Надежность вариативного проектирования деривационного трубопровода через водные препятствия с учетом ледовых воздействий

Трубопроводы являются предпочтительным средством доставки жидких, газообразных и многофазовых сред под действием разности давлений

Трубопроводы экономичны с точки зрения перекачки жидкостей и газов на большие расстояния. Трассирование трубопровода является важнейшим этапом при разработке дальнемагистральных проектов. Особенно актуален данный вопрос при проектировании деривационных гидроэлектростанций с напорными водоводами в качестве водопроводящего сооружения. В зависимости от исходных данных, включающих в себя топографические, геологические, гидрологические и другие сведения, стоимость деривации может варьироваться в достаточно широких диапазонах

Главные требования к трассе трубопровода — наиболее прямой и короткий путь. Увеличение длины трубопровода и числа переломов приводит к дополнительным потерям напора.

Участки трубопровода могут прокладываться в туннелях, закрытых галереях или быть выполненными в виде стальной облицовки напорного туннеля, шахты, в виде засыпанного сталежелезобетонного трубопровода в зависимости от геологических и топографических условий, в том числе при прохождении падающих камней, селевых потоков, лавин и иных явлений в зоне прокладки трубопровода.

Прокладка трубопроводов не должна производиться в ложбинах, собирающих воду со склонов гор. Защита трубопровода от подмывающего действия фильтрационных и ливневых вод должна производиться путем установки защитных стенок и отводящих траншей. В местах пересечения трассы водовода с шоссейными или железнодорожными магистралями, реками, оврагами и другими препятствиями устраивают акведуки или дюкеры

На данный момент проектируются основные сооружения Толмачёвской ГЭС-4 деривационного типа. При выборе трассы напорного трубопровода были рассмотрены разные варианты. В одном из вариантов трубопровод пересекает в трех местах водные препятствия (ручьи и реку).

Целью исследования является анализ существующих методов прокладки деривационного напорного трубопровода через водные преграды и выбор наиболее предпочтительного варианта для такого объекта, как Толмачёвская ГЭС-4.

Задачами исследования являются:

1. Определение возможных способов прохождения трубопровода через водные объекты.

2. Расчет гидравлических потерь при устройстве дюкеров на пути деривационного трубопровода.

3. Анализ варианта с использованием защитных кожухов, позволяющих проложить трубопровод без изломов оси трубопровода непосредственно через водную преграду.

4. Технико-экономическое обоснование рассмотренных вариантов.

5. Выбор оптимального способа прокладки трубопровода Толмачёвской ГЭС-4.

Проектируемый деривационный трубопровод — стальной; расход 34 м3/с; диаметр стального трубопровода 3,7 м; длина водных препятствий различна и варьируется от 30 до 42 метров; глубина реки Толмачёва и ручьев от 0,9 до 1,8 метров; грунты в основании песчано-гравийные.

Первое, что рассматривается в качестве возможной конструкции, — дюкер для преграды длиной 35 метров, глубиной 1,5 метра. Дюкер — это напорный участок трубопровода с переломом оси, зависящим от преодолеваемой преграды, состоящий минимум из двух ниток, в котором возникают достаточно большие гидравлические потери. Это имеет большое значение, так как установленная мощность здания ГЭС определяется по имеющемуся напору. Принимается число нитей дюкера n = 2

Второе решение по прокладке трубопровода через водные преграды — это использование мостовых переходов. Третье решение — протяжка трубопровода непосредственно через реку и ручьи с использованием защитного кожуха (футляра рабочего трубопровода опор и сальников).

Площадь поперечного сечения трубы и скорость движения воды в трубе определяются по формулам (1), (2):

где D — диаметр трубопровода, D = 3,7 м; Q — расход воды, в рабочем режиме проходит разделение расхода по двум ниткам дюкера и Qр = 17 м3/с, в аварийном режиме через одну нить проходит полный расход Qав = 34 м3/с.

ω = 3,14 ∙ 3,72 / 4 = 10,75 м2;

vр = 17 / 10,75 = 1,58 м/с; vав = 34 / 10,75 = 3,16 м/с.

Потери напора по длине определяются по формуле Вейсбаха-Дарси

где λ — коэффициент гидравлического трения (зависит от режима течения жидкости и шероховатости); L — длина преграды, L = 35 м.

Коэффициент гидравлического трения определяется в зависимости от режима течения жидкости, поэтому сначала определяется число Рейнольдса по формуле (4):

где ν — кинематическая вязкость воды, ν = 1,01 ∙ 10–6 м2/с.

Reр = 1,58 ∙ 3,7 / 1,01 ∙ 10–6 = 5,85 ∙ 106 > 4000;

Reав = 3,16 ∙ 3,7 / 1,01 ∙ 10–6 = 1,17 ∙ 106 > 4000.

Таким образом, режим течения турбулентный. Для определения гидравлических потерь по длине используется график Кольбрука-Уайта

где ∆ — абсолютная эквивалентная шероховатость, для поверхности стальных водоводов после нескольких лет эксплуатации

∆r = 0,18/3700 = 4,86 ∙ 10–5.

Тогда λр = 0,011; λав = 0,012. Таким образом, потери по длине:

hl р = 0,011 ∙ (35 / 3,7) ∙ (1,582 / (2∙9,81)) = 0,013 м;

hl ав = 0,012 ∙ (35 / 3,7) ∙ (3,162 / (2∙9,81)) = 0,058 м.

Далее определяются местные потери напора (на вход и выход) по формуле (6)

где ∑ζм — сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Коэффициенты на входе и выходе определяются по формулам (7), (8):

где v1, v2 — скорости движения воды перед входом в дюкер (после выхода из дюкера) и в дюкере соответственно, м/с.

Тогда при рабочем режиме:

ζвх р = 0,5 ∙ (1 – 3,16 / 1,58)2 = 0,5; ζвх ав = 0,5 ∙ (1 – 3,16 / 3,16)2 = 0;

ζвых р = 0,5 ∙ (1 – 1,58 / 3,16)2 = 0,0125; ζвых ав = 0,5 ∙ (1 – 3,16 / 3,16)2 = 0.

Коэффициент местного сопротивления на углы поворота (резкий поворот, 45°) принимается по таблице 4,18

∑ζм р = 2 ∙ (0,5 + 0,0125 + 2 ∙ 0,318) + 1 + 3 = 6,3;

∑ζм ав = 2 ∙ (0,555 + 0,155) + 2 ∙ 0,318 = 2,06.

hм р = 6,3 ∙ 1,582 / (2 ∙ 9,81) = 0,802 м; hм ав = 2,06 ∙ 3,162 / (2 ∙ 9,81) = 1,048 м.

Тогда общие потери при рабочем и аварийном режимах работы дюкера:

hр = 0,013 + 0,802 = 0,815 м; hав = 0,058 + 1,048 = 1,106 м.

Таким образом, потери напора получаются наибольшими при аварийном режиме работы. Если аналогично рассчитать потери напора на двух других участках трубопровода, где предполагается устройство дюкера, то суммарные потери на устройство трех дюкеров составят 3,6 м.

Установленная мощность ГЭС определяется по формуле (9)

где H — расчетный напор, м; η — КПД гидроагрегата, предварительно η = 0,9.

Без учета прокладки дюкеров известно, что расчетный напор H = 20,3 м.

Тогда установленная мощность:

NГЭС 0 = 9,81 ∙ 34 ∙ 20,4 ∙ 0,9 = 6,1 МВт.

С учетом прокладки дюкеров:

NГЭС = 9,81 ∙ 34 ∙ (20,4 – 3,6) ∙ 0,9 = 5,0 МВт.

В условиях умеренного и холодного климата ледовые процессы оказывают значительное динамическое и статическое воздействие на конструкции, находящиеся как в русле водотока, так и в прибрежной зоне. Эти воздействия необходимо учитывать при проектировании, монтаже и эксплуатации трубопроводных переходов. Основными формами проявления ледового воздействия являются: давление неподвижного льда, динамические удары льдин при их перемещении, зажоры и наледи, а также подвижка ледяных полей в период весеннего ледохода. В зависимости от гидрологических условий и морфологии русла каждый из указанных факторов может вызывать значительные напряжения в теле трубопровода и его опорных конструкциях.

Давление неподвижного ледового покрова возникает в результате температурного расширения льда и может достигать значений, сопоставимых с нагрузками от водного потока. Особенно опасно оно для участков, где трубопровод располагается на малой глубине или выходит на поверхность вблизи береговой линии. В таких зонах возможны деформации верхней части трубопровода и повреждения антикоррозионного покрытия. Динамическое воздействие ледяных масс проявляется при движении льда во время весеннего вскрытия водоёмов. Удары льдин по корпусу трубопровода способны вызвать как локальные пластические деформации стенки, так и разрушение сварных швов. Согласно инженерным наблюдениям, наибольшие усилия возникают при столкновении крупногабаритных льдин в узких створах русла, где ограничено поперечное движение льда. Отдельную опасность представляет всплытие или выдавливание трубопровода, не обладающего достаточной пригрузкой. В зимний период при промерзании грунта и снижении уровня воды подъемная сила на участках с отрицательной плавучестью может привести к изменению положения трубопровода и нарушению его проектного положения в траншее. Для предотвращения подобных эффектов рекомендуется использование комбинированных мер защиты — утяжеление трубопровода гравийными или бетонными балластами, применение анкерных креплений из нержавеющих материалов, а также устройство гибких компенсаторов в зонах перехода.

С инженерной точки зрения критическим является также воздействие ледовых зажоров, при которых под ледяным покровом формируются зоны локального повышения давления и турбулентности потока

Рисунок 1 - Ледовые опасности для деривационного трубопровода

DOI:10.60797/mca.2026.68.1.1

Моделирование ледового воздействия на деривационные трубопроводы является важным этапом инженерного анализа, направленным на прогнозирование поведения конструкции под действием совокупности природных факторов в зимне-весенний период. Цель моделирования заключается в определении характера распределения нагрузок, возникающих при взаимодействии ледового покрова и движущихся льдин с поверхностью трубопровода, а также в оценке устойчивости и прочности элементов конструкции в реальных эксплуатационных условиях. В рамках численного моделирования ледового воздействия на трубопровод целесообразно рассматривать следующие физические процессы: Статическое давление льда, Динамическое воздействие льдин, Температурно-деформационные эффекты, Давления при зажорах и наледях. Для численного описания процессов взаимодействия льда и трубопровода широко используется метод конечных элементов. В модели трубопровод рассматривается как упругая оболочка с определёнными характеристиками материала, а лед — как вязкоупругое вещество с параметрами, зависящими от температуры и содержания включений. Контактная задача решается с учётом условий сцепления и трения на границе раздела сред.

Сценарный подход в моделировании позволяет оценить поведение трубопровода при различных гидрологических и температурных режимах. Например, моделирование может включать сценарии раннего вскрытия водоёма, образования зажоров, неравномерного таяния льда и образования наледей на береговых участках. Для каждого сценария проводится расчёт максимальных эквивалентных напряжений в стенке трубопровода и сравнение их с допускаемыми значениями, определёнными нормативами. 

Для оценки нагрузок от льда на подводный трубопровод, проложенный в защитном кожухе через русло реки, используется методика, основанная на нормативных документах (СП 38.13330.2018) и инженерных рекомендациях для гидротехнических сооружений.

Давление неподвижного льда на горизонтальную конструкцию определяется по формуле:

где:

k — коэффициент, учитывающий форму конструкции;

σл — предел прочности льда на сжатие.

Сила статического давления на погонный метр трубопровода:

Устройство мостового перехода является достаточно дорогостоящим решением ввиду большого объема железобетона, стали и других материалов, используемых при его строительстве, хотя при этом можно сохранить ось трубопровода прямолинейной — без резких изломов в вертикальной плоскости, а значит, избежать потерь напора, таких как в дюкере. Однако в данном случае необходимо задать такие уклоны по трассе трубопровода, чтобы в местах подхода к мостовым переходам трубопровод был выше водных объектов.

Таким образом, при изменении уклонов трубопровода также возникают гидравлические потери, требуется устройство анкерных опор. Но если ось трубопровода проходит непосредственно через водную преграду под уровнем воды, то в этом случае возможно применение третьего варианта – использование защитного кожуха. Сама технология предполагает использование стальных труб большего диаметра, чем у основного трубопровода. Внутрь между двумя стальными трубами укладывается утеплитель. Для защиты от коррозии верхний слой футляра покрывается слоем изоляции с применением битумных или полимерных материалов. К рабочему трубопроводу, размещаемому в футляре, предъявляются повышенные требования по прочности и надежности, поэтому для него применяются трубы с толщиной стенок на 20% толще, чем у основного трубопровода. Для прокладки трубопровода вырывается подводная траншея. На одном берег устраивается строительная площадка, где размещаются стапель и спусковая дорожка из роликовых опор. Крюк тягового троса прикрепляется к кольцу из круглой стали (приварено к заглушке, оголовку секции). Проводится протаскивание тягового троса через водоем и его вытягивание на противоположный берег

Технология устройства трубопровода с использованием защитного кожуха схожа с технологией работ по устройству дюкера. Главное преимущество — это исключение значительных местных потерь напора. Недостатки — возможность всплытия, или обледенения в зимний период — что может привести к смещению трубопровода в горизонтальной и вертикальной плоскости (в худшем случае — с разрывом и перемещением вырванной секции трубопровода по течению реки/ручья)

Рисунок 2 - Вариант протяжки трубопровода через ручей

DOI:10.60797/mca.2026.68.1.2

Выбор оптимального инженерного решения при проектировании деривационного трубопровода, пересекающего водные препятствия, представляет собой задачу многокритериальной оптимизации, где необходимо учитывать как технические, так и эксплуатационные параметры. Надёжность выбора определяется полнотой исходных данных, корректностью применяемых расчётных моделей и устойчивостью решения при изменении внешних условий. Управление процессом выбора инженерного решения предполагает использование формализованных методов оценки и принятия решений, включающих вероятностный анализ, методы экспертных оценок и технико-экономическое моделирование. Ключевым аспектом обеспечения надёжности выбора является учёт неопределённостей, связанных с геотехническими и гидрологическими характеристиками района строительства. Например, колебания уровня воды в реке или ручьях, сезонные изменения русловых процессов и динамика грунтового основания могут существенно повлиять на долговечность и эксплуатационную безопасность выбранного варианта. Поэтому управление выбором решения должно включать сценарный анализ, при котором для каждого возможного метода (дюкер, мостовой переход, футляр) рассматриваются альтернативные сценарии эксплуатации при различных нагрузках и климатических условиях

Надёжность принимаемого решения также определяется степенью его адаптивности — способностью проектного решения сохранять требуемые функциональные характеристики при изменении внешних воздействий. Для оценки этой характеристики целесообразно использовать интегральный показатель риска, включающий вероятность отказа и величину возможных последствий. В инженерной практике это реализуется через методики вероятностного анализа надёжности и расчёты коэффициентов запаса прочности для наиболее нагруженных элементов конструкции. С точки зрения управления процессом выбора, целесообразно использовать иерархические модели принятия решений, позволяющие структурировать критерии по уровням значимости: техническая реализуемость, стоимость, надёжность, сложность эксплуатации, экологическая безопасность. В качестве дополнительного инструмента может быть применён байесовский подход к учёту априорной информации о поведении аналогичных конструкций на схожих объектах. 

Из-за изгибов в дюкере теряется давление воды. Мост и кожух таких потерь не создают. Вариант с защитным кожухом оказался самым выгодным. Он дешевле в строительстве и не «крадёт» напор. У кожуха есть большой минус — он лежит на дне и зимой на него давит и бьёт лёд. То есть, если лёд повредит трубу, ремонт может свести на всю экономию. Чтобы кожух работал надёжно, нужно очень точно задать все нагрузки ото льда и течения, и хорошо его пригрузить балластом, заанкерить. Данный способ подходит для нешироких и неглубоких рек.

Таким образом, были рассмотрены три варианта прокладки трубопроводов через водные преграды — с использованием дюкеров, мостовых переправ и защитных кожухов (футляров).

В случае использования трех дюкеров по трассе трубопровода происходит потеря 1 МВт установленной мощности здания ГЭС, это 17% от мощности, которая может быть установлена при втором и третьем вариантах.

Мостовые переправы требуют большого объема строительных материалов и изменений уклонов оси трубопровода (значительно меньших, чем при устройстве дюкеров). И если этот вариант можно считать традиционным, то вариант с использованием защитных кожухов используется не так часто, так как для него нужны подходящие условия — небольшие и неглубокие водные преграды, заглубление трубопровода под уровень воды. Иначе при достаточно глубоких и широких водоемах на трубопроводы, прокладываемые указываемым способом, действуют достаточно сильные нагрузки ото льда и течения. Требуется устройство серьезных подводных каркасов. Решение становится экономически не выгодным при больших водных препятствиях из-за стоимости материалов и строительно-монтажных работ.

Для каждого из трех вариантов были вычислены стоимости, в которые включены стоимости монолитного бетона и арматуры (анкерные опоры в местах начала и конца дюкеров; мостовые опоры), выемок, насыпей (обратных засыпок); в случае дюкера — устройство второй нити (первая нить (единственная) учитывается и в других вариантах при прохождении через преграду), антикоррозионных, противофильтрационных материалов.

Для варианта деривации Толмачёвской ГЭС-4, проходящей через реку Толмачёва и два ручья был выбран метод прокладки с использованием защитного кожуха по результатам технико-экономического обоснования, результаты которого приведены в таблице 1.

В результате рассмотрения вопроса о сооружениях, которые могут использоваться для устройства деривационного трубопровода в местах пересечения с водными препятствиями, были решены поставленные задачи:

1. В качестве возможных способов прохождения трубопровода через водные объекты были выбраны три основных способа — с использованием дюкеров, мостовых переправ и защитных футляров, проходящих непосредственно через водный объект.

2. В случае использования дюкеров гидравлические потери напора – местные и по длине составят для трех расчетных участков — 3,6 м. Это приведет к снижению установленной мощности гидроэлектростанции на 1,1 МВт.

3. Вариант с использованием защитных кожухов сопряжен с рядом трудностей, которые могут повлечь за собой повреждения трубопровода или его разрыв в случае прохождения трассы трубопровода через крупную водную преграду. В случае деривационного трубопровода Толмачёвской ГЭС-4 описанная технология может быть использована при известных исходных данных (реках и ручьях шириной до 42 м, глубиной до 1,8 метров).

4. В ходе технико-экономического обоснования вариантов стоимость устройства дюкеров будет порядка 174 тыс. рублей, мостовых переходов — 318 тыс. рублей, протяжки труб в воде — 168 тыс. рублей. При этом удельные капиталовложения, оцененные как отношение общей стоимости варианта на 1 кВт установленной мощности получились следующие — 2920 тыс. руб/кВт (в случае устройства дюкеров), 2433 тыс. руб/кВт (и в случае устройства мостовых переходов, и при протяжке трубопровода).

5. Таким образом, вариант с использованием защитных кожухов для пропуска трубопровода через водные преграды является наиболее предпочтительными при трассировании деривационного трубопровода Толмачёвской ГЭС-4.

При дальнейшей разработке проектных решений необходимо детально рассчитать нагрузки, действующие на трубопровод, проходящий через реку или ручей, особенно во время весеннего паводка, когда наблюдаются значительные нагрузки от течения и льда. Это позволит выбрать наиболее надежный вариант крепления и пригружения трубопровода в рассматриваемом месте. Мостовые переправы также могут быть рассмотрены в качестве варианта прокладки трубопровода через водные преграды в случае использования моста и для прохождения автогужевого транспорта.