СПОСОБ КОНСОЛИДАЦИИ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ
METHOD OF CONSOLIDATION OF SOIL BASE OF HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURE

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при эксплуатации морских гидротехнических сооружений после установки на морское дно для освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа.
Преимущественной областью применения изобретения является эксплуатация после постановки на морское дно морских гидротехнических сооружений гравитационного или гравитационно-свайного типов в период, когда происходит консолидация грунтового основания.
Из патента РФ №2337205 известно земляное сооружение на слабых природных основаниях, в котором предлагается способ консолидации грунтового основания путем устройства песчаных свай с песчаной подушкой, по которым отводится грунтовая вода.
Известное сооружение содержит опорное основание в виде песчаной постели под днищем фундамента с песчаными сваями, заглубленными на определенную глубину. Каждая свая представляет собой песчаный цилиндр из хорошо дренированного материала. Песчаные сваи устанавливаются под грунтовой постелью с определенным шагом, зависящим от свойств грунтового основания. По верху песчаные сваи соединены между собой песчаным слоем (постелью), уложенным на естественное основание для организованного отвода поровой воды из грунтового основания.
Недостатками известного решения в части способа являются:
- сложность и большая трудоемкость устройства песчаных свай, связанная с бурением цилиндрических скважин, и засыпка их песчаным грунтом. Вероятность успешной реализации таких операций в реальной обстановке, особенно в сложных природных северных условиях (низкая температура воды и воздуха), крайне мала. Все это приводит еще и к значительным затратам и продолжительному по срокам выполнению указанных операций;
- низкая эффективность по ускорению и прохождению консолидации грунтового основания. Все равно консолидация проходит продолжительное время с учетом того, что связанная вода не удаляется и остается в порах грунта.
Перечисленные недостатки частично устранены в техническом решении, которое описано в работе Шибакин С.И., Левачев С.Н., Курилло С.В. Фундаменты гравитационных нефтегазодобывающих платформ. М.: ВНИИИС, Строительные конструкции, №7, 1988.
В известном из указанного источника решении для ускорения процесса консолидации под днищем фундамента морского объекта устанавливаются иглофильтры, которые соединены в единую гидравлическую систему, в которой поддерживается постоянно разрежение, за счет чего происходит удаление поровой воды и снижение порового давления в грунтовом основании. Однако и этот метод не может достаточно быстро снять поровое давление в основании сооружения и тем более удалить связанную воду из грунта. Это снижает эффективность данного метода. Кроме этого, процесс консолидации затягивается на продолжительное время и не успевает закончиться до приложения значительных нагрузок от волн и льда, когда грунтовое основание не обладает повышенной прочностью, что может привести к аварии сооружения.
Неполная консолидация основания приводит к значительным затратам при изготовлении платформы за счет повышенной массы сооружения для обеспечения устойчивости сооружения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение материалоемкости гидротехнического сооружения за счет ускорения процесса консолидации, а также расхода балласта для обеспечения заданной гравитации с целью обеспечения устойчивости сооружения на действие расчетного сочетания внешних нагрузок при одновременном повышении надежности эксплуатации и снижение рисков потери устойчивости гидротехнического сооружения после установки его на морское дно за счет ускоренного и более полного за счет удаления связанной воды в процессе консолидации грунтового основания.
Техническими результатами, которые обеспечиваются при реализации изобретения, являются следующие:
- снижение материалоемкости и трудоемкости при создании гидротехнического сооружения за счет более полной и быстрой консолидации грунтового основания до приложения основных нагрузок на сооружение;
- снижение объема балласта для обеспечения заданной устойчивости гидротехнического сооружения за счет снижения порового давления в грунте, формирующегося в процессе установки сооружения на морское дно;
- повышение устойчивости и несущей способности грунтового основания гидротехнического сооружения за счет более полного снятия порового давления в грунтовом основании;
- повышение надежности и снижение риска потери устойчивости гидротехнического сооружения в период эксплуатации всего комплекса морских инженерных объектов и нефтегазопромыслового оборудования за счет повышения устойчивости гидротехнического сооружения;
- снижение риска возникновения аварийных ситуаций, загрязнения окружающей среды по причине потери гидротехническим сооружением устойчивости и нарушения в связи с этим условий нормальной эксплуатации скважинного оборудования и трубопроводных нефтегазопромысловых систем.
Поставленная задача решается тем, что в способе эксплуатации гидротехнического сооружения после постановки на морское дно, предусматривающем погружение сооружения путем принятия сооружением балласта с установкой на грунтовое основание морского дна, согласно изобретению в грунте морского дна вне зоны постановки сооружения размещают электроды, которые соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного тока, устанавливают сооружение на морское дно, после чего элемент конструкции сооружения (корпус и/или заглубляемые изолируемые элементы) подключают к положительному полюсу источника постоянного тока и пропускают электрический ток, обеспечивающий осмотическое движение поровой воды в грунте в направлении от грунтового основания сооружения и формирование в зоне постановки сооружения области пониженной водонасыщенности (консолидации) грунта. Электрический ток отключают после завершения консолидации грунтового основания, когда поровое давление в грунтовом основании станет равным или близким к нулю.
О завершении формирования области пониженного водонасыщения согласно изобретению судят по показаниям датчиков порового давления, установленным в грунтовом основании.
Предлагаемый способ основан на использовании электроосмоса. Сущность его заключается в следующем.
При обычном способе консолидации грунтового основания, особенно установленных сооружений на связных грунтах, консолидация происходит в течение нескольких лет, а иногда и десятков лет, что приводит к снижению несущей способности грунтового основания, так как значительная часть гравитации передается на грунтовую воду, создавая поровое давление, и только ее часть передается на скелет грунта, который сопротивляется сдвигу сооружения. Согласно изобретению, чтобы увеличить прочность грунта под фундаментами гравитационного сооружения, повысить силы трения по подошве фундамента, предлагается обеспечить ускоренный процесс консолидации с удалением не только свободной воды, но связанной, предлагается использовать электроосмос.
Для этого в грунт морского дна забивают (или на морском дне размещают) электроды, соединенные с отрицательным полюсом источника постоянного тока (генератора), а корпус сооружения и/или заглубляемые элементы соединяют с положительным полюсом того же генератора.
1. В результате физико-химических процессов, происходящих под действием постоянного электрического тока, вокруг анода под корпусом сооружения образуется зона пониженной водонасыщенности, а у поверхности катода увеличивается влажность и создается зона повышенного водонасыщения грунта вне зоны гравитационного сооружения. Свободная вода, скопившаяся около катода, может удаляться с помощью иглофильтра. В результате происходит существенное ускорение процесса консолидации грунта, которая может происходить всего за несколько дней, и повышение прочности грунта, что обеспечивает повышение устойчивости сооружения при меньших массогабаритных размерах сооружения и меньшем количестве балласта. Причем электрический ток пропускают в направлении, совпадающем с направлением движения поровой воды под действием гравитационной составляющей от сооружения, что приводит к ускоренному отжатию воды из грунтового основания, ускорению процесса консолидации.
Для повышения эффективности процесса консолидации постоянный электрический ток пропускают импульсами и с изменением направления движения электрического тока, создавая динамические нагрузки на поровую воду, что позволяет «срывать» воду с частиц грунта.
Благодаря такой совокупности признаков, находящихся в функциональном единстве, обеспечивается новый, ранее не достигавшийся ни в прототипе, ни в других известных решениях эффект, состоящий в снижении трудоемкости и энергозатрат, массы сооружения, а также расхода балласта при одновременном повышении надежности эксплуатационных свойств гидротехнического сооружения на морском дне в сложных природных условиях.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны основные узлы гидротехнического сооружения и элементы, обеспечивающие реализацию предлагаемого способа. Изображенная на фиг.1 ситуация соответствует моменту прихода гидротехнического сооружения на точку перед началом его постановки на морское дно.
На фиг.2 приведена схема размещения электродов для проведения электроосмоса; на фиг.3 показаны основные узлы гидротехнического сооружения и схема организации электроосмоса перед началом эксплуатации, приведена схема формирования зоны пониженного водонасыщения под основанием гидротехнического сооружения с помощью электроосмоса.
Гидротехническое сооружение содержит (фиг.1) опорный корпус 1, который выполнен (полностью или частично с установленным электродом) из электропроводящего материала. На опорном корпусе установлено верхнее строение 2 с источником постоянного тока 3. В нижней части корпуса размещены заглубляемые элементы электроды-аноды 8. Заглубляемые элементы, как и корпус сооружения, также выполняются полностью или частично из электропроводящего материала. Корпус 1, а также заглубляемые элементы 8, являются анодом. На верхнем строении гидротехнического сооружения размещают источник постоянного тока (генератор) 3. На морском дне размещают электроды-катоды типов 4 или 5. Катоды могут быть гравитационными 4 либо свайными 5. Тип анода выбирается в зависимости от комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно. Катоды размещают (фиг.2) равномерно вокруг гидротехнического сооружения за пределами зоны его постановки. Расстояние между анодами определяется в зависимости от выбранных условий процесса электроосмоса с учетом комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно. Катоды между собой соединены (фиг.3) электрокабелем 6, который, свою очередь, соединен с отрицательным полюсом источника постоянного тока 3. С положительным полюсом источника постоянного тока 3 с помощью электрокабеля 7 соединяют корпус 1 сооружения или электроды-аноды.
Изобретение реализуется следующим образом.
В стационарных заводских условиях (например, сухом доке) осуществляют подготовку гидротехнического сооружения к транспортировке на точку постановки.
Для этого в стационарных условиях на верхнем строении гидротехнического сооружения размещают источник постоянного тока (генератор) и выполняют монтаж электрокабеля для установления электрической связи положительного полюса источника постоянного тока с элементами конструкции сооружения (корпусом и/или заглубляемыми в грунт морского дна электродами-анодами). Также готовят и размещают в соответствии с установленными требованиями комплект катодов и дополнительный запас электрокабеля для их соединения между собой, а также с источником постоянного тока.
После прихода платформы на точку проводят подготовку для ее установки на морское дно.
Для этого за пределами зоны постановки сооружения на морском дне размещают комплект катодов. В зависимости от типа катодов и комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно они устанавливаются с помощью сваебойного оборудования (свайные катоды) либо непосредственно опускаются на морское дно (гравитационные катоды).
Расстояние между катодами определяют в зависимости от выбранных условий процесса электроосмоса с учетом комплекса гидрогеологических условий в зоне постановки сооружения на морское дно.
Катоды между собой соединяют с помощью электрокабеля, который подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока.
После этого с помощью балласта постепенно погружают сооружение до установления контакта заглубляемых элементов с морским дном, а затем, продолжая балластировку, задавливают аноды в грунтовое основание на заданную глубину до полного контакта днища фундамента.
Об установлении полного контакта судят, например, с помощью специальных контактных датчиков давления, установленных в нижней части подошвы фундамента. Целесообразно в этот момент провести работы по выравниванию положения сооружения с целью обеспечения более плотного и равномерного контакта плиты фундамента с морским дном. Плотный контакт плиты фундамента с морским дном обеспечивает более эффективное протекание электроосмоса.
Поддержание сооружения в требуемом положении необходимо из-за действия подводных течений, которые стремятся сместить сооружение с точки постановки. Такое поддержание можно обеспечить любым известным способом, например с помощью установленных на днище корпуса сооружения, выступающих ниже заглубляемых элементов и погружаемых в грунт морского дна нескольких штырей-фиксаторов.
После установления контакта плиты фундамента с морским дном включают источник постоянного тока и начинают процесс электроосмоса.
При этом возможны две схемы организации такого процесса.
В первом случае к положительному полюсу источника тока может быть подключен корпус сооружения. Данная схема является наиболее простой, поскольку для ее реализации можно использовать штатную систему электрохимической защиты (ЭХЗ) сооружения от коррозии, которой оборудуется каждое морское гидротехническое сооружение. Однако при такой схеме эффективность электроосмоса будет невысокой из-за больших утечек тока на пути от корпуса к электродам, установленным на некотором расстоянии от сооружения.
Поэтому для повышения эффективности электроосмоса, сокращения времени и энергозатрат на формирование под основанием сооружения зоны пониженной водонасыщенности грунта целесообразно в качестве анода использовать заглубляемые элементы электроды-аноды и соединять с ними положительный полюс источника тока.
В результате пропускания между электродами электрического тока происходит направленное движение воды в грунте морского дна, как свободной, так и связанной от анода к катоду с формированием в зоне катода области повышенного водонасыщения (повышенного порового давления).
Пониженное в результате уменьшения водонасыщенности поровое давление существенно повышает прочность грунта. Повышение прочности грунта приводит к снижению массы сооружения и балласта для обеспечения устойчивости сооружения. Вода, поступившая к катоду, может быть откачана с помощью иглофильтра.
Таким образом, при пропускании постоянного электрического тока между электродами значительно повышается прочность грунтового основания и вся нагрузка передается на скелет грунта при нулевом значении порового давления.
Для получения максимального эффекта от повышения несущей способности грунтового основания окончательную балластировку сооружения и установку его на морское дно целесообразно проводить после завершения формирования под основанием сооружения области пониженного водонасыщения. Об этом можно судить, например, с помощью датчиков порового давления (по уменьшению и последующей стабилизации их показаний).
Повышение несущей способности грунта (повышение прочности грунтового основания) во время постановки сооружения на морское дно позволяет отказаться от дополнительной балластировки опорного блока, в результате чего снижаются объемы балластных цистерн и размеры опорного блока.
Кроме этого, повышение прочности грунта описанным способом позволяет обеспечить надежную эксплуатацию сооружения на континентальном шельфе при неблагоприятных характеристиках грунта факторов внешней среды (лед, жесткое волнение). Это в отличие от известных решений позволяет обеспечить проектную устойчивость морского сооружения к воздействию комплекса факторов внешней среды в районах шельфа замерзающих морей.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет расширить диапазон глубин (в сторону значительного увеличения их значения), на которых возможно эффективное использование гравитационных сооружений.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Описанное выше новое, промышленно применимое техническое решение представляет собой единый изобретательский замысел, отвечает, на наш взгляд, критерию изобретательского уровня, в связи с чем предлагается к правовой охране патентом на изобретение.