Изыскания трассы и площадок станций
Изыскания выполняются на стадии технического проекта. При изысканиях собирают и уточняют исходные данные, необходимые для проектирования трубопровода, проводят согласования по различным вопросам строительства с органами местного самоуправления.
Изыскания по выбору трассы. Топографогеофизические изыскания. Между указанными в задании на проектирование начальным и конечным пунктами можно проложить трубопровод по многим трассам, причем самой короткой будет трасса, полученная соединением начала и конца трассы прямой линией. Эту линию, называемую геодезической линией, можно получить пересечением земного сфероида плоскостью, проходящей через начальный и конечный пункты и центр Земли. Однако прокладка трубопровода по такой кратчайшей трассе не всегда осуществима, и во многих случаях этот вариант оказывается невыгодным. Это объясняется тем, что трубопровод нельзя прокладывать через населенные пункты, причем нормами проектирования оговаривается, что расстояние между крайними строениями населенного пункта и нефтепроводом должно составлять не менее 75 — 300 м в зависимости от класса трубопровода. Трубопровод нецелесообразно прокладывать по болотам, вдоль русел рек, через озера, если их можно обойти при небольшом удлинении трассы. Переходы крупных судоходных рек, исходя из технических соображений или из условий согласования с заинтересованными организациями, целесообразно осуществлять в определенных местах (например, при обходе водохранилища), что также вызывает отклонение от геодезической прямой. Необходимость обхода заповедников, площадей горных разработок, приближение трассы к пунктам сброса или подкачки продукта, указанным в задании на проектирование, — все это вынуждает удлинять трассу по сравнению с геодезической линией.
Предварительные изыскания по выбору трассы производятся в основном в камеральных условиях по картографическим материалам, а также по фондовым и справочным источникам. При этом для камеральных исследований можно использовать топографические карты мелких, средних и крупных масштабов.
Большую помощь на стадии предварительных изысканий может оказать аэрофотосъемка. Особенно важна аэрофотосъемка при изысканиях в труднодоступной местности и в застроенных районах, где карты быстро устаревают и становятся малопригодными для трассирования и решения таких вопросов, как обход застроенных зон, выбор разрыва между трубопроводом и железными и шоссейными дорогами, а также между трубопроводом и мостами. Аэрофотосъемка позволяет более точно и правильно намечать обходы трассой населенных пунктов, озер, болот и других естественных и искусственных препятствий. Наиболее удобным временем для аэрофотосъемки считают позднюю осень или раннюю весну, когда земля не покрыта снегом, на растениях нет листвы и влажность грунта максимальная. В это время при фотографировании достигается наиболее четкое отображение земной поверхности на снимках. Ширина полосы фотографирования выбирается такой, чтобы можно было вносить коррективы в ранее намеченное направление трассы, производить проектирование в этой полосе притрассовых дорог, линий связи, перекачивающих станций, вторых ниток трубопровода и т. д.
По имеющейся карте можно наметить несколько вариантов трассы между начальным и конечным пунктами (с учетом при необходимости заданных промежуточных пунктов). Во многих случаях число возможных вариантов весьма велико, и для выбора оптимального варианта необходимо разработать надежную методику и установить критерии оптимальности, позволяющие определить направление трассы трубопровода. В некоторых случаях в качестве критериев оптимальности можно принять металловложения, надежность работы трубопровода, время строительства и вероятность его завершения в заданный срок и др. Наиболее признанными критериями оптимальности являются экономические: приведенные затраты, капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Как правило, оптимальная трасса в какой-то степени должна удовлетворять нескольким критериям. В этом случае критерии оптимальности располагают в порядке убывания степени «важности», определяемом в каждом конкретном случае в соответствии с требованиями, предъявляемыми заказчиком. Из всех вариантов сравниваемых трасс предпочтение отдают той, у которой наилучший показатель «важности». Если значения первого показателя у двух (или более) трасс одинаковы, то выбирается тот вариант, у которого лучше второй показатель по степени «важности». Для выбора трассы широко применяются методы системного анализа.
Для выбора оптимальной трассы принимают сеточную схематизацию, позволяющую использовать ЭВМ для поиска. Для этого на подробную карту местности наносят сетку. Точки пересечения линий сетки называют узлами, а отрезок между двумя смежными узлами — дутой. Сетка может быть любой конфигурации (рис. 5.2). Ее наносят так, чтобы начало и конец трассы находились в узлах сетки. Дуги сетки соответствуют участкам, по которым может проходить трасса трубопровода. Любой путь на сетке, который может служить трассой или ее частью, называется допустимым путем, а все остальные пути (например, пути с самопересечениями) — недопустимыми. Задача состоит в том, чтобы на сетке между начальным и конечным пунктами трассы найти допустимый путь, являющийся оптимальным. Обычно критерий оптимальности — монотонная функция пути. Кроме того, многие критерии оптимальности аддитивны, т. е. в процессе движения по дугам от начала к концу трассы при продвижении на одну дугу показатель критерия оптимальности для этой дуги добавляется к ранее полученному суммарному показателю оптимальности для трассы, пройденной по этой дуге. К таким критериям относятся, например, капитальные и приведенные затраты, время строительства для участка, на котором ведет работы одна колонна, или для всего трубопровода при последовательном строительстве, т. е. при строительстве от одного участка к другому. Существуют также неаддитивные критерии оптимальности. Примером неаддитивного критерия является вероятность завершения строительства в заданный срок. Если сроки строительства ограничены, то не имеет смысла рисковать, осуществляя строительство вдоль дут, где вследствие различных препятствий вероятны большие отклонения истинных сроков строительства от ожидаемых. Тогда выражение для критерия
Рис. 5.2. Виды сеток (а, б) для оптимальных трасс |
оптимальности можно получить следующим образом. Пусть То — срок, за который нужно завершить строительство, а Т — действительное время строительства. Должно выполняться условие
Обозначим Т — случайное время проведения работ на i-м участке (дуге), образующем трассу. Тогда полное время строительства будет
Если сумма Тi по уравнению (5.2) содержит достаточно много слагаемых, то, согласно центральной предельной теореме теории вероятностей, вероятность события (5.1) имеет вид
где М(Тi) и D(Ti) — математическое ожидание и дисперсия случайной величины Тi ψ{Т) — функция Лапласа,
Требуется найти такой путь на сетке между началом и концом трассы, для которого вероятность (5.3) достигает максимума. Поскольку ψ — монотонно возрастающая функция, задача сводится к отысканию такой трассы, для которой максимально значение выражения
Для поиска оптимальной трассы можно использовать модифицированный алгоритм Ли. Согласно этому алгоритму на каждом шаге анализируют все варианты путей, построенных от начала трассы, и устанавливают путь, для которого показатель критерия оптимальности (в дальнейшем будем называть его стоимостью достижения концевого пункта трассы, или стоимостью) имеет наименьшее значение. Надстраиваем этот путь на одну новую дугу во всех допускаемых сеткой направлениях. Среди всех построенных к этому моменту путей ищем новый путь с наименьшей стоимостью и надстраиваем его на одну новую дугу во всех допускаемых сеткой направлениях. Этот процесс продолжается до тех пор, пока среди сформировавшихся последовательной надстройкой путей не окажется путь, оканчивающийся конечным пунктом трассы и имеющий минимальную стоимость по сравнению со стоимостью всех сформировавшихся к этому моменту путей. Этот путь и будет оптимальным вариантом трассы.
Как правило, стоимость трубопровода включает стоимость линейной части и перекачивающих станций. В общем случае число, а следовательно, и стоимость перекачивающих станций как для нефтепроводов, так и для газопроводов зависят от длины и профиля трассы, которые могут быть известны только при доведении расчетов по выбору трассы до конечного пункта. Тогда рекомендуется поступать следующим образом. Найдя оптимальную по стоимости линейной части трассу описанным образом, рассчитываем для нее число перекачивающих станций, а затем стоимость трубопровода с перекачивающими станциями. Потом находим, применяя тот же алгоритм, вторую по оптимальности трассу, т. е. уступающую ранее выбранной, но лучшую, чем все остальные, и для нее рассчитываем число перекачивающих станций и полную стоимость строительства. Затем находим следующую трассу, уступающую по стоимости только двум найденным ранее, и проводим такие же расчеты. Обычно достаточно небольшого числа вариантов, чтобы выбрать оптимальный.
После предварительных изысканий и выбора трассы проводят окончательные изыскания и закрепление трассы на местности. Для этого трассу при большой протяженности разбивают на участки. На каждый из участков направляется изыскательская партия, состоящая из 10— 12 чел., в которую входят топографы, геологи, геофизик, гидролог и другие специалисты в зависимости от конкретных условий.
Для получения подробного плана трассы изыскательская партия ведет трассирование линии с помощью теодолита с закреплением этой линии на местности или на плане на отрезки длиной 100 м. Измерение линии при разбивке пикетажа трассы осуществляется разбивкой кривых в натуре. Радиусы кривых естественного изгиба в зависимости от диаметра трубопровода задаются еще до начала изысканий. На местности фиксируют начало и конец кривой и биссектрису. Разница между их длинами (так называемый домер) учитывается при пикетаже. Детальную разбивку кривой следует проводить при рытье траншеи. Кроме того, для составления продольного профиля трассы выполняется нивелирование.
Местоположение перекачивающих станций определяется в соответствии и гидравлическим расчетом. При выборе площадок для размещения перекачивающих станций необходимо стремиться к снижению стоимости строительства, располагая площадки ближе к путям сообщения, источникам водо- и энергоснабжения и культурно-бытовым объектам. Территория площадки станции должна по возможности удовлетворять следующим условиям: иметь спокойный рельеф, благоприятные грунтовые условия (несущая способность грунта не менее 0,15 МПа, уровень грунтовых вод ниже глубины заложения фундаментов), площадка не должна затапливаться паводковыми водами. На площадках перекачивающих станций производятся крупномасштабные съемки с закреплением границ площадки долговременными знаками.
В результате топографических изысканий должны быть получены следующие материалы:
1) план трассы масштаба 1:25 000 с шириной снятой полосы съемки 2 — 2,5 км (на план должны быть нанесены основные элементы ситуации, железные, шоссейные и автогужевые дороги, границы населенных пунктов, площадки для строительства перекачивающих станций, а также границы административных районов и землепользователей);
2) продольный профиль трассы, причем горизонтальный и вертикальный масштабы для профиля принимаются разными, так как в противном случае из-за небольшой по сравнению с длиной трассы разности отметок пунктов вдоль нее профиль изобразится почти горизонтальной линией. Обычно горизонтальный масштаб составляет 1: 10 000, а вертикальный — от 1:200 до 1: 1000; для изображения инженерно-геологического строения трассы принимается вертикальный масштаб 1:100. Поскольку при нивелировании определяются отметки (высоты) всех пунктов трассы, ее геологический профиль имеет вид ломаной линии; длину измеренной на местности линии откладывают в горизонтальном масштабе на графическом профиле по горизонтали, а превышения — в вертикальном масштабе по вертикали. Поэтому для определения по профилю расстояния между двумя пунктами трассы на местности надо измерить это расстояние на профиле по горизонтали и, пользуясь коэффициентами горизонтального масштаба, вычислитьистинное расстояние между пунктами;
3) ведомость землепользователей;
4) каталоги реперов, закрепительных знаков, углов поворота и разведочных выработок;
5) документы согласований и сноса строений;
6) планы площадок перекачивающих станций с планами и профилями внешних коммуникаций;
7) пояснительная записка к материалам изысканий.
На пересечениях трассы водотоков, оврагов, железных и шоссейных дорог проводятся более тщательные изыскания по переходам этих препятствий. По переходам составляют отдельную отчетную изыскательскую документацию, причем масштабы планов и профилей переходов принимаются крупнее, чем у обычных планов и профилей трассы [3, 6].
Вследствие того, что разность отметок (в пределах 300 м) в отличие от нефтепровода не влияет на гидравлические параметры потока в газопроводе, для магистральных газопроводов составляют спрямленные профили (в виде горизонтальной линии), характеризующие трассу преимущественно по инженерно-геологическим условиям.