Анализ данных диагностики переходов магистральных трубопроводов через водные преграды показывает, что наиболее часто встречающимися неисправностями являются размывы труб с оголением и опасным провисанием. Несмотря на широкое внедрение современных приборных средств и технологий, неуклонное повышение объемов обследования и ремонта переходов, число размытых подводных трубопроводов существенно не уменьшается.
Особенно часто проблемы возникают в пределах слабоустойчивых русел рек с интенсивными плановыми и вертикальными деформациями. Здесь размывы поймы и берегов достигают десятков метров в год (в Кавказском регионе — сотен метров), а размывы дна — до метра в год.
Помимо естественных факторов развития русел нагрузку на переходы усиливают антропогенные воздействия: регулирование стока воды и наносов речными гидроузлами, несогласованные устройство карьеров для добычи стройматериалов, дноуглубительные и русло-выправительные работы, строительство мостовых переходов, набережных и других инженерных сооружений.
Чаще всего ремонт, выполненный для локальной защиты трубопровода в виде банкетов из мешков ПЦС или отсыпки щебнем, без должного анализа причин размыва, вносит дополнительные искажения в ход русловых процессов и может оказывать струенаправляющее действие, инициируя размывы на соседних участках перехода.
Также переукладка трубопровода или гидротехнический ремонт в многониточном коридоре на одной из размытых ниток, особенно расположенной выше по течению, может инициировать размывы нижележащих труб.
Таким образом, не только естественное развитие руслового процесса оказывает влияние на техническое состояние подводных переходов, но и сами ремонтные работы в период эксплуатации влияют на развитие русловых процессов.
Все это многообразие проблем и условий показывает, что защита подводных переходов от размыва является достаточно сложной задачей. Площадь и протяженность русловых деформаций чаще всего выходят далеко за пределы зоны перехода, а отсутствие необходимой гидрографической и гидрологической информации и незнание причин размыва ведет к кратковременности его защиты и, как следствие, к необоснованным повторам дорогостоящих подводно-технических работ.
Оценка причин размыва переходов опирается как на результаты инженерных изысканий, так и на анализ всех имеющихся архивных материалов, данных космической съемки Земли и компьютерного моделирования русловых деформаций и их сопоставление с использованием геоинформационных технологий.
Планирование изысканий проводится, прежде всего, в результате анализа архивных космических снимков и картографического материала, определяя тип руслового процесса и характерный русловой масштаб. В случае возможности сопоставления нескольких архивных снимков друг с другом определяются тенденции развития русловых деформаций и назначаются зоны топографической, гидрографической и гидрологической съемки и требуемый уровень детальности изысканий.
При анализе русловых процессов необходимо учитывать как зону перехода, так и соседние участки русла, морфология и динамика которых взаимосвязана, поэтому протяженность русловой съемки назначается в соответствии с длиной русловых форм и на крупных реках может достигать нескольких десятков километров.
В основе полевых работ лежит создание цифровой модели рельефа (ЦМР) района изысканий, в составе которых выполняются промерные работы в русловой части и наземная топографическая съемка береговой и пойменной частей подводного перехода.
Ввиду ряда географических и природных причин, а также вследствие большой протяженности исследуемых объектов, становится весьма неудобным и непродуктивным использование традиционных методов и инструментов. Поэтому при изысканиях на подводных переходах целесообразно применять спутниковые технологии геодезических измерений, которые обеспечивают необходимую погрешность как съемки рельефа дна и берегов, так и нивелирования водной поверхности даже при небольших уклонах.
Промеры глубин осуществляются эхолотами по галсам, частота которых определяется масштабом съемки и характером рельефа. При промерных работах, выполненных однолучевым эхолотом, получается массив точек, сосредоточенных только вдоль промерных галсов.
Для больших рек, где частота галсов значительно сказывается на объеме работ, неравномерность получения данных приводит к возникновению ошибок при построении поверхности интерполированием. Это может исказить картину развития русловых процессов и потребует значительных затрат времени для предварительного анализа и корректировки данных. Таких недостатков нет при использовании современных многолучевых эхолотов, которые позволяют получить равномерный массив точек рельефа и качественное изображение дна.
В дополнение к традиционному составу гидрографических и инженерно-геодезических изысканий, обязательно проводится подробная гидроакустическая съемка рельефа дна в зоне переходов локатором бокового обзора и акустическим профилографом.
Данные исследования позволяют выявить более подробно не только естественные русловые формы, их размеры и характер распространения, но и идентифицировать объекты антропогенного характера, а именно, траншеи и отвалы грунта, защитные конструкции, оставшиеся от некачественного строительства или ремонта, участки с оголениями и провисами труб.
Традиционные гидрологические изыскания достаточно трудоемки ввиду точечного характера получения на разных глубинах скорости и направления потоков и данных по взвешенным наносам. Для повышения производительности изысканий целесообразно использовать доплеровское измерители скоростей и мутности потоков (ADCP) типа Rio Grande (США), которые в сочетании с GPS- технологиями позволяют в 5-10 раз ускорить получение гидрометрических данных и одновременно получать поперечный профиль русла реки, что особенно актуально для крупных рек.
Использование ADCP позволяет за один проход по створу получить данные о скоростях течений по всему сечению реки и сразу рассчитать расход. Сплошная съемка поля скоростей в самой зоне подводного перехода наглядно демонстрирует водовороты, зоны максимальных и минимальных скоростей на разных глубинах и позволяет понять механизм воздействия потока на грунт в районе труб.
Эффективным методом изучения русловых процессов следует признать технологии дистанционного зондирования Земли (космическая съемка). Появившийся в последнее десятилетие доступ к зарубежным и отечественным спутниковым снимкам позволяет определять динамику меандрирования русел, границы и типы растительности на пойме, выявлять русловые макроформы значительной протяженности и направление прохождения паводковых вод.
Кроме того, определяя во время изысканий координаты видимых на снимках в зоне переходов сооружений (крановые узлы, мачты ЛЭП и т.п.), с помощью функции ортотрансформирования производится привязка космических снимков к местности, что повышает достоверность полевых геодезических данных.
Сравнение ЦМР, полученной по полевым данным, с оцифрованными планами предыдущих обследований, данными картографического материала, лоций для судоходных рек, спутниковых снимки за предыдущие годы и привязка этих материалов к единой системе координат позволяет получать разностные планы изменения рельефа, и таким образом, проанализировать горизонтальные и вертикальные деформации дна и берегов в зоне перехода.
Полученная ЦМР района изысканий и расчетные гидрологические характеристики используется для проведения компьютерного моделирования деформаций дна, которое достаточно близко увязывает данные полевых измерений и численного эксперимента, позволяет наглядно распознать характер развития русловых деформаций при различных сезонных ситуациях и, при необходимости, крупномасштабно «проигрывать» различные варианты защиты перехода от размыва. Для этих целей используется программный комплекс российской разработки FLOOD (НИИЭС), в основе которого заложены двумерные уравнения Сен-Венана, уравнение переноса частиц наносов и уравнение деформаций дна.
Для выявления причин размыва трубопроводов и прогноза дальнейшего развития русла проводится экспертный анализ архивных данных о техническом состоянии перехода за весь период эксплуатации, полученной информации о плановых и вертикальных деформациях дна и берегов с учетом морфологических характеристик и типа руслового процесса на рассматриваемом участке реки, результатов компьютерного моделирования.
Сочетание перечисленных методов изысканий и экспертного анализа позволяет учесть многофакторный процесс динамики русла реки в зоне перехода, определить причину размыва, спрогнозировать дальнейшие деформации дна и берегов и разработать проектные решения для инженерной защиты и обеспечения безопасности подводных трубопроводов.
Практика проведения работ по определению причин размыва трубопроводов и принятия на их основе проектных решений по выбору долговременной защиты переходов от размыва показала высокую эффективность.
Подводя итоги, можно заключить, что:
- для предотвращения размыва трубопроводов необходимо выявить их причину;
- для выявления причины необходим анализ русловых процессов;
- для объективного анализа русловых процессов необходим комплексный подход к инженерным изысканиям с опорой на научную базу, современное техническое оснащение и применение геоинформационных технологий.
Поэтому для всех подводных переходов, где зафиксированы размывы, необходимо проводить вышеперечисленный комплекс изыскательских и аналитических работ и сделать его обязательным и нормативно закрепленным.