Повышение эффективности использования остаточного ресурса реконструируемых причальных набережных в районах Сибири и Крайнего Севера

Представляемая диссертационная работа выполнялась в Новосибирской государственной академии водного транспорта применительно к научной специальности 05.22.19 — Эксплуатация водного транспорта, судовождение. Диссертационная работа решает важную народно-хозяйственную задачу для периода дефицита средств на модернизацию эксплуатируемых и строительство новых причальных набережных — поиск наиболее экономичных и технически выгодных методов реконструкции существующих причальных сооружений, позволяющих обеспечить безопасность перегрузочных процессов и повысить их интенсивность.

Водный транспорт в нашей стране имеет многовековую историю. С древних времен экономическое развитие России было неразрывно связано с развитием транспортных связей. Географическое положение, богатое водными ресурсами, благоприятствовало развитию водных путей. При этом сибирские реки и озера сосредотачивают около половины пресноводных ресурсов России и более половины речных путей сообщения. Начиная с XII века в летописях встречаются записи о плаваниях по северной части р. Оби и ее левым притокам. Великие сибирские реки Обь, Иртыш, Енисей и Лена послужили путями освоения огромных сибирских и северных территорий. Установленные за XII — XVI века прочные транспортные связи и последовавшее в XVII веке вхождение коренного населения Сибири в состав Российского государства имели прогрессивное значение для развития Сибирского региона и всей России. В середине XVIII века на р. Оби и ее притоках начали возводить первые пристани. Однако деревянный флот был заменен пароходами лишь в XIX веке. Российское правительство того времени считало, что развитие сухопутных путей сообщения в сибирском регионе более целесообразно, нежели развитие водных путей. Но сама жизнь доказала несостоятельность такой точки зрения. Вся торговля и развитие производственных сил были увязаны с водным транспортом. Первый грузовой рейс из г. Тюмени до г. Тобольска состоялся в 1843 году, через пять лет после появления в Сибири первого парохода. В дальнейшем происходило закономерное расширение географии плаваний и освоение новых речных путей, было основано первое коммерческое пароходное предприятие. К 1859 году в Сибири насчитывалось уже пять действующих пароходных предприятий. В то же время начали осваиваться большие и малые притоки р. Оби, были проведены первые исследовательские работы по изучению условий плавания. 31].

В середине XX века наблюдалось значительное по своим масштабам расширение существующих транспортных линий и освоение новых. Было построено много портов и судоходных каналов, в том числе крупнейший в мире Волго-Балтийский канал. Водный транспорт занимал около 20% в общем грузообороте, и его роль в народном хозяйстве страны была очевидна. Такие результаты были достигнуты за счет того, что политика государства была направлена на развитие регионов Сибири и Крайнего Севера, что позволило значительно расширить транспортные связи с этими регионами.

Решению комплексных проблем речного транспорта, в частности эксплуатации, проектирования и строительства сооружений на водных путях посвящены работы отечественных ученых Альхименко А. И., Будина А. Я, Дегтярева В. В., Зачесова В. П., Кожухаря В. И., Колосова М. А., Костюкова В. Д., Нарбута Р. М., Попова Ю. А. и др. 1, 9, 10, 13, 15, 18, 30, 69, ].

Большая и полезная работа по изучению и обобщению опыта эксплуатации причальных набережных проделана рядом проектных и научно-исследовательских организаций. К их числу относятся ВНИИГ им. Веденеева, Гипроречтранс, ЛенморНИИпроект, Московская государственная академия водного транспорта, Новосибирская государственная академия водного транспорта, Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, Сибречпроект, СоюзморНИИпроект и другие.

Значительный вклад в успешное решение проблем эксплуатационной надежности и реконструкции портовых гидротехнических сооружений внесен работами таких специалистов как Бик Ю. И., Будин, А .Я., Долинский A.A., Костюков В. Д., Ляхницкий В. Е., Нарбут P.M., Шихиев Ф. М., Яковлев П. И. 6, 7, 8, 37, 38, 40, 99, 101].

Несмотря на разнообразие выполненных исследований, направленных на изучение эксплуатационной надежности и вопросов реконструкции портовых гидротехнических сооружений, можно отметить, что недостаточно внимания было уделено анализу информации, получаемой в результате комплексных обследований существующих причальных набережных. Следует определить характерные признаки подлежащих капитальному ремонту и реконструкции причальных сооружений в регионах Сибири и Крайнего Севера, а также рациональные схемы их реконструкции. Необходимо рассмотреть вопросы использования остаточной несущей способности основных конструктивных элементов существующих сооружений. Также следует уточнить положения действующих нормативных документов [73, 74, 76] в части определения параметров напряженно-деформируемого состояния существующих сооружений.

Современная концепция развития российского водного транспорта, одобренная Правительством РФ в июле 2003 года, также направлена на развитие водного транспорта и превращение его в современную, высокоэффективную отрасль транспортного комплекса страны.

Актуальность работы.

В концепции развития внутреннего водного транспорта РФ [36] одним из важнейших действующих факторов является состояние важнейших компонентов транспортной инфраструктуры отрасли — водных путей и гидротехнических сооружений на них. На внутренних водных путях России функционируют 128 портов, однако их состояние не соответствует требованиям рынка и сдерживает развитие перевозок. Разработанная концепция ставит одной из основных целей проведение реконструкции водных путей и улучшение эксплуатационных параметров портовых гидротехнических сооружений для повышения их пропускной способности и обеспечения судоходных условий для доставки грузов во вновь осваиваемые труднодоступные районы — прежде всего в районы Крайнего Севера, в том числе по малым и быстро мелеющим рекам [18].

Российская Федерация обладает самой большой в мире сетью внутренних водных путей. Общая протяженность эксплуатируемых водных путей в течение последнего десятилетия была сохранена примерно 100 тыс. км, из них с гарантированными габаритами судовых ходов — 42тыс. кмтаким образом, с 1990 г. она сократилась более чем на 37%. Экономические преобразования 1985 — 1995 гг. приостановили развитие многих отраслей народного хозяйства, в том числе и водного транспорта. Уменьшение привлеченного грузооборота и недостаточное федеральное финансирование привели к тому, что созданная система работы водного транспорта была нарушена. Работы по поддержанию в должном техническом состоянии водных путей, судоходных и причальных сооружений фактически не производились.

Активизация хозяйственной деятельности после 1996 года в отрасли водного транспорта привела к необходимости восстановления его инфраструктуры и сложившихся ранее связей. Поскольку доминирующую роль в народном хозяйстве страны заняли нефтеи газодобывающая отрасли, а также освоение месторождений других полезных ископаемых, то действительно актуальной стала проблема транспортных связей с северными сибирскими регионами и Якутией. Доля транспортных издержек в валовом продукте этих регионов в 5 — 6 раз выше, чем в среднем по стране. Отсутствие или недостаточное развитие автомагистралей и железных дорог в этих регионах позволяет осуществлять необходимый грузооборот только речным транспортом или авиацией. Для ряда регионов доля водного транспорта составляет до 90% от общего объема перевозок. Суровые климатические условия, отсутствие в северных районах строительных материалов, высокая стоимость рабочей силы и удлиненные сроки строительства по сравнению с центральными регионами страны не способствуют привлечению капиталовложений, необходимых для строительства сети автомобильных и железных дорог.

Транспортировка грузов авиацией позволяет в кратчайшие сроки осуществить доставку грузовв условиях бездорожья вертолет становится удобным и зачастую безальтернативным видом транспорта. Но авиаперевозка грузов очень дорога и не может обеспечить необходимый грузооборот. Авиационный транспортный парк практически не пополнялся в последние годы, морально и физически изношен. Замена самолетов и вертолетов потребует значительных капитальных и эксплуатационных затрат.

В таких условиях — как и ранее, в 70-е годы прошлого столетиянаиболее приемлемым видом транспорта для продолжения освоения Северных регионов страны остается водный транспорт [30]. Восстановление судоходных условий и транспортной инфраструктуры естественных водных путей также потребует значительных капиталовложений, но их удельный вес по сравнению с другими видами транспорта относительно не велик. То же самое следует сказать и про эксплуатационные расходы.

На сегодняшний день стоит актуальная задача восстановления и дальнейшего поддержания эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений на внутренних водных путях России, в том числе — и причальных набережных. Все это свидетельствует об актуальности выполнения настоящей работы.

Цель и задачи исследований.

В соответствии с вышеизложенным, основной целью настоящей работы является дальнейшее обеспечение эксплуатационной надежности существующих причальных набережных в Сибирском регионе, а также технически рациональное использование остаточного ресурса их конструктивных элементов в случае реконструкции. Для достижения поставленной задачи потребовалось произвести комплексную оценку технического состояния ряда существующих набережных и определить оптимальный способ их реконструкции. Кроме того, появилась необходимость частично пересмотреть и дополнить действующие в отрасли теоретические методы расчета прочности элементов реконструируемых причальных набережных. Предлагаемые методы оценки напряженного состояния элементов существующих набережных и расчетные схемы реконструируемых сооружений позволят получить технически рациональные и экономически выгодные решения по реконструкции существующих причалов. Целью настоящей работы является определение принципов и расчетных схем использования существующих конструкций причальных сооружений, построенных в период освоения Сибирского региона после их реконструкции и усиления.

Методы исследований.

Решение поставленных задач основывается на материалах произведенных обследований причальных набережных Сибири и Крайнего Севера, а также опыте их капитального ремонта и реконструкции.

Теоретической базой работы являются научные и практические исследования в области совершенствования теории расчета конструкций причальных сооружений, а также в области их эксплуатационной надежности.

Научная новизна исследования.

В настоящей работе рассмотрены вопросы использования остаточного ресурса распространенных в регионе свайных (шпунтовых) конструкций причальных сооружений, характерных для периода освоения нефтяных и газовых месторождений Сибири и Крайнего Севера.

1. Изучены и проанализированы тенденции реконструкции существующих в регионе причальных сооружений путем устройства перед ними шпунтовых оторочек. Предложена методика учета остаточной несущей способности отдельных элементов существующего сооружения при его реконструкции.

2. Предложено уточнение положений действующих нормативных документов в части определения параметров напряженно-деформированного состояния существующего причального сооружения после возведения перед ним шпунтовой оторочки.

3. Предложены расчетные и конструктивные схемы реконструкции причальных сооружений, обеспечивающие использование остаточного ресурса существующей лицевой стенки и учитывающие возможность ее совместной работы с оторочкой.

4. Разработана методика определения действующих усилий в элементах конструкций существующих причальных набережных и возведенной шпунтовой оторочки.

5. Предложено решение по реконструкции существующих причальных набережных путем устройства перед ними несущего армогрунтового сооружения с защитной облицовкой перед ним.

Практическая значимость работы.

На основе результатов исследований возможно выполнить расчет напряженно-деформированного состояния реконструируемой причальной набережной, а также дать рекомендации по выбору практически применимых способов капитального ремонта и реконструкции.

Внедрение результатов проведенных исследований позволит принять технически обоснованные и экономически выгодные решения при и реконструкции причальных набережных, повысить их эксплуатационные характеристики и обеспечить эксплуатационную надежность перегрузочных комплексов.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при выборе расчетных схем реконструкции существующих причальных сооружений свайного типа путем возведения перед ними оторочекпри определении расчетных усилий в элементах существующего сооружения и оторочкидля определения конструктивных решений реконструируемых сооружений, а также при определении эксплуатационной надежности существующих причальных набережных.

Полученные результаты внедрены на причальных набережных Нефтеюганского и Тюменского портов, грузовых причалах ЗАО «ЮКОССервис», ОАО «ТомскнефтьВНК», ОАО «Сибнефть — Ноябрьскнефтегаз», Г. П. «Ямалснабкомпания» и других сооружениях. По результатам работы получены справки о внедрении от организаций ООО «Трест Запсибгидрострой», ЗАО «Гилан», ООО «Мостострой-12».

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференциях и семинарах, проводимых в Новосибирской государственной академии водного транспорта (2001 — 2004 г.г.), в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (2001 — 2004 г.г.), в Московской государственной академии водного транспорта (2004г.), на координационных совещаниях по эксплуатации, ремонту, реконструкции и безопасности гидротехнических сооружений в г. г. Лабытнанги, Нижневартовск, Новосибирск, Омск, Сургут, Тюмень, а также на производственных совещаниях и технических советах в ОАО «Сибречпроект».

Публикации.

Основное содержание работы отражено в шести работах, в том числе в журнале с внешним рецензированием «Транспортное строительство» (2007г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе рассмотрены вопросы реконструкции существующих причальных сооружений, характерных для Сибирского региона и Крайнего Севера. Практикой специализированной проектной организации с 90-х годов прошлого века установлена тенденция сокращения строительства новых причалов, при этом у заказчиков остается и реализуется потребность в капитальном ремонте и реконструкции существующих причальных сооружений. Основными причинами этого, по нашему мнению, являются связанное с общим улучшением экономической ситуации в стране и в регионах увеличение объемов перевозок, ужесточение государственной политики в области надзора за безопасностью и надежностью гидротехнических сооружений, а также наступление сроков выполнения капитальных ремонтов и реконструкции причалов, построенных в 70 — 80-х годах прошлого века.

В результате натурных исследований существующих причальных набережных, расположенных в регионах Сибири и Крайнего Севера, установлены их общие характерные признаки, оказывающие влияние на принятие технических решений при их реконструкции. Выделены и описаны три типа существующих причальных сооружений, построенных в период интенсивного освоения нефтегазоносных регионов Сибири и Крайнего Севера. В работе изложены реальные трудности, возникающие при выполнении проектных работ по реконструкции и капитальному ремонту подобных сооружений. Отмечено отсутствие надежной проектной и исполнительной документации по сооружениям, отсутствие полноценной технической информации по конструкции и техническому состоянию в паспортах причальных сооружений бывшей системы МРФ РСФСР.

1. Исходя из опыта обследований, автором обоснована невозможность применения при реконструкции отдельного причала существующих методов оценки надежности сооружений и определения резервов их несущей способности, основанных на статистических теориях. Также установлен разброс в достоверности полученных в ходе обследований сведений о современном состоянии отдельных элементов сооружений (лицевых стенок, шпунтов, свай, анкерных тяг и анкерных опор) и, соответственно, различная достоверность определения их остаточной несущей способности.

2. Автором разработан способ реконструкции существующих причальных сооружений свайного типа путем возведения перед ними оторочек. Предложенные новые конструктивные схемы и методики расчета позволяют учесть неизбежную недостоверность исходных данных по существующему сооружению и принять практически выполнимые решения о включении в совместную работу существующей лицевой стенки и возводимой перед ней оторочки. Таким образом, повышается эффективность использования остаточного ресурса конструктивных элементов причальных сооружений, характерных для регионов Сибири и Крайнего Севера.

3. В результате анализа нормативных документов, регламентирующих методику расчетов шпунтовых оторочек перед существующими свайными причальными сооружениями и действующих в отрасли с 1981 года, диссертантом обоснована целесообразность уточнения положений действующих нормативных документов в части использования остаточной несущей способности отдельных элементов существующего сооружения, а не сооружения в целом.

4. Автором разработана методика по определению нагрузок от бокового давления грунта на существующее сооружение, учитывающая влияние эффекта «наследственности» тонких шпунтовых стенок.

5. Сформулированы рекомендации по уточнению некоторых положений нормативных документов: предложена методика учета влияния существующего сооружения свайного типа на работу возводимой оторочки и возникающие в ней нагрузки.

Основные положения и результаты диссертационной работы использованы при решении вопросов капитального ремонта и реконструкции причалов Сибирского региона и Крайнего Севера:

— для выбора расчетных схем и определения напряженно-деформированного состояния при реконструкции существующих причальных сооружений свайного типа путем возведения перед ними оторочек;

— для определения конструктивных решений реконструируемых сооружений;

— при определении эксплуатационной надежности существующих причальных набережных.

Полученные результаты внедрены на причальных набережных Нефтеюганского и Тюменского портов, грузовых причалах ЗАО «ЮКОССервис», ОАО «ТомскнефтьВНК», ОАО «Сибнефть — Ноябрьскнефтегаз», ГП «Ямалснабкомпания» и других сооружениях. Справки о внедрении приведены в Приложении 3.

Применение при реконструкции причальных сооружений предложенных автором методик позволяет на величину до 50% снизить изгибающие моменты в оторочке и, применив в оторочке более легкий шпунт, уменьшить его расход на величину до 25 — 30%. При средней стоимости отечественного шпунта 40 тыс. рублей за 1 тонну может быть достигнут экономический эффект до 340 тыс. рублей на 10 п. м реконструируемого сооружения в зависимости от его особенностей.