Фундаменты основания электростанции ЯМАЛ СПГ | АО «НИЦ «Строительство», НИИОСП им. Н.М. Герсеванова

О проекте Электростанция Ямал СПГ

Электростанция собственных нужд АО «Ямал СПГ», Ямало-Ненецкий автономный округ, пос. Сабетта является крупнейшим энергетическим сооружением, возведенным на многолетнемерзлых грунтах.

Сложность обеспечения устойчивости оснований фундаментов Электростанции, сложенных многолетнемерзлыми грунтами, обусловлена значительными габаритами здания: шириной более 50 м и длиной более 160 м и чрезвычайно сложными инженерно-геокриологическими условиями, характеризующимися низкой среднегодовой температурой воздуха (минус 10°С) и низкими температурами грунтов на уровне нулевых амплитуд колебаний (от −3,3 до −5,3°С). Обеспечение проектного температурного режима грунтов нормативными методами не представлялось возможным из-за отсутствия методов и конструкций по отводу тепла от здания Электростанции на большой площади и снижению теплового влияния устройства большого количества свай при их устройстве.

Сохранение температурного режима грунтов основания обеспечено разработкой Комплексной энергоэффективной автоматизированной системы искусственной вентиляции подполья и термостабилизации грунтов оснований с помощью сезонно охлаждающих устройств.

Описание здания

Здание Электростанции каркасного типа, имеет размеры в плане 57×168 м и высоту 12 м с четырьмя действующими и четырьмя резервными газовыми турбинами. Под корпусом устроено вентилируемое подполье высотой 3 м с открытым цоколем, подполье под фундаментами турбин имеет высоту 0,5 м. Температурный режим на уровне нулевых амплитуд изменяется от −3,3 до −5,3°С. Глубина уровня нулевых амплитуд составляет около 15-17 м, колебания температур постепенно сводятся к нулю, начиная с глубин 12-13 м от поверхности. Среднегодовая температура воздуха района составляет минус 10°С. Использование многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований сооружений принято по принципу I в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации

сооружений. Для сохранения мерзлого состояния грунтов основания и обеспечения их расчетного теплового режима предусмотрено устройство холодного (вентилируемого) подполья. Геологический разрез представлен песками мелкими, которые подстилаются на глубине 22-25 м суглинками; с поверхности площадка отсыпана мелким песком. В качестве фундаментов Электростанции приняты сваи из металлических труб ∅273×8 мм, ∅325×10 мм, ∅426×10 мм длиной 15 м под фундаменты колонн и рабочую площадку, а также ∅426×10 мм длиной 20 м под фундаменты газовых турбин, объединенные балочной системой из двутавров, обеспечивающих восприятие как статических нагрузок от надземных конструкций Электростанции, так и динамических от газотурбинных установок.

Применены буроопускные сваи, свободно погружаемые в скважины, диаметр которых превышает размер их наибольшего поперечного сечения, с заполнением свободного пространства цементно-песчаным раствором для обеспечения смерзания сваи с грунтом. Свайные кусты фундаментов колонн включают от 4 до 12 свай. Под рабочую площадку устраивается свайное поле с шагом 3×3 м. Каждый из восьми фундаментов газотурбинных установок состоит из 60 свай, размещенных сеткой 1,6×2,7 м.

Комплексные расчеты проектных параметров

В рамках проектирования основания и фундаментов выполнены следующие виды расчетов:

• Теплотехническое моделирование взаимодействия проектируемого здания и многолетнемерзлых грунтов, проектирование системы вентиляции для отвода тепла из подполья, оценка риска застаивания теплого воздуха в центре технического подполья в связи со значительными размерами здания и наличием тепловыделяющих коммуникаций в подполье;
• Аналитический расчет влияния тренда глобального потепления на изменение инженерно-геокриологических условий, разработка методики учета изменения климатических параметров на выбор решения по фундаменту;
• Расчеты по первой и второй группам предельного состояния (по прочности и деформациям), определение несущей способности свай по грунту на вдавливающие и горизонтальные нагрузки, в том числе с учетом динамического характера воздействия, реологических свойств многолетнемерзлых грунтов, а также потенциально возможного аварийного случая на объекте;

• Оценка степени снижения несущей способности свай по грунту вследствие их разжижения под воздействием постоянных динамических воздействий на грунты в мерзлом состоянии от газовых турбинных установок;
• Расчеты системы вертикальных термостабилизаторов с целью ускорения восстановления температурного режима грунтов основания после устройства большого количества буроопускных свай;
• Расчет автоматизированной сети геотехнического мониторинга, исключающей негативное влияние человеческого фактора при контроле параметров системы жизнеобеспечения здания на всем сроке его эксплуатации.

Инновационные энергоэффективные решения по температурной стабилизации грунтов

В процессе проектирования Электростанции рассмотрены следующие сложные геотехнические вопросы:

• риск застаивания теплого воздуха в центре вентилируемого подполья в связи со значительными размерами здания и наличием тепловыделяющих коммуникаций в подполье;
• длительный срок восстановления температурного режима грунтов основания после устройства фундаментов с большим количеством буроопускных свай;
• минимизация человеческого фактора при контроле параметров системы жизнеобеспечения здания, эксплуатирующего на многолетнемерзлых грунтах.

По результатам рассмотрения разработаны инновационные решения по температурной стабилизации грунтов.

• устройство воздуховодов и вентиляторов в подполье;
• устройство термостабилизаторов грунта;
• разработка автоматизированного мониторинга температурного режима вентилируемого подполья и грунтов основания.

В связи с отсутствием в нормативных документах методик расчета вентилируемых подполий сооружений больших размеров с наличием тепловыделяющих коммуникаций, для обеспечения равномерного охлаждения грунтов основания фундаментов разработана комплексная система охлаждения, включающая автоматизированную систему вентиляции подполья и сезоннодействующие охлаждающие устройства. Для поддержания заданной температуры грунтов в основании здания подполье вентилируется с помощью промышленных вентиляторов, располагающихся по цоколю здания в конце воздуховодов, закрепленных на перекрытии подполья. Воздуховоды представляют собой металлические трубы, снабженные диффузорами для забора воздуха из подполья.

С целью получения температурного поля основания Главного корпуса электростанции выполнен теплотехнический расчет численным методом на ЭВМ на весь срок его эксплуатации. При этом выделяется два расчетных момента для определения несущей способности сваи: распределение температуры грунта по глубине в первые годы эксплуатации здания и установившееся в эксплуатационном периоде.

Расчет в первые годы эксплуатации выполняется для естественных условий, т.е. не учитывается работа проветриваемого подполья с искусственной вентиляцией и принимается природное распределение температуры грунтов в расчетном месяце. Расчетным месяцем для определения несущей способности основания является месяц, когда средняя температура по рабочей длине сваи будет наиболее высокой. По результатам теплотехнического моделирования расчетным месяцем принят месяц октябрь. В качестве рабочей длины сваи принята подземная часть сваи за вычетом слоя подсыпки и слоя сезонного оттаивания грунтов. В расчете учитывается негативное трение, оказываемое грунтом на сваю.

При эксплуатации станции температура грунтов под зданием будет понижаться в связи с тем, что в контуре отсутствует снег и мох, что позволит быстрее промораживать грунты слоя сезонного промерзания-оттаивания, а принудительная вентиляция позволит отводить тепло от здания. Проверочные теплотехнические расчёты показали, что температура грунта в основании электростанции, установившаяся в эксплуатационном периоде, составит на глубине 20 м минус 4,5°С.

В связи с этим наихудшим расчетным моментом времени для определения несущей способности сваи является начальный период эксплуатации сооружения.

При устройстве свайного поля буроопускным способом погружения в многолетнемерзлый грунт вносится значительное количество тепла из-за заливаемого в скважины теплого цементно-песчаного раствора. В связи с большим количеством свай, расположенных с сеткой 3×3 м, естественный температурный режим грунтов изменяется, а восстановление расчетных проектных температур занимает длительное время. Разработанное техническое решение по сохранению мерзлого состояния многолетнемерзлых грунтов (комплексная система охлаждения, включающая автоматизированную систему вентиляции подполья и сезоннодействующие охлаждающие устройства) позволило в короткий срок восстановить температурный режим грунтов основания до проектных значений в начальный период эксплуатации Электростанции, благодаря чему обеспечить беспрерывность процесса строительства подземной и надземной частей здания.

При эксплуатации зданий на многолетнемерзлых грунтах важнейшим фактором является контроль температуры грунта и температуры воздуха в вентилируемом подполье. Проведение периодических замеров выполняется в рамках геотехнического мониторинга. На Электростанции разработана система автоматизированного мониторинга температурного режима вентилируемого подполья и грунтов основания. Благодаря данной системе происходит постоянное сравнение температуры в различных пространственных точках с установленными в проекте значениями. Система сама анализирует динамику изменения температурных полей и на основании сравнения контрольных параметров принимает решение о включении и выключении вентиляторов для выкачивания теплового воздуха из подполья, взамен которому в подполье приходит более холодный уличный воздух.