• Сегодня: Четверг, Август 17, 2017

Способы мониторинга температуры в вечномерзлых грунтах

Пановама болот в зоне вечной мерзлоты

Авторы:

Денис Кропачев
Начальник СКБ ОАО НПП «Эталон»

Игорь Гаврилов
Заместитель начальника мерзлотной станции Центра ИССО ОАО РЖД


Аннотация

Для безопасности функционирования объектов транспортной инфраструктуры и нефтегазового комплекса в северных районах России предложено осуществлять температурный мониторинг объектов с целью выявления и устранения аварийных ситуаций в районах вечномерзлого грунта с помощью различных систем мониторинга температур.


По последним данным ученых-климатологов и геокриологов к середине XXI века температура воздуха на Севере может возрасти на 3–4 °C, что непременно приведет к изменению теплового баланса многолетнемерзлых пород. Это ставит под вопрос устойчивость уже существующих и проектируемых инженерных сооружений железнодорожного и нефтегазового комплекса, расположенных за Полярным кругом. Актуальность проблемы подтолкнула специалистов НПП «Эталон» начать разработку новых технических решений по контролю и управлению температурными режимами грунтов, лежащих в основании различных сооружений.

Развитие транспортной инфраструктуры северных регионов РФ и реализация национальных нефтегазовых проектов XXI века тесным образом связаны с развитием новых крупных центров добычи углеводородного сырья и формированием новых систем магистрального трубопроводного транспорта газа, конденсата и нефти [1].

Безопасность функционирования объектов железнодорожного и нефтегазового комплекса на территориях распространения многолетнемерзлых пород во многом определяется эффективностью систем мониторинга опасных геокриологических процессов, развитие которых связано как с природными факторами, так и с влиянием самих технических объектов. В зависимости от комплекса природных факторов, формирующих геокриологические условия, грунты могут находиться в многолетне- и сезонномерзлом, сезонноталом, талом и переохлажденном состояниях, а следовательно, обладать различными прочностными и деформационными свойствами [2]. Исходя из этого возникает необходимость изучения свойств и проведения геотехнического мониторинга грунтов, в состав которого входит наблюдение за температурным и гидрогеологическим режимами с целью изучения состояния грунтов оснований, оценка их несущей способности и возможных деформаций.

Согласно комплексному анализу данных метеостанций и геокриологических стационаров для севера России возможные изменения трендов температуры грунтов охватывают широкий диапазон – от 0,004 до 0,05 °С/год (средние для всего региона значения тренда составляют 0,03 °С/год).

Высокие тренды потепления грунтов, так же как и воздуха, наблюдаются в центральной части Западной Сибири, в Якутии и на юге Красноярского края [3].

В настоящее время широкий круг ученых-климатологов и геокриологов отмечает, что за последние 20–25 лет температура воздуха в области криолитозоны повысилась на 0,2–2,5 °С. Повышение температуры верхних горизонтов мерзлых пород за этот период достигает 1,0–1,5 °С и распространяется до глубины 60–80 м. По различным оценкам прогнозируемое повышение температуры воздуха на Севере в первой четверти XXI в. составит 1,0–2,0 °С и может достичь 3–4 °С к середине столетия. При таком потеплении климата произойдет существенное сокращение площади сплошных мерзлых пород в Северном полушарии и южная граница их распространения в Западной Сибири может отодвинуться на север на 200–500 км.

Можно сделать вывод, что изменение теплового баланса многолетнемерзлых пород под воздействием инженерных сооружений и глобального потепления климата становится одним из основных факторов, определяющих ус­тойчивость инженерных сооружений.

Деградация мерзлых пород приводит к резким изменениям условий функционирования оснований и фундаментов, поскольку прочностные и деформационные свойства грунтов напрямую зависят от температуры.

В результате недостаточного учета особенностей геокриологических условий и их природных и техногенных изменений происходят многочисленные деформации сооружений, иногда даже аварийного характера.

В этом направле­нии, на наш взгляд, необходимо контролировать, а где‑то и управлять темпера­турным режимом грунтов в процессе эксплуатации объектов.

Осуществлять термостабилизацию грунтов оснований можно с помощью вентилируемого подполья, теплозащитных экранов, сезонно действующих охлаждающих установок (горизонтального и вертикального типов), а также охлаждающих установок круглогодичного действия.

Таким образом, одной из главных проблем успешного проектирова­ния объектов в северо-восточной части РФ является разработка и промышленное применение новых адекватных технических решений по контролю и управлению температурным режимом грунтов оснований различных сооружений.

В связи с этим ОАО НПП «Эталон» разработало системы мониторинга температур протяженных объектов.

Разработанные системы мониторинга предназначены для полевого определения температуры грунтов по ГОСТ 25358-2012, где требуется получить данные о температурном состоянии грунтов. Внедрение разработанных технических решений позволяет повысить точность измерений и надежность, упростить существующие системы мониторинга температур, расширить области их применения.

Разработчики ОАО НПП «Эталон» предприняли попытку устранить недостатки известных систем мониторинга температур, таких как: сложность, дороговизна, низкая точность измерений и слабая герметичность, которая приводит к отказу устройств в условиях промышленной применяемости.

Архитектура разработанных измерительных систем очень гибкая и позволяет в зависимости от поставленной задачи осуществлять оперативный, автономный или непрерывный мониторинг температуры грунта под основаниями зданий и сооружений, вдоль земляного полотна железных дорог, тем самым обеспечивая работоспособность и безопасность функционирования объектов в условиях вечной мерзлоты.

Для проведения оперативных замеров используется комплект оборудования, состоящий из контроллера ПКЦД-1/100 и термокосы МЦДТ 0922, представленных на рис. 1. ПКЦД-1/100 позволяет устойчиво считывать показания термокос с интервалом опроса от 10 секунд до 1 часа, а также сохранять информацию об измеренной температуре каждого датчика в термокосе в энергонезависимую память прибора. Термокоса МЦДТ 0922 обладает малой тепловой инерцией, кабель сохраняет гибкость при эксплуатации даже в условиях отрицательных температур.

Термокоса (МЦДТ 0922) с контроллером (ПКЦД-1/100)
Рис. 1. Термокоса (МЦДТ 0922) с контроллером (ПКЦД-1/100)

Таким образом, пользователь может разместить на различных объектах (в термометрических скважинах) несколько десятков термокос и в течение 10–40 мин. провести замеры, оценить результаты и сохранить данные с термокос о температуре каждого объекта с помощью одного контроллера ПКЦД-1/100 с последующей передачей и обработкой на ПК.

Для проведения автономных замеров температурных полей удаленных и труднодоступных объектов (термометрических скважин) используется комплект оборудования, состоящий из логгера ЛЦД-1/100 и термокос МЦДТ 0922 или МЦДТ 1201. Логгер совместно с термокосой размещается в термометрической скважине ниже уровня земли и работает автономно в течение нескольких лет.

Вариант размещения данной системы в термометрической скважине представлен на рис. 2. Измеренные значения температуры с термокосы записываются на карту памяти формата MicroSD, расположенную внутри логгера. Сбор данных проводится путем извлечения карты из логгера, либо ее заменой на новую, либо копированием файла с данными на ПК в виде архива.

Размещение в скважине термокосы с логгером
Рис. 2. Размещение в скважине термокосы с логгером

Время непрерывной работы логгера с термокосой без замены элемента питания зависит от количества одновременно подключаемых датчиков и периода проведения измерений. Например, при сохранении измерений два раза в сутки с термокосы, состоящей из 10 датчиков, логгер автономно без замены питания проработает около 10 лет.

Для решения задач непрерывного мониторинга температуры и оповещения об ее критических изменениях под зданиями и сооружениями рекомендуется использовать систему СТМ ПО, представляющую собой совокупность контроллеров СКЦД-6/200, подключенных к распределительному блоку БРИЗ с использованием линии связи RS-485, и термокос МЦДТ 0922 и (или) МЦДТ 1201. К каждому контроллеру можно подключить от одной до шести термокос, содержащих суммарно до 200 датчиков. Схема возможной реализации системы СТМ ПО приведена на рис. 3.

Схема реализации СТМ ПО
Рис. 3. Схема реализации СТМ ПО

Порядок подключения термокос произвольный, контроллер сам определяет конфигурацию получившейся системы и проводит сканирование каналов для обнаружения подключения / отключения термокос с интервалом 5 секунд.

График вывода информации об измеряемой температуре на ПК
Рис. 4. График вывода информации об измеряемой температуре на ПК

Связь между СТМ ПО и компьютером обеспечивается путем подключения БРИЗ к ПК при помощи кабеля интерфейсного USB.

На рис. 4 представлен один из графиков вывода информации об измеряемой температуре на ПК, позволяющий в реальном времени отслеживать малейшие изменения температуры и сигнализировать, если ее величина превысила допустимую норму.

Погружение логгера и термокосы в скважину № 6
Рис. 5. Погружение логгера и термокосы в скважину № 6. Охлаждающая конструкция низкого качества (не выдержана крупность камня, большой процент содержания мелкозема, низкая морозостойкость камня)

Таким образом, рассмотрев возможные варианты реализации мониторинга температуры грунтов, необходимо отметить, что совместно со специалистами Мерзлотной станции Центра ИССО ОАО РЖД в октябре 2012 г. организовано испытание трех комплектов автономного варианта системы мониторинга температуры на объекте земляного полотна «Км 2339» перегона Курьян–Тында.

Температурный мониторинг объекта начат Мерзлотной станцией сразу после строительства охлаждающей скальной конструкции в 1991 г. Наблюдения за температурами грунтов выполняются два раза в год на моменты максимального оттаивания (осень) и максимального промерзания (весна).

Глубина сезонного оттаивания

В октябре 2012 г. в две скважины установлены логгеры ЛЦД-1/100 и термокосы МЦДТ 0922. Скважина № 6 расположена на правой бровке насыпи со скальной конструкцией на откосе (рис. 5), скважина № 9 находится в полевых ненарушенных условиях. Периодичность измерений температур логгерами – четыре раза в сутки.

Анализ работы логгеров за годовой цикл показал:

  • Высокую точность и надежность приборов. За годовой период не зафиксировано ни одного сбоя. Сравнение температур, измеренных термокосами Мерзлотной станции в 2011 г. и логгерами ЛЦД-1/100 с термокосами МЦДТ 0922 в 2012 г. на глубинах ниже глубины нулевых годовых колебаний температур, показало сходимость в пределах погрешности измерений ± 0,1 °С (табл.).
  • Долгий срок автономной работы. За год падение напряжения литиевого элемента питания составило 0,1 В. Если скорость разрядки элемента питания сохранится, срок автономной работы без замены батареи составит не менее 8 лет.
  • Исключение ошибок измерений, обусловленных человеческим фактором. Таких как: опускание термокосы на разную глубину в различные годы, «недовыстойка», ошибки переноса данных в полевой журнал и т. д.

Непрерывные измерения логгера в связке с термокосой в течение годового цикла дали качественно новую информацию о температурном режиме объекта земляного полотна:

  • Определена фактическая глубина зоны нулевых годовых колебаний температур (табл.), которая в скважине № 6 составила 13 м.
  • В скважине № 7 «плато» температур 0 °С при замерзании и оттаивании грунта держалось четыре декады, что обусловлено фазовыми переходами воды в лед и обратно и свидетельствует о высокой влажности грунта (рис. 6).
  • Наглядно видно отставание экстремумов температурных волн нижних горизонтов от верхних слоев (рис. 6).
  • Стало возможным вычислить среднегодовые температуры грунтов (рис. 7). Если среднегодовая температура на поверхности элемента земляного полотна отрицательная, деградация мерзлоты не происходит, а если температура 0 °С и выше, происходит оттаивание многолетней мерзлоты. Эта информация позволяет определить эффективность любых охлаждающих мероприятий.
  • Анализ среднегодовых температур на «Км 2339» (рис. 7) показал, что в полевой скважине № 8 температуры грунтов понижаются.

В скважине № 6 среднегодовая температура поверхности охлаждающей скальной конструкции составляет -1,4 °С, тогда как расчетная температура поверхности равняется -2,9 °С, что свидетельствует о низком качестве охлаждающей конструкции.

Изменение во времени температур грунтов на различных глубинах в скв. № 7 с 15.10.2012 по 25.11.2013 г. «Км 2339» перегона Курьян–Тында ДВЖД
Рис. 6. Изменение во времени температур грунтов на различных глубинах в скв. № 7 с 15.10.2012 по 25.11.2013 г. «Км 2339» перегона Курьян–Тында ДВЖД
Эпюры среднегодовых температур грунтов
Рис. 7. Эпюры среднегодовых температур грунтов

Прогиб эпюры среднегодовых температур грунтов в скважине № 6 на глубине 3 м говорит о фильтрации воды через тело насыпи небольшой интенсивности.

По результатам температурного мониторинга можно сделать следующие выводы. Несмотря на снижение эффективности охлаждающей скальной конструкции на 50% и фильтрацию воды через тело насыпи, оттаивание земляного основания не происходит (рис. 8).

Для предотвращения деформаций насыпи необходимо построить гидроизолированную канаву с левой стороны полотна от водораздела до ИССО, достроить охлаждающие скальные конструкции на примыкающих нестабильных участках пути (рис. 8).

Состояние основной площадки на 2338-2339 км.
Рис. 8. Состояние основной площадки на 2338-2339 км. Построена охлаждающая скальная конструкция, путь в стабильном состоянии. НЕТ охлаждающей конструкции, путь в НЕ стабильном состоянии.

В перспективе Мерзлотная станция Центра ИССО планирует использовать информацию с логгеров ЛЦД-1/100 и термокос МЦДТ 0922 для последующей оценки динамики изменения среднегодовой температуры с целью прогноза изменения температурного режима оснований сооружений, оценки эффективности охлаждающих мероприятий за один годовой цикл, корректировки исходных данных для повышения точности теплотехнических прогнозов и т. д.

Следует отметить необходимость разработки методов математической обработки качественно новой информации с логгеров, что в перспективе позволит получать дополнительную практическую пользу.


Литература

  1. Попов А.П., Милованов В.И., Жмулин В.В., Рябов В.А., Бережной М.А. К вопросу о типовых технических решениях по основаниям и фундаментам для криолитозоны // Инженерная геология. 2008. Сентябрь. С. 22–38.
  2. Павлов А.В., Малкова Г.В. Мелкомасштабное картографирование трендов современных изменений температуры грунтов на севере России // Криосфера Земли. 2009. Т. XIII, № 4. С. 32–39.
  3. Корниенко С.Г. Изучение и мониторинг мерзлых грунтов с использованием данных космической съемки // Материалы 11-й Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой отрасли».
Денис Кропачев

Начальник СКБ ОАО НПП «Эталон»