что такое обваловка опор
Что такое обваловка опор
Василий Боровицкий, заместитель главного инженера ОАО «Тюменьэнерго» г. Тюмень
Для северных регионов России характерны большая обводненность и заболоченность местности, пучинистые грунты и грунты с большими удельными сопротивлениями, резкие годовые и суточные перепады температур. Специалисты «Тюменьэнерго» вынуждены преодолевать эти неблагоприятные обстоятельства, находя и отрабатывая решения и технологии, которые позволят гарантировать надежную работу электрических сетей.
Василий Геннадьевич Боровицкий рассказывает о мерах, которые помогают сегодня тюменским энергетикам справиться с одной из самых острых проблем северных регионов – с разрушением железобетонных фундаментов опор ВЛ.
Массовое строительство ВЛ в 1980–1990 годы в малоизученном в тот момент северном регионе, когда в работу вводилось зачастую более тысячи километров линий в год, создало ряд проблем их эксплуатации из-за неполного учета геологических и климатических условий территории при проектировании и сооружении ВЛ. Эти проблемы приходится решать специалистам компании «Тюменьэнерго», в хозяйстве которой протяженность воздушных линий напряжением 35–220 кВ составляет более 17 тыс. км по трассе и около 24,5 тыс. км по цепям. В 1992–2000 гг. институт «Энергосетьпроект» (Москва) проводил научно-исследовательские работы, направленные на выявление основных причин аварийного состояния ВЛ в районах Ноябрьских электрических сетей «Тюменьэнерго». Результаты исследований показали, что аварийное состояние опор ВЛ вызвано комплексным воздействием различных природных факторов (обводнением грунтов, деградацией мерзлоты в месте установки опор, морозным пучением, ветровыми нагрузками на элементы конструкций опор) и эксплуатационных нагрузок, как статических (от веса проводов, горизонтального тяжения на анкерно-угловых опорах), так и динамических, возникающих при ветровых нагрузках и приводящих к низкочастотным колебаниям системы «провод – гирлянда изоляторов – конструкция опоры – свайный фундамент».
Наиболее серьезный ущерб ВЛ тюменского региона наносит повреждение фундаментов опор из-за морозного пучения, а также разрушение бетона свай из-за резких перепадов температур и воздействия агрессивной среды в местах разлива нефти, обводнения с примесями химических компонентов, используемых в процессе нефтедобычи.
РАЗРУШЕНИЕ БЕТОНА СВАЙ
Бетон фундаментных свай разрушается под воздействием окружающей среды, например, в местах разлива нефти, обводнения с примесями химических компонентов и т.п., влагонасыщенной почвы и резких перепадов температур.
Фото 1. Ремонт фундаментов опор
Для ремонта, который проводится по методике, предложенной институтом «Уралэнергосетьпроект», применяется труба диаметром 720 мм с толщиной стенки 8 мм, разрезанная вдоль пополам. Длина трубы определяется длиной разрушенной части плюс 0,5 м. Перед производством работ поверхность сваи очищается от земли, половинки труб соединяются с помощью болтового или сварного соединения и планок. Труба бетонируется, для чего используется бетон марки М400, смесь уплотняется вибрированием. Наружную поверхность трубы покрывают битумом в два слоя.
Многолетнее применение данного метода ремонта показывает его эффективность и небольшую стоимость.
МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
Для погружения свай в грунт до заданной глубины применяется буроопускной способ погружения с использованием лидер ных скважин и дозабивкой последнего метра сваи в ненарушенный грунт. При этом между стенкой скважины и поверхностью сваи возникает зона неуплотненного грунта. Под воздействием смерзания-оттаивания грунт на глубину его промерзания уплотняется в зоне от границы сезонного промерзания и выше. По мере увеличения площади соприкосновения уплотненных грунтов в зоне промерзания, усиливается действие касательных сил морозного пучения, и, как показывает опыт эксплуатации, через 5–6 лет в пучинистых грунтах начинается выход сваи – до 5 см за сезон (рис. 1).
При выдавливании сваи из ненарушенного грунта (из зоны дозабивки) величина ее ежегодного выхода растет за счет сил, приложенных к торцу сваи и возникающих при расширении замерзающей жидкости в водонасыщенных грунтах, которые заполняют пространство лидер ной скважины. Величина этих сил во много раз превышает вертикальную составляющую касательных сил морозного пучения и может превышать 50 тс на сваю. В результате ежегодный выход свай увеличивается до 20–25 см и более, фундамент теряет несущую способность, что может привести к падению опор под воздействием ветровых нагрузок.
На протяжении целого ряда лет сотрудники «Тюменьэнерго», институтов «Энергосетьпроект» (Москва) и «Уралэнергосетьпроект» (Екатеринбург) совместно работают над проблемой морозного пучения фундаментов опор, и в настоящее время применяются опробованные методы и технологии для ее решения.
Обваловка грунтом фундаментов опор
Фото 2. Обваловка грунтом фундаментов опор
Метод обваловки фундаментов опор на высоту, исключающую оттаивание зоны сезонного промерзания грунта, применяется на ВЛ, находящихся вблизи карьеров, в которых ведется разработка и намыв грунта.
Установка термостабилизаторов – сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) вблизи свай фундамента
Фото 3. Установка термостабилизаторов – сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) вблизи свай фундамента
Стабилизация температурного режима вечномерзлых грунтов обеспечивает устойчивость грунтовых и свайных оснований объектов. Использование СОУ, в которых в качестве хладагента используется газообразный аммиак, позволяет остановить процесс морозного пучения свайных фундаментов, однако акты вандализма ограничивают применение этой технологии на неподконтрольных территориях в отсутствие надзора.
Усиление фундаментов крестовыми сваями
Фото 4. Усиление фундаментов крестовыми сваями
Применение винтовых свай
Фото 5. Применение винтовых свай
Винтовые сваи, выпускаемые ООО «Завод винтовых свай» (г. Алапаевск), заслуживают внимания после устранения замечаний по их доработке – герметизации. В «Тюменьэнерго» планируется при реконструкции ВЛ в качестве эксперимента выполнить единичные фундаменты с применением винтовых свай для дальнейшего наблюдения и определения их эффективности.
Сооружение поверхностных (лежневых) фундаментов и перестановка опор
Фото 6. Сооружение поверхностных (лежневых) фундаментов и перестановка опор
В настоящее время существуют проекты и технические решения для поверхностных фундаментов всех используемых типов опор и оттяжек, разработанные институтом «Уралэнергосетьпроект» (г. Екатеринбург).
Поверхностные фундаменты применяются на местности с ровным рельефом (без косогоров, склонов и т.п.). Монтаж такого фундамента не требует применения сваебоя и может быть выполнен даже в летнее время, но требует большего количества материалов по сравнению с монтажом типовых фундаментов.
В настоящее время в энергокомпании действует долгосрочная программа перевода фундаментов опор воздушных линий электропередачи, подверженных морозному пучению, на поверхностный тип установки на лежнях.
Экстремальные климатические условия заставляют тюменских энергетиков пересматривать традиционные методы эксплуатации и обслуживания воздушных линий. В ОАО «Тюменьэнерго» постоянно ведутся экспериментальные исследования инновационных технологий, испытания современной техники и оборудования, опробование новых методов работы, чтобы в итоге обеспечить стабильное энергоснабжение потребителей.
 |
© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна
Защита и укрепление оснований опор
Все временные опоры, включая свайные опоры эстакад, и ледорезы основанные на подверженных размыву грунтах, должны быть защищены от подмыва. Во всех случаях должны быть также защищены каменной мостовой (одиночной или двойной, в зависимости от скорости течения воды) конусы насыпей, откосы дамб, траверсов, насыпей у труб со стороны напора на высоту 0,5 м выше горизонта высокой воды с учётом высоты волны.
Защита основания опор в тех случаях, когда не требуется специальное укрепление, производится камнем или лёгкими фашинными тюфяками.
Опоры защищают камнем во все стороны на 2—3 м и между сваями и рамами (для свайных и рамно-лежневых опор). Толщина отсыпки 0,5—1 м.
При скорости течения, превышающей допустимую для грунта в основании (табл. 49), требуется специальное укрепление опор и ледорезов, а иногда и русла, крупным камнем, габионами, фашинными тюфяками.
Применение каждого типа укрепления определяется скоростью течения (табл. 50) и условиями производства работ (в затопленном или незатопленном месте) с учётом имеющихся ресурсов.
Следует иметь в виду, что сопротивление грунта или камня выносу его водой возрастает с увеличением глубины водотока, что можно объяснить повышением давления столба воды на частицы грунта. Поэтому для одного и того же грунта или типа укрепления, в зависимости от глубины воды над ним, размывающие скорости в табл. 49 приведены различные.
Особое внимание следует уделить опорам в пределах затопления, заложенным мелко или непосредственно на размываемом грунте. К таким опорам относятся рамно-лежневые, шпальные и ряжевые опоры, а также свайные в ряжевых и неглубоко забитых свайных оболочках с каменным заполнением. Вымывание грунта из-под каменного заполнения влечёт его осадку и накренение опоры.
Особого внимания требует также укрепление опор, подверженных наибольшему воздействию неотрегулированного потока.
Среди различных видов укреплений наиболее целесообразными являются: в незатопленных местах каменное мощение, а на слабых грунтах каменная отсыпка или прорастающие фашинные покрытия. В затопленных местах фашинные тюфяки и, при невозможности опускания их, тяжёлые фашины. Если одновременно с укреплением грунта от размыва требуется увеличение глубины заделки свай, то иногда уместно укрепление каменной отсыпкой по тюфяку (тем более на илистых грушах, засасывающих камень) или непосредственно по грунту.
Укрепление камнем выполняется в незатопленном месте преимущественно одиночной и двойной мостовой иногда в плетнях, а в затопленном месте — отсыпкой из крупных камней, габионами или каменной отсыпкой, прикрытой сверху металлической сеткой.
Мощение необходимо выполнять по подготовительному слою. Этот слой защищает непосредственно грунт от вымывания водой, просачивающейся между камнями мостовой. Последние в свою очередь предохраняют от смывания и механического повреждения подготовительный слой. Поэтому даже двойное мощение, уложенное на грунт без подготовки, не полностью защищает его от вымывания.
Надёжность мощения определяется: а) величиной камней; б) наличием подготовительного слоя (мха, а лучше щебня) и толщиной его, которая для особо ответственных укреплений повышается при щебне до 30 см; в) плотностью укладки на ребро камней в рядах мощения с последующей тщательной забивкой (расщебёнкой) пустот мхом или щебнем; г) закреплением (опиранием) мощения против сползания на каменной устойчивой отсыпке — рисберме (фиг. 320); д) сопряжением мощения по всем его границам заподлицо с поверхностью грунта (фиг. 321).
Для временных укреплений вместо мха могут быть применены камыш, солома, навоз. Однако эти материалы и мох быстро разрушаются, особенно в южных районах.
Камень в мостовой должен ставиться только на ребро. Размер камней не менее 25—30 см, а для нижнего слоя (при двойном мощении) не менее 15—20 см.
Повышение прочности укрепления достигается мощением в прикол, а также мощением в плетневых клетках; в последнем случае повышенная прочность мостовой сохраняется до тех пор, пока не сгниёт плетень и колья, если они лишены возможности прорастания.
Плетневые клетки устраиваются квадратными со стороной, равной около трёх высот мощения; высота забора принимается равной толщине мостовой. Колья диаметром 5—8 см для забора забиваются в грунт на глубину полутора-двух толщин мощения и в уровень или с возвышением на 5—7 см над мостовой. При устройстве мостовой по откосам колья забиваются под углом, средним между отвесной линией и перпендикуляром к укрепляемой поверхности.
Для прорастающих заборов колья, а также нижние пучки хвороста выбирают из ивовых пород; забивка кольев производится в подготовленные отверстия.
Камень для отсыпки надо применять по возможности крупный, не смываемый наибольшей ожидаемой скоростью течения в период службы сооружения. Минимальный размер камней в зависимости от наибольшей средней скорости течения может быть принят 15 см — при скорости до 2 м/сек, 25 см — при скорости до 2,5 м/сек, 40 см — при скорости до 3 м/сек. При сбрасывании камней в воду их размер, кроме того, должен назначаться с учётом скорости течения воды при производстве работ. Приведённые размеры камней ориентировочные, поскольку не учитывают разнообразных условий: формы и тщательности укладки, глубины воды и т. д.
Сравнительно небольшие размеры рваных камней, обычно применяемых для укрепительных работ, ограничивают пределы применения каменных отсыпок для средних скоростей течения воды — до 2—3 м/сек, в то время как в наиболее деятельных пролётах моста и особенно у опор могут наблюдаться более высокие местные скорости. В таких случаях каменная наброска, несмотря на большой расход камня, оказывается практически бесполезной. Известны случаи напрасной значительной затраты камня на укрепление постоянных опор наброской, которая смывалась полностью всякий раз высоким паводком. Тем более, каменная наброска неэффективна при большой глубине и значительной скорости течения в момент производства каменной отсыпки (камни уносит от основания опоры вниз по течению), и, кроме того, проверить в таких условиях результаты работы практически не всегда бывает возможно, Применение желобов для опускания камня в указанных условиях сопряжено с большими трудностями. Поэтому более целесообразно применять камень для укрепления в виде мостовой (где возможно), а также в виде габионов или каменной отсыпи с защитой металлической сеткой (фиг. 322). Диаметр проволоки 2—4 мм.
Габионы — корзины из металлической сетки, заполненные камнем, обычно применяют размером 0,5х0,5х1,0 м и более в зависимости от скорости течения и глубины воды.
При заполнении габионов камнем непосредственно на месте укладки, их размеры могут быть увеличены. Ho в этом случае для снижения трудоёмкости изготовления и сокращения расхода проволоки целесообразно укладывать габионы больших размеров лишь по контуру площади укрепления. Пространство между габионами заполняется камнем, прикрываемым сверху металлической сеткой, надёжно закреплённой с габионами.
Иногда вместо металлических сеток для небольших габионов применяют корзины различных форм, сплетённые из хвороста, или тяжёлые фашины. Недостатком каменно-хворостяных укреплений, располагаемых в незатопленном месте, особенно в пределах колебания горизонта воды, является быстрое (в течение 2—3 лет) разрушение хвороста.
При сбрасывании габионов, фашин и камней необходимо не допускать повреждения элементов опоры (схваток, болтов). Площадка, с которой сбрасываются габионы (когда работы производятся с мостового полотна), должна/быть вынесена за пределы очертания опоры в плане. Габионы иногда опускают с пловучих средств (плота, баржи).
Укрепление камнем слабых, иловатых грунтов не рекомендуется, так как отсыпь постепенно погружается в грунт; в этом случае предпочтительно применение фашин.
Укрепление фашинными тюфяками является наиболее надёжным типом укрепления основания опор, русла и берегов. Укреплению фашинными тюфяками, разумеется, должны предшествовать обследование русла для выяснения возможности опускания тюфяков, расчистка в необходимых случаях от обрушенного металла, глубинного льда и пр., засыпка промоин камнем или тяжёлыми фашинами.
Глубинный лёд, представляющий собой массу несросшихся кристаллов льда, располагается непосредственно под поверхностным льдом, достигая иногда толщины в несколько метров и большого распространения в стороны. Удаление, проталкивание с оси моста глубинного льда значительной мощности трудно и не всегда удаётся даже подрыванием и водолазами.
В затопленных местах фашинные тюфяки практичнее всего изготавливать на льду непосредственно над местом опускания или в стороне, если требуется производить расчистку русла от металла, шуги и прочих предметов, мешающих погружению тюфяка. Известны примеры изготовления тюфяков наплаву, при помощи плота, осложняющего, однако, опускание тюфяка в воду, так как разборка плота под тюфяком затруднительна. При изготовлении тюфяков на берегу, для облегчения спуска их в воду со стапелей, устраиваемых обычно с наклоном в 15—20° в сторону реки, следует заблаговременно укладывать катки из брёвен.
Подача по воде, а также опускание тюфяков в воду производятся катерами и тросами при помощи лебёдок. Погружение тюфяков на дно достигается загрузкой их камнем.
При опускании тюфяка необходимо обеспечить равномерное погружение всей его площади, для чего по углам тюфяка устанавливают вешки, по которым следят в процессе опускания за глубиной погружения тюфяка.
В незатопленных местах поверхность укрепляемого грунта непосредственно покрывается слоем в 25—30 см хвороста, который сверху закрепляется через 1 м прутяными канатами или жердями с кольями, забитыми в грунт, и пригружается камнем на высоту 0,2—0,4 м.
При укреплении наклонной поверхности устраивают плетневые клетки для предотвращения сползания каменной пригрузки.
Хворост по условию производства работ нередко укладывают готовыми, связанными в пучки фашинами диаметром около 25 см. В особо размываемых местах под хворост укладывают солому слоем 3—5 см.
При укреплении незатопленной поверхности лучше всего устраивать фашинные покрытия с прорастающими ивовыми кольями. Такое покрытие, прорастая, не только более надёжно держится на грунте, но и укрепляет его корнями.
Конструкция фашинного тюфяка приведена на фиг. 323.
Прутяные канаты для связывания тюфяков или хворостяного (и фашинного) покрытия готовят диаметром 10—13 см длиной по размеру покрытия из наиболее гибких лозин. Через 20—25 см канаты перевязываются теми же гибкими прутьями или вязальной проволокой. Канаты по покрытию укладывают сеткой с величиной ячейки до 1×1 м. В местах пересечения канатов в грунт забивают колья. В тюфяке такие сетки размещают сверху и снизу хворостяной толщи тюфяка, и обе сетки в пересечениях связывают между собой проволокой. Иногда вместо прутяных канатов применяют проволоку диаметром 4—8 мм.
В тюфяк забивают колья, обделываемые затем плетнём в виде корзин высотой 0,3—0,5 м, и последние загружают камнем.
Толщина слоя хвороста в тюфяке принимается 0,4—0,7 м, а высота каменной отсыпки в плетнях 0,2—0,4 м в зависимости от требуемой надёжности и площади укрепления.
Фашинные тюфяки целесообразно устраивать объемлющими вокруг опоры и общими для опоры и ледореза, если последний расположен вблизи опоры (фиг. 324).
Размер тюфяков в плане определяется размерами площади укрепления, а также условиями производства работ по доставке к месту укладки и опусканию тюфяков. При укреплении опор тюфяки принимаются размером на 5—10 м шире опоры в каждую сторону, а вообще грунт вокруг опор укрепляется тюфяком на ширину, равную величине теоретического размыва в данном месте плюс 3—4 м. Такое уширение тюфяка рассчитано на допущение некоторого размыва в пролёте между опорами. В этом случае по мере подмыва концы тюфяка будут опускаться, защищая опору от дальнейшего подмыва, и тем в большей мере, чем шире тюфяк. Размыв с низовой стороны обычно простирается на большую глубину и, следовательно, на большую длину, чем с верховой стороны. Соответственно этому длина тюфяка в низовую сторону назначается больше, чем в верховую и боковые стороны, примерно на 20—30%.
Если общая ширина двух тюфяков смежных опор получается равной или близкой к величине пролёта, то укрепление грунта в данном случае принимается сплошным на всём протяжении между опорами (фиг. 325).
Величина теоретического размыва равна отношению недостающей площади живого сечения под мостом к имеющейся площади, умноженному на глубину воды в данном месте, при расчётном горизонте воды.
Для надёжности укрепления как опор, так и русла целесообразно опускать тюфяки возможно большей площади. Тюфяки небольших размеров желательно объединять в один общий тюфяк на плаву перед погружением его в воду (фиг. 326 и 327). Небольшие тюфяки при большой площади укрепления целесообразно готовить стандартных размеров, например 8х8 м.
Укладка небольших тюфяков со стыкованием их внахлёстку и перекрытием стыков на 1—1,5 м получается неконструктивной, менее надёжной в отношении защиты грунта по всей поверхности такого укрепления и неэкономичной (фиг. 328). Однако применение больших тюфяков осложняет опускание их и требует более солидной вязки канатов, сеток и всего тюфяка в целом. Оптимальными размерами тюфяков в плане является от 15х30 до 20х40 м. Известны, однако, случаи применения тюфяков больших размеров (фиг. 327).
Тюфяки, изготовленные на льду, могут быть опущены вместе со льдом после его обрубки по периметру тюфяка. При этом толщина льда желательна небольшая: до 20—50 см, в противном случае замедляются опускание тюфяка и таяние льда под ним. Средняя скорость погружения тюфяков со льдом — около 1 м в сутки. По мере опускания лёд под тюфяком частично тает, но пока не растает полностью, он будет препятствовать прилеганию по всей поверхности тюфяка ко дну. Попавший под ледяное поле с тюфяком слой ледяной шуги, мешающей опусканию, удаляют подрыванием небольшими зарядами по 0,2—0,4 кг, а также с помощью водолазов.
Равномерность опускания тюфяка регулируют каменной наброской со льда или с пловучих средств (лодки, понтона).
После опускания на дно тюфяки дополнительно загружают камнем с расчётом заполнения плетневых ячеек, а вокруг опор и между сваями опор на высоту около 1 м и во все стороны от опоры около 2 м, если нет специальных условий (фиг. 325). При этом камень для отсыпки вокруг опор должен быть возможно большего размера, не менее 40—50 см. Загрузка камнем должна быть равномерной по всей площади тюфяка.
Окончательное погружение тюфяка на дно проверяется измерением глубин в одних и тех же местах до и после опускания тюфяка. Тюфяк, не осевший на дно, дополнительно загружают камнем. В более ответственных случаях качество укрепления русла контролируется подводным обследованием водолазами.
В особых случаях, при значительных скоростях течения, например, в условиях горных рек, применяют специальные тюфяки, в частности, из железобетонных блоков, «нанизанных» на арматурное железо.
Тяжёлые фашины, представляющие связки хвороста длиной 3—4 м, заполненные по всей длине внутри камнем размером по 10—30 см так, чтобы диаметр фашин не превосходил 50—60 см, а вес 100—250 кг, применяются главным образом в местах, не допускающих опускания тюфяков, или для заполнения промоин, в частности, при паводках и ледоходе, когда опускание тюфяка вообще невозможно. Расход материалов при укреплении фашинами, погружаемыми в воду, имея в виду хаотичность их расположения, несколько больший по сравнению с укреплением тюфяками. Фашины, как и тюфяки, нуждаются в дополнительной пригрузке камнем после их опускания.
В трубах, особенно работающих с напором, необходимо устранить все щели, в частности, трещины в стенах и швы между звеньями, конопаткой, просмолённой паклей, заливкой цементным раствором и т. д. во избежание протекания воды в насыпь и вымывания последней. Следует иметь в виду, что неудовлетворительная заделка щелей и швов в некоторых случаях являлась причиной полного разрушения массивных труб и самой насыпи при образовании подпора перед трубой. Во избежание этого заделка щелей должна быть весьма плотной и прочной. С той же целью необходимо «предотвратить просачивание воды в насыпи вдоль стен трубы, а также и фильтрацию через самую насыпь.
Для предупреждения размыва низового русла и разрушения выходного оголовка и самой трубы необходимо вплотную к лотку с низовой стороны устроить замощённую рисберму из крупных камней на глубину до 1—1,5 м по всей площади, подверженной воздействию потока, ниспадающего по выходе из трубы. Скорость течения воды непосредственно за трубой в 1,25 раза больше скорости в трубе.