НАДЗЕМНЫЙ ТРУБОПРОВОД, ПРОЛОЖЕННЫЙ ВДОЛЬ ОПОЛЗНЕВОГО СКЛОНА Российский патент 1997 года по МПК F16L1/24 

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и может применяться при строительстве трубопроводов на склонах, подверженных оползням.

Известен способ прокладки трубопровода при продольном оползне (см. П.П. Бородавкин. "Подземные магистральные трубопроводы". М. Недра, 1982, стр. 101-108), заключающийся в копании траншеи, укладке в нее трубопровода и последующей засыпке траншеи.

Однако известный способ имеет существенные недостатки, такие как высокая стоимость трубопровода, что связано с большим объемом земляных работ и с необходимостью использовать трубы большого поперечного сечения для восприятия усилий от движущегося во время оползня грунта, вероятность увеличения подвижек которого обусловлена следующими причинами:
1) при рытье траншеи нарушается целостность грунтового массива, составляющего оползневой склон, из-за чего еще во время строительства могут возникнуть подвижки грунта;
2) грунт обратной засыпки траншеи оказывается более рыхлым, чем на соседних участках, в результате чего в нем происходит более интенсивное накопление влаги, а следовательно, снижается общая устойчивость грунта и, как следствие, возрастает вероятность оползней, что создает, помимо прочего, проблемы с охраной окружающей среды из-за активизации оползней.

Известен надземный трубопровод, применяемый при переходе через препятствия или перекрытии больших пролетов (см. И.П.Петров, В.В. Спиридонов. Надземная прокладка трубопроводов. М. Недра, 1964, стр. 353-386, содержащий трехсвязные опоры, установленные по краям препятствия и закрепленную к ним трубу по принципу "висячая нить".

Однако известный трубопровод имеет такие существенные недостатки, как высокая стоимость, обусловленная следующими причинами:
1) необходимость устройства высоких опор (наличия глубокого препятствия), к которым крепится подвешиваемая труба, для обеспечения стрелок провисания, при которых растягивающие усилия в трубопроводе будут наименьшими;
2) при перекрытии больших пролетов опоры получаются сильно нагруженными и для предотвращения потери несущей способности их приходится отодвигать на значительные расстояния от краев препятствия, из-за чего расчетные пролеты "висячей нити" еще более увеличиваются;
3) помимо этого, данному типу трубопроводов присуща недостаточная надежность при развивающемся оползне, так как расположенная сверху склона опора с течением времени может оказаться в истоке оползня и, при потере ею устойчивости, произойдет разрушение всего данного участка.

Известен надземный трубопровод, принятый за прототип (см. М.И.Казакевич, А. Е. Любин. Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов. Киев. Будивельник, 1980, стр. 15-17), содержащий опоры и уложенные на них трубы с членением трассы трубопровода на температурные блоки, внутри которых происходит замыкание температурных деформаций за счет установки компенсаторов или самокомпенсации. По краям температурного блока здесь, как правило, ставятся трехсвязные опоры, а внутри блока одно- и двухсвязные.

По сравнению с предыдущим, данный трубопровод имеет относительно низкую стоимость, однако ему присущ такой существенный недостаток, как невысокая эксплуатационная надежность при прохождении по оползневым участкам склонов. Это связано с тем, что параметры трубы подбираются исходя из требуемой пропускной способности и неизменного расстояния между опорами. Для каждого данного диаметра и типа трубы существует предельное расстояние между опорами, при превышении которого несущая способность трубы будет исчерпана. Так, что при выходе из строя нескольких или даже одной из опор, при оползневых подвижках трубопровод может выйти из строя. Для того чтобы этого не произошло, при данной конструктивной схеме, с целью преодоления оползневых участков следует использовать трубы из высокопрочных марок стали или увеличивать сечение трубы с тем, чтобы ее несущая способность была достаточна при больших расстояниях между опорами, находящимися в безопасности, то есть на неоползневых участках склона. Так как протяженность оползневых участков в отдельных случаях может превышать несколько сотен метров, то становится очевидной при данной схеме бесперспективность увеличения диаметра трубы или изменения марки стали.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно повышение надежности надземного трубопровода, проложенного вдоль оползневого склона, при сохранении его невысокой стоимости.

Указанная задача решается за счет того, что надземный трубопровод, проложенный вдоль оползневого склона, содержащий установленные на устойчивых участках выше и ниже оползнеопасной части склона трехсвязные опоры, одно и двухсвязные опоры, установленные по оползневому склону, трубы уложенные на них, компенсатор для восприятия температурных деформаций, расположенный на устойчивом участке ниже оползнеопасного склона, односвязные опоры, выполненные седлообразными и установленные в характерных местах оползневого склона, как- то: отрыва и ожидаемого выпучивания оползневого потока, а также в точках вероятного соприкосновения трубы с оползневым участком склона, а жесткостные характеристики трубы, укладываемой на оползневом участке, принимаются для любого из моментов расчетного срока службы трубопровода в зависимости от максимального расстояния L между двумя соседними седлообразными опорами для любой из частей оползнеопасного склона, которые определяются следующим соотношением:

где l_i длина поверхности скольжения i-го вертикального элемента, на которые разбит грунтовый массив оползневого участка;
α_i угол наклона данного i-го элемента к горизонту;
K_i, K₂ поправочные коэффициенты, зависящие от крутизны склона и типов оползней, возможных на данном участке в расчетный период времени; 0,8≅ K₁≅ 2; 0,8 ≅ K₂≅ 2;
q равномерно распределенная по длине трубы нагрузка;
E модуль упругости материала трубы;
J момент инерции поперечного сечения трубы;
f_i стрелка провисания трубы над оползневым участком;
H_j распорное усилие в трубе на провисшем участке.

На фиг. 1 показан общий вид надземного трубопровода, проложенного вдоль оползневого склона; на фиг. 2 показан общий вид надземного трубопровода после оползня, который произошел на одном из участков склона; на фиг. 3 дана схема участка оползневого склона, а на фиг. 4 изображена схема односвязной седлообразной опоры.

Надземный трубопровод содержит трубу 1, закрепленную на трехсвязных опорах 2, установленных на устойчивых участках склона, имеющего угол наклона β к горизонту. Односвязные опоры 3 установлены на склоне с некоторым шагом L. Компенсатор 4 установлен внизу склона на устойчивом участке на двухсвязных опорах 5. Для предотвращения истирания об опору 3 к трубе 1 крепятся защитные элементы 6, выполненные, например, из металлического проката.

Надземный трубопровод вдоль оползневого склона покладывается следующим образом. Намечается участок оползневого склона, по которому предполагается осуществить спуск трубопровода. Производится соответствующее инженерно-геологическое и топографическое исследование склона. Выполняется расчетная часть, в ходе которой определяются наиболее вероятные, имеющие углы наклона a_i к горизонту поверхности скольжения оползней, вычисляются известными автору методами поправочные коэффициенты K₁ и K₂ назначаются параметры трубы 1, компенсатора 4, шаги опор 3 и их конструкция. Вычисления производятся на условия обеспечения работы трубопровода в течение расчетного времени. Сверху и снизу оползнеопасного участка выполняются трехсвязные опоры 2, а на оползневом участке односвязные седловидные опоры 3. При этом седловидные опоры выполняются с фундаментами мелкого заложения, чтобы наименьшим образом изменить структуру склона и не спровоцировать активизацию оползневых процессов. В качестве защитных элементов 6 может быть использован металлопрокат с тех сторон, где возможно соприкосновение трубы с опорами. Производится укладка трубы 1 на односвязные опоры 3 с ее закреплением на трехсвязных 2 и двухсвязных 5 опорах. Внизу на устойчивом участке склона выполняется компенсирующее устройство 4.

Оползнеопасный склон имеет несколько поверхностей скольжения оползней. При расчете выбирается самая невыгодная поверхность скольжения, а тело оползня разбивается на i участков, со своими углами наклона α_i к горизонту.

После определения величины возможного пролета по первой части вышеприведенной формулы подбираются жесткостные характеристики для трубы согласно второй части формулы. Для этого, задавшись какой-либо величиной стрелки провисания трубы, которая может иметь место, моментом инерции 1 и модулем упругости E материала трубы определяется пролет L, при котором будет сохранена несущая способность трубы при известном распоре H и внутреннем давлении в трубе. Данную процедуру затем повторяют при других значениях F_i+1 стрелки провисания. В случае, если несущая способность окажется недостаточной, принимаются иные жесткостные характеристики (момент инерции 1 и модуль упругости материала Е) до тех пор, пока условие прочности не будет удовлетворено.

Трубопровод на данном участке работает следующим образом. Седлообразные опоры 3, имеющие широкие мелкозаглубленные фундаменты, обладают высокой устойчивостью. Располагаясь в характерных местах оползня, они обеспечивают соответствующий пролет трубе 1. Деформации трубы 1, вызванные оползневыми подвижками грунта, воспринимаются компенсатором 4, не вызывая чрезмерных напряжений в трубе 1. Седлообразность верхней части односвязной опоры 3 обеспечивает расположение трубы 1 на ней при значительных боковых кренах. Защитные элементы 6 прикрепляются к трубе таким образом, что при любых кренах фундамента не допускают контакта трубы 1 с телом опоры 3. Размеры седла подбираются таким образом, что труба 1 не соскакивает с опоры 3 при оползневых подвижках грунта под ней, вызывающих повороты фундамента.

Таким образом, по сравнению с известным, предложенный трубопровод требует гораздо меньше затрат при строительстве, обладает высокой надежностью в эксплуатации, а за счет малого объема земляных работ и минимально возможного изменения структуры оползневого склона решаются еще и вопросы по охране окружающей среды.

Использование: строительство надземных трубопроводов на оползневых склонах. Сущность изобретения: трубопровод укладывают на трехсвязные опоры на устойчивых участках выше и ниже оползнеопасного склона, а на последнем - на одно - и двухсвязные опоры. Компенсатор располагают ниже оползнеопасного склона. Дана математическая зависимость жесткостных характеристик трубы и наибольшего расстояния между соседними опорами для любой из частей оползневого склона. 4 ил.

Надземный трубопровод, проложенный вдоль оползневого склона, содержащий установленные на устойчивых участках выше и ниже оползнеопасной части склона трехсвязные опоры, установленные по оползнеопасному склону одно-и двухсвязные опоры, уложенные на них трубы, расположенный на устойчивом участке ниже оползнеопасного склона компенсатор для восприятия температурных деформаций, отличающийся тем, что односвязные опоры выполнены седлообразными и установлены в характерных местах оползневого склона: отрыва оползневого потока и ожидаемого выпучивания, а также в точках вероятного соприкосновения трубы с оползневым участком склона, а жесткостные характеристики трубы, укладываемой на оползневом участке, принимаются для любого из моментов расчетного срока службы трубопровода в зависимости от максимального расстояния L между двумя соседними седлообразными опорами для любой из частей оползнеопасного склона, которые определяются следующим соотношением:

где l_i длина поверхности скольжения i-го вертикального элемента, на которые разбит грунтовой массив оползневого участка;
α_i - угол наклона данного i-го элемента к горизонту;
К₁, К₂ поправочные коэффициенты, зависящие от крутизны склона и типов оползней, возможных на данном участке в расчетный период времени, 0,8 ≅ К₁ ≅ 2; 0,8 ≅ К₂ ≅ 2;
q равномерно распределенная по длине трубы нагрузка;
Е модуль упругости материала трубы;
J момент инерции поперечного сечения трубы;
f_i стрелка провисания трубы на оползневом участке;
H_j распорное усилие в трубе на провисшем участке.