«РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ИСЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАПОЛЯРЬЯ ...»

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. П. А. СТОЛЫПИНА»

(ФГБОУ ВПО «ОмГАУ им. П. А. Столыпина»)

На правах рукописи

Калинченко Иван Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ИСЛЕДОВАНИЯ ПО

ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАПОЛЯРЬЯ

25.00.32 – «Геодезия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Уваров Анатолий Иванович Омск –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДИКИ

ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

ОБЪЕКТОВ ЗАПОЛЯРНОГО НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ

1.1 Современное состояние вопроса обеспечения надежности зданий и сооружений, расположенных в районах распространения многолетнемерзлых грунтов

1.2 Характеристика объектов месторождения, подлежащих геодезическому мониторингу вертикальных деформаций

1.2.1 Общие сведения об объектах месторождения

1.2.2 Геокриологические характеристики территории размещения месторождения и связанные с ними инженерно–технические решения

1.3 Оборудование стационарной сети геодезического мониторинга вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения ...... 1.4 Виды работ при геодезическом мониторинге вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения

2 ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО

МОНИТОРИНГА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАПОЛЯРНОГО

НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

2.1 Исследование влияния гидрометеорологических факторов на величины вертикальных деформаций зданий и сооружений

2.2 Погрешности, определяющие точность нивелирования II класса коротким лучом цифровым нивелиром Trimble DiNi 12

2.2.1 Общие данные о погрешностях нивелирования цифровыми нивелирами.... 2.2.2 Оценка точности результатов нивелирования

2.2.3 Исследование влияния природно-климатических факторов на точность измерений цифровым нивелиром Trimble DiNi 12

2.3. Исследование методики расчета точности измерений вертикальных деформаций зданий и сооружений Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения

2.3.1 Анализ существующих методов расчета точности измерений вертикальных деформаций фундаментов и оснований зданий и сооружений

2.3.2 Оптимизация методики расчета допусков измерений вертикальных деформаций оснований и фундаментов с учетом точности процессов их протекания и предельных характеристик качества строительства

2.4 Исследование устойчивости глубинных реперов

2.4.1 Исследование причин неустойчивости реперов

2.4.2 Исследование способов анализа устойчивости реперов

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЗАПОЛЯРНОГО НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ........ 3.1 Разработка технологических решений по закреплению исходных высот с помощью специально подготовленных законсервированных разведочных скважин

3.2 Обоснование периодичности и сроков определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геодезическом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ

ВЕЛИЧИНЫ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОТ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.................. ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) ГРАФИЧЕСКОЕ ОТОБРАЖЕНИЕ

ЗАВИСИМОСТИ ГЛУБИНЫ ВОДОНАСЫЩЕННОГО

ГРУНТА И СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТОВ ОТ

МОЩНОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное) ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ТОЧНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ НИВЕЛИРОВАНИЯ

II КЛАССА ДЕФОРМАЦИОННЫХ МАРОК ЦИФРОВЫМ

НИВЕЛИРОМ TRIMBLE DINI 12

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫБОРКИ ДАННЫХ НА

НОРМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, С ПРИМЕНЕНИЕМ

КРИТЕРИЯ КОЛМАГОРОВА

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (обязательное) РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ДАННЫХ

ДЛЯ ПРОВЕРКИ ГИПОТЕЗЫ О НОРМАЛЬНОМ

РАСПРЕДЕЛЕНИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж (обязательное) ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

ПРИРОДНОКЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ ЦИФРОВЫМ

НИВЕЛИРОМ TRIMBLE DINI 12

ПРИЛОЖЕНИЕ И (обязательное) ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛЫ

ВЕТРА НА ТОЧНОСТЬ НИВЕЛИРОВАНИЯ НА

СТАНЦИИ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ ЦИФРОВЫМ

НИВЕЛИРОМ TRIMBLE DINI 12

ПРИЛОЖЕНИЕ К (обязательное) ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА

ТОЧНОСТЬ НИВЕЛИРОВАНИЯ НА СТАНЦИИ ПРИ

ИЗМЕРЕНИЯХ ЦИФРОВЫМ НИВЕЛИРОМ

TRIMBLE DINI 12

ПРИЛОЖЕНИЕ Л (обязательное) УРАВНЕНИЯ РЕГРЕССИИ,

СВЯЗЫВАЮЩИЕ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ И

ТЕМПЕРАТУРУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ М (обязательное) РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ

УСТОЙЧИВОГО РЕПЕРА НИВЕЛИРНОЙ СЕТИ

СПОСОБОМ А. КОСТЕХЕЛЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Н (обязательное) РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ

УСТОЙЧИВОГО РЕПЕРА НИВЕЛИРНОЙ СЕТИ

СПОСОБОМ Г. К. БОТЯНА

ПРИЛОЖЕНИЕ П (обязательное) РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ

УСТОЙЧИВОГО РЕПЕРА НИВЕЛИРНОЙ СЕТИ

СПОСОБОМ И. В. РУНОВА

ПРИЛОЖЕНИЕ Р (обязательное) РАСЧЕТ ПОПРАВОК В ОТМЕТКИ РЕПЕРОВ

ИСХОДНОЙ НИВЕЛИРНОЙ СЕТИ ПО СПОСОБУ

П. МАРЧАКА

ПРИЛОЖЕНИЕ С (обязательное) СМЕЩЕНИЯ РЕПЕРОВ ОТНОСИТЕЛЬНО

ИСХОДНОГО РЕПЕРА, РАССЧИТАННЫЕ ПО

МОДИФИЦИРОВАННОМУ СПОСОБУ

П. МАРЧАКА

ПРИЛОЖЕНИЕ Т (обязательное) РАСЧЕТ ПОПРАВОК В ОТМЕТКИ РЕПЕРОВ

ИСХОДНОЙ НИВЕЛИРНОЙ СЕТИ ПО СПОСОБУ

В. Ф. ЧЕРНИКОВА

ПРИЛОЖЕНИЕ У (обязательное) ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВОК К ОТМЕТКАМ РЕПЕРОВ СПОСОБОМ Б. ГОТЦА

ПРИЛОЖЕНИЕ Ф (обязательное) РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ

НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИОННЫМИ МАРКАМИ,

ЗДАНИЯ №1 И №2

ВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Многие промысловые сооружения и объекты инфраструктуры нефтегазового комплекса построены в России в сложных геокриологических условиях, в том числе в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов. Для обеспечения промышленной безопасности (устойчивости оснований и фундаментов, эксплуатационной надежности, предотвращения случаев загрязнения окружающей среды и возникновения взрывоопасных и пожароопасных ситуаций) на исследуемых объектах создатся система геодезического мониторинга, которая включает режимные наблюдения за температурным состоянием грунтовых оснований. В нормативных документах недостаточно четко определена необходимая точность определения вертикальных деформаций зданий и сооружений и их периодичность, особенно для условий южной зоны многолетней мерзлоты. Кроме того, опыт геодезических работ выявил необходимость решения задачи влияния природно-климатических факторов на точность цифрового нивелирования и, особенно, на устойчивость глубинных реперов, являющихся исходной основой мониторинга.

Таким образом, исследование и решение этих задач назрели и во многом могут оптимизировать методику мониторинга вертикальных деформаций объектов нефтегазодобывающих геотехнических комплексов и, безусловно, является актуальным.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в развитие теории и практики геодезического определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге, устойчивости глубинных реперов внесли такие ученые геодезисты, как профессора Брайт П. И., Ганьшин В. H., Голубцов А. В., Гуляев Ю. П., Зайцев А. К., Михелев Д. Ш., Рунов И. В., Соловьев М. Д., Столбов Ю. В., Стороженко А. Ф., Уставич Г. А., Costachel A., Mаrcаk P., Tarnowski K. и многие другие, результаты этих исследований приняты во внимание при постановке задач диссертационной работы. В настоящее время требуют решения такие до сих пор не в полной мере решенные вопросы, как устойчивость исходных фундаментальных реперов (кустов реперов), разработка конструкции фундаментального репера на основе разведочных скважин, влияние климатических факторов на точность цифрового нивелирования, их периодичность и другие подобные задачи, связанные с геокриологическими условиями Южного Заполярья.

Решения по обеспечению промышленной безопасности на исследуемых объектах в определенной мере сдерживаются отсутствием нормативно-технической документации, регламентирующей точность и периодичность мониторинга вертикальных деформаций объектов нефтегазодобывающих геотехнических систем Южного Заполярья.

Цели и задачи исследований. Целью исследований является технологические решения по оптимизации методики определения вертикальных деформаций объектов геотехнических систем нефтегазоконденсатных месторождений Заполярья, расположенных в южной зоне многолетнемерзлых грунтов.

Основные задачи

исследований:

обоснование необходимой точности и периодичности геодезического мониторинга вертикальных деформаций объектов газоконденсатного месторождения, на основе анализа результатов выполненных до настоящего времени повторных геодезических измерений на объектах ЯНАО;

исследование влияния геокриологических и метеорологических факторов на устойчивость глубинных реперов исходной геодезической основы геотехнической системы нефтегазодобычи в ЯНАО разработка оптимальной конструкции устойчивых глубинных реперов, в качестве исходной высотной основы при деформационном мониторинге территории нефтегазоконденсатных месторождений;

Разработка технологических решений, исследование и оптимизация методики цифрового нивелирования для определения вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Объектом исследования является система геодезического мониторинга объектов нефтегазоконденсатных месторождений Заполярья.

Предметом исследования являются особенности геодезического деформационного мониторинга, методические и технологические решения его проведения, в условиях Южного Заполярья.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

учитывая, что разведочные скважины являются наиболее устойчивыми объектами в зоне наблюдений за деформациями объектов, впервые разработана и реализована конструкция фундаментальных реперов, в качестве которых используются разведочные скважины для проведения геодезического мониторинга вертикальных деформаций объектов Заполярного месторождения и получены качественные результаты таких наблюдений;

выявлено влияние отдельных природно-климатических факторов на точность геодезических работ цифровым нивелиром Trimble DiNi 12 при этом впервые получены аналитические формулы зависимости погрешностей измерения превышений на станции от силы ветра и температуры среды в момент измерений;

установлено влияние температуры и глубины водонасыщенности грунта, а так же мощности снежного покрова на величину деформаций объектов, на основе чего получены формулы для вычисления деформаций с учетом данных факторов, что позволяет прогнозировать погрешности измерений и определять наиболее подходящие периоды наблюдений.

Теоретическая значимость работы. Заключается в создании основы для выполнения инженерных расчетов для определения необходимой периодичности, точности и оптимизации методики проведения геодезического мониторинга деформационных процессов в зонах многолетней мерзлоты Заполярья.

При выполнении исследований и практической апробации полученных результатов были использованы объекты Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство следующие технические решения:

рекомендации по применению специально подготовленных законсервированных разведочных скважин в качестве фундаментальных реперов исходной основы в южной зоне многолетнемерзлых грунтов;

рекомендации по обеспечению устойчивости и обеспечению надежной эксплуатации глубинных реперов, зданий и сооружений, расположенных в южной зоне многолетнемерзлых грунтов;

методика расчета точности вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения, с учетом деформационного состояния оснований и фундаментов;

методика расчетов периодичности и сроков определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Результаты диссертационных исследований внедрены в производственный процесс ООО «Газпром добыча Ямбург», в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ОмГАУ им. П. А. Столыпина» при изучении учебных дисциплин: «Прикладная геодезия» (специальность 120101.65- Прикладная геодезия); «Геодезический мониторинг состояния земель и инженерных сооружений» (магистратура по направлению 120100.68- «Геодезия») Методология и методы исследования. Экспериментальной базой для проведения исследований являются выполненные измерения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения. Теоретической базой являются теория математической обработки измерений, а именно: теория погрешностей измерений, методы корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализа.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

конструкция «скважинного» фундаментального репера;

исследование и оптимизация методики цифрового нивелирования для определения вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения;

обоснование цикличности и периодичности определения вертикальных деформаций зданий и сооружений при геотехническом мониторинге объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует паспорту научной специальности 25.00.32 – «Геодезия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:

5 – Методы, технические средства и технологии геодезического обеспечения строительно-монтажных, кадастровых, землеустроительных, проектноизыскательских, маркшейдерских, геолого-разведочных и лесоустроительных работ, освоения шельфа; монтажа, юстировки и эксплуатации технологического оборудования;

6 – Геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации крупных инженерных комплексов, в том числе гидротехнических сооружений, атомных и тепловых электростанций, промышленных предприятий, линейных сооружений. Геодезический контроль ведения технического надзора при строительстве и эксплуатации нефтегазодобывающих комплексов.

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях преподавателей и аспирантов ФГБОУ ВПО «ОмГАУ», г.Омск (2009, 2010, 2011гг.), на международной научно-практической конференции «Роль и значение землеустроительной науки и образования в развитии Сибири», г. Омск, (2012 г.), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь», (г. Новосибирск) в 2013г. на производственных совещаниях организации «Газпром добыча Ямбург».

Публикации по теме диссертации. Количество опубликованных научных статей – 10, из них 2 входят в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Объем и структура диссертации. Основной текст диссертации изложен на 166 страницах. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования (из них 7 на иностранных языках), содержит 12 таблиц, 45 рисунков и 17 приложений.

1АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДИКИ

ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

ОБЪЕКТОВ ЗАПОЛЯРНОГО НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Современное состояние вопроса обеспечения надежности зданий и сооружений, расположенных в районах распространения многолетнемерзлых грунтов В инженерно–геодезической практике за последнее время в большом объеме выполняются работы по наблюдениям за деформациями фундаментов и оснований ответственных зданий и сооружений с целью обеспечения промышленной безопасности. Вопросами геодезического мониторинга деформаций оснований фундаментов, устойчивости глубинных реперов занимались многие ученые геодезисты, как профессора Брайт П. И., Ганьшин В. H., Голубцов А. В., Гуляев Ю. П., Зайцев А. К., Михелев Д. Ш., Рунов И. В., Соловьев М. Д., Столбов Ю. В., Стороженко А. Ф., Уставич Г. А. Costachel A., Mаrcаk P., Tarnowski, K. и многие другие, их исследования использованы в нашей работе.

Одним из основных факторов, влияющих на надежность и долговечность сооружений, является осадка последних, которую можно классифицировать:

по вызывающим е причинам;

по характеру деформаций грунтов в основании сооружений;

по степени равномерности распределения е по площади подошвы фундамента;

по степени влияния е на прочность и устойчивость сооружения;

по преобладанию того или иного фактора сопротивления в процессе уплотнения грунтов оснований;

по характеру развития ползучих деформаций грунтов.

В общем случае суммарная осадка фундамента слагается из четырех составляющих, каждая из которых вызывается различными причинами [2]:

где: S – вертикальная деформация, развивающаяся вследствие уплотнения грунтов;

Sразуп – вертикальная деформация за счет разуплотнения грунта, приводящего к поднятию дна котлована при разгрузке грунтов основания во время выполнения земляных работ (в большинстве случаев эти осадки незначительны; их следует учитывать при вскрытии глубоких котлованов и устройстве фундаментов, вес которых меньше веса вынутого грунта);

Sвып – вертикальная деформация выпирания за счет развития пластических деформаций грунтов в основании, сопровождающаяся процессом выдавливания грунтов из–под фундаментов;

Sрасстр – вертикальная деформация за счет нарушения структуры (расструктурования) грунтов основания во время строительства. Эти вертикальные деформации связаны с увеличением сжимаемости и уменьшением сопротивления грунтов сдвигу при нарушении структуры.

Часто процесс уплотнения грунтов под нагрузкой происходит сравнительно медленно, с постепенным затуханием или с малой постоянной скоростью. Такие вертикальные смещения сооружений носят название деформации уплотнения. В так называемых неуплотннных грунтах (лссах, мрзлых грунтах) при соответствующих добавочных воздействиях (замачивание, оттаивание, вибрация) происходит внезапное разрушение структуры (коллапс структуры), приводящее к резкому снижению сопротивления сдвигу. Вследствие этого грунты доуплотняются [14]. Быстро протекающие деформации недоуплотннных грунтов, вызванные разрушением структуры, называются просадками.

Осадка сооружений может быть равномерной и неравномерной. При неравномерной осадке фундамент сооружения в разных точках имеет неодинаковые величины вертикальных перемещений. Неравномерность осадок обуславливается различной плотностью грунта в основании, неодинаковой мощностью слов сжимаемой толщи грунтов, неодинаковой нагрузкой на фундаменты сооружений, а также неравномерным их загружением, влиянием загружения соседних фундаментов и т.д. Осадки сооружений, в основании которых протекают просадочные явления, как правило, неравномерны. Неравномерные осадки происходят при разгружении грунтов, разуплотннных при выполнении глубоких выемок, при нарушении структуры грунтов основания при открытии котлованов и устройстве фундаментов, так называемые осадки расструктуривания Sрасстр. Осадки расструктуривания грунтов основания могут быть вызваны метеорологическими воздействиями, воздействием грунтовых вод и газа, динамическими воздействиями механизмов и грубыми ошибками строителей [5].

Метеорологические воздействия могут выражаться в пучении при промерзании и просадке при оттаивании грунтов в основании, в набухании и размягчении грунтов основания вследствие увлажнения их атмосферными осадками, в высыхании грунтов основания под воздействием солнечной радиации и ветра [39].

Расструктуривание грунта при воздействии грунтовых вод может происходить за счт разрушения грунтов под влиянием гидростатического и гидродинамического давлений, а также вследствие механической суффозии грунта потоками грунтовых вод, поступающих в котлованы и приямки [38].

При малой сжимаемости грунтов основания (пески, плотные глинистые грунты) неравномерность осадок незначительна и не превышает допустимых величин. В таких случаях принято говорить о равномерной осадке, поскольку абсолютной равномерности осадок в природе не существует. При равномерной осадке сооружений и отдельных его конструкций, являющейся относительно безопасной, не возникает дополнительных напряжений, которые могли бы привести к появлению порывов, трещин, сколов и т.д. Однако большие по абсолютной величине равномерные осадки могут вызвать при эксплуатации сооружения осложнения и могут способствовать появлению иного вида деформаций. Так, например, пол в подземной части сооружения может опуститься ниже уровня грунтовых вод, что приведт к затоплению подвальной части сооружения. Неравномерные осадки могут вызвать недопустимые (опасные) общие деформации сооружений: трещины, расхождения швов, перекосы и др. Установлено, что разность осадок бывает тем больше, чем больше абсолютная осадка. Опасность неравномерных осадок усугубляется скоростью их протекания (что характерно при высоких темпах загрузки оснований), так как чем больше скорость развития осадок, тем больше вероятность увеличения их неравномерности.

При анализе осадок широко используются понятия: первичная и вторичная осадка. Первичная осадка, обуславливаемая главным образом отжатием из грунтов поровой воды, наблюдается в строительный период. Вторичная осадка, являющаяся проявлением ползучести грунтов, протекает в процессе эксплуатации сооружения. Разделение осадок на первичную и вторичную, которые в сумме дают полную осадку сооружения, возможно только при наличии в основании глинистых грунтов, так как в чистых песках ползучесть практически не проявляется.

Осадки могут быть затухающими и незатухающими. Затухающие осадки характеризуются постепенным уменьшением скорости протекания их во времени.

Незатухающие осадки протекают в течении весьма длительного времени с постоянной скоростью. При малой скорости протекания незатухающие осадки в течение всего периода эксплуатации сооружений могут оставаться неопасными.

Причины возникновения осадок зданий и сооружений. Геологические процессы, развивающиеся под воздействием инженерной (строительной) и хозяйственной деятельности человека, чаще всего называют инженерно–геологическими, но применятся и другие термины: антропогенные, техногенные, локальные. Они развиваются по тем же физическим законам, что и естественные геологические процессы, и приводят к сходным результатам в преобразовании рельефа местности, изменении состава, состояния и свойств пород и гидрогеологических условий [3].

Инженерно–геологические процессы развиваются в результате взаимодействия инженерных сооружений в период их строительства и эксплуатации с геологической средой. Они накладываются на естественные геологические процессы и могут активизировать последние или способствовать их затуханию.

Причины деформаций исследовались многими учеными, например Стороженко, Н. А. Буденков, Гуляев Ю. П. и многие другие. Почти все специалисты и учные единодушны в том, что геологические и инженерно–геологические процессы по механизму и физической сущности тождественны. Во многих случаях это действительно так. Но по мере развития инженерной и хозяйственной деятельности человека вс чаще отмечаются ситуации, когда на массив горных пород воздействуют факторы, редко или совсем не встречающиеся в природе. К таким факторам можно отнести:

создание крупных водохранилищ – как фактор, изменяющий напряженное состояние и гидрогеологические условия в земной коре на значительной территории;

откачка больших объмов нефти, газа и воды, находящихся под высоким давлением, и изменение, вследствие этого, напряженного состояния массива пород. Часто это приводит к осадкам дневной поверхности, а иногда и к землетрясениям;

создание подземных полостей в некарстующихся породах и на значительных глубинах, вследствие чего происходит разрядка существующих в массиве пород напряжений, дренирование подземных вод и газов;

воздействие взрывов при строительных работах, в результате чего увеличивается трещеноватость части массива пород, непосредственно примыкающей к котловану или подземной выемке и происходит обрушение неустойчивых частей склонов и откосов;

частые и значительные по амплитуде колебания уровня воды в водохранилищах (характерно для горных водомов и бассейнов ГАЭС), вызывающие резкое ослабление устойчивости склонов, незатухающий процесс карстообразования;

откачка из водозаборных скважин, в результате которой возникают градиенты фильтрации, во много раз превышающие значения этого показателя, возможные в естественной обстановке. В определенных природных условиях это приводит к резкой активации суффозных и карстово–суффозионных процессов;

химическое воздействие не фильтрующихся сточных вод на массив горных пород. Последствия этого воздействия самые различные: от кольматации трещин и полостей до активизации карстообразования, при воздействии химически активных стоков возможно также изменение состава и свойств пород;

постоянная вибрация от работающих механизмов на промышленных предприятиях и от движения транспорта в течение длительного времени, которая может способствовать разложению рыхлых (тиксотропных) грунтов основания;

постоянное обводнение ранее необводннных массивов пород на территориях промышленных предприятий и городов, на орошаемых площадях;

пересечение подземными коммуникациями (траншеями) подземного стока, что приводит к подтоплению одних территорий и иссушению других.

Несомненно, с появлением новых типов инженерных сооружений и новых способов строительства, сельскохозяйственного и иного освоения территорий появятся и новые формы воздействия человека на геологическую среду. Следует отметить, что на массив горных пород часто одновременно воздействуют несколько техногенных факторов. Такое сочетание может усиливать какой–либо процесс или вызвать развитие нескольких процессов одновременно.

Даже отдельно стоящее жилое здание создат практически мгновенно (в геологическом понятии времени) сосредоточенную нагрузку на основание, вызывающую значительные напряжения в горных породах в пределах активной зоны.

Эти напряжения на нескальных породах могут достигать 0,8 Мпа, что соответствует действию толщи пород мощность (25 – 40) м или слою льда толщиной (50 – 80) м. При эксплуатации здания происходит обводнение пород основания в результате утечек из водопроводящих коммуникаций и накопления влаги вследствие конденсации водяных паров. Кроме того, здание нарушает тепловой режим участка земной коры. Под промышленными зданиями и сооружениями породы основания подвергаются химическому воздействию промышленных стоков, действию вибрации от работы машин и движения транспорта. Еще более сложное воздействие на породы основания наблюдается на участках плотной застройки жилыми зданиями или на промышленных площадках. На территориях крупных промышленных городов вертикальная зона активного изменения равновесного состояния грунтов основания прослеживается до глубин более 50 м, а их деформации достигают величин 9 м (г. Мехико). Одновременно с опусканием земной поверхности идт поднятие уровня грунтовых вод за счт уплотнения грунтов основания и инфильтрации подземных вод из нижних горизонтов в верхние.

Любое построенное инженерное сооружение постепенно изменяет свое положение в пространстве. Давление сооружения сжимает грунты в основании фундамента, что вызывает его осадки. Разумеется, по мере уплотнения грунтов основания осадки постепенно прекращаются. При этом скорость затухания зависит от свойств конкретных грунтов, и прекращение осадок наступает через несколько лет.

Кроме того, сооружение может перемещаться в горизонтальной плоскости, если имеется боковое давление (как, например, в мостовых конструкциях, подпорных стенках насыпей железных и автомобильных дорог и гидротехнических плотинах).

Сильное развитие деформаций сооружения может привести к нарушениям в его эксплуатации или даже разрушениям. Именно поэтому наблюдения за деформациями сооружений представляют собой важный комплекс геодезических полевых и камеральных работ, которые могут быть организованы в рамках комплексной САПР/ГИС–технологии для своевременного решения вопроса о необходимости принятия профилактических мер. Извлечение газа, нефти и других полезных ископаемых ведет к изменению напряженного состояния массива, что в свою очередь приводит к оседанию земной поверхности.

В районах с интенсивной добычей полезных ископаемых происходят следующие изменения:

преображается ландшафт местности, исключаются из землепользования, вследствие деформаций поверхности, земли;

меняются естественные поля напряжений и геотермические поля (что особенно важно в областях распространения многолетней мерзлоты).

Все измерения деформаций можно разделить на две самостоятельные группы. В первую группу входят сопутствующие измерениям деформаций – исследования физико–механических свойств грунтов оснований, измерения напряжения под подошвой фундамента, измерения температуры фундамента, колебаний уровня грунтовых вод и т.п. Все эти виды измерений можно объединить названием «физико–механические наблюдения». Во вторую группу входят собственно измерения деформаций сооружений. Эти измерения проводятся как геодезическими, так и другими методами.

Измерения деформаций сооружений можно, в свою очередь, разделить на две подгруппы. К одной из них относятся все измерения, связанные с установкой приборов непосредственно на сооружении или внутри него, при этом приборы сами будут перемещаться вместе с сооружением и указывать величину относительной деформации. Сюда можно отнести измерения при помощи всевозможных маятников, клинометров, деформетров, щелеметров, микрокренометров и всякого рода других чувствительных приборов.

Ко второй подгруппе относятся все измерения, при помощи которых определяют величины абсолютных вертикальных и горизонтальных смещений сооружений по отношению к точкам, расположенным на некотором расстоянии от них и считаемым практически недвижимыми.

Сюда можно отнести все основные геодезические методы измерений, а именно:

геометрическое нивелирование, применяемое для определения вертикальных смещений значительного количества доступных точек сооружений;

гидростатическое нивелирование, применяемое для одновременного определения вертикальных смещений ряда закрытых труднодоступных точек сооружения, расположенных примерно на одинаковом уровне;

микронивелирование, применяемое для определений вертикальных смещений близко расположенных точек порядка (1 – 1,5)м;

тригонометрическое нивелирование, применяемое для определения деформаций сооружений в точках, расположенных на существенно разных высотах в труднодоступных местах;

фотограмметрический и стереофотограмметрический методы, применяемые для определения смещения точек сооружений в двух и трех координатах;

триангуляционный метод, применяемый для определения горизонтальных и вертикальных смещений открытых труднодоступных точек;

створный метод для наблюдений за сдвигами сооружений.

Такое разделение методов измерений имеет определенное значение, так как результаты измерений первой подгруппы характеризуют только смещение одних частей сооружения относительно других; геодезические же измерения характеризуют величину и направление смещений сооружений относительно неподвижных точек – знаков геодезической основы. Эти знаки закладывают с учетом ряда специальных требований и вне влияния давления сооружения на их основание. Кроме того, современные методы измерений и уравновешиваний их результатов дают возможность до некоторой степени контролировать и выявлять элементы сдвига геодезической основы как исходных данных.

В настоящее время принцип нивелирования хоть и остался неизменным, геодезические работы больше не останавливаются просто на определении отметок точек. Сегодняшние требования к геодезическим инструментам определяют нивелир как комплексную эргономическую измерительную систему, которая не только является полностью автоматизированной системой для сбора и обработки данных в цифровом виде, но и обеспечивает исключительную эффективность выполнения работ при использовании самых современных технологий.

Третье поколение цифровых нивелиров типа DiNi 12, 12Т, 22 компании Trimble включает новые особенности, которые были обусловлены требованиями пользователей: удобство при транспортировке (совмещенная рукоятка), эффективность в эксплуатации (юстируемый круглый уровень), дополнительное программное обеспечение (дополнительные эффективные методы разбивки сооружений), новый дизайн (эргономическая форма и контрастный цвет). В цифровых нивелирах типа DiNi 12 обмен данными выполняется с помощью единого формата или с использованием карт PCMCIA. Для цифровых нивелиров типа DiNi 12 количество записанных строк с данными на карте памяти объемом 1 МБ можно записать около 10000 строк с данными.

Наземное лазерное сканирование позволяет обеспечить большую плотность и точность точек лазерных отражений и, следовательно, более высокий уровень детализации съемки. Ввиду того, что наземная лазерная съемка занимает более продолжительное время, е целесообразно использовать при необходимости получения детальных планов и трехмерных моделей на локальные территории в несколько десятков гектар. Используя технологии наземного лазерного сканирования, можно выполнять съемку внутри инженерных сооружений, что в ряде случаев трудно или просто невозможно сделать традиционными методами. По данным сканирования вопросы получения отдельных характеристик некоторых объектов решаются точно и однозначно, так как все материалы съемок находятся в едином трехмерном координатном поле, благодаря чему взаимное положение моделей объектов определяется с высокой точностью. Точность построения отдельных элементов модели и точность их взаимного положения определяется в основном точностью сканирующей системы. Наземное лазерное сканирование может быть использовано при съемках и построении моделей рельефа и местности на локальные территории, где применение воздушной локации не оправдано по экономическим соображениям, либо необходимо отразить все микроформы и сложные участки рельефа. Традиционная съемка дает аппроксимированное представление о рельефе местности, и степень этой аппроксимации ощутимо зависит от опыта и квалификации исполнителя. Суть технологии заключается в определении точных пространственных координат точек поверхности объекта. Процесс реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью импульсного лазерного безотражательного дальномера. После проведения рекогносцировочных работ на объекте происходит закрепление световозвращающих марок на сканируемых поверхностях. Для каждого сеанса сканирования без перестановки штатива требуется от четырех до 10 марок. Точные относительные или абсолютные координаты марок определяются GPS (на открытом пространстве) либо тахеометром с последующей GPS–привязкой (для закрытых помещений и подземных объектов). После сканирования всех объектов, видимых с данной точки, сканер переставляется на новую позицию. При этом часть марок может быть перемещена (их не будет видно), а часть – должна остаться в поле зрения нового сеанса сканирования для обеспечения непрерывности облаков получаемых точек.

Измерения производятся с очень высокой скоростью – десятки тысяч измерений в секунду. На пути к объекту импульсы лазерного дальномера проходят через систему, состоящую из двух зеркал, отклоняющих луч в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Зеркала управляются высокоточными сервомоторами. Именно они обеспечивают точность определения направления луча, сканирующего объект. Зная дальность до точки и угол разворота обоих зеркал, процессор сканера вычисляет точные координаты каждой точки. В результате одного сеанса сканирования образуется облако точек отражений лазерного луча. Для каждой точки регистрируется три координаты (XYZ) и интенсивность (I) принятого сигнала.

Интенсивность сигнала зависит от угла между отражающей поверхностью и лазерным лучом, а также от свойств самой поверхности. Опознание объектов и их отрисовка в интерактивном режиме (для обеспечения высокой точности) чрезвычайно облегчаются при использовании данных цифровой съемки. Для этого используется фотокамеры высокого разрешения, размер кадра 3008 х 2000 точек.

Съемка ведется с тех же точек, что и лазерное сканирование, камера закрепляется непосредственно на лазерном сканере. По результатам полевой съемки возможно построение модели снимаемой местности или объекта – объединения точек в сеть триангулированных ячеек (TIN модель). Программа автоматически определяет границы ячеек, формирует очертания отдельных объектов, анализирует интенсивность и цвет изображения и получает модель с четкими контурами и цветовым разграничением различных геометрических элементов(откосы, трубы, резервуары, стальные конструкции). Процесс занимает немного времени, что позволяет получать трехмерное изображение объекта непосредственно в полевых условиях.

Трехмерная модель, получаемая в процессе сканирования, изначально не является векторной (не описана набором математических уравнений), но по ней можно выполнять пространственные измерения: вычислять объмы насыпи и выемки, расстояния между точками, нормальные расстояния от точки до поверхности, между поверхностями и осями и отдельными составляющими модели. Точечный массив может быть преобразован в векторную трехмерную модель и двухмерные рисунки с помощью различных программ, которые могут использоваться вместе со сканирующими и моделирующими системами и содержат библиотеки объектов. Модель и контуры могут быть напрямую перенесены в среду AutoCAD (Autodesk, Inc., США), MicroStation (Bentley Systems, Inc., США), 3D StudioMax и других геоинформационных систем.

геодезическому мониторингу вертикальных деформаций 1.2.1 Общие сведения об объектах месторождения Заполярное нефтегазоконденсатное месторождение (ЗНГКМ) – месторождение газа, газового конденсата и нефти. Открыто в 1965 году. Расположено в Тазовском районе Ямало–Ненецкого автономного округа Российской Федерации.

Площадь месторождения – 8745 га. В длину простирается на 50 км, в ширину на 30 км. Это позволяет вести разработку сеноманских залежей всего тремя, самыми мощными в мире, установками комплексной подготовки газа (УКПГ) [17].

По объему запасов месторождение занимает пятое место в России и относится к категории уникальных. От других месторождений отличается компактностью.

Общие запасы газа составляют более 3,3 трлн. м. Верхняя сеноманская залежь – примерно 2,6 трлн. м газа, валанжинские горизонты – около 735 млрд. м газа [36].

В апреле 2011 года начала работу УКПГ–2В производительностью 6,5 млрд.

м газа и 1,3 млн. т газового конденсата в год. Газ добывается из 61 скважины.

Ввод установки положил начало добыче газа из валанжинских залежей Заполярного НГКМ [16].

В 2012 году произведен пуск УКПГ–1В, включающей 79 скважин, что позволило ежегодно добывать около 9 млрд. м газа и 2 млн. т конденсата. Таким образом, суммарная добыча на Заполярном месторождении достигает 130 млрд. м газа в год, газового конденсата – 3 млн. тонн в год [17].

Объекты УКПГ можно разделить на 3 группы:

сооружения основного производства;

сооружения вспомогательного производства;

кусты газовых скважин.

Рассмотрим каждую группу подробнее.

Сооружения основного производства. На сооружениях основного производства осуществляется очистка и осушка природного газа в соответствии с требованиями Стандарта [43]. На УКПГ применена типовая установка осушки газа с использованием технологических блоков разработки, поставляемых комплектно со средствами контроля и автоматизации. Природный газ от 26 кустов газовых скважин транспортируется на УКПГ [17].

УКПГ имеет в своем составе два параллельных технологических модуля, в которых производится подготовка природного газа к транспорту. В каждый технологический модуль входят:

здание переключающей арматуры;

цех осушки газа;

цех регенерации гликоля;

здание огневых регенераторов;

Сооружения вспомогательного производства. Система промышленного водоснабжения предназначена для обеспечения нужд технологических объектов водой и включает в себя следующие сооружения:

два газовых автоматизированных водонагревателя;

два газовых автоматизированных водонагревателя;

два газовых автоматизированных водонагревателя;

насосную станцию автоматического пожаротушения.

Система утилизации промышленных и бытовых стоков предназначена для их сбора и обработки и включает в себя:

систему сбора и транспортировки производственных и бытовых стоков;

канализационную насосную станцию (КНС) для солесодержащих стоков;

КНС для хозяйственно–бытовых стоков;

КНС для взрывоопасных стоков;

КНС для очищенных стоков;

резервуар аварийный для промышленных стоков;

резервуар аварийный для бытовых стоков;

резервуар аварийный для очищенных стоков;

установка очистки сточных вод от механических примесей и нефтепродуктов;

очистные сооружения для бытовых стоков;

насосная по закачке промышленных стоков в пласт;

система снабжения воздухом.

Система основного и автономного электроснабжения предназначена для снабжения УКПГ при обустройстве промысла и при аварийных отключениях электроэнергии и состоит из:

трансформаторных подстанций;

дизельных электростанций.

Комплексная система пожаротушения, объединенная с системой промышленного и бытового водоснабжения, предназначена для предотвращения и тушения пожаров, возникающих на промысле, и включает в себя:

два автоматизированных газовых нагревателя;

насосную станцию хозяйственно–питьевого, производственного водоснабжения.

Кусты газовых скважин. Для обеспечения добычи газа в объеме 32.5 млрд.

м в год [20] предусматриваются 159 эксплуатационных скважин, сгруппированные в 26 кустов. На площадке куста располагается от 3 до 7 скважин. Газосборные сети представляют собой систему внутри промысловых газосборных шлейфов, предназначенную для подачи газа от 26 кустов скважин на установку комплексной подготовки газа. Схема сбора газа согласно [50] – лучевая. В соответствии с требованиями нормативного документа [75] прокладка газопроводов шлейфов – подземная в теплоизоляции.

Устья эксплуатационных скважин размещаются на едином кустовом основании в 40 м друг от друга.

Для диссертационных исследований по определению вертикальных деформаций объектов Заполярного месторождения выбрана одна из пяти УКПГ, далее по тексту территорию УКПГ, будем называть объектом исследования.

Геокриологические характеристики территории размещения месторождения и связанные с ними инженерно–технические решения Заполярное нефтегазоконденсатное месторождение расположено на верхнеплейстоценовых равнинах морского, прибрежно–морского генезиса, осложненных долинными комплексами рек и их притоков [11]. Зимний период длится с октября по май включительно. В наиболее холодные месяцы, январь, февраль, среднемесячная температура воздуха составляет от минус 24,5 °С, до минус 26,0 °С [48].

Тазовский полуостров характеризуется сплошным распространением низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов, сливающегося типа. Из криогенных образований наибольшее площадное распространение, на всех генетических типах рельефа, имеют повторно–жильные льды и образования процесса пучения грунтов [6].

Отличительная особенность геокриологических условий территории размещения Заполярного месторождения, заключается в распространении многолетнемерзлых грунтов сливающегося и несливающегося типа. Многолетнемерзлые грунты несливающегося типа, с погружением кровли от 2,5 м до 7 м и более приурочены преимущественно к залесенным участкам местности. Среднегодовая температура грунтов (в зависимости от ландшафтных условий) колеблется от минус 0,2 °С до минус 4,0 °С. Наиболее высокие среднегодовые температуры грунтов, до минус 0,5 °C, приурочены к участкам с несливающейся мерзлотой, а наиболее низкие, от минус 1,5 °С до минус 4,0 °С, к участкам развития торфяников мощностью (0,5 – 5,0) м [12]. Глубина сезонного оттаивания, в зависимости от ландшафтных условий и литологического состава грунтов, составляет от 0,3 м на торфяниках до 2,0 м на минеральных грунтах. Глубина сезонного промерзания достигает (2,5 – 4,0) м в песках и (1,0 – 2,0) м в глинистых грунтах. При промерзании грунты пучинистые и сильнопучинистые [88].

Общим для криогенного строения глинистых, многолетнемерзлых грунтов сливающегося типа, на территории размещения исследуемого объекта, является уменьшение льдистости с глубиной. В верхней части разреза значение льдистости за счет ледяных прослоек может достигать 0,6 м, а с глубины 6 м криотекстура становится массивной [88].

В соответствии с исследованиями авторов [96] различия инженерно– геокриологических условий территории Заполярного месторождения по отношению к территориям других месторождений, расположенных в северной зоне многолетней мерзлоты, определили разные инженерно–технические решения по возведению оснований и фундаментов и их подготовке:

На месторождениях, расположенных в северной зоне многолетней мерзлоты (границы зон отображены на рисунке 1). Эквивалентная, расчетная температура многолетнемерзлых грунтов была обеспечена естественным температурным полем, при твердомерзлом состоянии грунта по всей рабочей длине свай. В связи с этим, для всех наземных сооружений был выбран свайный тип фундаментов.

Территория площадной застройки представляла естественный грунтовый массив, готовый воспринимать полезные нагрузки. Все нарушения этого состояния на стадии строительства происходили в около свайном пространстве. Мероприятия по сохранению и обеспечению расчетных значений параметров грунтов на стадии строительства ограничивались восстановлением температуры грунтовой оболочки, вмещающей сваю после ее погружения. Основным способом поддержания расчетного теплового режима грунтовых оснований зданий и сооружений технологического назначения на УКПГ в северной зоне области многолетней мерзлоты и дожимных компрессорных станциях (ДКС), было устройство проветриваемых подполий и блок–понтонов под зданиями и сооружениями. Самые сложные технические решения по возведению оснований и фундаментов были связаны с разработкой способов погружения свай.

Рисунок 1 – Схема зон многолетней мерзлоты и сезонного промерзания грунта На Заполярном месторождении, расположенном в южной зоне многолетнемерзлых грунтов, свайный тип фундаментов выбран для зданий, сооружений, и технологического назначения, а так же для опор эстакад межплощадочных водоводов. Все газосборные шлейфы и межпромысловые газопроводы укладывались в траншеи с последующей обратной засыпкой и обвалованием грунтом [75]. Лишь на отдельных переходах газопроводов через водотоки оборудовались свайные опоры. Проект предусматривал после погружения свай предпостроечное промораживание талых и охлаждение пластичномерзлых грунтов до расчетных значений. Фактически, на стадии строительства инженерных сооружений площадочного типа, в пределах их контура, создавался техногенный, низкотемпературный массив многолетнемерзлых грунтов. Это достигалось обустройством проветриваемых подполий, массовым погружением в пределах свайного поля и возле одиночных свай охлаждающих устройств – стабилизаторов пластичномерзлых грунтов (СПМГ) по требованиям СНиП [64]. На площадках УКПГ некоторые тепловыделяющие сооружения, такие как КНС, были запроектированы с сохранением в верхней части основания талого слоя грунтов. Расчетные значения температуры подстилаемых пластичномерзлых грунтов не выше минус (0,3 – 0,4) °С. Отдельные здания вспомогательной инфраструктуры были построены без проветриваемых подполий, с укладкой полов по грунту. Для сохранения грунтов в мерзлом состоянии в соответствии с требованиями СНиП [64] в основании зданий были уложены горизонтальные и вертикальные охлаждающие системы естественного теплообмена (ГОСЕТ, ВОСЕТ).

Способы погружения свай в многолетнемерзлые грунты. Строительство на многолетнемерзлых грунтах Заполярного месторождения велось по принципу сохранения мерзлоты, с применением свайного типа фундаментов. В качестве свай использовались стальные трубы диаметром от 159 до 325 мм, рекомендуемые действующими СНиП [63,64]. Сваи были как с закрытым нижним (концом) торцом с плоским или конусным наконечником, так и с открытым. Тип свай, глубина их погружения, высота и устройство ростверков выбирались в зависимости от вида сооружения и нагрузок на фундаменты. Несущая способность свай устанавливалась расчетом и проверялась по данным полевых испытаний свай, проводимых как на стадии проектно–изыскательских, так и строительных работ. Наиболее значимым из всего комплекса работ по возведению фундаментов стал выбор способа погружения свай в многолетнемерзлые грунты. Все известные и предусмотренные нормативными документами [65,66,67] способы отрабатывались десятилетиями. К ним относятся бурозабивной, забивной, буроопускной, опускной способы:

бурозабивные сваи задавливаются в предварительно пробуренные скважины диаметром на (2–3) см меньше диаметра сваи;

забивной способ применяется, если на стадии строительства грунты талые;

буроопускные сваи погружаются в предварительно пробуренные скважины диаметром на (5–10) см больше диаметра сваи, глубиной, равной глубине погружения свай. Перед погружением свай скважины заполняются песчано–цементным раствором в объеме, необходимом для заполнения скважины до глубины слоя сезонного оттаивания;

опускной способ погружения свай заключается в том, что сваи погружаются с оттаиванием грунта.

Главная задача при разработке способа погружения свай – обеспечить плотный контакт смерзания рабочей, боковой поверхности сваи в зоне ее заделки в многолетнемерзлые грунты. Часть сваи, расположенная выше слоя сезонного оттаивания, не включается в расчет на вертикальную нагрузку [67]. Сопротивлением сдвигу по поверхности смерзания определяется несущая способность сваи на вдавливающие нагрузки. При устройстве малонагруженных свайных опор (например, трубопроводы) расчетной для свай является не вдавливающая, а выдергивающая нагрузка, обусловленная действием касательных сил пучения при промерзании грунтов сезонно–талого слоя. Для погружения свай из стальных труб в многолетнемерзлые грунты с применением буроопускного, опускного способов подготовки скважин существенное значение имеет, является ли нижний торец сваи открытым или закрытым. При открытом нижнем торце погружение облегчается, нижняя рабочая часть сваи, расположенная в толще многолетнемерзлого грунта, оказывается заполненной приготовленным раствором или оттаянной грунтовой массой, которая смерзается с внутренней стенкой полой сваи. Если высота вмерзшего в сваю столба грунта равна или превышает четырех внутренних диаметров полой сваи, она передает грунтам нагрузку как свая со сплошным поперечным сечением или с заглушенным торцом [51].

Каждый из способов может быть рациональным для конкретных мерзлотно– грунтовых условий и при высокой материально–технической обеспеченности производства работ. Но объемы строительства на крупнейших месторождениях криолитозоны Западной Сибири в 60–80 годы прошлого века оказались очень большими даже по масштабам страны, а сроки ввода в действие сооружений ограничены. Объемы и сроки строительства вошли в противоречие с практической реализацией первоначально разработанных проектных способов погружения свай. Для зданий и сооружений месторождений, расположенных в северной зоне области многолетней мерзлоты, бурозабивной способ оказался непригодным. Металлические сваи, забиваемые в скважины, диаметр которых на 1–2 см меньше диаметра свай, не доходили до проектной отметки. Происходили деформации свай по длине, уход нижнего конца свай в сторону от лидерной скважины, обрушение мерзлого грунта на дно скважины и вывалы грунта из ее стенок. В результате этого снижалась несущая способность свай – при забивке свай в лидерную скважину происходило разрушение голов свай, появлялись микротрещины, крошился металл. Применение технологии универсального и надежного буроопускного способа погружения свай на низкотемпературных, сливающихся многолетнемерзлых грунтах месторождений, расположенных в северной зоне области многолетней мерзлоты, оказалось трудновыполнимой. К недостатку данного способа специалистами была отнесена необходимость применения привозных растворов, а, следовательно, выполнение при сильном ветре и морозе «мокрых» технологических процессов, расходование песка, цемента, большого количества воды. В рекомендациях по способам погружения свай [53] был предложен, предусмотренный СНиП [66] опускной способ, с внесением в него изменений и получивший название комбинированный опускной способ. Комбинированный опускной способ погружения свай в многолетнемерзлые грунты заключался в том, что на глубину подсыпки (при ее наличии) или слоя сезонного оттаивания, то есть на той части длины сваи, которая не включалась в расчет на вертикальную нагрузку, пробуривали скважину диаметром большим, чем диаметр сваи. Глубина скважины при наличии подсыпки не превышала трех метров, а при сооружении опор на шлейфах – двух метров. Со дна скважины паровой иглой оттаивали многолетнемерзлый грунт в зоне диаметром, превышающим наружный диаметр сваи на несколько сантиметров и на глубину не менее глубины погружения свай.

Практическую разработку и внедрение в производство рациональных способов устройства и погружения свай в многолетнемерзлые грунты, применительно к условиям строительства на месторождениях, расположенных в северной зоне области многолетней мерзлоты, осуществлял Северный филиал ВНИИОСП г. Воркута, в работе [59] проработаны и обозначены требования по обеспечению устойчивости свай. Обосновывая целесообразность и экономичность широкого внедрения опускного и комбинированного способов погружения свай, институт предусматривал: «…применение буроопускного способа на участках сосредоточенного строительства, главным образом, при возведении объектов основного технологического назначения с большими, в том числе с динамическими нагрузками на фундаменты». Реализация комбинированного способа показала, что он в 20 % не обеспечивает расчетную несущую способность свай. В процессе пропаривания не выдерживается цилиндрический объем грунта, размеры оттаянной зоны могут быть меньше сечения сваи и иметь отклонения от вертикали. Сектором строительства Северного филиала ВНИИОСП был разработан, опробован и рекомендован для всех объектов новый комбинированный усовершенствованный способ, основанный на приготовлении жидкого грунтового раствора в скважине, предварительно пробуренной на глубину погружения сваи [52]. Для практического использования этого способа была составлена технологическая схема на производство работ. Текстовое содержание схемы иллюстрировалось графическими чертежами. Но при разработке технологической схемы специалистами технического профиля было упущено одно из главных требований по обеспечению надежности свайного фундамента, сформулированное ранее в научно–техническом отчете [59]: «Внутренняя полость полых свай, не требующих по расчету бетонного заполнения, должна заполняться грунтом или грунтовым раствором, а в пределах слоя сезонного оттаивания и выше – пескобетоном или бетоном…». Практическая реализация этого положения, наряду с гидрофобным, антикоррозионным покрытием наружной поверхности свай в пределах слоя сезонного оттаивания, направлена на создание пассивной реакции сваи по отношению ко всем процессам в пределах сезонно–талого слоя грунтов. По технологической схеме, представленной в рекомендациях [52] скважина заполняется выбуренным грунтом до поверхности, который разогревается паровой иглой до жидкого состояния. Во время погружения сваи жидкий грунт заполняет сваю до поверхности. Тем самым внутри сваи, в пределах слоя сезонного оттаивания, создан механизм постоянного циклического промерзания – оттаивания столба грунта. Причем механизм промерзания реализуется в жестко защемленном объеме водосодержащего грунта. При проведении контрольных испытаний и обследовании свай, погруженных комбинированным способом, в рекомендациях ВНИИОСП [52] отмечено, что: «…при погружении свай во второй половине зимы (февраль – апрель) возможно трудноучитываемое разовое пучение свай из–за перепаривания многолетнемерзлых грунтов и последующего их быстрого промерзания сверху в этот период года…». Авторы последнего тезиса указали на возможность формирования на призабойном уровне сваи защемленного талого грунта, а формулировкой «трудноучитываемое» обосновали исключение из программы исследований рассмотрение механизма промерзания грунта в закрытой системе. Главный вывод из вышесказанного – промерзание в жестко защемленном объеме жидких грунтовых растворов на призабойном уровне и внутри полых свай выше глубины сезонного оттаивания, может создать механизм выпучивания свай в двух точках: Первая – в слое сезонного оттаивания; вторая – в призабойной зоне.

На исследуемом объекте основным способом погружения свай являлся буроопускной. Исключение составляли свайные опоры эстакад обвязки кустов газовых скважин; здесь был применен бурозабивной способ. Реализация буроопуского способа иногда осложнялась наличием, по глубине погружения свай, слоев талых, текучепластичных, текучих грунтов, которые затекали в лидерную скважину, частично или полностью заполняя ее до верхнего уровня талого слоя. В таких случаях требовалось согласование на совмещение буроопускного и забивного способа погружения для одиночной сваи. В выстаивающейся лидерной скважине, в слое с мягкопластичными грунтами, уменьшались поперечное сечение стенок и объем скважины, в результате чего происходило поднятие цементного раствора до дневной поверхности.

Грунтовые основания объектов геодезического мониторинга месторождений, расположенных в северной и южной зоне многолетней мерзлоты. В соответствии с СНиП [64] самый надежный способ обеспечения и поддержания расчетного теплового режима грунтов на промышленных площадках – проветриваемые подполья зданий, сооружений и зимняя зачистка территории от снежных накоплений. Снежный покров формируется при сильных ветрах, как в момент выпадения снега, так и в результате метелевого перераспределения его по площади, поэтому самыми эффективными являются подполья с открытым цоколем. На рисунке 2 отображено, как под сооружением канализационной насосной станции, происходит выдувание снега.

В этих условиях, под зданием, грунты интенсивно охлаждаются зимой, сохраняя отдельный низкотемпературный массив. При условии, если подполье закрыто сплошным ограждением, но по периметру сохранен зазор с дневной поверхностью не менее 40 см, под сооружением, по продольной оси скапливается небольшой бортик снега, не оказывающий влияние на теплообмен воздуха с грунтом в подполье. На одном месторождении НОВОТЭК, цоколи некоторых зданий были закрыты полностью, по периметру проделаны продухи, размерами и в количестве согласно расчетам [64]. В результате задувания снега и резкого падения скорости ветра в подполье, под зданием происходит снегозадержание, препятствующее охлаждению грунтов. Среди факторов естественного происхождения, вызывающих повышение температуры и оттаивание многолетнемерзлых грунтов, главным является площадное снежное покрытие, с накопленной мощностью не менее (0,5 – 0,7) м в начале зимы. Снежные накопления такой мощности обязаны площадному расположению на небольшой высоте многочисленных трубопроводов, сооружений вспомогательного технологического цикла с низкой посадкой на грунт. Такие участки недоступны для механической зачистки снега. На исследуемом объекте максимальные площади повышенной снегозаносимости характерны для зон входа газосборных шлейфов.

На стадии строительства, по данным геодезического мониторинга, для улучшения строительных качеств грунта и обеспечения его несущей способности, были разработаны и реализованы инженерные мероприятия по его тепловой мелиорации. Для ускоренного, искусственного промораживания талых и понижения начальных температур пластичномерзлых грунтов до расчетных значений, наряду с проветриваемым подпольем, были использованы СПМГ конструкции ФГУП «Фундаментпроект» и НПО «Фундаментстройаркос». Термостабилизаторы устанавливались на площадках отдельных сооружений по следующему принципу:

для промораживания талых грунтов основания СПМГ устанавливались по площади талой зоны;

с целью сохранения грунтов в вечномерзлом состоянии в течение всего срока эксплуатации сооружений, с учетом потепления климата, было предусмотрено создание контурной низкотемпературной зоны с помощью СПМГ, расположенных по периметру зданий и сооружений.

Количество СПМГ и шаг их установки определяла проектная организация на основании геодезического мониторинга, включающего теплотехнические расчеты. На стадии эксплуатации, анализ информации, полученной в ходе геодезического мониторинга, включающего режимные геотемпературные наблюдения, показал, что промерзание талых участков грунтового основания с формированием расчетного температурного режима с помощью СПМГ происходит, как правило, в течение двух – трех зимних сезонов. Для понижения температуры пластичномерзлых грунтов до расчетных значений, обычно, достаточно одного активного сезона работы охлаждающих установок [39].

Для примера можно привести одно из оснований инженерного сооружения, по своим естественным мерзлотно–грунтовым условиям, имеющее наиболее неблагоприятное для строительства, грунтовое основание. На (25–30) % основание было сложено талыми суглинками мягкопластичной и текучепластичной консистенции; кровля многолетнемерзлых грунтов находилась на глубине (9–11) м. В апреле 1998 г. на свайном поле были установлены СПМГ конструкции ФГУП «Фундаментпроект». К концу зимнего периода 1999–2000гг талая зона грунтового основания промерзла, а к весне 2001г. на месте талика сформировались многолетнемерзлые грунты сливающегося типа с температурой ниже расчетной [38]. Таким образом, для промораживания 11 м толщи талых суглинков понадобилось два зимних сезона. А для обеспечения проектного температурного режима грунтов – три сезона активной работы СПМГ. На эстакадах трубопроводов, возле каждой свайной опоры, погруженной в талые грунты, установлены одиночные СПМГ.

Условия накопления снежных толщ повышенной мощности аналогичны промыслам месторождений, расположенных в северной зоне области многолетней мерзлоты. На исследуемом объекте снежные толщи повышенной мощности расположены: в зоне входа газосборных шлейфов в УКПГ; вдоль широких эстакад трубопроводов с низкой укладкой труб и граничащих с ограждениями или другими зданиями и сооружениями, посаженными на грунт. На этих участках формируются островки многолетнемерзлых грунтов не обеспеченных зимним охлаждением [39].

мониторинга вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазодобывающего месторождения Геодезический мониторинг на Заполярном нефтегазодобывающем месторождении организован для обеспечения промышленной безопасности (устойчивости оснований и фундаментов, эксплуатационной надежности, предотвращения случаев загрязнения окружающей среды и возникновения взрывоопасных и пожароопасных ситуаций), посредством осуществления постоянного инструментального контроля за динамикой геокриологических условий грунтовых оснований и устойчивостью зданий, сооружений и технологического оборудования, в соответствии с требованиями нормативных документов [73,74].

Процесс геодезического мониторинга включает в себя:

изучение геотехнических условий строительства и эксплуатации;

выполнение систематических инструментальных наблюдений, обеспечивающих сбор информации, необходимой для диагностики состояния геотехнических систем и принятия управляющих решений;

выявление неблагоприятных экзогенных процессов, угрожающих устойчивости зданий и сооружений;

своевременное устранение причин недопустимых деформаций;

обобщение, систематизация и учет при строительстве и эксплуатации оснований и фундаментов в особо сложных геокриологических условиях.

Согласно Постановлению Правительства [54] геодезический мониторинг вертикальных деформаций зданий и сооружений месторождений не может быть однозначно отнесен только к геодезическим изысканиям, или к инженерно– геологическим изысканиям, или к проектированию и эксплуатации, это – специальный вид комплексного исследования. Таким образом, определения вертикальных деформаций зданий, сооружений и технологического оборудования осуществляется маркшейдерско–геодезической службой предприятия, а режимные наблюдения за геотемпературным состоянием грунтовых оснований – лабораторией мерзлоты.

Основой системы геодезического мониторинга является геотехническая система, которая была создана для получения данных о состоянии инженерных сооружений, которые, в свою очередь, необходимы для обоснования принятия технических управляющих решений. Система состоит из определения вертикальных деформаций зданий сооружений и контроля состояния грунтов оснований данных сооружений и площадок в целом. В состав стационарной геотехнической сети исследуемого объекта входят:

восемь, системно расположенных, грунтовых реперов (конструкция глубинного репера представлена на рисунке 3, схема расположения грунтовых реперов – рисунок 4);

Рисунок 4 Схема расположения грунтовых реперов деформационные марки, установленные на оголовках свай или в нижней части несущих конструкций (конструкция деформационных марок представлена на рисунке 5, пример схемы расположения деформационных марок – рисунок 6);

Рисунок 5 – Конструкции деформационных марок: а) уголок (40–50) мм;

б) сборная металлоконструкция в соответствии с [26] Рисунок 6 Пример схемы расположения деформационных марок наблюдательные термометрические и пьезометрические скважины (Конструкция термометрической скважины представлена на рисунке 7, схема расположения термометрических и пьезометрических скважин – рисунок 8) Рисунок 7 Конструкция термометрической скважины Рисунок 8 Схема расположения термометрических и пьезометрических Наблюдательные температурные скважины устанавливаются в контурах производственных и жилых зданий, крановых узлах и в непосредственной близости от газопроводов. Кроме того, на наблюдательных площадках устраиваются скважины для определения фоновых изменений температурного режима грунтов [74]. Наблюдательные температурные скважины в зданиях размещаются у внутренних и наружных несущих конструкций; в местах подвода коммуникаций и расположения тепловыделяющего оборудования скважины располагаются по створам. В случае применения охлаждающих устройств часть скважин располагается рядом с ними для оценки их эффективности. Если в контуре сооружений выделяется несколько участков с различными инженерно–геокриологическими условиями, то наблюдательные скважины обустраиваются на каждом участке.

Глубина температурных скважин назначается, исходя из размеров зоны активного теплового взаимодействия сооружения с грунтами оснований, и обычно составляет (10 20) м. В рамках осуществления государственного мониторинга состояния недр на объектах газовой промышленности в криолитозоне, на всех основных объектах обустраивается по одной контрольной скважине глубиной (35 40) м, и по одной контрольной скважине в аналогичных природных условиях за пределами промышленных площадок на расстоянии (12) км [74]. Для пресечения несанкционированного проникновения устья скважины оборудуются защитными устройствами (крышками, контейнерами). Наблюдательные гидрологические (пьезометрические) скважины устраиваются на участках, где встречены подземные воды или возможно обводнение грунтов оснований при эксплуатации сооружений. Глубина гидрогеологических скважин назначается таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственный доступ воды из водоносного горизонта в скважину, а так же возможность замера уровня температуры воды [74]. Для наблюдений за деформациями инженерных сооружений и прилегающей к ним территории предусматривается оборудование реперной сети и устройство стенных и грунтовых деформационных марок.

Глубинные реперы устанавливаются, возможно, ближе к наблюдаемым сооружениям, в местах, обеспечивающих их длительную сохранность и удобство для проведения измерений. Репер не должен размещаться в зонах теплового и механического воздействия сооружений, а так же на участках развития геокриологических процессов. Количество глубинных реперов обуславливается размерами и дислокацией объектов наблюдений. Длина привязочного хода между двумя реперами не должна превышать 200 метров. Для получения дополнительных данных о состоянии и температурном режиме территории, репер может быть обустроен аналогично термометрической скважине, либо рядом с репером располагают термометрическую скважину. Каждый репер обозначается порядковым номером, указывается организация и дата обустройства.

Сеть режимного нивелирования представляет собой систему деформационных марок, стационарно оборудованных на фундаментах, опорных конструкциях, технологическом оборудовании и трубопроводах. Сеть режимного нивелирования организуется таким образом, чтобы результаты замеров позволяли получать полную и кондиционную информацию об устойчивости сооружений, определять динамику развития деформаций, выполнять расчеты напряженно– деформированного состояния оборудования и трубопроводов. Особое внимание при создании сети режимного нивелирования уделяется технологическим трубопроводам, при деформации которых могут возникать недопустимые напряжения оборудования, находящегося под высоким давлением. Выбор мест расположения деформационных марок на опорных конструкциях оборудования и на самом оборудовании осуществляется с учетом необходимости контроля его перекосов в двух перпендикулярных плоскостях; для чего марки располагаются на жестких опорных конструкциях или на оборудовании как минимум, в четырех местах в их периферийной части. Расстояние между марками не должно превышать 10 метров, рекомендуется устанавливать марки через 6 метров. Перед выполнением реперного замера производится маркировка всей геотехнической сети согласно проектной документации.

Сбор информации выполняется в ручном режиме с помощью переносной измерительной аппаратуры. В соответствии с Регламентом [74], точные количественные показатели определяются только по результатам инструментальных обследований с использованием современной аппаратуры (в рамках геодезического мониторинга в районах распространения многолетнемерзлых грунтов это в обязательном порядке термометрия, геодезия, пьезометрия, гидрология).

Измерение температур выполняется в соответствии с требованиями ГОСТа [9] преимущественно в ручном режиме с помощью комплектов сертифицированной термокаротажной аппаратуры, оснащенных аналоговыми или цифровыми датчиками температуры с точностью измерения не ниже 0,1 °С четыре раза в год.

Применяется цифровая аппаратура с точностью измерения 0,05 °С, типа "ЛОГГЕР". Измерения деформаций ответственных сооружений выполняется в соответствии с требованиями ГОСТа [8] по II классу точности. Для геодезических измерений деформаций, в соответствии с Регламентом [73], должны использоваться современные цифровые нивелиры. На Заполярном нефтегазоконденсатном месторождении используется цифровые нивелиры Trimble DiNi 12. Измерения уровня грунтовых вод производится в пьезометрических скважинах хлопушкой с точностью не менее 5 см. Точность определения мощности при снегомерной съемке – не менее 10 % мощности снежного покрова. При мощности снежного покрова более 1 м допускается плотность снега не определять инструментально, а оценивать, особенно в массивах техногенного происхождения. Центральный пункт сбора информации организуется на сервере службы геодезического мониторинга и называется база данных геодезического мониторинга.

Наряду с инструментальным обследованием оснований и фундаментов зданий и сооружений выполняются визуальные исследования состояния строительных конструкций, отсыпок площадок и линейных сооружений. Отмеченные нарушения (деформации, трещины, отклонения от проектной конструкции и т.п.) документируются и фотографируются, при необходимости устанавливаются дополнительные деформационные маяки и марки. Результаты исследований заносятся в базу данных геодезического мониторинга.

По результатам измерений температуры строятся геотемпературные разрезы – рисунок 9, по вычисленным средним значениям температуры строятся геотемпературные карты – рисунок 10.

Рисунок 9 Геотемпературные разрезы исследуемого объекта Рисунок 10 – Геотемпературная карта исследуемого объекта По результатам определения вертикальных деформаций, в программе MicrosoftExcel, составляются ведомости отметок деформационных марок, пример ведомости представлен в таблице 1, в которых вычисляют вертикальную деформацию S каждой марки сооружения как разность отметок текущего и начального циклов измерений, а так же сравнивают отметки с предыдущим циклом.

Таблица 1 – Ведомость отметок деформационных марок № H(м) 1цикл H(м) 2цикл H(м) 3цикл H(м) 4цикл H(м) 5цикл dH=(5ц –4ц) dH=(5ц –1ц) марки 23.03.07г. 02.07.07г. 18.08.08г. 09.07.10г. 21.07.11г. (мм) (мм) По полученным отметкам, для визуализации и наглядности полученных результатов, строят графики вертикального движения деформационных марок за весь период наблюдений, на рисунке11 представлен пример графика.

Рисунок 11 – График вертикального движения деформационных марок По измерениям уровня грунтовых вод строятся карты глубин водонасыщенного грунта, на рисунке 12 представлен пример такой карты.

Рисунок 12 – Карта глубин водонасыщенного грунта По результатам снегомерной съемки строятся карты снежного покрова, на рисунке 13 представлен пример такой карты.

1.4 Виды работ при геодезическом мониторинге вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения К видам работ при проведении геодезического мониторинга вертикальных деформаций объектов Заполярного месторождения относятся:

закладка глубинных реперов;

закрепление деформационных марок;

определение исходных высот глубинных реперов на территории исследуемого объекта;

определение вертикальных деформаций фундаментов и оснований зданий и сооружений на территории исследуемого объекта.

Рассмотрим подробнее виды геодезических работ.

Закладка глубинных реперов. Глубинным репером называется геодезический знак, закладываемый в устойчивые, практически несжимаемые грунты на значительную глубину ниже поверхности земли, для долговременного сохранения высотной отметки, по отношению к которой на протяжении ряда лет измеряются отметки деформационных марок [3]. Фотография глубинного репера представлена на рисунке 14.

Зона деформации оснований сооружений распространяется на значительную глубину и ширину, поэтому проведение геодезического мониторинга вертикальных деформаций зданий и сооружений Заполярного нефтегазодобывающего месторождения, по мнению авторов [27,28,32,33], зависит от качества установленных знаков. В связи с этим вопросы длительной сохранности и устойчивости знаков имеют чрезвычайно большое значение [20].

В северной зоне многолетней мерзлоты устойчивость реперов может быть обеспечена, если нижнюю часть репера с якорем расположить в многолетнемерзлых грунтах, имеющих достаточно низкую температуру, на глубине (8–10) м. В южной зоне многолетней мерзлоты, по нашим исследованиям [27,32,33], устойчивость реперов не может быть обеспечена только глубиной, порядка (10–15) м.

При закладке реперов необходимо стремится, к наименьшему нарушению мерзлотного режима грунтов вблизи закладываемого репера. На исследуемом объекте, грунтовые репера, были заложены способами бурения и протаивания грунта, и согласно инструкции [20] включались в нивелирование I и II классов не ранее чем через год после их заложения.

По исследованиям [27,32,33] длительную сохранность глубинных реперов в южной зоне многолетнемерзлых грунтов трудно обеспечить. Неизменность положения, то есть устойчивость этих знаков нарушается под воздействием различных факторов. Правильный учет этих факторов и ослабление их влияния путем выбора мест и установление глубин закладки реперов, а также создание реперов более совершенных конструкций имеет важное значение [27,28,32,33].

Как оказалось, при закладке глубинных реперов, на Заполярном месторождении, данные факторы были учтены не в полном объеме, что привело к нестабильности реперов.

Установка деформационных марок. Деформационной маркой называется всякий временный или постоянный нивелирный знак, закладываемый в несущих конструкциях и изменяющий свое высотное положение вследствие деформации сооружения.

Деформационные марки для определения вертикальных перемещений, устанавливаются: в нижней части несущих конструкций по всему периметру здания (сооружения); внутри его; на стыках строительных блоков; по обе стороны деформационного или температурного шва; в местах примыкания продольных и поперечных стен, на поперечных стенах в местах пересечения их с продольной осью; на несущих колоннах; вокруг зон с большими динамическими нагрузками;

на участках; с неблагоприятными геологическими условиями [2]. Конкретное расположение деформационных марок на зданиях и сооружениях, а также конструкции марок определялись проектной организацией и маркшейдерско– геодезической службой, выполняющей работы в рамках геодезического мониторинга в соответствии с Регламентом [74]. При этом согласно ГОСТ [8] учитывались:

конструктивные особенности (форма, размеры, жесткость) фундамента зданий и сооружений;

статические и динамические нагрузки на отдельные их части;

ожидаемые величины деформаций и их неравномерность;

инженерно–геологические и гидрологические условия строительной площадки;

особенности эксплуатации здания или сооружения;

обеспеченность наиболее благоприятных условий производства работ по измерению деформаций.

Определение исходных высот глубинных реперов и вертикальных деформаций исследуемого объекта. Результаты геодезических наблюдений за деформациями любого наземного сооружения представляют в интегральной количественной форме объективную и точную информацию о сложном взаимодействии его конструкций с грунтовым основанием и внешней средой. Такая информация является основной для выявления путем математического моделирования закономерностей развития деформационных процессов, контролируемых не только геодезическими, но и комплексными натурными наблюдениями [14].

Перед тем как приступить к определению вертикальных деформаций фундаментов и оснований зданий и сооружений, согласно Регламенту [73] и ГОСТ [8], необходимо проложить нивелирные хода по программе нивелирования II класса в прямом и обратном направлении и определить высоты исходных глубинных реперов.

Перед производством работ выполняется юстировка цифровых нивелиров Trimble DiNi 12, так как повышенные нагрузки на нивелир в экстремальных условиях измерений, при транспортировке, а так же из–за больших перепадов температур могут привести к ошибочным результатам измерений.

В связи с загруженностью территории исследуемого объекта элементами инфраструктуры, такими как: эстакады, трубопроводы, системы пожаротушения и другими, для определения исходных отметок глубинных реперов и деформаций фундаментов и оснований зданий и сооружений, применяется метод высокоточного геометрического нивелирования коротким визирным лучом. Исследования метода нивелирования коротким лучом отражены в ряде работ [1,5,34,45 и других]. Метод позволяет определить взаимное положение по высоте двух точек, расположенных на расстоянии (10 – 15) м, со средней квадратической ошибкой (0,02–0,05) мм. Взаимное положение точек, удаленных на несколько сот метров, определяется со средней квадратической ошибкой порядка (0,1 – 0,2) мм [40]. Нивелирование на станции выполняется строго из середины. Неравенство плеч на станции по абсолютной величине не должно быть более 40 см. Наблюдения на станции выполняются в соответствии с инструкцией [20] II классом точности, по инварным прецизионным штрих–кодовым рейкам с двумя круглыми уровнями Zeiss LD12. Высота луча визирования над подстилающей поверхностью не менее 0,5 м. Применяется строго независимый контроль измерений на станции. Контроль измерений на станции состоит в сравнении с допуском разности превышений. Допуск устанавливается в настройках прибора в соответствии с инструкцией [20]. Основные технические характеристики и допуски для геометрического нивелирования принимаются в соответствии с ГОСТ [8].

Наблюдения на станции производится по программе строго симметричной во времени, которая предусматривает следующий порядок наблюдений: на нечетной отсчеты по передней рейке соответственно при первом и втором горизонтах инструмента. По исследованиям авторов работы [40] такая программа наблюдений наиболее эффективно обеспечивает ослабление систематических ошибок. При высотных измерениях используется метод осреднения результатов измерений (состоящих из кода и интерполированной величины) по двум 15 см интервалам рейки. Для точного распознавания реечных интервалов и их закодированной информации, необходимо, чтобы изображение рейки было четко сфокусировано на сетке нетей нивелира [58]. Обычно колебания фокусировки не оказывают существенного влияния на результат измерения.

Спецификой определения вертикальных деформаций зданий и сооружений Заполярного нефтегазодобывающего месторождения является то, что практически каждое здание, сооружение и технологическое оборудование нивелируют отдельными ходами, не связанными в полигоны. Поэтому невозможно выполнить совместное уравнивание этих нивелирных ходов. По завершению нивелирного хода выполняется уравнивание каждого отдельного хода по программе «Line adjustment»[58].

В рамках исследований были проложены нивелирные хода по программе нивелирования I класса в прямом и обратном направлении по реперам и деформационным маркам. По данным нивелирования были определены высоты глубинных реперов и вертикальные деформации зданий и сооружений. Сравнение полученных результатов при нивелировании I и II класса показало, что в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов получаются примерно одинаковые результаты.

Это обуславливается тем, что при нивелировании I классом точности, в этих условиях, данные быстро теряют свое значение, особенно в зимне–весенние периоды, когда идет массовое таянье снежного покрова. Если в нормальных условиях данные нивелирования могут сохраняться значительный период времени, то в условиях южной зоны многолетнемерзлых грунтов данные теряют свою актуальность в течение нескольких дней. Поэтому, на исследуемом объекте, не целесообразно применять нивелирование I класса.

Определение наиболее устойчивого репера. В процессе измерения вертикальных деформаций контроль устойчивости исходных реперов проводится в каждом цикле наблюдений в соответствии с ГОСТ [8].

На Заполярном нефтегазоконденсатном месторождении применяется следующая технология оценки наиболее устойчивого репера: за исходный репер принимается репер, определенный как наиболее устойчивый в предыдущем цикле наблюдений на основе обработки результатов нивелирования. При этом в текущем цикле наблюдений каждый из реперов сети последовательно принимается за исходный (неподвижный) и в выбранной системе отсчета вычисляются вертикальные смещения других реперов.

Репер, для которого сумма квадратов смещений минимальна, принимается за наиболее устойчивый. От него пересчитываются отметки остальных реперов. В дальнейшем при наблюдении за сооружениями используются пересчитанные уравненные отметки реперов.

Данный способ оценки устойчивости реперов вызывает сомнения в объективности результатов оценки устойчивости реперов. В рамках исследования был проведен дополнительный анализ устойчивости реперов с использованием других известных способов.

Определение деформаций фундаментов и оснований зданий и сооружений, расположенных на исследуемом объекте. Любое сооружение испытывает деформации, возникающие в связи с воздействием различных природных и антропогенных (техногенных) факторов, как на основание, так и на само сооружение. Накопление деформаций приводит к недопустимым изменениям – перемещениям зданий или отдельных его частей, что затрудняет нормальную его эксплуатацию и даже может привести к частичному или полному его разрушению. Различают следующие виды деформаций сооружений: прогиб, выгиб, сдвиг, крен, перекос, горизонтальное смещение [72]. Причины возникновения деформаций зданий и сооружений связаны в основном с неравномерностью проседания грунтов. Неравномерная осадка возникает в результате различного давления частей здания или сооружения и неодинаковой сжимаемости грунта под фундаментом. Это приводит к неравномерным смещениям надфундаментных конструкций, то есть к их деформации [72]. Что бы выявить характер проявления причинно–следственных связей, по мнению автора [14], необходимо рассматривать инженерные сооружения в системе «сооружение – среда». В этой системе объединяются три основные подсистемы: «сооружение», «грунтовое основание», «внешняя среда». При организации геодезических наблюдений указанная система дополняется подсистемой геодезических наблюдений.

По завершению нивелирных ходов по деформационным маркам зданий и сооружений и уравнивания выполняется передача данных из памяти прибора в память персонального компьютера по средствам data–кабеля и стандартного приложения Windows – HyperTerminal или специализированного приложения Trimble Data Transfer. Все данные сохраняются на сервере в базе данных, в соответствии с Регламентом [73]. После сохранения полученных данных составляют ведомости отметок деформационных марок, и развернутые графики вертикального движения деформационных марок, оформляют технический отчет. Полученные данные передаются в лабораторию мерзлоты, для совместной обработки системы «сооружение – среда» и принятия мер по обеспечению нормального режима работ Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения. После совместной обработки данных составляется ежегодный отчет: «Результаты геотехнического мониторинга инженерных объектов» и передается заказчику.

Табличная форма представления и графики, не всегда понятны заказчикам, и не достаточно наглядно отображает происходящий процесс деформаций, поэтому в работы по геодезическому мониторингу, на наш взгляд, необходимо включить построение планов деформационных полей. Пример плана деформационного поля по позиции №1 представлен на рисунке 15, на рисунке 16 представлена 3D модель деформационного процесса позиции № 30.

Рисунок 15 – Деформационное поле позиции № Рисунок 16 – 3D модель деформаций основания сооружения Таким образом, выполнен анализ принятой методики проведения геодезического мониторинга объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения, при этом выявлено, что:

для обеспечения промышленной безопасности (устойчивости оснований и фундаментов, эксплуатационной надежности, предотвращения случаев загрязнения окружающей среды, возникновения взрывоопасных и пожароопасных ситуаций) создана и функционирует система геодезического мониторинга;

геодезический мониторинг вертикальных объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения выполняется методом высокоточного геометрического нивелирования коротким визирным лучом с применением цифрового нивелира Trimble DiNi12;

исследуемое месторождение расположено в сложных геокриологических и природно–климатических условиях, характеризующихся большой величиной снежного покрова, постоянным ветром различной силы, большим диапазоном температур, влияющих на величину вертикальных деформаций и точность нивелирования;

геодезический мониторинг вертикальных деформаций объектов Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения выполняется в разный период времени, не связанный с измерениями температуры грунтового основания объектов;

способ определения наиболее устойчивого глубинного репера, принятый на производстве не является оптимальным;

конструкция установленных глубинных реперов не обеспечивает их устойчивости.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДИКИ

ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЗАПОЛЯРНОГО НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Исследование влияния гидрометеорологических факторов на величины вертикальных деформаций зданий и сооружений Здания, сооружения и технологическое оборудование Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения испытывают разные нагрузки на фундаменты и основания, следовательно, имеют различные значения вертикальных деформаций.

Для исследований использовались результаты определения вертикальных деформаций внутриплощадочных сетей эстакад, произведенных в 2009 – 2011 гг. Эстакада – протяжнное инженерное сооружение, состоящее из ряда однотипных опор и пролтов, предназначенное для прокладки технологических трубопроводов.

Сеть эстакад может быть расположена в разных условиях мощности снежного покрова, водонасыщенности и температуры грунтов, при этом испытывать одинаковую нагрузку на фундаменты и иметь большое количество деформационных марок. Исходные данные для выявления зависимостей, представлены в Приложении А. По многолетнему опыту [38] величина снежного покрова влияет на развитие двух процессов с противоположными знаками: термокарст (–) и сезонное пучение (+), поэтому величины деформаций возводятся в квадрат.

Сопоставляя схемы расположения деформационных марок сетей эстакад, представленные на рисунке 17, с геотемпературными картами, картами мощности водонасыщенного грунта и картами снежного покрова, представленных на рисунках 18, 19, 20, заполняются столбцы 3, 4, 5 Приложения А (таблица А.1 – А.5).

– деформационная марка и ее порядковый номер;

– термометрическая скважина и ее номер.

Рисунок 17 – Фрагмент схемы расположения деформационных марок Рисунок 18 – Фрагмент карты глубин водонасыщенного грунта Рисунок 19 – Фрагмент карты снежного покрова Рисунок 20 – Фрагмент геотемпературной карты По полученным в 2009 – 2011 гг. данным, представленным в Приложении А, построены точечные диаграммы (рисунки 21 – 23), на которые нанесены линии тренда. Для каждой линии тренда получены уравнения регрессии и оценена достоверность аппроксимации (.

Рисунок 21 – Зависимость величины вертикальной деформации от мощности Рисунок 22 – Зависимость величины вертикальной деформации от средней Зависимости глубины водонасыщеннго грунта и средней температуры грунтов от мощности снежного покрова представлены в Приложении Б.

Рисунок 23. Зависимость величины вертикальной деформации от глубины В результате исследований установлено, что зависимость между величинами вертикальных деформаций и мощностью снежного покрова, хорошо описывается (достоверность аппроксимации R = 0,6) линейной функцией вида Зависимость величины вертикальной деформации от средней температуры грунтов за несколько лет (2009–2011гг) описывается уравнением с величиной достоверности аппроксимации R = 0,6.

Зависимость величины вертикальной деформации от глубины водонасыщенного грунта за несколько лет (2009–2011гг.) описывается уравнением:

с величиной достоверности аппроксимации R = 0,7.

По полученным линейным зависимостям, сделан прогноз влияния мощности снежного покрова, средней температуры и глубины водонасыщенного грунта на величины деформаций. Установлено, что величина снежного покрова равная одному метру вызывает деформации равные 6,3 мм. Поэтому в южной зоне многолетнемерзлых грунтов, необходимо очищать от снежного покрова территории объектов геодезического мониторинга, это обеспечит надежность и устойчивость их фундаментам и основаниям.

За период с 2012 по 2013 года нефтегазодобывающим управлением не было принято мер по решению вопроса об дополнительной отчистки исследуемых территорий от снежного покрова. Средняя мощность снежного покрова за эти года была примерно равна предыдущим годам. Полученные уравнения зависимости влияния величины вертикальных деформаций от мощности снежного покрова, средней температуры и водонасыщенности грунтов подтвердились и описываются уравнениями (3) – (5).

Данные исследования показали, что в южных зонах области многолетнемерзлых грунтов, факторы системы «сооружение – среда» имеют значительное влияние на величину вертикальных деформаций и изучения деформаций необходимо проводить в этой системе.