«ШИШКИН Иван Владимирович РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ГАЗОПРОВОДОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Специальность - 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ Диссертация на соискание ...»

ФИЛИАЛ ОБЩЕСТВА С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ – ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ

В Г. УХТА

На правах рукописи

ШИШКИН Иван Владимирович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ

ГАЗОПРОВОДОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Специальность - 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, А.С. Кузьбожев Ухта

СОДЕР ЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР И АНАЛИЗ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

1.

ГАЗОПРОВОДОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Анализ физико-механических характеристик мерзлых грунтов

1.1.

Строение мерзлых грунтов

1.2.

1.2.1. Особенности формирования основных типов криогенных текстур

1.2.2. Простые криогенные текстуры

1.2.3. Слоистые текстуры

Физико-механические характеристики мерзлых грунтов

1.3.

1.3.1. Плотность и объемный вес

1.3.2. Влажность и льдистость

Мерзлотные явления и процессы

1.4.

1.4.1. Морозное пучение

1.4.2. Сезонное промерзание и сезонное оттаивание грунтов

Обзор и анализ методов контроля физико-механических свойств мерзлых 1.5.

грунтов

1.5.1. Методы электроразведки постоянным током

1.5.2. Электропрофилирование методом кажущегося сопротивления

1.5.3. Вертикальное электрическое зондирование

1.5.4. Радиолокационное зондирование

1.5.5. Сейсмоакустические методы исследований свойств грунтов

Обзор и анализ методов диагностирования положения газопроводов в 1.6.

многолетнемерзлых грунтах

1.6.1. Физическая сущность методов

1.6.2. Анализ погрешностей методов в многолетнемерзлых грунтах

Выбор и обоснование метода георадиолокации для контроля свойств мёрзлых 1.7.

грунтов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ

2.

ГРУНТОВ И АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ГАЗОПРОВОДОВ........... Характеристика участков газопроводов

2.1.

Геокриологические особенности участков проведения исследований.......... 2.2.

Результаты исследования температуры грунтов на участках прокладки 2.3.

газопровода

2.3.1. Методика обустройства скважин для измерения температуры грунтов................ 2.3.2. Результаты измерения температуры грунта и их анализ

Результаты экспериментального определения физических характеристик 2.4.

мерзлых грунтов

Анализ конструктивных особенностей газопровода Бованенково-Ухта, оценка 2.5.

возможности их диагностирования

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ГАЗОПРОВОДОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Основные характеристики радиолокационного метода

3.1.

3.1.1. Глубинность, разрешающая способность и детальность метода

3.1.2. Отражения от объектов

3.1.3. Разрешающая способность георадара по расстоянию

3.1.4. Разрешающая способность георадара в плане

3.1.5. Волновая картина и способы ее отображения

3.1.6. Особенности обработки данных георадиолокационных исследований................. 3.1.7. Особенности интерпретации данных георадиолокационных исследований......... Физические основы метода георадиолокации

3.2.

Виды георадиолокационных антенн

3.3.

3.3.1. Неэкранированные дипольные антенны

3.3.2. Щелевые и экранированные дипольные антенны

3.3.3. Антенны бегущей волны

Разработка общих требований к георадиолокационному диагностированию 3.4.

газопроводов

3.4.1. Планирование и организация диагностирования

3.4.2. Выбор размера участка и длины профилей

3.4.3. Определение расстояния между профилями

Методика георадиолокационного диагностирования участков газопроводов в 3.5.

мерзлых грунтах

3.5.1. Выбор схемы сканирования

3.5.2. Порядок проведения исследований

3.5.3. Подготовка к проведению исследований

3.5.4. Порядок обработки и интерпретация результатов

Адаптация георадиолокационного метода для диагностирования особенностей 3.6.

газопровода в многолетнемерзлых грунтах

3.6.1. Применяемое оборудование

3.6.2. Характеристика участка газопровода Бованенково-Ухта, 25,3 км

3.6.3. Определение типа грунтов и выделение границы талый – мерзлый грунт на основе скоростного анализа

3.6.4. Обоснование оптимальной частоты экранированных антенн

3.6.5. Исследование информативных признаков выявления конструктивных особенностей газопроводов

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ГАЗОПРОВОДОВ

ПРИ ИЗМЕНЕНИИ СВОЙСТВ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Анализ нормативных требований к прочности подземных магистральных 4.1.

газопроводов

Нормативные требования

Постановка задач расчета, исходные данные

4.2.

Схемы перемещений газопровода в оттаивающих грунтах

4.3.

Нагрузки и воздействия на газопровод в мерзлых и оттаивающих нестабильных 4.4.

грунтах

Особенности поведения участков газопровода в нестабильно мерзлых грунтах 4.5.

Расчетная схема осадки газопровода при оттаивании мерзлых грунтов.... 4.6.

Расчетная схема всплытия и выпучивания газопровода при оттаивании мерзлых 4.7.

грунтов

Расчетное обоснование требований к участкам осадки газопроводов при 4.8.

оттаивании мерзлых грунтов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обеспечение надёжности эксплуатации газопроводов за счет поддержания их устойчивости в многолетнемерзлых грунтах является первоочередной актуальной задачей газотранспортных предприятий и обеспечивается комплексом мероприятий, направленных на предупреждение и своевременное устранение нарушений устойчивого положения газопроводов.

Нарушение устойчивого положения северных магистральных газопроводов (МГ), связано с оттаиванием окружающих их многолетнемерзлых грунтов, которое может происходить вследствие теплового взаимодействия газопровода с мерзлым грунтом, формирования ореола оттаивания вокруг МГ или сезонного оттаивания грунтов. При оттаивании многолетнемерзлого грунта возможно значительное снижение его несущей и балластирующей способности, что может приводить к всплытию или просадке участков газопровода.

Диагностирование положения газопровода в многолетнемерзлых грунтах существующими индукционными методами поиска трассы характеризуется значительной погрешностью, вызванной экранирующим эффектом слоев мерзлого грунта высокого электрического сопротивления. Кроме того, одним из мешающих факторов для трассоискателей является наличие на газопроводе технических устройств – балластирующих грузов различных конструкций, теплоизоляционного покрытия, геомодулей и грунтозадерживающих барьеров и других.

Для контроля несущей и балластирующей способности многолетнемерзлого грунта в траншее подходят методы исследования их физико-механических свойств. Среди них наибольшее распространение получили методы электроразведки, сейсморазведки, гравиразведки и другие, которые достаточно эффективно применяются на глубинах в десятки и сотни метров. Однако, при контроле относительно небольших по размерам грунтовых массивов, в частности грунта засыпки газопровода в траншее, методы имеют недостаточную разрешающую способность.

В наибольшей степени для этих целей подходит георадиолокационный метод, однако до настоящего времени на газопроводах, проложенных в многолетнемерзлых грунтах, метод не применялся. Также отсутствует расчетное обоснование прочности и устойчивости газопроводов при оттаивании мерзлых грунтов, текущие характеристики которых получают при диагностировании. Поэтому развитие методов оценки устойчивости газопроводов в многолетнемерзлых грунтах, является актуальной задачей.

Цель работы: Развитие методов диагностирования и оценки устойчивости газопроводов в многолетнемерзлых грунтах для повышения надёжности при эксплуатации.

Задачи исследования:

- выполнить анализ физико-механических свойств многолетнемерзлых грунтов в зависимости от геокриологических условий прокладки газопроводов;

- исследовать сезонные изменения температуры многолетнемерзлых грунтов обвалования газопроводов на начальном этапе эксплуатации в условиях полуострова Ямал;

- определить критерии выявления георадиолокационным методом глубины сезонного оттаивания грунта, участков газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами с малой несущей и балластирующей способностью, - определить критерии выявления георадиолокационным методом балластирующих грузов различных конструкций, грунтозадерживающих барьеров, геомодулей;

- разработать рациональные схемы георадиолокационного диагностирования участков газопроводов в многолетнемерзлых грунтах;

- выполнить расчетное обоснование прочности и устойчивости газопроводов при изменении свойств мерзлых грунтов на основе данных диагностирования.

Научная новизна:

Экспериментально обоснованы диапазоны скорости радиоволновых отражений георадиолокационного метода для основных типов грунтов засыпки газопровода в траншее, критерии выявления границы сезонного оттаивания многолетнемерзлого грунта в траншее газопровода в интервале 0,050-0,055 м/нс, соответствующего талому грунту, 0,123м/нс – мерзлому грунту.

Экспериментально обоснованы рациональные схемы георадиолокационного сканирования: с дискретной установкой антенн по профилю с шагом не более 0,5 м на пересеченной местности; непрерывное сканирование с автоматизированным датчиком перемещения на равнинных участках, при которых выявляется не менее 85 % конструктивных особенностей газопровода.

Найдены среди стандартного ряда частот 90-2000 МГц оптимальные величины частоты экранированных антенн для выявления: глубины заложения газопровода, балластирующих устройств, подземных льдов в диапазоне 250-270 МГц, слоя сезонного промерзания – оттаивания, стенок и дна траншеи газопровода - 100 МГц.

На основе расчетного анализа прочности и устойчивости подземного газопровода с рабочим давлением 11,8 МПа при изменении свойств мерзлых грунтов определена критическая протяженность участков газопровода с толщиной стенки 26,4 и 27,7 мм при которой невозможна его безопасная эксплуатация вследствие развития процессов всплытия или осадки.

Защищаемые положения:

- экспериментальное обоснование методов прогнозирования сезонного изменения свойств многолетнемерзлых грунтов засыпки газопровода;

- экспериментальное обоснование георадиолокационного метода контроля позволяющего оценивать балластирующую и несущую способность многолетнемерзлых грунтов, выявлять конструктивные особенности газопроводов;

- экспериментальное обоснование рациональных схем георадиолокационного метода диагностирования и оптимального двухчастотного диапазона контроля;

- расчетное обоснование метода оценки прочности и устойчивости газопроводов при изменении свойств мерзлых грунтов.

Практическая ценность работы заключается в разработке Рекомендаций ОАО «Газпром» «Порядок мониторинга геокриологических условий прокладки и обеспечения устойчивости газопроводов в нестабильных грунтах с малой несущей способностью», устанавливающих требования к работам по георадиолокационному диагностированию многолетнемерзлых грунтов и технических конструкций обустройства газопровода, методам расчетного обоснования прочности и устойчивости газопроводов в многолетнемерзлых грунтах.

Разработанные рекомендации внедрены на начальном этапе эксплуатации газопроводов Бованенково-Ухта на 15 участках, из которых выделено 2 участка с существенным сезонным изменением свойств многолетнемерзлых грунтов, требующих проведения периодического мониторинга устойчивого положения газопроводов.

По результатам промышленного внедрения работ рассчитан ожидаемый экономический эффект (индекс эффективности не менее 8,5) в ООО «Газпром трансгаз Ухта», достигаемый за счет снижения риска потенциального разрушения газопроводов вследствие внедрения информативных методик диагностирования устойчивого положения газопроводов, своевременного выявления и устранения скрытых нарушений устойчивости.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

2012 г.);

- V Межд. научн.-техн. конф. «Газотранспортные системы: настоящее и будущее»

(GTS-2013), (Газпром ВНИИГАЗ, г. Москва, 29-30 окт. 2013 г.);

- V науч.-практ. молод. конф. «Новые технологии в газовой отрасли. Актуальные проблемы развития газотранспортной системы. Экология на производстве» (ИТЦ Газпром трансгаз Ухта, г. Ухта, 26-28 июня 2013 г.);

- Межрегион. семинаре «Рассохинские чтения» (УГТУ, г. Ухта, 8-9 февраля 2013 г., 6-7 февраля 2014 г.);

- Всерос. конф. молод. уч-х, спец-ов и студ-ов «Новые технологии в газовой промышленности» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва, 8-11 октября 2013 г.);

- совещаниях и научно-технических советах ООО «Газпром трансгаз Ухта», Ученых советах филиала ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта за период 2010-2014 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 5 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ и 1 патент РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 159 страниц текста, 54 рисунка, 15 таблиц и список литературы из наименований.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ГАЗОПРОВОДОВ В

МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Анализ физико -механических характеристик мерзлых грунтов 1.1.

Мерзлыми называют грунты, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед, который цементирует минеральные частицы или заполняет пустоты, поры и трещины. К ним могут относиться:

- дисперсные грунты (обломочные, песчаные, глинистые, торфяные);

- трещиноватые или выветрелые магматические, метаморфические и сцементированные осадочные породы.

Грунты, имеющие отрицательную температуру и влажность, меньшую, чем количество незамерзшей воды при данной температуре, но не содержащие льда, называются морозными [2,3].

Мерзлые и морозные грунты, могут значительно различаться по составу, криогенному строению, типу криогенеза, криогенному возрасту, температурному режиму, мощности, льдистости и другим характеристикам.

Дисперсные мерзлые грунты являются наиболее сложным объектом исследований и представляют собой многокомпонентные многофазные капиллярно-пористые или коллоидные грунтовые системы. Влага в них обычно находится в трех агрегатных состояниях: в виде льда, пара и незамерзшей воды. Незамерзшая вода - это часть невымерзшей связанной воды, содержание которой с понижением отрицательной температуры уменьшается. При этом лед и незамерзшая вода находятся в постоянном динамическом равновесии. Так, при повышении отрицательной температуры лед подплавляется и пополняет запасы незамерзшей воды, а при понижении температуры происходит увеличение льдосодержания в грунте за счет постепенного вымерзания незамерзшей воды. Следовательно, мерзлый грунт является высокодинамичной системой, реагирующей на любое изменение внешних термодинамических условий. Промерзшие дисперсные грунты при этом отличаются от немерзлых, прежде всего своей монолитностью, т. е. сцементированностью минеральных частиц льдом и наличием особых (криогенных) структуры и текстуры.

Все это обусловливается фазовым переходом грунтовой воды в лед при промерзании и сопровождается целым рядом сложных физико-химических процессов [4].

Промерзание дисперсных грунтов с миграцией влаги приводит к их дифференциации (сегрегации) на массивно-мерзлую (скелетно-минеральную) часть и визуально фиксируемые прослои миграционно - сегрегационного льда, формирующие специфическую криогенную текстуру (слоистую, сетчатую, порфировидную, линзовидную и др.). Если в мерзлом грунте лед в виде визуальных прослоев и отдельных включений отсутствует, а заполняет лишь ее поровое пространство в виде льда-цемента, то формируется бесшлировая криогенная текстура, называемая массивной [5].

Существенные различия мерзлых и немерзлых грунтов связаны с их химикоминеральным составом и дисперсностью, что обусловлено спецификой протекания в криолитозоне геохимических процессов и выветривания. Например, дисперсные грунты, сцементированные льдом, характеризуются повышенным содержанием углекислоты, отчетливо выраженной восстановительной обстановкой и кислой средой.

На территориях распространения многолетнемерзлых грунтов широко развиты подземные льды, которые встречаются в мерзлых грунтах в виде самостоятельных ледяных образований. Наибольшим распространением при этом пользуются повторно-жильные льды, формирующиеся по морозобойным (температурным) трещинам, ледяные тела в буграх пучения, пластовые залежи льда и др.

По длительности пребывания в мерзлом состоянии выделяют три разновидности грунтов [6]:

1) Кратковременномерзлые, которые существуют часы или сутки, а их мощность составляет несколько сантиметров или десятков сантиметров от поверхности;

2) Сезонномерзлые, существующие в течение нескольких месяцев и имеющие мощность от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров;

3) Многолетнемерзлые, которые существуют годы, сотни и тысячи лет и имеют мощность до многих сотен метров.

Периодическое изменение температуры поверхности грунтов в течение года приводит к изменению теплового состояния их приповерхностных слоев. В зависимости от среднегодовой температуры грунтов, происходит их сезонное промерзание (в районах, где многолетнемерзлые грунты отсутствуют) или оттаивание (для грунтов с отрицательной среднегодовой температурой). Глубина сезонного промерзания и сезонного оттаивания обычно изменяется от десятков сантиметров до нескольких метров [5,6].

Особенности формирования основных типов криогенных текстур Формирование криогенных текстур в первую очередь определяется составом грунтов, а также их строением и условиями промерзания-оттаивания. В зависимости от первоначального строения различают текстуры, образовавшиеся в однородных и неоднородных грунтах: в первом случае формируются наложенные криогенные текстуры, а во втором - унаследованные. В зависимости от гранулометрического и химико-минерального состава грунтов, условий их промерзания образуются криогенные текстуры различных типов и видов. Ведущим процессом, определяющим разнообразие криогенных текстур, является миграция влаги. Плотность миграционного потока влаги и время его действия определяют мощность прослоев льда, а интенсивность потока – их частоту и ориентировку [6, 7].

Наложенные криогенные текстуры возникают обычно в относительно однородных (до промерзания) грунтах под влиянием процесса промерзания и не связаны с особенностями первичного (исходного) сложения немерзлых грунтов. Среди наложенного типа криогенных текстур промерзающих грунтов в зависимости от наличия, формы и расположения в них ледяных прослоев обычно выделяют [8]:

- простые криогенные текстуры, образуемые включениями льда одной формы;

- слоистые текстуры (горизонтальная, волнистая, косая и др.), образованные удлиненными линзами, ориентированными в одном направлении и параллельными друг другу;

- сетчатые текстуры (ячеистая, плетенчатая, сетчатая и др.), образуемые пересекающимися удлиненными шлирами льда и создающими в мерзлом массиве решетчатые формы;

- сложные криогенные текстуры, образуемые шлирами льда различной формы и величины (объединяющие в себе несколько видов простых криогенных текстур, наложенных друг на друга).

К простым криогенным текстурам относятся (таблица 1.1) [7]:

- массивная текстура, которая широко распространена в природе и образуется льдом-цементом. Лед-цемент присутствует в грунте в виде кристаллов, заполняющих полностью или частично поровое пространство. Льдистость глинистых отложений за счет льда цемента не превышает критической влажности;

- базальная текстура, свойственная распученным грубозернистым и обломочным породам, промерзающим в условиях полного водонасыщения, когда частицы и обломки породы погружены в лед и не соприкасаются между собой;

Таблица 1.1 – Основные типы криотекстур Условное обозначе- Условия, необходимые для образования текстур Корковая Волнистая Плетенчатая Продолжение таблицы 1.1 – Основные типы криотекстур Условное обозначе- Условия, необходимые для образования текстур - корковая текстура, свойственная крупнообломочным породам. Не выдержанные по толщине корки и линзы льда образуются вокруг обломков, валунов, щебенки в связи с проявлением анизотропной теплопроводности между обломочным материалом и вмещающим грунтом в процессе промерзания;

- порфировидная текстура, создаваемая изотермичными кристаллами льда в грунте в виде гнезд, вкраплений неправильной формы. Эта текстура формируется в грунтах разного состава, в том числе в торфе, в условиях небольшого их увлажнения.

Массивная криогенная текстура формируется в случае [6, 7]:

а) несоблюдения физико-механических условий сегрегационного льдовыделения (при промерзании не может быть преодолено сопротивление грунта на разрыв), б) невыполнения теплофизических условий криотекстурообразования.

Последний случай обычно реализуется либо в результате быстрого промерзания водо - и неводонасыщенных дисперсных грунтов, либо в результате промерзания с любой скоростью слабовлажных тонкодисперсных или грубо - и крупнодисперсных разностей грунтов, когда миграция влаги практически отсутствует, а находящаяся в порах грунтовая вода фиксируется процессом промерзания на месте.

Формирование массивной криогенной текстуры возможно при наличии миграции влаги в промерзающих грунтах, т. е. при соблюдении теплофизических условий сегрегационного льдовыделения. При достаточном развитии процесса миграции влаги из талой в промерзающую часть грунта такой случай может быть обусловлен только невозможностью преодоления локальной прочности грунта развивающимися в грунте напряжениями.

Массивная криотекстура может образовываться и в том случае, если в промерзающем грунте, возможно, было бы преодоление локального сцепления грунта и образование, например, слоистой криогенной текстуры, но наличие существенной внешней нагрузки на грунт препятствует этому [8].

Наложенная слоистая криогенная текстура при промерзании дисперсных грунтов образуется при соблюдении теплофизического и физико-механического условий формирования параллельных фронту промерзания сегрегационных прослоев льда. Условие же образования вертикальных ледяных шлиров при этом не выполняется. Этот тип текстуры преимущественно развит в тонкодисперсных грунтах (супеси, суглинки, глины), но иногда встречается и в пылеватых песках. Зарождение и рост слоистой криогенной текстуры происходят обычно в интервале отрицательных температур от минус 0,24 до минус 3С [4].

Слоистые текстуры, в зависимости от взаимной ориентации ледяных прослоев подразделяются на (таблица 1.1) [5]:

По сравнению с другими типами шлировой криогенной текстуры слоистая криотекстура развита в естественных условиях более часто и наиболее отчетливо проявляется при малых скоростях промерзания. Возникающие в этом случае значительные скалывающие напряжения оказываются достаточными для преодоления локальной прочности грунта на сдвиг и зарождения в еще талой иссушающейся части грунта параллельных фронту промерзания зон «концентрации» скалывающих объемно-градиентных напряжений. Зарождению таких зон в значительной степени благоприятствует процесс структурообразования, приводящий к организации у большинства природных грунтов плоских структурных отдельностей - агрегатов плитчатой формы. Это обусловливает образование в талой и промерзающей частях грунта большого числа параллельных фронту промерзания «дефектных» зон, являющихся границами структурных отдельностей.

В процессе продолжающегося промерзания после развития горизонтальных зон «концентрации» напряжений и попадания их в промерзающую зону, они скачкообразно превращаются в льдонасыщенные. Здесь преодолевается структурное сцепление грунта и формируются отдельные тонкие линзы и короткие шлиры льда, различимые только под микроскопом. В последующем, при соответствующей скорости промерзания и наличии миграции влаги, происходит увеличение их размеров в ширину и длину, слияние между собой и образование единого и протяженного, параллельного фронту промерзания прослоя льда, который уже отчетливо прослеживается визуально. Ниже этого шлира еще в период его роста происходит зарождение нового сегрегационного прослоя и т.д. [9].

После того, как сформировался нижерасположенный прослой льда, он становится своеобразным прерывателем потока влаги из талой зоны грунта к вышележащему ледяному прослою, скорость роста которого в итоге замедляется, хотя и не прекращается вовсе. Прослои еще долгое время продолжают увеличиваться. Возможно также образование шлиров второй генерации в уже мерзлом грунте. Однако это происходит уже не за счет подтока воды из талой зоны, а за счет запасов незамерзшей влаги грунта, пополняющихся в результате подплавления порового льда и льда располагающихся ниже ледяных прослоев.

Очевидно также, что на взаиморасположение ледяных шлиров в грунте, промерзающем по типу слоистой криогенной текстуры, существенное влияние оказывает прежде всего состав, структурно-текстурные и геолого-генетические особенности грунтов. При одинаковых условиях промерзания различные грунты будут характеризоваться не только различием в плотности миграционного потока влаги к фронту льдовыделения в интенсивности льдонакопления, но и существенным различием в величинах и характере развития объемноградиентных напряжений и деформаций усадки, набухания - распучивания, в мощности зоны иссушения и области роста шлира и др. [10].

Физико-механические характеристики мерзлых грунтов 1.3.

Объемный вес мерзлого дисперсного грунта представляет собой вес единицы объема в естественном, ненарушенном состоянии и в большой степени зависит от его льдистости, поэтому рекомендуется определять его расчетным методом. Для этого определяют удельный вес грунта, суммарную влажность (с), количество незамерзшей воды (н) при данной температуре, а затем, принимая, что все поры грунта заполнены льдом и незамерзшей водой, рассчитывают объемный вес () мерзлого грунта по формуле [11, 12];

где 0,9 – удельный вес льда; – удельный вес минеральной части грунта; с – суммарная влажность мерзлого грунта в % к сухой навеске; н – количество незамерзшей воды в % к сухой навеске.

Зная объемный вес мерзлого дисперсного грунта () и его удельный вес, можно определить относительную пористость или коэффициент пористости мерзлого дисперсного грунта [13]:

Суммарная влажность мерзлого грунта с выражается в долях единицы и принимается равной отношению всех видов воды и льда, содержащихся в мерзлом грунте, к массе сухого грунта (а для засоленных грунтов - к массе сухого грунта и содержащихся в нем солей) [12]:

где в – влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, т. е. линз и прослоек льда; н – то же, за счет порового льда, т. е. льда, находящегося в порах грунта и цементирующего минеральные частицы; н – то же, за счет содержания незамерзшей воды при данной температуре; г – влажность мерзлого грунта между ледяными включениями (принимается равной отношению содержащихся в мерзлом грунте воды за счет льдацемента ц и незамерзшей воды н к массе сухого грунта). Величину н определяют опытным путем [.

При отсутствии опытных данных влажность г для незасоленных грунтов можно принимать равной р + 0,03 (где р – влажность на границе раскатывания).

Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды (содержание незамерзшей воды) определяют опытным путем как отношение массы незамерзшей при данной отрицательной температуре воды к массе сухого грунта. Наличие незамерзшей воды в грунте связано с тем, что минеральные частицы, обладая большой поверхностной энергией, взаимодействуют с водой, изменяя ее структуру, состав и свойства. Такая адсорбированная на поверхности минеральных частиц вода имеет особые свойства и не замерзает при отрицательной температуре. Поровый лед в мерзлом грунте также обладает значительной поверхностной энергией и гидрофильностью и становится причиной образования вблизи поверхности тонкого слоя промежуточной фазы влаги. Количество незамерзшей воды зависит от температуры, гранулометрического, химического и минерального состава грунта [13].

С уменьшением средних размеров частиц и повышением дисперсности содержание незамерзшей воды увеличивается в связи с ростом удельной активной поверхности грунтов. Поэтому при одной и той же температуре н песков значительно меньше, чем супесей и глин. Наиболее важная характеристика фазового состава воды в мерзлом грунте – его зависимость от температуры. При понижении температуры количество незамерзшей воды уменьшается. Выделяют три характерные области:

1) интенсивных фазовых переходов, в которой изменение весовой влажности (содержание незамерзшей воды) при изменении температуры t на 1 °С составляет более %. Величина термоградиентного коэффициента t = н /t здесь составляет 0,5°С-1. В этой области, расположенной вблизи 0 °С, вымерзает вся свободная и слабосзязанная вода. Границы области соответствуют температуре замерзания грунта и температуре замерзания рыхлосвязанной воды;

2) слабоинтенсивных фазовых переходов, для которой 0,2 > t > 0,02°С-1. Границы области соответствуют температуре замерзания рыхло- и прочносвязанной воды;

3) область, в которой фазовые переходы отсутствуют практически полностью, t < 0,02°С-1, а температура ниже температуры замерзания прочносвязанной воды.

Содержание незамерзшей воды и льда во многом зависит от засоленности мерзлых грунтов. Влияние засоленности на фазовый состав влаги определяется концентрацией и химическим составом солей. Графики зависимости содержания незамерзшей воды в грунтах от их состава и температуры приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Зависимости содержания незамерзшей воды в незасоленных грунтах Содержание незамерзшей воды в грунтах определяется экспериментально калориметрическим, криоскопическим, контактным, гигроскопическим и другими методами [12].

При отсутствии экспериментальных данных или необходимости получения экспресс - информации о фазовом составе воды на основе имеющейся первичной оценки характеристик мерзлого грунта могут быть использованы расчетные методы. При этом всегда подразумевается, что экспериментальные методы дают точную информацию, а расчетные – лишь ориентировочные оценки. Влажность за счет незамерзшей воды может быть рассчитана по выражению [14, 15]:

где — коэффициент, принимаемый в зависимости от числа пластичности L p и температуры грунта t.

В таблице 1.2 значения,, аппроксимированы уравнениями [16].

Таблица 1.2 – Значения коэффициента в зависимости от состава и температуры грунтов Пески и супеси Суглинки Суммарная льдистость (Лс) мерзлого грунта определяется как соотношение объёма всех видов содержащегося в нём льда (ледяных включений и льда-цемента) к объёму мёрзлого грунта. Льдистость мёрзлого грунта за счёт ледяных включений (Л в) - это отношение объёма включений льда (линз, прослоек) к общему объему мерзлого грунта. Величины Лс и Лв определяют на основе экспериментально установленных значений влажности и плотности мерзлого грунта по следующим выражениям [17]:

где Лц – льдистость льда за счет порового льда-цемента (в долях единицы); s – плотность частиц грунта, кг/см3; м – плотность грунта в мёрзлом состоянии, кг/м3; л – плотность льда, принимаемая равной 0,0009 кг/см3.

Также различают весовую льдистость (iв) – отношение веса льда к весу скелета, выраженную в долях единицы, и объемную льдистость (iоб) – отношение объема льда к объему мерзлого грунта в долях единицы [18-21].

Существует понятие так называемой относительной льдистости - отношение веса льда к суммарной влажности [19]:

В некоторых случаях есть необходимость при оценке влажностного режима мерзлых дисперсных грунтов учитывать такие влагообменные характеристики, как влагоемкость, влагопроводность и диффузивность, или потенциалопроводность. Для мерзлых дисперсных грунтов весьма важно знать влагоемкость после их оттаивания в связи с тем, что их льдистость может быть больше полной влагоемкости и в процессе оттаивания могут произойти осадки от собственного веса. Одновременно с этим необходимо учесть набухание грунта при оттаивании. Если набухание имеет место, то осадка грунта при оттаивании в этом случае будет меньше [20].

Мерзлотные явления и процессы 1.4.

Область распространения сезонно - и многолетнемерзлых грунтов характеризуется развитием разнообразных экзогенных геологических процессов, которые подразделяются на следующие группы [22-36]:

- первая группа представлена морозобойным растрескиванием, жильным льдообразованием, криогенным выветриванием, морозным пучением, термокарстом;

- вторая группа объединяет склоновые процессы, обусловленные в первую очередь действием сил гравитации (солифлюкция и курумообразование);

- процессы третьей группы связаны с механическим воздействием на мерзлые грунты экзогенных агентов природной среды (ледников, водных потоков, ветров) и представлены термоэрозией и термоабразией.

Особенности распространения, интенсивность развития и проявления экзогенных процессов в целом определяются ландшафтно-климатическими и мерзлотногеологическими факторами и условиями. Однако каждый процесс имеет свои механизм и причины развития, поэтому влияние одного природного фактора на развитие разных процессов может быть различным.

Морозное пучение дисперсных грунтов – это поднятие поверхности земли, обусловленное увеличением объема замерзшей влаги и льдообразованием (вследствие миграции воды) при промерзании. Это явление широко развито, как в многолетнемёрзлых, так и в сезоннопромерзающих грунтах. Наибольшие деформации пучения наблюдаются при льдонакоплении в тонкодисперсных грунтах, промерзающих в «открытых» системах (т. е.

при возможности подтока воды к границе промерзания), где под влиянием градиентов температуры и влаги возникают большие миграционные потоки пленочной воды. Механизм процесса пучения предопределяет его зависимость от климата, условий теплообмена на поверхности, глубины и скорости промерзания грунтов, их состава, строения, теплофизических и влагопроводных свойств, от глубины залегания и режима грунтовых вод [23-32].

В условиях развития отложений, содержащих как мелкозем, так и крупнообломочные грунты, происходит выпучивание крупнообломочного материала и на поверхности образуются каменные поля. Развитие процесса в отложениях, которые подверглись растрескиванию, приводит к сортировке грунтов с образованием каменных полигонов и полос на склонах. В случае мелкополигонального растрескивания тонкодисперсных грунтов могут возникать пятна-медальоны, сложенные пылеватыми глинистыми образованиями, которые формируются за счет выдавливания на поверхность тиксотропного грунта в процессе неравномерного его промерзания сверху и со стороны открытых трещин. Сезонное локальное пучение может проявляться в образовании гидролакколитов, туфуров и бугровмогильников. Первые могут быть результатом однократного промерзания грунтов, а вторые и третьи, обычно различающиеся многочисленными проявлениями на одних и тех же участках, формируются в итоге многократного промерзания.

Многолетнее локальное пучение приводит к образованию бугров пучения, которые обычно подразделяются на сегрегационные (миграционные), инъекционные и инъекционно-сегрегационные. Первые формируются в результате миграции внутригрунтовой влаги к фронту промерзания под влиянием градиента температуры и влаги. Ежегодный прирост их может достигать 250 мм. Инъекционные бугры пучения, являющиеся результатом замерзания внедряющейся под давлением грунтовой воды, а иногда и разжиженного грунта, могут формироваться при промерзании объемов талого грунта (например, подозерных и подрусловых таликов), окруженных мерзлыми грунтами, или в открытых системах, где подток воды обусловлен гидродинамическим напором. Они обычно приурочены к местам разгрузки напорных подземных вод [26].

Сезонное промерзание и сезонное оттаивание грунтов Известно, что тепловое состояние грунта в слоях, граничащих с Земной поверхностью, и нижних слоев атмосферы в основном определяется радиационно-тепловым балансом поверхности Земли (подстилающей поверхности). В высоких и средних географических широтах радиационно-тепловой баланс формирует такие теплообороты в приповерхностных слоях грунта, при которых совершаются годовые периодические колебания температуры грунтов с переходом через 0°С; в результате грунты то промерзают, то оттаивают в соответствии с сезонами года. Известно также, что все составляющие радиационно-теплового баланса подстилающей поверхности изменяются по величине и по знаку в зависимости от времени года и широты местности [4, 5].

Такие составляющие радиационно-теплового баланса, как затраты тепла на испарение и турбулентный теплообмен, оказывают существенное влияние на формирование положительных температур поверхности грунтов весной и летом, в период максимального поступления солнечной радиации. На формирование же отрицательных температур основное влияние оказывает эффективное излучение.

Промерзание грунтов связано с сокращением приходящей солнечной радиации и с превышением эффективного излучения над поглощенной радиацией в холодный период года, в результате чего на поверхности грунта устанавливаются отрицательные температуры. При этих температурах в структуре теплооборотов в грунтах основное значение приобретает теплота фазовых переходов воды в лед. Как известно, эти переходы для свободной и чистой воды совершаются при 0°С, поэтому и температура грунтов некоторое время устанавливается близкой к 0°С. В весенне-летний период, наоборот, увеличение приходящей солнечной радиации, превышающей эффективное излучение, вызывает протаивание грунтов.

Процесс сезонного промерзания грунтов и формирование сезонно-мерзлого слоя происходят за счет охлаждения верхних слоев грунта в зимнее время. Следовательно, сезонномерзлый слой подстилается талыми грунтами. Среднегодовая температура грунтов, как на подошве промерзающего слоя, так и в подстилающей толще в течение многолетнего периода формируется положительной. Сезонное промерзание грунтов является следствием теплооборотов, совершающихся в холодный полупериод года, т. е. следствием расходной части теплового баланса. По времени промерзание грунтов может быть сезонным (в течение зимы) и кратковременным (в течение части сезона или даже нескольких дней) в зависимости от географических характеристик месторасположения. Территория, где наблюдается преимущественно сезонное промерзание грунтов, называется областью сезонной мерзлоты.

Сезонное оттаивание формируется в результате оттаивания верхних горизонтов мерзлого грунта. Следовательно, понятие «сезонное оттаивание» предполагает длительное (долгие годы) существование мерзлых грунтов, верхний слой которых оттаивает только в летнее время. Отсюда следует, что сезонноталый слой обязательно подстилается многолетнемерзлыми грунтами. Среднегодовая температура на подошве слоя сезоннооттаивающих грунтов и в подстилающих мерзлых грунтах формируется отрицательной (ниже 0 °С). Сезонное оттаивание мерзлых грунтов является результатом приходной части радиационно-теплового баланса, за счет которой совершаются положительные теплообороты в сезонноталых грунтах в теплый полупериод года. В силу этого сезонное оттаивание может наблюдаться только в области распространения многолетнемерзлых грунтов при условии, что талый слой при промерзании зимой сливается с многолетнемерзлым подстилающим слоем [.

Обзор и анализ методов контроля физико -механических 1.5.

свойств мерзлых грунтов Электромагнитные методы исследований основаны на изучении электрических и электромагнитных полей естественного происхождения или создаваемых искусственно.

По результатам исследований определяют геоэлектрическое строение грунтового массива, под которым понимается геометрическое распределение исследуемых грунтов, характеризуемых одинаковыми свойствами в изучаемом объеме [37-53].

По направлению изучения геоэлектрического строения различают:

- профилирование и площадную съемку;

- вертикальное зондирование.

Профилирование и площадная съёмка выполняются с целью изучения строения грунтового массива в горизонтальной плоскости.

Зондирование, выполняемое по профилям или площади, выполняется для изучения изменения вертикального разреза по горизонтальным координатам.

Методы электроразведки постоянным током Поля, используемые в методах электроразведки постоянным током, создаются в земле с помощью заземлений – питающих электродов (гальванический контакт), в которые ток через изолированные провода подается от батарей, аккумуляторов, генераторов постоянного или низкочастотного переменного тока [40-47].

В электроразведке постоянным током чаще всего используются четырехэлектродные установки с двумя питающими и двумя приемными электродами. Под установкой следует понимать взаимное расположение питающих и приемных электродов. Порядок установки электродов установки показан на рисунке 1.2 [43-45].

А, В – питающие электроды; М, N – измерительные электроды Рисунок 1.2 – Примеры размещения электродов при исследовании грунтов методами электроразведки постоянным током Методы электроразведки постоянным током позволяют [46]:

- изучить площадное распространение и определить границы талых и мерзлых грунтов (преимущественно в области дисперсных пород);

- определить участки с различным положением кровли мерзлых грунтов;

- выявить участки грунтов повышенной льдистости;

- обнаружить и определить границы жильных льдов;

- выявить литологических границ внутри мерзлых дисперсных грунтов.

Электропрофилирование методом кажущегося сопротивления Массив грунта, представленный некоторой совокупностью промороженных и оттаявших областей, характеризуется различными значениями удельного электрического сопротивления, распределенными в нем определенным образом, соответственно величина кажущегося удельного сопротивления будет зависеть не только от геометрических параметров установки, но и от геоэлектрического строения массива, а также от положения установки относительно неоднородностей этого массива. Кажущееся сопротивление аналитически связано с плотностью тока вблизи приемных электродов и соответственно характеризует степень искажения токовых линий неоднородностями исследуемого пространства. Физический смысл изменения величины кажущегося удельного сопротивления под влиянием неоднородности состоит в том, что токовые линии втягиваются в проводящие тела и отталкиваются от тел непроводящих. В результате плотность тока на поверхности меняется. Вблизи проводящих тел она уменьшается, и соответственно уменьшается измеряемое значение кажущегося удельного сопротивления [44-46].

Электропрофилирование методом кажущегося сопротивления выполняется путем измерения контролируемого параметра с помощью одной из выбранных установок фиксированных размеров, перемещающейся по линиям наблюдений (профилю) с некоторым определенным шагом.

Разрешающая способность метода определяется размерами установок (взаимным положением питающих и измерительных электродов). При изучении высокоомных непроводящих тел (например, жильных льдов) используется установка с двумя приемными линиями. Длина одной из них должна превосходить, а другой - быть меньше поперечных размеров изучаемого тела. Это позволяет надежно выделять локальные непроводящие объекты (массивы промороженного грунта), а также по характерным признакам определять их поперечные размеры.

Интерпретация при наблюдениях на одном профиле заключается в выделении участков с близкими значениями кажущегося удельного сопротивления, которые при соответствующих соотношениях мощности верхнего слоя и разносов установки могут приближаться к истинным значениям удельного сопротивления грунта. По характерным особенностям графиков кажущегося удельного сопротивления устанавливается положение границ в плане, и в благоприятных условиях на качественном уровне оцениваются их падение и глубина залегания (рисунок 1.3) [44].

Вертикальное электрическое зондирование Методы вертикального электрического зондирования получили широкое распространение в силу следующих обстоятельств:

- относительно невысокая стоимость работ и оборудования;

- наличие серийной аппаратуры;

- разработанность и постоянное совершенствование приемов интерпретации результатов наблюдений [45].

Удельное сопротивление грунта, Рисунок 1.4 – Графики электропрофилирования и геоэлектрический разрез Основными задачами

, решаемыми с помощью ВЭЗ, являются:

- определение глубины залегания кровли мерзлых грунтов;

- наблюдение за динамикой сезонного и техногенного промерзания и оттаивания;

- определение мощности многолетнемерзлых пород;

- обнаружение чередования талых и мерзлых пород в вертикальном направлении и оценка их мощности (рисунок 1.4);

- изучение изменений в литологическом составе, влажности (льдистости), засоленности и криогенной текстуре мерзлых пород в вертикальном направлении и их оценка;

- оценка степени коррозионной агрессивности пород по значениям удельного электрического сопротивления.

Радиолокационное зондирование Другими часто используемыми терминами для обозначения того же метода являются радиолокационное наземное зондирование или георадиолокация [49].

Суть метода состоит в изучении отражения сверхкоротких радиоимпульсов, посылаемых в землю, от границ грунтов, различающихся электрофизическими свойствами. Отражающая способность определяется различием действительной части диэлектрической проницаемости контактирующих сред.

Посылка зондирующего импульса и прием отраженных сигналов осуществляются специальными излучающей и приемной антеннами, параметры которых (конструкция и размеры) определяют их частоту и направленность. Длительность импульсов составляет наносекунды, частота их заполнения – десятки-сотни мегагерц, частота посылок импульсов – десятки килогерц. Отраженный сигнал поступает в приемный блок, где с помощью стробоскопического преобразователя переводится из высокочастотной области в звуковую. Результатом специальной обработки принятого сигнала является радарограмма (эхограмма), фиксирующая изменение амплитуды принятого сигнала во времени. Как и в сейсморазведке, развертка сигнала позволяет измерить временной интервал между посылкой импульса и приходом его отражения. В результате непрерывного перемещения излучателя и приемника вдоль исследуемой трассы (профиля) получается так называемый временной разрез. На нем по горизонтали фиксируется расстояние, а по вертикали (по шкале времени) – амплитуда принятого сигнала, которая может быть отображена либо методом отклонений трассы, либо методом отклонений с зачернением, или методом переменной плотности. Оси синфазности на радарограмме являются изображением рельефа отражающей границы во временном масштабе (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Временной разрез с отображением сигнала При известной скорости распространения импульсов в среде может быть рассчитана глубина положения отражающей границы. Таким образом, временной разрез может быть преобразован в разрез для реальных глубин. Острая направленность излучения и приема, обусловленная высокими частотами, позволяет пользоваться основными положениями геометрической оптики. В то же время из-за высоких частот затухание сигнала в средах, не являющихся идеальными диэлектриками, глубинность метода снижается пропорционально электрическому сопротивлению.

Глубинность в первую очередь зависит от удельного затухания электромагнитных волн в среде, которое связано с ее проводимостью. Чем выше проводимость среды (ниже удельное электрическое сопротивление), тем выше удельное затухание и тем меньше глубинность. Глубина проникновения зондирующего импульса связана, кроме того, с частотой радиоволн. Увеличение частоты ведет к увеличению затухания и соответственно к уменьшению глубинности. Чем ниже частота, тем глубинность больше. При этом следует иметь в виду, что частота будет связана с УЭС верхнего слоя грунта, над которым располагается антенна [50].

Оценка глубинности должна выполнятся с учетом потерь, возникающих при прохождении границы воздух-земля и при отражении импульса от промежуточных границ. Все эти оценки должны производиться с учетом динамического диапазона аппаратуры.

По расчетам, в которых использованы экспериментально полученные данные о коэффициентах затухания [48-50], предельные глубины исследования меняются от 30 – м для слабо-поглощающих сред, типа песка и льда, до 2-3 м для сильно-поглощающих глин.

Второй важной характеристикой метода является его разрешающая способность.

Она оценивается минимальным расстоянием между двумя границами, отражения от которых различаются между собой. В волновых методах, в том числе и в радиолокации, разрешающая способность связана со скоростью распространения электромагнитных волн в среде и их длиной, точнее, продолжительностью импульса. Известно, что скорость как функция диэлектрической проницаемости является частотозависимым параметром.

Таким образом, частота является одной из важнейших аппаратурных характеристик георадиолокатора, от которой зависит как глубинность метода, так и разрешающая способность.

Опыт выполненных к настоящему времени работ показывает, что диапазон частот 50-100 МГц является оптимальным при выборе компромисса между приемлемой глубинностью и достаточной разрешающей способностью расчленения грунтового массива толщиной до 15 м, сложенного дисперсными породами [43].

Сейсмоакустические методы исследований свойств грунтов Сейсмоакустическими называют методы исследований массивов грунта, которые основаны на изучении упругих колебаний в среде, вызванных, как правило, искусственными, а в ряде случаев и естественными источниками возбуждения [51, 52].

Основными изучаемыми параметрами являются времена пробега упругих волн от источника возбуждения до приемника, а соответственно и скорости их распространения – кинематические характеристики. Кроме того, изучаются динамические характеристики – частоты и амплитуды колебаний.

По частоте колебаний, выделяют следующие сейсмоакустические методы:

- сейсмические (менее 1 кГц);

- акустические (1 - 17 кГц);

- ультразвуковые (больше 17 кГц).

В зависимости от вида деформаций, переносимых упругой волной в безграничной среде, выделяют два основных класса волн: продольные (Р - волны) и поперечные (S волны). Поперечные волны могут быть поляризованы, как в горизонтальной (SH), так и вертикальной (SV) плоскости.

При распространении продольных волн возникают чередующиеся зоны сжатия и растяжения, т.е. происходит деформация объема. При этом смещения частиц в однородной среде параллельны направлению распространения волны. Поперечные волны связаны со сдвиговыми деформациями, т.е. деформациями формы. Частицы изотропной среды перемещаются при этом перпендикулярно направлению распространения волны.

Особый класс составляют обменные волны, которые образуются при прохождении продольных и поперечных волн через границы. С границами раздела также связано образование поверхностных волн Рэлея (R) и Лява (L). Первая из них, R, связана со свободной поверхностью. Она представляет собой интерференционное колебание, образуемое Р - и SV - волнами, и поляризована в вертикальной плоскости. Вторая, L - волна, возникает в верхнем слое, если скорость в нем ниже, чем в подстилающем. Интенсивность R - и L - волн с удалением от поверхности быстро убывает.

Кроме классов выделяют типы волн по характеру их распространения в пространстве с границами раздела сред, отличающихся упругими свойствами. Это прямые, проходящие, отраженные, преломленные, рефрагированные и другие типы волн. Все эти волны являются предметом изучения в сейсморазведке, которую в целом можно рассматривать как многоволновой метод.

По месту выполнения сейсмические наблюдения подразделяются:

- полевые;

- скважинные;

- шурфовые.

В зависимости от места и условий проведения работ и используемых частот могут применяться различные способы возбуждения упругих колебаний и их приема. В сейсморазведке в основном используются импульсные источники колебаний (взрывы, удары).

Альтернативой импульсным источникам являются стационарные, генерирующие гармонические колебания. Специфика создания и приема этих сигналов, обработки и их анализа определяет существование самостоятельной области сейсморазведки – так называемой вибрационной сейсморазведки. Прием колебаний обеспечивается сейсмоили пьезоприемниками, преобразующими механические колебания исследуемой среды в электрические. Их регистрация осуществляется в цифровой или аналоговой форме на сейсмической станции или акустической аппаратуре.

В общем случае целью сейсморазведочных работ, использующих кинематические характеристики распространения упругих волн, является определение пространственного положения сейсмогеологических границ и величин сейсмических скоростей в их пределах. Завершающим этапом исследований является геологическое истолкование полученных сейсмических разрезов с оценкой физико-механических свойств грунтов.

Методами сейсморазведки решаются следующие инженерно-геологические задачи:

- определение верхних границ мерзлых грунтов;

- выявление и оконтуривание таликов, подземных льдов и массивов сильнольдистых рыхлых грунтов;

- определение объемной льдистости рыхлых грунтов, уровня грунтовых вод;

- выявление зоны разрушенных скальных пород, определение ее мощности.

Обзор и анализ методов диагностирования полож ения 1.6.

газопроводов в многолетне мерзлых грунтах В основу индукционного метода трассового поиска подземных газо- и нефтепроводов положено наличие магнитного поля, которое создается протекающим по трубопроводу переменным током. Поле вокруг одиночного трубопровода можно представить в виде концентрических линий, равномерно распределяемых по его длине [53, 54].

Посредством обнаружения магнитного поля устанавливают положение оси трубопровода, а также глубину его заложения.

Измерения обычно производят при помощи специальной поисковой катушки, имеющей сердечник для концентрации электрического поля.

Если ось поисковой катушки расположить параллельно поверхности земли непосредственно над трубопроводом (рисунок 1.6), вдоль линий поля, то в катушке наведется электрический сигнал максимальной амплитуды. При смещении катушки в сторону амплитуда снимаемого с катушки сигнала будет плавно уменьшаться.

По максимуму сигнала при указанном положении катушки на практике обнаруживают ориентировочное местонахождение трассы трубопровода. Однако из-за размытости максимума сигнала точно определить местонахождения трубопровода весьма затруднительно.

Если ось поисковой катушки расположить перпендикулярно поверхности земли непосредственно над трубопроводом (перпендикулярно линиям поля, когда ось катушки проходит через ось трубопровода), то электрический сигнал с катушки будет иметь минимальную амплитуду.

Рисунок 1.6 – Особенности формирования сигнала при перемещении приемной При смещении катушки в сторону амплитуда сигнала сначала резко увеличивается, а затем плавно уменьшается. Перпендикулярное к поверхности земли расположение катушки позволяет получить резко выраженный минимум сигнала, который на практике используется для точного определения местонахождения трубопровода.

Для эффективного обнаружения трасс трубопроводов обычно используют специальные индукционные комплекты приборов, состоящие из генератора звуковых частот и индукционного приемника. Современное поисковое оборудование предполагает наличие средств индикации (жидкокристаллических, электролюминесцентных экранов), позволяющих непосредственно на месте определить как положение оси трубопровода, так и глубину его заложения.

Поиск подземного сооружения может осуществляться как в пассивном, так и в активном режиме, при этом в первом случае индикация объекта выполняется за счет обнаружения электрического поля, формируемого токами, протекающими по объекту (например, защитными токами системы ЭХЗ). Для поиска в активном режиме к трубопроводу необходимо подключить высокочастотный генератор, причем электрические выводы генератора могут подключаться или непосредственно к объекту и заземлителю или к рамке, уложенной над объектом.

Анализ погрешностей методов в многолетнемерзлых грунтах Большинство моделей трассоискателей, как отечественного, так и импортного производства позволяют выполнять оценку положения подземных протяженных сооружений, как в горизонтальной, так и в вертикальных плоскостях, соответственно, контролируемыми параметрами, при обследовании магистрального газопровода, будут являться глубина заложения и положение оси. На точность показаний прибора, прежде всего, будут оказывать влияние следующие факторы:

- электрические свойства грунтов на участках прокладки МГ;

- рельеф местности на участке контроля;

- конструкционные особенности МГ;

- особенности настройки и калибровки прибора.

Многолетнемерзлые грунты обладают значительным электрическим сопротивлением, что некоторым образом может повлиять на формирование электрического поля вокруг газопровода. Неоднородность электрических свойств по глубине, вследствие сочетания верхнего слоя сезонного промерзания-оттаивания и нижних подстилающих его слоев многолетнемерзлых грунтов может способствовать тому, что область проводимости обратных токов, протекающих по грунту от объекта к заземлителю генератора будет расположена именно в слое сезонного-промерзания оттаивания, так как его электрическое сопротивление значительно ниже сопротивления многолетнемерзлых слоев грунта, что в свою очередь может способствовать возникновению некоторого экранирующего эффекта и как следствие искажению показаний прибора (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Особенности протекания обратных токов в Известно, что при оценке глубины заложения МГ на склоновых или русловых участках возможно значительное превышение измеренных значений по отношению к фактическим, что, прежде всего, объясняется неправильной ориентацией катушки (или катушек) прибора по отношению к контролируемому объекту при прохождении данных участков. В данном случае возникновение данных погрешностей определяется квалификацией персонала, проводящего обследование.

Наличие рядом с контролируемым объектом (трубопроводом) различных металлических объектов также может вызвать искажение электрического поля и как следствие способствовать искажению показаний прибора. Например балластирующее устройство ПКБУ-МК состоит из пространственной металлической рамы, на которую смонтированы тканевые контейнера для грунта. На МГ такие устройства применяются в группах, каждая их которых включает до четырех устройств, рамы которых соединяются стальными хомутами. Обратные токи, протекающие по грунту засыпки при прохождении через металлические элементы устройств будет формировать собственные электрические поля, которые взаимодействуя с электрическим полем, формируемым вокруг трубопровода будут вызывать его искажение и, как следствие, искажение показаний прибора. В некоторых случаях возможно экранирование подземного объекта вышележащими металлосодержащими объектами, например элементами инженерной защиты прибрежных участков.

Свои электрические поля формируются вокруг подземных кабелей телемеханики и электрохимической защиты, воздушных линий электроснабжения, что в некоторых случаях также может способствовать искажению показаний прибора.

Следует отметить, что в настоящее время единая методика калибровки и поверки данного класса приборов отсутствует. Для оборудования зарубежных производителей данные процедуры могут проводиться перед продажей или при сервисном обслуживании по собственным методикам. Отечественные методики предполагают или оценку работоспособности отдельных электронных компонентов оборудования или полигонные испытания, с использованием протяженных кабелей или трубопроводов, расположенных или под или над землей.

Допустимый интервал показаний (погрешность) можно оценить следующим образом при (отсутствии посторонних помех, бесконечно длинного проводника, трассоискатель находится строго перпендикулярно оси коммуникации):

- погрешность счёта АЦП (на глубине 2 м – 0,5%; на глубине 4,5 м – 1,2%; на глубине 9,5 м – 2,5%);

- погрешность за счёт неидентичности приёмных датчиков, а также влияния на них температурных и механических факторов достигает: на глубине 2 м – 5%; на глубине 4, м – 9%; на глубине 9,5 м – 12%;

- погрешность за счет невертикальности расположения прибора относительно оси коммуникации: при угле +/- 25,8 – 0,5%.

С учетом вышесказанного погрешность прибора составит: примерно 7% на глубине 2 м, примерно 10% на глубине 4,5 м и примерно 15% на глубине 9,5 м. С учетом особенностей применения приборов в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, а также применения на МГ инженерных решений погрешность может составить: примерно 10% на глубине 2 м, примерно 15% на глубине 4,5 м и примерно 20% на глубине 9,5 м.

Выбор и обоснование метода георадиолокации для контроля 1.7.

свойств мёрзлых грунтов К факторам, являющимся определяющими при выборе оптимального метода контроля состояния грунта, окружающего газопровод, а так же пространственное положение газопровода следует отнести следующие:

- разрешающая способность метода или комплекса методов;

- число контролируемых параметров;

- трудоёмкость реализации;

- стоимость оборудования и его исполнение.

Под разрешающей способностью следует понимать диапазоны определения контролируемых параметров в конкретных условиях. В данном случае, контролю подлежит относительно малая область грунта, глубиной до 6 м и шириной до 10 м, в пределах которой необходимо выделять:

- границы грунтовых массивов отличающихся по литологическим свойствам, а также находящихся в талом или растеплённом состоянии (с точностью до 0,1 м);

- положение подземных объектов малых размеров (например, ледяных глыб размером до нескольких метров);

- положение газопровода (с точностью до 1 см);

- положение пригрузов, кабелей и прочих подземных элементов газопровода (с точностью до 1 см).

- уровень грунтовых вод в пределах контрольной зоны (с точностью до 1 см).

Прежде всего, контролю должны подлежать параметры грунтов, определяющие их физико-механические свойства в различных состояниях (в растеплённом и промороженном). Интерпретация полученных данных позволит определить несущую способность грунта, а также оценить направление величину и направление возможного перемещения.

Трудоёмкость метода определяется количеством конечных операций, которые необходимо выполнить для получения полной и достаточной информации о грунтовых условиях. В данном случае, чем больше контрольных параметров можно получить при интерпретации результатов измерений при условии сохранения необходимой точности, тем предпочтительней метод или комплекс методов.

Применяемое при исследованиях оборудование должно обеспечивать необходимое качество измерений в любых условиях, то есть иметь исполнение, исключающее воздействие факторов окружающей среды (атмосферных осадков, высоких или низких температур) на работоспособность основных элементов. Используемые при работе образцы оборудования должны быть серийными, в комплект поставки обязательно должных входить программные комплексы, обеспечивающие обработку полученных в ходе исследований данных. Габариты оборудования будут иметь первостепенное значение в том случае, если доставка их стандартными средствами затруднена или невозможно (предпочтение отдаётся малогабаритным или модульным конструкциям).

В настоящее время для изучения грунтов криолитозоны наибольшее распространения получили геофизические методы электроразведки, сейсморазведки, гравиразведки и пр., при этом, как правило, наилучшие результаты показывают комбинации данных методов, то есть количество контролируемых параметров будет напрямую зависеть от количества методов в комплексе.

Опыт применения показал, что геофизические исследования мерзлых грунтов методами электроразведки на постоянном токе наиболее эффективны при температурах грунтов от минус 1 до минус 5 °С и сравнительно небольшой мощности мерзлого слоя. При этом выделяют следующие особенности применения данных методов в условиях криолитозоны:

- сильная зависимость удельного электрического сопротивления мерзлых грунтов от их температуры, льдистости и количества в них незамерзшей воды приводит к необходимости сочетания электроразведки с геотермическими исследованиями;

- интерпретация кривых вертикального электрического зондирования стандартными методами может быть ошибочной в сторону преуменьшения мощности мерзлого слоя изза падения сопротивления промежуточного мерзлого слоя с глубиной, в соответствии с повышением температуры;

- интерпретация данных становится сложной и многозначной из-за необходимости разделяющей идентификации влияния литологии либо мерзлотных эффектов;

- многозначность интерпретации приводит к необходимости учета геотермических данных и физических выводов общего мерзлотоведения;

- так как мерзлый грунт неоднороден по своим температурам, льдистости и условиям залегания, то его разведка во многих случаях по практическим требованиям должна быть очень детальной, что приведет к повышению объема работ;

- проведение измерений на постоянном токе затруднено сложностью обеспечения гальванического контакта электродов с поверхностью мерзлого грунта в холодное время года, а интерпретация данных осложняется экранирующим эффектом высокоомных мерзлых рыхлых отложений;

- при интерпретации результатов вертикального электронного зондирования многолетнемерзлых грунтов основное затруднение вызывает наличие промежуточного слоя, находящегося ниже подошвы сезонноталого слоя, и имеющего значительный градиент температуры, а соответственно и сопротивления по глубине.

К недостаткам методов электроразведки на постоянном токе следует отнести, прежде всего, необходимость прямого контакта электродов с грунтом, что затруднено в зимний период, при промораживании верхнего слоя грунта.

Методы электроразведки на переменном токе, имеют преимущество перед методами переменного тока в силу того, что в отличие от метода сопротивлений на постоянном токе глубина исследования повышается понижением частоты используемого поля в результате увеличения толщины слоя скин-эффекта, либо увеличением расстояния между излучающим и приемным устройствами. Применение дистанционных приёмников и излучателей не требует непосредственного контакта с грунтом и соответственно несколько расширяет сезонный диапазон применения методов.

К общим недостаткам методов электроразведки, как на постоянном, так и на переменном токе следует отнести недостаточную разрешающую способность, что не позволит в полной мере использовать данные методы для контроля относительно небольших по размерам грунтовых массивов.

Применение сейсморазведки при изучении многолетнемерзлых грунтов оправдано благодаря следующим обстоятельствам:

- зависимость скоростей сейсмических волн от литологического состава рыхлых многолетнемерзлых пород;

- резкое различие скоростей сейсмических волн в многолетнемерзлых и талых рыхлых породах;

- возможность выявления границ участков с различной объемной льдистостью по значениям граничных скоростей;

- возможность определения сейсморазведки для оценки мощности ледяных жил.

В сейсморазведке в целом основательно разработаны методы интерпретации и автоматизации обработки данных, что существенно повышает эффективность ее применения.

К недостаткам сейсморазведки следует отнести необходимость обеспечения надежного акустического контакта датчиков с грунтами, который достигается легче для поверхности глинистых и мерзлых грунтов, то есть при наличии внешнего талого сложенного рыхлыми грунтами, слоя, исследования могут быть затруднены.

Методы гравиразведки, магниторазведки и пр. при изучении криолитозоны могут использоваться как вспомогательные, так как позволяют фиксировать малое число контрольных параметров (например, область применение методов гравиразведки при исследовании мёрзлых грунтов ограничена поиском и выявлением массивных подземных льдов).

По отношению к мерзлым грунтам наиболее эффективными для их изучения представляются методы электроразведки переменным током, использующие высокие частоты поля, в частности георадолокационные методы.

Георадиолокационное зондирование обладает возможностью с наибольшей точностью определить границы между контрастными по электрическим характеристикам грунтами, в результате получения отраженных от них сигналов. Георадиолокация позволяет отделять от мерзлых талые и обводненные грунты, а также криопэги, в силу значительного их отличия по диэлектрической проницаемости и электропроводности. Фактором, ограничивающим глубинность георадиолокационного зондирования, является наличие сильноотражающих границ в верхней части исследуемого разреза, экранирующих ниже залегающие слои, что в данном случае не считается недостатком, так как контролю подлежит приповерхностный слой грунта, который в общем случае будет представлять собой сочетание слоя сезонного промерзания-оттаивания и многолетнемёрзлого основания в различных сочетаниях. К достоинствам данного метода также следует отнести:

- наличие серийных образцов оборудования;

- наличие программных комплексов для обработки результатов исследований;

- возможность с помощью одного измерительного комплекса решить весь спектр поставленных задач.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ

МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И АНАЛИЗ

КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕ ННОСТЕЙ ГАЗОПРОВОДОВ

Характеристика участков газопроводов 2.1.

Отработка георадиолокационного метода оценки состояния многолетнемерзлых грунтов выполнялось на участке МГ Бованенково-Ухта 2 нитка 0 – 27 км.

Участок характеризуется чередованием равнинных и пересеченных форм рельефа.

Равнинные формы представлены тундрой, местами заболоченной. Грунты участка представлены супесями, суглинками, глинами и песками, поверхностный слой состоит из растительных остатков, толщина его может составлять от нескольких десятков сантиметров на склонах и возвышенностях, до одного метра на заболоченных местах (рисунок 2.1).

1 – растительные остатки; 2 – минеральный грунт слоя сезонного оттаивания-промерзания; 3 – Рисунок 2.1 – Общий вид трассы МГ (а) и особенности вертикального разреза грунта (б) Грунты находятся в мерзлом состоянии, толщина слоя сезонного промерзанияоттаивания определяется рельефом, мощностью верхнего слоя растительных остатков и составляет от 0,86 до 1,5 м. Подземные льды участка распространены на глубину от 1,5 м до 8 и более, их протяженности по оси газопровода составляет от 50 до 800 м. В период таяния снега происходит интенсивное обводнение низинных участков.

Засыпка МГ выполнена грунтом, извлеченный при разработке траншеи и представляющим собой отдельные мерзлые глыбы (рисунок 2.2) диаметром до 0,5 м. Для исключения повреждения поверхности МГ, трубопровод укладывается на песчаное основание и далее засыпается песком на высоту до 0,2 м над верхней образующей труб.

Рисунок 2.2 – Инженерные решения, реализованные при сооружении МГ:

а) балластирующее устройство ПКБУ – МК; б, в) обсыпка труб минеральным грунтом; в) теплоизоляционное покрытие трубы и грунта в основании трубы Балластировка МГ выполнена полимерно-контейнерными грунтозаполняемыми устройствами ПКБУ – МК. В качестве грунта-заполнителя используется песок. Балластировка предполагает равномерное распределение групп утяжелителей по участкам МГ, количество утяжелителей в группе и количество групп определяется проектом (рисунок 2.2, а).

В местах распространения подземных льдов применены следующие инженерные решения:

- наземная прокладка при большой глубине распространения льда с теплоизоляцией поверхности трубы и поверхности грунта, на который укладываются сваренные в плеть трубы;

- выемка льда с заменой его минеральным грунтом при малой глубине распространения с теплоизоляцией дна траншеи.

Теплоизоляция МГ выполнена сегментами «Пеноплекс», толщина теплоизоляционного слоя составляет 100 мм. Теплоизоляция дна траншеи при подземной прокладке МГ и грунта в основании МГ при наземной выполнена плитами «Пеноплекс» толщиной 50 мм (рисунок 2.2, г).

Для исключения вымывания грунта засыпки на склоновых участках в траншее установлены грунтозадерживающие барьеры, формируемые из заполненных песком мешков из синтетического материала.

На склоновых участках, для предупреждения смещения грунта при оттаивании предполагается установка элементов инженерной защиты – теплоизоляционных плит «Пеноплекс», георешеток и геомодулей, слоя биоматериала. Все указанные технические решения являются стандартными, и применяются на всей трассе МГ.

Назначение опытного участка выполнено в соответствии со следующими требованиями:

- разнообразие грунтовых условий, как по длине участка, так и по глубине профиля;

- распространение форм рельефа, наиболее характерных для всей трассы МГ, как на территории полуострова Ямал, так и на территории Республики Коми;

- разнообразие технических решений и особенностей исполнения МГ, также характерных для всей трассы МГ;

- наличие подъездных путей для стандартных средств доставки оборудования;

- наличие техники и персонала для бурения термоизмерительных скважин.

- возможность расселения специалистов, обслуживания и хранения оборудования (например, наличие городка строителей).

Цели и задачи, решаемые на опытном участке следующие:

- оценка эффективности георадиолокационного метода при определении границ грунтов, отличающихся по состоянию (мерзлое или талое) и свойствам (типу, влажности, льдистости, плотности);

- определение положения МГ в грунте с индикацией балластирующих устройств, теплоизоляционного покрытия, грунтозадерживающих барьеров, элементов инженерной защиты.

Трасса II нитки магистрального газопровода Бованенково-Ухта прокладывается от Бованенковского месторождения в центральной части полуострова Ямал (ЯмалоНенецкий АО) в юго-западном направлении вдоль Урала до города Ухта (республика Коми) прокладываемой по западному побережью центральной части полуострова Ямал и имеющей направление с северо-востока на юго-запад к побережью Байдарацкой губы.

Исследования проводились на участке МГ Бованенково - Ухта 0 – 27 км.

Назначены следующие участки проведения исследования:

1. Склоновый участок с поворотом трассы МГ (25,7 – 26,7 км);

2. Заболоченная тундра (25,1 – 25,4);

3. Участок с грунтами, характеризуемыми низкой балластирующей способностью (7, км);

4. Участок распространения подземных льдов (4,9 км) Участок №1 (окрестности площадки кранового узла на 26,8 км, рисунок 2.3). Рельеф переменный, переход от возвышенности к заболоченной тундре, перепад высот от 23, до 11,3 м. Протяженность – 2000 м, из них 700 м – склон.

Грунты представлены:

- в приповерхностном слое - растительными остатками (до 0,3 м на склоне и до 0,8 м в тундре);

- до глубины 8 м – промороженными супесями и суглинками различной степени льдистости;

- на 25,7 км (ПК 257) на глубине от 3 м и глубже распространена льдистая слабозасоленная глина.

Сезонное промерзание-оттаивание происходит на склоне на глубине до 1 м, в тундре – на глубине до 0,6 м.

На участке реализованы следующие инженерные решения:

- балластировка устройствами ПКБУ – МК в группах, равномерно по всей длине трубы в пределах контрольной области (в качестве грунта-заполнителя используется песок);

Рисунок 2.3 – Схема расположения точек контроля в пределах опытного - грунтозадерживающие барьеры из КП-Р (заполненных песком) на склоне через - МГ выполнен из труб диаметром 1420 мм с толщиной станки 27,7 мм, с трехслойным полиэтиленовым защитным покрытием заводского нанесения;

- МГ уложен в траншею на песчаное основание и далее засыпан песком на высоту 0,2 м над верхней образующей.

На начало проведения исследований высота валика грунта засыпки составляла 2 – 2,5 м. Временный вдольтрассовый проезд расположен с левой стороны МГ (по ходу газа), ширина проезда составляет 5 м. С правой стороны МГ снеговой покров от валика и на расстоянии до 10 м отсутствует, растительный слой повреждений не имеет (рисунок 3.6, а).

Участок №2 (25,1 – 25,4 км). Заболоченная тундра. Грунты представлены:

- в верхнем приповерхностном слое - растительными остатками (слаборазложившимися торфами) на глубину до 0,3 м (местами до 0,8 м);

- от 0,3 м и далее - промороженными суглинками, супесями и песками различной степени льдистости и в различных сочетаниях слоев.

Толщина слоя сезонного промерзания-оттаивания – 0,8 м.

Реализованы следующие инженерные решения:

- равномерно установленные группы балластирующих устройств ПКБУ – МК, заполненные песком;

- грунтозадерживающие барьеры из КП-Р с шагом150 м;

- МГ уложен на песчаное основание и засыпан песком на высоту 0,2 м над верхней образующей.

- МГ выполнен из труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 27,7 мм, с трехслойным полиэтиленовым защитным покрытием заводского нанесения.

Расстояние между первой и второй нитками МГ составляет 106 м.

Участок № 3 (7,7 км). Заболоченная тундра. Грунты представлены значительным (до 1,8 м) по толщине верхним слоем растительных остатков, а также мерзлыми суглинками и песками. Толщина слоя сезонного промерзания-оттаивания составляет 0,4 – 0,6 м. На участке распространены подземные льды.

Реализованы следующие инженерные решения:

- наземная прокладка МГ в местах распространения подземных льдов с термоизоляцией поверхности труб теплоизолирующими сегментами «Пеноплекс», а также термоизоляцией поверхности грунта в основании МГ плитами «Пеноплекс», с закреплением грунтового валика над наземным участком МГ крупноразмерными геомодулями ГП 1500 – 1, – 2,1;

- для подземной прокладки - грунтозадерживающие барьеры через каждые 200 м, балластировка устройствами ПКБУ – МК (в группах, равномерно), укладка МГ на песчаную подушку с последующей обсыпкой песком на высоту 0,2 м на верхней образующей;

- МГ выполнен из труб диаметром 1420 мм, с толщиной стенки 27,7 мм, с заводским защитным трехслойным покрытием.

Вдольтрассовый проезд расположен слева от 2-й нитки МГ (по ходу газа). Расстояние между осями первой и второй ниток МГ составляет 103 м. Высота валика грунта засыпки составляет от 1,5 до 2,5 м. В окрестности данной контрольной области участка выполнены предусмотренные проектом термоизмерительные скважины.

Участок №4 (4,9 км). Заболоченная тундра (рисунок 2.4). Грунты представлены:

- верхним слоем растительных остатков толщиной 0,3 м;

- мерзлыми суглинками.

- на глубине от 2 м и глубже распространены подземные льды.

Рисунок 2.4 – Схема расположения точек контроля в пределах опытного Реализованы следующие инженерные решения:

- в местах распространения подземного льда – выемка льда с заменой его привозным минеральным грунтом, теплоизоляция дна траншеи теплоизоляционными плитами «Пеноплекс».

- балластировка МГ устройствами ПКБУ – МК, заполняемых песком;

- укладка МГ на песчаную подушку с последующей обсыпкой песком на высоту 0,2 м над верхней образующей;

- МГ выполнен из труб диаметром 1420 мм, с толщиной стенки 27,7 мм, с заводским защитным трехслойным полиэтиленовым покрытием.

На участке расположен переход МГ через автодорогу и высоковольтную линию электропередач (4,3 – 4,5 км).

Геокриологические особенности участков проведения 2.2.

исследований Участки проведения исследований характеризуются сплошным распространением многолетнемерзлых грунтов. Многолетнемерзлые и охлажденные грунты распространены на всех элементах рельефа. Глубина распространения колеблется в широком диапазоне от 50 до 300 м.

В вертикальном разрезе выделяются три неоднородных по состоянию горизонта грунтов:

- мерзлые грунты, характеризующиеся присутствием ледяных включений во всех литологических разностях, причем максимальное содержание льда фиксируется в интервале глубин 0 - 30 м. Мощность этого горизонта варьируется от 130 м до 200 м;

- охлажденные грунты, естественная отрицательная температура которых (от 0 до минус 2,5 C) выше температуры их замерзания при местных значениях влажности и концентрации поровых вод в них. Мощность этого горизонта около 100 м;

- талые грунты, естественная температура которых положительная.

Сплошность мерзлых грунтов нарушается с поверхности несквозными таликами (под естественными водоемами), а по разрезу – линзами криопэгов и охлажденными грунтами.

Рассматриваемая территория находится в зоне развития монолитной многолетнемерзлой толщи, с температурой от минус 3 до минус 9 C. Сезонное оттаивание грунтов крайне незначительно, определяется растительностью, слоем растительных остатков, особенностями рельефа и составляет в среднем 0,7 м. Максимальные (до 1,0 - 1,2 м) мощности сезонноталого слоя фиксируются на оголенных склонах и поверхностях, сложенных супесчано-песчаными грунтами. На низинных участках мощность сезонноталого слоя обычно достигает 0,45-0,60 м, на пологих склонах мощность сезонноталого слоя минимальна (0,25-0,40 м). На рассматриваемой территории широко распространены засоленные мерзлые и охлажденные грунты, часто содержащие линзы незамерзших, отрицательно температурных рассолов (криопэгов).

Среднегодовые температуры грунтов изменяются от минус 1 до минус 7 C. Низкие температуры (минус 5 – минус 7 C) отмечены на возвышенных участках тундры. Повышенные среднегодовые температуры (до минус 1 – минус 3 C) в пределах заболоченной тундры, у подножия склонов, на участках густых и высоких кустарников обусловлены накоплением большого снега (до 0,7-1,0 м), оказывающего определяющее воздействие.

Результаты исследования температуры грунтов на участках 2.3.

прокладки газопровода Методика обустройства скважин для измерения температуры грунтов Для определения температуры многолетнемерзлых грунтов на участке №1 (25,7 – 26,7 км) были оборудованы термоизмерительные скважины глубиной 4 м. Порядок размещения скважин представлен на рисунках 2.5 и 2.6.

Общее количество скважин – 24, из них:

- 16 пробурено в многолетнемерзлом грунте и грунте засыпки;

- 8 получено при установке обсадных труб в шурфы с последующей засыпкой шурфов грунтом.

Бурение скважин выполнялось шнековой буровой установкой на самоходном шасси.

Диаметр шнека составлял 100 мм. Для исключения осыпания стенок каждая скважина обсаживалась пластиковой трубой диаметром 40 мм и толщиной стенки 5 мм с заглушенным нижним торцом. Для герметизации внутренней полости обсадной трубы, верхний надземный торец оборудовался съемной крышкой.

Обустройство скважин выполнялось в следующей последовательности (рисунок 2.7):

- визуальный осмотр участка с назначением мест бурения скважин;

- расчистка снегового покрова в назначенных для бурения точках;

- бурение скважин;

- установка обсадных труб;

- засыпка пространства между стенками скважин и внешней поверхностью обсадных труб грунтом, извлеченным из скважин при бурении;

- термостабилизация скважин (выдержка в течение нескольких недель).

На период проведения работ температура воздуха составляла до минус 2 С днем и до минус 12 С ночью. Снеговой покров на валике грунта засыпки отсутствовал, на вершине склона за пределами вдольтрассового проезда толщина снегового слоя составляла 0,2 – 0,3 м и у подножия склона – до 0,6 м. Время бурения одной скважины составляло от 10 до 15 минут. Каждая пара пробуренных скважин располагается по линии, перпендикулярной оси МГ и исходящей от временного знака ПК, первая скважина в каждой паре расположена в многолетнемерзлом грунте за пределами вдольтрассового проезда, вторая в грунте засыпки.

Установка обсадных труб в шурфах Вдольтрассовый проезд Рисунок 2.5 – Схема размещения термоизмерительных скважин Расстояние между скважинами в каждой паре – 15 - 17 м (рисунок 2.6), шаг размещения каждой пары скважин вдоль МГ – 100 м, начиная с ПК 257 (25,7 км) и заканчивая ПК 264 (26,4 км). Длина надземной части каждой скважины, для исключения подтопления талыми водами, составляет не менее 0,3 м. Для исключения разогрева обсадных труб под действием солнечного излучения, их надземные участки покрывались светоотражающим материалом.

1 – подушка и обсыпка трубопровода из привозного карьерного грунта;

2 – трубопровод; 3 – грунт засыпки; 4 – термоизмерительная скважина;

Рисунок 2.6 – Схема расположения термоизмерительных скважин в одном сечении на участке №1 2-й нитки МГ Бованенково-Ухта Применение пластиковых обсадных труб обусловлено:

- малым весом;

- низкой теплопроводностью материала;

- коррозионной стойкостью;

- удобством монтажа постоянных и съёмных заглушек;

- низкой трудоёмкостью при механической обработке;

- высокими прочностными показателями материала.

а, б) бурение в грунте засыпки; в) бурение в многолетнемерзлом грунте; г) установка обсадной трубы; д) засыпка затрубного пространства Низкая теплопроводность необходима для исключения возможного теплообмена между слоями грунта, имеющими различную температуру. Сопротивление тепловому потоку будет тем выше, чем больше толщина теплопроводящего слоя, соответственно, при проведении измерений между датчиками термометра и грунтом будет слой материала, имеющий толщину, равную толщине стенки обсадной трубы и незначительно влияющий на показания прибора, в тоже время перераспределение температурных в вертикальном направлении по стенке обсадной трубы будет незначительным из-за относительно малой площади поперечного сечения трубы и ее большой протяженности.

Порядок обустройства обсадных труб в шурфах следующий (рисунок 2.8):

- установка обсадных труб у стенки шурфа (по 2 трубы в каждом шурфе, нижний заглушенный торец каждой трубки погружался в талый грунт или обкладывался мерзлым грунтом);

- установка обсадных труб у МГ с закреплением заглушенных торцов (по 2 трубы);

- засыпка шурфа грунтом.

Одна обсадная труба была прикреплена к указательному столбу и выходила на поверхность грунта над осью МГ. Измерения температуры грунта проводились через 3 недели после обустройства скважин. В период проведения термоизмерений температура воздуха составляла от плюс 2 до плюс 12 С, в связи с чем происходило интенсивное таяние снега с накоплением талых вод в низинах, соответственно в части скважин, выполненных в тундровой части участка №1 термоизмерения не проводились (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Состояние скважин в период проведения термоизмерений:

а) скважина в многолетнемерзлом грунте; б) скважина в грунте засыпки; в) скважины, подтопленные талыми водами В местах сбора талых вод на участке №1 предполагается оценить:

- интенсивность оттаивания многолетнемерзлого грунта в летний период;

- интенсивность промерзания переувлажненного талого грунта в осенний и зимний периоды.

Следует отметить, что в местах накопления талых вод, для исключения обводнения внутренней полости скважин, длина наземной части обсадных труб составляет 0,5 - 0,6 м.

Результаты измерения температуры грунта и их анализ Для проведения измерений использовались следующее оборудование:

- контролер цифровых датчиков ПКЦД – 1/100;

- термоизмерительная коса;

- персональный компьютер с установленным программным обеспечением для переноса данных термоизмерений из памяти контроллера;

Исследования выполняются в следующей последовательности [59, 60]:

- подготовка термоизмерительного оборудования (подключение термоизмерительной косы к контроллеру цифровых датчиков, установка элементов питания);

- проверка работоспособности оборудования (включение контролера, настройка, проверка показаний, получаемых с каждого датчика);

- размещение термоизмерительной косы в скважину, периодический опрос датчиков термоизмерительной косы до полной стабилизации показаний, считываемых контроллером;

- извлечение термоизмерительной косы из скважины.

Для исключения теплообмена между полостью скважины и окружающей средой, верхний торец обсадной трубы с проведенной через него термоизмерительной косой герметизировался быстросъемной заглушкой.

Пример размещения термоизмерительной косы в скважине представлен на рисунке 2.10.

Данные, считываемые с датчиков термоизмерительной косы, периодически сохраняются в памяти контроллера. Сохранение данных может выполняться, как в ручном, так и автоматических режимах, временной интервал между сериями замеров составляет 5 – 10 минут.

Извлечение данных термоизмерений из памяти контроллера выполняется с помощью портативного персонального компьютера с установленным программным обеспечением, входящим в комплект поставки прибора. Из полученных данных автоматически формируется электронная таблица, в которой указывается:

- время проведения измерения;

- показания всех датчиков термоизмерительной косы.

Рисунок 2.10 – Определение температуры многолетнемерзлого грунта:

а) размещение термоизмерительной косы в скважине; б) выдержка термоизмерительной косы на воздухе перед спуском в скважину Время выдержки термоизмерительной косы в скважине определяется скоростью стабилизации показаний, считываемых прибором. На рисунке 2.11 приведена графическая зависимость, характеризующая распределение температуры по глубине грунта. Сохранение данных выполнялось с интервалом в 5 мин. Анализ полученных данных показывает, что оптимальное время выдержки термоизмерительной косы в скважине составляет 25 – 30 мин.

Рисунок 2.11 – Определение временного интервала стабилизации температуры, измеряемой датчиками термоизмерительной косы По результатам проведенных измерений для каждой пары контрольных скважин формировался паспорт (приложение А), в котором указывались:

- графики распределения температур по глубине в скважинах в грунте засыпки и многолетнемерзлом грунте;

- план и профиль участка с указанием грунтов;

- характеристики грунтов.

Ниже приведен пример паспорта, составленного по результатам термоизмерений в скважинах, выполненных на ПК 262 (км 26,2). Термоизмерительные скважины выполнены у основания склона. Грунт представлен суглинками и супесями различной степени льдистости. Верхний слой грунта сформирован растительными остатками, мощность слоя составляет 0,3 м.