Надёжность эксплуатации газопроводов в многолетнемерзлых грунтах обеспечивается за счет поддержания их устойчивости и является первоочередной актуальной задачей газотранспортных предприятий и обеспечивается комплексом мер – это мероприятия, направленные на предупреждение и своевременное устранение нарушений устойчивого положения газопроводов.
Нарушение устойчивого положения магистральных газопроводов в многолетнемерзлых грунтах, связано с оттаиванием окружающих их этими грунтами. Нарушение может происходить вследствие теплового взаимодействия газопровода с мерзлым грунтом, формирования ореола оттаивания вокруг магистральных газопроводов или сезонного оттаивания грунтов. При оттаивании многолетнемерзлого грунта возможно значительное снижение его несущей и балластирующей способности, что может приводить к всплытию или просадке участков газопровода.
- Общие представления о многолетнемерзлых грунтах.
Согласно ГОСТ 25100—95 к многолетнемерзлым грунтам относятся грунты, которые в условиях природного залегания находятся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Зона развития многолетнемерзлых грунтов называется криолитозоной или зоной многолетней мерзлоты.
Зона многолетней мерзлоты занимает 64 % всей площади России и 25% суши земного шара. Кроме России многолетнемерзлые грунты распространены на Аляске, в Гренландии, на севере Кавказа, в высокогорных районах Центральной Азии и в других местах.
Многолетнемерзлые грунты в нашей стране подвержены явно выраженной широтной зональности:
1) сплошное распространение на территории Крайнего Севера;
2) несплошное (прерывистое) распространение в районах южнее этой зоны, включая островное — в районах еще далее к югу, вплоть до границ с Монголией и Китаем. Температура многолетнемерзлых грунтов в этих зонах колеблется от 0 до -10°С.
Происхождение вечной мерзлоты связывают с оледенением Земли в четвертичный период. По мнению многих ученых, само существование вечной мерзлоты не является вечным, поскольку при глобальном потеплении климата она может исчезнуть полностью.
Специфичность многолетнемерзлых грунтов заключается в том, что в них постоянно содержится лед. При повышении температуры (выше 0°С) мерзлый грунт оттаивает, и его прочность резко снижается, качественно изменяются и другие свойства, особенно в пылевато-глинистых грунтах. Под зданиями образуются своеобразные «чаши» протаивания. (рис.1)
Рис. 1.
Многолетнемерзлые грунты, как ни один из других специфических грунтов, отличаются высокой чувствительностью к изменению температурного режима. В этих условиях коренным образом изменяются гидрогеологические особенности территории, возникают опасные криогенные (мерзлотные) процессы — термокарст, морозное пучение, наледи и др.
Многолетняя мерзлота занимает площадь ок. 10 млн км , или более 60% территории России. Южная граница распространения мерзлоты проходит с северо-запада на юго-восток от Кольского п-ова к устью р. Мезень и далее почти по Северному полярному кругу до Урала. В Западной Сибири граница имеет субширотное простирание: вдоль широтного отрезка р. Обь, к истокам р. Таз и далее до р. Енисей к устью р. Подкаменная Тунгуска, где она резко поворачивает на юг. К востоку от Енисея мерзлота распространена почти повсюду, исключая юг п-ова Камчатка, о. Сахалин и Приморье
Многолетней мерзлотой (или многолетнемёрзлыми горными породами) называют горные породы, промёрзшие на значительную глубину и не оттаивающие в течение длительного времени - от нескольких десятков лет до многих тысячелетий. Мерзлота формируется на суше (в горах и на равнинах), на шельфе арктических морей (Баренцево, Карское и др.) и под ледниками. Возможность промерзания горных пород под ледниками определяется температурой воздуха и мощностью ледника (в толще льда температура повышается с глубиной на 2-2,5°С на каждые 100 м).
Верхний слой земной коры, являющийся ареалом распространения многолетней мерзлоты, называют криолитозоной. Нижней границей криолитозоны служит изотерма 0°С. Температура верхних горизонтов мерзлоты в начале и конце тёплого сезона года переходит через 0°С. В ходе циклических процессов промерзания и оттаивания в её кровле формируется сезонно-талый слой. Если горные породы протаивают глубже этого слоя и не промерзают в зимнее время, то кровля многолетней мерзлоты понижается и возникают талики различного размера и глубины.
Главные характеристики мерзлоты - распространение, мощность, льдистость и температура, криогенные образования (формы рельефа). Их распределение в пространстве подчиняется основным географическим закономерностям: широтной зональности, высотной поясности и секторности. По характеру распространения многолетней мерзлоты выделяются две широтные мерзлотные зоны:
I - северная (сплошного распространения) и
II - южная (несплошного распространения мёрзлых толщ). Южная зона подразделяется на три подзоны в зависимости от площади, занимаемой много летней мерзлотой: II а -прерывистого, II б - массивно-островного, II в - островного и редкоостровного распространения многолетнемёрзлых пород. Южнее расположена зона (область) реликтовых мёрзлых пород.
Реликтовая и современная мерзлота в Западной Сибири (мерзлотно-геологический разрез по линии Ноябрьск-Сургут-р.Салым).
Отрицательный годовой радиационный баланс в условиях Сибирского антициклона и большого выхолаживания в течение холодного периода года. Это главная причина.
Многолетняя мерзлота оказывает существенное воздействие как на природу, так и на жизнь и деятельность человека. Мерзлота влияет на растительность, так как постоянно охлаждает почву и приземный слой воздуха. Она ограничивает глубину проникновения в грунт корней растений, их водоснабжение. Поэтому в районах многолетней мерзлоты произрастают растения, имеющие неглубокую корневую систему.
Многолетняя мерзлота водонепроницаема, поэтому способствует заболачиванию территорий.
При строительстве дорог, трубопроводов, зданий многолетняя мерзлота может оттаивать. Это грозит просадками и провалами грунта и разрушением построенных сооружений. Поэтому при строительстве многолетнюю мерзлоту нужно сохранять. Для этого дома и трубопроводы приподнимают над землей на специальных сваях, а дороги создаются на высоких защитных подушках из грунта.
Строительство зданий и сооружений на юге, где температура воздуха не опускается ниже 5 градусов и строительство в Сибири различаются. Здесь надо учитывать множество различных факторов. Здания, сооруженные без учета многолетней мерзлоты, могут через некоторое время прийти в негодность. Происходит это потому, что летом земля прогревается неравномерно на несколько десятков сантиметров. При таянии грунт становится влажным, подчас текучим. Он оседает, расползается. Та часть здания, под которой грунт размяк, оседает. Зимой почва снова замерзает, влажный грунт вспучивается и здание перекашивается, а иногда и разрушается. Наличие многолетней мерзлоты в отдельных районах нашей страны ставит перед учеными много задач, решение которых имеет большое практическое значение. Большая часть этих задач учеными уже решена. За последние годы на севере и востоке нашей страны построены сотни городов и поселков. Многие из них стоят на многолетней мерзлоте, стоят прочно, на века. Вспомним хотя бы такой город, как Норильск, построенный за Полярным кругом. Улицы Норильска застроены многоэтажными зданиями. В городе сооружены заводы, школы, больницы, кинотеатры, жилые дома. Здания эти стоят уже многие годы. Правда, приезжий заметит у всех зданий Норильска одну особенность. Они стоят как бы на курьих ножках. Но ножки эти железобетонные. Нижняя часть их уходит вглубь, в слой вечной мерзлоты, а над поверхностью земли они возвышаются не более чем на метр. Воздух свободно проходит под зданием. Грунт зимой замерзает, летом оттаивает, но на здании это не отражается, так как железобетонные сваи прочно вмерзли своими основаниями в слой многолетней мерзлоты, и она держит их, как клещами. Город Норильск соединен железной дорогой с портовым городом Дудинкой, выросшим на берегах сибирской реки Енисей. Эта железная дорога самая северная на земном шаре. В зоне многолетней мерзлоты построены сотни рудников, дающих нашей стране уголь, полиметаллические руды, олово, золото, алмазы и много других ценных полезных ископаемых. Север - громадный край, скованный многолетней мерзлотой,- преображается, раскрывает свои богатства.
При строительстве на территориях с вечномерзлыми грунтами особое значение имеет правильный выбор площадок для строительства с такими грунтами, чтобы они не были пучинистыми, не подвергались образованию наледей и провалов. Кроме того, необходимо выбрать такие объемно-планировочные и конструктивные решения, а также методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий.
