Криогенные деформации здания насосной станции на месторождении «Заполярное»

Марахтанов Вадим Петрович кандидат географических наук Старший научный сотрудник, МГУ им. М.В. Ломоносова, географический факультет, НИ лаборатория геоэкологии Севера 117638, Россия, г. Москва, ул. Сивашская, 6, корп. 2, кв. 22 Marakhtanov Vadim Petrovich PhD in Geography Senior Scientific Associate, the faculty of Geography, Laboratory of Geoecology of the North, M. V. Lomonosov Moscow State University 117638, Russia, g. Moscow, ul. Sivashskaya, 6, korp. 2, kv. 22 ecolog_n@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

Практический аспект мерзлотоведческой науки находит наиболее полное воплощение в инженерном мерзлотоведении, изучающем научные основы проектирования и строительства различных сооружений на мерзлых горных породах, их водной и тепловой мелиорации и другие прикладные задачи. Основы этой дисциплины были заложены трудами сотрудников кафедры мерзлотоведения геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством В.А. Кудрявцева ^[5]. Дальнейшее развитие инженерного мерзлотоведения во многом было связано с накоплением опыта строительства и эксплуатации объектов промышленного и гражданского строительства на территории криолитозоны, благодаря которому были разработаны многочисленные нормативные документы, а также соответствующая учебная литература ^{[1, 4, 12]}.

В ходе хозяйственного освоения территорий криолитозоны на севере Западной Сибири важной проблемой является сохранение устойчивости различных объектов промышленного и гражданского строительства. Эффективным способом решения проблемы является создание специализированных служб инженерно-геокриологического мониторинга. Для выяснения причин деформаций зданий и сооружений специалистами подобных служб разрабатывается методика наблюдений, проводится анализ различных видов деформаций, выполняются дополнительные инженерно-геологические изыскания и формулируются главные причины деформаций зданий и сооружений ^[3]. В сферу деятельности таких служб обязательно должны быть включены объекты, отвечающие за жизнеобеспечение создаваемых инфраструктур. В противном случае отсутствие необходимого контроля за техническим состоянием таких объектов может иметь плачевные последствия, примером чего является один из объектов водоснабжения, который был обследован при участии автора.

Исследования были выполнены в 2011 г., в соответствии с Техническим заданием договора № 54-12/91/11-з/46-251-11 от 0.5 05. 2011 г. «Обследование технического состояния фундаментов и основания полов здания насосной станции хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения ВОС-3000 Заполярного газонефтеконденсатного месторождения (ГНКМ)», заключенного между ООО «Газпроэнергодиагностика» и Уренгойским филиалом ООО «Газпром энерго», В то время автор работал (в порядке совместительства) в ООО «Газпромэнергодиагностика»

Обследование технического состояния фундаментов и основания полов здания насосной станции было выполнено в соответствии с требованиями и положениями следующих нормативных документов:

- «Положения о системе технического диагностирования оборудования и сооружений энергохозяйства ОАО «Газпром» (СТО РД Газпром 079-2010) ^[6];

- РД.22-01.97 «Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследования строительных конструкций специализированными организациями)» ^[7];

- СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства» ^[5];

- СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства» ^[11];

- СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» ^[9].

В данных работах автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя и основного автора научно-технического отчета, материалы которого были использованы для написания настоящей статьи.

1. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ЗДАНИЯ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ

1.1. Характеристика мерзлотно-грунтовых условий в основании сооружения

Здание насосной станции (рис. 1) находится на территории Заполярного месторождения, расположенного на севере Западной Сибири, вблизи полярного круга. Северное положение территории определяет суровые природно-технические условие эксплуатации в ее пределах зданий и сооружений, причем основную сложность представляет наличие в их основании многолетнемерзлых грунтов.

Рис. 1. Внешний вид здания насосной станции

Площадка насосной станции перед началом ее строительства представляла собой полого-наклонную кочковатую поверхность, с небольшими мочажинами, занятую лиственничным редколесьем, с абсолютными отметками 45,4 – 46,2 м. Впоследствии здесь была выполнена песчаная отсыпка, спланированная до отметок 46,5 – 47,8 м (рис. 2).

Грунты под песчаной отсыпкой в основании здания насосной станции представлены суглинком с прослоями и линзами глины и пылеватого песка (рис. 3).

Рис. 2. Зарастающая поверхность песчаной отсыпки территории площадки ВОС-3000

Рис. 3. Грунтовый разрез в основании здания насосной станции

В период изысканий, выполненных институтом ФУНДАМЕНТПРОЕКТ (2002 г), грунты находились в многолетнемерзлом состоянии; среднегодовая температура их составляла около ─0,8 °С . Криогенная текстура суглинка и глины слоистая и слоисто-сетчатая (льдистость 0,12 – 0,37), песка и супеси – массивная. Льдистые суглинок и глина при оттаивании дают осадку, что может вызвать деформации возводимых на них сооружений. В табл. 1 представлены обобщенные инженерно-геокриологические характеристики грунтов в основании здания насосной станции, полученные институтом ФУНДАМЕНТПРОЕКТ в процессе изысканий.

Таблица 1.

Инженерно-геокриологические свойства грунтов в основании здания насосной станции

1.2. Конструкции основания полов, фундаментов и опор, системы охлаждения грунтов

Основание пола здания насосной станции представляет собой многослойную конструкцию, расположенную на поверхности песчаной отсыпки площадки ВОС-3000 (рис. 2), Верхний слой песка залегает внутри цоколя, стены которого расположены на металлических ранд-балках, опирающихся на ростверки свайного фундамента (см. рис. 4). На рис. 4 видно, что между краями ранд-балок существует зазор, очевидно предусмотренный конструктивно для компенсации температурных деформаций металла ранд-балки. Наличие таких зазоров по периметру здания, как будет показано ниже, отрицательно сказывается на устойчивости грунтового основания пола.

Рис. 4. Краевые части двух ранд-балок, опирающихся на ростверк

Бетонное основание пола представляет собой не монолитную конструкцию, а состоит из отдельных плит (рис. 5), которые, в случае осадки грунтов под ними, могут испытывать неравномерные деформации, могущие передаваться опирающемуся на них технологическому оборудованию.

Рис. 5. Схема расположения плит основания здания насосной станции. Н2 – фундаментные опоры с расположенными на них насосами; Р11 - ростверки, на которые опираются стены здания; 205 точки геодезической съемки с величиной осадки поверхности плит; 2 термометрическая скважина и ее номер

Основная часть опор трубопроводов опирается не на свайный фундамент, а на плиты пола. Поэтому устойчивость данных конструкций напрямую связана с устойчивостью бетонного основания пола, которая, в свою очередь, определяется устойчивостью положения поверхности грунта, на которое это основание опирается.

Система температурной стабилизации грунтов в основании здания насосной станции представлена на рис.6. Она состоит из термостабилизаторов ТК 32/10.М1 (рис. 6А) двух типов: вертикальных, размещенных по периметру сооружения (обеспечивают устойчивость свайного основания стен) и наклонных (рис. 6Б), нейтрализующих действие на грунты в основании полов теплового потока от здания, внутри которого проектная температура составляла 10 °С. Согласно проекту, наклонные стабилизаторы закладываются на спланированную песчаную поверхность под полом здания и должны иметь уклон 1:25. Необходимыми условиями эксплуатации термостабилизаторов, обеспечивающими их нормальное функционирование, являются недопущение механических повреждений и покраска алюминиевой пудрой для ослабления радиационного прогрева радиаторной части. К этому можно добавить недопущение покрытия радиаторной части снегом, препятствующего охлаждению поверхности радиатора, от которого зависит эффективность работы устройства. Данная конструкция термостабилизаторов предусматривает

Рис. 6. Система температурной стабилизации грунтов. А. Конструкция термостабилизатора ТК 32/10.М1: 1 – корпус, 2 – конденсатор, 3 – узел заправки, 4 – утеплитель, 5 – наконечник. Б. Схема размещения наклонных стабилизаторов под частью здания насосной станции

возможность их только сезонной эксплуатации ‒ в зимний период. В остальное время система температурной стабилизации грунтов основания бездействует. Более того – если температура надземной (радиаторной) части термостабилизатора выше температуры подземной части, в последней может происходить конденсация паров аммиака, вызывающая дополнительное отепление грунтов основания здания насосной станции. Отмеченные условия эксплуатации термостабилизаторов соблюдены не были, что явилось причиной многочисленных деформаций конструкций внутри здания насосной станции.

2. МЕТОДИКА РАБОТ

2.1. Визуально-измерительный контроль

Обследование конструкций методом визуально-измерительного контроля имело своей целью: - проверку соответствия конструкций проектной документации, фактической геометрической неизменяемости, выявление отклонений, дефектов и повреждений элементов и узлов конструкций; - сравнение фактических и проектных нагрузок и воздействий.

Осмотр здания насосной станции выполнялся визуально, с использованием в необходимых случаях бинокля. Использовались цифровые фотоаппараты, снимки с которых впоследствии печатались на цветном принтере. В процессе обследования было сделано большое количество фотографий (значительно больше помещенных в статью с целью более тщательного изучения результатов обследования здания.

Техническое состояние конструкций здания определено методом визуального осмотра с выявлением поврежденных мест, участков, элементов и т.д. и обязательным их измерением. Наиболее поврежденные места подвергались детальному осмотру для определения степени повреждения элементов конструкций.

2.2. Геодезические работы

Геодезические работы выполнялись на основе следующих нормативных документов:

- строительных норм и правил СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» ^[5];

- инструкции по топографической съемке масштаба 1:5000-1:500 ^[1].

Геодезическая съемка производились полярным методом, с использованием электронного тахеометра Sokkia Set 550 №110116 и телескопической вешки с одиночным отражателем. Ввиду загромождения внутреннего помещения здания насосной станции разнообразными конструкциями и технологическим оборудованием, съемку приходилось выполнять с нескольких станций. В процессе съемки определялось высотное положение поверхности полов и фундаментов насосов.

2.2. Буровые работы

Бурение скважин производилось внутри здания насосной станции ВОЗ-3000 двумя различными буровыми установками: УБШМ и УПБ-25. Установкой УБШМ пробурены три термометрические скважины глубиной 12 м (№№ 1, 2, 3) по периферии здания насосной станции (см. рис. 5). Скважины были оборудованы колонной металлических наблюдательных труб с кондуктором для термометрических наблюдений.

В центральной части машинного зала насосной станции выполнить бурение установкой УБШМ не представлялось возможным, поскольку габариты установки не вписывались в пространство между конструкциями цеха. Там была использована буровая установка УПБ-25, с помощью которой пробурены 2 скважины (см. рис. 5):

- глубиной 4,5 м с колонной полиэтиленовых обсадных труб (№ 4);

- глубиной 6,0 м с колонной металлических обсадных труб (№ 5).

В процессе бурения выполнялись описание инженерно-геологического разреза и отбор проб для определения влажности грунта.

2.3. Термометрические наблюдения

Термометрические наблюдения производились в скважинах глубиной 10–12 м, оборудованных колонной обсадных металлических труб с приваренной снизу заглушкой и с патрубком поверху. Для предотвращения конвекции воздуха, могущей исказить реальную картину распределения температур в скважине, патрубок прикрывался крышкой.

Измерения выполнялись ртутными термометрами ТМ-4, с ценой деления шкалы 0,2 °С. Для повышения инерции показания температура термометры «заленивливались», т.е. помещались в стеклянную запаянную с концов трубку, с выкаченным воздухом, а последнюю – в эбонитовый корпус, с укреплением в концах резиновыми пробками. Это позволяло термометру не изменять измеренную им температуру в течение 2–3 минут. Термометры связаны в «косу» с интервалом через 1 м для измерения температуры на глубинах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 м. Для получения достоверных данных о температуре грунтов «коса» термометров выдерживалась в скважине в течение двух суток, пока температура внутри них не сравняется с температурой окружающего грунта.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Состояние полов

Конструкции полов здания насосной станции в процессе ее эксплуатации испытывали постоянную осадку, влекущую за собой деформации технологического оборудования, опирающегося на плиты пола. Имеющуюся информацию об осадке полов можно подразделить на данные предыдущих обследований и результаты технического освидетельствования, выполненного специалистами ООО «Газпромэнергодиагностика» в текущем году.

3.1.1. Данные предыдущих обследований

Первым обнаруженным фактором, ухудшающим техническое состояние грунтового основания полов здания насосной станции, явилось попадание воды в песчаный грунт под слой тепловой изоляции из пенополистерола, выявленное в ходе строительства здания в июле 2002 г. Это свидетельствует о недостаточной гидроизоляции здания, что подтверждается отсутствием вокруг него водоотвода, а также негерметичностью конструкций вблизи земной поверхности (см. рис. 4).

Здание насосной станции было сдано в эксплуатацию в декабре 2003 г. Осадка полов документально была зафиксирована впервые в середине декабря 2005 г. В дальнейшем были выполнены обследования в 2006, 2009 и 2010 г.г. Результаты этих обследований удобно представить в табличной форме с присутствием колонки, показывающей промежутки времени между сроками наблюдения (см. табл. 2). Такое представление данных поможет оценить временную динамику развития осадки. В последней строке табл. 2 содержится значение максимальной осадки, установленное в процессе обследования здания специалистами ООО «Газпромэнергодиагностика» (см. табл. 2).

Анализ данных табл. 2 показывает затухание со временем деформаций полов здания насосной станции с приближением к стабильному состоянию конструкций полов в ближайшие годы