Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Опыт изучения оползневых деформаций на линиях магистральных трубопроводов.

Казеев А.И., Постоев Г.П., Лапочкин Б.К. // Геоэкология. -2010. — № 6. -С.532-543. Читать…

---

---

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

---

---

Отмечается, что наибольшую экологическую опасность при транспортировке нефти и природного газа по магистральным трубопроводам представляют участки, где развиваются оползневые процессы (склоны речных долин, борта оврагов, горные склоны и пр.). Подчеркивается необходимость специального изучения оползневой обстановки на таких участках и излагаются основные принципы и факторы оценки оползневой опасности для трубопроводов. Показано, как с помощью мониторинга деформаций на оползневом участке определяются критические значения скорости и величин смещения оползневых массивов. Описан опыт контроля критических состояний оползневых массивов с помощью глубинных реперов.

Ключевые слова: принципы и факторы оценки оползневой опасности, мониторинг оползневых деформаций, механизм оползня, активизация.

Введение

На территории России и в странах ближнего зарубежья успешно функционирует целый ряд магистральных трубопроводов, транспортирующих жидкие и газообразные углеводороды: трубопровод 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 нефтепроводы Каспийского Транспортного Консорциума и Балтийской Транспортной Системы. Строятся магистральные трубопроводы для экспорта нефти в страны Азиатско-Тихоокеанского региона и др.

Магистральные трубопроводы большой протяженности проложены по территориям с различными климатическими особенностями и значительным разнообразием природных ландшафтов. Среди последних наибольшую опасность для эксплуатации трубопроводов представляют склоновые участки речных долин, крупных оврагов, горных склонов и оврагов с развивающимися в их пределах оползневыми процессами.

Практика показала, что из-за специфики эксплуатации трасс трубопроводов, помимо предупреждения об активизации оползневого процесса и оценки состояния оползневого склона, необходима еще и оценка состояния трубы, а также степени опасности ее деформаций для окружающей природной среды. Таким образом, в каждом конкретном случае расположения магистрального трубопровода на оползневом участке (или вблизи него) требуется специальный анализ взаимодействия элементов системы «трубопровод — вмещающая его грунтовая толща — оползневой массив».

Инженерно-геологическая характеристика и изучение оползневых участков в местах переходов трубопроводов через р. Сура

Участок перехода газопровода Ямбург-Тула через р. Сура

Один из характерных примеров активного развития оползневого процесса, оценки оползневой опасности, способной породить чрезвычайные негативные экологические последствия при эксплуатации магистрального трубопровода, и обоснования противооползневых мероприятий — левобережный участок перехода газопровода Ямбург-Тула через р. Сура (Республика Чувашия).

В геологическом строении участка принимают участие горные породы четвертичной, юрской и пермской систем. Четвертичные отложения песчано-глинистого состава представлены делювиально-оползневыми суглинками и глинами, а также аллювиальными песками, содержащими дресву и стяжения карбонатов и железа. Образования юрской системы представлены серо-черными глинами, алевролитами и песками. Пермские отложения сложены красноцветными глинами с прослоями мергелей, алевритов и алевролитов.

В морфологическом отношении в пределах участка выделяются водораздельное плато и склон к р. Сура. Высота склона составляет 60-63 м, протяженность участка по склону около 500 м.

Склоновая часть участка может быть подразделена на:

• надоползневой уступ,
• межоползневые водораздельные гребни,
• надоползневой уступ межоползневых гребней,
• область развития блоковых оползней,
• область развития покровных оползней разжижения.

Бровка водораздельного плато располагается на абсолютных отметках 131-135.5 м. Линия водораздела проходит по отметкам 134…139 м и местами (в северной части участка) может совпадать с бровкой или находиться от нее на расстоянии 10…20 м. Поверхность плато слабо наклонена в южном направлении (рис. 1).

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.

Оползневой участок с обеих сторон ограничен межоползневыми гребнями (мысами), спускающимися вниз практически до половины склона. Гребни ограничивают ложе оползневого цирка, размеры которого вдоль склона в верхней части достигают 500 м. В нижней части склона за счет сближения гребней ширина цирка уменьшается до 110 м, образуется относительно узкая горловина.

Надоползневой уступ крутизной около 15° имеет высоту 4-5 м. На участке проложения газопроводов и на примыкании к ним крутизна уступа значительно меньше (в результате планировочных работ).

Верхняя часть южного межоползневого гребня интенсивно переработана современными оползневыми деформациями нескольких генераций. Четко выраженной в рельефе осталась только нижняя его часть, примыкающая к горловине оползневого цирка.

Крутизна надоползневых уступов северного и южного гребней (у горловины) составляет 24…25°. Высота уступа северного гребня достигает 18 м, южного — 12 м.

Верхняя часть склона с севера и юга от коридора проложения ниток газопроводов является областью развития блоковых оползней. Блоковыми оползнями поражен также южный гребень и практически весь соседний южный цирк.

В верхней части участка развития блоковых оползней располагаются протяженные опущенные трещины растяжения, ограничивающие сверху оползневые блоки.

В целом для верхней и, частично, для средней части склона с развитием блокового оползня характерен ступенчатый рельеф. В нижней его части, в зоне базиса оползания, формируется вал выпирания (язык оползня), представленный переувлажненным разуплотненным грунтом. В зоне локализации языка оползня (и ниже) наблюдаются многочисленные трещины и мочажины.

Очаги развития блоковых оползней наблюдаются также в надоползневом уступе южного гребня. Здесь бровка оползневой стенки срыва достигла верха надоползневого уступа, а бортовые границы оползневых очагов захватывают южную нитку газопроводов.

На описываемом склоне повсеместно развиты оползни разжижения. Для них характерен мелкобугристый трещиноватый морфологический облик (трещины в основном горизонтальные, незначительной протяженности). Неровный (мелкобугристый) оползневой рельеф затрудняет поверхностный сток воды, что обусловливает обводнение склона, снижая его устойчивость. Ниже по склону, в основаниях водораздельных гребней, участок выполаживается, и оползневая активность снижается. На участке перехода газопроводов оползни разжижения, реже оползни сдвига, захватывают делювиально-оползневые накопления на глубину до 2…3 м.

Очаги развития относительно глубоких блоковых оползней отмечаются на разных участках склона. В целом на данной территории условия для их фронтального развития благоприятны, в т.ч. из-за проявления «подсечек» локальных участков в результате подвижек оползней разжижения и сдвига. Блоковые оползни захватывают делювиально-оползневые накопления и верхнюю выветрелую часть глинистых образований юрского возраста до глубины 8-10 м.

Разгрузка подземных вод на береговом склоне в месте перехода трубопровода происходит на альтитудах, превышающих уровень р. Сура, и, следовательно, река не вызывает подпорного эффекта на подземные воды берегового склона в период половодья.

Однако наличие подземных вод негативно сказывается на устойчивости берегового склона. Установлено, что верхняя часть левобережного склона на всем протяжении сложена юрскими глинами от полутвердой до текучей консистенции. Глубина залегания уровня подземных вод в них обычно не более 5 м. Воды слабо напорные. Установившийся уровень фиксируется на глубинах менее 2 м. Таким образом, существуют реальные предпосылки для возникновения неглубоких оползневых смещений.

Механизм формирования и развития оползневых цирков с узкой горловиной в нижней части представляется следующим образом.

На склоне в месте выхода подземных вод происходило избыточное увлажнение и разжижение выветрелых разуплотненных поверхностных грунтовых масс, вызвавшие их постепенное гравитационное перемещение вниз по склону с формированием эрозионного вреза. Эрозионный врез и место разгрузки подземных вод периодически перекрывались смещенными грунтовыми массами. Это препятствовало выходу подземных вод и спровоцировало подпор подземных вод (повышение уровня) с проявлением эффектов взвешивания грунтовых частиц, увеличения гидравлических градиентов и напоров, снижения прочности грунтов на значительной по площади территории вокруг места выхода подземных вод. При этом восходящая фильтрация при подпоре и эффект взвешивания способствовали разупрочнению грунта за счет повышения порового давления и снижения эффективных напряжений, обусловливающих внутреннее трение между частицами и агрегатами грунта. Приповерхностные выветрелые и разжиженные слои грунта перемещались в виде потоков к горловине цирка, заполняя выработанное пространство у выхода из чаши, и затем, сползая вниз, образовали пологий склон к пойме реки.

Периодическое повышение уровня грунтовых вод в результате подпора практически не достигало гребней горловины, и потому условия их устойчивости не изменялись. При этом оползневые цирки продвигались вверх, расширяясь и углубляясь.

Ложе оползневых образований, сформированное эрозионно-оползневыми процессами, на выходе из горловины характеризуется альтитудами, близкими по значениям к отметкам кровли пермских отложений в коренном залегании (около 68.0 м).

Оползневой цирк в течение длительного времени находился в стабилизированном состоянии. Об этом свидетельствуют его выположенные и задернованные борта. Однако, в настоящее время оползневой процесс на склоне активизировался. В верхней части склона, с южной стороны от коридора проложения газопровода, начали развиваться более глубокие блоковые оползни. Протяженность отдельных блоков вдоль склона достигает 80-100 м при ширине – 6-8 м.

Блоковое развитие оползневого процесса захватило и верхнюю часть правого гребня, и практически весь соседний цирк. Стенка срыва блоковых оползней формируется также в основании межоползневого гребня.

Таким образом, на исследуемом участке получили распространение и активно развиваются оползни двух типов: приповерхностные оползни разжижения, реже сдвига (в покровных четвертичных отложениях) и блоковые фронтальные оползни [4].

На рис. 2 и 3 представлены расчетные схемы развития оползневых деформаций, используемые в расчетах устойчивости и являющиеся типичными для исследуемого оползневого склона. В расчетах учитывалось влияние следующих факторов на устойчивость склона и развитие деформаций:

— положение поверхности скольжения;

— изменение свойств грунтов от исходных (максимальных) значений до величин сопротивления сдвигу по сформировавшейся поверхности скольжения с учетом обводнения пород в зоне смещения;

— колебания уровня подземных вод;

— развитие оползневых деформаций на соседнем участке, порождающих подсечку и изменение напряженно-деформированного состояния исследуемого массива.

На рис. 2 представлены две схемы развития оползневых деформаций. Первая (I) схема иллюстрирует так называемый «бесконечный откос», характеризующий перемещение по наклонной плоскости протяженного откоса (длиной l) небольшой мощности (h). Причем l>>h. В расчетах было принято: h=2-3 м; l=10-100 м.

Рис. 2. Схематический инженерно-геологический разрез склона с расчетными отсеками на участке развития покровных оползней разжижения: 1 – несмещенный грунтовый массив; 2 – тело оползня; 3 – поверхность скольжения; 4 – границы расчетных отсеков и их номера; 5 – оползневые трещины.

 Рис. 3. Схематический инженерно-геологический разрез склона на участке развития блоковых оползней в прибровочной части склона у южной нитки газопровода: 1 – несмещенный грунтовый массив; 2 – тело оползня; 3 – поверхность скольжения; 4 – границы расчетных отсеков и их номера; 5 – оползневые трещины.

Такой механизм предполагает единое смещение протяженного тела оползня типа оползня-потока.

Вторая расчетная схема (II) принята для случая периодических (ритмических) оползневых смещений в пределах оползневого цирка. Согласно этой схеме, на склоне возникают отдельные локальные очаги активизации смещений. При этом перемещение локального грунтового массива и образование граничных трещин готовят условия для активизации покровных смещений на участке склона. Длина смещения оползня может быть 5-10 м с более крутой поверхностью скольжения, чем в первой расчетной схеме.

Блоковое развитие оползневых деформаций представлено на схематическом разрезе (см. рис. 3), типичном для данного типа оползней. Учитывая размеры блоков, образовавшихся в пределах рассматриваемого склона, принималось, что максимальная мощность оползня (разность отметок бровки оползня и выположенной части поверхности скольжения) не превышает 10 м. Наблюдения за показаниями глубинных реперов, установленных на участке, показали, что перемещение блоков происходит на глубине около 5.5 м. Интегральная оценка данных, учитывающих высоту стенки срыва до планировки склона при установке глубинных реперов, показания глубинных реперов, размеры оползневых очагов позволили определить глубину оползня при образовании блока. Она составила около 8 м. Новый блок перемещается по крутой части поверхности скольжения (на рис. 3, отсеки 0…2). Далее эта поверхность выполаживается (отсеки 3…7) с образованием локального выпора (отсек 8).

В результате проведенных исследований установлено, что оползневые деформации, активно развивающиеся на склоне в виде неглубоких оползней сдвига-разжижения (глубиной 2-3 м) и блоковых оползней (глубиной 8-10 м), захватывают три нитки газопровода и создают дополнительные напряжения в стенках магистральных труб. Наличие более сглаженного рельефа (с меньшим количеством оползневых трещин) в местах расположенных ниже ниток газопроводов есть следствие выполнения трубами, в которых транспортируется под высоким давлением газ, функции противооползневого удерживающего сооружения.

Кроме того, выявлены наиболее оползнеопасные участки по трассе газопровода и предложены (кроме дренажных и планировочных мероприятий) схемы укрепления склона:

• методом «Геокомпозит» [2] для покровных отложений;
• свайного крепления на участке развития блоковых оползней.

 Участок перехода газопровода через ручей Чиганары в долине р. Сура

Другой пример оценки оползневой опасности (также способной вызвать чрезвычайные негативные экологические последствия) и обоснования противооползневых мероприятий — участок перехода одной нитки газопровода через руч. Чиганары.

В рельефе рассматриваемого участка выделяются плато и склон с двумя ступенями. Высота склона составляет 36 м, а средний угол наклона — около 13°. Крутизна ступеней изменяется в пределах от 7.5 до 10°, а крутизна уступов составляет 24…30°.

Нитка газопровода пересекает центральную часть участка, имеющего за счет происходящих здесь эрозионно-оползневых процессов чашевидную форму, характерную для многих участков долины р. Сура, в том числе для берегов руч. Чиганары. Склоны ручья на рассматриваемом участке прорезают глубокие овраги. В бортах оврагов, в местах выхода на поверхность подземных вод, образуются очаги оползней разжижения. На дне и бортах оврагов 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 выделяются два очага активного развития оползневых деформаций. Первый очаг, более обширный по площади, расположенный у правой границы участка, имеет четкие границы. На поверхности этого оползневого очага видны многочисленные трещины. В нижней его части отчетливо прослеживается вал наплывания – морфоэлемент, типичный для неглубокого оползня разжижения-течения, активизация которого обусловлена избыточным обводнением покровных слоев грунтового массива.

Второй очаг активного развития оползневых деформаций локализуется также недалеко от трассы газопровода и тоже относится к типу оползней разжижения.

В результате рекогносцировочного обследования и топогеодезических работ на участке выявлены две протяженные оползневые трещины, берущие начало от упомянутого выше первого активного оползневого очага. Трещины пересекают трассу трубопровода и свидетельствуют о начальном этапе формирования относительно глубоких блоковых оползней. На это указывает также протяжённость оползневых трещин, выдержанность их по амплитуде сдвижения низового плеча, слабая извилистость и т.п. Зона формирования блоковых оползней полностью захватывает верхний очаг активного развития оползня разжижения-течения (справа) и распространяется до окончания выявленных протяженных трещин.

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

Таким образом, на данном участке трассы газопровода активно развивается оползневой процесс, и проявляются оползни двух типов: разжижения-течения и сжатия-выдавливания с образованием блоков. Наиболее опасно для сооружения развитие монолитных и массивных блоковых оползней.

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 (длина тела оползня около 40 м и глубина около 9 м).

Расчеты устойчивости выполнялись согласно схеме, типичной для данного участка и представленной на рис. 4, на котором показаны пять расчетных отсеков (по схеме глубокого оползня). Принимая за основу этот тип оползня, в нулевом отсеке предусмотрен отвесный начальный участок поверхности скольжения высотой 2 м.

Рис. 4. Схематический инженерно-геологический разрез склона с расчетными отсеками на участке Чиганары. 1 – суглинок; 2 – песчаник, переслаивание глин, песка и песчаника; 3 – скважина; 4 – предполагаемая поверхность скольжения; 5 – указатель протяженной оползневой трещины.

В расчетах учитывались следующие соображения об обводненности участка:

— уровень грунтовых вод совпадает с дневной поверхностью (максимально обводненные грунты);

— на участке отсутствует обводнение грунтов (зафиксировано в период изысканий).

Для выполнения расчетов устойчивости неглубокого оползня разжижения-течения данные о физико-механических свойствах грунтов получены на образцах, отобранных с глубин 1-4.5 м. Определялись:

• плотность грунта;
• параметры прочности из испытаний по схеме быстрого недренированного сдвига при естественной влажности и водонасыщении образца;
• параметры прочности из испытаний по схеме сдвига плашка по плашке (повторный сдвиг по подготовленной поверхности);
• параметры прочности из сдвиговых испытаний по подготовленной смоченной поверхности (третий сдвиг).

Расчеты устойчивости глубокого оползня выполнялись с использованием данных о физико-механических свойствах грунтов, отобранных с глубин 4.8-11.0 м.

Результаты расчетов представлены в табл. 1. Видно, что при пиковых значениях прочности покровного суглинка устойчивость склона сохраняется для обоих типов оползней с большим коэффициентом запаса устойчивости даже при наихудшем сочетании значений других факторов (варианты 1.1; 1.2; 2.4). Укажем также, что поверхность скольжения в оползневом очаге может образоваться в результате нескольких циклов избыточного увлажнения (обводнения) грунтовых масс и последующего их деформирования с формированием трещин на поверхности склона. В свою очередь трещины усиливают степень обводнения грунта и его воздействия на развитие оползневого процесса.

Таблица 1. Результаты расчетов устойчивости склона на участке Чиганары.

Расчетная схема	Вариант	Уровень грунтовых вод (УГВ)	Параметры сопротивления сдвигу		Зона активизации деформаций («подрезки»), № отсека	Коэффициент устойчивости, k
			φ, град	С, кПа
1. Схема бесконечного отсека; неглубокий оползень	1.1 1.2 1.3	Отсутствует Максимальный -//-	14.7 5.8 4.0	54 21 08	— — —	6.5 2.31 0.98
2. Схема блокового оползня	2.4 2.5 2.6 2.7 2.8	Максимальный -//- -//- -//- -//-	11.7 5 5 8 8	41 8.5 8.5 33 33	— — 4 4 3	4.68 1.14 0.69 2.0 1.72

Согласно первой расчетной схеме, состояние склона остается близким к предельному (см. табл. 1, вариант 1.3, k = 0.98). Это подтверждается характером деформаций в очагах проявления оползней разжижения-течения, в которых оползневое тело расчленяется многочисленными трещинами растяжения, однако величина его суммарного перемещения незначительна.

Как показали расчеты по второй схеме (для глубокого оползня), устойчивость склона может резко снизиться (вариант 2.6, k = 0.69). При этом покровные оползни разжижения-течения могут расчленить оползневой массив, активизируя развитие глубоких блоковых подвижек. В результате этого подвижки могут проявиться катастрофически – по образуемой стенке срыва тела оползня амплитуда смещения может составить более 3 м.

В настоящее время процесс формирования глубоких оползней находится в начальной стадии развития. На этой стадии устойчивость склона сохраняется, а деформации не достигли значений, при которых образуются оползневые блоки. Это подтверждается результатами расчетов с использованием параметров прочности, полученных из соответствующих испытаний.

На основании проведенных исследований на участке предложено:

— участки развития покровных оползней разжижения-течения укрепить методом «Геокомпозит» [2] или другими подобными способами укрепления и стабилизации грунтового массива;

— схема специальной защиты трубы газопровода от восприятия нагрузок в результате возможных деформаций.

 Принципы оценки оползневой опасности для магистральных трубопроводов

Расположение оползневого массива на трассе магистрального трубопровода, как указывалось выше, требует решения 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 разрыва для окружающей среды, т.е. необходим детальный анализ взаимодействия элементов системы «трубопровод – грунтовый массив, его вмещающий, — оползневой массив».

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 свидетельствует о неустойчивом состоянии склона. Подвижки оползневого массива происходят по сформированной поверхности скольжения. Независимо от величины скорости смещения склон в активной фазе развития процесса находится в запредельном состоянии по устойчивости. Возможное существенное воздействие какого-либо фактора в этом состоянии (например, аномальное количество атмосферных осадков) может привести к катастрофическому развитию деформаций.

Эффективным приемом мониторинга деформационного состояния грунтового массива, вмещающего трубу продуктопровода на оползнеопасной территории, являются наблюдения посредством глубинных реперов. Глубинный репер представляет собой устройство в виде системы анкеров и тросов, размещаемых в буровой скважине. Причем нижний анкер устанавливается ниже ожидаемой или фактической поверхности скольжения оползня, в устойчивой части грунтового массива. Перемещение оползня определяют по подвижке регистратора, расположенного вверху скважины, относительно нижнего неподвижного анкера. Использование глубинных реперов позволяет автоматизировать процесс измерений, накопление и передачу информации по каналам проводной, сотовой или радиосвязи, контролировать деформационное поведение массива, что выгодно отличает этот вид наблюдений от других средств мониторинга оползневого процесса.

При составлении алгоритма оценки оползневой опасности с использованием данных наблюдений по глубинным реперам учитываются характеристики условий расположения трубопровода и проявления оползневого процесса на участке, а также деформационный режим элементов рассматриваемой системы.

В число основных факторов, определяющих данный алгоритм оценки опасности, следует включать:

— расположение трубопровода относительно массива оползня,

— тип оползня,

— величины подвижек, определяемые по глубинному реперу,

— скорости перемещения оползневых масс по глубинному реперу,

— наличие и глубину поверхности скольжения,

— сравнительный анализ показаний двух или более глубинных реперов,

— оценку критических значений оползневого давления на трубу,

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

— реализацию мероприятий по обеспечению безопасности функционирования трубопровода.

На характеристике перечисленных факторов целесообразно остановиться более подробно.

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 соосна с направлением 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, связанных с формированием 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 возможен в районе оси оползня, а по бортовым границам возникают опасные сечения, в которых труба работает на срез. В данной ситуации при оценке состояния трубы необходимо учитывать прочность грунта в пределах ее укладки, условия обтекания трубы грунтом и формирования оползневого давления на нее 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. Особенности развития оползневых деформаций склонов зависят от механизма оползня [4]. Так глубокие оползни имеют пологую поверхность смещения, а тело оползня состоит из относительно монолитных блоков (опасность могут представлять границы между ними). Неглубокие поверхностные оползни разбиты многочисленными трещинами, грунты в оползневом теле разуплотнены и разупрочнены.

Величина подвижки и скорость перемещения. Данные параметры определяются по показаниям датчиков в глубинных реперах. Они позволяют характеризовать состояние и динамику грунтовых массивов.

Наличие и глубина поверхности скольжения определяются по анализу показаний датчиков глубинного репера, характеризующих деформации в массиве по установленным в скважине анкерам. Возникновение подвижек по поверхности скольжения свидетельствует об активной фазе оползневого процесса – возможна активизация и переход в прогрессирующее движение при неблагоприятном 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 оползнеопасном участке минимум двух глубинных реперов. Один из них должен контролировать деформации и состояние оползня, другой – грунтового массива, вмещающего трубопровод.

Оценка критических значений. При укладке трубы в траншею 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 по укреплению склона, потребуется дополнительная информация о степени деформирования собственно трубы в опасных сечениях в соответствии с механизмом и структурой оползней, для своевременного выявления критических напряжений в стенке трубы.

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

— проведение наблюдений в штатном режиме;

— изменение режима измерений;

— организация контроля состояния трубы в опасных местах;

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

— временное отключение трубы.

Для трубопровода опасными могут быть деформации, которые не являются критическими для оползня, т. е. еще не проявляется стадия основного смещения с характерными катастрофическими подвижками. В дальнейшем потребуется специальная разработка категорий 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 по глубинным реперам, размещенным у трубопровода и на оползне, с выявлением критических значений контролируемых параметров и состояния оползня.

Опыт контроля состояний оползней и определение критических значений величины и скорости смещения оползня

Возникновение и развитие оползневых деформаций на склоне обычно происходит постепенно (рис. 5) . На графике видно, что сдвиговые деформации происходят в три этапа. Так на этапе I возникают деформации, имеющие тенденцию к затуханию. В оползневом цикле этот этап относится к фазе общей стабилизации в стадии подготовки больших подвижек.

Рис. 5 . График развития оползневых деформаций.

Этап II характеризует развитие незатухающих деформаций с практически постоянной скоростью. Этот этап соответствует заключительной фазе стадии подготовки – фазе общей или постоянной активизации (активности) оползня.

Этапы I и II относятся к процессу возникновения первичного (нового) оползня или образования нового оползневого блока (оползни сжатия-выдавливания) отвечают деформированию в допредельном состоянии (по устойчивости), когда еще не закончено формирование поверхности сдвига, по которой должно произойти основное (катастрофическое) перемещение образованного тела оползня. Этап II завершается критической величиной перемещения L_кр.

Далее (этап III), начинается прогрессирующее развитие деформирования, завершающееся разрушительным сдвиговым смещением.

Режим развития оползневых деформаций во времени, критические значения подвижек и скорости смещения весьма разнообразны в зависимости от типа оползня, реальных инженерно-геологических условий, масштабов и этапа развития оползневого процесса.

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 от одного до нескольких часов к критическим величинам и скорости деформирования в течение от одного до нескольких часов.

Непрерывный контроль состояния оползня по данным глубинных реперов позволяет своевременно выявлять активизацию оползневых деформаций и их критические значения, характеризующие переломные этапы в развитии оползня, о чем свидетельствуют рассмотренные ниже примеры.

На участке «Бутырки», расположенном на берегу р. Свияга (г. Ульяновск), проявился блоковый оползень сжатия – выдавливания. Для наблюдения за ним на участке были установлены два глубинных репера и трещиномер. После цикла измерений (контроля), выполненных в течение 1979-1984 гг., были проанализированы полученные данные. Оказалось, что основное смещение оползня приходилось на май 1979 г. В частности было установлено, что за 6 часов перемещение составило более 3 м, т.е. скорость перемещения при этом составила более 12 м/сут. Позднее, в течение двух лет, скорость смещения не превышала 1 мм/сут. В конце 1982 г. 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.

На участке Ставлухар (Крым) были получены наиболее представительные результаты для оползня сдвига-скольжения. Здесь в 1981 г. был поставлен натурный эксперимент по искусственной активизации оползня указанного типа [3].

В подготовительный период (январь – май) на этом участке скорость смещения оползня составляла 0.3–3 мм/сут. Максимальное значение смещения приходилось на весну (апрель). В период искусственной активизации оползня (подрезка склона бульдозером) 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. Наглядное подтверждение этого суждения — результаты наблюдений за показаниями глубинных реперов, установленных на оползне Черном (г. Ульяновск).

С момента начала наблюдений (декабрь 1982 г.) в течение 3 мес. деформации практически отсутствовали, затем началось смещение, в марте 1983 г. продолжавшееся 6 час. со средней скоростью 0.07 мм/час. В последующие 14 час. скорость резко возросла (макс. – 63 мм/час). Смещение оползня достигло 817 мм. В последующие несколько весенних и летних месяцев скорость смещения не превысила 1 мм/сут, а к концу года деформации полностью прекратились.

На основании обобщения опыта исследований предложена дифференциация фаз развития оползня (для конкретных значений скоростей смещения, характеризующих состояние оползня), которая произведена по показаниям глубинных реперов (табл. 2).

Таблица 2.    Фазы развития оползневого процесса, выявленные по данным показаний глубинных реперов.

Динамика скоростного режима смещения	Фазы 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. Величина перемещения достигает 300 – 500 мм.	Фаза активного развития оползня, возможна опасная активизация
Скорость возрастает. Критическое значение скорости 25 мм/сут. Критическая величина перемещения 800–1200 мм.	Фаза прогрессирующей активизации (предкатастрофическая)

Уточнение критических значений скорости и величины смещения оползня для конкретного оползневого участка выполняется на основе анализа реальных условий и режима движения оползня. Данные мониторинга за состоянием оползня накапливаются в течение определенного периода времени в различные сезоны года.

Защита трубопровода от оползневых деформаций

Необходимость обеспечения безопасного функционирования трубопровода на активных оползневых участках требует не только организации мониторинга оползневых деформаций, но и применения комплекса противооползневых мероприятий, в том числе удерживающих сооружений. Наиболее часто трубопровод располагается на оползнеопасном склоне по направлению возможных движений грунтового массива (как правило, на участках трассы, пересекающих водные преграды). Оползневые деформации при этом вовлекают в смещение грунтовый массив, вмещающий трубу, и вызывают в ее стенках дополнительные напряжения, величины которых в определенных сечениях могут достигать опасных разрывных значений.

Для предотвращения смещения оползневого массива с уложенным в него трубопроводом может быть предложен вариант его закрепления непосредственно у трубопровода (разработан для одного из участков). Для этой цели по обе стороны от нитки газопровода на расстоянии 5-6 м от нее (рис. 6) укладываются защитные трубы. В качестве последних могут быть использованы трубы бывшие в употреблении магистрального трубопровода. Защитные трубы укладываются на 0.5-1.0 м ниже уровня укладки нитки трубопровода. Конструктивно защитные трубы выглядят следующим образом. К их наружным поверхностям на всем протяжении привариваются отрезки труб, проката и пр., придавая им облик «ежа», для обеспечения большей связности (зацепления) с грунтовым массивом. Поверхность труб делается перфорированной с целью придания им дренажных функций.

Рис. 6. Схема размещения в массиве газопроводной и защитных труб.

Верхние части защитных труб заделываются в несмещаемую часть массива путем прикрепления их к сваям-опорам (последние тоже могут быть из труб) или путем расчленения хвостовых частей труб, придавая им форму «якоря». При этом заанкеренные участки труб могут быть использованы в качестве перехватывающего трубчатого дренажа со сбросом дренируемых вод в ручей. Трубы могут прикрепляться к опорам также в местах неглубокого залегания прочных несмещенных пород.

Таким образом, посредством установки защитных труб осуществляется закрепление и стабилизация массива, в котором проложена труба-продуктопровод, обеспечивается дренирование склона и предотвращается его аномальное обводнение. Весь участок склона, армированный неподвижными трубами, служит искусственным устойчивым гребнем, препятствующим образованию блоковых фронтальных оползней и обеспечивающим не только местную, но и общую устойчивость склона, и безопасное функционирование продуктопровода.

Выводы

Таким образом, на основании опыта изучения оползневой проблемы на участках магистральных нефте- и газопроводов можно сделать следующие выводы.

1. При оценке оползневой опасности на конкретном участке трассы трубопровода определение типов оползней, угрожающих устойчивости склона и безопасности трубопровода, имеет большое значение. От этого зависит разработка расчетных схем, достоверность оценок устойчивости и технические решения по организации мониторинга и защитным мероприятиям.

2. Метод контроля оползневого процесса посредством глубинных реперов хорошо зарекомендовал себя на опорных участках с развитием оползней различных типов: блоковый — («Бутырки», г. Ульяновск); сдвига (Ставлухар, Крым); разжижения (Черный, г. Ульяновск).

На основе обобщения результатов наблюдений за динамикой оползней различных типов, в том числе посредством глубинных реперов, предложены возможные интервалы критических значений скорости и смещения оползня, определяющие характерные фазы развития контролируемого оползня.

3. Предложена схема защиты трубопровода на оползнеопасном участке с относительно неглубоким развитием деформаций. Защита осуществляется путем использования бывших в употреблении труб, располагаемых рядом с трубой-продуктопроводом. Защитные трубы за счет повышенного сцепления с окружающим грунтом воспринимают основную часть нагрузки от оползня, передавая ее на опорные элементы – якоря, дренируют подземные воды, тем самым, обеспечивают неизменное исходное состояние трубы-продуктопровода.

Список литературы

1. Ниязов Р.Я., Нешвара Я., Постоев Г.П. и др. Современные методы измерения напряжения, порового давления и движения оползня на глубине. Ташкент. Изд-во «Фан», 1989. 176 с.

2. Осипов В.И., Филимонов С.Д. Уплотнение и армирование слабых грунтов методом «Геокомпозит» // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2005. № 5. С. 15-21.

3. Постоев Г.П., Ерыш И.Ф., Саломатин В.Н., Скворцов А.Г. и др. Искусственная активизация оползней. М.: Недра, 1989. 134 с.

4. Постоев Г.П. Проблемы строительства в оползнеопасных зонах г. Москвы // Уникальные и специальные технологии в строительстве. № 1 (4). С. 28-31.

 

The experience of researching landslide deformations on trunk pipelines

Postoev German P., Lapochkin Boris K., Kazeev Andrey I.

Sergeev Institute of Environmental Geoscience Russian Academy of Sciences,

101000 Moscow, Ulansky pereulok 13, building 2; e-mail: opolzen@geoenv.ru, www.opolzni.ru

The main ecological hazard during oil or gas transportation in trunk pipelines represent areas with developing landslides (river slopes, mountain slopes, ravine sides, etc.). The necessity of special study of the landslide conditions on such areas is outlined and main principles and factors of landslide hazard assessment for pipelines are considered. The usage of monitoring of landslide deformations on slopes for detecting critical velocity and displacement values of landslide massifs is shown. The experience of controlling of critical landslide massif states by deep soil referring marks is described.

Key words: principles and factors of landslide hazard assessment, monitoring of landslide deformations, landslide mechanism, activization.

---