Доклад Артемия Соколова на тему «Конструктивно-технологические решения, как основа противодействия суровым природно-климатическим условиям Крайнего Севера, при строительстве гидротехнических сооружений»
Арктика является стратегически важной зоной для Российской Федерации в области военных, экологических и экономических разработок, а также в области недропользования. По мнению экспертов, в Арктическом районе сосредоточено более 25% мировых запасов нефти и газа. По разным оценкам, в морях Северного Ледовитого океана разведано более 62 трлн кубометров газа и более 9 млрд тонн нефти. На берегу - 3,5 млрд тонн нефти. За Полярным кругом располагается около 60 крупных углеводородных месторождений, из которых 43 - в Российском секторе. Суммарные извлекаемые ресурсы российской Арктики оцениваются в 106 млрд тонн нефтяного эквивалента.
Арктический регион наиболее чувствителен к глобальному потеплению. Темпы сокращения годовых максимумов льда в Арктике ускоряются. Наблюдается устойчивая тенденция к уменьшению площади арктических льдов.
Активное таяние льдов увеличивает возможность добычи полезных ископаемых. В условиях истощения мировых запасов нефти и газа это привлекло к региону внимание многих государств мира. Также, таяние льдов создает дополнительные возможности для активной эксплуатации Северного морского пути. Глобальные климатические изменения, в наибольшей степени проявляющиеся в Арктическом регионе, опосредованно влияют на ближайшие и долгосрочные планы Российской Федерации.
24 апреля 2014г. утверждена государственная программа "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года". Государственная программа рассчитана на период с 2015 по 2020 год. В программе выделено три основных направления деятельности – это освоение арктических ресурсов, развитие мореплавания на освобождающихся ото льда акваториях и внимание к жизни коренных жителей. В соответствии с программой, на ее реализацию в ближайшие несколько лет в Арктику необходимо вложить 2 трлн рублей, из которых половину суммы составят бюджетные средства. Средства будут потрачены на инфраструктурные проекты, в том числе на строительство новых и реконструкцию старых морских портов.
Из заявления президента Российской Федерации следует, что развитие Арктического региона является нашим долгосрочным национальным интересом. Планируется усиление морской составляющей пограничной группировки ФСБ и укрепление военной инфраструктуры. 15 сентября 2014 отряд кораблей Северного морского флота доставил 200 моряков к месту несения постоянной службы в Арктику – Москва продемонстрировала мировой общественности готовность к жесткой конкуренции за Арктические ресурсы и контроль над Северным морским путем.
Таким образом, в ближайшие годы ожидается существенное увеличение темпов и объемов строительства в условиях Крайнего Севера, в том числе и строительство большого числа гидротехнических объектов.
Крайний Север, с точки зрения строительных работ, технологий и материалов оказывает существенное влияние на выбор конструкции сооружения и его отдельных элементов.
Характерными усугубляющими факторами, при проектировании и строительстве в данном регионе, являются большие по величине значения отрицательных температур, которые отмечаются на протяжении долгого периода времени. Данное обстоятельство необходимо учитывать при выборе строительных материалов. Температурный режим региона, в свою очередь, влияет на физико-механические свойства льда, что приводит к значительным по величине нагрузкам на сооружения от ледовых полей и торосистых образований. К примеру, на часть гидротехнических сооружений (ГТС) с вертикальными сплошными стенами в районе Обской губы могут воздействовать глобальные ледовые нагрузки с величинами 250 тонн на 1 м.п. – от ровного льда или 450 тонн на 1 м.п. – от торосистых образований. Также, с точки зрения инженерно-геологических условий, Арктический регион характеризуется наличием вечномерзлых грунтов, которые обладают специфичными физико-механическими свойствами. Учет данных свойств важен, как с точки зрения выбора технологии возведения сооружения, так и с точки зрения выбора типа конструкции и ее несущих элементов.
Немаловажной, с точки зрения строительства сооружения, является оторванность мест строительства от строительно-индустриальных баз и трудность освоения строительных площадок, что также влияет на выбор конструктивных решений.
Особенности проектирования причальных сооружений для условий Арктики и основные конструктивные требования к морским причальным ГТС изложены в ряде нормативных документов: [1], [2], [3]. Документы разрабатывались в 90-ых годах Государственным проектно-изыскательским и научно-исследовательским институтом морского транспорта "Союзморниипроект" и на настоящий момент имеется необходимость в обновлении и обобщении вышеприведенной нормативной базы. Осуществляя расчетное обоснование и занимаясь конструированием сооружений, зачастую, невозможно руководствоваться единственным действующим (из перечисленных) нормативным документом – [1] из-за допущенных в нем опечаток и недоработок.
Обобщая информацию, изложенную в вышеперечисленных нормативных документах, можно составить перечень основных (ключевых) требований или направлений, по которым следует вести повышение надежности конструкции на стадии проектирования. Общая нацеленность требований заключается в противодействии высоким по величине ледовым нагрузкам и истирающему воздействию льда. Требования охватывают технологии возведения, а также дают общие установки по надежности сооружений, возводимых в условиях Крайнего Севера.
К наиболее важным требованиям, с точки зрения работы конструкции, можно отнести следующие требования:
- максимально простая и надежная конструкция;
- применение материалов, надежно работающих при низких температурах (стали: ударная вязкость 3 кДж/м2 при температуре минус 40 град. с гарантией свариваемости; железобетон: высокие марка по прочности, морозостойкость и водонепроницаемость);
- необходимость создания противоледового пояса для тонкостенных конструкций (так как конструкции подвержены истирающему воздействию льда, а также высоким ледовым нагрузкам);
- необходимость учета свойств мерзлого грунта и нацеленность на их использование (смерзшийся грунт обладает в сотни раз более высоким сцеплением по сравнению с обыкновенным грунтом; учет свойств ледогрунта приводит к существенной экономии строительных материалов и как следствие уменьшает стоимость объекта);
- тепло- и гидроизоляция ледогрунтового массива (в случае использования его свойств в работе конструкции);
- отсутствие выступающих частей для уменьшения воздействия льда на сооружение;
- необходимость учета термического расширения льда в полости сооружения, а также в полых конструктивных элементах (полости конструктивных элементов необходимо заполнять бетоном либо пескоцементом);
- в случае возможности гидростатического давления воды применять дренажные устройства, которые должны сохранять свою работоспособность в суровых ледовых условиях.
Конструктивными элементами, в наибольшей степени удовлетворяющими вышеперечисленным требованиям, при строительстве причальных ГТС, являются трубчатые элементы и производные от них, например трубошпунт. Трубошпунт состоит из трубы и приваренных к ней пары замков. Обычно схема выглядит так: труба-замок-труба.
Основными преимуществами трубчатого шпунта перед стандартными видами шпунта являются:
-
экономия в металлоемкости в сравнении со шпунтом;
-
незначительное увеличение металлоемкости приводит к значительному росту момента сопротивления и момента инерции сечения трубошпунтовой стены;
-
трубошпунт позволяет получить наибольший момент сопротивления погонного метра шпунтового ряда на единицу массы по сравнению с корытообразным и зетовым профилем;
-
предельно допустимая нагрузка замковых соединений для трубошпунта, по результатам испытаний составляет от 150 (минимально-допустимая величина по [4]) до 723 тонн на погонный метр;
-
меньшая вероятность возникновения проблем и дефектов, при погружении стенки (веерность, необходимость выполнения клиновых шпунтин и т.д.) так как некоторые типы замков трубошпунта обладают высокой прочность на разрыв, также, при правильном подборе типа замка, уменьшается вероятность заклинивания шпунта, при погружении, что также повышает производительность работ, особенно в условиях Крайнего Севера;
-
трубная шпунтовая свая шире, чем свая шпунта, за счет чего технологический цикл погружения сокращается в 2-3 раза;
-
возможность комбинировать трубошпунт с различными видами заполнений с применением различных типов замковых соединений;
-
значительная жесткость трубы по сравнению с жесткостью замка и его расположение в нейтральной оси стенки делает работу системы оптимальной с точки зрения распределения и восприятия усилий;
-
возможность выполнения железобетонных пробок, которые в значительной степени влияют на изгибную жесткость и прочность элемента в целом;
-
подходит для любого типа грунта, есть возможность использовать шнеки для бурения грунта внутри трубы;
-
удобное помещение в трубу замораживающих устройств.
С точки зрения несущей способности, стандартные шпунтовые элементы могут составить конкуренцию трубчатым элементам, в случае применения высокопрочных сталей, таких как S390GP или S430GP. Применение такого рода сталей не удовлетворяет требованиям норм с точки зрения их работы при больших значениях отрицательных температур, в то время как трубошпунт может быть изготовлен из сталей, удовлетворяющих заданным требованиям.
Стоит отметить, что выполнение железобетонного сердечника в полостях свай сооружений, возводимых в условиях Крайнего Севера особенно важны с точки зрения восприятия локальных усилий, вызванных ледовым воздействием. Также, заполнение пространства трубы бетоном повышает ее коррозионную стойкость и препятствует возникновению термического расширению льда во внутренней полости.
Таким образом, в ближайшие пять лет ожидается значительное увеличение объемов строительства гидротехнических объектов в условиях Крайнего Севера, что повлечет за собой необходимость поиска оптимальных конструктивных решений и элементов конструкций. Пристальное внимание при рассмотрении данного вопроса следует обратить на трубчатые элементы, как наиболее удовлетворяющие требованиям нормативных документов и эффективные с экономической точки зрения.
Литература:
-
РД 31.31.55-93 «Инструкция по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений», М.: ФСМФ России, 1996;
-
РД 31.31.25-85 «Инструкция по проектированию причальных сооружений для условий Арктики», М.: В/О «МОРТЕХИНФОРМРЕКЛАМА», 1986;
-
РД 31.31.23-81 «Руководство по проектированию узких засыпных пирсов и палов с учетом арктических условий», М.: Мин. Мор. Флота СССР, 1982;
-
ГОСТ Р 52644-2010 «Шпунт трубчатый сварной. Технические условия», М.: Стандартинформ, 2011.
