Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Экологическая опасность оползневых деформаций на трассах магистральных трубопроводов

Казеев А.И., Постоев Г.П., Лапочкин Б.К. // Экология промышленного производства. -2009. -№ 1. -С. 11-16. Читать…

!!! При КОПИРОВАНИИ материалов статей — НЕОБХОДИМО ИСПОЛЬЗОВАТЬ библиографические ССЫЛКИ на Статьи !!!

Указывается, что наибольшую экологическую опасность при эксплуатации магистральных трубопроводов представляют участки, где развиваются оползневые процессы (склоны речных долин, борта оврагов). Подчеркивается необходимость специального изучения оползневой обстановки на этих участках и излагаются основные принципы и факторы оценки оползневой опасности для трубопроводов. Показано, как с помощью организации мониторинга деформаций на оползневом участке определяются критические значения скорости и величин смещения оползневых массивов. Показан опыт контроля критических состояний оползневых массивов с помощью глубинных реперов.

Введение

В настоящее время на территории России и в странах ближнего зарубежья успешно функционируют целый ряд магистральных трубопроводов: нефтепровод для доставки нефти Второго Баку на нефтеперерабатывающие заводы, нефтепроводы Западной Сибири для перекачки тюменской нефти, нефтепроводы «Дружба-I» и «Дружба-II» для обеспечения экспорта нефти, а также крупных объектов нефтепроводов Каспийского Транспортного Консорциума и Балтийской Транспортной Системы. Готовится создание магистральных трубопроводов для экспорта нефти в страны Азиатско-Тихоокеанского региона и др.

Все названные трубопроводы имеют, как правило, большую протяженность и проложены по территориям, характеризующимся различными климатическими особенностями и значительным разнообразием природных ландшафтов. Среди последних наибольшую опасность для эксплуатации представляют склоновые участки речных долин и оврагов с развивающимися в их пределах оползневыми процессами.

Практика показала, что специфика эксплуатации трасс трубопроводов, помимо предупреждения об активизации оползневого процесса и оценки состояния оползневого склона, требует еще и оценки состояния трубы, а также степени опасности ее деформаций для окружающей природной среды. Таким образом, расположение каждого конкретного магистрального трубопровода на оползневом участке (или вблизи него) требует специального анализа взаимодействия элементов системы «трубопровод — вмещающая его грунтовая толща — оползневой массив».

 Инженерно-геологическая характеристика оползневого участка

Одним из многочисленных и характерных примеров оценки оползневой опасности (способной породить чрезвычайно негативные экологические последствия) и обоснования противооползневых мероприятий, является левобережный участок перехода газопровода Ямбург-Тула через р. Сура (Республика Чувашия) в месте впадения в нее ручья Чиганары.

В рельефе рассматриваемого участка выделяются плато (выположенная часть склона в его верхней части), бровка и две ступени. Высота склона 36 м, а средний (генеральный) уклон наклона — около 13°. Крутизна ступеней 7,5…10°. Крутизна уступов составляет 24…30°.

Нитка газопровода пересекает центральную части участка, имеющего за счет происходящих здесь эрозионно-оползневых процессов чашевидную форму, характерную для многих участков долины р. Сура, в том числе для берегов ручья Чиганары. Склоны ручья выше рассматриваемого участка прорезают глубокие овраги. В бортах оврага, в местах выхода на поверхность подземных вод, образуются очаги оползней разжижения. На дне и бортах оврага видны проявления протяженных оползневых трещин, определяющих очаг развития оползня разжижения – сдвига (сдвижение покровных обводненных масс по кровле коренных пород).

В геологическом строении присклоновой части плато и склона на участке принимают участие отложения четвертичной и пермской систем. Пермские отложения представлены песчаниками, переслаиванием песка, глины и песчаника, четвертичные отложения в основном суглинком, местами с прослоями глины, песка и супеси.

В пределах участка (рис. 1) выделяются два очага активного развития оползневых деформаций. Первый (верхний) очаг, более обширный по площади, расположенный у правой границы участка, имеет четкие границы. На поверхности данного оползневого очага видны многочисленные трещины, в нижней его части отчетливо прослеживается вал наплывания – морфоэлемент, характерный для неглубокого оползня разжижения-течения, активизация которого связана с избыточным обводнением покровных слоев грунтового массива.

Оползни разжижения в Чувашии

Рис. 1 Схема оползневого цирка в долине р. Сура (Республика Чувашия). 1 – Граница оползневого цирка; 2 – сегменты развития мелкоблочных «висячих» оползней; 3 – плановое положение древних стабилизированных оползней; 4 – горловины цирков; 5 – эрозионно-оползневой сегмент, наследующий зону трещиноватости; 6 – зона линеаментов, наследующая тектоническую трещиноватость; 7 – основные направления движения грунтов.

Второй очаг активного развития оползневых деформаций, значительно меньший по площади, тоже относится к типу разжижения-течения. Он локализуется ниже и слева от трассы газопровода (рис. 1).

В результате рекогносцировочного обследования и топогеодезических работ выявлены две протяженные оползневые трещины, берущие начало от упомянутого выше верхнего активного оползневого очага и пересекающие трассу трубопровода. Эти трещины свидетельствуют о начальном этапе формирования относительно глубоких блоковых оползней. На это указывает также протяжённость трещин, выдержанность по амплитуде сдвижения низового плеча, слабая извилистость и т.п.

Блоковое развитие оползневого процесса характерно для береговых склонов и для других участков ручья Чиганары. Так на расстоянии 1 км от рассматриваемого участка обнаружен обширный оползневой цирк шириной 280 – 300 м со стенкой срыва, достигающей 3 м, «свежими» оползневыми блоками.

На рис. 1 показаны основные морфологические элементы на участке: плато, бровка, уступы и т.д., а также отмечено местоположение двух, упомянутых выше, оползневых очагов. Кроме того выделены участки возможных проявлений новых оползневых очагов в зонах высачивания подземных вод. Контуры этих очагов в настоящее время начинают проявляться в рельефе. Зона формирования блоковых оползней полностью захватывает верхний очаг активного развития оползня разжижения-течения (справа) и распространяется до окончания выявленных протяженных трещин.

Таким образом, трасса газопровода на данном участке находится в условиях активного развития оползневого процесса с проявлением оползней двух типов: разжижения-течения и сжатия-выдавливания с образованием блоков. В соответствии с этим разрабатывались расчетные схемы:

— с развитием деформаций по схеме бесконечного отсека по поверхности скольжения, параллельной дневной поверхности (на глубине 3 м);

— блоковые подвижки с характерными для данного района размерами (длиной тела оползня около 40 м и глубиной около 9 м).

 

Принципы оценки оползневой опасности для магистральных трубопроводов

Расположение оползневого массива на трассе магистрального трубопровода требует решения куда более сложной задачи, чем традиционное предупреждение об активизации оползневого процесса и оценки состояния оползневого склона. К этому добавляется необходимость оценки состояния трубы и степени опасности ее деформаций для окружающей среды.

Развитие оползневого процесса на активных участках происходит циклически: периоды активизации (повышения скорости смещения оползневого массива) сменяются периодами замедления подвижек (вплоть до полного прекращения деформаций). При этом активизация происходит обычно в периоды аномального обводнения (весенние и осенние сезоны года), а также возможна при техногенных воздействиях.

Активное развитие оползневых деформаций убедительно свидетельствует о неустойчивом состоянии склона. Подвижки оползневого массива происходят по сформированной поверхности скольжения. Положение последней определяется по результатам анализа показаний датчиков, установленных в специальных глубинных реперах. Поверхность скольжения фиксируется в соответствующем интервале глубин (между анкерами). Независимо от величины скорости смещения склон в подобной активной фазе развития по устойчивости находится в запредельном состоянии.

Возможное существенное воздействие какого-либо фактора в этом состоянии (например аномальное количество атмосферных осадков) может привести к катастрофическому развитию деформаций.

Кроме того, расположение магистрального трубопровода на оползневом участке или вблизи него требует, как указывалось выше, детального анализа взаимодействия элементов системы «трубопровод – грунтовый массив, его вмещающий, — оползневой массив».

 Факторы оценки оползневой опасности для магистральных трубопроводов

В число основных факторов определяющих алгоритм оценки оползневой опасности для магистральных трубопроводов входят характеристики условий расположения трубопровода и проявления оползневого процесса на участке, а также деформационный режим элементов рассматриваемой системы, контролируемый глубинными реперами и другими средствами наблюдений, входящими в мониторинг состояния трубопровода на оползне опасном участке. К ним относятся:

— расположение трубопровода относительно массива оползня;

— тип оползня;

— величина подвижки, определяемая по глубинному реперу;

— скорость перемещения по глубинному реперу;

— наличие и глубина поверхности скольжения;

— сравнительный анализ показаний двух или более глубинных реперов;

— оценка критических значений оползневого давления на трубу, величины и скорости перемещения.

— состояние трубопровода в опасных сечениях в соответствии с размерами и механизмом оползня;

— реализация мероприятий по обеспечению безопасности функционирования трубопровода.

Остановимся более подробно на характеристике перечисленных факторов.

Расположение трубопровода. Можно выделить как минимум четыре характерных ситуации: 1) труба вне оползня, выше его бровки; 2) труба вне оползня, ниже его языка (базиса оползания); 3) труба в пределах оползня, пересекает его бортовые границы; 4) труба в пределах оползня, в направлении его движения.

В ситуации 1 активное развитие оползня влияет на напряженное состояние и деформируемость грунтового массива, расположенного за бровкой оползня. Преобладают деформации осадки массива, способные вызвать и прогиб трубопровода. Также возможно возникновение оползневых деформаций по формированию нового оползневого блока.

В ситуации 2 труба окажется в области сжимающих напряжений и деформаций выпора. При этом возможно деформирование трубы при развитии оползневого процесса вниз по склону.

В ситуации 3 состояние трубы определяется динамикой оползня. Максимальный прогиб трубы формируется в районе оси оползня, а по бортовым границам возникают опасные сечения, в которых труба работает на срез. В данной ситуации при анализе состояния трубы необходимо учитывать прочность грунта в пределах укладки трубы, условия обтекания трубы грунтом и формирования оползневого давления на трубу с учётом движения тела оползня и релаксации напряжения в области контакта грунта с трубой.

Ситуация 4 характерна для укладки труб на береговых склонах при переходе водных преград и балок. Труба как бы армирует оползневой склон. Состояние трубы зависит от типа оползня и степени его активности.

Тип оползня. Разновидности оползней указаны выше. Особенности развития деформаций зависят от механизма оползня. Так глубокие блоковые оползни формируют тело оползня из относительно монолитных блоков (опасность могут представлять границы между блоками), имеют пологую поверхность смещения. Неглубокие поверхностные оползни разбиты многочисленными трещинами, грунты в оползневом теле разуплотнены и разупрочнены.

Величина подвижки и скорость перемещения. Данные параметры определяются по показателям датчиков в глубинных реперах и позволяют характеризовать состояние и динамику грунтовых массивов, вмещающих глубинный репер.

Наличие и глубина поверхности скольжения определяются по анализу показаний датчиков, характеризующих деформации в массиве, в соответствии с установленными в скважине анкерами. Возникновение подвижек по поверхности скольжения свидетельствует об активной фазе оползневого процесса – возможна активизация и переход в прогрессирующее движение при благоприятном сочетании воздействующих факторов. Уточнение местоположения поверхности скольжения и глубинной подвижки может быть произведено по тензометрическим измерениям.

Сравнительный анализ показаний двух и более глубинных реперов. Конечная цель – обеспечение безопасного функционирования трубопровода вызывает необходимость установки на оползне опасном участке минимум два глубинных репера. Один из них должен контролировать деформации и состояние оползня, другой – грунтового массива, вмещающего трубопровод.

Оценка критических значений. При укладке трубы в траншее определяют давление грунта на трубу (давление засыпки в состоянии покоя). На оползневом участке на трубу действует оползневое давление в соответствующем сечении оползневого тела. В движущемся массиве давление на трубу может увеличиться в 4-5 раз (состояние пассивного предельного равновесия). Критические величины перемещения (суммарное значение за контролируемый период) и скорости движения оползня должны учитывать допускаемый прогиб трубы в деформируемом массиве и условия релаксации контактных напряжений.

Состояние трубопровода в опасных сечениях. Поскольку показания глубинных реперов контролируют состояние и деформации грунтовых массивов на этапах активного развития оползневого процесса до осуществления защитных мероприятий потребуется дополнительная информация о степени деформирования собственно трубы в опасных сечениях в соответствии с механизмом и структурой оползней.

Реализация противооползневых мероприятий. По результатам оценки оползневой опасности возможно выделение пять категорий опасности — от «не опасно» до «катастрофической опасности», которые определяется на основе анализа указанных выше факторов. После чего принимаются решения о необходимых работ по повышению эффективности мониторинга и противооползневым мероприятиям:

— проведение наблюдений в штатном режиме;

— изменить режим измерений;

— организовать контроль состояния трубы в опасных местах;

— проведение защитных мероприятий по снижению активности оползневого процесса и укреплению склона;

— временное отключение трубы.

Для нормального функционирования трубопровода опасными будут деформации, которые не являются критическими для оползня, т. е. развитие оползня еще не достигло стадии основного смещения с характерными катастрофическими подвижками. Потребуется специальная разработка категории опасности для различных ситуаций расположения трубопровода и оползня на основе анализа исходной информации об участке (тип оползня, свойства грунта и т. д. ) и режимных данных (показаний) глубинных реперов, размещенных у трубопровода и на оползне.

Состояние оползня на конкретном участке будут устанавливаться по показаниям глубинных реперов. Стабильное состояние оползневого склона характеризуется отсутствием деформаций или локальным их проявлением в приповерхностных слоях массива. В процессе развития оползневого процесса как правило, наблюдаются периоды активизации (например, весной и осенью) и временной стабилизации (почти полным отсутствием деформаций). Эти периоды, величины смещений, средние и максимальные скорости будут контролироваться глубинными реперами. Взаимодействие с трубопроводом выявляется на основе анализа конкретных ситуаций расположения трубопровода и оползня.

 Определение критических значений величины и скорости смещения оползня

Как показал опыт, возникновение и развитие оползневых деформаций на склоне обычно происходит постепенно, подобно графику ползучести грунта, построенному по результатам лабораторных испытаниях на длительный сдвиг (рис. 2) . На графике видно, что на этапе I возникают деформации массива, но в целом они имеют тенденцию к затуханию. В оползневом цикле этот этап относится к фазе общей стабилизации в стадии подготовки больших подвижек.

Ползучесть грунтов. Пластические деформации.

 Рис. 2 . График развития оползневых деформаций до критического состояния.

Этап II характеризует развитие незатухающих деформаций. Развитие оползневого процесса на этом этапе происходит с практически постоянной скоростью. Этот этап соответствует заключительной фазе стадии подготовки – фазе общей или постоянной активизации (активности) оползня.

Если этапы I и II относятся к процессу возникновения первичного (нового) оползня или образования нового оползневого блока (оползни сжатия-выдавливания), то они отвечают деформированию в допредельном состоянии (по устойчивости), когда не закончено формирование поверхности сдвига, по которой должно произойти основное (катастрофическое) перемещение образованного тела оползня. Этап II завершается критической величиной перемещения Lкр. Далее (этап III) начинается прогрессирующее развитие деформирования, завершающееся разрушительным сдвиговым перемещением.

Как показал опыт изучения оползневых процессов, режим развития оползневых деформаций во времени, критические значения подвижек и скорости смещения характеризуются большим разнообразием в зависимости от типа оползня, реальных условий, масштабов и этапа развития оползневого процесса.

Опыт контроля критических состояний оползней и рекомендации по определению критических показаний (смещений и скорости) глубинных реперов

Для контроля состояния оползня и своевременного выявления этапов активизации оползневого процесса организуется мониторинг оползневых деформаций посредством глубинных реперов. При этом следует иметь ввиду, что в период активного развития оползневых деформаций форс-мажорное изменение обстоятельств (например аномальное воздействие какого-либо фактора) может привести к прогрессирующему развитию оползневого процесса с переходом в течение часа, нескольких часов, к критическим величинам и скорости деформирования.

Глубинные реперы, обустроенные приспособлениями для регистрации перемещений на самописец с недельным часовым приводом, были использованы на ряде оползней трёх основных типов, указанных выше: сжатия – выдавливания, сдвига – скольжения и разжижения – течения.

Так на участке «Бутырки», на берегу р. Свияги ( г. Ульяновск) проявился блоковый оползень сжатия – выдавливания. В силу этого в 1979 г. на участке были установлены два глубинных репера и трещиномер. После цикла наблюдений (контроля), выполненных в течение 1979-84 гг., были проанализированы полученные данные. Было установлено, что основное смещение оползня произошло в мае 1979 г. В частности измерения показали, что за 6 часов перемещение составило более 3 м, т.е. скорость перемещения при этом составила более 3 м/сут. Далее, в течение двух лет, скорость смещения не превышала 1 мм/сут. В конце 1982 года и в течение первого полугодия 1983 г. (периоды аномального выпадения атмосферных осадков) произошла активизация оползневого процесса. Скорость смещения в эти периоды достигала 8 мм/сут.

Наиболее представительные результаты для оползня сдвига-скольжения получены на участке Ставлухар (Крым) при проведении натурного эксперимента по искусственной активизации оползня в 1981 г.

В подготовительный период (январь – май) скорость смещения составляла 0,3 – 3 мм/сут. Максимальное значение весной, в апреле месяце.

В период искусственной активизации оползня скорость смещения массива достигла 75 мм/сут., а средняя скорость смещения в течение 1,5 месяцев эксперимента составила 21,2 мм/сут.

В последующем, в процессе естественного развития оползня в течение года средняя скорость смещения составила 4,2 мм/сут., а максимальное значение достигало 10 – 14 мм/сут. (в периоды интенсивных атмосферных осадков).

Для оползней разжижения – течения характерны относительно длительные периоды полного отсутствия деформации и затем почти внезапная активизация.

В г. Ульяновске глубинные реперы были установлены на оползне Черном. 3 месяца до активизации деформации практически отсутствовали. Затем за 6 часов до быстрой подвижки (март 1983 г.) началось перемещение, которое к началу подвижки достигло 0,4 мм, т.е. со средней скоростью 0,07 мм/час. Далее в течение 14 часов оползень сдвинулся на 817 мм (максимальная скорость 63 мм/час). В последующие несколько весенних и летних месяцев скорость смещения не превысила 1 мм/сут. и к концу года деформации полностью прекратились.

Подводя итог изложенному, для показаний глубинных реперов, установленных на оползневом склоне, для конкретных значений скоростей смещения, характеризующих состояние оползня, предлагается следующая дифференциация фаз развития оползня.

Скорость 1 – 2 мм/сут. (с периодами затухания смещения). Общее смещение не превышает 100 мм Фаза стабилизации оползня
Скорость смещения 4 – 5 мм/сут. (поддерживается постоянной). Перемещение достигает 300 – 500 мм Фаза активного развития оползня, возможна опасная активизация
Скорость возрастает. Критическое значение скорости 25 мм/сут. Критическая величина смещения 800 – 1200 мм Фаза прогрессирующей активизации (предкатастрофическая)

Уточнение критических значений скорости и величины смещения оползня выполняется на основе анализа реальных условий оползневого участка и данных мониторинга оползня посредством глубинных реперов. Данные мониторинга за состоянием оползня накапливаются в течение определенного периода времени в различные периоды года.