Geum.ru

Исследование процессов аварий трубопроводного транспорта в условиях геодинамических надвигов и сдвигов земных блоков

Вид материалаИсследование

Содержание


Рис.1 Тектоническая схема надвигов с нанесенными зонами деформаций по трубопроводам.
Рис. 4 Схема опрокидывания емкостей на зонах разлома (тиксотропии
Ю.В. Казанцев, Т.Т. Казанцева
Подобный материал:
Авторы: Хафизов Ф.Ш. д.т.н., профессор УГНТУ,

Давлетов М.И, инженер-геолог


ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АВАРИЙ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА В УСЛОВИЯХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ НАДВИГОВ И СДВИГОВ ЗЕМНЫХ БЛОКОВ.

Ключевые слова: ГИС - геоинформационные системы, авария трубопровода, разрыв трубопровода, напряженно-деформированное состояние трубопровода на надвиге, сдвиге; разломе;разломная зона; геодинамическая зона, пожарная и промышленная безопасность.

В Уральском регионе тематику аварий трубопроводов по геологическим причинам детально проработали профессора Гликман А.Г. (фирма «Геофизпрогноз», С.-Петербург) и Сашурин А.Д. (ИГД УрО РАН). По их оценке 80% аварий труб происходит в зонах разломов на тиксотропных грунтах.

В России возникает более одной тысячи чрезвычайных ситуаций в год, на ликвидацию последствий которых затрачивается более 15% валового дохода. При сохранении динамики их роста отечественная экономика в ближайшее время не будет справляться с ликвидацией их последствий. Две трети чрезвычайных ситуаций имеют техногенный характер, то есть возникают в результате антропогенной деятельности. С постановкой обширных экспериментальных исследований современных движений земной коры на геодинамических полигонах различного назначения, были выявлены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений, приуроченные к зонам разломов различного типа и порядка. Эти аномальные движения высокоамплитудны (до 50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1-1 год), пространственно локализованы (0.1-1км) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.

Внедрение дифференциальных GPS - технологий в периодическом (дискретном) и непрерывном вариантах мониторинга за смещениями и деформациями позволило выявить новый класс геодинамических движений в разломных зонах с периодами 30 - 60 сек, 40 - 60 мин и подтвердить движения с периодами до года и более. Всем этим движениям, наряду с трендовой составляющей, свойственны пульсационный характер и знакопеременная направленность.

Анализируя цикличные знакопеременные и трендовые движения, можно заключить, что основным свойством геологической среды, особенно в разломных зонах, является нахождение ее в непрерывном движении.

Места проявления геодинамических движений в большей мере тяготеют к активным тектоническим структурам (разломам) и непосредственно прилегающим к ним объемам пород и участкам земной поверхности. Экспериментально в этих зонах установлены большие амплитуды смещений. Достаточно эффективно зоны разломов выявляются приборами ССП - спектрального сейсмического профилирования. Индикатором наличия зоны тектонического нарушения является воронкообразный (V-образный) объект на ССП-разрезе. Так, породный столб, находящийся непосредственно над тектоническим нарушением, характеризуется крайне высокой нарушенностью. Будучи в нарушенном, повышенно трещиноватом состоянии, этот породный столб имеет, естественно, повышенную податливость. То есть, инженерные сооружения, опирающиеся в этих зонах на грунт, будут проваливаться. Ну, а длинномерные объекты (железнодорожные насыпи, трубопроводы), пересекающие зоны тектонических нарушений, будут в этих зонах прогибаться и провисать.

По территории Башкирии основные аварийные участки трубопроводов (90%) приурочены к разломам со скоростями смещений до 27-67мм/год. Это сопоставимо со скоростями движения земных блоков на острове Сахалин.





Рис.1 Тектоническая схема надвигов с нанесенными зонами деформаций по трубопроводам.

На шахте Магнетитовой, разрабатывающей Высокогорское железорудное месторождение, в 2000 году произошла подвижка по взбросо-сдвигу Среднему на 25 - 30см, зафиксированная в подземных горных выработках.

Если амплитуда знакопеременных деформаций превысит допустимые деформации конструктивных элементов сооружения, то в нем проявятся нарушения с соответствующими аварийными последствиями. Если уровень деформаций ниже допустимых значений, то аварийные последствия от воздействия зависят от проявления усталостных эффектов. По выявленным в настоящее время частотам короткопериодных геодинамических колебаний наибольшую опасность в этом плане представляют колебания с периодами около одной минуты и около одного часа, создающие, соответственно 500000 и 9000 циклов нагружения в год. Время разрушения от цикличных нагружений зависит от уровня амплитуды переменных деформаций относительно допустимых значений деформаций. Для металлоконструкций трубопроводов различного назначения цикличное нагружение интенсифицирует процесс коррозии в десятки и сотни раз.





Рис.2 Схема деформаций трубопроводов на зонах разлома. При движении блоков по плоскости разлома, трубопровод из цилиндра под действием сдавливания превращается в эллипсоид.

Известно, что в природе явление тиксотропии возникает в некоторых видах грунтов и пород в период землетрясений (Рис.4,5). За счет знакопеременных цикличных нагружений некоторые виды грунтов, имеющие в статическом состоянии достаточную несущую способность, разжижаются, резко снижая свои прочностные характеристики. Это нередко ведет к перекосу и опрокидыванию жилых домов и инженерных сооружений. Но это явление происходит лишь в короткий период действия землетрясения. Впоследствии грунты вновь обретают свои обычные свойства.





Рис. 3 Схема разрушения сооружений на зонах разломов.







Рис. 4 Схема опрокидывания емкостей на зонах разлома (тиксотропии). 50% всех большеобъемных резервуаров в мире имеют течь, и предполагается, что не последнюю роль в этой беде играют тектонические нарушения.


Вероятно, проседание одной из емкостей на территории ЛПДС «Ленинск» в Челябинской области, произошло по причине строительства этого сооружения вблизи разлома. Несущими грунтами являются – глинистые сланцы, которые под действие веса сооружения сдавливаются, затем под действием грунтовых вод происходит вымывание легко размачиваемых глин.





Рис.5 Схема обрыва трубопроводов при потере несущей способности грунтов в зоне разлома. Как обнаружил профессор Сашурин А.Д., в зонах тектонических нарушений имеют место пульсации горных пород. Эти пульсации имеют планетарное происхождение и амплитуда их достигает 10см. Наличие пульсации грунта приводит к тому, что длинномерный объект, который пересекает зону тектонического нарушения, опирается одновременно как на неподвижный, так и на пульсирующий грунт. В результате, он находится под постоянным знакопеременным насилием, что обязательно приведет к развитию сначала микро, а затем и макротрещин. Видимо такой же эффект наблюдается на автомобильном мосту в г. Уфе через реку Белую в Затон, там происходит разрушение одной из опор.

Механизм развития техногенных катастроф:

- при цикличных геодинамических движениях происходит двумя путями: непосредственным воздействием цикличных деформаций и смещений на объект; комбинированным воздействием, обусловленным как непосредственным воздействием цикличных смещений и деформаций на объект, так и изменением свойств пород, взаимодействующих с объектом;

- в случае проявления трендовых геодинамических движений, причины разрушения объекта обычно связаны с превышением допустимых деформаций и напряжений;

- в случае цикличных геодинамических движений, причины разрушения объектов более многообразны: при непосредственном воздействии цикличных движений объект может быть нарушен либо от превышения допустимых деформаций и напряжений, либо от проявления усталостных эффектов в его конструктивных элементах; при комбинированном воздействии процесс разрушения может происходить либо за счет превышения допустимых нагрузок, вызванных изменением свойств массивов горных пород, либо за счет превышения допустимых нагрузок от совместного действия цикличных нагрузок и нагрузок от тиксотропии, либо от усталостных эффектов, вызванных совместным действием цикличных нагрузок и тиксотропии.



Рис. 6 Схема механики тиксотропии - потери несущей способности дисперсных грунтов. При землетрясении происходит передача колебательных движений частицам грунта. Из минералогии известно, что большинство частиц - угловатые. В нормальном залегании частицы сцеплены между собой. При землетрясении возрастает поровое давление воды, плюс частицы начинают беспорядочные вращательные движения вокруг оси. При этом сцепление резко снижается.

Отмечается достаточно высокий процент повторяемости аварийных событий на одних и тех же участках - повторяемость двукратных аварий на одном и том же локальном участке достигает 75-80%, а повторяемость трех- и более кратных доходит до 95%. Истинными причинами многократных порывов и разрушений магистральных сооружений являются факторы, приводящие к снижению технологических усталостных свойств стали труб и железобетонных конструкций. По результатам внутритрубных исследований магистральных продуктопроводов было определено, что около 70% всех дефектов относятся к категории "потери металла", которая включает в себя трещины, каверны, коррозию и пр. Также интересен тот факт, что на трубопроводах, изготовленных из более пластичных материалов, трещины появляются только через 25 лет эксплуатации, тогда как на трубопроводах, изготовленных из высокопрочных материалов, трещины появляются через 3-4 года эксплуатации. Таким образом, можно предположить, что причиной большинства аварий на магистральных трубопроводах оказываются подвижки земной поверхности, которые реализуются по границам тектонических блоков разного иерархического уровня.


Выводы:

1. Необходимо при инженерно-геологических работах по проектированию и ремонту сооружений проводить замеры приборами ССП площадок и трасс.

2. Провести изучение тиксотропных свойств разломных зон в г. Уфе – вблизи автомобильного моста через реку Белую в Затон.


Литература:
1. Ю.В. Казанцев, Т.Т. Казанцева, М.А. Камалетдинов, С.А. Ковачев, Р.К. Шакуров «Сейсмогенез и структура Центрального Башкортостана» // Академия Наук Республики Башкортостан, отделение наук о Земле и экологии, институт геологии, издательство «Fилим», Уфа-1996. 71 с.

2. Ю.В. Казанцев, Т.Т. Казанцева « Структурная геология юго-востока Восточно-Европейской платформы» // Академия Наук Республики Башкортостан, отделение наук о Земле и экологии, институт геологии, издательство «Fилим», Уфа-2001. 236 с.

3. М.З. Асадуллин, Н.А. Касьянова, Е.И. Селюков, О.А. Черепанов, С.К. Рафиков, Е.Н. Домрачев / « Оценка распределения дефектов магистральных газопроводов на основе структурного геодинамического картирования и морфометрического анализа » / УДК 622692/ ООО «Баштрансгаз», МГУ им. М.В.Ломоносова, ГПИИ «Фундаментпроект», Уфимский государственный нефтяной технический университет / Материалы Международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт сегодня и завтра» / Министерство образования Российской Федерации, УГНТУ , ОАО «АК « Транснефть», ОАО «АК «Транснефтепродукт», ОАО « Газпром» / Научные труды / Уфа, 27-29 ноября 2002г ./ стр.128-130

4. Гликман А.Г. ссылка скрыта на веб-сайте ссылка скрыта

5. Сашурин А.Д. "ссылка скрыта" Сб. докладов международной конференции "Геомеханика в горном деле - 2002" Екатеринбург, Игд УрО РАН 19-21 ноября 2002 г, ссылка скрыта , обновление 23.02.2003.

6. К.А.Кожобаев «Тиксотропия, дилатансия, разжижение дисперсных грунтов»/ АН Республики Кыргызстан, институт геологии /Бишкек 1991г., «Илим».