Обеспечение устойчивости магистральных нефтепроводов на карстовых участках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Кожевникова, Наталья Владимировна

• Кожевникова, Наталья Владимировна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кожевникова, Наталья Владимировна

Введение

Глава 1. Обеспечение устойчивости магистральных нефтепроводов, проходящих по карстовой территории

1.1 Перспективы освоения ресурсной базы углеводородов Восточной Сибири и Дальнего Востока.

1.2 Распространение карста в новых регионах трубопродного строительства.

1.3 Анализ нормативного обеспечения и практики инженерно-строительного освоения территории с опасными геологическими процессами.

1.4 Постановка задачи моделирования взаимодействия геотехнической системы "трубопровод-карст" для обеспечения устойчивости трубопроводных систем.

Глава 2. Исследование процесса развития карста и его воздействие на магистральный нефтепровод

2.1 Исследование механизма протекания процесса развития карста

2.2 Классификация карстопроявлений.

2.3 Карстовая опасность и критерии устойчивости участков подверженных карстовым процессам.

2.4 Методика определения параметров карстового провала.

Глава 3. Моделирование взаимодействия геотехнической системы «трубопровод-карст»

3.1 Выбор расчетной модели и моделирование несущей способности конструкции нефтепровода в процессе развития карста.

3.2 Расчет предельных значений напряженно-деформированного состояния нефтепровода в зависимости от протяженности карстового провала.

Глава 4. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости нефтепроводов, подверженных воздействию карста

4.1 Анализ вариантов методов защиты нефтепровода для повышения устойчивости положения.

4.2 Критерии выбора вариантов защиты нефтепровода на участках подверженных карсту.

4.3 Технико-экономическое сравнение вариантов защиты нефтепрвода на участках подверженных карстовым процессам.

4.4 Способы мониторинга карста

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение устойчивости магистральных нефтепроводов на карстовых участках»

Проблема повышения устойчивости и безопасности трубопроводного транспорта является одной из наиболее актуальных задач в нефтегазовой промышленности. Особую трудность представляет обеспечение устойчивости трубопроводов проектируемых, строящихся и эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях регионов нового освоения Восточной Сибири и Дальнего Востока при формированием новых систем трубопроводного транспорта.

Повышенный риск эксплуатации нефтепроводов в таких условиях определяется вероятностью возникновения аварийной ситуации, большими экологическими проблемами и экономическими затратами на устранения ее последствий. Особую трудность представляет обеспечение устойчивости трубопроводов прокладываемых по территории с карстовыми процессами, как наиболее многоплановые в проявлениях и многофакторные в причинах.

Закарстованные территории занимают около трети части России, в результате чего при развитии карстовых деформаций неизбежны аварии различного характера. При анализе причин, очевидно допущение принципиальных ошибок на различных стадиях строительного освоения: выборе площадки, инженерных изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации объектов (сооружений). Большая часть ошибок связана с недостаточным знанием как природы карстового процесса вообще, так и специфики природно-техногенных условий конкретного региона и неадекватных им способов противокарстовой защиты.

В настоящее время в России отсутствуют единые специальные нормы проектирования зданий и сооружений в карстовых районах. Они фрагментарно и в общем виде (включая инженерные изыскания, проектирование, строительство и эксплуатацию) излагаются в различных СНиП и СП, что нередко затрудняет организацию комплексного подхода к защите трубопроводов от негативного влияния карстового процесса на всех стадиях. Некоторые из этих документов длительное время не обновлялись и поэтому не отражают научно-технические отечественные и зарубежные разработки последнего времени, а также тенденции в обеспечении устойчивого развития закарстованных территорий (с точки зрения их инженерно-строительного освоения). Кроме того, они не учитывают некоторые требования ряда Федеральных законов, принятых в последнее время.

Отечественная и зарубежная практика инженерно-строительного освоения закарстованных территорий показывает, что безопасность и экономичность инженерных решений зависят, прежде всего, от соответствующего учёта особенностей инженерно-геологических (в том числе техногенных) и геотехнических условий развития карстового процесса и его проявлений в основании сооружений.

В нашей стране до введения Федеральных законов в субъектах Российской Федерации действовали следующие региональные (территориальные) нормативные документы (инструкции, ТСН): город Москва (1984), Республика Башкортостан (1996), Пермский край (2004, 2005), Нижегородская область (1999).

В связи с чем тематика диссертационной работы представляется актуальной для дальнейшего развития трубопроводного транспорта в перспективных регионах освоения углеводородных ресурсов Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов и вычислительных алгоритмов обеспечивающих формирование эффективных проектных решений по оценке устойчивости магистральных нефтепроводов и выбору эффективных методов инженерной защиты на участках подверженных карсту. г

Основные задачи исследования

Реализация поставленной цели обусловила необходимость решения следующих задач:

• Проведение анализа современных технологий и нормативных требований к сооружению магистральных нефтепроводов, прокладываемых по карстовой территории.

• Исследование процесса развития карста и моделирования его воздействия на магистральный нефтепровод.

• Определение критических параметров напряженно-деформированного состояния нефтепровода в зависимости от протяженности карстового участка и величины провиса нефтепровода.

• Разработка рекомендаций по выбору конструктивных решений для инженерной защиты нефтепроводов подверженных воздействию карста.

Научная новизна

Основные научные результаты работы состоят в разработке методики оценки устойчивости магистральных нефтепроводов на основе определения параметров влияния карста на напряженно — деформированное состояние нефтепровода и разработке алгоритма выбора технологически допустимых и экономически эффективных методов инженерной защиты нефтепровода в зависимости от интенсивности протекания карстового процесса.

Практическая ценность научного исследования определяется успешным опытом использования ее основных результатов при решении актуальных прикладных задач инженерной защиты трубопроводной системы «Восточная Сибирь - Тихий океан».

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Кожевникова, Наталья Владимировна

Заключение

1. Существенной особенностью строительства нефтепроводов в районах Восточной' Сибири и Дальнего Востока является невозможность обхода территорий, подверженных карстовым процессам и сопряжённых с трассой нефтепровода. Интенсивное протекание карста приводит к обрушению грунта и провисанию трубопровода, следствием чего является формирование зон повышенных напряжений в трубопроводе, что определяет характер, развитие и последствия аварийных ситуаций.

2. Произведена оценка степени влияния различных типов карстовых процессов с учетом наличия растворимых пород, их минерального состава, трещиноватости, растворяющей способности воды, рельефа, климатических условий площади участка на скорость протекания карстовых процессов и разработана методика оценки вероятности поражения нефтепровода карстовым провалом и достижения максимально прогнозируемого радиуса карстовой воронки.

3. Разработана методика моделирования напряжённо-деформированного состояния геотехнической системы «трубопровод - карст», которая позволяет определить предельно допустимую протяженность карста и величину прогиба трубопровода, определяющие необходимость применения специальных методов инженерной защиты при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопровода, прокладываемых на участках подверженных карсту. Методика численного моделирования напряжённо-деформированного состояния геотехнической системы «трубопровод -карст» реализована в среде вычислительного комплекса СР1РЕ, основанного на методе конечных элементов в трехмерной постановке.

4. Предложены рекомендации по повышению устойчивости нефтепроводов в зоне карстовых провалов, включая методику оценки эффективности вариантов повышения устойчивости нефтепроводов, позволяющую обосновать рациональные параметры защитных и ремонтных конструкций для предупреждения и ликвидации карстовых проявлений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кожевникова, Наталья Владимировна, 2011 год

1. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. Справочное пособие. М: Недра, 1982 г.

2. Антипов Г.И., Иващенко М.А. Корабельников В.В. и др. Ангаро-Илимское железорудное месторождение трапповой формации южной части Сибирской платформы. М., Госгеолтехиздат, 1960.

3. Аристархов Л.Б. Геоморфологические критерии классификации структур, обусловленных соляной тектоникой. Вестн. МГУ. География, № 5, 1966.

4. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. М.: Недра, 1976. - 280 с.

5. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы. М.: Недра, 1973. -303

6. Вологодский Г.П. Районирование карста Южного Приангарья. Сб. Труды второго совещания по подземным водам и инженерной геологии Восточной Сибири, Иркутск, 1959.

7. Вологодский Г.П. Карст Иркутского амфитеатра. АН СССР, Сибирское отделение, Институт земной коры, изд. Наука, М., 1975.

8. Воробьев Ю.Л., Копылова Н.П., Шебеко Ю.Н. Нормирование рисков техногенных чрезвычайных ситуаций // Проблемы анализа риска, Том 1, № 2, МЧС России 2004.

9. Гантов Б.А., Максимова O.P., Мамонова Т.В. Опыт проведения карстологических изысканий при проектировании полигонов захоронения отходов. // Материалы Международного симпозиума «Карстоведение XXI век: теоретическое и практическое значение». Пермь, 2004.

10. Гвоздецкий H.A. Карст. Географиздат, М., 1954.

11. Гвоздецкий H.A. Карст, изд. Мысль, М., 1981.

12. Геология СССР. Том XVII. Иркутская область. Часть I. Геологическое описание. Изд. Литературы по геологии и охраны недр. М., 1962.

13. Елохин А.Н., Елохин A.A. Проблема выбора критериев приемлемого риска // Проблемы анализа риска. Том 1 № 2. МЧС России, 2004.

14. Иконников Л.Б. Карстологический мониторинг г. Дзержинска за 10 лет. // Материалы Международного симпозиума «Карстоведение XXI век: теоретическое и практическое значение». Пермь, 2004.

15. Инструкция по содержанию и ремонту железнодорожного пути в карстоопасных районах / ВНИИЖТ. ГП «Противокарстовая и береговая защита», МПС.М., 1997.

16. Кожевникова Н.В. Влияние карста на эксплуатационную надежность нефтепровода. Методы защиты. Научно-технический журнал Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов, №1 (83), 2011.

17. Кожевникова Н.В. Карстовая опасность для объектов трубопроводного транспорта в регионах Восточной Сибири и Дальнего Востока. Журнал Нефтяное хозяйство №2, 2010.

18. Кожевникова Н.В., Суровец И.А. Современные методы строительства ППМН. Журнал Трубопроводный транспорт нефти №4, 2009.

19. Кожевникова Н.В. Обеспечение прочности и надежности трубопроводов в карстовых грунтах. Журнал Трубопроводный транспорт нефти №6, 2009.

20. Кожевникова Н.В. Применяемые технологии при строительстве трубопровода в сложных геокриологических условиях. Журнал Нефть, газ, бизнес, № 10.2008.

21. Кожевникова Н.В., Суровец И.А. Особенности строительства объектов на ММГ. Журнал Трубопроводный транспорт нефти №12, 2008

22. Кожевникова Н.В. Обеспечение прочности и надежности трубопроводных систем, прокладываемых в карстовых грунтах. Научно-технический сборник РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина-, №1 М. 2007

23. Кожевникова Н.В. Характеристика карстовых пород при строительстве объектов трубопроводного транспорта. Научно-технический сборник РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, №2 М. 2006

24. Коржуев С.С. Мерзлотный карст Среднего Приленья и некоторые особенности его проявления. Сб. Региональное карстоведение, Изд. АНСССР. М., 1961.

25. Кутепов В.М. и др. Прогноз карстового процесса в кн. Природные опасности России. Экзогенные геологические опасности (под ред. В.И. Осипова, С.К. Шойгу). Изд. Крук. М., 2002.

26. Кутепов В.М., Парабучев И.А., Килин Ю.А. Карст и его влияние на освоение территорий // Материалы Международного симпозиума «Карстоведение XXI век: теоретическое и практическое значение». Пермь, 2004.

27. Леоненко М.В. Опыт использования геофизических методов при оценке карстоопасности. // Материалы Международного симпозиума «Карстоведение XXI век: теоретическое и практическое значение». Пермь, 2004.

28. Леоненко BiM., Леоненко М.В., Толмачев В.В. Определение параметров проектирования противокарстовой защиты в рамках геотехнической системы «Карст-сооружение» // Материалы Всероссийской конференции «Риск-2006». М., 2006.

29. Лыкошин А.Г. Трещины бортового отпора. Бюлл. МОИП, отд. Геол. Т. 28 вып. 4. 1953.

30. Макеев З.А. Принципы инженерно-геологического районирования карстовых областей. / Карстоведение. Вып. 4. 1948.

31. Максимович Г.А. Районирование карста СССР. Доклады четвертого Всеуральского совещания по физико-географическому и экономико-географическому районированию Урала. Вып. 1. Пермь, 1958.

32. Методические рекомендации по проектированию бескаркасных жилых зданий в карстовых районах. НИИСК Госстроя СССР, Дзержинская карстовая лаборатория ПНИИИС. Киев, 1986.

33. Методические рекомендации по организации и ведению карстологического мониторинга. // Государственный центр мониторинга геологической среды. Государственное Предприятие «Противокарстовая и береговая защита», 1999.

34. Обручев СВ. Восточная часть Саяно-Тувинского нагорья в четвертичное время. Изд. Всес. Геогр. О-ва, т. 85, вып. 5, 1953.

35. Отчет «Вариант подхода к ЦПС Талаканского месторождения». Книга 3. Инженерно-геологические изыскания. Часть 1. СургутНИПИнефть, 2006.

36. Пармузин Ю.П. Данные о карсте севера Средне-Сибирского плоскогорья. Сб. «Региональное карстоведение». Изд. АНСССР. М., 1961.

37. Проектный институт реконструкции и строительства объектов нефти и газа. ЗАО «ПИРС», ООО «Аверс 1». Расширение трубопроводной системы Восточная Сибирь -Тихий океан (ВСТО). Инженерные изыскания. Том 4. Км 870-1052. Книга 1. Технический отчет. 2006.

38. Пулина М., Тржцинский Ю. Заметки о карстовых явлениях в Восточной Сибири. Путеводитель по отдельным карстовым районам Восточной Сибири и Урала. Изд. Силезский университет, Сосковец, 1996.

39. Рекомендации по использованию инженерно-геологической информации при выборе способов противокарстовой защиты. Дзержинская карстовая лаборатория. ПНИИИС, 1987.

40. Рекомендации по защите эксплуатируемых гражданских зданий в карстовых районах. / НИИСК Госстрой СССР, Дзержинская карстовая лаборатория ПНИИИС. Киева, 1989.

41. Ремизов В.Г., Сычева В.Г. Опыт районирования закарстованных территорий в условиях недостаточности данных по интенсивности провалов.

42. Реф. Сб. «Инженерные изыскания в строительстве», 1972.

43. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста. ПНИИИС, 1995.

44. Саваренский И.А. Прогноз- устойчивости территории методом удаленности от ближайшего проявления карста // Сб. Прогноз изменений инженерно-геологических условий при строительстве. АН СССР. Госстрой РСФСР. ПНИИИС. М., 1990.

45. Сапун А. Политический маршрут Ванкора // Нефтегазовая вертикаль. 2005. - № 14. - С. 62-63.

46. Сахарова Е.И. Явления «оседаний» склонов в Средней Сибири // Сб. Вопр. географии. № 21. 1950.

47. Соколов В.В., Толмачев В.В. Безопасность движения поездов в карстовых районах // Путь и путевое хозяйство, № 2, 1991.

48. Соколов Н.И. Явления оседания склонов и глыбовые оползни ангарского типа // Бюлл. МОИП, отд. геол., т. 30, вып. 1, 1955.

49. Соколов Н.И. Бархатовский карст (Бассейн р. Ангары). Вопросы географии. Сб. №40. М., 1957.

50. Соколов Н.И. Карст южной части Сибирской платформы // Сб. Региональное карстоведение. Изд. АН СССР. М., 1961.

51. Солоненко В.П. Очерки по инженерной геологии Восточной Сибири. Иркутск, 1960.

52. Сорокина В. Б., Толмачев В.В. Характерные ошибки и недостатки при проектировании противокарстовых мероприятий // Тезисы докладов совещания «Застройка закарстованных территорий». Уфа, 1984.

53. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. Госстрой СССР. М., 1997.

54. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Минстрой России. 1997.

55. СНиП 22-02-2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Росстрой, 2004.

56. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. Госстрой России, 2005.

57. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. ФГУП ЦПП, 2006.

58. СП 11-105-97 ч. П. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Правила производства работ в районах опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Госстрой России, 2000.

59. Территориальные строительные нормы «Инженерные изыскания, проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области» / ТСН 22-308-98 НН / Нижний Новгород, 1999.

60. Тимофеев Д.А., Дублянский В.Н., Кикнадзе Т.З. Терминология карста. Недра. М., 1991.

61. Толмачев В.В. О законе распределения карстовых провалов // Инженерные изыскания в строительстве // Реф. Сб. «Инженерные изыскания в строительстве № 2. Госстрой СССР, 1970.

62. Толмачев В.В. Вероятностный подход при оценке устойчивости закарстованных территорий и проектировании противокарстовых мероприятий //Инженерная геология. № 3, 1980.

63. Толмачев В.В., Троицкий Г.М. Определение расчетного пролета карстового провала для проектирования противокарстовых фундаментов // Основания, фундаменты и механика грунтов. № 2, 1983.

64. Толмачев В.В., Троицкий Г.М., Хоменко В.П. Инженерно-строительное освоение закарстованных территорий. Стройиздат. М., 1986.

65. Толмачев В.В. Оценка риска от карстовых провалов при решении инженерных и экономических задач // Материалы Общероссийской конференции «Оценка и управление природными рисками». М., 2000.

66. Толмачев В.В., Мамонова Т.В. Определение уровня риска от карстовых провалов для застроенных территорий // Научный Совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Сергеевские чтения, вып. 6, 2004.

67. Толмачев В.В. Инженерное карстоведение: основные тенденции и перспектива развития. Материалы Международного симпозиума «Карстоведение XX век: Теоретическое и практическое значение». Пермь, 2004.

68. Толмачев В.В. Мамонова Т.В. Критерии карстовой опасности в местах захоронения отходов в условиях покрытого карста // РАН, Сергеевские чтения. Вып.7, 2005.

69. Толмачев В.В., Леоненко М.В. О классификации закарстованных территорий по провальной опасности. // Основания, фундаменты и механика грунтов, № 2, 2005.

70. Толмачев В.В., Сорокина В.Б Прогноз влияния параметров сооружений и карстопроявлений на выбор способов противокарстовой защиты // В кн. «Прогноз изменений инженерно-геологических условий при строительстве». М., «Наука». 1990.

71. Толмачев В.В., Сорокина В.Б. и др. Методика определения расчетного размера карстового провала. при проектировании противокарстовых фундаментов // Научно-технические достижения ВДНХ

72. СССР, (Дзержинская карстовая лаборатория ПНИИИС Госстроя СССР), 1985.

73. Хоменко В.П. Карстово-суффозионные процессы и их прогноз. Наука, М., 1986.

74. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. ГЕОС. М., 2003.

75. Цыкин Р.А. Современный и древний карст Сибири. Сб. Карст Дальнего Востока и Сибири. АН СССР. Дальневосточный научный центр. Географическое общество СССР. Приморский филиал, Владивосток, 1980.

76. Цыкин Р.А., Цыкина Ж.Л. Карстовые воды Сибирской платформы и складчатого обрамления. АН СССР. Дальневосточный научный центр. Географическое общество СССР. Приморский филиал, Владивосток, 1980.

77. Шатский Н.С. Основные черты тектоники Сибирской платформы. Бюлл. Московского общества испытателей природы, отд. геол., т. 10. № 3-4, 1932.

78. Шахунянц Г.М. Земляное полотно железных дорог. Трансжелдориздат. М., 1953.

79. Шеко А.И. Карта экзогенных геологических процессов России. M 1:2500000 // Министерство природных ресурсов Российской Федерации. ВСЕГИНГЕО. М., 2000.

80. Buechner К.-H. Die Gefaehrdung von Bauwerken durch Erdfaelle. // Geolgisches Jahrbuch. Reihe C. Heft 5, 1995.

81. Lilly W.W. Aprobabillity study of sinkole distribution. // Symposium "Engineering, construction and maintenance problems in limestone régions". 1976 (USA).

82. Raghu D., Tiedeman C. Sinkhole risk analysiss for a selected area in Warren contry. New Jersey // Proc. of the first multidisciplinary conference on sinkole. Orlando, Florida, 15-17 October, 1984 (USA).

83. Reuter F., Tolmacev V.V. Bauen und Bergbau in Senkungs und Erdfallgebieten // Eine Ingeniergedogie des Karstes - Akademie - Verlag, Berlin, 1990 (Germany).

84. Tolmachev V.V., Maximova O. R., Mamonova T. V. Some new approaches to assesment of collapse risks in covered karst. // Proceedings of 10 th mulfidiscipUnary conference "Sinkhole and Environmental impacts of karst" // San Antonio, USA, 2005.