Всасываемые сваи в современном гидротехническом строительстве

ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 626:624.154

С.Н. Левачев, В.С. Халецкий

ФГБОУВПО «МГСУ»

ВСАСЫВАЕМЫЕ СВАИ В СОВРЕМЕННОМ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рассмотрены современные сооружения различного назначения, возводимые на континентальном шельфе. Описана история возникновения всасываемых свай, опыт их применения в различных гидротехнических сооружениях при обустройстве шельфовых проектов. Рассмотрены наиболее современные разработки анкерных конструкций на основе всасываемых свай.

Ключевые слова: анкер, всасываемая свая, фундамент, несущая способность, сооружения континентального шельфа, ветряная турбина, ветряная электростанция.

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к сооружениям континентального шельфа различного назначения. Освоение углеводородных месторождений на шельфе, несмотря на значительный прогресс в этой области, продолжает оставаться одной из самых сложных инженерно-технических задач современности.

Все больший интерес проявляется к «ветряным фермам» на шельфе. Данные проекты, связанные с установкой ветряных генераторов на шельфе, весьма активно развиваются в европейских странах. При реализации проектов по устройству ветропарков, помимо установки самих ветрогенераторов, устраиваются платформы с различным силовым оборудованием (трансформаторные и распределительные подстанции и пр.).

В связи с решением многочисленных задач, связанных с установкой сооружений континентального шельфа в совершенно разных условиях, находят все большее применение фундаменты на основе всасываемых свай.

Освоение нефтегазовых месторождений на шельфе. В РФ ведется большая работа по подготовке к масштабному освоению шельфовых месторождений, в связи с чем наблюдается повышенный интерес к сооружениям континентального шельфа. Наиболее инновационные разработки в устройстве платформ различной конструкции могут быть связаны с устройством фундаментов на основе всасываемых свай.

В своем классическом виде всасываемая свая представляет собой пустотелый цилиндр (оболочку), нижний конец которого открыт и имеет заостренные кромки [1]. В верхней части сваи расположена крышка с встроенными клапанами, предназначенными для откачки воды насосами. Первоначально, при погружении всасываемой сваи на дно, клапаны открыты, и давление снаружи и внутри цилиндра одинаково. На начальном этапе погружение сваи в грунт происходит за счет собственного веса. Когда погружение за счет собственного

веса прекращается, клапаны закрываются и с помощью насосов внутри всасываемой сваи создается пониженное давление. Возникшая разница давлений на внешней и внутренней части сваи (гидростатическое давление) и позволяет устанавливать ее на необходимую глубину.

Всасываемые сваи в их современном виде появились не сразу. Первый опыт применения подобных конструкций был связан с устройством так называемой «юбки», или ребристых конструкций на подошве фундамента, погружаемых в грунт основания, при устройстве гравитационных платформ в Северном море в 70-х гг. ХХ в.

«Юбка» (ребристые конструкции на подошве фундамента) — стальные или железобетонные ребра, устроенные, как правило, по периметру днища сооружения в виде продолжения стенок и перегородок опорной базы. Обычно цель устройства подобных ребер заключается в обеспечении лучшего сопряжения подошвы сооружения с грунтом и частичной передаче нагрузки на более глубокие и прочные слои грунтового основания.

Первоначально подобные ребра имели среднюю высоту до 5 м и погружались в грунт за счет собственного веса сооружения. Но в 1970-х гг. при разработке месторождения Ekofisk в Северном море появилась необходимость установки гравитационных платформ в неблагоприятных грунтовых условиях основания: мягкая глина и илы в верхних слоях. В то же время платформы должны были противостоять суровым условиям, в частности воспринимать нагрузку от волны высотой до 24 м. Специально для этих платформ была разработана цилиндрическая «юбка», которая проникала в основание под комбинированным действием собственного веса сооружения и разряжения давления под нижней частью базы сооружения [1]. Глубина погружения «юбки» составила 22 м.

При разработке платформы DraupnerE в норвежской части Северного моря встал вопрос о применении всасываемых свай в песчаных грунтах. С этой целью были инициированы натурные исследования по установке всасываемых свай в песчаные грунты. Исследования показали, что установка всасываемых свай с помощью гидростатического давления возможна и в песчаных грунтах. В результате платформа DraupnerE, представляющая собой сквозную металлическую конструкцию, установленную на фундамент из всасываемых опор, была благополучно установлена на месторождении в 1994 г. (рис. 1).

В 1995 г. с платформой DraupnerE произошла катастрофа, которая дополнительно укрепила уверенность в применении всасываемых свай как надежного типа крепления сооружений в открытом море. На платформу обрушилась так называемая волна-убийца высотой 26 м, которая буквально смыла нижнюю часть платформы (при этом стоит отметить, что расчетная высота волны в Северном море для нефтяных платформ на тот момент не превышала 15 м). Пострадал опорный блок платформы, часть оборудования была просто смыта, при этом фундамент, состоящий из всасываемых свай диаметром 12 м и высотой 6 м, переместился лишь на 10 мм в горизонтальном направлении и на 5 мм в вертикальном. Данный случай показал реальный потенциал использования всасываемых свай в качестве фундаментов для различных сооружений на шельфе.

Рис. 1. Конструкция платформы DraupnerE

В конце ХХ в. энергетический кризис заставил добывающие компании взяться за разработку месторождений нефти и газа на глубинах более 300 м, которые ранее считались нерентабельными. Но разработка их с применением традиционных платформ гравитационного и сквозного типа была экономически нецелесообразна или вовсе невозможна. Поэтому инженерами были разработаны плавучие платформы с якорными креплениями.

Плавучие сооружения обладают рядом преимуществ, которые отличают их от платформ других типов:

стоимость сооружения незначительно меняется от глубины; время ввода месторождения в эксплуатацию сокращается в сравнении с вариантом, при котором необходимо производить свайные работы непосредственно на участке установки платформы;

простота переустановки сооружения на другое месторождение. Сегодня осваиваются нефтегазовые месторождения на глубинах свыше 1000...2000 м [2], что еще 20...30 лет назад казалось фантастикой.

Применение традиционных анкерных и якорных устройств (якоря, забивные сваи, буронабивные сваи) с увеличением глубины установки сооружения становится все менее экономически и технически обоснованным. В данном случае применение всасываемых свай как анкерных и якорных устройств зачастую является единственно возможным вариантом крепления плавучего сооружения на точке установки.

Наиболее широко всасываемые сваи применяются в двух видах: 1. При устройстве фундамента под опорами платформ к всасываемой свае крепится опора будущей платформы, затем свая на начальном этапе погружается за счет собственного веса и веса установленных на ней конструкций, а затем за счет создания области пониженного давления под нижним концом сваи (гидростатического давления на всасываемую сваю). В данном случае всасываемая свая воспринимает вертикальную нагрузку от сооружения и горизонтальную нагрузку от ветрового, волнового и ледового воздействия на сооружение (рис. 2).

Рис. 2. Всасываемая свая с установленным опорным узлом платформы

2. Устройство якорных фундаментов. Данный вид всасываемых свай применяется при устройстве сооружений типов TLP, SPAR и FPSO [3]. В этом случае всасываемая свая, состоящая из одного или нескольких цилиндров (кессонов), объединенных в единую конструкцию (куст всасываемых свай), воспринимает вертикальную (выдергивающую) нагрузку и ту же горизонтальную нагрузку от ветрового, волнового и ледового воздействия на сооружение (рис. 3).

Рис. 3. Всасываемая свая, используемая в виде якоря

Устройство ветряных электростанций на шельфе. Строительство ветряных электростанций в промышленных масштабах началось в Европе (Голландия, Германия, Дания и др.). С целью освоения возобновляемых источников энергии и с учетом дефицита площадей для их установки на суше были разработаны морские ветряные «парки» или «фермы». Электростанции из нескольких десятков, а то и сотен ветряных генераторов устраиваются на шельфе в 15.. .50-километровой зоне от берега [4].

Опорные конструкции для ветряных турбин весьма схожи с конструкциями нефтегазодобывающих платформ. Применение той или иной конструкции опорного блока под ветряную турбину зависит от многих факторов: геологии, глубины установки, предполагаемых нагрузок и пр. [5] (рис. 4).

Рис. 4. Конструкции опорных блоков ветряных турбин в зависимости от глубины установки

Стоит отметить повышенный интерес к ветроэнергетике и стран, не имеющих дефицита в других источниках энергии. Например, США инвестируют с 2007 г. миллиарды долларов на развитие ветроэнергетической инфраструктуры.

Несмотря на отсутствие дефицита в площадях под устройство ветряных «парков», в США, так же как и в Европе, уделяют большое внимание морским ветряным электростанциям. Обосновывается это следующими факторами.

Морские ветра более устойчивы и имеют больший потенциал с точки зрения производства электроэнергии. Большая часть потребителей находится на побережье, поэтому зачастую выгоднее строительство морской ветряной электростанции, чем прокладка сотен или тысяч километров линий электропередач.

Технологии в области ветряной энергетики шагнули далеко вперед. Сегодня они позволяют вести строительство ветряных турбин с ротором диаметром 150 м и производительностью 7,5.10 МВт. При этом необходимо понимать, что современная шельфовая ветряная электростанция — это несколько сотен

ветряных турбин высотой более 80...90 м над уровнем водной поверхности, шириной 6 м и более, при толщине стенки стальной опоры до 150 мм. В состав ветряных «парков» входят также отдельные платформы с трансформаторным, распределительным и иным оборудованием. И все эти сооружения необходимо надежно закрепить на морском дне, с учетом воздействия течений, штормовых волн и льда.

Одним из видов опорных блоков является гравитационное сооружение из железобетона с балластировкой песчаным грунтом или без нее. При устройстве гравитационного опорного блока на сжимаемых грунтах возникает необходимость замены слабых грунтов, устройства каменной постели с ее последующим равнением. Все эти работы увеличивают стоимость и срок ввода сооружения в эксплуатацию. По этой причине гравитационные опорные блоки применяются исключительно там, где невозможна альтернатива, как правило, на скальных или близких к ним грунтах.

При установке опорного блока на сжимаемых грунтах (пески, супеси, глины и пр.) наиболее часто применяют фундаменты на всасываемых сваях. При незначительных глубинах, ~ 30.40 м, всасываемые сваи устанавливаются под опору для ветряной турбины. При глубинах свыше 40.50 м, как правило, устанавливаются плавучие платформы с ветряной турбиной на ней, в этом случае применяют всасываемые сваи в виде якорей [6].

Увеличение мощности ветряных установок влечет за собой увеличение их размеров и как следствие увеличение нагрузок, которые должны воспринимать сооружения и особенно фундаменты. Учитывая, что основная масса шельфо-вых ветряных электростанций устанавливается на глубинах более 40.50 м, наблюдается особый интерес к фундаментам на основе всасываемых свай, которые наиболее экономичны по сравнению с другими конструкциями опорных блоков и фундаментов аналогичной или более высокой несущей способности.

Новейшие анкерные системы на основе всасываемых свай. Все более широкое применение всасываемых свай в гидротехническом строительстве подтверждает их достоинства. Главными факторами, которые способствуют массовому применению различных вариаций всасываемых свай, являются:

экономичность в сравнении с другими типами фундаментов для одинаковых параметров сооружения;

быстрота и технологичность установки; минимизация работ в условиях открытого моря; снижение необходимости в тяжелой технике; возможность демонтажа, переустановки.

Несмотря на свои достоинства, анкерные/якорные устройства на основе всасываемых свай продолжают эволюционировать. Одним из видов новых конструкций является якорная система типа SEPLA, использующая всасывае-муюсваю как инвентарную.

SEPLA (SuctionEmbeddedPLateAnchor — всасываемый встроенный плитный якорь). Данный якорь представляет собой стальную плиту с проушиной для крепления троса (цепи), погружаемую с помощью инвентарной всасываемой сваи, удаляемой после погружения плиты [7].

9/2013

В случае применения якорей системы SEPLA всасываемая свая используется лишь для установки (вдавливания) якоря SEPLA в более плотные слои грунта. Вдавливается всасываемая свая за счет создания разницы давлений внутри сваи и на ее поверхности. После установки якоря всасываемая свая извлекается и может быть использована для установки следующего якоря (рис. 5).

Рис. 5. Схема установки и работы якоря системы SEPLA

SEA (SuctionEmbeddedAnchor — всасываемый встроенный анкер) — одна из последних разработок, так же использующая всасываемую сваю.

SEA состоит из двух полуцилиндров, объединенных между собой в единую конструкцию плитой. Данная плита снабжена скобой, к которой крепится трос. Анкер системы SEA устанавливается в проектное положение с помощью инвентарной всасываемой сваи. После установки в проектное положение анкер раскрывается путем нагружения через трос (рис. 6).

Рис. 6. Анкер системы SEA

Указанные факторы и приведенные выше примеры использования всасываемых свай в зарубежной практике говорят о перспективности данных конструкций и в отечественном гидротехническом строительстве. Учитывая большие планы по освоению шельфа РФ, развитию Северного морского пути, можно сделать вывод о необходимости разработки методов расчета данных конструкций, а также разработки нормативной литературы в России.

Библиографический список

1. Dean E.T.R. Offshore geotechnical engineering. Principlesandpractice. 2010, pp. 296—297, 299, 405—407.

2. Andersen K.H., Jostad H.P. Exploration and production — oil and gas review // Suction Anchor Technology's Contribution to Offshore Oil Recovery. 2007, pp. 54—55.

3. Devold H. Oil and gas production handbook. 2006, pp. 9—11.

4. Thomsen J.H., Forsberg T., BittnerR. Proceedings ofthe 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Offshore wind turbine foundations — the cowi experience. 2007, pp. 7—8.

5. Henderson A.R., PatelM.H. On the Modeling of a Floating Offshore Wind Turbine // Wind Energy Journal. 2003, pp. 53—86.

6. Musial W., Butterfield S., Boone A. Feasibility of Floating Platform Systems for Wind Turbines. 2004, pp. 2—7.

7. Yong Bai, Qiang Bai. Subsea structural engineering. 2010, pp. 130—131.

Поступила в редакцию в июне 2013 г.

Об авторах: Левачев Станислав Николаевич — кандидат технических наук, профессор кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, levachev@inbox.ru;

Халецкий Валентин Станиславович — магистрант кафедры гидротехнического строительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Valgss5@inbox.ru.

Для цитирования: Левачев С.Н., Халецкий В.С. Всасываемые сваи в современном гидротехническом строительстве // Вестник МГСУ 2013. № 9. С. 86—94.

S.N. Levachev, V.S. Khaletskiy

SUCTION PILES IN THE PRESENT-DAY HYDRAULIC ENGINEERING

Presently, offshore projects have moved to a new level. Advanced technologies are employed to develop those oil and gas deposits that were inaccessible in the past. SPAR and FPSO platforms are used to develop deposits at a depth of over 2,000 meters. Versatile technologies, including suction piles, represent a major factor of successful implementation of these projects.

Renewable energy sources arouse more interest. Wind energy is a most ambitions area of research. Wind farms may be installed along the coastline or a shelf. Today many offshore projects are implemented using renewable energy sources. Presently, wind power generators represent sophisticated structures having blades with a diameter of up to 150 m. One of the main objectives is to have them strongly attached to the seabed. Suction piles are often used to solve this task. Suction piles minimize the work at sea, and they are used to install both fixed and floating platforms.

The authors consider modern constructions used in similar projects and present the history of suction piles and their use in different offshore projects. The authors also analyze the most recent developments in the area of anchor design for suction piles.

The area of research covered in the article is highly relevant. Anchors and foundations based on suction piles can be widely used to develop offshore projects in Russia. Key words: anchor, suction pile, foundation, bearing capacity, offshore structures.

References

1. Dean E.T.R. Offshore Geotechnical Engineering. Principles and Practice. 2010, pp. 296—297, 299, 405—407.

2. Andersen K.H., Jostad H.P. Exploration and Production - Oil and Gas Review 2007. Suction Anchor Technology's Contribution to Offshore Oil Recovery, pp. 54—55.

3. Havard Devold Oil and Gas Production Handbook. 2006, pp. 9—11.

4. Thomsen J.H., Forsberg T., Bittner R. Proceedings of the 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Offshore Wind Turbine Foundations -the Cowi Experience. 2007, pp. 7—8.

5. Henderson A.R., Patel M.H. On the Modeling of a Floating Offshore Wind Turbine. Wind Energy Journal. 2003, pp. 53—86.

6. Musial W., Butterfield S., Boone A. Feasibility of Floating Platform Systems for Wind Turbines. 2004, pp. 2—7.

7. Yong Bai, Qiang Bai. Subsea Structural Engineering. 2010, pp. 130—131.

About the authors: Levachev Stanislav Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Hydraulic Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; levachev@inbox.ru; +7 (917) 512-61-73;

Khaletskiy Valentin Stanislavovich - master student, Department of Hydraulic Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; Valgss5@inbox.ru; +7 (915) 343-81-73.

For citation: Levachev S.N., Khaletskiy V.S. Vsasyvaemye svai v sovremennom gi-drotekhnicheskom stroitel'stve [Suction Piles in the Present-day Hydraulic Engineering]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 86—94.