Анализ результатов длительных наблюдений за геотехническими системами в криолитозоне

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛИТЕЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ГЕОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ В КРИОЛИТОЗОНЕ

 

С.Н. Стрижков, Н.А. Скорбилин

НПО «Фундаментстройаркос», г.Тюмень, e-mail: fsa@npo-fsa.ru

 

Анализируются результаты длительных термометрических наблюдений на объектах с установленными системами температурной стабилизации грунтов оснований зданий и инженерных сооружений. Даются статистические данные по установке этих систем и термометрических скважин, их распределения по регионам. Рассматриваются исторические и организационные особенности проведения термометрических исследований в разных районах криолитозоны

 

Из всей территории Российской Федерации площадью немногим более 17 млн. км² примерно 11 млн. км², то есть около 65%, занято многолетнемерзлыми горными породами, формируя обширную криолитозону [1].

К важнейшим особенностям проектирования, строительства и эксплуатации зданий и инженерных сооружений в криолитозоне относится необходимость учитывать и регулировать теплообмен грунтов с этими зданиями и сооружениями, а также с внешней средой. При хозяйственном освоении территории изменения температурного и влажностного режимов грунтов, особенно с переходом температур через 0^оС, вызывают изменения состава, строения и свойств грунтов, прочности, несущей способности и сжимаемости мерзлых пород, напряжения и деформации пучения и осадки в промерзающих и протаивающих породах, разрабатываемости мерзлых пород при горных работах, интенсивности развития термоэрозии, наледей, термокарста, солифлюкции и других криогенных процессов и явлений. Это может привести к значительным разрушениям и деформациям строящихся и эксплуатируемых зданий и инженерных сооружений, а также необратимым негативным последствиям для окружающей природной среды. Около 30% всего жилого фонда на российском арктическом побережье составляют деформированные здания, многие из которых находятся в непроектном или аварийном состоянии.. Потери на ремонт и реконструкцию поврежденных зданий составляют около 10% их стоимости. Основные причины деформаций – это осадки многолетнемерзлых грунтов (ММГ) при оттаивании или их пучение при промерзании. Огромные экономические потери по аналогичным причинам отмечаются при строительстве и эксплуатации железых и автомобильных дорог, подземных коммуникаций, плотин и других инженерных сооружений [2].

В связи с этим защита территорий от опасных криогенных процессов и явлений, надежность эксплуатируемых объектов, в первую очередь – их оснований, и экологи­ческая безопасность окружающей природной среды должны быть обеспечены на всех стадиях формирования и функционирования геотехнических систем (ГТС), состоящих из совокупности природных объектов и технических сооружений, прямо связанных друг с другом, когда функционирование технического объекта сильно зависит от природного и наоборот [3].

В число наиболее эффективных методов предотвращения и устранения аварийных ситуаций в периоды строительства и эксплуатации зданий и сооружений в криолитозоне входит температурная стабилизация и замораживание талых и охлаждение пластично-мерзлых грунтов. Для этих целей ООО НПО «Фундаментстройаркос» разработало, производит и широко использует системы температурной стабилизации грунтов оснований (ТСГ): системы «ГЕТ» (системы горизонтальные, естественнодействующие, трубчатые), системы «ВЕТ» (системы вертикальные, естественнодействующие, трубчатые), «ТК» (индивидуальные «СОУ»-термостабилизаторы), «СОУ» (сезоннодействующие глубинные охлаждающие устройства) и другие [4-8].

География работ ООО НПО «Фундаментстройаркос», включая разработку, производство, установку, мониторинг и научно-методологическое сопровождение систем ТСГ, охватывает многие регионы России, особенно в ее северной и восточной частях, а также восточные районы Украины (рисунок 1).

 

 

Рисунок 1 – География работ ООО НПО «Фундаментстройаркос»

Всего за период 1993-2010 гг. установлено 104428 систем и устройств ТСГ производства ООО НПО «Фундаментстройаркос», в том числе: «ГЕТ» – 1020 систем, «ВЕТ» – 337 систем, «ТК» и «СОУ» – 103071 устройство [9], причем их соотношение по регионам следующее (таблица 1):

 

Таблица 1 -  Установленные за период 1993-2010 гг. системы ТСГ

по регионам

 

№	Регион	Количество
		«ГЕТ»	«ВЕТ»	«ТК»
1	Ямало-Ненецкий автономный округ	606	110	37533
2	Красноярский край	282	-	63001
3	Республика Саха - Якутия	-	191	1218
4	Ненецкий автономный округ	76	36	1015
5	Хабаровский край	46	-	75
6	Иркутская область	10	-	157
7	Чукотский автономный округ	-	-	72

 

Подавляющее большинство систем «ГЕТ» установлено на различных объектах Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и Ванкорского нефтегазового месторождения, расположенного в Красноярском крае. Подобная ситуация сложилась также с системами «ВЕТ», но где вместе с ЯНАО лидером является Республика Саха – Якутия (плотины в районе г.Мирный). Значительное большинство «ТК» и «СОУ» располагается на территории ЯНАО, но с учетом установленных на нефтепроводе Ванкор-Пурпе 60 тысяч устройств этого класса, еще больше их находится на территории Красноярского края.

Установка систем ТСГ на объектах происходит в соответствие с проектами температурной стабилизации грунтов, разрабатываемыми и реализовываемыми ООО НПО «Фундаментстройаркос» на основе результатов специальных инженерных (инженерно-геологических, инженерно-геокриологических, инженерно- гидрологических и гидрогеологических) изысканий с учетом конструктивных и технологических особенностей проектируемых сооружений, их теплового и механического взаимодействия с ММГ оснований и возможных изменений геокриологических условий, в том числе в связи с прогнозируемым глобальным потеплением климата. При этом учитываются местные условия строительства, требования к охране окружающей среды, а также имеющийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений в аналогичных условиях.

Контроль за эксплуатационной надежностью и долговечностью зданий и сооружений с установленными в их основаниях системами ТСГ, работоспособностью и эффективностью работы последних, состоянием температурного поля грунтов оснований в значительной мере может обеспечивать геотехни­ческий мониторинг (ГТМ) – система комплексного контроля, прогнозирования и управления состоянием ГТС с целью обеспечения их надежности на всех стадиях жизненного цикла.

В ООО НПО «Фундаментстройаркос» ГТМ включает в себя:

• Разработку на стадии проекта и последующее создание сети ГТМ грунтов оснований, фундаментов и опорных конструкций;
• Режимные наблюдения за динамикой теплового баланса систем ТСГ с грунтами оснований, состоянием фундаментов и опорных конструкций;
• Анализ полученных данных и разработку мероприятий по предупреждению деструктивных процессов с целью обеспечения безаварийной эксплуатации объекта.

Значительное место в программе ГТМ систем ТСГ занимает обязательное проведение регулярных измерений температуры грунтов как в процессе строительства, так и в период эксплуатации сооружения, как и предусмотрено СНиП 2.02.04-88 [10] для всех проектов оснований и фундаментов зданий и инженерных сооружений, возводимых на ММГ. Количество, глубина и размещение необходимых для проведения мониторинга температур грунтов наблюдательных термометрических труб (скважин, ТТ), то есть термометрического мониторинга, его программа определяются разрабатываемыми ООО НПО «Фундаментстройаркос» проектами систем ТСГ, учитывающими назначение, степень ответственности и линейные размеры строящихся зданий и сооружений. Для этих целей также в полной мере используются результаты анализа инженерно-геологических изысканий, генплана застройки территории и особенностей теплового взаимодействия зданий, сооружений, трубопроводов и грунтов их оснований.

Согласно ГОСТ 25358-82 [11], измерения температуры грунтов должны выполняться в заранее подготовленных и выстоянных скважинах переносными или стационарными термоизмерительными комплектами, представляющими собой гирлянды электрических датчиков температуры с соответствующей измерительной аппаратурой или гирлянды «заленивленных» ртутных термометров. Температуру мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтов следует выражать в градусах Цельсия с округлением до 0,1°С. В ООО НПО «Фундаментстройаркос» измерения температуры грунтов в сети ТТ, пробуренных на территории объекта, производят с помощью комплекса, состоящего из многозонного цифрового датчика температуры МЦДТ 0922 и многоканального портативного контроллера цифровых датчиков ПКЦД-1/16.

Среди особенностей проектирования ТТ, их оптимального размещения по площадке и проведения в них мониторинговых исследований следует отметить следующие:

• При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений с установленными системами ТСГ в качестве объектов термометрического мониторинга в тесном взаимодействии выступают грунты оснований, фундаменты и сами указанные системы, что вызывает необходимость измерений температур грунтов максимально близко к фундаментам, не выходя за пределы зоны действия этих систем. Исключение составляют скважины, предназначенные для определения фоновых значений температур грунтов;
• Для оптимального размещения ТТ по проектируемой площадке требуется соблюдать два основных условия: во-первых, расставлять их достаточно равномерно по площади с расстоянием между двумя соседними скважинами, не превышающими 15-20 м [12]; во-вторых, ставить дополнительные скважины в критических местах (например, водоотводные лотки, места ввода или выпуска санитарно-технических коммуникаций, дополнительного источника тепла и т.д.);
• При проектировании одновременно на нескольких смежных площадках необходимо использовать возможность более рационального и эффективного размещения ТТ с учетом всей проектируемой площади.

Большинство зданий и сооружений с установленными системами ТСГ производства ООО НПО «Фундаментстройаркос» и контролирующими их работу термометрическими скважинами находится на территории ЯНАО, однако часть из них располагается в других северных и восточных регионах страны – Красноярском и Хабаровском краях, Якутии, Иркутской области, Ненецком и Чукотском автономных округах (рисунки 2, 3).

Около четверти всех рассматриваемых ТТ установлены на объектах с системами ТСГ, находящимися на территории Уренгойского месторождения с примыкающими к нему территориями г.Новый Уренгой, ст.Фарафонтьевская, Восточно-Уренгойского и Северо-Есетинского месторождений, трасс газопроводов (таблица 2). Среди таких объектов отмечаются УКПГ, ДКС, другие инженерные сооружения и различные здания промышленно-бытового назначения. На указанной территории самыми первыми объектами, на которых в октябре 1989г. начались регулярные термометрические наблюдения силами ООО НПО «Фундаментстройаркос», стали ЦПС-2 и ДКС-2 в районе г.Новый Уренгой.

На территории Бованенковского месторождения находится больше всего объектов с установленными системами ТСГ (136 объектов). Для проведения термометрических наблюдений построены 343 ТТ. Первые такие наблюдения начались в июле 2004г. в грунтах под зданиями теплой стоянки и пождепо промбазы ГП-1.

Первые термометрические наблюдения на территории Заполярного месторождения приурочены к апрелю-маю 1998г. Этими объектами с установленными на них системами ТСГ стали теплые стоянки, агрегаты и ЗРУ ПАЭС-2500, котельная «Вайсман».

Рисунок 2 - Схема размещения объектов с системами ТСГ и термометрическими скважинами на севере Западной Сибири (в числителе – число объектов с системами ТСГ, в знаменателе – количество ТТ)

 

Рисунок 3 - Схема размещения объектов с системами ТСГ и термометрическими скважинами в Азиатской части России (в числителе – число объектов с системами ТСГ, в знаменателе – количество ТТ)

 

 

Таблица 2 - Географическое распределение объектов с системами ТСГ и термометрическими скважинами

 

№	Регион	Количество
		Объе-ктов	ГЕТ	ВЕТ	ТК	ТТ
1	Ямало-Ненецкий автономный округ, в т.ч.:	444	606	110	37533	2471
	Уренгойское месторождение	72	3	22	12387	711
	Бованенковское месторождение	136	145	-	5433	343
	Заполярное месторождение	73	47	23	3987	284
	Харасавэйское месторождение	20	175	-	190	209
	Ямбургское месторождение	30	83	14	2340	197
	Самбургское месторождение	45	88	5	1368	192
	Южно-Русское месторождение	17	-	-	6929	148
	Юбилейное месторождение	13	6	12	1155	73
	Медвежье месторождение	5	5	5	221	25
	Сандибинское месторождение	1	12	2	-	20
	г. Салехард	10	18	3	1449	115
	г. Лабытнанги	14	4	24	1256	96
	г. Самбург	7	20	-	289	40
	г. Надым	1	-	-	529	18
2	Красноярский край, в т.ч.:	58	282	-	63001	362
	Ванкорское месторождение	58	282	-	63001	362
3	Республика Саха - Якутия, в т.ч.:	26	-	191	1218	269
	Район г.Мирный	26	-	191	1218	269
4	Ненецкий автономный округ, в т.ч.:	8	76	36	1015	82
	Район пос.Варандей	8	76	36	1015	82
5	Хабаровский край, в т.ч.:	5	46	-	75	49
	Хаканджинское месторождение	5	46	-	75	49
6	Иркутская область, в т.ч.:	1	10	-	157	8
	Верхнечонское месторождение	1	10	-	157	8
7	Чукотский автономный округ, в т.ч.:	2	-	-	72	7
	Западно-Озерное месторождение	2	-	-	72	7
	Всего:	544	1020	337	103071	3248

 

Еще раньше, в ноябре 1997г., начались термометрические наблюдения на территории Харасавэйского месторождения. Они были проведены на ряде объектов - промежуточном складе ГСМ, производственном корпусе АО "Ямалавтосервис", теплой стоянке строительной техники треста ЯСГД.

На Ямбургском месторождении первым объектом с системами ТСГ, на котором проводились термометрические измерения (март 2002г.), стало здание РЭУ в пос.Ямбург.

Несколько позднее, в июне 2003г. начались термометрические наблюдения на территории Самбургского месторождения, в грунтах под технологическим корпусом подготовки газа и конденсата, резервуарным парком метанола, служебно-эксплуатационным блоком с узлом связи и др.

Характерной особенностью для объектов на территории Южно-Русского месторождения стало отсутствие систем «ГЕТ» и «ВЕТ», что компенсировалось установкой значительного числа ТК (около семи тысяч устройств). Термометрические измерения начались там в мае 2006г. на объектах УКПГ.

По нескольку десятков ТТ было оборудовано для проведения термометрических наблюдений, начавшихся в период 2003-2008 гг., на объектах с системами ТСГ, расположенных на территории Сандибинского, Юбилейного и Медвежьего месторождений.

Кроме месторождений углеводородного сырья, системы ТСГ производства ООО НПО»Фундаментстройаркос» размещены на объектах, находящихся непосредственно в населенных пунктах.

Из таких объектов в г.Салехарде следует отметить, прежде всего, здания Салехардского РВЗ и аэровокзала, обладающих длинными рядами термометрических измерений, начавшихся, соответственно, в июне 1996г. и октябре 1997г.

В г.Лабытнанги первые термометрические наблюдения начались в мае-июне 1996г. на объектах с системами ТСГ - зданиях ГОВД и 84-квартирного дома по ул.Дзержинского

Длинный ряд термометрических измерений (с января 1995г.) имеется для находящегося в г.Надым дома №10, в основании которого установлено более 500 ТК и 18 контролирующих их ТТ.

За пределами ЯНАО имеется яркий пример широкомасштабного использования систем ТСГ для замораживания грунтов оснований – Ванкорское месторождение на севере Красноярского края. Там всего установлено на 58 объектах около 300 систем ГЕТ и свыше 63 тысяч ТК, включая магистральный нефтепровод Ванкор – Пурпе. Для контроля их работы проводится регулярный мониторинг температур грунтов оснований в 362 ТТ. Эти наблюдения начались в апреле 2006г. с резервуаров объемом 5000 м³ для хранения дизельного топлива на площадке УПСВ-Ю и хранения воды для пожаротушения на площадке ЦПС.

В районе г.Мирный (Восточная Якутия) получен уникальный опыт успешного замораживания и стабилизации грунтов тела плотин на р.Лиендокит и гидроузла на р.Ирелях с помощью систем ТСГ производства ООО НПО «Фундаментстройаркос». В этом районе системы ТСГ также установлены на других объектах: зданиях и сооружениях промышленно-бытового назначения Мирнинского ГОКа, КНС промстоков, линейных трубопроводах, установке биологической очистки бытовых сточных вод. Начался термометрический мониторинг на объектах с системами ТСГ в январе 2004г. на хвостохранилище первой очереди Мирнинского ГОКа.

Разнообразные и весьма объемные работы по установке и использованию систем ТСГ проведены в Ненецком автономном округе, в районе пос.Варандей. Широкий спектр этих систем применен для замораживания и стабилизациии грунтов оснований зданий и инженерных сооружений Варандейского нефтяного отгрузочного терминала, базы МТС «Дресвянка», Южно-Хыльчуюского нефтегазового месторождения. Термометрические наблюдения на данной территории начались в 2006г. с объектов «Маслосклад» и «Гараж закрытый».

Представления о географии работ по установке систем ТСГ дополняют оставшиеся три района. На золото-серебряном месторождении «Хаканджинское», раположенном на севере Хабаровского края, первые измерения температур грунтов основания здания золотоизвлекательной фабрики произведены в ноябре 2002г. Термометрические исследования грунтов под резервуарным парком пускового комплекса №1 Верхнечонского нефтегазового месторождения, находящимся на трубопроводной трассе «Восточная Сибирь – Тихий океан» в северной части Иркутской области, проведены в декабре 2008г. В 2006г. аналогичные работы осуществлены на объектах с системами ТСГ, относящихся к магистральному газопроводу «УКПГ Западно-Озерного месторождения – АГРС г.Анадырь» (Чукотский автономный округ).

Таким образом, вслед за маштабным вторжением в районы распространения криолитозоны технологий замораживания и стабилизации температурного режима грунтов оснований зданий и сооружений с помощью систем ТСГ производства ООО НПО «Фундаментстройаркос» там развернулись активные термометрические исследования, входящие в состав геотехнического мониторинга. В результате получены уникальные данные по температурам грунтов оснований зданий и сооружений из более чем трех тысяч термометрических скважин с длиной рядов наблюдений до 10-15 лет. Кроме практической пользы от полученных данных для достоверной и своевременной оценки температурного поля грунтов, эффективности работы систем и устройств ТСГ по промораживанию грунтов, теплоизоляции зданий и сооружений, поиска и нейтрализации на объектах техногенных источников повышенного тепловыделения, несомненен большой научный вклад в изучение процессов и динамики теплообмена грунтов и построенных на них техногенных объектов. Особенно это актуально в свете возрастающей популярности современных научных гипотез о глобальном потеплении климата.

В заключение необходимо остановиться на проблемах, возникающих при проведении термометрических наблюдений на объектах с установленными системами ТСГ:

• Подавляющая часть термометрических скважин находится в весьма сложных и парадоксальных условиях. С одной стороны, они располагаются в непосредственной близости от фундаментов техногенных объектов, что делает их легко уязвивыми для любых деформаций, поломок, разрушений; с другой стороны, эти объекты строятся в отдаленных районах с тяжелыми климатическими и транспортными условиями, что делает их весьма труднодоступными для регулярных исследований;
• Большое количество имеющихся термометрических скважин, что показано выше, требует огромных материальных и людских ресурсов для их регулярного мониторинга. Это накладно даже для такой серьезной и обеспеченной организации как ООО НПО «Фундаментстройаркос». Поэтому надо налаживать тесное сотрудничество в этом деле между всеми заинтересованными организациями, включая Российскую Академию наук;
• Важным дополнительным ресурсом для повышения эффективности использования сети термометрических скважин могло бы стать активное внедрение средств телеметрии и  дистанционных методов автоматизированного сбора и доставки в центры обработки всей термометрической информации.

 

 

 

Список литературы

1. Геокриологический словарь /Составители: Г.И.Дубиков, В.И.Аксенов. – М.:ГЕОС, 2003. – 140 с.
2. Ершов Э.Д. Общая геокриология. – М.: Изд-во МГУ, 2002. – 685 с.
3. Экологический энциклопедический словарь. – М.: Издательский дом «Ноосфера», 2000. – 930 с.
4. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Поденко Л.С., Феклистов В.Н. Надежность, эффективность и управляемость систем температурной стабилизации вечномерзлых грунтов оснований зданий и сооружений / Международная конференция: « Криогенные ресурсы полярных и горных регионов», 21-24 апреля 2008, Тюмень, с. 34-39.
5. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Кинцлер Ю.Э. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ. – Тюмень: ООО НПО «Фундаментстройаркос», 2002.
6. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Осокин А.Б. и др. Современная технология строительства оснований и фундаментов на многолетнемерзлых породах с применением парожидкостных охлаждающих установок / Материалы третьей конференции геокриологов России. Том 4. – М.: Изд-во МГУ, 2005.
7. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Стоянов С.А., Залесский К.В. Опыт проектирования, монтажа и эксплуатации систем температурной стабилизации грунтов оснований «ГЕТ» объектов Ванкорского месторождения / Материалы четвертой конференции геокриологов России, 7-9 июня 2011, Том 3. – М.: Университетская книга, 2011, с.273-279.
8. Стрижков С.Н. Стратегия инновационного развития, строительства и освоения территорий в криолитозоне /Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Стратегия инновационного развития, строительства и освоения районов Крайнего Севера», 19-20 апреля 2011, Тюмень, с. 12-32.
9. Волкова Е.В. Анализ геокриологического мониторинга систем температурной стабилизации грунтов оснований в районах Крайнего Севера /Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Стратегия инновационного развития, строительства и освоения районов Крайнего Севера», 19-20 апреля 2011, Тюмень, с. 12-32.
10. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2005. – 52 с.
11. ГОСТ 25358-82. Грунты. Метод полевого определения температуры.
12. СТО Газпром 2-2.1-435-2010. Проектирование оснований, фундаментов, инженерной защиты и мониторинга объектов ОАО «Газпром» в условиях Крайнего Севера. – М., 2010.