Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАЛЕДЕЙ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Шеин Н.С. 1 Стручкова Г.П. 1 Капитонова Т.А. 1 Ефремов П.В. 1 Слепцов О.И. 1
1 ФГБУН Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» Институт физико-технических проблем Севера имени В.П. Ларионова СО РАН
Магистральные трубопроводы, проходящие по территории распространения криолитозоны, подвергаются влиянию различных негативных опасных геологических процессов (ОГП), таких как термокарст, пучение, эрозия, солифлюкция и иные, в том числе и наледеобразование. Цель данной статьи – исследование влияния наледеобразования на работоспособность магистральных трубопроводов на примере магистрального газопровода «Сила Сибири». Наледи – слоистые ледяные массивы, возникающие при замерзании эпизодически выливающихся грунтовых или поверхностных вод. Наледи – это особо опасное гляциальное явление, негативное влияние которого представляется: а) непредвиденным затоплением территории в холодное время года; б) кристаллизацией воды и появлением термодинамического и статического давления льда; в) образованием ледяных барьеров и увеличением количества скользких дорог, тротуаров, грунтовых покрытий; г) развитием сопутствующих опасных процессов, таких как морозное растрескивание, криогенное волнение, термоэрозия, образование нагнетаемого льда, неравномерные осадки земной поверхности и т.д. Влияние наледей отрицательно сказывается на безопасности и работоспособности магистральных трубопроводных систем, вызывает необходимость повышенных требований к материалам, конструкциям, технологиям прокладки, отрицательно воздействует на экологическую обстановку региона в случае возникновения аварийных ситуаций. В данной работе на основе экспертного анализа определены основные факторы, влияющие на процесс наледеобразования, оценена степень воздействия наледей на работоспособность магистрального трубопровода с использованием методов нечеткой логики и сформированных правил нечеткого вывода. Данный подход позволяет определить опасные участки для проведения предупреждающих мероприятий по уменьшению риска появления чрезвычайных ситуаций. Также возможно смоделировать последствия аварийных ситуаций и локализовать последствия исходя из погодных условий и территории распространения.
наледи
магистральные трубопроводы
наледная опасность
подземные воды
нечеткая логика
функция принадлежности
лингвистические переменные
база нечетких правил
1. Шестернев Д.М., Верхотуров А.Г. Воздействие наледей на инженерные сооружения // Вестник Забайкальского госуниверситета. 2016. Т. 22. № 10. С. 30–40. DOI: 10.21209/2227-9245-2016-22-10-30-40.
2. Permyakov P.P., Vinokurova T.A. Popov G.G. Effect of Ice on the Heat-Moisture Regime of Soil Foundation of Gas Pipeline. International science and technology conference «FarEastCon-2019» IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 753 (2020) 052005. DOI: 10.1088/1757-899X/753/5/052005.
3. Алексеев В.Р., Савко Н.Ф. Теория наледных процессов. М.: Наука, 1975. 205 с.
4. Алексеев В.Р. Проблемы инженерного освоения наледных участков речных долин // Криосфера земли. 2017. Т. XXI. № 6 С. 65–75. DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2017-6(65-75).
5. Алексеев В.Р. Наледи. Новосибирск: Наука, 1987. 256 с.
6. Алексеев В.Р. Наледеведение. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2007. 438 с.
7. Меренцова Г.С., Медведев Н.В. Образование наледей и борьба с ними на автомобильных дорогах и искусственных сооружениях // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2017. Т. 3. № 3. С. 64–71.
8. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. СПб.: БХВ­-Петербург, 2005. 736 с.
9. Аверкин А.Н. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. М.: Книга по требованию, 2012. 312 с.
10. Зак Ю.А. Принятие решений в условиях нечетких и размытых данных: Fuzzy-технологии. М.: URSS, 2013. 349 с.
11. Горбунова Л.Н., Панова З.Н. Анализ методов и средств борьбы с наледью и сосульками // Вестник КрасГАУ. 2012. № 8. С. 206–209.
12. Алексеев В.Р., Чжан Р.В. Криогенные строительные материалы. Якутск: Изд. Института мерзлотоведения СО РАН, 2011. 66 с.

Анализом влияния наледей на инженерные сооружения занимались различные исследователи. В [1] показано, что воздействие наледей снижает прочность инженерных сооружений и их несущую способность, также образование наледей и их активизация приводят к изменению геокриологических условий; предложена классификация наледей по морфологическим параметрам – объему, площади и мощности. В [2] рассмотрено влияние наледей и грунтовых вод на процесс формирования мерзлого массива в грунте и инженерные сооружения численными методами.

На основании практики многолетних изучений наледей, в разные годы проводившихся в районах Сибири и Дальнего Востока (в том числе Якутии и Амурской области) В.А. Алексеевым и Н.Ф. Савко [3–6], определено, что на величину формирующихся наледей и условия их развития главным образом влияют следующие климатические факторы: количество выпадающих атмосферных осадков в предшествующий наледеобразованию теплый период времени; температура зимнего воздуха, мощность снежного покрова. В соответствии с этим положением анализ межгодовой изменчивости в наших исследованиях приводится по данным факторам.

Наледи – слоистые ледяные массивы, возникающие при замерзании эпизодически выливающихся грунтовых или поверхностных вод. Наледи – это особо опасное гляциальное явление, негативное влияние которого представляется: а) непредвиденным затоплением территории в холодное время года; б) кристаллизацией воды и появлением термодинамического и статического давления льда; в) образованием ледяных барьеров и увеличением количества скользких дорог, тротуаров, грунтовых покрытий; г) развитием сопутствующих опасных процессов, таких как морозное растрескивание, криогенное волнение, термоэрозия, образование нагнетаемого льда, неравномерные осадки дневной поверхности и т.д.

Наледная опасность – это угроза жизни и здоровью человека, его экономической деятельности, работе инженерных сооружений, животному и растительному миру. Границы распространения наледной опасности обусловливаются многими факторами, включая деятельность человека. В некоторых случаях, например при сбросах бытовых и промышленных вод, строительстве дорог, плотин, застройке местности, развитие наледей вызывается намеренно. Иногда такие необдуманные мероприятия могут привести к большим стихийным бедствиям. Учет наледей и наледных процессов требуется на всех этапах бытового и инженерного освоения территории. Для этого применяют такие критерии оценки наледной опасности, как: время вероятного появления, возможность возникновения наледей в том или ином месте, длительность развития и разрушения ледяных массивов, их толщина, объем, площадь и особенности взаимодействия с хозяйственными объектами [5].

hein1.tif

Рис. 1. Наледь на участке МГ «Сила Сибири»

Материалы и методы исследования

Наледи оказывают большой вред инженерным сооружениям, также они создают трудности при их использовании.

Факторы негативного влияния наледей: 1) закупорка льдом отверстий малых искусственных сооружений и затруднение пропуска весенних вод; 2) затопление проезжей части подходов к искусственным сооружениям и затруднение движения транспорта; 3) деформирование искусственных сооружений при образовании около них наледных бугров; 4) создание условий для размыва конусов и земляного полотна подходов, а также изменение конфигурации русла водотока при стоке весенних вод по образовавшемуся льду.

Главными условиями формирования и развития наледей являются: 1) мощность льда; 2) площадь льда; 3) источники наледеобразующих вод (надмерзлотные, подмерзлотные, русловой сток, несквозные талики, глубокий подмерзлотный сток, пластово-поровые воды таликов, ледоснеговые); 4) грунты (пески, супеси, суглинки, торф); 5) наличие наледных бугров; 6) расстояние от трубы до бугра; 7) долины рек (долины I–II–III порядка, верховья долин, горные долины).

Наледи можно классифицировать по: а) месту отложения; б) степени опасности; в) типу наледеобразующих вод; г) происхождению; д) размерам; е) длительности существования [7].

Влияние наледей отрицательно сказывается на безопасности и работоспособности магистральных трубопроводных систем, вызывает необходимость повышенных требований к материалам, конструкциям, технологиям прокладки; они отрицательно воздействуют на экологическую обстановку региона в случае возникновения аварийных ситуаций.

По степени опасности для функционирования технических сооружений наледи были классифицированы на следующие виды: слабые; средние; опасные; сильно опасные; катастрофические.

В данной работе рассматривается влияние наледной опасности на участки прохождения трубопровода и производится их ранжирование по степени опасности с использованием экспертного анализа и нечеткой логики. Предложенная модель выполняется в среде Fuzzy Logic MATLAB с применением алгоритма Мамдани. Результаты показывают, что предлагаемая модель может быть использована как инструмент анализа определения степени наледной опасности на различных участках трубопровода.

Результаты исследования и их обсуждение

Для схемы нечеткого вывода в данной работе мы используем метод Мамдани. Методом активации будет MIN. Далее определим методы агрегирования подусловий. Для метода агрегирования используем операцию min-конъюнкции, в качестве логической связки для подусловий применяется только нечеткая конъюнкция (операция «И»), для метода дефаззификации – метод центра тяжести, для аккумуляции заключений правил – метод mах-дизъюнкции [8].

Нечеткая модель (наледи) разрабатывалась при помощи среды MATLAB. Для этого в редакторе FIS были определены семь входных переменных: «площадь льда», «мощность льда», «источники», «грунты», «наличие наледных бугров», «расстояние от трубы до бугра», «долины рек» и одна выходная: «степень опасности». Графический интерфейс редактора FIS представлен на рис. 2.

hein2.tif

Рис. 2. Графический интерфейс редактора FIS

Предложенную модель выполним в среде Fuzzy Logic MATLAB, используя алгоритм Мамдани. По умолчанию оставим параметры данной разрабатываемой нечеткой модели. Для метода агрегирования (max), метода импликации (min), логических операций (min для нечеткоrо логического И и max для ИЛИ) и для метода дефаззификации выберем метод центра тяжести [8–10].

Затем для каждой входной лингвистической переменной и одной выходной переменной системы нечеткого вывода определим функции принадлежности термов. Для этой цели воспользуемся редактором функций принадлежности среды Fuzzy Logic MATLAB. На рис. 3 представлен интерфейс редактора функций принадлежности для входной лингвистической переменной «грунты».

hein3.tif

Рис. 3. Функции принадлежности лингвистической переменной «грунты»

Влияние наледной опасности на трубопровод оценивалась по шкале от 0 до 5 баллов. В качестве примера рассмотрим участок на р. Аччыгый Лэглэгэр. В результате дефаззификации при рассмотрении примера получим, что при следующих значениях факторов: мощность наледи 2,6 м; вид грунта супесь; расстояние от трубы до бугра <50 м; площадь наледи 129 482,3 м2; наледные бугры есть; долины 1–2-го порядка; источники (подмерзлотные воды) – значение наледной опасности будет равно 4,28. Для другого примера возьмем участок на р. Эргэ: мощность наледи 0,95 м; вид грунта слабозаторфованная супесь; расстояние от трубы до бугра >50 м; площадь наледи 6063,158 м2; наледные бугры есть; долины 1–2-го порядка; источники (глубокий подмерзлотный сток) – значение наледной опасности будет равно 2,5. Визуализация нечеткого вывода приведена на рис. 4.

hein4.tif

Рис. 4. Визуализация нечеткого вывода

На основании справочных и научно-методических материалов, а также данных, полученных из анализа опроса экспертов, была сформирована база правил. На основе экспертного анализа определены основные факторы, влияющие на процесс наледеобразования, оценена степень воздействия наледей на работоспособность магистрального трубопровода с использованием методов нечеткой логики и сформированных правил нечеткого вывода. Данный подход позволяет определить опасные участки для проведения предупреждающих мероприятий по уменьшению риска появления чрезвычайных ситуаций. Нечеткая модель была выполнена с применением алгебры нечетких множеств, нечеткой логики и базы правил на этапе нечеткого вывода каждой входной лингвистической переменной, полученной в процессе фаззификации.

С использованием данного подхода были рассмотрены влияния наледной опасности на участки магистрального трубопровода (таблица).

Исходные данные участков МГ с развитием процессов наледеобразования и оценка степени интенсивности воздействия на элементы МГ

Участок

Порядок долины

Источники

Мощность наледи, м

Наледные бугры

Расстояние от трубы до бугра, м

Площадь наледи, м2

Грунты

Аччыгый Лэглэгэр

1–2

5-6

(PM)

2,6

есть

<50

129482,3

Супесь

Улахан Лэглэгэр

1–2

3-4

(NT)

1,3

есть

<50

74769,23

Песок с примесью торфа

Тит

1

3-4

(NT)

0,75

есть

<50

15600

Супесь

Эргэ

1–2

2-3

(GPS)

0,95

есть

>50

6063,158

Слабозаторфованная супесь

Л. Бурухинский

1–2

3-4

(NT)

1

нет

10650

Супесь

Появление факторов наледеобразования при строительстве магистральных трубопроводов наиболее вероятно при:

а) пересечении склонов, многолетнемерзлых грунтов при расчистке просеки;

б) наличии на склонах большого количества ручьев и заболоченности;

в) недостаточном количестве водопропускных сооружений;

г) прокладке трубопроводных систем ниже глубины сезонного оттаивания;

д) нарушении стока грунтовых вод и т.п.

Техногенными факторами наледеобразования часто являются искусственные сооружения, если они затрудняют пропуск воды, особенно при скоплении в них шуги [11, 12].

Заключение

На основании литературно-справочных данных и экспертного опроса, с использованием данных из БД геотехнического мониторинга были определены основные факторы, влияющие на процесс наледеобразования, и сформулированы критерии оценки опасности участка МТ при интенсивном воздействии наледей на инженерные сооружения. С применением полученных критериев опасности были сформированы правила нечеткого вывода. Данный подход оценки влияния процесса наледеобразования на участках трубопровода помогает оценить степень влияния наледеобразования на элементы магистрального газопровода с целью проведения предупреждающих мероприятий по уменьшению источников риска на разных участках. Безопасность магистральных трубопроводов определяется наличием современных методов диагностики состояния трубопроводных конструкций в условиях меняющегося рельефа и методами оценки его влияния на работоспособность конструкций.

Работа выполнена при поддержке программы НИР № АААА-А17-117040610321-2.


Библиографическая ссылка

Шеин Н.С., Стручкова Г.П., Капитонова Т.А., Ефремов П.В., Слепцов О.И. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАЛЕДЕЙ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 6. – С. 123-128;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37421 (дата обращения: 27.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074