Способы мониторинга температуры в вечномерзлых грунтах

СПОСОБЫ МОНИТОРИНГА

ТЕМПЕРАТУРЫ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Д. Ю. Кропачев, И. И.Гаврилов

Денис Юрьевич Кропачев,

начальник Специального конструкторского бюро ОАО НПП «Эталон»

Игорь Ильич Гаврилов,

заместитель директора Тындинской мерзлотной станции Центра ИССО ОАО РЖД

Развитие транспортной инфраструктуры северных регионов РФ и реализация национальных нефтегазовых проектов XXI в. тесным образом связаны с развитием новых крупных центров добычи углеводородного сырья и формированием новых систем магистрального трубопроводного транспорта газа, конденсата и нефти [1]. Безопасность функционирования объектов железнодорожного и нефтегазового комплекса на территориях распространения много-летнемерзлых пород во многом определяется эффективностью систем мониторинга опасных геокриологических процессов, развитие которых связано как с природными факторами, так и с влиянием самих технических объектов на окружающую среду. В зависимости от комплекса природных факторов, формирующих геокриологические условия, грунты могут быть многолетне- и сезонно-мерзлыми, сезонноталыми, талыми и переохлажденными, а следовательно, обладать различными прочностными и деформационными свойствами. Исходя из этого, возникает необходимость изучения свойств грунтов и проведения геотехнического мониторинга, в состав которого входят наблюдения за температурным и гидрогеологическим режимами с целью изучения состояния грунтов оснований инженерных сооружений, оценки их несущей способности и возможных деформаций.

Согласно комплексному анализу данных метеостанций и геокриологических стационаров для северных регионов России возможные изменения трендов температуры грунтов охватывают широкий диапазон - от 0,004 до 0,05° С/год (средние для всего региона значения тренда составляют 0,03° С/год). Высокие тренды повышения температуры грунтов,

так же как и воздуха, наблюдаются в центральной части Западной Сибири, в Якутии и на юге Красноярского края [2].

В настоящее время многие климатологи и геокриологи отмечают, что за последние 20 - 25 лет температура воздуха в области криолитозоны повысилась на 0,2 - 2,5° С. Повышение температуры верхних горизонтов многолетнемерзлых пород за этот период достигает 1,0 - 1,5° С и распространяется до глубины 60 - 80 м. По различным оценкам прогнозируемое повышение средней годовой температуры воздуха на Севере в первой четверти XXI в. составит 1,0 - 2,0° С, а к середине столетия может достичь 3-4° С. При таком темпе потепления климата произойдет существенное сокращение площади многолетне-мерзлых пород в Северном полушарии, а южная граница их распространения в Западной Сибири может сдвинуться на север на 200 - 500 км. Деградация мерзлых пород приведет к резким изменениям условий функционирования оснований и фундаментов инженерных сооружений, поскольку прочностные и деформационные свойства грунтов напрямую зависят от их температуры.

В результате недостаточного учета особенностей геокриологических условий, их природных и техногенных изменений происходят многочисленные деформации инженерных сооружений, иногда даже аварийного характера. В связи с этим необходимо контролировать и управлять температурным режимом грунтов в процессе эксплуатации объектов. Осуществлять термостабилизацию грунтов оснований можно с помощью вентилируемого подполья, теплозащитных экранов, сезоннодей-ствующих охлаждающих установок (горизонтального и вертикального

типов), а также охлаждающих установок круглогодичного действия.

Таким образом, одной из главных проблем успешного проектирования, строительства и эксплуатации различных зданий, сооружений и промышленных объектов в северо-восточной части РФ является разработка и применение новых адекватных технических решений по контролю и управлению температурным режимом грунтов оснований.

ОАО НПП «Эталон» были разработаны системы геотермического мониторинга, предназначенные для полевого определения температуры грунтов по ГОСТ 25358-2012, внедрение и широкое использование которых повысит точность и надежность измерений, облегчит и удешевит их проведение. Разработанные измерительные системы позволяют, в зависимости от поставленной задачи, осуществлять оперативный, автономный или непрерывный мониторинг температуры грунтов под основаниями зданий и сооружений, вдоль земляного полотна автомобильных и железных дорог, тем самым обеспечивая работоспособность и безопасность функционирования различных инженерных объектов в условиях вечной мерзлоты.

Для проведения оперативных замеров используется комплект оборудования, состоящий из контроллера ПКЦД-1/100 и термокосы МЦДТ 0922 (рис. 1). Контроллер ПКЦД-1/100 позволяет устойчиво считывать показания термокос с интервалом опроса от 10 секунд до 1 часа, а также записывать информацию об измеренной температуре каждого датчика в энергонезависимую память прибора. Термокоса МЦДТ 0922 обладает

Рис. 1. Общий вид термокосы

малой тепловой инерцией, кабель сохраняет гибкость при эксплуатации даже в условиях отрицательных температур.

Таким образом, пользователь может разместить на различных объектах (в термометрических скважинах) несколько десятков термокос и в течение 10 - 40 мин провести замеры, оценить результаты и сохранить полученные данные о температуре каждого объекта с помощью одного контроллера ПКЦД-1/100 с последующей их передачей на персональный компьютер.

Для проведения автономных замеров температурных полей на удаленных и труднодоступных объектах (геотермометрических скважинах) используется комплект оборудования, состоящий из логгера ЛЦД-1/100 и термокос МЦДТ 0922 или МЦДТ 1201. Логгер вместе с термокосой размещаются в геотермической скважине и могут работать автономно в течение нескольких лет.

Вариант размещения данной системы в геотермической скважине представлен на рис. 2. Измеренные значения температуры грунта в скважине записываются на карту памяти формата MicroSD, расположенную внутри логгера. Сбор данных проводится или путем извлечения карты из логгера, или ее заменой на новую, или копированием файла с данными на персональный компьютер в виде архива.

Время непрерывной работы логгера с термокосой без замены элемента питания зависит от количества одновременно подключаемых датчиков и периода проведения измерений. Так, например, при измерении температуры грунта с периодичностью два раза в сутки термокосой, состоящей из 10 датчиков, логгер автономно без замены питания может проработать около 10 лет.

Для решения задач непрерывного мониторинга температуры в скважине и оповещения о критических изменениях температурного поля грунтов под зданиями и сооружениями рекомендуется использовать систему СТМ ПО, представляющую собой совокупность контроллеров СКЦД-6/200, подключенных к распределительному блоку БРИЗ с использованием линии связи RS-485, и термокос МЦДТ 0922 или МЦДТ 1201. К каждому контроллеру можно подключить от одной до шести термокос,

Рис. 2. Размещение в скважине термокосы с логгером

содержащих суммарно до 200 датчиков. Схема возможной реализации системы СТМ ПО приведена на рис. 3.

Порядок подключения термокос произвольный. Контроллер самостоятельно определяет конфигурацию системы и проводит сканирование каналов для обнаружения подключения/ отключения термокос с интервалом 5 секунд. Связь между СТМ ПО и компьютером обеспечивается путем подключения к нему БРИЗ при помощи кабеля интерфейсного USB.

На рис. 4 представлен один из графиков вывода информации об измеряемой температуре грунтов на персональный компьютер. Это позволяет в реальном времени отслеживать малейшие изменения температуры и сигнализировать, если ее величина превысила допустимую норму.

В октябре 2012 г нами, совместно со специалистами Тындинской мерзлотной станции Центра ИССО ОАО РЖД, было организовано испытание трех комплектов автономного варианта системы мониторинга температуры грунтов на участке земляного полотна «Км 2339» перегона Курьян - Тында. Температурный геомониторинг на этом участке был начат Тындинской мерзлотной станцией еще в 1991 г., сразу после строительства охлаждающей скальной конструкции. Наблюдения за температурой грунтов проводятся сотрудниками станции обычной термокосой с периодичностью два раза в год на моменты максимального оттаивания (осень) и максимального промерзания (весна).

В октябре 2012 г. в геотермические скважины на данном участке (№ 6 - 9) нами были установлены логгеры ЛЦД-1/100 и термокосы МЦДТ 0922. Скважина № 6 расположена на правой бровке насыпи со скальной конструкцией на откосе (рис. 5), скважина № 9 находится в ненарушенных условиях. Периодичность измерений температуры грунтов логгерами - четыре раза в сутки.

Анализ работы логгеров за годовой цикл наблюдений показал высокую точность и надежность приборов. За год не было зафиксировано ни одного сбоя. Сравнение температуры грунтов, измеренной термокосами Тындинской мерзлотной станции в 2011 г. и логгерами ЛЦД-1/100 с термокосами МЦДТ 0922 в 2012 г., на отметках ниже глубины нулевых годовых колебаний температуры показало сходимость результатов в пределах погрешности измерений (таблица).

За год падение напряжения литиевого элемента питания составило 0.1 В. Если подобная скорость разрядки элемента питания сохранится, то срок автономной работы без замены батареи составит не менее 8 лет. Были исключены возникшие ошибки измерений, обусловленные

кабель питания кабель USB

скцд-б/гоо

Рис. 3. Схема реализации системы СТМ ПО

Дата _

20:03:11 20:03:11 20:03:11 20:03:11 20:03:11 20:03:11 "И

файл Команды Настройки Гр(

ф s s иь # а м - % ^ | я

Тип прибора: СКЦД-6

Диапазон температур: -60...+6 Подключено датчиков: 96 Макс, кол-во датчиков: 200 Заводской номер: 0002 Версия прошивки: 2.0 Интерфейс: Мосй?и$

V тли  ✓ П1)1.1|.

[210.2м И ✓ (12)1.2г.

✓ [3103м I I V» (13)1.а.

* [4) 04м U ✓ (14)1.4t.

У (5) 0.5м  (15)1.5.

[610 6м  (16) Ш

* [710.7м U (17)1-71«

[810 6м I ✓ (18)1.8*

V- (9) 09м 11 (19)1.9i.

(1011м U ✓ (20) 2м

0МО

ш

Е Все линии ПАвтоЗум [Г * 0 Слежение 80 Точки

IS I S 0

011-20

В

Цвет Фона Цвет сетки

Х=20.03,2011 23:14:40 У=26.497

Соединение установлено Сот5 Пакетов/точек: 1/96

I

Рис. 4. Гррафик вывода информации об измеряемой температуре грунтов на персональный компьютер

Охлаждающая конструкция низкого качества

wgm

Щшт»

^^ШЩШШШШ

Рис. 5. Погружение логгера и термокосы в скважину № 6

Сравнение данных о температуре грунтов в скважине № 6, измеренной вручную обычной термокосой и комплектом оборудования ОАО НПП «Эталон»

Глубина от поверхности земли, м Температура грунтов в скв. № 6, о С Разница температур, 0 С

Измерение обычной термокосой

1 0,8 -1,0 1,8

2 2,1 2,0 0,1

3 0,5 1,2 -0,7

4 -0,2 -0,3 0,1

5 -0,7 -1,0 0,3

6 -1,1 -1,3 0,2

7 -1,3 -1,6 0,3

8 -1,6 -1,8 0,2

9 -1,7 -1,8 0,1

10 -1,7 -1,9 0,2

11 -1,8 -1,9 0,1

12 -1,9 -1,9 0,0

13 -1,9 -1,9 0,0

14 -1,9 -1,8 -0,1

Глубина сезонного оттаивания грунтов 3,8 м

Нулевые годовые колебания температуры грунтов

человеческим фактором (опускание термокосы на разную глубину в различные годы, «недовыстой-ка» температурного датчика и т.д.).

Непрерывные измерения лог-гера в связке с термокосой в течение годового цикла дали следующую качественно новую информацию о температурном режиме грунтов земляного полотна:

- уточнена фактическая глубина зоны нулевых годовых колебаний температур (таблица), которая в скважине № 6 составила 13 м;

- в скважине № 7 значения температуры грунтов, равные 0° С, держались в течение четырех декад, что обусловлено фазовыми переходами воды в лед и обратно (нулевая завеса) и свидетельствует о наличии водоносного слоя грунтов (рис. 6);

- выявлено отставание экстремумов температурных волн нижних горизонтов от верхних слоев (см. рис. 6);

«Т 1лато» 0 С на га} /бине 3 N обусловлет

Ф швым и перехода ми воды в лед и обратно

/ <>• / У

ч —  - . - -Л- _ . _

V N ч - / ✓

ч \ V -- ~Г У

\

а 9 Я <ч Я го 1 Я ГО я го го <4 я го я го гЧ я я я я го <4

сд гЗ сд я гд од гЗ ° гм од од ° я гм

о гН гН гН гм гН о о гм О ГО о ГО о 3 1Л о иЧ О иэ о о к о § 8 а о гН гН гН д

1Л 1Л О 1Л ГЧ 1Л гН 1Л о 1Л 1Л тН 1Л О 1Л гм 1Л тЧ 8 1Л Гч| и") 1Л о 1_П гм 1Л гН 1Л о гЗ 1Л тН 1Л о и") гм

—*— 1м; --3 м; —  - б м; -13 м

Рис. 6. Изменение во времени температуры грунтов на различных глубинах в скв. № 7 с 15.10.2012 по 25.11.2013 гг.

Прогиб эпюры свидетельствует о фильтрации воды через тело насыпи

- стало возможным вычислять среднюю годовую температуру грунтов на разной глубине (рис. 7), что позволяет определить эффективность использования любых охлаждающих мероприятий;

- анализ полученных данных показал, что в геотермической скважине № 8 температура грунтов понижается.

В скважине № 6 средняя годовая температура поверхности охлаждающей скальной конструкции составляет -1,4° С, тогда как расчетная температура поверхности равняется -2,9° С, что свидетельствует о низком качестве охлаждающей конструкции. Прогиб эпюры средней годовой температуры грунтов в этой скважине на глубине 3 м свидетельствует о фильтрации воды через тело насыпи небольшой интенсивности.

По результатам проведенного температурного мониторинга можно сделать выводы о том, что несмотря на снижение эффективности охлаждающей скальной конструкции на 50% и фильтрацию воды через тело насыпи, оттаивания земляного основания на этом отрезке насыпи не происходит (рис. 8). Для предотвращения деформаций насыпи необходимо построить гидроизолированную канаву с левой стороны полотна от водораздела до ИССО, достроить охлаждающие скальные конструкции на примыкающих нестабильных участках пути.

В перспективе сотрудники Тын-динской мерзлотной станции Центра ИССО планируют использовать информацию с логгеров ЛЦД-1/100 и термокос МЦДТ 0922 для последующей оценки динамики изменения средней годовой температуры грунтов, с целью прогноза изменения температурного режима оснований железнодорожного полотна и других инженерных сооружений, оценки эффективности охлаждающих мероприятий, корректировки исходных данных для повышения точности теплотехнических расчетов и прогнозов.

В заключение следует указать на необходимость разработки методов математической обработки качественно новой геотермической информации, получаемой с помощью логгеров, что в перспективе позволит выявить новые закономерности в формировании и динамике термического режима грунтов криолитозоны как на нарушенных, так и естественных участках.

ю

Скальная конструкция

2 °С

Рис. 7. Эпюры средней годовой температуры грунтов, построенные по данным непрерывных измерений комплектом оборудования ОАО НПП «Эталон»

.МЛк и Ш,

Построена охлаждающая скальная конструкция, путь в стабильном состоянии

к&я

Нет охлаждающей конструкции, путь в нестабильном состоянии

--„¿ВЯЛ

Рис. 8. Состояние основной площадки на км 2338-2339

Список литературы

1. Попов, А. П. К вопросу о типовых технических решениях по основаниям и фундаментам для криолитозоны / А. П. Попов [и др.] // Инженерная геология. -2008. - Сентябрь. - С. 22-38.

2. Павлов, А. В. Мелкомасштабное картографирование трендов современных изменений температуры грунтов на севере России / А. В. Павлов, Г. В. Малкова // Криосфера Земли. - 2009. - Т. XIII, № 4. - С. 32-39.