книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

Стоимость ручной разработки 1 м3 вечномерзлого грунта отбойным молотком составляет 5... 15 руб/м3 при трудоемкости 1;8;..2,5 чел.дней/м3. Если принять показатель стоимости ручной разработки вечномерзлого грунта за 100%, то получим, что стоимость радиационного оттаивания составляет 1...2%, гидрооттаивания - 2...5%, парооттаивания 5... 15%, электрооттаивания 10.-20%. Наибольшую стоимость имеет электрооттаивание вер­ тикальными электродами нормального напряжения, меньшую - токами высокого напряжения и высокой частоты. Трудоемкость радиационного и гидрооттаивания составляет 0,5... 1,5%, элек­ трооттаивания 2,0 - 4,0 %, парооттаивания 4...6 %.

В реальной практике производства земляных работ на веч­ номерзлых грунтах выбор способа производства зависит от имеющейся землеройной техники.

812. Радиационное оттаивание

Радиационное оттаивание солнечной энергией является ме­ тодом тепловой мелиорации (улучшения) свойств вечномерзлых грунтов для обеспечения их последующей послойной разработ­ ки с помощью бульдозеров. Метод нашел широкое применение на приисках Чукотки и Якутии [10] и для строительства тран­ шей на полуострове Таймыр. Однако этот способ может быть использован только при положительных температурах окру­ жающего воздуха. Скорость оттаивания вечномерзлого грунта тем больше, чем чаще срезается верхний слой оттаявшего грун­ та. Кроме того, скорость оттаивания зависит от типа грунта и его льдистости. При устойчивых положительных температурах окружающего воздуха удаление оттаявшего слоя грунта произ­ водят один раз в сутки, а при наступлении полярного дня 2...4 раза в сутки. Так разрабатывали в I960 - 1970 гг. траншеи глу­ биной 10... 15 м для коммуникаций на Таймыре, а в настоящее время котлованы глубиной б...8м в гравийно-галечниковых грунтах Чукотки и Якутии.

Для повышения производительности работ следует по воз­ можности удалять снежный покров^ отражающий 80% солнеч­ ной радиации и задерживающий начало оттаивания вечномерз­ лого грунта на 20...40 сут, или рыхлить верхний оттаявший

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-1 объектов в условиях Севера

слой, что увеличивает поверхность нагревания и обеспечивает доступ теплого воздуха в вечномерзлый грунт. Целесообразно заранее осуществить осеннее рыхление площадки строительст­ ва. При ежесуточном удалении оттаявшего слоя суглинистого грунта скорость оттаивания составляет 1 0 . . . 2 0 см/сут, а в песча- но-галечниковых грунтах hc=10 см/сут. Чем больше льдистость грунта, тем интенсивнее процесс оттаивания.

Общая глубина оттаивания вечномерзлого грунта при еже­ суточном удалении оттаявшего слоя

где Т - продолжительность оттаивания.

Разработку оттаявшего грунта осуществляют периодиче­ ским послойным удалением по мере оттаивания грунта или один раз после оттаивания грунта на заданную глубину. Первый спо­ соб более эффективен, так как позволяет разрабатывать более глубокие траншеи и котлованы. Минимально необходимая глу­ бина слоя оттаявшего грунта, обеспечивающая производитель­ ную работу бульдозера:

где Vn - объем призмы волочения; В - ширина отвала;

L - оптимальное расстояние разработки грунта; к - коэффи­

циент, оценивающий совершенство дренажа разрабатываемой площади {к=\ при полном отводе грунтовых вод, Ь=0,7 при удовлетворительном отводе грунтовых вод, к=0,5 при плохом отводе грунтовых вод).

Необходимо учитывать, что при разработке переувлажнен­ ных грунтов производительность бульдозера уменьшается в 2 ...2 ,5 раза по сравнению с разработкой грунтов естественной влажности. Приняв интенсивность оттаивания йс=10 см/сут для площадок с удовлетворительными условиями отвода грунтовых вод (к= 0,7).

Для радиационного оттаивания целесообразно использовать бульдозеры на базовом тракторе с малым тяговым усилием 1 0 0 кН, назначив оптимальную длину захватки 80... 120 м при уст­

ройстве траншей. При устройстве котлованов площадь захватки одного бульдозера составляет от 80x80 до 120x120 м. При глу­ бине оттаивания до 5 м крепление стенок траншей и котлованов не осуществляют. Разрабатываемые радиационным способом траншеи и котлованы должны иметь уклон не менее 0,005.

8.3. Гидрооттаивание

Применяют следующие виды гидрооттаивания вечно­ мерзлых грунтов: игловое, фильтрационно-дренажное, дожде­ вальное и их комбинации. При гидрооттаивании осуществляется теплообмен между мерзлым грунтом и водой.

Игловое гидроотгаивание заключается в оттаивании вечно­ мерзлого грунта благодаря теплоотдаче восходящего фильтра­ ционного потока воды, который создается посредством ее на­ гнетания в гидроиглы, погруженные в грунт. Глубина оттаива­ ния достигает 15 м. Чем меньше глинистых частиц в грунте, тем выше эффективность гидрооттаивания, так как иглы меньше засоряются.

Этот способ оттаивания нашел применение при разработке мерзлых россыпей. Погружение игл осуществляют с помощью буровых станков, при этом гидроигла играет роль бурового ин­ струмента. Для изготовления гидроигл используют буровые трубы длиной до 3,5м с наружным диаметром 34 и 42мм и тол­ щиной стенок 5 и 7мм. Сращивание труб, изготовляемых из ста­ ли ЗОХГС, осуществляют с помощью ниппелей с диаметром отверстия 15мм и резьбой, соответствующей резьбе трубы. Вода подается от распределителя через резинотканевые рукава, рас­ считанные на давление 05 МПа и имеющие диаметр 25 мм. Один рукав закреплен на отводе гидроиглы, другой на штуцере распределителя.

Угол наклона отвода около 75°, что исключает пережимание рукава при уменьшении давления воды. Подачу воды осу­ ществляют от насосной станции по трубопроводам. На каждой гребенке распределителя устанавливают до 10 штуцеров для присоединения рукавов. Коронки гидроигл изготовляют из ле­ гированных сталей.

Механика мерзлых грунтов н принципы строительства нефтегазовых - 1 5 4 - объектов в условиях Севера

Раньше гидроиглы погружали вручную. В последнее время их устанавливают с помощью ударно-вращательных и вибровращательных установок типа CBB-IV и СДВВ-П на базе трактсь ра Т-100. По окончании погружения гидроиглу поднимают на 10.. .20 см с последующей подачей воды. Затем гидроиглы под­ ключают к напорной сети. Воду в гидроиглы подают до момента образования слившихся талых зон от соседних гидроигл.

Гидроиглы размещают рядами. Расстояние между иглами в одном ряду составляет: 1-3...4 м при погружении игл на глубину й=4...6 м, 1=4...5 м при й=6...10 м и 1=5...6 м при й=10...15 м. Ме­ жду параллельными рядами игл расстояние должно быть на 10.. .20% меньше, чем между иглами в одном ряду, что обеспе­ чивает равномерное оттаивание площадки строительства. Чем меньше коэффициент фильтрации ipynra, тем ближе друг отно­ сительно друга располагают иглы. Необходимое число игл для оттаивания площадки строительства площадью F при расстоя­ нии между иглами 1 определяется по формуле

Срок работы каждой иглы составляет в среднем 20...30 сут, а расход воды в глинистых грунтах 0,5...0,8 л/с, в галечно­ гравийных 2...3 л/с.

Вода при бурении скважин, поступая из соплового отвер­ стия коронки в грунт, создает оттаявшую зону грунта вокруг скважины. В процессе работы гидроиглы эта зона увеличивает­ ся, создавая талик.

Для водоснабжения используют насосные передвижные аг­ регаты, установленные на санях, плавающий зумпф, подвижную всасывающую трубу и комплект напорных труб секциями, каж­ дая из которых имеет длину 6 м и диаметр до 200 мм. Монтаж напорных (магистральных) и распределительных (участковых) водоводов осуществляют трубоукладчиком с электросварочным аппаратом. После окончания оттаивания на данной захватке иг­ лы отключают одновременно. Извлечение игл производят на­ весным извлекатепем на базовом трактор Т -100.

При увеличении шага установки игл уменьшается стои­ мость работ, но увеличиваются затраты электроэнергии и про­ должительность оттаивания. При расстоянии 4...5 м между гид­ роиглами, установленными на глубину 8... 10 м, расходе воды 0,6...0,7 л/с, давлении воды 0,2 МПа, числе перестановок игл за

летний сезон, равном четырем, объем оттаявшего грунта на од­ ну иглу составляет 80... 100 м3 при затратах 0,35...0,5 руб./м3. Разработку грунта после оттаивания осуществляют землеройно­ транспортными машинами, чаще бульдозерами.

Фильтрационно-дренажное оттаивание осуществляется те­ плотой безнапорного фильтрационного потока грунтовых (по­ верхностных) вод. Этот тепловой поток, проходя по верхнему сезонно-талому слою, оттаивает нижележащий слой вечномерз­ лого грунта.

Наиболее распространен способ параллельных траншей. Дренажная траншея имеет глубину до 4...6 м, а оросительная траншея 0,5...1,0 м. Ширина траншеи в нижней части соответст­ вует ширине отвала бульдозера. Уклон траншей не менее 0,005. Траншеи в сечении представляют трапеции с уклоном стенок не

30...60 м друг относительно друга. Расстояние между соседними скважинами назначают от 10 до 15 м. Диаметр каждой скважи­ ны 150...250 мм, а их глубина на 1 м превышает глубину оттаи­ вания. В скважинах закрепляют нагнетательные дренажные тру­ бы диаметром 100...200 мм, подсоединенные к трубопроводам, подающим или сбрасывающим воду.

Скорость оттаивания определяется типом, льдистостью и температурой вечномерзлого грунта, коэффициентом фильтра­ ции оттаянного слоя грунта, давлением воды и ее начальной температурой и длиной пути фильтрации. С увеличением коэф­ фициента фильтрации и уменьшением пути фильтрации глубина слоя оттаивания возрастает.

Затраты на фильтрационно-дренажное оттаивание за один сезон составляют 0,15...0,25 руб./м3. Этот вид оттаивания при­ меним только в осенний период года, когда на поверхности об­ разуется слой сезонно-талого грунта высотой не менее 1 м, и для грунтов, имеющих в оттаявшем состоянии коэффициент фильт­ рации не менее 50 м/сут.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -156- объектов в условиях Севера

Дождевальное оттаивание вечномерзлых грунтов осущест­ вляется тепловым потоком, получаемым при распылении воды разбрызгивателем по поверхности грунта. В результате в верх­ нем слое грунта создается фильтрационный поток, передающий теплоту нижележащему вечномерзлому грунту. Разбрызгивание осуществляется передвижными или стационарными установка­ ми. Чем больше будет температура воды, больше пористость и меньше льдистость вечномерзлого грунта, тем больше теплоты поступит в грунт.

Так же, как и фильтрационно-дренажное, дождевальное от­ таивание эффективно для галечниковых, гравийных и песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации более 50 м/сут. Вечно­ мерзлые грунты водонепроницаемы. Поэтому теплообмен воз­ можен только в верхнем сезонно-талом слое в летнее время года при создании сплошного фильтрационного потока. Движение этого потока осуществляется по направлению, близкому к гори­ зонтальному, что достаточно для оттаивания примыкающего снизу слоя вечномерзлого грунта.

Передвижную дождевальную установку типа ДДА-100 монтируют на тракторе. Она имеет насос и систему вращающих сопел, распределяющих воду под углом 45° на расстояние до 70.. .80 м. За один проход орошают полосу шириной до 120 м. Оросительные трубы, подвешенные к базовой машине, при ее передвижении перемещаются по заранее устроенной ороситель­ ной траншее. Производительность дождевания составляет 350 м2/ч.

Стационарная дождевальная установка включает насосную станцию с системой магистральных и распределительных водо­ водов и дождевальные разбрызгиватели, расположенные на рас­ стоянии 12... 15 м друг относительно друга (рис.8.1). Диаметр магистрального водовода 250...400 мм, распределительного 100.. .150 мм. Разбрызгиватели устанавливают на стойках высо­ той 2м и подключают к распределительному водоводу резино­ выми шлангами диаметром 20...40 мм. Применяют также конус­ ные распылители воды, располагаемые на высоте 3...5 м.

В практике производства работ по дождевальному оттаива­ нию расход воды для 1 м2 поверхности составляет 1...3 м3/сут.

Стоимость процесса дождевального оттаивания вечномерз­ лых грунтов невелика и составляет 0,08...0,15 руб./м3 а с учетом стоимости устройства дренирующих канав 0,16—0,22 руб./м3.

Рис. 8.1. Дождевальный распылитель 1 - распылитель, 2 - корпус, 3 - установочная игла,

4 - магистральный ввод воды.

Оттаивание грунтов паром и водой осуществляют иглами из буровой стали с внутренним диаметром 9... 12 мм. Реже при­ меняют бесшовные стальные трубы. Длина труб 3...5 м. Нижние концы труб сплющивают и на полученных плоскостях сверлят по одному отверстию диаметром 5—6 мм. До начала оттаивания пробуривают сеть скважин глубиной до 0,5 м. По мере оттаива­ ния иглу погружают вибрированием или забивкой. Паровые иг­ лы устанавливают в шахматном порядке на расстоянии 1,5...3,5 м друг относительно друга. Расход пара на одну иглу составляет 10...20 кг/ч. Затраты на парооттаивание значительны и составляют 0,9—1,5 руб./м3.

Оттаивание подогретой водой для разработки вечномерз­ лых грунтов распространено меньше, чем паром. Оттаивание подогретой водой целесообразно сочетать с гидроигловым или фильтрационно-дренажным оттаиванием, что сокращает срок оттаивания.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 5 о - объектов в условиях Севера

Температура воды при этом должна быть не менее 30°С. Эффективно применение воды оборотного водоснабжения.

8.4. Электрооттаивание

Электрооттаивание осуществляют электродами разной формы, электронагревательными иглами или местными «тепля­ ками» с нагревателями. Электроды бывают глубинные и по­ верхностные, низкого и высокого напряжения, низко- и высоко­ частотные. Известны сухие, жидкие и заполненные минераль­ ным маслом электронагревательные иглы. Электроды устанав­ ливают в предварительно пробуренные скважины. Оттаивание в «тепляках» с нагревателями осуществляют за счет сгорания в них газа или жидкого топлива. Оттаивание в «тепляках» - доро­ гой и трудоемкий процесс. Каждый электрод - это игла, погру­ жаемая в грунт вертикально в шахматном порядке таким обра­ зом, чтобы расстояние L между ними было одинаковым (рис. 8.2) и равным 2... 4 м.

Каждая игла взаимодействует с шестью соседними. Оттаи­ вание начинается около каждой иглы, распространяясь в ради­ альном направлении. Чем больше размер талой зоны вокруг иг­ лы, тем больше сила тока и потребляемая мощность, так как те­ плота расходуется на нагрев уже оттаявшего грунта.

После расчистки площадки строительства для глубинного электроотгаивания бурят скважины, монтируют линию электро­ передачи, иглы и трансформаторную подстанцию. В качестве электродов используют буровые штанги или трубы диаметром более 40 мм. Основное условие - плотный контакт электродов с вечномерзлым грунтом.

Поверхность площадки покрывают теплоизоляционным материалом, например, опилками, шлаком и др. Иглы соединяют параллельными группами, а нулевой провод изолируют. Шаго­ вое напряжение составляет 20 В. Контроль оттаивания заключа­ ется в измерении температуры грунта, силы тока и расхода электроэнергии. Резкое увеличение силы тока в одной из трех фаз означает оттаивание грунта в данном ряду игл. Поэтому все электроды этой фазы отключают на некоторое время.

Рис. 8.2. Схема размещепия электронгл:

гТ- радиус оттаивания, L - расстояние между иглами,

R - радиус взаимодействия игл.

Если принять разность потенциалов цилиндра радиусом R и электрода С/0=0,5С/ (здесь U - напряжение), то удельная мощ­ ность источников теплоты для талой и мерзлой зон (Вт/м3).

где рт,р м - удельное сопротивление соответственно талой

и мерзлой зон; г - расстояние от оси цилиндра дб данной точки; Гградиус талой зоны; РИ- радиус электроиглы; R= 0,5L.

Суммарное удельное количество теплоты вокруг каждой иглы (Вт/м3)

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 6 0 - объектов в условиях Севера

Отношение удельного количества теплоты в талых зонах к общему удельному количеству теплоты называют коэффициен­ том эффективности электрооттаивания

Чем больше размеры талой зоны, тем больше энергии рас­ ходуется на ее нагрев и меньше эффективность электрооггаивания грунта. При отношении радиуса талой зоны гт к радиусу действия одной иглы R=0,5L- r-JR = 0,3 - коэффициент эффек­ тивности £,=0,1; три r-JR=0,6 k>=0,3; при r-JR=Q,9 кз=0,7; при rJR=l k>=l, т. е. вся теплота расходуется на нагрев талой зоны.

При использовании грубинных электродов потери теплоты небольшие, однако для их погружения необходима специальная буровая или вибрационная техника. Затраты энергии на глубин­ ное оттаивание составляют 30...50 кВт-ч/м3.

Вертикальные поверхностные электроды изготовляют дли­ ной 2 м из арматурной стали диаметром 14...20 мм. Эти элек­ троды располагают на расстояние 1...1.5 м друг относительно друга. Затраты энергии на оттаивание составляют 60...80 кВт-ч/м3.

Горизонтальные поверхностные электроды изготовляют из полосовой стали сечением 50x5 мм и длиной 2...4 м. Эти элек­ троды плотно укладывают на вечномерзлый грунт. Затем их за­ сыпают слоем опилок толщиной до 20 см и смачивают водным раствором NaCl и СаСЬ слабой (до 0,5%) концентрации. Глуби­ на оттаивания при этом не превосходит 0,5...0,б м.

Сухие электронагреватели имеют сплошной или нижний нагрев. Их длина до 1,5 м, а диаметр не более 60 мм. Затраты энергии на оттаивание грунта составляют 40...60 кВт*ч/м3.

Жидкие электронагреватели выполняют из цельнотянутых тонкостенных стальных труб диаметром менее 60 мм и длиной не более 150 см. Внутри иглы расположена спираль, а полость