспорта на территориях распространения многолстнсмсрзлы.х грунтов приводит к значительным изменениям геокриологических условий. Развитие негативных геокриологических процессов, влияющих на несущую способность и устойчивость фундаментов, возникает даже при незначительных изменениях теплового баланса в геотехнической системе «атмосфера — сооружение — многолстнсмерзлый грунт».
При проектировании и строительстве в районах распространения многолетне-мерзлых грунтов в соответствии с действующими нормативными документами 111 необходимо предусматривать комплекс мер. направленных на обеспечение надежной и долговечной эксплуатации возводимых сооружений, а также разрабатывать мероприятия по минимизации негативного техногенного воздействия на окружающую среду.
При строительстве объектов трубопроводного транспорта на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов для оценки прогноза динамики температурного режима грунтов оснований на период строительства и эксплуатации сооружения нормативными документами |1. 2| регламентируется проведение теплотехнических расчетов.
Моделирование искусственного замораживания грунтов. Выбор технических решений (мероприятий) по сохранению мерзлого состояния грунтов и обеспечения их расчетного температурного режима производится расчетным путем с учетом технико-экономической целесообразности. Все расчеты теплового взаимодействия произведены на весь прогнозируемый срок трубопроводной системы.
Тепловое взаимодействие сооружений с многолстнемерзлыми породами происходит главным образом за счет кондуктивного механизма переноса тепла (теплопроводности). Фильтрация может играть заметную роль для отдельных гидротехнических сооружений (например, дамб и плотин с мерзлым ядром) и в некоторых других специальных случаях. При необходимости учета теплового влияния переноса влаги в инженерных расчетах обычно вводят соответствующие поправки в решение кондуктивной задачи (например, фильтрационную поправку к коэффициенту теплопроводности). Все методы расчета, нормированные в СНиП. учитывают только кондуктивный механизм переноса тепла.
Кондуктивный перенос тепла описывается эмпирическим законом Фурье |3|. который устанавливает пропорциональную зависимость между плотностью теплового потока q и градиентом температуры Т:
q = -A.gr айТ. (1)
Коэффициент пропорциональности Я называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то. что тепловой поток направлен навстречу градиенту температу ры.
Из закона Фурье и закона сохранения энергии получается основное уравнение, описывающее процесс теплопроводности:
= divQ.gr айТ), (2)
где С— объемная теплоемкость. /— время. В случае однородной среды коэффициент теплопроводности как константа выносится из-под знака дивергенции, и после деления на ('уравнение теплопроводности упрощается:
дт /д2т . э2г , д2г\
— = аАТ = а—; + —т + (3)
д1 \дх1 ду2 <5г2/ 4 '
где а /Л' — коэффициент температуропроводности, который характеризует тепловую инерционность среды и темп протекания процессов переноса тепла. Д — общепринятое обозначение оператора Лапласа.
Для обеспечения единственности решения уравнения (2) или (3) необходимо задать начальные и граничные условия. Начальные условия задают температурное поле в некоторый момент / 0. который принимается за начальный:
nx,y,z,t)\t 0=0 = f(x,y,z), (4)
где / — заранее известная функция, обычно определяемая по данным изысканий.
Граничные условия описывают теплообмен рассматриваемой системы с внешней средой. В зависимости от температурного режима на границе различают три рода граничных условий. Граничное условие i рода задаст температуру на границе расчетной области как известную функцию времени и пространственных координат точек границы:
T(x,y,7.lt)\r = f{M,t)l (5)
где М( х.у. z ) обозначает произвольную точку границы Г. Условие 1 рода описывает идеальный тепловой контакт грунта с внешней средой, когда сопротивлением теплообмену можно пренебречь.
Условием II рода задастся значение не самой температуры, а се производной:
r=qW,t). (б)
Здесь символом д/сп обозначена производная по нормали, а физический смысл данного условия раскрывается законом Фурье (I): задастся плотность теплового потока через границу
Условие II рода можно применять там. где этот тепловой поток не зависит от температуры окружающего грунта и может быть измерен или вычислен. Гораздо чаще применяется условие II рода с нулевым тепловым потоком: его задают на границах, являющихся плоскостями симметрии или достаточно удаленных от тепловыделяющих сооружений. Как правило, такие условия ставятся на нижней и боковых границах расчетной области. На нижней границе может быть задан тепловой поток за счет геотермического градиента.
Граничное условие III рода является более общим и содержит как саму температур). так и се производную:
= aW.i)\TQc,y,z,t)\r-f(M,tj\, (7)
где а(М, I) — коэффициент теплообмена: /(М, I) — температура внешней срсды вдоль границы, рассматриваемые как известные фу нкции координат и времени.
Соотношение (7) следует из закона Фурье (левая часть есть плотность теплового потока) и эмпирического закона Ньютона, который устанавливает пропорциональность между разностью температур по обе стороны границы и плотностью теплового потока через нес. Коэффициент пропорциональности <х называется коэффициентом теплообмена. Таким образом, граничное условие III рода содержит не одну, а две величины, которые задаются как известные функции времени и координат границы.
Условие III рода ставится для большинства зданий и сооружений, а также на дневной поверхности вне зданий. Оно соответствует наиболее распространенной ситуации, когда между внутренностью сооружения (или наружным воздухом), где температура известна, и грунтом есть преграда (теплоизоляция, снег и т. п.). оказывающая сопротивление теплообмену — термическое сопротивление. Если имеется несколько слоев, препятствующих теплопередаче, то их термические сопротивления складываются. Термическое сопротивление каждого слоя вычисляется как частное от деления его толщины на коэффициент теплопроводности. Дтя снега этот коэффициент вычисляется по известной высоте и плотности снежного покрова. Величина, обратная термическому сопротивлению, сеть коэффициент теплообмена <х. который и входит в выражение (7).
При фазовых превращениях «лсд — вода» теплопроводность и теплоемкость грунта изменяется, поэтому уравнение теплопроводности записывается отдельно для талой и мерзлой зоны, то есть получается система двух уравнений с двумя неизвестными температу рами: '/'/ ( х, у, г, г у в талой зоне и Т2 ( х, у, г, I) — в мерзлой. Положение границы раздела фаз также является неизвестной фу нкцией времени, которая определяется из так называемого условия Стефана, представляющего собой закон сохранения энергии при выделении скрытой теплоты фазового перехода:
М 2 дх \х /, 1 дх ^
где О/ — скрытая теплота фазового перехода на единицу объема гр\нта: Л — текущая координата фазовой границы, рассматриваемая как неизвестная функция времени: индексы 1 и 2 относятся к талой и мерзлой зоне, соответственно. Задача о фазовых переходах в указанной постановке получила название задачи Стефана.
Несмотря на достаточно обширный набор точных и приближенных аналитических методов, многие задачи инженерной геокриологии не удастся решить этими методами. Такие задачи решаются численно. Основным методом численного решения является метод конечных разностей.
Уравнение теплопроводности с граничными условиями решается для трехмерной области, которая анализируется при проектировании объекта. Данная область, как правило, включает в себя гсолого-литологичсскис слои грунта, проектируемые основания и фундаменты, устройства для охлаждения грунта и другие элементы.
За верхнюю границу области моделирования, как правило, принимают поверхность земли, а нижнюю границу располагают на достаточно большой глубине, чтобы минимизировать ее влияние на тепловые процессы в интересующей проектировщика области.
На верхней границе области моделирования задаются условия теплообмена с окружающей средой, которые определяются темперэтурой воздуха и коэффициентом теплообмена. Учет влияния снегового покров;) на теплообмен поверхности грунта осуществляется путем задания изменения во времени толщины снежного покрова и его теплопроводности.
На нижней границе области моделирования задастся температура грунта согласно термометрическим данным. На боковой поверхности области моделирования, как правило, задастся нулевой тепловой поток. При этом боковые границы области моделирования должны быть расположены достаточно далеко от интересующего проектировщика участка, чтобы они не оказывали влияние на расчет тепловых процессов.
Следует отмстить, что область моделирования состоит из неоднородных слоев грунта с различными тсплофизичсскими свойствами — теплоемкостью, теплопроводностью. плотностью и влагосодсржанисм. В связи с этим для компьютерного моделирования искусственного замораживания грунтов необходимо построение модели, в которой учтено реальное распределение слоев грунта с различными тсплофизичсскими свойствами. Такое распределение слоев грунта строится на основании данных, полу ченных в результате инженерно-геологических изысканий.
Следует отмстить, что большая ответственность лежит на организациях, выполняющих инжснсрно-гсологичсскис изыскания по трассе строительства, так как на основании их данных выполняются прогнозные теплотехнические расчеты и весь проект в целом. Геодезическая съемка местности, определение физико-механических и деформационных свойств многолетнемерзлых грунтов в мерзлом и талом состоянии, замеры температур грунтов, гидрогеологические изыскания играют ключевую роль в назначении тех или иных технических решений. Именно от качества выполненных инженерных изысканий во многом зависит качество всех остальных видов работ: от проектирования до строительства.
Поскольку для решения уравнения теплопроводности необходимо использовать численные методы, область моделирования дискрстизирустся расчетной ест-
кой во времени и пространстве, то сеть покрывается прямоугольной сеткой, в узлах которой задаются тсплофизическис характеристики, и определяются искомые температуры.
В результате численного решения уравнения теплопроводности получается распределение темперап р в моделируемой области для различных моментов времени (рис.1). Полученное тепловое поле используется для анализа тепловых режимов грунтов и изменения их механических свойств. На основании анализа принимается решение по обеспечению несу шей способности грунтов.
1.600 > 2.«0> 3.000 > 1400 ' 1.200 >
4.воо>
5.+00 >
«.<00 ».ООО.'
10.000'
ЦЦИНИШИШП II11111111111III 11111|111||||1Н11«|
10.000
Рис. 1. Раулыпаты прогночного теплотехнического расчет/ температурного режима грунтов оснований свайных фундаментов опор трубопровода:
а) конец активного першх)а 1-го годаработы термостабхсшчаторон: б) конец пассивном периода 1-го года работы термостаб/сипаторос: в) конец активного периода ¡-го года работы термостабшипаторов;. •) конец пассивно.'о периода I-. •о года работы терчостапилтаторов; д) конец активного перигх)а 1-го года раооты термостабшшьгторов; е) конец пассивного периода ¡-.'о года работы термостаг'псиааторов
Технические решения по температурной стабилизации грунтов основании свайных фундаментов опор трубопроводов. Изучение особенностей взаимодействия свайного фундамента опор трубопровода с многолетнемерзлым грунтом позволило разработать надежную систему активной термостабилизации грунтов оснований свайных фундаментовопор для надземной прокладки линейной части магистрального трубопровода «Заполярье - НПС «Пурпс» (рис. 2. 3).
Рис. 2. Термостабшшчация грунтов основании опор магистрального нефтепровода (на примере бурошбивпои сваи)
Сваи малтгмноП опоры нефтепровода
Бетон В15
Многолгтнгмерыый грунт (I < 0° С)
Сухи цгменгно-песчаная смесь
""Г:
Ссзонно-дейстауютгг_
о\лаждаюшес устройстю (СОУ
Уплотнителышй -"уия СОУ
Теплоиюлнруюшм ■стажа СОУ
Ссюнно-огташаюшиП слой
Положение кроалн
7
шюголетиемерэлого грунта ПпиаСОУ
Нс1ДМ1*р1аюшая жидкость
Принудительное охлаждение или замораживание гр\ нтов было предусмотрено в следующих случаях |4|:
• для обеспечения в установленные проектом сроки требуемого температурного режима грунтов оснований, при котором фундаменты сооружений воспринимают полные проектные нагрузки (температура грунта по боковой поверхности и под торцом свай находится в диапазоне от -0.5 до -1 "С):
• для перевода суглинистых гр\нтов. находящихся в пластично-мерзлом состоянии. в твсрдо.мсрзлос состояние (достижение температуры грунта -1 "С и ниже):
• для замораживания талых суглинистых грунтов, являющихся основанием зданий и сооружений, с показателем текучести более 0.6:
• для минимизации воздействия тепловых источников на расчетный температурный режим грунтов (например, для случая прохождения горячего подземного нефтепровода или размещения подземной горячей емкости вблизи свай, запроектированных по первом\ принципу).
Во всех случаях применение тсрмостабилизаторов эффективно только при достаточном расчетном обосновании с учетом местных климатических параметров, при которых время выхода на расчетный температурный режим составляет менее одного холодного сезона.
Рис. S. Применение термостаГш-ипированных свайных опор по трассе магистра итого нефтепровода «Заполярье - III 1С «llypne»
Таким образом, выполнение прогнозных теплотехнических расчетов взаимодействия свайного фундамента опор трубопровода с многолстнсмсрзлым грунтом является важной частью процесса проектирования, позволяющей принимать обоснованные технические решения, направленные на повышение надежности и долговечности эксплуатируемого объекта.
Комплексный подход к выбору оптимальных проектных решений, частью которого является моделирование теплового взаимодействия в системе сооружение — грунты основания, позволяет оптимизировать затраты без снижения требований к надежности систем.
Применение при моделировании специализированных компьютерных программ (например, таких как TcrmoSlab 67-87. WARM (ТЕПЛО). FROST 3D) позволяет автоматизировать процессы вычислений и сократить сроки разработки и принятия проектных решений.
Список. литературы
1. СП 25.13330.2012«Основания и фундаменты на вечиомериых грушах».
2. Cl I 11-105-97 «Инженерно-геолотические изыскания для сфошельства».
3. Голубин С. И. Научно-мето.чические основы нропкпа вшимодейсгвия подъемных тчонроводов с часовенными мнотлешемериыми грушами полуострова Ямала: Автореф. дис. ... кандидата ivxno-го-минсралогичсских наук. M.: (XX) «1 ¡пиром HI 1ИИ1 'A3». 2011. С. 24.
4. Лисин К). Н. Сощонко А. К. Павлов H. Н.. Кортин Л. Н.. Суриков Н. И. Технические решения по температурной оаоилишнии мпоголешемертлых трутов основании объемов трубопроводной сиае-мы «Заполярье 111 1С «llvp-lle» Промышленное и тражтаиское строительство. 2014. №1. С. 65-68.
Сведения об авторах
Ilaatoe Нячесшв Владимирович, .-лонный инженер. ОАО «Институт по проектированию ма.~н-стральних трубопроводов» (ОАО «l'unpompyôonpoerx)»). Москва e-mail: gtp'ägtp.transnefi.ru
Погашенное Юрии Настъевич. к. т. и., генеральный 'Уиректор, ОАО «Сиоиефтепромх)», Тюмень, mat. 8(3452)322710, e-mail: 13ogatenkovY\ ''аimn.transnefi.ru
Зотов MtLxatL t Юрьевич, начальник отг)ела расчетного обоснования, ОАО «Институт по проектированию лы.'нстралы1ых труг'юпровогЬв» (ОАО « Гипротрубопровод »), .'. Москва, тел. 8(495)9508751, e-mail: /otovMYУgtp.transnaft.ru
Петелин Александр Николаевич, ведущий инженер от/)ела механо-текна'ю.'нческо.-о ofxjpyórx/a-ния объектов трубопроводном транспорта, (XX) «Научно-исследовательский институт транспорта нефти и на]>тепрО()укточ» ((XX) «ПИИ ТИП»), Москва, mai. 8(495) 9508295, e-mail: Peteli-riiX'â/iiimn. transneft.ru
Pavlov V. V.. chief engineer of the OISC «Institute for designing of trunk pipelines. ( hprotrtt hoprovoJ ». Moscow, e-mail:gtp'agtp.transneft.ru
liogalenkov Ytt. V.. Candidate of Technical Sciences, Director General of OJSC «Sihnefteprovod», Tyumen, phone: (3452)322710, e-mail: BogatenkovYV'ù tmn.lransneji.ru
