С твёрдой цифрой в фундаменте
В конце декабря 2021 года Неправительственный экологический фонд имени В.И. Вернадского подвёл в Санкт‑Петербурге итоги XIX Национальной экологической премии. В номинации «Наука в интересах устойчивого развития» победила работа, которая обкатывалась и внедрялась на объектах ООО «Газпром добыча Ямбург». Большая часть авторского коллектива — также представители предприятия. Заявленная тема объединила два больших и достаточно разных научно‑прикладных направления. Их, с одной стороны, связывает инструмент цифровизации, с другой — тема устойчивости и предсказуемости грунтов. И обе темы решают проблемы геоэкологии.
ВОДА КАМЕНЬ ПУЧИТ
Первая из двух подтем проекта — управление морозным пучением.
Строительство на севере, в зоне многолетнемёрзлых пород, ведётся с учётом сезонной нестабильности грунтов. Зимой они крепки как камень. А летом могут обратиться в расползающуюся грязь. И это лишь одна из напастей.
Вместо классических фундаментов здания и сооружения, например, на Ямбургском и Заполярном месторождениях, опираются на свайные фундаменты, как бы висят в воздухе. Это частично, но не полностью, решает проблему передачи избыточного тепла от объектов в грунт.
Сезонно оттаивающий слой (верхние 2‑3 метра) может сохранять в себе избыток влаги, которая при промораживании «прорывается» буграми пучения. То есть грунт натурально вспучивается и может нарушить исходное положение свай и сооружений, что опасно для технологического оборудования и трубопроводов.
Подобные бугры возникают при определённом сочетании естественных причин и могут иметь достаточно внушительные размеры, расти не одно десятилетие (один из таких бугров морозного пучения хорошо виден с дороги от ГП‑15 Уренгойского месторождения к Ямбургу — он похож на рукотворный курган).
Но опасны и малые бугры, которые могут возникать всего за сезон. Причём заранее неизвестно, в каком точно месте большой площадки ждать их появления.
Даже современные технологии строительства не всегда позволяют учесть развитие подобного сценария. Именно поэтому с мерзлотой на Крайнем Севере не шутят.
Стандартное отраслевое решение включает в себя постоянный геотехнический мониторинг — наблюдение за температурой грунтов и проектным положением свай и сооружений. По его результатам, а также на основании проявлений упомянутых бугров, каждый раз принимают какое‑то решение, позволяющее решить возникшую проблему.
Ноу‑хау, о котором идёт речь в проекте, защищено патентом № 2 602 538. Суть его вкратце такова. На известных по итогам мониторинга потенциально проблемных участках размещают небольшие колодцы (глубиной — 2‑4 метра, чуть ниже кровли многолетнемёрзлых грунтов). Как правило, во второй половине зимы самый верхний слой (сезонно‑мёрзлый) уже хорошо проморожен и твёрд, а промежуточный (сезонно‑талый) как раз и содержит в себе локальный избыток ещё не замёрзшей влаги. Её давление по мере промерзания верхнего слоя возрастает и в конечном итоге разрушает верхний, замёрзший слой, выпучивая его бугром.
Как раз для сброса давления и самой ещё не замёрзшей влаги используют разгрузочные трубки, которые устанавливают в упомянутые колодцы до четырёх штук в каждый. Эти трубки изначально закрывают с обеих сторон пробками. И при необходимости (по результатам мониторинга и специальных расчётов) с нужной трубки снимается верхняя пробка и прутом выбивается нижняя. Это даёт возможность стравить избыточную воду, находящуюся под высоким давлением.
Принципиальная схема управления рисками морозного пучения с помощью разгрузочной трубки
Подобная технология, обкатанная на реальных производственных объектах в 2009‑2014 гг., показала ещё один плюс, кроме предотвращения бугров пучения. В местах её применения кровля многолетнемёрзлых пород немного поднялась (т.е. слой сезонного оттаивания уменьшился), а температура грунтов понизилась, повысив их несущую способность и, соответственно, свайных фундаментов объектов.
ТОРФЯНОЙ ФОРСАЖ
Вторая подтема проекта базируется на целой серии патентов, связанных с разными аспектами рекультивации северной почвы (патенты №№ 2 491 137, 2 611 159, 2 672 490, 2 610 956, 2 611 165, 2 692 616, 2 701 554, 2 735 756).
Как уже было упомянуто выше, грунты в северных районах легко подвергаются нарушению в тёплое время года. Достаточно небольшого воздействия, чтобы запустить эрозию, которая может принести много бед. Поэтому нарушенные грунты необходимо рекультивировать — не ждать естественного зарастания, а искусственно его стимулировать.
Поверхность, которая прошла рекультивацию, внешне представляет собой новый плодородный слой, в который высажены многолетние злаковые растения. Они быстро прорастают, скрепляя почву корнями за один сезон. А с годами постепенно вытесняются местными медленнорастущими видами мхов и лишайников.
Основа нового плодородного слоя — торф. Но, как показали специальные изыскания, торф торфу рознь. Даже в пределах одного региона свойства торфа на разных его месторождениях ощутимо отличаются.
Поэтому для определения месторождения, с которого нужно брать торф для достижения наилучшего результата рекультивации, необходимо «спросить» саму почву рекультивируемого участка — что ей нужно. И она действительно отвечает на этот вопрос через результаты специальных лабораторных испытаний. Организовать их несложно, проводить можно даже в морозный сезон собственными силами.
Эти испытания представляют собой фактически повторение процедуры рекультивации — в миниатюре, в пробирке (а точнее — в чашке Петри) и в термостате.
Смесь грунта с конкретного участка рекультивации смешивают с одним из образцов привозного торфа, а также туда добавляют разные семена плюс стимулятор роста и развития растений (гумат калия). Одновременно готовится много разных образцов в чашечках Петри. Результаты по всем чашечкам одновременно анализируются и заносятся в базу данных. Варьирование указанных результатов как переменных величин с соответствующим прогнозом и даёт возможность «услышать ответ» почвы, что ей нужно, то есть спрогнозировать с высокой точностью разные сценарии будущей рекультивации. Прочие параметры (температура, влажность) неизменны.
Критерий тут понятный: где прирост гуще, там и условия наиболее благоприятные.
Параллельная обкатка сразу нескольких сценариев (образцов) в течение месяца испытаний позволяет выявить наиболее эффективный и жизнеспособный вариант для промышленного внедрения уже в ближайший тёплый сезон и рассчитать оптимальный объём торфа, который необходимо завезти с выбранного месторождения на рекультивируемый участок.
Таким методом на Ямбургском месторождении предприятие уже рекультивировало почти 160 га тундры.
Кроме того, по просьбе технопарка «Ямал» прошли исследования по применению описанной технологии в условиях арктического острова Белый (он находится северней полуострова Ямал, в акватории Карского моря). Полученные лабораторные результаты подтвердили универсальность упомянутого подхода к рекультивации и возможность её применения во всём арктическом регионе России.
ОБЪЕДИНЯЮЩАЯ ЦИФРА
Две подтемы связаны не только «поверхностно» (в плане того, что обе отвечают за целостность поверхностного слоя земли), но и перспективами, глубинным универсальным подходом — с использованием методов цифровизации.
Данные, которые аккумулируются во время практической реализации каждого из изобретений, это набор дискретных параметров, цифровой отпечаток реальности. Его легко можно оформить как соответствующие базы данных и использовать во вполне определённых, специализированных моделях. Впрочем, давно не только «можно»: подобная работа уже успешно ведётся, модели функционируют, они — неотъемлемая часть самих изобретений, поскольку управлять сложными природными процессами без моделей просто невозможно.
Глубина, проработка и детализация таких моделей зависит от поставленной задачи. Хотя, безусловно, любая построенная авторами модель лишь частично отражает действительность и имеет свои ограничения.
Скажем, в теме с буграми пучения получаемые в ходе мониторинга данные «загружаются в зонную гидродинамическую модель надмерзлотного водоносного горизонта защищаемой площадки» (цитата из презентации). Она‑то и даёт возможность прогнозировать развитие неблагоприятных сценариев на отдельных участках и скорректировать события заблаговременно.
В случае с рекультивацией данные по образцам по мере проведения сравнительного анализа в лаборатории загружаются в специализированную базу данных, т.к. могут пригодиться не только в ближайший сезон. Эта информация будет очень полезна, если на отдельных рекультивированных участках возникнет необходимость устранять проплешины, выяснять их причину, что можно реализовать, лишь обратившись к ретроспективным данным.
Использование цифровизации теоретически имеет бесконечную глубину, в том числе применимо к вопросам геоэкологической безопасности.
Детализация модели по времени и пространству, количеству переменных, пересечению с другими моделями — всё это задаётся сегодня специалистами, решающими насущные задачи. Но очевидно: чем больше полезных данных собрано и систематизировано сегодня под конкретную проблему, тем эффективней и точней будут «цифровые двойники» будущих поколений.
Источник: Газета «Пульс Ямбурга»