Трубопроводи та землетруси: новозеландський досвід за останні 27 років

Журнал Полимерные трубы - Применение полимеров

Трубопроводи та землетруси: новозеландський досвід за останні 27 років

Введення в тектоніку плит Нової Зеландії 

У південно-західній частині Тихого океану, між 34° і 47° пд.ш., знаходиться Нова Зеландія, Південний і Північний острови якої «осідлали» одну з найактивніших на Землі границь між тектонічними плитами. Тут з середини олігоцену, протягом більше 25 мільйонів років, відбувається постійне зіткнення Тихоокеанської і Австралійської плит. Напруги та енергія, що накопичуються при цьому, знаходять вихід у розломах. Це спричинює часті прояви сейсмічної активності по всій території Нової Зеландії.

Сейсмічні явища та їх вплив на трубопроводи

Пошкодження трубопроводів зумовлювали і глибокі, і поверхневі землетруси, але найбільші руйнування спостерігалися в результаті поверхневих землетрусів, при яких відбувалося розжиження ґрунтів. Наприклад, землетрус у Крайстчерчі магнітудою 6,3 з глибиною епіцентра всього 5 км був більш руйнівним, ніж землетрус у Данневірке такої ж магнітуди, але з більшою глибиною епіцентра – 21 км.

У цій статті розглянуто вплив землетрусів 1987-2014 рр. (табл. 1) на трубопроводи різних типів (табл. 2). Ступінь цього впливу був тісно пов'язаний з глибиною епіцентра, ступенем розжиження ґрунтів і їх площею, рівнем ґрунтових вод та орієнтацією трубопроводу щодо епіцентра.



 
Поведінка труб при розжиженні ґрунту

У заплаві річки Ваймакарірі в районі Крайстчерча та міста Каіапої на різних глибинах залягають чітко виражені масиви тиксотропних (що розжижуються при механічному впливі) ґрунтів, які чергуються з нетиксотропними масивами. Ступінь пошкоджень трубопроводів у них змінюється від значної або тотальної в зонах розжиження або бічного зрушення до мінімальної або відсутності ушкоджень тих же трубопроводів на ділянках, не схильних до розжиження. Спостерігається тісна залежність між орієнтацією трубопроводу щодо епіцентра та характером пошкоджень азбестоцементних, сталевих і ПВХ трубопроводів у Еджкумі, Картертоні (землетрус Екетахуна), Каіапої, Пайнс-Біч (землетрус Дарфілд) і Крайстчерчі. Результуючі зміщення, локалізовані на стиках труб, вказують на те, що в тиксотропних ґрунтах труби відчувають серію швидких осьових деформацій стиснення-розтягування, які чергуються. Труби на вулицях, спрямованих до епіцентра, в тиксотропних (що розжижуються) ґрунтах відчувають розтягнення або стиснення, у той час як трубопроводи, прокладені поруч, але спрямовані під кутом до лінії поширення сейсмічних хвиль, піддаються боковому зсуву.

Осьові зміщення в стиках труб, прокладених у тиксотропних ґрунтах, при відсутності бічних деформацій, як правило, перебували в межах від 100 до 150 мм. Розтрубні з'єднання, здатні витримати таке зміщення, зберігали цілісність, але при пошкодженні труб або порушенні з'єднань розжижений ґрунт швидко проникав усередину труб і твердінув у них після закінчення землетрусу. Прийняття рішення про те, чи підлягає трубопровід ремонту, заміні або відмові від експлуатації, залежить від складності видалення затверділого осаду, зміни відміток поверхні ґрунту та ухилів труб, а також від складності ремонту. Навпаки, зсуви та бічні зміщення в тиксотропних ґрунтах в Еджкумі, Крайстчерчі та Каіапої викликали значні – до декількох метрів – осьові та поперечні зсуви трубопроводів. Ці зміщення, що відбувалися з високою швидкістю під час самих землетрусів (за 10-20 секунд) і повільніше в наступні дні та при афтершоках, супроводжувалися серйозними руйнуваннями трубопроводів незалежно від матеріалу труб. Ніякі труби та типи з'єднань не витримували сповзання чи поперечного переміщення ґрунту, що перевищує їх здатність до деформації. Автор не зустрів жодного прикладу руху довгих ділянок трубопроводів у ґрунті без пошкоджень, які завжди були пов’язані з конкретними стиками або ділянками труб, і розриви чи роз'єднання труб відбувалися щоразу, коли деформація труб або з'єднань перевищувала їх можливості.



Поведінка труб у нерозжижуваних ґрунтах

Під час землетрусу Томпсон-Саунд впливу зазнали труби в нетиксотропних кам'янистих ґрунтах з низьким рівнем ґрунтових вод у давній льодовиковій морені. У місті Те-Анау були роздроблені розтрубні з'єднання в новому залізобетонному колекторі DN 525 мм. Швидкі хвилеподібні рухи, видимі на поверхні, викликали пошкодження зовсім іншого характеру, ніж у розжижуваних ґрунтах – виламування фрагментів у нижніх частинах розтрубів. Ця територія біля головного Альпійського розлому характеризується високою сейсмічною активністю – щомісяця тут відзначається 3-5 землетрусів магнітудою від 4 до 7. ПВХ труби з розтрубними з’єднаннями, що замінили зруйновані залізобетонні, пережили всі наступні з того часу землетруси в Те-Анау. У нетиксотропних ґрунтах Крайстчерча та Каіапої протікання від пошкоджень на напірних водоводах з азбестоцементу, залізобетону, ПВХ і ПЕ також були істотно меншими – аж до їх повної відсутності. Щоправда, дані про цілісність самопливних трубопроводів з керамічних труб, які продовжують функціонувати в цих районах, відсутні. У Еджкумі тільки недавно були виявлені значні витоки соматичних керамічних колекторів, що з'явилися в результаті землетрусу 1987 року. Землетрус Данневірке викликав обширне розтріскування керамічних каналізаційних випусків діаметром 100 мм у місті Палмерстон-Норт, яке було виявлено тільки через якийсь час за зростанням інфільтрації ґрунтових вод і проникненням у труби коріння дерев. При будівництві великого житлового масиву «Пегас» неподалік від Каіапої у зоні високого ризику розжиження ґрунтів були проведені заходи з водопониження та зміни складу й щільності ґрунтів, що майже повністю усунуло пошкодження трубопроводів і споруд при землетрусах. У той же час на немодифікованих ґрунтах безпосередньо за межами «Пегаса» відзначалося обширне розжиження ґрунтів.



Таблиця 3. Характер пошкоджень трубопроводів з різних матеріалів при різних типах сейсмічних впливів





Були виявлені випадки несподіваної поведінки труб. У Крайстчерчі напірна труба з ПВХ-М діаметром 100 мм, виготовлена в 1996 році, в результаті різкого бокового зміщення була здавлена з боків і сплющена об бетонну камеру каналізації на березі ріки Ейвон (рис. 4). У момент виявлення труба все ще перебувала під тиском, хоча й зі зниженою пропускною здатністю. Розтрубне з'єднання в середині зміщеної ділянки було витягнуто майже на 15 мм, але залишилося неушкодженим.

Там же, в Крайстчерчі, на мосту Гейхерст-Роуд через річку Ейвон бічний зсув увігнав ПВХ водовід аксіально в опору моста, викликавши його поздовжнє складання (рис. 1), і зруйнував прокладені по мосту чавунні труби. Відвід на мосту був швидко відновлений ПВХ трубами з обтискними муфтами, і це не потребувало ні підведення електроенергії до місця ремонту, ні застосування техніки.

Зміни відміток і ухилів підземних трубопроводів

У Еджкумі та Крайстчерчі змінилися позначки і ухили підземних самопливних трубопроводів – внаслідок осадження і підняття ґрунту, а також через «спливання» підключень до камер і будов (рис. 5). На деяких ділянках позначки трубопроводів змінювалися по кілька разів після сильних афтершоків. Зміни ухилів роблять непридатним практично будь-який самопливний трубопровід, тому головним критерієм вибору трубопровідних систем стала легкість ремонту, а не характеристики труб або спосіб їх з'єднання. З цієї ж причини в деяких особливо сейсмоактивних районах мережі каналізації перепроектують з соматичних на напірні або вакуумні.



Огляд полімерних трубопровідних систем

У Еджкумі 20% водоводів було побудовано з НПВХ труб з розтрубними з’єднаннями, але тільки 5 % витрат на відновлення мереж припали на труби з ПВХ [4]. Після землетрусів Екетахуна і Седдон повідомлень про відмови водоводів з НПВХ, ПВХ-M або ПВХ-O не надходило. У Те-Анау самопливні ПВХ труби з розтрубними з’єднаннями, прокладені в 2001 році, залишилися неушкодженими. У Крайстчерчі до лютневого землетрусу 2010 року 52,7 % магістральних водоводів було прокладено з азбестоцементних труб, 26,4 % – з труб ПВХ, 1,8% – зі сталевих і тільки 1% – з ПЕ труб. У розвідних мережах, навпаки, ПЕ труби становили 84,6 %, труби з оцинкованої сталі – 10,4 %, а труби з ПВХ – тільки 3,3 %. Проте середня частка загальної протяжності пошкоджених ПВХ і ПЕ труб у цих мережах у всіх інженерно-геологічних умовах була приблизно однаковою: 1,8 % ПВХ і 2,5 % ПЕ труб у магістральних та 2,3 % ПВХ і 2,5 % ПЕ труб – у розвідних мережах. І ПЕ, ПВХ трубопроводи отримали набагато менше ушкоджень (у середньому в 3-5 разів) в порівнянні з трубопроводами з азбестоцементу, сталі та інших матеріалів [5, 6]. Мінімальні пошкодження чи повна їх відсутність спостерігалися на ПВХ і ПЕ трубах у нетиксотропних ґрунтах.

Не зафіксовано сейсмічних пошкоджень у відносно невеликому сегменті ПЕ газопроводів у Крайстчерчі. ПВХ і ПЕ трубопроводи, прокладені в кінці 2011 року, до грудневого землетрусу, не постраждали. Однак необхідно пам'ятати, що ПВХ і ПЕ, як і всі інші матеріали для виробництва труб, мають свої межі механічних властивостей, і при перевищенні цих меж слід очікувати руйнування або серйозних ушкоджень трубопроводу. У Крайстчерч-Сіті при будівництві нових житлових масивів та ремонті мереж безнапірної каналізації в даний час широко застосовуються труби і фітинги з НПВХ. Керамічні труби в Крайстчерчі вже не застосовуються, в т.ч. і в промислових мережах, де їх замінили труби з НПВХ. У центральній і східній зонах Крайстчерча з тиксостропними ґрунтами, що не забезпечують надійної опори для конструкцій і навіть для відкритих траншей, перевага при заміні магістральних водоводів надається ПЕ трубам, що з'єднуються зварюванням.

У західних, північних і південних районах Крайстчерч-Сіті, на нетиксотропних ґрунтах, широко застосовуються ПВХ труби з традиційними розтрубними з’єднаннями, які прокладаються відкритим способом, причому не тільки в новому будівництві – економічно це більш вигідно в порівнянні з ремонтом/відновленням зруйнованих мереж.

У сусідніх районах Ваймакарірі та Селвіні, що також відчули землетруси Кентербері, для будівництва та траншейної заміни магістральних водоводів і каналізаційних колекторів у нерозжижуваних ґрунтах, як правило, застосовуються напірні труби з ПВХ-О або НПВХ. Основним матеріалом для напірної каналізації, а також для безтраншейної прокладки є ПЕ 100. В інших районах Південного острова, на північний захід, захід і північний схід від зони Кентербері/Крайстчерч, а також у зоні головного Альпійського розлому, широко застосовуються труби з ПВХ -О, НПВХ, ПВХ-М і ПЕ.



Стандарти сейсмостійкості

У середині 2010 року, до вересневого землетрусу в Крайстчерчі, Новозеландська служба стандартизації переглянула національний стандарт NZS 4404 «Освоєння територій і комунальна інфраструктура» та включила в нього розділ «Проектування з урахуванням сейсмічних чинників», що містить таке положення: «Досвід, накопичений у Новій Зеландії, вказує на те, що в сейсмонебезпечних зонах є виправданим використання ПВХ труб з розтрубним з'єднанням з гумовим ущільнювальним кільцем або труб з ПЕ».



Висновки та рекомендації

Результати спостережень за трубопроводами показали, що повністю сейсмостійких матеріалів не існує. Сейсмічні поштовхи не піддаються людському контролю, тому при проектуванні споруд необхідно враховувати їхню ймовірність. Особливо це актуально в зонах з ґрунтами, схильними до сильного розжижування – тут просто не існує такого поняття як «сейсмостійка труба»! Гнучкі полімерні труби, такі як ПВХ і ПЕ, як правило, більш стійкі в порівнянні з жорсткими трубами з інших матеріалів. Проте факт залишається фактом – будь-яка труба з будь-якого матеріалу може бути зруйнована або пошкоджена при землетрусі, і це висуває на одне з перших місць вимоги технологічності й легкості ремонту.

Труби, що застосовуються на територіях з тиксотропними ґрунтами, повинні забезпечувати максимально швидкий і простий ремонт, причому в будь-яких умовах – у бруді, при відсутності дороги або моста до місця аварії, під дощем або в розпал зими, з низькокваліфікованим персоналом, при поганому освітленні чи в нічний час, за відсутності електропостачання, в потоці стічних вод або під водою. Труби повинні бути сумісні з механічними (обтискними) з'єднувальними деталями, а самі ці деталі повинні бути в наявності, бути доступними за ціною і не вимагати для монтажу чистих і сухих умов, застосування електричного чи іншого теплового зварювання. На будь-яких сейсмонебезпечних територіях слід застосовувати «гнучкі» труби, з'єднання, конструкції та технології, які допускають переміщення ділянок трубопроводу в процесі експлуатації. Чим жорсткіші труба або з'єднання, тим більший ризик їх пошкодження. Самі по собі компресійні з'єднання не усувають ризик ушкоджень – питання в тому, чи зможуть труби із з'єднаннями адаптуватися до переміщення, яке в будь-якому випадку відбудеться. Жоден з розглянутих матеріалів не зможе залишитися неушкодженим, якщо стискаючий або розтягуючий зсув ґрунту перевищить деформаційну здатність труби чи з'єднання. Тому при проектуванні трубопроводів слід передбачати можливість швидкого усунення ймовірних або очікуваних пошкоджень, особливо поблизу жорстких конструкцій, на мостах, по берегах річок, на перетині ліній активних розломів, а також у місцях, доступ до яких може бути ускладнений через руйнування доріг або мостів і які можуть на тривалий час виявитися відрізаними від джерел енергопостачання.

Література

1. New Zealand Standard NZS 4404:2010 «Land Development and Subdivision Infrastructure», Standards New Zealand, Wellington.
2. GNS Science, Website: http://gns.cri.nz/.
3. O’Callaghan, F.W. (2012) Pipelines Performance and Experiences During Seismic Experiences in New Zealand over the last 25 years, Iplex Pipelines NZ Ltd.
4. Nicholson R. (1989) Whakatane District Council – letter to the author – information about the performance of uPVC pipes under the strains induced by the Edgecumbe earthquake of 2 March 1987(1).
5. Cubrinovski M., Hughes M., Bradley B., McCahon I., McDonald Y., Simpson H., Cameron R., Christison M., Henderson B., Orense R. and O’Rourke T. (2011). «Liquefaction impacts on pipe networks». Recovery Project No. 6, Natural Hazards Research Platform, University of Canterbury (34).
6. Cubrinovski M., Bradley B., Henderson B. (2011). – «Liquefaction impacts in residential areas in the 2011 Christchurch earthquakes» (12).

 Автор: Френк В. О'Каллаган, Iplex Pipelines NZ Ltd, Нова Зеландія
 
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА