Кумпяк Олег Григорьевич – Заведующий кафедрой «Железобетонные
и каменные конструкции» Томского государственного
архитектурно-строительного университета,
доктор технических наук, профессор
Пахмурин Олег Равильевич – Доцент кафедры «Железобетонные
и каменные конструкции» Томского государственного
архитектурно-строительного университета,
кандидат технических наук, доцент
Самсонов Валерий Сергеевич – Доцент кафедры «Железобетонные
и каменные конструкции» Томского государственного
архитектурно-строительного университета,
кандидат технических наук, доцент
Для обслуживания нефтяных месторождений в нефтегазодобывающих регионах строятся высоковольтные линии электропередачи различной мощности.
В северных районах Томской области в большом количестве возведены линии электропередачи ВЛ-35 с расчетным сроком эксплуатации 50 лет. На этих трассах применены стальные опоры на свайных фундаментах. В зависимости от места расположения опор и их назначения на трассах применены опоры четырех типов: промежуточные узкобазовые и широкобазовые, анкерные широкобазовые и угловые. Каждая лапа опоры в зависимости от ее конструкции опирается на 1-4 сваи, т.е. в зависимости от типа опоры свайные фундаменты под ними выполняются из четырех, восьми или шестнадцати свай. Подножники свай выступают над поверхностью земли или воды на 0,6-1,2 м.
При возведении конструкций опор ВЛ-35, в зависимости от мощности торфяного слоя применялись типовые железобетонные сваи сечением 350×350 мм длиной 10-12 м марки С 35–1–10–1 и С 35–1–12–1. Сваи армированы продольной стержневой арматурой периодического профиля с навитой поперечной арматурой из холоднотянутой проволоки Ø4 Вр-I. Оголовок каждой сваи усилен дополнительной продольной рабочей арматурой с более частым расположением витков поперечной арматуры. В оголовке сваи расположены анкерные болты для крепления металлических ростверков. В качестве заполнителя для бетона свай использовался щебень горных пород с максимальной крупностью 40-50 мм. Железобетонные сваи, согласно государственному стандарту, изготовлялись из бетона маркой по морозостойкости F 300 и водонепроницаемости W 6. Большая глубина залегания торфяников (4-8 м), сильная заболоченность трасс, осложняющих подступы к опорам, суровые климатические условия с продолжительным периодом низкой отрицательной температуры, агрессивность болотной среды по отношению к бетону обусловили применение под опоры висячих свайных фундаментов с опиранием их на материковый грунт.
Эксплуатация опор осуществляется в сложных природно–климатических условиях. И уже через 13 лет после их возведения проявился ряд проблемных особенностей, обусловленных как типовым подходом к проектированию подобных линий, так и влиянием природной среды на долговечность железобетонных свайных фундаментов. В связи с этим возникла необходимость проведения обследования технического состояния свайных фундаментов опор линий электропередачи ВЛ-35, обслуживающих Первомайское месторождение, находящееся на севере Томской области.
Обследуемая трасса расположена на равнинной болотистой местности на удалении 50-150 м от дороги и на большом протяжении труднопроходима из–за сильной заболоченности, а на более возвышенных местах – из-за густо произрастающей поросли. Авторами статьи было обследовано 136 опор, под которыми в общей сложности забито 876 свай. В 294 сваях выявлены различной степени разрушения, что составляет 32% от всего количества свай. Общее количество фундаментов опор ЛЭП ВЛ-35, находящихся в аварийном состоянии и требующих усиления, составило 98 (72%). Из них 57 свай требовали немедленного усиления. Массовое повреждение свайных фундаментов по всей длине высоковольтной трассы создало реальную угрозу обрушения отдельных опор ВЛ-35, а, следовательно, и остановку всех нефтедобывающих кустов из-за прекращения подачи электроэнергии.
Методика обследования опор включала в себя визуальный осмотр каждой сваи, определение прочности бетона неразрушающими методами контроля, определение длины участка поврежденной части сваи ниже дневной поверхности земли или поверхности болота, исследование характера повреждений свай, отбор и исследование проб болотной воды и разрушенного бетона из поврежденных свай.
Как показали обследования свайных фундаментов опор высоковольтной линии, наиболее подверженной разрушению из-за низкой морозостойкости бетона является верхняя часть свай – от их оголовка до нижней границы глубины промерзания торфяника. В этой части свай происходят деструктивные процессы, сопровождающиеся не только разрушением бетона, но и интенсивной коррозией продольной и поперечной арматуры.
Повреждение свайных фундаментов, как правило, характеризуется образованием вертикальных трещин разрыва вдоль выступающих углов свай, развитием сети трещин по боковым поверхностям свай, отслоением защитного слоя бетона, оголением вертикальной и поперечной арматуры, ее интенсивной коррозией с последующим разрушением бетона ядра свай. Функционирование свайных фундаментов, отнесенных в разряд аварийных, обеспечивалось только за счет сохранившейся продольной арматуры, так как бетон ядра свай полностью был разрушен и легко разбирался руками (рис.1). В поверхностных слоях бетона свай, соприкасающихся с внешней средой, идет интенсивное разрушение структурных элементов цементного камня. Новообразования не обладают вяжущими свойствами и достаточной плотностью, чтобы воспрепятствовать дальнейшему проникновению агрессивной среды. Они смываются, растворяются и обнажают более глубокие слои бетона. С целью установления длины поврежденной части свай в период их обследования определялось состояние их боковой поверхности на глубине 1,5-2,0 м с помощью специального щупа. В большинстве случаев длина поврежденной части свай, расположенной ниже поверхности почвы, не превышала 1,5 м, что соответствует глубине межсезонного промерзания болотистой почвы с учетом выступающей над поверхностью частью свай, которая в зависимости от типа опор составляла от 600 до 2000 мм.
Рис. 1. Свайные фундаменты опор ЛЭП, находящиеся в аварийном состоянии
Остальная часть свай, расположенная в обводненном торфянике, находилась в удовлетворительном состоянии.
Анализ причин разрушения бетона свай под опорами ВЛ-35, находящихся в суровых природно-климатических условиях севера Томской области, показал, что этому процессу способствуют многофакторные явления:
— отсутствие защитных мероприятий для бетона как при изготовлении, так и при возведении свайных фундаментов. К таким мероприятиям на стадии изготовления следовало бы отнести выбор специального вяжущего, а на стадии изготовления – изоляцию поверхности в виде пропитки горячим битумом;
— недостаточная морозостойкость бетона свайных фундаментов;
— агрессивное воздействие как мягких атмосферных вод, замачивающих подножники с внешней стороны, так и природной углекислоты (Н2СО3), образующейся в результате биохимических процессов, протекающих в болотной среде.
Окружающая сваи среда содержит углекислоту Н2СО3. Источниками ее обогащения являются биохимические процессы, протекающие в воде и почве. При действии углекислоты на бетон в нем происходят обменные реакции, сопровождающиеся разрушением цементного камня. Поскольку сваи постоянно находятся в агрессивной среде и размер поверхности соприкосновения и скорость притока агрессивного раствора велики, то процесс разрушения бетона протекает весьма интенсивно.
Недостаточная стойкость бетона в данных эксплуатационных условиях потребовала принятия экстренных мер по повышению эксплуатационной надежности опор ВЛ-35, исключающих отказ свайных фундаментов и угрозу обрушения опор.
С целью предотвращения возможных отказов аварийных фундаментов опор авторами разработано техническое решение по усилению свайных фундаментов с учетом материальных и природных факторов: труднодоступность к опорам ВЛ-35, заболоченность вокруг аварийных кустов, отсутствие электроэнергии на месте работы, отсутствие базы стройиндустрии, отсутствие воды для затворения бетонной смеси.
Суть этого технического решения заключается в применении сборных железобетонных тюбингов, изготовленных из полуколец. Полукольца одеваются на выступающую над поверхностью часть поврежденной сваи и собираются в тюбинг. Сборка полутюбингов вокруг каждой сваи осуществлялась на временных деревянных мостках. Соединение элементов в замкнутый тюбинг производится четырьмя стальными шпильками с последующим их предварительным напряжением динамометрическим ключом. Подготовленный таким образом элемент опускается в предварительно подготовленное ложе на глубину ниже поврежденной части сваи на 250-300 мм. Затем подобным образом монтируется второй элемент и опускается на первый. И так до тех пор, пока не будет взята в сборную железобетонную обойму вся поврежденная часть сваи. При возведении обоймы железобетонные элементы поярусно разворачиваются на 90˚ вокруг вертикальной оси сваи для исключения стыков элементов в одном вертикальном сечении. В зазор между сборной железобетонной обоймой и поврежденной сваей устанавливаются сетки из арматуры Ø12 А-III в качестве конструктивного армирования. Далее зазор заполняется мелкозернистым бетоном. Приготовление бетона производилось из песчано-гравийной смеси на тампонажном цементе (ГОСТ 26798.0–85) с применением питьевой воды по ГОСТ 2874-82. Расход цемента при приготовлении бетонной смеси составлял 500 кг/м3. По мере заполнения зазора бетонной смесью болотная вода отжималась в окружающую среду. Уплотнение бетона производилось тщательным штыкованием в течение 20-30 минут (рис.2).
Рис. 2. Рабочий момент усиления свайных фундаментов опор ЛЭП
С целью защиты усиленных подножников свайных фундаментов от замачивания атмосферными водами в верхней части тюбингов устраивались уклоны, на которые после набора прочности бетона наносилась поверхностная битумная изоляция.
Наиболее трудоемкой, не поддающейся механизации частью работ в данных природных условиях являлась подготовка шурфов для сборных железобетонных обойм. После разрыхления торфа вокруг каждой сваи и удаления его из котлована с опережающей интенсивностью вычерпывалась вода, после этого определялась высота поврежденной части сваи. Для установки тюбингов на проектную отметку использовалась металлическая стойка с консолью, к которой подвешивался тельфер грузоподъемностью 300 кг. Крепление стойки осуществлялось к металлическим ростверкам с помощью струбцин.
Изготовление элементов осуществлялось по 4 элемента в одной металлической опалубке. Армирование элементов выполнялось гнутыми плоскими каркасами из стержневой арматуры Ø12 А-III. Диаметр стяжных шпилек был принят из условия равнопрочности с горизонтальной арматурой каркасов. Все элементы изготовлялись из бетона класса В 20.
За полтора месяца работы в осенне-летний период вахтовым методом бригада в составе 5 человек изготовила железобетонные элементы в требуемом количестве и выполнила усиление 57 аварийных фундаментов в сложных природно-климатических условиях.
Установленный при обследовании только одной трассы ВЛ-35 объем повреждений свайных фундаментов за короткий срок эксплуатации показал, что традиционный подход к проектированию свайных фундаментов опор ЛЭП в сложных природно-климатических условиях севера неприменим. Такой подход не обеспечивает проектной долговечности несущей системы сооружений. Нужны новые альтернативные решения свайных фундаментов, более стойких и надежных в данных природных условиях.
Поскольку в настоящее время на трассах ВЛ-35 в Томской области находится более 2000 опор, опирающихся на свайные фундаменты, большинство из которых проявляют отказ по вышеуказанным причинам, то повышение их эксплуатационной надежности является первостепенной необходимостью.