Прокладка инженерных коммуникаций в условиях многолетнемерзлых грунтов

Страницы 1 2

---

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………………….
2. Постановка задачи…………………………………………………………………
3. Методы решения……………………………………………………………………
4. Результаты расчетов……………………………………………………………….
5. Анализ полученных результатов………………………………………………….
6. Выводы………………………………………………………………………………
7. Список литературы…………………………………………………………………

 

1. Введение

Многолетняя мерзлота распространена главным образом в Северном полушарии Земли и занимает 65% территории России.
Сезонное промерзание пород охватывает бóльшую часть территории России, кроме зоны субтропиков, где оно проявляется не ежегодно, и его глубина не превышает нескольких сантиметров. Глубина сезонного промерзания уменьшается зонально при повышении температуры пород и увеличивается с возрастанием континентальности климата с запада на восток. Наибольших значений (до 4–8 м) сезонное промерзание достигает в районах с резко континентальным холодным климатом, малоснежными суровыми зимами (Центральное и Южное Забайкалье), в крупнообломочных грунтах, обладающих низкой влажностью. Зона наиболее сурового климата и, соответственно самых низкотеспературных грунтов приходится на территорию центральной Якутии. Кроме того, здесь накоплен опыт строительства и эксплуатации зданий и сооружений для которых основание сложено многолетнемерзлыми грунтами.
История застройки территории г. Якутска насчитывает свыше трех с половиной веков. Объекты города занимают в основном первые две низкие террасы р. Лены с абсолютными отметками 95–100 м со сложными инженерно-геологическими условиями территории. Грунты здесь представлены сильно льдистыми озерно-аллювиальными образованиями – песками и суглинками мощностью до 20–22 м. На протяжении длительного времени город застраивался деревянными зданиями. Интенсивная каменная застройка началась только с середины прошлого века. Строительство многоэтажных каменных домов ведется на сваях по 1-му принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния грунтов основания. Длительный положительный опыт строительства и эксплуатации зданий и сооружений в целом доказывает правильность такого подхода.
Грунтовые условия г. Якутска характеризуются наличием многолетнемерзлых грунтов (ММГ), свойства которых принципиально отличаются от свойств талых грунтов: ММГ имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед.
Территория города на протяжении последних 40 лет активно заболачивается, меняются тепловой баланс и химический состав подстилающих отложений. В пределах города интенсивно происходит не только переувлажнение грунтов, но и возникают новые техногенные водоемы-болота, часто значительных размеров. В последнее время появилась возможность использовать дистанционные снимки последних лет для оценки современной картины обводнения территории города. Установлено, что наибольшее развитие этого негативного процесса происходит в северной северо-восточной частях города, где заболоченные участки занимают 35–40% площади. Несколько меньшее подтопление территории (20–25%) отмечается в западной части центра города, где их воздействие на различные инженерные объекты особенно активно. В юго-западной и юго-восточной частях города, заболоченные участков целом ограничены и занимают не более 10% площади отдельных районов.
Анализ причин подобных, по сути чрезвычайных, ситуаций позволяет выделить среди них общегородские, связанные с пространственным расположением города на ровных поверхностях низких террас р. Лены, и локальные, обусловленные особенностями конкретных участков, в том числе с нарушением естественного режима стока поверхностных и надмерзлотных вод при гражданском и промышленном строительстве и отсутствии вертикальной планировки местности.
В результате подтопления территории города происходит ухудшение инженерно-геологических условий (засоление грунтов, формирование криопэгов, активизация опасных экзогенных и геохимических процессов, ухудшение несущих способностей грунтов оснований), что вызывает деформации, а порой и частичное разрушение зданий и сооружений.
Основными причинами этих негативных событий в г. Якутске являются растепление мерзлых грунтов оснований в результате неправильной экс-плуатации, постоянных утечек канализационных и бытовых вод.
Опыт эксплуатации магистральных и промысловых подземных и надземных трубопроводов показывает, насколько сложно проектировать объекты на сезоннопротаивающих и сезоннопромерзающих грунтах. Последствия, проявляющиеся буквально через несколько лет после ввода трубопроводов в эксплуатацию, свидетельствуют о грубых нарушениях и отклонениях от проектных решений. Во многих случаях в результате оттаивания и последующего промерзания мерзлых грунтов возникают необратимые процессы морозного пучения.
Особо следует отметить, что проектирование, строительство и эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения в районах Крайнего Севера имеют особенности по сравнению с аналогичными инженерными системами других климатических зон.
Следует также отметить относительно слабую гидрохимическую и гидрогеологическую изученность данного региона.
Сооружение инженерных коммуникаций и станций очистки воды значительно отстает от промышленного и жилищного строительства в осваиваемых районах Крайнего Севера.
Большинство населенных пунктов, оборудованных системами теплоснабжения и водопровода, не имеют централизованной системы канализации.
Строительство водопроводных сетей, прокладка кабелей, проселочных и грунтовых дорог, возведение многоэтажных зданий с проветриваемыми подпольями, подсыпка строительных площадок, вырубка леса, распашка лугов определили неравномерное тепловое состояние грунтов, изменили конфигурацию верхней поверхности вечной мерзлоты: в одних местах возникли глубокие чаши-протаивания, в других – мерзлотные выступы-барьеры, перегородившие подземный и поверхностный водный сток. Неблагоприятную ситуацию усугубили регулярные аварийные сбросы и утечки из тепловых, водопроводных и канализационных систем, выгребных ям, промышленных предприятий, выбросы автомобильного транспорта и пр. Городская территория и прилегающая местность оказались практически бессточной зоной со сложной системой замкнутых бассейнов, в которых начали катастрофически быстро накапливаться вредные вещества. На многих участках минерализация надмерзлотных вод увеличилась в десятки раз, что привело к общему понижению кровли вечной мерзлоты, заболачиванию и подтоплению некоторых жилых кварталов, массовым деформациям зданий, построенных на ленточных фундаментах и клетях, к гибели лесных массивов и насаждений. Так, в конечном итоге, проявилось некорректное отношение к мерзлотным процессам и явлениям, в числе которых ведущее место заняло искусственно вызванное засоление грунтов. Проблема инженерного освоения и экологической безопасности на участках с надмерзлотными водами криопэгами существует не только в Якутске, но и во многих других городах и населённых пунктах Севера, в частности, в Норильске, Тикси, Мирном, Салехарде, Анадыре и пр.
Данные факторы существенно усложняют строительство и эксплуатацию сооружений на мерзлых грунтах и значительно увеличивают риски возникновения аварийных ситуаций, количество которых значительно выше, чем в европейской части РФ.
Опыт строительства и эксплуатации инженерных объектов в зоне многолетней мерзлоты свидетельствует, что значительная часть аварийных ситуаций обусловлена тем, что объекты возводятся без учета всей сложности инженерно-геокриологических условий и их изменений в период строительства и эксплуатации сооружений. К числу наиболее распространённых опасностей, возникающих в результате активной хозяйственной деятельности человека, следует отнести снижение несущей способности грунтов, пучение и осадку поверхности и заглублённых конструкций, гравитационные смещения грунта, наледеобразование.
Существующая или прогнозируемая опасность, сопряжённая с уязвимостью защищаемых ценностей, влечёт за собой возникновение риска, который выражается в стоимостных показателях.
Отсутствие систематизированной информации по аварийным утечкам, а также достоверного прогноза изменения температурного режима оснований зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах представляет собой большую проблему при проектировании систем инженерного обеспечения. Важнейшей задачей является прогноз трехмерного температурного поля многолетнемерзлых грунтов, необходимый для оптимизации мест прокладки инженерных коммуникаций при наличии аварийных утечек. Фактор теплового воздействия от разрушения трубопроводов и, как следствие, от утечек оказывает существенное влияние на безопасность эксплуатации инженерных сооружений в условиях многолетней мерзлоты и экономическую составляющую.
Актуальной задачей является установление течений и закономерностей образования температурного режима грунтов оснований трубопроводов и каналов в условиях криолитозоны. Анализ фактического состояния оснований сооружений, построенных на многолетнемерзлых грунтах и эксплуатируемых длительное время в экстремальных климатических условиях, дает информационно значимый материал для разработки прогноза температурного режима территорий планируемой застройки, созданию новых технических проектных решений, в частности, для инженерных сооружений. Решение данной задачи способствует повышению безопасности эксплуатации зданий, сооружений и инженерных коммуникаций.
Существенным и проблемно прогнозируемым фактором, формирующим температурный режим грунтов оснований зданий и сооружений в условиях многолетнемерзлых грунтов, являются аварийные утечки из инженерных коммуникаций. Основной причиной такого положения является систематические аварии инженерных коммуникаций, в том числе и в новом жилом фонде, которые, к сожалению, невозможно прогнозировать и даже предотвратить на весь жизненный цикл сооружения и, особенно, при эксплуатации и реконструкции аварийных зданий.
В густонаселенных районах городской застройки происходит частичное или полное разрушение растительного покрова, формирование новых режимов снежных отложений и плотности снега, изменение гидрогеологических условий, специфических условий техногенных свойств- формируется уникальный местный микроклимат, оказывающий значительное влияние на плановые тепловыделения сооружений, аварии, образующиеся на инженерных коммуникациях и тепловой режим многолетней мерзлоты.
На сегодняшний день отсутствует нормативная база для качественной и классификационной оценки надежности, долговечности и опасности зданий и сооружений, особую сложность составляет обследование строительных конструкций и оснований в районах с многолетней мерзлотой при утечке горячей и холодной воды, бытовых стоков, отходов нефтяных и горно-металлургических предприятий.
Ситуацию усугубляет сложивший в последние 50-60 лет общий тренд на потепление климата планеты. В совокупности с техногенными факторами и, в первую очередь, с аварийные вбросами из тепловых сетей и канализации, современная климатическая ситуация способствует деградации многолетнемерзлой из-за неправильного и недальновидного ведения хозяйственной деятельности. Непосредственно при реализации строительных проектов, когда почвенный и растительный покров нарушается в результате движения по тундре, плохо спланированной с/х деятельности, вырубки лесов, загрязнения окружающей среды, и так далее, вечная мерзлота разрушается.
Сейчас, как известно, являются результатом ошибок проектирования, строительства и эксплуатации: обрушение зданий в результате таяния и связанное с этим ухудшение несущей способности оснований из вечной мерзлоты неравномерная осадка, деформация. К возникновению аварийных ситуаций приводит деградация вечной мерзлоты в результате глобального изменения климата, а также увеличение толщины снежного покрова с теплоизоляцией в зимний период, в то время как продолжительность этого периода сокращается из-за повышения температуры воздуха, увеличения осадков.
Многие здания и сооружения в населенных пунктах, построенные на многолетнемерзлотной земле, уже повреждены. В районах вечной мерзлоты на территории РФ большинство технических объектов создано, используется по соответствующему положению, который предполагает поддержание грунта в мерзлом состоянии без учета возможного потепления климата — с низким коэффициентом соответственно такого показателя как прочностный запас (1,2-1,4).

Рис. 1. Cекция здания в поселке Черский, обрушившаяся в результате ослабления фундамента при растеплении его многолетнемерзлого основания.
Деградация многолетнемерзлых пород сопровождается образованием несливающейся мерзлоты, таликов, просадками грунтов, развитием термокарста, термоэрозии, солифлюкции, морозобойным растрескиванием, местным и площадным пучением грунтов, затоплением, подтоплением и заболачиванием территорий, техногенным наледеобразованием, ускоренной эрозией побережий рек, озер и морей развитием оползневых и селевых процессов и т.д.
Рис. 2 Усиление береговой эрозии из-за деградации многолетней мерзлоты.
При реализации крупных проектов в условиях криолитозоны: прежде всего, при комплексном освоении территории, строительстве портов, терминалов, производственных и инфраструктурных объектов – неизбежно происходит негативное влияние на многолетнемерзлые грунты.
Без необходимых компенсирующих мероприятий и надлежащего контроля масштабное строительство чревато растеплением мерзлоты и значительным ухудшением физико-механических свойств грунтов основания. Это может привести к тяжелым технологическим последствиям: подвижкам склонов, просадкам грунтов – что крайне негативно скажется на сооружениях.
Строительство, как правило, подразумевает удаление верхнего покровного слоя (является естественным теплоизолятором). В результате изменения рельефа и сведения лесов меняется режим освещенности, что ускоряет прогрев грунта летом.
Существенное влияние оказывает изменение гидрологической ситуации в районе площадки строительства, вызванное перенаправлением естественных русел водотоков, корректировкой уровня водоемов, изменением характера поверхностного стока и т.п.
Компенсирующие мероприятия следует закладывать не только из расчета последующей эксплуатации объекта, но и на период проведения строительно-монтажных работ, с учетом негативного влияния технологических процессов.
При проектировании важно не только оценивать текущее состояние, но и выполнять долговременный прогноз изменения температуры многолетнемерзлых грунтов на всех этапах жизненного цикла сооружения. Эту динамику следует учитывать при расчетах параметров оснований зданий и сооружений, дорог, оползнеопасных склонов и т.д.
Основное внимание при проектировании инженерной защиты мерзлоты уделяется водоотведению. Этот вопрос необходимо рассматривать комплексно, не ограничиваясь одной лишь строительной площадкой. Решение локальной проблемы может инициировать негативные процессы на сопредельных территориях, что приведет к возникновению новых рисков как для соседних объектов, так и для самой площадки строительства.
Оттаивание и промерзание мерзлых грунтов может сопровождаться такими процессами, как пучение, осадка, термокарст, солифлюкция и др., что сильно осложняет обеспечение проектного положения трубопроводов и самым негативным образом сказываются на техническом состоянии их трассы.
Сегодня необходимы новые конструктивные решения, позволяющие значительно уменьшить техногенное воздействие трубопровода на многолетнемерзлый грунт при минимуме затрат на строительство и последующую его эксплуатацию.
Применение того или иного способа прокладки коммуникаций зависит от многих условий характера застройки, от вида залегающих грунтов, рельефа местности и, наконец, от назначения трубопровода. Поэтому вопрос о том, как прокладывать инженерные сети, может быть решен только на основе тщательного изучения местных условий и технико-экономического сравнения вариантов с учетом стоимости строительства и расходов на эксплуатацию и ремонт сетей.
При выборе способа прокладки необходимо принимать во внимание способность мерзлых грунтов давать осадки при оттаивании.
Учитывая, что несущая способность многолетнемерзлых грунтов оснований определяющим образом зависит от температурного режима грунтов, становится актуальной задача прогноза температурного режима массива грунта основания под воздействием различных факторов природного и техногенного происхождения.

 

2. Обзор литературы.

На итогах длительных научных изысканий с Геофизическим ВУЗом Соединенных Штатов Америки, включенных в проект по анализу климатических изменений температурных показателей в гг.Фэрбенксе/Якутске, основываются непосредственно представления специалистов института по вопросу изменений климата. К этому выводу пришли следующие ученые:
● д.г.-м.н. В.В.Шепелева, д.т.н. Р.В.Чжан и другие;
● чл.-корр. РАН: В.Т. Балобаев, В.Т. Балобаева;
● проф. В.В. Шепелев из ИМЗ СО РАН (город Якутск)
● акад. РАН В.П. Мельникова [1].
Всего 3 цикла климатического потепления (170, 320, 75 лет) были обнаружены в результате проведенного исследования, основой которого являлся анализ (амплитудно-частотного типа) современных показателей, а также двухсотлетней истории метеонаблюдений в городе Якутске. Общий эффект наложения вышеуказанных циклов — основание фактическому резкому потеплению, наблюдающемуся сейчас. Многолетняя мерзлота образуется относительно упомянутых циклов. Восемнадцать тысяч лет назада отмечалось последнее оледенение, а примерно четыре-восемь тысяч лет назад наблюдалось глобальное климатическое потепление. По прогнозам потепление должно было завершиться к 2015 году, после этого до 2060 года должно наступить похолодание. Не отмечалось в течение трех и более десятилетий значительных изменений температуры криолитозоны. Отмечается, что она является устойчивой. При этом нельзя не учитывать увеличение температуры не определенных участках и протаивание горизонтов многолетней мерзлоты. Процесс ограничивается 3-я более метрами пород. Самые значимые негативные явления отмечаются по береговой линии тундры арктики по причине таяния пород, содержащих лед, а также их сноса в море: примерно 11 квадратных километров тундры таким образом тратится [2].
Многолетняя мерзлота тает по причине воздействий (глобального и локального характера) вместе с другими факторами, которые приводят к повышению температуры мерзлотных грунтов в районах, где наблюдается довольно плотная застройка. Средний уровень увеличения температуры мерзлотных грунтов (на глубине десять метров) в последнее время достиг 3,5 градусов Цельсия, что показывают соответствующие исследования, которые были выполнены исследователями ИМЗ СО РАН — это данные относительно наблюдений начала двадцатого века [3]. Находящихся в контакте с мерзлотным грунтом фундаментных конструкций, помещений подвала, подземных коммуникаций, дорог и прочих сооружений подверглись изменениям по причине преобразования состава вод надмерзлотного типа (техногенного характера), криогенных процессов. Коррозионная активность мерзлотных грунтов увеличивается по причине включения веществ органического характера, изменения кислотности-щелочности, а также повышается агрессивная грунтовая активность. Примерно девять-десять метров — такая глубина залегания грунтов, являющихся засоленными, относительно возраста, когда была освоена местность города [4]. Объем осадков влияет на температуру мерзлотных грунтов непосредственно самого основания [5]. Основание для возникновения различных ЧС – это геологические процессы, а также явления природного и техногенного характера. Последние становятся причинами ущерба хозяйству, формирования нерешенных вопросов в области экологии, угрозы стабильности сооружений. Также они становятся причинами появления аварийных ситуаций, разрушения домов [6].
Многие ученые интересуются проблемой воздействия сооружений на температуру грунтов, являющихся мерзлотными. А.Ф. Миддендорфом в 1844-1846 гг. [7] измерил грунтовую температуру. Измерение проходило на глубине 116.4 метра, непосредственно в шергинском колодце в районе Якутска. При этом были измерения грунтовой температуры в шахтах Шиловской и Маганской, находящихся в 3-х и более километрах, непосредственно от района нахождения Якутска. В районе города температура многолетнемерзлотных пород ниже относительно окрестностей, что показало сопоставление температур грунта как за городскими границами, так и в самом колодце [6].
В разработанных скважинах глубиной от десяти до пятнадцати метров (в районе города Якутска) были выполнены необходимые системные измерения температуры в 1935 гг. Институтом мерзлотоведения им. В.А.Обручева. Предположения об уменьшении температуры мерзлотных грунтов в районе застройки г.Якутска [8] — это непосредственно итоги этих замеров. Они были осуществлены через сто лет. С точки зрения П.Соловьева существует зависимость, непосредственно между температурой грунтов с многолетней мерзлотой/возрастом застройки в районе г.Якутска в 1958 г., при анализе данных замеров температуры на территории г.Якутска [9]. Тем меньше грунтовая температура, чем непосредственно старше возраст застройки — такая тенденция [8,10]. В городе Якутске, где наблюдается совпадение геоизотерм с пределами застройки (разной даты сдачи), данное отношение хорошо прослеживается. К этому временному промежутку напрямую относится пора, когда не было центральных сетей снабжения и каждое здание самостоятельно «оснащалось» оборудованием.
Усложняется формирование точного прогноза колебания температуры оснований сооружений на грунте с многолетней мерзлотой в ходе применения данных сооружений, т.к нет данных по утечкам, возникших по причине ЧС, из коммуникаций, отсутствуют простые методики прогнозирования их влияния. Прямое влияние ЧС на повышение температуры и изменение физико-механических свойств оснований сооружений недооценивается. Состояние непосредственно самих фундаментных структур, которые были определены в ходе натурных изысканий, которые были начаты около сорока лет назад работниками ИТФ ЯГУ говорит о частоте и непосредственно об охвате аварийных обстоятельств. Говорит непосредственно о длительном, частом появлении водных утечек из разного рода коммуникаций, в частности, горячей воды, отопления и канализации, нарушение структуры бетона, арматурное оголение, нарушение отмостки, грунтовой подмыв в точках коммуникационной прокладки [11]. Происходит засоление, локальное изменение структуры грунта (его влажности, тепловой проводимости), при проникновении воды из водопровода и канализации, непосредственно на планировочную поверхность. Таким образом, в толще мерзлоты появляются линзы криопэгов, являющихся низкотемпературными, незамерзающими и высокоминерализованными [12,13]. Основа интенсивного нарушения структуры материала несущих фундаментов сооружений — агрессивный состав вод мерзлотного грунта.
М.В.Рабиновичем и Я.А.Кроником [14,15,16] была предложена нижеследующая унифицированная классификация аварийных утечек в основном из систем инженерных коммуникаций (водоснабжения и водоотведения), составленная на основании анализа и обобщения многолетних натурных наблюдений и исследований (мониторинга).
Унифицированная классификация аварийных утечек воды:
1 – по времени действия:
1.1 — кратковременные утечки продолжительностью до 3…4 суток;
1.2 — временные – 5…20 суток;
1.3 — длительные – свыше 20 суток.
2 – по сезону действия:
2.1 — зимние;
2.2 — летние.
3 — по месту утечки:
3.1 — непосредственно под зданием, в том числе:
3.1.а — вблизи контура здания;
3.1.б — под центральной (осевой) частью (под коридорной прокладкой коммуникаций;
3.1 — по межсекционным и межпанельным швам;
3.2 — вблизи здания, за пределами контура;
3.3 — комбинированные.
4 – по форме площади:
4.1 — точечные;
4.2 — линейные (протяженные);
4.3 — зональные, в том числе
4.3.а — локальные – площадью менее 25% площади здания;
4.3.б — обширные – площадью более 25% площади здания
5 – по температуре воды:
5.1 — низкотемпературные – с температурой воды ниже 5 °C
5.2 — высокотемпературные – с температурой воды 5…50 °C;
5.3 — горячие – с температурой воды выше 50 °C
6 – по интенсивности (по расходу воды в л/ч на 1 п.м. для линейных и точечных утечек или на 1 м2 для зональных):
6.1 — слабые – до 20 л/ч;
6.2 — средней интенсивности – 20…200 л/ч;
6.3 — сильные – свыше 200 л/ч.
7 – по химическому составу:
7.1 — незасоленные с концентрацией Ку менее 3%
7.2 — слабозасоленные с концентрацией Ку более 3% , в том числе:
7.2.1 — слабозасоленные – Ку=3…10%;
7.2.2 — среднезасоленные – Ку=10…20%;
7.2.3 — сильнозасоленные – Ку более 20%.
7.3 — насыщенные и перенасыщенные рассолы с Ку более концентрации насыщения хотя бы одного из химических компонентов рассола.
8 – по биологической безопасности:
8.1 — безопасные;
8.2 — биологически активные и опасные;
8.3 — особо опасные, ядовитые и радиоактивные.
Применительно к безопасной эксплуатации зданий, критериями классификации и градации аварийных утечек выбраны факторы, оказывающие существенное влияние на изменение температурного режима грунтов мерзлого основания здания и сооружения. Главной задачей разработки классификации является возможность оперативной реализации качественной оценки потенциального влияния случившейся аварийной утечки воды из коммуникаций и принятие неотложных мер непосредственно в рамках проведения планового или экстренного мероприятия мониторинга состояния основания сооружения и принятия мер по ликвидации аварий и обеспечению безопасности взаимосвязанной системы «основание-сооружение-окружающая среда».
Рис. 3. Аварийная утечка на водопроводе

Рис.4. Примеры аварийных утечек

Рис. 5. Активное развитие эрозионных процессов в результате крупных утечеек воды из систем теплоснабжения привело к разрушению асфальтовой отмостки (ул. Губина).
Якутск характеризуется большими темпами процессов фильтрации/миграции, которые засоляют мерзлые земли, вызывая их переход из твердого в пластичное состояние или даже таяние. В Якутске районы, затронутые этими процессами, немногочисленны и удалены друг от друга. По большей части это местности, ранее занятые домовладениями, являющимися частными в центральной части города, а теперь многоэтажные здания, построенные по соответствующему первому принципу, с вечномерзлыми грунтами в виде фундаментов.
К активному местному грунтовому протаиванию основания, формированию обстоятельства вымывания отмостки и временному уменьшению несущей фундаментной способности приводит непосредственно водный сток под само здание при чрезвычайных обстоятельствах соответствующих отопительных систем.
Вместе с тем осуществляется увлажнение грунтов, которые уже оттаяли. После того, как авария была устранена, в земле, являющейся промерзающей и увлажненной, появляются силы пучения, которое является морозным, и происходит восстановление (частично) несущей фундаментной функции. Много раз повторяющееся чрезвычайное положение становится причиной сильного уменьшения несущей фундаментной функции и перераспределения усилий, непосредственно в компонентах структур зданий.
Персоналу СВФУ удалось за десять лет собрать статистику наблюдений за реальным состоянием оснований, а также несущих сооружений, которые находятся в районе г.Якутска, непосредственно на территории застройки. Обнаружены определенные динамические колебания температуры оснований многоквартирных зданий (типовых серий), проведено оценивание несущей функции оснований. При все при этом учитывался непосредственно фактический температурный режим непосредственно по итогам мониторинга.
В центре города отмечается динамика снижения температуры грунта, при этом в этом же районе города определяется градиент грунтовой засоленности. Он достаточно высокий, в особенности, засолен слой, являющийся деятельным.
Была получена и выполнена соответственно обработка большей части материала изысканий, являющихся инженерными и геологическими, а также НИР, которые были осуществлены разными компаниями для того, чтобы дать оценку условиям мерзлотным и грунтовым на данный момент времени [5,17,18,19,] (ЯкутТИСИЗ, и т.д.). В продолжение ранее полученной информации, были возобновлены соответственно температурные измерения в двадцати трех кварталах г.Якутска с общим количеством зданий сто два, где термометрические буровые, установленные в 1970-х и 1990-х годах, все еще функционируют.
Кроме того, в шести округах, включая 31-й, было проведено обследование подполий вентилируемого типа с целью анализа наличия и функциональности буровых термического типа в многоэтажных строениях. Итак, обнаружено всего триста шестнадцать зданий с данными буровыми, из них сто тринадцать функциональные, или непосредственно 36% всех буровых.
Главные причины, из-за которых буровые перестают нормально функционировать — отсутствие крышек, которые являются защитными, что привело к проникновению воды и непосредственно самого мусора в буровую. Другое основание неисправности – это непосредственно коррозия скважинной трубы.
СП 25.13330.2019 — основной документ, в соответствии с которым осуществляется проектирование сооружений под землей. Актуализированной редакцией является СНиП 2.02.04-88. Два основных подхода использовались и широко используются в современной теории, а также на практике, непосредственно для определения безопасных грунтовых оснований и применимых типов конструкций для фундаментов, возводимых непосредственно в холодных климатических условиях на вечномерзлых грунтах, в зависимости от изменения температуры воздуха и связанных с ним явлений естественного грунтового промерзания.
Именно поэтому мерзлотоведы и эксперты совместно с архитекторами, специалистами в области строительства и технологами смогли сформировать 2 главных принципа возведения фундаментов на вечномерзлых грунтах, в частности:
принцип I – многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;
принцип II – многолетнемерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания при эксплуатации сооружения).
Наибольшее распространение получил принцип I, обеспечивающий нормативную несущую способность многолетнемерзлого грунта основания в течение всего периода эксплуатации, оптимальную технологичность при устройстве различных типов фундаментов (фундаментов мелкого заложения (ФМЗ) и свайных фундаментов (СФ)).
При использовании многолетнемерзлых грунтов в качестве основания по принципу I минимальную глубину заложения горячих и тёплых подземных трубопроводов по Приложению Н СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на многолетнемерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 (с Изменениями N 1, 2, 3) рекомендуется определять в зависимости от расчетной глубины сезонного оттаивания грунта.
При этом тепловое влияние сооружения рассматривается исключительно в режиме нормальной эксплуатации, а естественный температурный режим – без учета реально происходящих и перспективных изменений климата планеты. В тоже время, опыт капитального строительства на многолетнемерзлых грунтах ясно свидетельствует, что важнейшей причиной повышения аварийности промышленно-гражданских сооружений и зданий является локальное растепление мерзлых грунтов оснований и их просадки при оттаивании вследствие теплового воздействия утечек из зданий или коммуникаций. Об этом свидетельствует Федеральное агентство службы государственной статистики в Республике Саха (Якутия) отмечает высокий удельный вес аварийных зданий, доля которых в 2016 году составила 16,5% от общего числа капитальных зданий возведенных на территории Республики [5].
Очевидно, что учет дополнительных факторов, влияющих на формирование температурного режима многолетнемерзлых грунтов, позволит получить более достоверный прогноз распределения температур и по результатам — положение верхней границы многолетнемерзлых грунтов. Существенным и сложно прогнозируемым фактором, формирующим температурный режим грунтов оснований зданий и сооружений в условиях многолетнемерзлых грунтов, являются аварийные утечки из инженерных коммуникаций. Вызванные такими авариями тепловые воздействия на термонапряженно-деформированное состояния оснований крайне негативно сказывается на эксплуатационной надежности зданий на многолетней мерзлоте [17,18,20,21].
Многолетняя мерзлота может обеспечить превосходную несущую способность для восприятия нагрузок от сооружений, но только при условии её сохранности и естественного температурного режима.
В настоящее время существуют различные способы, предотвращающие прогрессирующие таяние под сооружениями за счет использования естественного холода. К ним относятся горизонтальные трубчатые системы замораживания и температурной стабилизации грунтов (системы «ГЕТ») и вертикальные трубчатые системы замораживания (системы «ВЕТ») [22].
Так например, к основным компенсирующим мероприятиям, предотвращающим оттаивание грунта, относится применение теплоизоляционных материалов и термостабилизационных установок (принудительное охлаждение).
Широкие возможности для применения в условиях криолитозоны есть у легких насыпей, тело которых формируется из блоков экструдированного пенополистирола (ЭПС или XPS). Применение такой конструкции решает сразу две задачи – вместе с сохранением температурных показателей она существенно снижает нагрузку на основание.
При изменении рельефа, в частности для защиты обнажаемого мерзлого грунта при подрезке склонов, применимо нагельное крепление, покровный слой которого дополнен теплоизолирующими матами. Система термостабилизации устраивается рядом с защищаемым объектом, способствуя более интенсивному промерзанию грунта в зимний период для поддержания температурного режима массива. Установка работает автономно, не требуя внешних источников энергии.
Устройство навесов – еще одно решение, способствующее пассивному улучшению терморегуляции грунта. Принцип действия конструкции аналогичен проветриваемому подполью: летом навесы защищают поверхность грунта от падения прямого солнечного света, а зимой препятствуют образованию снежного покрова, способствуя более интенсивному промерзанию. Для эффективной инженерной защиты объектов, расположенных в криолитозоне, необходим комплексный подход, учитывающий состояние многолетней мерзлоты на протяжении всего жизненного цикла сооружений. Только такой подход позволяет принимать рациональные технические решения.
Не соблюдается правило регулярно проводить систематические температурные измерения в фундаментах зданий, построенных по принципу 1. По этой причине оценить фактическое техническое состояние зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах нельзя. Важно понимать, что именно температура определяет несущую способность вечномерзлого грунта, а это напрямую влияет непосредственно на само состояние зданий (в техническом плане). Посредством буровых, которые до сих пор находятся в эксплуатации, была измерена температура строительного грунта. В 97 многоэтажных зданиях в 2013 г. температура грунта была измерена, а в 42 многоэтажных зданиях измерения были повторены в 2015 и 2016 годах

Таблица 1.

 

Результаты температурных наблюдений за грунтами оснований зданий, построенных до 1985 года, выполненными в период 2002-2010 гг [18], сопоставлены с данными, полученными в 2013-2016 гг (табл.1). В пределах исследуемой территории наблюдается изменение конфигурации термополей за счет перераспределения теплопотоков и формирование новых термополей под вновь возводимыми сооружениями, прокладки новых линий инженерных коммуникаций, а также регулярно возникающих аварий в старых теплосетях.

Рис. 6. Динамика температуры многолетнемерзлых грунтов на глубине 10 м в старой части г. Якутска. Пунктиром на графике показаны интервалы предполагаемых (а) и прогнозных (б) изменений температуры грунтов

Как иллюстрирует рисунок 6 «Динамика изменения температур грунта в основании многоэтажных зданий г.Якутска», на соответствующей глубине 10 м есть некоторые изменения грунтовой температуры под обособленными капитальными объектами, которые были построены непосредственно по первому принципу с подпольем, являющимся проветриваемым. Участки расположены в центральной городской части, в районе со зданиями старше семидесяти лет, их температура пород находится в пределах от -2 до -6,5 °C на глубине десяти метров вне зданий и водоемов. Температура поверхности многолетнемерзлого грунта показывает небольшое увеличение.

В долговечных сооружениях, которые подвергались более случайным воздействиям, и которые были построены без учета современных требований к материалам и конструкциям нулевого цикла, проявляется соответственно процесс активного фундаментного растепления.

На графике видно, что по мере увеличения наклона постепенно расширяется  низкотемпературное поле (холоднее -5°C). Значительное потепление отмечается в данном температурном диапазоне, а в диапазоне температур -4…-2 °C отмечается та же динамика.

Уменьшаются площади расширения почвы в спектре минусовых температур выше минус двух градусов Цельсия. Это потенциально наиболее опасная область, поскольку грунт находится в состоянии, близком к оттаиванию, также из-за непредсказуемых антропогенных воздействий случайного характера. Таким образом, осуществляется непосредственно температурное перераспределение грунтовой вечной мерзлоты на определенной глубине годовой 0-й амплитуды, непосредственно между значения, как низкими, так и непосредственно высокими.

Исследование сосредоточено непосредственно на районах, где инженерные коммуникации, построенные в 1970-х и 1980-х гг., находятся в серьезном запустении и поэтому подвержены авариям, а также ЧС.

В проблеме прогноза температурного режима протаивающих и промерзающих грунтов исторически выделились два направления: построение приближенных инженерных оценочных формул и решение задачи Стефана. Как правило, в большинстве подходов принимается, что коэффициент теплопроводности и объемная теплоемкость среды скачкообразно меняется в точках замерзания-оттаивания. Такое изменение теплофизических свойств значительно усложняет применение численных методов к решению задач теплопроводности с фазовым переходом. Значительно облегчается численный подход к решению данных задач с использованием метода «энтальпия-теплопоток».

Наибольшее количество разработанных и используемых моделей расчета напряженно-деформированного состояния оснований базируется на предположении использования принципа линейной деформируемости грунтов. Вместе с тем, ряд исследователей разработали предложения конкретных математических моделей грунта в нелинейной и упруго-пластичной постановке [21,23-26] Однако, учет только линейной работы грунтов основания во многих практических случаях дает хорошую сходимость результатов расчета с данными натурных наблюдений.

Сложность и особенность каждой конкретной задачи заключается в том, что требует определенного запаса разнообразных алгоритмов, моделирующих различные факторы реального физического процесса для возможности выбора наиболее подходящего варианта. Большая часть механических задач по изучению состояния оснований сооружений в криолитозоне посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния грунтов в предположении, что температурный режим определяет границу раздела талой и мерзлой зон. В пределах каждой из этих зон принято считать, что механические свойства грунтов остаются неизменными.

Учет зависимости деформационных и прочностных характеристик мерзлых грунтов от температуры в спектре отрицательных температур ставит задачу разработки единой методики совместного и взаимосвязанного расчета температурного режима и напряженно-деформированного состояния основания. Такой подход к расчету оснований осуществлен рядом исследователей, среди них Н.И.Демин, Я.А.Кроник, С.Б.Ухов, М.Г.Мнушкин [25-27] и другие.

Классические технические решения по опыту оказались нецелесообразными в плане финансовом. Важно разработать, использовать новые решения технологического характера, принимая во внимание прогнозы на длительный срок, а также управление температурой грунтов оснований, которые могут предотвратить негативное влияние тепла для тех сооружений, которые уже построены, возводятся или формируется проект строительства.

Конденсатопровод «Ямбург — Новый Уренгой» является примером конденсатопровода. На так называемом «холодном» трубопроводе проведены изыскания [28]. Этот трубопровод имеет непосредственно минусовую температуру непосредственно перекачиваемого конденсата и вдоль которого отмечены участки с достаточно сложными геокриологическими обстоятельствами.

Низкотемпературные мерзлые грунты и оттаявшие грунты чередуются непосредственно на самой трассе трубопровода. Грунты являются льдистыми, высокопучинистыми и слабонесущими непосредственно в основании трубопровода. В таком случае может показаться, что конденсаторная транспортировка при минусовых температурах была бы наиболее правильным решением вопроса, так как “холодный» трубопровод должен был бы заморозить окружающую почву, обеспечив защиту вечной мерзлоты. Однако в этом варианте не принимается во внимание подъем, вызванный пучением грунтов морозного типа, что является гораздо более рискованным явлением для трубопроводов, чем непосредственно оттаивание вечной мерзлоты на дне мерзлого грунта.

В линейной половине трубы, нерешенные вопросы, возникшие по причине грунтового пучения, стали очевидны непосредственно после изменения температуры перекачки с плюсовых на минусовые температуры — до минус пяти градусов Цельсия, когда мерзлый грунт и изменение положения трубопровода в деформационных соображениях привели к увеличению напряжения трубопровода и развитию усилий околокритического типа. Детальные исследования теплового взаимодействия непосредственно между конденсатопроводом и мерзлой землей при плюсовых температурах перекачки, а также напряжений, проявляющихся непосредственно при минусовых температурах перекачки, привели к выводу о необходимости пересмотра функционирования конденсатопровода, в плане температуры.

В статье не приводятся некоторые данные, но там есть значения, показывающие деформации, а также напряжения, и эти ожидания были превзойдены. Поэтому не является правильным представлением об оптимальных условиях работы холодного трубопровода в условиях вечной мерзлоты. Это утверждение подтверждают и исследователи, писавшие на эту тему [29].

На Аляске специалисты провели натурные опыты по исследованию выпучивания трубопровода, являющегося холодным (до минус пяти градусов Цельсия) с  l = 105 м, D = 900 мм в ходе перехода через непосредственно талик. Наблюдения показали величину, скорость трубного выпучивания при длительном грунтовом промерзании. В талой области общее перемещение трубопровода, являющегося экспериментальным, за 1200 суток достигло уровня в 40 см (табл.), а напряжения стали причиной изменения структуры трубопровода (в пластическом плане). Сама труба сплющилась и не разрушилась, так как не было создано давления в трубопроводе. При данных обстоятельствах не избежать дальнейшего разрешения, непосредственно на трубопроводе Ямала, диаметр которого составляет 1420мм, а давление 12МПа.

Регламент проведения работ в районах вечной мерзлоты был разработан на основе опыта России и других стран. Трубопроводы, построенные в таких условиях, должны быть защищены, чтобы предотвратить замерзание воды и избежать проседания, вызванного оттаиванием грунта у подножия труб.

Работы определенных исследователей включают особенности водоснабжения на грунтах, являющихся многолетнемерзлыми: Г.Алексеевой, И.Алешкиной, Ю.Александровой, М. Андрияшевой и т.д.[30,31].

В работах этих ученых рассмотрены

• Специфика планирования/строительства/расчета сооружений, являющихся водозаборными, эксплуатации насосных станций, строительства водопроводов и оптимизации соответствующих методов строительства водоснабжающих сетей.
• Методы расчета трубопроводных систем,
• Организационные меры повышения надежности систем.

Известно, что существуют различные режимы работы самотечных и напорных трубопроводов, а подземная прокладка является основным типом самой канализационной системы.

Гинзбург выполнил анализ итогов создания проекта, работы систем водоснабжения и очистки сточных вод, построенных в суровых климатических обстоятельствах с вечномерзлыми грунтами.

При создании коммуникаций в данных условиях важно учитывать мероприятия, обеспечивающие надежную защиту от разрушений вследствие замерзания По итогам выполненного анализа чрезвычайных ситуаций на основных водоводах, которые связаны непосредственно с трубным разрывом, а также стыковым нарушением, А.Гинзбург предложил соответственно систему управления режимом водоводов.

Подземные каналы применяются при прокладке сетей теплоснабжения или для совместной прокладки инженерных коммуникаций различного назначения. Главной задачей при проектировании и строительстве подземных каналов является обеспечение их устойчивости при оттаивании мерзлых грунтов в основании сооружения и борьба с затоплением каналов надмерзлотными водами. Для обеспечения надлежащей устойчивости каналов грунты   заменяются на расчетную глубину. Расчет глубины замены грунта в основании канала производится из условия максимального оттаивания грунтов под ним в летнее время. В холодный период года оттаявший под каналом слой грунта должен быть снова проморожен, для чего каналы вентилируются зимой морозным воздухом для удаления из них тепла, препятствующего промерзанию нижележащих слоев грунта [32].

Для борьбы с затоплением каналов грунтовыми водами принимаются различные меры. К ним относятся: устройство глинобетонных замков-перемычек по трассе канала, дренажа, закладка каналов на возможно меньшую глубину в грунт и, наконец, отвод грунтовых вод по самому каналу. Однако все эти меры малоэффективны, так как большой ореол оттаивания вокруг каналов создает обильный приток надмерзлотных вод, отвод которых в условиях многолетнемерзлых грунтов представляет немалые трудности. Лучшим способом в этом отношении является сооружение каналов мелкого заглубления, что, к сожалению, не всегда возможно.

Недостаточно для всестороннего рассмотрения и разработки методологии прогностического прогнозирования, к сожалению, подробных системных материалов по направлению формирования температурного режима районов зданий в условиях криолитозоны. Дополнительные факторы, возникающие в результате несчастных случаев в технической коммуникации, имеют важное значение.

Существует потребность в определении коэффициентов безопасности в ходе проектирования фундаментов и разработки новых фундаментных типов, менее чувствительных к постепенным изменениям температуры и грунтовых свойств, для оценивания опасности климатического потепления, а также активного техногенного воздействия на многолетнемерзлые грунты для фундаментов зданий и сооружений в районах крупной застройки.

Тем не менее, выявлена общая тенденция повышения температур многолетнемерзлых грунтов в зоне годовых нулевых амплитуд на территории многоэтажной застройки города Якутска. Приведенный анализ дает основание прогнозировать снижение несущей способности оснований сооружений в текущий момент и в ближайшей перспективе.

 

Постановка задачи

Предметом данного исследования является положение трубопровода в горизонтальной плоскости относительно здания при воздействии аварийных утечек в многолетнемерзлых грунтах. Цель исследования — изучение результатов влияния утечек на температурное поле многолетнемерзлого грунта на примере города Якутска, и, как следствие, определение минимальной глубины заложения коммуникаций и оптимального расстояния от трубопровода до здания. Расчеты выполнены с использованием программного комплекса Frost 3D, позволяющего получать научно-обоснованные численные прогнозы тепловых режимов грунта. Результаты исследования представлены в виде визуализированных тепловых полей и графических зависимостей изменения температуры от координаты.

 

 Метод расчета

В качестве метода расчета выбран программный комплекс Frost 3D, который позволяет прогнозировать тепловые режимы многолетнемерзлых грунтов в условиях влияния дополнительных техногенных временных и постоянных источников тепловыделений, существенно воздействующих на формирование термополей мерзлых грунтов. Решение уравнения теплопроводности в трёхмерной постановке осуществляется численно с помощью метода конечных разностей. Данный метод является сеточным, т.е. расчетная область дискредитируется гексаэдрической сеткой, а решение непосредственно в узлах сетки, для каждой из которых составляется разностное уравнение в соответствии с используемым шаблоном расчётной схемы. Получается система линейных равнений, решение которой позволяет получить необходимый результат в рассматриваемой расчётной области.

Расчет нестационарной задачи распространения тепла в трехмерном пространстве в программе Frost 3D Universal основан на широко апробированном уравнении теплопроводности (3.1), в котором учтены фазовые превращения и перенос тепла за счет конвекции:

(С(Т) + ρ_b L ( w_w(Т) / Т)) Т / t + ∇(- λ(T) ∇T) + C_wu∇T=0

где Т – температура, ̊С; С(Т) – зависимость объемной теплоемкости грунта от температуры, Дж/(м³ ̊С); w_w(Т) – зависимость количества незамерзшей воды в грунте от температуры, д.е.; ρ – плотность грунта, кг/м³; L – удельная теплота фазового перехода, Дж/кг; t – время, с; λ(T) – зависимость теплопроводности грунта от температуры, Вт/ (м∙̊С); C_w – объемная теплоемкость воды, Дж/(м³∙С); u – вектор скорости фильтрации грунтовых вод, м/с.

Для всех имеющихся в моделируемой области материалов и сезоннодействующих охлаждающих устройств пользователю необходимо задать соответствующие физические свойства. Также для всех используемых в модели условий теплообмена необходимо определить параметры граничных условий (см пункт 3.1.4).

В программном комплексе доступно задание следующих граничных условий:

— Граничное условие первого рода (3.2), где необходимо задать зависимость температуры от времени:

                                                     Т=Т_ext(t);                                                  (3.2)

— Граничное условие второго рода (3.3), где необходимо задать зависимость теплового потока от времени:

=q₀ (t)                                               (3.3)

— Граничное условие третьего рода (Теплообмен по Ньютону) (3.4), где необходимо задать зависимость температуры, коэффициента теплообмена, а также, при необходимости, дополнительного теплового потока от времени:

=α(t)( Т_ext(t)-T)+ q₀ (t);                                         (3.4)

где α — коэффициента теплообмена, Вт/(м² ∙ ̊С) Тext; Т_ext – температура внешней среды, ̊С; Т – температура грунта, ̊С; q₀ – тепловой поток, Вт/м²; t – время, c,  n— нормаль к поверхности тела в точке М.

Решение уравнения теплопроводности в трёхмерной постановке осуществляется численно с помощью явного метода конечных разностей. Конечно-разностный метод является сеточным методом. т.е. расчетная область дискретизируется гексаэдрической сеткой, а решение происходит непосредственно в узлах сетки, для каждой из которых составляется разностное уравнение в соответствии с используемым шаблоном разностной схемы. Получается система линейных равнений, решение которой позволяет получить необходимый результат в рассматриваемой расчётной области.

Программный комплекс Frost 3D Universal предназначен для оценки  теплового влияния различных тепловых источников на ММГ: скважин, трубопроводов, зданий и других технических сооружений: т.е. рассматривается конкретно массив грунта, в котором и решается численно уравнение теплопроводности. Влияние всех этих объектов на ММГ моделируется через граничные условия, т.е. нет необходимости, например, моделировать всё здание или скважину со всеми её слоями достаточно лишь задать их тепловое влияние на границе «грунт-объект». Это значит, что задача решается в одном направлении. т.е. определяется, как различные источники тепла влияют на тепловое состояние ММГ, но не как ММГ влияет на тепловое состояние строительных объектов, сооружений.

Таблица 2.

 

Расчетная схема задачи представляет собой грунтовый массив однородного мерзлого грунта, являющийся основанием здания, возведенного по 1 принципу. Кроме того, на формирование температурного режима грунтового массива оказывает подводящий высокотемпературный трубопровод. Теплотехнические характеристики грунта приняты как усредненные значения характерные для центральной части Якутии.

Для расчета влияния аварийных утечек инженерных коммуникаций на глубину заложения трубопроводов была принята следующая расчетная схема:

Рис. 7 — Расчетная модель; 1 – трубопровод, 2 – проветриваемое подполье, 3 – здание; 4 – массив грунта,

В качестве коммуникаций принимаем ввод тепловой сети диаметром 100 мм. Материал трубы – сталь с теплопроводностью 47 (Вт/м∙К); в качестве теплоизолятора принимаем пенополистирол толщиной 40 мм с теплопроводностью 0,04 (), ввод подходит к зданию в центре более длинной стороны в плане, вход выпуска в стену на высоте 1200 мм от поверхности земли. Температура теплового носителя 90 °С.

Размеры здания в плане 30000 х 24000 мм, высота здания 10000 мм, высота проветриваемого подполья 1200 мм. Температура здания принимается 20 °С. Грунтовый массив одноодный, представлен песком средней крупности, мощность массива 30000 мм. Сваи не моделируются в данной схеме т. к. считается что через несколько лет после строительства объекта они принимают температуру грунта, и от здания они идеально теплоизолированы.

Рис. 8. Сечение трубопровода теплосети.

Внешняя среда характеризуется скоростью ветра в течении года по месяцам и среднемесячной температурой воздуха в течении года (данные представлены в Таблице 2), материал внешней среды моделируется на площадке над грунтовым массивом вокруг здания (и подполья), на высоту здания. Внешняя среда граничных условий не имеет.

Для получения результатов исследования было решено 4 тестовые базовые задачи для исследования температурного распределения в грунте:

1) Без учета аварийных утечек, результат снят на самое теплое время года 15.09.2021, расстояние между параллельной прокладкой трубопровода и зданием 1 м.

2) Без учета аварийных утечек, результат снят на самое теплое время года 15.09.2021, расстояние между параллельной прокладкой трубопровода и зданием 2,5 м.

3) С учетом аварийных утечек, результат снят на самое теплое время года 15.09.2021, расстояние между параллельной прокладкой трубопровода и зданием 2,5 м.

4) С учетом аварийных утечек, результат снят на самое теплое время года 15.09.2021, расстояние между параллельной прокладкой трубопровода и зданием 5 м.

Рис. 9 — Расчетная модель. Плановое положение.

Рис. 10. Расчетная модель-3D построение.

Выбор конечно-разностной сетки определяется, прежде всего, требованиями физической постановки задачи. В этой связи на краях расчетной области принимается более частая сетка, для уменьшения влияния систематической ошибки на распределение температур во внутренней части области. В местах расположения локальных источников тепла и в области, где необходимо более детальное рассмотрение температурного поля,  конечно-разностная сетка также учащается. Узлы конечно-разностной сетки не должны лежать непосредственно на границах областей с различными теплофизическими характеристиками, так как с противном случае возникают сложности с заданием расчетных характеристик в этих узлах.

Рис. 11. Расчетная модель после разбиения на сетку (разбиение здания на сетку не производится, поскольку влияние от него на температурный режим грунта не учитывается)

Для прогноза температурного режима грунтового основания здания при взаимодействии его с окружающей средой в климатических условиях Крайнего Севера требуется, в первую очередь, значение точных характеристик всех климатических и тепловых воздействий. Внешней средой, окружающей расчетную область, является атмосфера с ее климатическими характеристиками и часть грунтового массива, непосредственно прилегающая к рассматриваемому основанию, характеризующемуся в северных условиях многолетнемерзлым состоянием и сложными геологическими, криогенными и термомеханическими процессами.

Расчетные теплофизические характеристики грунтов основания принимаются на основании инженерно-геологических изысканий. При расчете терморежима в основании здания с проветриваемом подпольем значение температуры на поверхности грунта под зданием принято с понижающим коэффициентом 0,93 в соответствии с рекомендациями  СП. Температура на поверхности контакта грунта с теплосетью поверхностной прокладки и трубопровода глубинного заложения задаются по результатам натурных наблюдений и имеющегося опыта эксплуатации зданий в криолитозоне.

В предлагаемой инженерной методике влияние утечек моделируется комбинациями локальных (точечных) и линейных прерывистых тепловых источников, вызывающих в момент приложения тепловой нагрузки мгновенное изменение температуры на поверхности грунта в данной точке или на данном участке воздействия на значение температуры воды, поступающей из здания или коммуникаций.

В отличие от постановки аналогичной задачи без учета теплового влияния от утечек в математической постановке задач с учетом такого влияния добавляется следующее граничное условие на поверхности в месте появления утечки

Т(х,у,t) = Tconst

За начальное температурное поле, на базе которого производятся температурные расчеты с учетом утечек, принимается квазистационарное распределение температур, полученное при решении задачи на 1 год моделируемой эксплуатации.

---

Страницы 1 2