Русловые деформации в местах подводных переходов магистральных трубопроводов, геодезические методы их определения и прогнозирование для обеспечения экологической безопасности природной среды

Необходимо подчеркнуть, что при заданной доминантной частоте / , совпадение ее с антирезонансной частотой длинной гидравлической линии можно достичь выбором глубины скважины в пределах 100-200 м в соответствии с выражением (10).

Таким образом, проведенное исследование показывает, что при глубинах специально подготовленных обсаженных скважин в пределах 100-200 м имеется принципиальная возможность создания гидравлического пульсатора с расходом насоса не более 150 л/мин. для передачи перепада давления 10-15 МПа до забойной зоны скважины на доминантных частотах нефтяного пласта. Линия контакта жидкости с грунтом в этом случае работает как заглубленный источник сейсмических волн, по эффективности соизмеримый с мощным поверхностным источником.

Библиографический список

1. Николаев A.B. и др. Вибропросвечивание Земли./Деп. в ВИНИТИ, №2549-74.

2. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмо-систем. М.: Машиностроение, 1987.

3. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М,: Машиностроение, 1982 г.

4. Новые технологии и комплексные геофизические методы изучения внутренней структуры и динамики геосфер. Вибрационные технологии. — М.: Региональная общественная организация ученых по проблемам прикладной геофизики, 2002 г.

5. Симонов Б.Ф. и др. Технология вибросейсмического воздействия с земной поверхности для повышения нефтеотдачи пластов. — Нефт. хоэ-во, 1998, №4.

6. Курленя М.В. и др. Об эффективности вибросейсмического воздействия на нефтепродуктивные пласты с дневной поверхности. - ФТПРПИ, 1999, №2.

7. ЧичининИ.С.Вибрационноеизлучениесейсмическихволн. -М: Недра, 1984 г.

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления» (ОТМиАУ). СОРОКИН Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ОТМиАУ. КОРНЕЕВ Владимир Сергеевич, аспирант кафедры ОТМиАУ.

уДк"8 48 Е. О. ХЛЫНЦЕВА

Омский государственный аграрный университет

РУСЛОВЫЕ ДЕФОРМАЦИИ В МЕСТАХ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ_

В статье рассматриваются вопросы: влияние деформаций русла реки на экологическую безопасность подводных переходов магистральных трубопроводов, геодезические методы определения русловой деформации, прогнозирование деформаций русла по результатам геодезических съемок разных лет.

На подводных переходах магистральных трубопроводов имеется опасность возникновения аварий. Причины аварий на трубопроводах подробно рассмотрены в работе [9].

Вопрос надежности и экологической безопасности функционирования трубопроводов в последние десятилетия широко обсуждается. Дефицит средств на своевременное проведение обследования текущих изменений (мониторинг) трубопроводных систем, ремонта, отсутствие программы прогнозирования деформаций их состояния и окружающей среды приводит к непредсказуемым последствиям.

Русловые деформации являются объектом многочисленных научных исследований. На протяжении всех рек располагаются города, поселки, которые имеют гидротехнические и другие капитальные сооружения. Река по своему назначению является уникальным и далеко не безопасным природным объектом. Реки - это не каналы, они никогда не текут строго прямолинейно.

На территории Западной Сибири преобладает спокойный рельеф, поэтому реки меандрируют. Необходимо знать направление и возможные деформации речного русла. Все гидротехнические и другие

а) б) в) г)

Рис. 1. Основные формы движения наносов на реках Западном Сибири: а - ленточные гряды; б - побочни; в - основные элементы гряды: 1 - лобовой откос; 2 - низовой откос; 3 - гребень; 4 - подвалье; 5 - высота гряды; 6 - длина гряды;

г -схема перемещения наносов.

сооружения, находящиеся вблизи рек, подвергаются опасности оголения или затопления. Подводные переходы магистральных трубопроводов являются гидротехническими сооружениями. Существует вероятность их разрушения вследствие деформации русла реки, поэтому требуются проведение систематического мониторинга состояния русла, анализ результатов происходящих деформаций и их прогнозирование.

Русловые деформации подразделяют на вертикальные (высотные) и горизонтальные (плановые). Первые связаны с изменением продольного профиля русла реки, сопровождаются повышением или понижением участков дна и являются следствием процессов автоматического выравнивания трансформирующей способности потока. Существует ряд причин развития вертикальных деформаций в естественных условиях:

— изменение уровней водоприемных бассейнов (колебания базисов эрозии),

— тектонические движения, климатические изменения и др.

Вертикальную деформацию вызывают антропогенные факторы: регуляция стока, вмешательство в русловой процесс при строительстве объекта в русле, дноуглубительные работы, добыча песка для строительных нужд. Развитие деформаций русла при перечисленных условиях непредсказуемо.

Горизонтальные деформации обусловлены, в первую очередь, боковой эрозией и проявляются в плане (блуждание речного русла по дну долины).

В своем развитии русловые деформации не свободны. Их ограничивает общий перепад уровней водной пове рхности от верховьев реки до основного базиса эрозии - уровня моря, озера и др. водоемов.

Подразделение деформации русла на горизонтальную и вертикальную достаточно условно, так как те и другие — следствие влияния множества факторов, таких как транспортирующая способность потока, его насыщенность наносами, гидравлические характеристики и др. В случае усиления роли одного из них возможно как синхронное проявление обоих видов деформации, так и кратковременные их чередования. Так, с уменьшением насыщенности потока наносами или возрастанием уклона водотока, в большей степени проявляется глубинная эрозия. Увеличение количества наносов или уменьшение уклонов сопровождаются аккумуляцией наносов. При размыве податливых эрозии отложений, интенсивность глубинной эрозии возрастает при одновременном увеличении горизонтальных смещений русла. При развитии глубинной эрозии чаще формируются неразвет-вленные русла, а также врезанные или адаптированные излучины. Процесс аккумуляции нередко сопровождается блужданием, разветвлением русла на рукава и переформированиями существующих излучин.

На меандрирующих реках размываются вогнутые и намываются выпуклые берега излучин. Ско-

рость размыва берегов и блужданий русел зависит от прочности горных пород, слагающих дно водотока. В таких породах, легко поддающихся размыву, как пескок, супеси, галечники, русловые деформации протекают свободно - им ничто не препятствует, поэтому берега крупных рек могут размываться со скоростью 5-15 м/годили еще быстрее. Скорости размыва берегов на малых реках не превышают 5 м/год. На реках, протекающих в трудноразмываемых породах, независимо от их размеров скорости размыва берегов резко снижаются. Например, в глинах они падают до 1-2 м/год, в известняках, доломитах, гранитах - до нескольких сантиметров в год и менее.

К горизонтальным деформациям рек Западной Сибири относятся переформирования перекатов -крупных гряд денных наносов, пересекающих русло от берегадо берега. Известно, что наносы, движимые водным потоком, смещаются вниз по течению в виде песчаных или галечных гряд (рис. 1а) с пологим верховым и крутым низовым откосом, который называется подвальем (рис. 1в). Каждая такая гряда пересекает реку не по нормали к ее оси, а в виде языка, максимально продвинутого вниз по течению неподалеку оттого берега, где во время половодья располагается стрежень потока с самыми большими скоростями течения. Здесь же находится самая высокая часть гряды, которая называется побочнем переката (прирусловой отмелью) (рис. 16). На реках, перегруженных наносами, возвышения на грядах случаются и в середине русла - они называются осередками. Гряды сальтируют (скользят) по размываемому склону гряды и отлагаются на противоположном склоне, осуществляя движение гряды (рис. 1г). Скорость смещения гряд перекатов на крупных реках составляет 20 — 300 м/год, на малых реках гряды могут быть неподвижными — наносы проскакивают через них, сохраняя их форму.

При гидравлических расчетах используются следующие морфометрические характеристики поперечного сечения русла реки [3, 4, 7, 8]: площадь живого сечения ш(м'!); ширина живого сечения В (м); средняя глубина Л (м); наибольшая глубина Лт1Ц (м), выбранная из всех измеренных глубин; смоченный периметр Р (м) — длина подводного контура живого сечения реки; гидравлический радиус Л(м) отношение площади живого сечения к длине смоченного периметра; шероховатость русла — замедляет течение воды; абсолютная шероховатость р'- возвышение неровности над средней плановой кривой дна; относительная шероховатость р' отношение абсолютной шероховатости к средней глубине потока; форма поверхности воды в поперечном сечении может быть горизонтальной, наклонной (выпуклой, вогнутой); расход воды - количество (объем) воды, протекающее в единицу времени через поперечное сечение потока О (м7с). Определение большинства перечисленных характеристик связано с геодезическими методами. Необходимо обеспечить достоверность их опреде

ления, которая зависит от качества геодезических данных, поэтому нельзя пренебрегать точностью геодезических работ, влияющих на точность прогноза русловых переформирований.

Анализ деформации производится по результатам русловых съемок разных лет. Необходимо учитывать и сезонные деформации русла. При проектировании, строительстве, эксплуатации и ремонте гидротехнических сооружений должно проводиться тщательное исследование деформации русла. Выбор методики для определения деформаций зависит от многих параметров. Качество анализа зачастую зависит не от технологии определения, а от точности и достоверности исходных материалов. Существует несколько методик определения русловой деформации.

Буденков H.A. [2] предлагает для количественной оценки деформаций применять следующие способы:

— определение деформаций по совмещенным планам участка реки съемки разных лет, составленных в одной системе координат, используя координатную сетку для совмещения планов;

— определение деформаций по поперечным профилям русла. Этот способ наглядно представляет величину деформаций на каждом поперечнике, однако, при числе циклов наблюдений более двух — наглядность деформаций на профиле затрудняется;

— определение изменений формы подводного рельефа по «схеме деформаций русла», представляющей собой план размывов й намывов русла. Такая схема сопоставляется для характеристики деформаций за период между двумя циклами наблюдений.

Следует учесть, что перечисленные способы не дают общего представления о характере деформации в пределах всего исследуемого участка реки,

В работе [2] предлагается устанавливать характеристику высотных деформаций русла по статистическим данным промеров глубин в следующем порядке. Принимается, что на объекте изучения деформаций проведено к циклов промеров глубин по одним и тем же поперечным профилям и промерным точкам, равноотстоящим одна от другой. Каждой измеренной глубине Н присваивается трехзначный индекс ijs, где / - номер промерной точки (/=1,2... n),j- номер промерного галса (/=1,2... m), s - номер цикла промеров (s= 1,2 ...к).

Деформация русла налюбом поперечном сечении в период между двумя первым и каждым последующим циклом наблюдений определяется по формуле:

а средняя величина общей деформации определяется по формуле :

Надежность определения величин Л>( и hs характеризуют уклонения:

Степень разброса глубины в каждой фиксированной точке за период между двумя (первым и любым последующим) циклами наблюдений определяется по среднеквадратическим уклонениям:

1 i

Ml =---

""s k

к 1

K S=1

гдевформулах(1)-(6) л — количество промерных точек на профиле, т — количество профилей, А — количество циклов промеров.

На достоверность определения вертикальной деформации непосредственно влияет точность определения положения промерных точек. Результаты исследований можно представить в виде таблицы либо в графической форме.

При определении высотной деформации русла реки имеются свои трудности:

— съемка ведется под водой;

— рельеф при съемке визуально не наблюдается. Полностью отследить характер рельефа между гал-совым расстоянием невозможно, поэтому промерные точки не являются характерными;

— работы осложняются из-за движения водотока.

В исследованиях [5] рассмотрены методы определения количественных характеристик плановых деформаций по данным русловых съемок разных циклов:

1) способ восстановления прежнего положения речного русла по дешифровочным признакам аэроснимков;

2) способ сопоставления планов и карт разных лет съемки;

3) способ натурных исследований;

4) способ расчета смещения бровки вогнутого берега;

5) способ разности площадей;

6) графоаналитический способ.

Пятый и шестой способы были разработаны на кафедре геодезии ОмГАУ [6].

В последнее время в результате бурного развития компьютерных технологий и программного обеспечения на производстве широко применяются планы, представленные в электронном виде. Количественные характеристики деформаций русел можно получить в автоматическом режиме, если имеются два или более электронных плана исследуемого участка (желательно, чтобы эти планы были составлены в одной координатной системе). При перечисленных условиях удобен в применении второй способ - сопоставления планов. Где плановая деформация определяется по отклонениям одноименных контуров (бровки берега). Согласно [5, 6]:

V.

м/год

nt

где I - отклонения, измеренные на совмещенных планах, зависящие от точности исходных материалов; К — коэффициент деформации исследуемых планов; п — число измеренных отклонений; / — временной интервал (лет) между съемками.

m

+ mf2 + ml3Mi

Ml=-

1

пт(п-ljtT н

tl [fH„5-H„J-hs]

тп, ш,г - точность исходного картографического ма-(4) териала(0,4мм).

ттл - точность измерения отрезков на плане (0,08 мм).

ф Rp2

Рис. 2. Способ разности площадей.

По приведенным значениям, получим яг,« 0,57 мм в масштабе плана.

При определении плановой деформации русла по пятому способу разности площадей (рис. 2).

V.

лг/год

Р-Р iL

где Ук/гщ - величина плановой русловой деформации, ^, Р2 - площади сравниваемых участков плана, образованные между бровкой и линией базиса; Ь - средняя длина бровки между перпендикулярами.

L  т:„ + ДР  т.

t -L

тср - средняя точность исходных картографических материалов,

др - разность площадей,

гпуср« 0,55 мм в масштабе плана [6].

В графоаналитическом способе средняя годовая скорость смещения деформации бровки рассчитывается по формуле:

V,.

nt

Tit

где /,, I' - длины одноименных перпендикуляров от базиса до бровки берега; М,,М,' - знаменатели масштабов планов; п — количество перпендикуляров; < - количество лет между съемками; К, К' - коэффициенты деформации основы.

Пренебрегая влиянием деформации исходных планов, получим:

т-t

1 М'2 + М'2

Вышеперечисленные способы эффективно применять при сопоставлении цифровых планов, где определение деформации облегчается в том случае, если программный комплекс содержит в себе встроенные формулы по определению расстояния и площади выбранных объектов.

Прогнозирование переформирований русла является одной из сложнейших задач гидрологии. Прогнозы русловых деформаций разрабатываются на основе познания условий и закономерностей формирования русла рек. Инженерные расчеты являются обоснованными только тогда, когда учитывают направленность развития русла, его изменения под влиянием различных условий. Учет естественных процессов формирования русла при проектировании, строительстве, ремонте подводных переходов магистральных трубопроводов отражает главный принцип рационального использования природных ресурсов.

Прогноз русловых переформирований должен включать в себя (11:

— определение направленности темпов и продолжительности блуждания русла, оценку роли различных факторов, способствующих изменениям продолжительности отдельных циклов и характера местных деформаций;

— выявление связи русловых деформаций и форм русла с основными факторами: руслоформирующи-ми расходами, устойчивостью русла, строением и режимом поймы, морфологией долины, формой и строением коренных берегов;

— обоснование соответствия между изменениями русла в плане и режимом глубины на всем участке и в пределах отдельных форм рельефа;

— выявление многолетних, годовых и сезонных деформаций, взаимосвязей между ними и факторов, их вызывающих.

Основой для прогнозирования русловых переформирований могут являться разновременные планы русла и поймы. По данным материалам отслеживаются темпы и объемы размыва и наращивание берегов, смещения излучин, гряд, побочней, перекатов и др. Следует отметить, что методы прогнозирования требуют усовершенствования.

Выявление периодичности каких-либо процессов — одна из важных задач прогнозирования. Периодичность руслоформирующих процессов связана с тем, что формы наносов, слагающих дно реки, обладают разными размерами, различной подвижностью и крупностью аллювия, локальными гидравлическими характеристиками потока, грунты обладают различной фильтрацией и т. п.

Каждый инженерный проект не должен обходиться без детального изучения и прогнозирования русловой деформации участка реки на основе данных геодезического мониторинга.

Библиографический список

1. Эрозионные процессы (Географическая наука — практике) (подредакциейМаквееваН.Н.ЧаловаР.С.) — М.:Мысль. - 1984. -255 с.

2. Буденков H.A., Ганьшин В.Н. Геодезические работы при речныхи озерных изысканиях. М,: Недра. - 1979. - 160 стр.

3. РД «Инструкция по обследованию технического состояния подводных переходов магистральных нефтепроводов. РД — 39 — 30 - 1060 - 84. - 68 с.»

4. Гидрология суши. Соломенцев H.A.,Львов А.М.,Симеренко С.Л., Чекмарев В.А. — Л.: Гидрография. - 1976. - 431 с.

5. О достоверности определения деформаций русел методом составления топографических планов, представленных в электронном виде. Уваров А.И., Бадера В.В., Васяева E.H., Дычко Г.Б. // Сборник научных трудов. Землеустроительные ресурсы Сибири: изучение, управление, реформирование. — Омск: Изд-воОмГАУ -2002. - 198 - 203 с.

6. Бадера В.В., Левицкий В.А., Хлынцев Ю.В. Способ определения плановых смещений речного русла.// Геодезияи картография М, 1985.

7. Ржаницын H.A. Руслоформиругощие процессы рек. - Д.: Гидрометиздат, 1985 г. -263 с.

8. БарышниковН.Б. Руководствоклабораторнымработампо динамике русловых потоков и русловым процессам. Д.: Гидрометиздат, 1991 г. - 224 с.

9. Уваров А.И,, Васяева E.H., ХлынцеваЕ.О. Экологическая безопасность функционирования и геодезический мониторинг состояния подводных переходов магистральных нефтегазопроводов через реки Западной Сибири. - Омск. Изд-во ОмГТУ, 2004. -Вып. 28.  С. 67 - 71.

ХЛЫНЦЕВА Елена Олеговна, старший преподаватель кафедры геодезии.