Способ прокладки подземного трубопровода и устройство для его осуществления

Изобретение относится к строительству магистральных трубопроводов в зимнее время на уклонах трассы, сложенных высокольдистыми вечномерзлыми грунтами. Способ заключается в раскопке траншеи, укладке на ее дно трубопровода с размещением по его сторонам двух дренажных каналов, состоящих из состыкованных между собой трубчатых элементов, и обратной засыпке траншеи грунтом. Участки поверхности дна траншеи выполняют под углом с понижением к вертикальной ее оси. Состыкованные трубчатые элементы подбивают в пространство между трубопроводом и дном траншеи, после чего перекрывают трубопровод, дно траншеи, боковые поверхности трубчатых элементов и траншеи гибкими водопроницаемыми коврами с последующей их засыпкой грунтом, перекрытием его свободными боковыми участками ковров и окончательной засыпкой траншеи. Каждый трубчатый элемент выполнен в виде изгибно-жесткой прямой призмы треугольного сечения, состоящей из трех панелей из высокопрочного стеклопластика. Прилегающая к трубопроводу панель выполнена в поперечных сечениях криволинейной по радиусу, равному радиусу наружной поверхности трубопровода. Панель, контактирующая с водопроницаемым ковром, выполнена плоской со сквозными отверстиями. Один концевой участок каждого трубчатого элемента выполнен в виде аналогичной призмы, размещенной без зазоров заподлицо по наружным поверхностям с пристыкованным к нему аналогичным трубчатым элементом. Технический результат: обеспечение устойчивого положения участка трубопровода и грунта в траншее на уклонах трассы. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при сооружении магистральных трубопроводов в зимнее время на уклонах трассы, сложенных высокольдистыми вечномерзлыми грунтами.

Известен способ прокладки подземного трубопровода на уклонах трассы в зоне распространения высокольдистых вечномерзлых грунтов, заключающийся в том, что при прокладке трубопровода на дне траншеи отрывают продольные каналы, которые по периметру перекрывают водонепроницаемым листовым материалом с засыпкой боковых карманов и перекрытием грунта засыпки сверху боковинами водопроницаемого ковра [см. пат. РФ №2090795, МПК⁶ F16L 1/028, опубл. 20.09.1997].

Недостатки способа заключаются в следующем:

- требуются дополнительные работы по раскопке продольных каналов для водопропуска;

- фильтрующий материал в каналах значительно снижает их водопропускную способность;

- существует опасность заиливания каналов за счет оттаивания боковых стенок траншеи за пределами водопроницаемого ковра и отекания неотфильтрованного грунтового раствора в каналы. В результате затруднения движения жидкости вдоль склона по продольным каналам она будет размывать и уносить грунты засыпки из верхней части траншеи, оголяя трубопровод.

В качестве прототипа к заявленному способу выбран способ прокладки трубопровода в обводняемых грунтах, в соответствии с которым отрывают траншею, укладывают на ее дно трубопровод и две дренажные трубы по его сторонам, состоящие из состыкованных между собой конусообразных наборов заготовок, составленных из некондиционного лесоматериала, завернутого в гибкий фильтрующий материал, причем меньшие основания конусов размещают в направлении стока воды, после этого траншею засыпают [см. авт. свид. СССР №1770656, МПК⁵ F16L 1/028, опубл. 23.10.1992].

Недостатки способа по прототипу состоят в следующем:

- способ малоэффективен при использовании на трубопроводах, прокладываемых в зимнее время в районах крайнего севера, где ощущается дефицит лесоматериалов;

- подготовка элементов дренажных труб, как-то: сбор лесоматериала, его сортировка, обертывание лесоматериала фильтрующими гибкими коврами, требуют значительных затрат ручного труда и времени;

- при прокладке трубопровода в льдонасыщенном грунте, оттаивающем в весенне-летний сезон, возможна потеря его устойчивости при воздействии выталкивающей архимедовой силы и продольного сжимающего усилия.

Известно устройство, используемое для прокладки трубопровода в обводняемых грунтах, состоящее из трубчатых элементов, взаимодействующих между собой путем стыковки концевых участков и представляющих собой дренажные трубы, выполненные из стыкованных между собой конусообразных наборов заготовок, составленных из некондиционного лесоматериала, завернутого в гибкий фильтрующий материал [см. авт. свид. СССР №1770656, МПК⁵ F16L 1/028, опубл. 23.10.1992]. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа к заявленному устройству.

Недостатки конструкции дренажных труб в прототипе состоят в следующем:

- применяемый лесоматериал значительно снижает площадь «живого» сечения дренажных труб;

- гибкий фильтрующий материал имеет низкий уровень прочности и сопротивления сжатию падающего грунта засыпки, в результате чего лесоматериал в трубах дополнительно сдавливается давлением грунта;

- конструкция соединяемых концевых трубных элементов, обладающих определенной изгибной жесткостью, не обеспечивает плотного прилегания дренажных труб к трубопроводу из-за их ступенчатого соединения, допускающего зазоры между боковыми поверхностями дренажных труб и трубопровода, в результате чего вода, проходящая через эти зазоры, будет размывать грунт под трубопроводом.

Задачей изобретения является повышение надежности эксплуатации подземного трубопровода, проложенного на уклонах трассы, сложенных льдистыми грунтами.

Техническим результатом изобретения, который достигается при осуществлении данного способа, является обеспечение устойчивого положения участка трубопровода и грунта в траншее на уклонах трассы за счет интенсивного отвода воды из траншеи по дренажным каналам и использования грунтонесущих гибких водопроницаемых ковров, обеспечивающих балластирующую способность грунта засыпки.

Поставленная задача в способе прокладки подземного трубопровода, заключающемся в раскопке траншеи, укладке на ее дно трубопровода с размещением по его сторонам двух дренажных каналов, состоящих из состыкованных между собой трубчатых элементов, и обратной засыпке траншеи грунтом, решается тем, что участки поверхности дна траншеи выполняют под углом с понижением к вертикальной ее оси, а состыкованные трубчатые элементы подбивают в пространство между трубопроводом и дном траншеи, после чего перекрывают трубопровод, дно траншеи, боковые поверхности трубчатых элементов и траншеи гибкими водопроницаемыми коврами с последующей их засыпкой грунтом, перекрытием его свободными боковыми участками ковров и окончательной засыпкой траншеи.

Поставленная задача в устройстве для осуществления способа подземной прокладки, состоящем из состыкованных трубчатых элементов, взаимодействующих между собой концевыми участками, решается тем, что каждый трубчатый элемент выполнен в виде изгибно-жесткой прямой призмы треугольного сечения, состоящей из трех панелей, одна из которых, прилегающая к трубопроводу, выполнена в поперечных сечениях криволинейной по радиусу, равному радиусу наружной поверхности трубопровода, а другая панель, контактирующая с гибким водопроницаемым ковром, выполнена плоской со сквозными отверстиями, причем один концевой участок каждого трубчатого элемента выполнен в виде аналогичной призмы, размещенной без зазоров заподлицо по наружным поверхностям с пристыкованным к нему аналогичным трубчатым элементом.

Поставленная задача в устройстве также решается тем, что трубчатые элементы выполнены из высокопрочного стеклопластика.

Сущность способа и устройства представлена на фиг.1-3. На фиг.1 изображено поперечное сечение траншеи после реализации способа, на фиг.2 - трубчатый элемент дренажного канала, на фиг.3 - дренажный канал в виде собранных трубчатых элементов.

Устройство для осуществления способа прокладки подземного трубопровода представляет собой дренажный канал 1, состоящий из собранных между собой трубчатых элементов длиной ℓ_п, каждый в виде изгибно-жесткой прямой призмы треугольного сечения, состоящей из трех панелей. Одна из них, панель 2, прилегающая к трубопроводу 3, выполнена по форме цилиндрической поверхности, идентичной по кривизне с участком боковой поверхности трубопровода 3, другая панель 4 шириной h_п, контактирующая с гибким водопроницаемым ковром 5, - плоская с выполненными сквозными отверстиями 6, расположена под углом β_п к нижней опорной плоской панели шириной b_п. Один концевой участок 8 каждого трубчатого элемента длиной ℓ_к выполнен в виде аналогичной призмы, размещаемой без зазоров заподлицо по наружным поверхностям в пристыкованном к нему другом трубчатом элементе.

Способ прокладки трубопровода осуществляется в следующем порядке. В мерзлом грунте с помощью роторного экскаватора разрабатывают траншею с вертикальными стенками 9 и дном 10 в виде наклонных к оси траншеи плоскостей. На дно 10 укладывают трубопровод 3, с обеих сторон которого вплотную к боковым поверхностям устанавливают дренажные каналы 1, собранные из трубчатых элементов, затем перекрывают трубопровод 3, плоские панели 4 трубчатых элементов с отверстиями 6, дно 10, стенки 9 траншеи гибкими водопроницаемыми коврами 5, заполняют траншею грунтом 11 в количестве, обеспечивающем необходимую балластирующую нагрузку, затем свободными боковыми участками ковров 5 перекрывают грунт 11, после чего выполняют окончательную засыпку траншеи грунтом 12.

Пример.

Размеры, форма и материал трубчатых элементов назначаются исходя из прочности конструкции под давлением грунта, водопропускной способности панелей 4, массы каждого трубчатого элемента, допускающей сборку дренажных каналов вручную.

Исходные данные для расчета: материал устройства - стеклопластик плотностью 1800 кг/м³, предел прочности при изгибе σ_в=200 МПа, горизонтальное давление грунта засыпки на панель 4 p_гр=0,03 МПа, длина панели ℓ_п=2,15 м, длина концевого участка трубчатого элемента ℓ_к=0,15 м.

Для расчета прочности панели 4 на давление грунта выбираем расчетную схему в виде полоски единичной ширины ℓ_o длиной h_п и толщиной δ_п, находящейся под нагрузкой q=р_гр·ℓ_o как балка с защемленными концами.

Максимальные напряжения изгиба в балке определяют по формуле

где - момент сопротивления сечения полоски.

Подставляя выражения q и W в формулу (1), получим формулу

Для определенности примем размеры h_п=0,4 м, δ_п=0,005 м, тогда σ_max=0,5·0,03·0,4²/0,005²=96 МПа. Условие прочности σ_max<σ_в в выполняется. Учитывая ослабляющее влияние отверстий, а также необходимость определенного запаса прочности, оставляем расчетные размеры h_п=0,4 м, δ_п=0,005 м (5 мм).

Размеры двух других панелей 2, 7 выбираем увеличенными по ширине по сравнению с h_п с целью увеличения площади контакта трубчатого элемента с трубой и снижения объема свободного пространства между низом трубы 3 и трубчатым элементом в зоне вертикальной оси траншеи. С учетом этого, назначаем ширину панели 7 b₇=0,48 м, панели 2 b₂=0,62 м, при этом угол β_п≈90º. Тогда площадь живого сечения F₁=0,5·b₇·h_п=0,096 м². Масса одного трубчатого элемента при назначенных размерах составит m=29 кг. Такая масса позволяет выполнить сборку дренажного канала двумя рабочими.

Способ подземной прокладки рассматриваем при следующих исходных данных: диаметр трубопровода D_н=1,42 м, угол α_y и длина L_y уклона трассы к руслу малой водной преграды составляют α_y=3º, L_y=100 м, максимальный расход воды, стекающей по уклону на ширине траншеи G_max=1,0 м³/сек.

Сначала определим пропускную способность дренажных каналов, размеры которых назначены выше.

Скоростной напор воды в дренажных каналах определяют по формуле

где ∆р - усредненный перепад давления воды по длине уклона, определяемый по формуле

где ρ - плотность воды, кг/м³; g - ускорение свободного падения (9,81 м/сек²).

Из формул (3), (4) получаем скорость потока υ:

Подставляя исходные данные в (5), получим м/сек.

Объемный расход воды G определяется по формуле

где F - площадь живого сечения пары дренажных каналов.

Подставляя данные υ=7,2 м/сек, F=2F₁=2·0,096=0,192 м² в (6), получим G=7,2·0,192=1,4 м³/ceк.

Поскольку G > G_max, то два дренажных канала обеспечат пропуск талой воды в максимальном режиме таяния снега и льдистого грунта.

Траншею глубиной 2,4 м разрабатывают роторным экскаватором, режущий рабочий орган которого позволяет формировать дно в виде двух плоскостей под углом α_т к оси траншеи, равным α_т =8÷10º и ширину, достаточную для выполнения работ по монтажу дренажных каналов 1 с обеих сторон трубопровода 3. В данном случае ширина траншеи равна 3,2-3,4 м. После укладки трубопровода на дно траншеи подают отдельные трубчатые элементы, которые по двое человек с каждой стороны трубопровода 3 состыковывают, двигаясь снизу вверх по уклону.

Общее количество трубчатых элементов

Для предотвращения разъединения состыкованных трубчатых элементов их скрепляют на участках ℓ_к винтами-саморезами. После монтажа дренажные каналы 1 вплотную придвигают к боковым поверхностям трубопровода 3. Следующая операция состоит в последовательном развертывании пяти гибких водопроницаемых ковров 5 длиной 21 м и шириной 17 м каждый, собранных из полотнищ геотекстильных материалов, и перекрытии ими профиля траншеи, поверхности трубопровода 3, панелей 4 с отверстиями 6, причем ковры укладывают с нахлестом торцевых участков на длине 1 м. Затем выполняют засыпку трубопровода минеральным грунтом 11, вынутым из нижней части траншеи с минимальной льдистостью в количестве, достаточном для обеспечения необходимой балластирующей нагрузки q. Если значение q недостаточно, то параллельно используют привозной грунт.

После засыпки расчетного количества грунта-балласта 11 его перекрывают боковыми участками гибких водопроницаемых ковров 5 с перехлестом не менее 1 м и осуществляют окончательную засыпку траншеи грунтом 12 с формированием наружного валика.

Работают данный способ и устройство следующим образом.

При засыпке грунта-балласта боковое давление грунта через слой геотекстильного материала плотно прижимает дренажные каналы к боковым поверхностям трубопровода.

При оттаивании снега и массива грунта обратной засыпки талая вода перемещается вертикально вниз, достигает дна траншеи, поднимается вверх и за счет статического давления фильтруется через водопроницаемый ковер и отверстия панели в полость дренажных каналов, по которым движется по уклону вниз и сбрасывается в малую водную преграду. Угол α_т способствует отеканию воды к панели и позволяет минимизировать объемы застойных зон воды на дне траншеи. Плотное прижатие трубчатых элементов к трубопроводу исключает отекание воды по поверхности трубопровода в местах контактирования с ним дренажных каналов, что исключает размывающее действие воды на грунт основания под трубопроводом.

Эффект изобретения состоит в том, что в результате отвода воды из траншеи грунт оседает, уплотняется, его склонность к оползанию существенно снижается, а балластирующий эффект возрастает, чему способствует также наличие водопроницаемых грунтонесущих ковров из геотекстильных материалов.

Таким образом, данное изобретение решает задачу повышения надежности работы трубопровода на уклонах трассы, сложенных льдистыми грунтовыми породами.

1. Способ прокладки подземного трубопровода, заключающийся в раскопке траншеи, укладке на ее дно трубопровода с размещением по его сторонам двух дренажных каналов, состоящих из состыкованных между собой трубчатых элементов, и обратной засыпке траншеи грунтом, отличающийся тем, что участки поверхности дна траншеи выполняют под углом с понижением к вертикальной ее оси, а состыкованные трубчатые элементы подбивают в пространство между трубопроводом и дном траншеи, после чего перекрывают трубопровод, дно траншеи, боковые поверхности трубчатых элементов и траншеи гибкими водопроницаемыми коврами с последующей их засыпкой грунтом, перекрытием его свободными боковыми участками ковров и окончательной засыпкой траншеи.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, состоящее из трубчатых элементов, взаимодействующих между собой концевыми участками, отличающееся тем, что каждый трубчатый элемент выполнен в виде изгибно-жесткой прямой призмы треугольного сечения, состоящей из трех панелей, одна из которых, прилегающая к трубопроводу, выполнена в поперечных сечениях криволинейной по радиусу, равному радиусу наружной поверхности трубопровода, а другая панель, контактирующая с водопроницаемым ковром, выполнена плоской со сквозными отверстиями, причем один концевой участок каждого трубчатого элемента выполнен в виде аналогичной призмы, размещенной без зазоров заподлицо по наружным поверхностям с пристыкованным к нему аналогичным трубчатым элементом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что трубчатые элементы выполнены из высокопрочного стеклопластика.