1326

УДК 622.276.05

М.Е. Жалко

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТА ПОД ДОРОЖНЫМ ПОЛОТНОМ

Рассмотрена модель процесса промерзания грунта под дорожным покрытием. Показано, что существующие уравнения не учитывают влажность грунта и его уплотнения под дорожной одеждой.

Ключевые слова: грунт, промерзание, влажность, дорожная одежда.

M.E. Zhalko

Perm National Research Polytechnic University

MODELING OF THE PROCESS SOIL FREEZING

UNDER THE ROADWAY

The article describes the model of soil freezing process under the road surface. It is shown that the existing equations do not account for soil moisture and compaction under the pavement.

Keywords: soil, freezing, humidity, pavement.

Согласно статистике, предоставленной ГИБДД по Пермскому краю, ДТП, допущенные по причине нарушения целостности дорожного покрытия, находятся на 4-м месте по частоте. Количество происшествий по причине разрушения дорожного полотна составляет более 7 % от общего числа ДТП [1].

Особенности образования грунтов Пермского края обусловливают их характеристики. Особенности климата (осадки выпадают преимущественно в летнее время, в зимний период наблюдается существенное снижение температур ниже 0 °С) также послужили причиной разрушения дорог на территории края. Основной причиной данных явлений является морозное пучение.

Согласно Техническим указаниям по укреплению обочин автомобильных дорог ВСН-39-79, утвержденным Министерством автомобильных дорог РСФСР, Пермский край относится ко II и III дорожно-климатическим зонам. Территории этих зон характеризуются повышенным увлажнением грунтов в определенные годы и избыточным увлажнением грунтов соответственно. Таким образом, вопрос обеспечения водоотвода на загородных дорогах общего пользования с усовершенствованным покрытием встает достаточно остро [2].

Визучении природы морозного пучения грунтов при промерзании, в разработке

исовершенствовании методов его расчета, а также в применении численных методов при решении задач тепломассообмена с фазовыми переходами большой вклад внесли

131

М.И. Сумгин, Н.А. Цытович, Б.И. Далматов, В.О. Орлов, И.А. Тютюнов, Ю.А. Хохолов,

идругие исследователи [3, 4].

Взависимости от уровня межпластовых вод пучинистые явления проявляются в течение сезона в разной степени. Если водонасыщенные слои находятся высоко, то пучинистые явления проявляются и зимой, и весной. В этом случае низкие зимние температуры и повышенная влажность грунта усилят пучение грунта. Если же грунтовые воды залегают глубоко, то увлажнение верхних слоев грунта возникнет только при таянии снега весной, когда температура воздуха не такая низкая, как зимой. При таких условиях пучение грунта не будет столь значительным.

Общее уравнение, описывающее процесс промерзания-оттаивания в трехмерном пространстве можно представить в виде выражения [5]:

где Сth(f) – удельная теплоемкость грунтов, Дж/(кг·К);

ρ – плотность грунта, кг/м3; T – температура, К;

t – время, с;

λth(f) – теплопроводность грунтов Вт/м·К;

x, y, z – координаты, м;

qv – мощность внутренних источников тепла.

Данное выражение справедливо для грунтов различных типов, однако оно не учитывает особенностей грунтов, расположенных в основании дорожных одежд. Для этих грунтов характерно состояние динамического сжатия. Также при строительстве происходит уплотнение грунта. Данные факты оказывают влияние на процессы промерзания и оттаивания.

Наиболее важным деформационным свойством дисперсных грунтов является их сжимаемость под нагрузкой, обусловленная уменьшением объема пор вследствие смещения частиц относительно друг друга, деформацией самих частиц, а также воды и газов, заполняющих поры.

Уплотнение водонасыщенного грунта происходит вследствие удаления воды из пор, при этом влажность грунта уменьшается. Уплотнение не полностью водонасыщенных грунтов до определенных давлений может происходить без изменения их влажности.

Сжимаемость грунтов под нагрузкой происходит во времени. Поэтому при определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной (равновесной) деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой группе показателей относятся: коэффициент уплотнения Kупл, коэффициент компрессии ak, модуль осадки ер; ко второй группе – коэффициент консолидации cv и др.

Таким образом, возникает необходимость внедрения в приведенное выражение коэффициентов уплотнения:

132

где ρd – плотность скелета грунта;

ρmaxd – максимально возможная плотность для данного типа грунта.

Данный коэффициент представляет собой отношение плотности грунта к максимально возможной плотности. Стоит отметить, что значение плотности непосредственно зависит от влажности грунта.

где W – влажность грунта.

Таким образом, становится очевидной связь плотности грунта с его влажностью. Влияя на влажность подстилающего грунта, мы можем оказать влияние на его плотность, что в свою очередь положительно скажется на сроке службы дороги, безопасности и комфортности движения.

В формулах (1) и (2) используется понятие удельной теплоемкости грунтов ( Сth(f) ).

Удельная теплоемкость (С) численно равна количеству тепла, которое необходимо сообщить единице веса породы для изменения ее температуры на 1 °C при отсутствии фазовых переходов воды. Ее размерность – кал/(г·°С) или ккал/(кг·°С) [6].

Функция теплоемкости включает в себя две составляющие: Объемную теплоемкость грунта и теплоту фазовых превращений. Таким образом, выражение примет следующий вид:

В свою очередь, объемная теплоемкость выражается следующим соотношением:

где λ – коэффициент теплопроводности;

a – коэффициент температуропроводности.

Данные коэффициенты также имеют зависимость от влажности рассматриваемого грунта.

При рассмотрении увлажнения грунта естественным образом нельзя не принимать во внимание коэффициент водонасыщения. Данный коэффициент показывает степень заполнения объема пор водой:

где W – природная влажность грунта, доли единицы; е – коэффициент пористости;

ρs – плотность частиц грунта, г/см3;

ρw – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.

133

где ρs – плотность частиц грунта, г/см3; ρd – плотность сухого грунта, г/см3.

Формула 4 показывает зависимость ρd от влажности. Следовательно от влажности грунта зависят обе части уравнения.

Таким образом, была получена модель промерзания грунта с учетом зависимости уплотнения грунта под дорожной одеждой от влажности. В ближайшее время будет проведена экспериментальная работа с целью получения практических данных для анализа.

Список литературы

1.Регламентные таблицы ГИБДД РФ. Количество допущенных ДТП [Электрон-

ный ресурс]. – URL: http://www.gibdd.ru/stat/

2.Технические указания по укреплению обочин автомобильных дорог / Минавтодор РСФСР. – М.: Транспорт, 1980.

3.Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. – М.: Высшая школа, 1973.

4.Далматов Б.И. Воздействие морозного пучения на фундаменты сооружений. – Л.: Госстройиздат, 1957.

5.Кудрявцев С.А., Кажарский А.В. Численное моделирование процесса миграции влаги в зависимости от скорости промерзания грунтов // Инженерно-строительный жур-

нал. – 2012. – № 4.

6.Горобцов Д.Н. Научно-методические основы исследования теплофизических свойств дисперсных грунтов. – М., 2011. – 198 с.

Получено 2.10.2013

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И НЕФТЕГАЗОВОМ ДЕЛЕ

УДК 622.245.8

В.А. Березнев

Пермская государственная сельскохозяйственная академия

С.Н. Костарев, Т.Г. Середа

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ КОНСЕРВАЦИИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

Рассматриваются проблемы рекультивации нарушенных земель в условиях многолетней мерзлоты при неблагоприятном развитии сценария, связанного с глобальным потеплением. Особое внимание уделено возможным деформациям, которые могут возникнуть в результате оттаивания грунта.

Ключевые слова: буровой шлам, консервации нефтяных скважин, фильтрат.

V.A. Bereznev

Perm State Agricultural Academy by academician D.N. Pryanishnikov

S.N. Kostarev, T.G. Sereda

Perm National Research Polytechnic University

ESTIMATION OF SAFETY OF PRESERVATION OF OIL WELLS

IN CONDITIONS OF THE LONG-TERM FROZEN GROUND

Problems recultivation the broken grounds in conditions of a long-term frozen ground are considered at adverse development of the script connected to global warming. The special attention is given to possible deformations which can arise as a result of thawing ground.

Keywords: drill cuttings, preservation of oil wells, a leachate.

При ликвидации или консервации нефтяных скважин встает вопрос о рекультивации нарушенных земель [1, 4]. Обычные приемы рекультивации, связанные с переработкой загрязненного грунта и удалением его на полигоны, не эффективны и экономически не выгодны.

По климатообразующим факторам район европейской тундры России находится в субарктическом поясе и характеризуется коротким и прохладным летом, продолжительной зимой и устойчивым снеговым покровом более 200 дней в году. Продолжительность периода с положительными температурами воздуха – 122 дня.

В геологическом разрезе мощная толща четвертичных отложений дочетвертичного рельефа перекрыта торфами с прослоями песков и супесей мощностью до 5 м.

136

Мощность сезонного протаивания составляет 0,4–0,7 м. Характерно широкое развитие жильных льдов. Неравномерность льдонасыщенности создает благоприятные условия для развития термокарста. Подстилают биогенные отложения: пески, супеси

исуглинки с включением валунов, гальки и гравия морского происхождения общей мощностью до 10–20 м.

Территория буровых площадок с поверхности и до глубины 1,7–5,0 м представлена верхнечетвертичными песчаными или супесчаными отложениями. В периоды снеготаяния и массовых осадков участки обводняются. Подземные воды залегают на глубине 0,1–0,2 м в меженный период. Сезонное оттаивание грунтов начинается в конце мая

ипродолжается до середины октября.

Буровой шлам в амбарах в сильной степени загрязнен нефтепродуктами, содержание которых колеблется от 19 до 96 г/кг и является постоянным источником загрязнения водной среды. Кроме того, буровой шлам амбара имеет среднюю степень засоления. Тип засоления сульфатно-хлоридно-натриево-кальциевый.

Исходя из климатических и рельефных условий, водно-физических и механических свойств грунтовых отложений поверхностного слоя, предполагается обезвредить буровые шламы путем изменения условий хранения их в амбарах.

Обезвреживание отходов бурения сводится к выполнению мероприятий по вовлечению шламов в многолетнемерзлый слой (ММС), то есть ликвидации водной составляющей амбаров, организации противофильтрационного экрана и засыпке амбарных выемок.

Процесс рекультивации начинается с удаления водной фракции из амбарных выемок в зимний период. Для этого лед нарезают на отдельные куски и транспортируют их для дальнейшей закачки в поглощающие скважины. Водная фракция в амбарах в виде льда выбирается до минимальной толщины над вскрываемыми буровыми шламами. Далее поверхность шлама засыпается минеральным грунтом (супесь, песок) толщиной 0,3 м и на подготовленное рыхлое песчаное основание вручную укладывается противофильтрационный экран из полимерного листа толщиной 2 мм, который обычно применяют для изоляции резервуаров питьевой воды, систем водооборота, охлаждения, емкостей с агрессивными средами, при сооружении полигонов бытовых, промышленных, химических и других отходов.

Полимерный лист стоек к агрессивным щелочным и кислотным средам (pH от 1 до 12), моторным маслам, нефтепродуктам и конденсату природных газов, обладает морозостойкостью до минус 70 °С, срок службы – не менее 50 лет. Температура эксплуатации полимерного листа толщиной 2 мм находится в диапазоне минус 60 °С – плюс 50 °С.

При укладке полимерные листы свариваются методом термической сварки в любую погоду, что обеспечивает надежную гидроизоляцию. Размер рулона 1,84 на 80–100 м.

После укладки и сварки полимерный материал перекрывается рыхлым песчаным грунтом слоем до 0,3 м в целях предохранения его от механического повреждения и амбарные выемки могут быть использованы для захоронения буровых шламов. Общая площадь перекрытия буровых шламов, находящихся в амбарах, может составить 500 м2. Таким образом, создаются условия для введения буровых шламов в ММС путем увеличения мощности сезонно-талого слоя в пределах площади амбарных выемок до 1,5 м высоты (от слоя шлама) с организацией поверхностного стока. Окончательная засыпка амбарных выемок с использованием грунта земляных валов до запланированной высотной отметки проводится в летний период.

137

Биологический этап рекультивации проводится по окончании планировочных работ на площади амбарных выемок, под земляными валами, грунт которых использован для засыпки выемок, а также в местах, наиболее перекрытых отходами произ-

водства [2, 5, 6].

Процесс оттаивания ММС на глубину более 1 м является маловероятным событием. Тем не менее необходимо оценить безопасность захоронения бурового шлама

сточки зрения сохранения целостности полимерного листа в случае оттаивания шлама и подстилающих его отложений. Для этого определим возможную осадку основания

сучетом коэффициента оттаивании kА, характеризующего относительную осадку грунта при оттаивании в условиях отсутствия пригруза, и коэффициент сжимаемости kM, аналогичный коэффициенту сжимаемости немерзлых грунтов

где Δε – относительная деформация; Р – дополнительные напряжения.

Cледует отметить, что использовать физические характеристики для определения нормативных деформационных свойств (модуля деформации) не представляется возможным. Это связано с тем, что осадки при оттаивании связаны со многими факторами, не поддающимися количественной оценке: скоростью оттаивания, направлением теплового потока, криогенной структурой грунта, его гидратонасыщенностью.

Численное значение коэффициента сжимаемости kM возьмем из экспериментальных данных, приведенных в статье [3]. Опыты, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТ 12248–96 в одометрах конструкции Н.А. Цытовича при плоскопараллельном оттаивании, дают для оттаявших песков kM = 0,0220–0,1734 (МПа–1).

Тогда величина осадки S при высоте насыпи 1,5 м (согласно проекту) и удельном весе грунта γ = 18 кН/м3 составит 0,59–4,68 мм, если мощность оттаявшего слоя h1 = 1 м.

С учетом коэффициента оттаивания песков природной влажности не более 15 % (kА = 0,0005), величина просадки составит 0,5 мм, т.е. в сумме Sпр + S не более 5 мм.

Такая величина суммарной осадки не приведет к нарушению целостности полимерного листа.

Однако с увеличением влажности песков ММС до 30 % величина глубины оттаивания значительно возрастет (до 0,145 м). В этих условиях суммарная осадка будет около 15 см, что приведет к нарушению целостности полимерного листа и загрязнению подземных вод.

В случае подстилающего слоя, представленного супесями, требования экологической безопасности захоронения при развитии неблагоприятного сценария (оттаивания) ограничивается их влажностью 19–25 %. При больших значениях влажности осадки превысят допустимые значения.

Выводы. Безопасность захоронения отходов обеспечивается двумя факторами: сохранением условий многолетней мерзлоты и водонасыщенностью основания. В неблагоприятном случае при оттаивании основания важно обеспечить влажность подстилающих песков не более 20 % и супесей не более 25 %.

138

Список литературы

1.Березнев В.А. Опыт рекультивации нарушенных нефтедобычей территорий

вусловиях вечной мерзлоты // Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008.

2.Середа Т.Г. Обоснование технологических режимов функционирования искусственных экосистем хранения отходов: дис. … д-ра техн. наук. – Пермь, 2006.

3.Горшков Е.И. Деформационные характеристики оттаивающих грунтов (на примере Бованенского месторождения) // Ломоносов – 2008: материалы конф. – М.: Изд-во МГУ, 2008.

4.Костарев С.Н. Мониторинг и управление физико-химическими параметрами

вприродно-технических системах утилизации отходов: сб. науч. тр. Sworld. – 2013. –

Т. 5, № 3. – С. 78–82.

5.Костарев С.Н., Середа Т.Г., Михайлова М.А. Разработка автоматизированной системы мониторинга и управления природно-техническими системами утилизации отходов // Фундаментальные исследования. – 2013.– № 6–2. – С. 273–277.

6.Kostarev S.N., Sereda T.G. Аutomated process control of sanitary municipal solid waste landfill // World Applied Sciences Journal. – 2013. – Т. 22, № SPL. – Iss. 2. – С. 64–69.

Получено 17.10.2013

УДК 622.691.4-192: 331.45

С.Ф. Минацевич, А.Л. Долинов, Е.С. Минацевич

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РИСКОВ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

На примере эксплуатации современного ГПА мощностью 16 МВт произведен анализ его безопасности в зависимости от различных опасных факторов и конструктивных элементов трубной обвязки магистралей пускового и топливного газа входящей в состав ГПА газотурбинной установки. В результате анализа выявлены наиболее слабые места в трубной обвязке топливного газа. Произведена экономическая оценка рисков возникновения возможных чрезвычайных ситуаций при аварийном разрыве одного из элементов – сильфона.

Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, газотурбинная установка, опасные факторы, трубная обвязка, последствия аварии, возможные экономические потери.

S.F. Minatsevich, A.L. Dolinov, E.S. Minatsevich

Perm National Research Polytechnic University

MODELING SAFETY ANALYSIS OF MODERN GAS COMPRESSOR UNITS AND ECONOMIC RISK ASSESSMENT OF EMERGENCIES

The authors of the article, the example of the operation of modern GPU power of 16 MW, the analysis of its security depends on a variety of hazards and structural elements of the piping routes starting and fuel gas is part of the gas turbine compressor units. The analysis revealed the weakest place in the fuel gas piping. Produced an economic assessment of the risks of possible emergencies in case of emergency break one of the elements – the bellows.

Keywords: gas compressor unit, gas turbine power plant, hazards, piping, the consequences of the accident, the possible economic loss.

Введение

За последние пятнадцать лет мы стали свидетелями бурного развития газотурбинных технологий и перенесения их из авиационной промышленности в сферу проектирования и производства наземной энергетической техники для использования в системах современных газоперекачивающих агрегатов и в мобильных энергетических установках блочного исполнения.

Наиболее существенные результаты в масштабах страны были достигнуты на Пермской площадке, где несомненно значительную роль по проектированию и интеграции усилий производителей наземной газотурбинной техники выполнили сотрудники предприятий ОАО «Авиадвигатель», ОАО «ПМЗ» и ОАО НПО «ИСКРА».

140