СПОСОБ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА НА БОЛОТЕ Российский патент 2004 года по МПК F16L1/28 

Изобретение относится к области строительства магистральных газо-нефте-продуктопроводов на глубоких болотах с неравномерной толщиной торфяного слоя.

Известен способ балластировки и закрепления трубопровода в траншее при прокладке его в обводняемых грунтах с применением железобетонных утяжелителей [1]. Недостатки способа состоят в следующем:

- установка железобетонных утяжелителей требует образования траншеи и водоотлива на месте установки, что практически сложно выполнить при большой протяженности болота;

- проектная пригрузка вызывает неравномерное заглубление трубопровода в обводненный торф по причине его переменной толщины, что способствует развитию изгибающих моментов, снижающих надежность эксплуатации трубопровода;

- жесткие и тяжелые железобетонные блоки создают локальные нагрузки на стенки трубы, вызывают в ней местные напряжения, также снижающие надежность эксплуатации;

- применение железобетонных утяжелителей связано с повышенными материальными и транспортными затратами и, как показывает практика эксплуатации, эти затраты не всегда оправданы по причине низкого качества утяжелителей.

В качестве прототипа к заявляемому изобретению выбран способ обваловки трубопровода геотекстильными оболочками с грунтом [2]. По прототипу на трубопроводе раскладывают полотна геотекстиля, создают обваловку минеральным грунтом, грунт уплотняют, перекрывают его верхним полотном геотекстиля, соединяют верхнее полотно с нижним, выполняют обсыпку полотна минеральным грунтом.

Недостатки способа по прототипу следующие:

- размеры насыпи не связаны с глубиной болота и поэтому при неравномерной толщине торфа болота осадка трубопровода с насыпью также будет неравномерной, что вызовет развитие изгибающих моментов в трубопроводе и снижение его надежности при эксплуатации;

- использование верхнего и нижнего полотен вынуждает выполнять два продольных соединения, снижающих надежность насыпи при ее погружении в болото и натяжении полотен, кроме того, снижается темп прокладки при выполнении двух протяженных соединений;

- непрерывная засыпка полотен без секционирования ее в виде отдельных блоков по длине трубопровода снижает надежность балластировки при сквозных повреждениях нижних полотен, приводящих к вымыванию засыпки продольными стоками воды на значительной длине, оголению трубопровода и потере им продольной устойчивости.

Задача изобретения: повышение надежности прокладки трубопровода на болоте путем обеспечения равномерной его осадки и разделения засыпки на отдельные блоки.

Поставленная задача в способе прокладки трубопровода на болоте, включающем подготовку вдольтрассового проезда, доставку грунта засыпки к месту прокладки, раскладку геотекстильных ковров на трубопроводе и поверхности болота, засыпку геотекстильных ковров грунтом, перекрытие засыпки геотекстильными коврами, соединение их кромок и обсыпку ковров грунтом решается тем, что геотекстильные ковры раскладывают с участками нахлеста по длине, а засыпку ведут отдельными блоками, взаимодействующими между собой по наклонным поверхностям естественных откосов засыпки, перекрытыми участками нахлеста и продольными кромками геотекстильных ковров с последующим соединением их между собой, причем высоту засыпки выбирают в зависимости от переменной глубины болота по формуле

где h - высота засыпки, м;

γ_гр - объемный вес грунта засыпки, Н/м³;

γ_т - объемный вес торфа, Н/м³;

γ_sb - объемный вес грунта засыпки во взвешенном состоянии (в воде), Н/м³;

Н - глубина болота, м;

S_ст - стабилизированная осадка трубопровода, м.

Задача изобретения решается также тем, что длина участка нахлеста превышает длину наклонной части засыпки на величину 1,0 D_н, где D_н - наружный диаметр трубопровода.

Задача изобретения решается также тем, что нижняя кромка наклонной поверхности засыпки не доходит до края ковра на величину 1,0 D_н.

Задача изобретения решается также тем, что в качестве геотекстильных ковров используются полотна нетканого синтетического материала, соединенные между собой, например, методом сварки газовой горелкой.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения являются следующие:

- геотекстильные ковры раскладывают с участками нахлеста по длине;

- засыпку ведут отдельными блоками, взаимодействующими между собой по наклонным поверхностям естественных откосов засыпки, перекрытыми участками нахлеста и продольными кромками геотекстильных ковров с последующим соединением их между собой;

- высоту засыпки выбирают в зависимости от переменной глубины болота по формуле

где h - высота засыпки, м;

γ_гр - объемный вес грунта засыпки, Н/м³;

γ_т - объемный вес торфа, Н/м³;

γ_sb - объемный вес грунта засыпки во взвешенном состоянии (в воде), Н/м³;

Н - глубина болота, м;

S_ст - стабилизированная осадка трубопровода, м;

- длина участка нахлеста превышает длину наклонной части засыпки на величину 1,0 D_н, где D_н - наружный диаметр трубопровода;

- нижняя кромка наклонной поверхности засыпки не доходит до края ковра на величину 1,0 D_н;

- в качестве геотекстильных ковров используются полотна нетканого синтетического материала, соединенные между собой, например, методом сварки газовой горелкой.

Заявителю неизвестны из патентной и технической литературы вышеуказанные существенные отличительные признаки.

Данные существенные отличительные признаки позволяет считать новым заявленное изобретение.

Заявленное изобретение соответствует также критерию “Изобретательский уровень”, т.к. существенные отличительные признаки в совокупности с известными позволяют получить новый эффект при прокладке трубопроводов в сложных условиях болот и решить при этом поставленную задачу обеспечения надежности трубопровода.

Изобретение может быть успешно применено при строительстве или капитальном ремонте трубопроводов на протяженных глубоких болотах с неравномерной толщиной обводненного торфяного слоя, обладающего низкой несущей способностью.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить более равномерную осадку трубопровода, тем самым снижает уровень изгибающих моментов по его длине при эксплуатации, а механизм соединения торцевых участков геотекстильных ковров повышает надежность герметизации грунтовой засыпки в виде отдельных блоков против вымывания грунтовых частиц из полости геотекстильных ковров и обеспечивает устойчивое положение трубопровода в торфяной среде.

Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию “Промышленная применимость”.

Сущность способа показана на фиг.1-4. На фиг.1 представлено поперечное сечение прокладки трубопровода; фиг.2 - вид сбоку на узел стыковки двух смежных блоков засыпки; фиг.3 - профильный разрез стыковки смежных блоков засыпки; фиг.4 - реализованная схема прокладки трубопровода в болоте по профилю.

Способ осуществляется в следующем порядке. Готовится вдольтрассовый проезд. На ширине прокладки убирается растительный слой 1, завозится минеральный грунт и распределяется по длине прокладки. Сваренный в непрерывную нитку трубопровод 2 укладывается на поверхность 3 обводненного торфа 4 (фиг.1).

На трубопроводе 2, поверхности 3 болота и растительного слоя 1 раскладывают гибкие ковры 5 с участками нахлеста 6, свернутых в рулоны (фиг.2).

Экскаватором производят засыпку грунта в виде блоков 7, 8 трапецеидального сечения (фиг.1-3) расчетной высоты h в зависимости от глубины болота Н, равной расстоянию от поверхности 3 до минерального дна 9 (фиг.1). При образовании блока засыпки 7 формируется наклонная поверхность 10 за счет угла естественного откоса грунта 7, нижняя кромка которого не доходит до края ковра 5 на величину l_н=D_н, где D_н - наружный диаметр трубопровода (фиг.2). Затем блок засыпки 7 перекрывают свободным от засыпки участком l_н и продольными кромками ковров 5 с последующим их соединением между собой. До окончания засыпки блока 8, рулон 6 разворачивают и укладывают на наклонную поверхность 10 и поверху блока засыпки 7 на величину l_н (фиг.3). Засыпка блока 8 заканчивается выравниванием высоты засыпки в месте стыковки блоков засыпки 7 и 8.

Свободный конец 6 ковра 5 длиной l_н накладывают на блок засыпки 8, заворачивают продольные кромки ковра 5 и соединяют наложенные поперечную и продольные кромки между собой. После этого блоки засыпки 7 и 8 обсыпают растительным слоем 11 (фиг.4).

Окончательный вид прокладки представлен на фиг.4. Переменный профиль верха засыпки 12 зависит от профиля минерального дна 9 болота, блоки засыпки взаимодействуют между собой по наклонным поверхностям 10 через слои уложенных ковров из нетканого синтетического материала (НСМ). Трубопровод 2 находится ниже уровня 3 поверхности болота 4. Растительный слой 11 торфа компенсирует недостаточную толщину слоя засыпки над трубопроводом 2 в наиболее глубоких местах болота 4.

Изобретение работает следующим образом. В процессе эксплуатации переменная высота засыпки обеспечит стабилизированную осадку S_ст (фиг.1), что исключит развитие опасных изгибающих моментов в теле трубопровода. Засыпка, воздействуя как балласт, заключенный в герметичные оболочки НСМ с надежной заделкой торцевых и продольных швов, обеспечит устойчивое положение трубопровода 2 против всплытия и поперечных горизонтальных смещений за счет того, что оболочки с грунтом плотно охватывают трубопровод 2 и удерживаются на нем, создавая искусственное основание. Таким образом, данный способ прокладки трубопровода 2 на болоте обеспечивает достижение цели изобретения.

Пример.

На участке трассы, пересекающем болото длиной 2,5 км, производится капитальный ремонт трубопровода 2 путем его полной замены на новые трубы по причине недопустимой коррозии металла, разрушения части железобетонных утяжелителей и всплытия газопровода. Болото II-III типа, глубина 3-7 м. Необходимо определить основные параметры прокладки. Исходные данные: диаметр и толщина стенки трубы 1020×10,5 мм, геотекстиль - нетканый синтетический материал (НСМ) из капроновых волокон ОАО “Химволокно”, ТУ 6-00-00204-027-1995 в виде рулонов шириной 1,85 м; объемный вес торфа - γ_т=9000 Н/м³; объемный вес грунта засыпки в естественном состоянии γ_гр=16000 Н/м³, то же в воде - γ_sb=6000 Н/м³; угол естественного откоса грунта ϕ_гр=40°. Необходимое заглубление трубопровода 2 в болото S_ст=1,8 м.

Сначала определяем геометрические параметры засыпки в зависимости от глубины болота, используя формулу работы [3] для стабилизированной осадки S_ст неосушаемых болот при пластическом выдавливании торфа за счет веса насыпи:

В работе [3] также задана табличная зависимость коэффициента пластичности торфа К от глубины Н болота, которую с минимальной погрешностью можно выразить аналитически

где Н имеет размерность в метрах.

Подставляя (2) в (1) и выражая высоту насыпи h, получим зависимость

Подставляя в (3) исходные данные, получим зависимость высоты засыпки h от глубины болота Н

Формула (4) показывает, что с увеличением глубины болота высота засыпки снижается при постоянной величине осадки трубопровода 2 с засыпкой. От высоты засыпки зависит площадь ее поперечного сечения F

где a, b - размеры полки и подошвы первоначальной формы засыпки (фиг.1), м.

С учетом минимального размера полки а=1,5 м и угла откоса ϕ, площадь F равна

Ширина l_ш ковров НСМ определяется периметром сечения засыпки, окружностью трубы и величиной нахлеста l_нах продольных кромок ковров при их заворачивании.

Формула для определения l_ш имеет вид

Подставляя в (6) исходные данные и l_нах=0,5 м, получим зависимость величины l_ш от высоты h в метрах

Сведем результаты расчета высоты h, площади F и ширины l_ш по формулам (4, 6, 8) в зависимости от глубины болота Н в таблицу.

Рассмотрим элементы технологии прокладки. Ковры 5 НСМ формируются путем разрезки рулонов на отрезки полотен длиной, равной l_ш, раскладки полотен с нахлестом 0,2 м и сварке их в ковры с помощью газовой горелки. Длина ковра l_дл=25 м получается путем соединения 15 полотен. Ковры НСМ изготовляют в базовых условиях, привозят на трассу и раскладывают, перекрывая трубопровод 2, сваренный в непрерывную нитку и уложенный на место демонтированного дефектного трубопровода поверх болота 3 со снятым растительным слоем 1 на ширине b подошвы засыпки (фиг.1). На левом конце каждого ковра создают запасной участок 6 длиной l_зап=h/sinϕ+2 м. Например, при h=l,5 м l_зап=l,5/sin40°+2=4,6 м.

Минеральный грунт засыпки доставляют на трассу и распределяют по длине прокладки с учетом площади F поперечного сечения засыпки (табл. 1). Весь объем грунта V_гр засыпки зависит от реального профиля минерального дна 9 болота 4 и в данном примере может быть определен приближенно по формуле

F_min, F_max - наименьшее и наибольшее значения площади сечения засыпки по таблице, м².

Подставляя данные в (9), получаем

Потребная общая площадь ковров НСМ F_НСМ определяется по формуле

, где k₁ - коэффициент перерасхода НСМ при сварке полотен в ковры;

k₂ - коэффициент перерасхода НСМ при раскладке ковров по длине трубопровода;

l_ш.ср - среднее значение ширины ковров, м.

Численные значения коэффициентов k₁, k₂ составляют k₁=l,85/(l,85-0,2)=1,12; k₂=25/(25-4,6)=l,23. Средняя ширина ковра l_ш.ср=0,5·(18,8+13,7)=16,3 (таблица). Подставляя данные в формулу (10), получим

F_нсм=1,12·1,23·16,3·2500=5,61·10⁴ м².

После засыпки ковров 5 НСМ, сварки поперечных и продольных кромок, производится обваловка засыпки 7, 8 растительным слоем 11. Причем, чем меньше высота h засыпки, тем больше толщина обсыпки растительным слоем.

Заявленный способ прокладки в сравнении с прототипом обеспечивает устойчивость трубопровода, снижает напряжения изгиба в стенках трубы, в результате чего повышается надежность эксплуатации трубопровода в глубоком болоте с переменным профилем минерального дна, а также не требует специальной техники, дефицитных материалов, легко осуществляется в процессе строительства и капитального ремонта.

Изобретение относится к строительству и используется при прокладке трубопроводов на глубоких болотах с неравномерной толщиной торфяного слоя. Подготавливают вдольтрассовый проезд, доставляют грунт засыпки к месту прокладки, раскладывают геотекстильные ковры на трубопроводе и поверхности болота, засыпают геотекстильные ковры грунтом с перекрытием засыпки геотекстильными коврами, соединяют их кромки и обсыпают ковры грунтом. Геотекстильные ковры раскладывают с участками нахлеста по длине, засыпку ведут отдельными взаимодействующими между собой по наклонным поверхностям естественных откосов засыпки блоками, перекрытыми участками нахлеста и продольными кромками геотекстильных ковров с последующим соединением их между собой, причем высоту засыпки выбирают в зависимости от переменной глубины болота. Дана математическая формула для определения высоты засыпки. Повышает надежность трубопровода. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ прокладки трубопровода на болоте, включающий подготовку вдольтрассового проезда, доставку грунта засыпки к месту прокладки, раскладку геотекстильных ковров на трубопроводе и поверхности болота, засыпку геотекстильных ковров грунтом, перекрытие засыпки геотекстильными коврами, соединение кромок и обсыпку ковров грунтом, отличающийся тем, что геотекстильные ковры раскладывают с участками нахлеста по длине, а засыпку ведут отдельными блоками, взаимодействующими между собой по наклонным поверхностям естественных откосов засыпки, перекрытыми участками нахлеста и продольными кромками геотекстильных ковров с последующим соединением их между собой, причем высоту засыпки выбирают в зависимости от переменной глубины болота по формуле

где h - высота засыпки, м;

γ_гр - объемный вес грунта засыпки, Н/м³;

γ_т - объемный вес торфа, Н/м³;

γ_sb - объемный вес грунта засыпки во взвешенном состоянии (в воде), Н/м³;

Н - глубина болота, м;

S_cт - стабилизированная осадка трубопровода, м.