Содержание
Стальные винтовые сваи использовались при создании воздушной линии электропередачи 750 кВ «Ленинградская — Белозерская», введенной в эксплуатацию в декабре 2018 г. Возникшие при этом
проблемы с заглублением свай были успешно решены с помощью полевых испытаний по ГОСТу 5686-94, при этом определение фактической глубины погружения свай выполнялось неразрушающими средствами контроля, как и качество выполнения монтажных сварных швов, — визуально-измерительным и ультразвуковым методами.
Ключевые слова: фундаменты и опоры воздушных линий электропередачи; винтовые сваи; сварные ростверки; неразрушающие испытания сварных швов; железобетонные подножники.
Первоначально винтовые сваи (ВС) появились в 1830-1840-х гг. в Англии. Они имели деревянный ствол с винтовыми наконечниками, предназначались преимущественно для слабых грунтов и применялись для возведения оснований маяков и причальных сооружений. Затем появились полые металлические ВС, заполняемые бетоном после погружения. Например, при строительстве мостов в Индии полые сваи имели стволы значительного диаметра (172 см и шаг 25 см) и обладали большой грузоподъемностью.
В России ВС впервые были применены в 1890-х гг. при строительстве мостов железнодорожной линии «Самтредия — Поти», имели ствол диаметром 20 см, лопасть диаметром 100 см с шагом 15 см. Позже появились сваи с открытым нижним концом, разработанные с целью снижения необходимого для погружения крутящего момента. В СССР внедрение ВС началось в 1944 г. по инициативе ЦНИИЖДТ (М.Н. Гольдштейн и Г.С. Шапиро). Одесский Мостотрест в 1950-х гг. успешно применял в мостостроении металлические и железобетонные ВС (диаметр ствола 1-1,5 м, диаметр лопасти — 2,2-2,5 м, глубина погружения ниже дна — до 31,0 м). Максимальный крутящий момент 122 тонна-метр (тм) создавался при помощи кабестана, а тяговое усилие — посредством портального крана грузоподъемностью 35 тс (тонна-сила).
Во второй половине ХХ в. в лабораториях НИИОСП [2, 3] инНИЛКЭС Северо-Западного отделения института «Энергосетьпроект» [4-6] под руководством А.И. Курносова, затем А.И. Горелова и Л.И. Качановской теория и практика нашли реальное применение ВС в электро-энергетическом строительстве. Их трудами вместе с изобретателем д.т.н. В.Н. Железковым (рис. 1) в 1993 г. разработана «Инструкция по производству и приемке работ при устройстве фундаментов и закреплений из винтовых свай и анкеров» (инв. № 13378тм). Однако «звездный час» для ВС наступил в ХХ! в. после разработки в 2009-2010 гг. силами НИЛКЭС Технического стандарта ПАО «ФСК ЕЭС (СТО 56947007-29.120.95.50-2010 «Нормы проектирования фундаментов из винтовых свай») и Альбома технических решений по ростверкам, а главное, универсальной бурокрановой машины для завинчивания ВС УБМ-85 с манипулятором, производимой на заводе ОАО «Стройдормаш» в Алапаевске [6-8].
Строительство воздушной линии (ВЛ) электропередачи 750 КВ «Ленинградская-Белозерская»
Приказом ПАО «ФСК ЕЭС» от 12.12.2018 № 461 утвержден акт приемки законченного строитель-
ством объекта по титулу «ВЛ 750 кВ Белозерская — Ленинградская. Корректировка». Таким образом, была построена одна из крупнейших в современной России линия электропередачи напряжением 750 кВ, имеющая протяженность 473 км (рис. на с. 18).
В России первая ВЛ 750 кВ «Конаково — Москва» (89 км) была введена в эксплуатацию в 1967 г. по проекту СЗО и ОДП ВГПНИИ «Энергосетьпроект». Электропередачи 750 кВ стали основными системообразующими линиями для выдачи мощности крупных электростанций, прежде всего АЭС, введенных в эксплуатацию в 1970-1980-е гг. (Ленинградская, Курская, Калининская, Смоленская и др.). В 1975 г. была построена вторая в истории и самая протяженная ВЛ 750 кВ «Ленинградская Конаково» (525 км).
Проектирование ВЛ 750 кВ «Ленинградская — Белозерская» выполнялось Дирекцией по проектированию и внедрению инновационных проектов АО «НТЦ ФСК ЕЭС» и ООО «ЭПС-Инжиниринг» (Санкт-Петербург), а строительство вели два генподрядчика: СЗУ ПАО «ТЭК-Мосэнерго» со стороны ПС 750 кВ Ленинградская и ПАО «Стройтрансгаз» со стороны ПС 750 кВ Белозерская (Череповец).
Задание от 29.09.2014 было составлено на основании приказа Минэнерго от 19.06.2013 № 309 и Схемы территориального планирования Российской Федерации в области энергетики (утв. распоряжением Правительства РФ от 11.11.2013 № 2084-р). По распоряжению правительства основное назначение объекта — выдача избытков мощности из объединенной энергосистемы Северо-Запада и усиление межсистемной связи объединенных энергосистем Северо-Запада и Центра, срок строительства — 2016-2020 гг.
Разработка проектно-сметной документации (ПСД) на данную ВЛ 750 кВ и расширение реконструкцию подстанций (ПС) 750 кВ «Ленинградская» и 750 кВ «Белозерская» производилось в два этапа. Изыскания, варианты трассы, конструкция фаз, основные конструкции опор и фундаментов, заходы на расширяемые ПС выполнялись на этапе основных технических решений (ОТР} по сооружаемому объекту. На этом этапе были рассмотрены три основных варианта трассы ВЛ 750 кВ: железнодорожный протяженностью 467 км, автодорожный — 524 км и окончательно принятый — 473 км.
В геоморфологическом отношении исследуемая территория для трассы ВЛ 750 кВ расположена в пределах озерно-ледниковой и моренной равнины, полого-холмистой ледниково-аккумулятивной равнины, а также озерно-аллювиальной низины.
На южных берегах Финского залива и Ладожского озера в кембрийский период сформировались мощные толщи осадочных пород (синих глин с прослойками песчаников). В ордовикский период произошло образование оболовых песчаников, содержащих месторождения фосфоритов и горючих сланцев. В восточной части участка близко к поверхности находятся породы, образовавшиеся в каменноугольный период, там присутствуют месторождения бокситов, известняков и доломитов. Четвертичные образования сформировались в результате неоднократных наступлений ледниковых покровов, размыва предыдущих осадков водно-ледниковыми потоками, эрозионно-аккумулятивной деятельности рек и озер, болотной аккумуляции.
Современные отложения широко развиты и представлены биогенными образованиями, в состав которых входят торф и заторфованные глинистые грунты. В местах залегания слабопроницаемых глинистых пород возможно просачивание «верховодки».
Из описания инженерно-геологических условий следует, что трасса прохождения ВЛ 750 кВ характеризуется высокой степенью заболоченности. В районе прохождения ВЛ 750 кВ имеются сильно заболоченные участки: Волхов — Тихвин — Кириши (Зеленецкие Мхи), Тихвин — Будогощь — Неболчи, Ефимовский — Бабаево — Чаго-да, Бабаево — Устюжна — Суда (Уломские болота), Чагода — Устюж-на — Пестово (рис. 2). Причем непосредственно под слоем торфа и слабых глинистых и песчаных напластований часто залегают пласты известняков и доломитов, которые представляют собой тяжелые основания, проблемные для применения как стальных ВС, так и железобетонных подножников.
В связи с большими нагрузками на фундаменты и слабыми грунтами в их основании (на глубине до 4-5 м), наличия больших обводненных площадок, существенно возросшей материалоемкости и стоимости реализации грибовидных фундаментных решений массовое применение в проекте железобетонных грибовидных подножников, традиционных для проектов ВЛ 35-750 кВ, стало невозможным.
Поэтому в качестве основного вида фундаментов для опорных конструкций были выбраны однолопастные ВС (рис. 3), объединенные сварным металлическим ростверком, как правило, в группы по 4 шт. под каждый опорный узел, отличающиеся большей универсальностью для применения в связи с широким интервалом варьирования параметров (глубина заложения и диаметры ствола и лопасти).
Расчет несущей способности ВС и выбор типа и глубины заложения был выполнен в соответствии со стандартом ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.120.95-050-2010 «Нормы проектирования фундаментов из винтовых свай» и СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты». Были выбраны ВС с литым закрытым наконечником типа СВЛ по ТУ 5264-004-82096320-2013, изготовленные из стальных труб длиной до 12 м, диаметром 219 мм и лопастью 500 мм и соответственно — 325 мм и 850 мм. При этом толщина труб составила 14 мм в соответствии с требованиями СТО 56947007-29.120.95.089-2011 «Типовые требования к фундаментам опор ВЛ 35-750 кВ» для средне- и сильноагрессивных грунтовых сред.
Всего на ВЛ 750 кВ было установлено 1402 стальные опоры, 52 % фундаментов которых выполнены на ВС, а 48 % — на железобетонных подножниках. При этом на особо заболоченных шести участках трассы из восьми 65 % фундаментов реализованы с применением ВС.
Винтовые сваи: проблемы, предложения и решения
В связи с вышеуказанными причинами (наличием известняка, включений крупнообломочных пород и булыги в глинах и песках) выявлена проблема недопогружения ВС, даже при предварительном выполнении лидерных скважин.
Каждый такой случай фиксировался с оформлением акта отказа от погружения из-за невозможности достижения проектной глубины, который подписывался комиссией с участием ответственных представителей заказчика, генподрядчика, субподрядчика и авторского надзора.
Только после получения разрешения от проектировщика, основанного на натурных испытаниях «отказавших» свай по ГОСТ 5686-94 «Методы полевых испытаний сваями», согласовывалось их применении в фундаментах для опор на конкретном пикете ВЛ 750 кВ (рис. 4). Всего на ВЛ 750 кВ выполнено: 67 испытаний ВС, 350 измерений в порядке контроля глубины погружения ВС и тотальный визуально-измерительный и ультразвуковой контроль качества монтажных сварных швов по ГОСТ 23118-2012, ГОСТР 55724-2013, ГОСТ 5264 ит.п
Как видится авторам, в дальнейшем данную проблему можно решить путем применения ВС с открытым концом и коронкой, преимущественно со стальным сварным наконечником. Например, сваи диаметром ствола 325 мм, лопасти 480 мм и длиной до 14 м (с монтажным сварным стыком), изготовленные по ТУ 5264-004-82096320-2009 «Сваи стальные винтовые для вечномерзлых грунтов», в 2011 г. были успешно применены на заходах ВЛ 330 и 110 кВ на ПС 330 кВ «Зеленогорск» МЭС Северо-Запада, при отсутствии вечномерзлых грунтов на площадке строительства (рис. 5).
Также при экспериментальных работах для обоснования предварительного варианта строительства перехода ВЛ 220 кВ «ПС Ухта —Печорская ГРЭС» через р. Печору были успешно применены ВС с открытым сварным оголовком и коронкой с погружением на глубину до 8 м, несмотря на наличие песчано-гравийных грунтов с включениями и валунами до 25 %.
Очевидно, что следует выполнить разработку ВС с открытым сварным наконечником для глинистых и песчано-гравийных грунтов, имеющих включения до 25 % и валуны. При этом следует пересмотреть как технологию погружения ВС, включая критический анализ свайной техники с увеличением ее мощности и проходимости, так и ТУ по заводским конструкциям ВС с целью оптимизации и облегчения погружения в сложные тяжелые грунты.
Для тяжелых грунтовых условий в связи со значительным повреждением литой винтовой лопасти (рис. 6) целесообразно изготовление лопастей из стального листа в составе стального сварного наконечника.
Кроме того, необходимо продолжить исследования характеристик несущей способности и склонности к деформации стержневых анкеров, показавших успешные результаты для закрепления — «пришивания» поверхностных фундаментов к грунтовому основанию (эксперименты ИЦ «Фирма «ОРГРЭС» и Ур института «Энергосетьпроект» в 1970-1980-х гг.). Кроме того, натурными испытаниями целесообразно доказать возможные преимущества глубоко расположенных многолопастных свай и анкеров.
Еще одной проблемой стало ненадлежащее качество четырех несущих монтажных сварных швов, обеспечивающих прикрепление верхней балки ростверка к двум нижним.
Это привело к затратной переварке забракованных дефектных швов по результатам 100 %-ной проверки качества швов посредством систематического визуально-измерительного и ультразвукового неразрушающего контроля, выполненного бригадой дефектоскопистов по ГОСТ 23118-2012 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия».
Следовательно, в реальных условиях строительства ВЛ обеспечить качественное производство сварочных работ оказалось делом весьма трудоемким и под силу только настоящим профессионалам при наличии современного оборудования и материалов.
Наилучшее решение здесь — повышение уровня индустриализации и максимальное исключение сварных несущих швов на трассе. Весьма актуальной остается тема разработки так называемого болтового ростверка, отличающегося только болтовыми соединениями заводских секций в условиях трассы без монтажной сварки. Поэтому на конкурсной основе целесообразно выполнить НИОКР по разработке болтового ростверка, а также актуализировать НТД и «типовую документацию» по ВС и ростверкам с пересмотром и оптимизацией технических решений.
Необходимой процедурой при проектировании является выполнение вариантного проектирования фундаментов с рассмотрением альтернативных решений фундаментов и выбором наиболее эффективного из них. Здесь наряду со стоимостью варианта приоритетным критерием эффективности должна стать трудоемкость исполнения, фактически определяющая продолжительность строительства, а значит, и сроки окупаемости инвестиций.
Вариантное проектирование на стадии проекта на ОТР должно стать основным инструментом выбора наиболее эффективного варианта. ВС при проектировании необходимо рассматривать как один из вариантов исполнения фундамента опоры ВЛ. При этом следует выбирать вариант по результатам сравнения с другими альтернативными вариантами (новые грибовидные подножники, буронабивные сваи, сваи-оболочки, поверхностные фундаменты и т. п.) комплектно с опорами по критериям стоимости, трудоемкости и материалоемкости для конкретных условий трассы.
Например, в 2009 г. на этапе ОТР филиалом «СевЗапНТЦ» — ПЦ «Севза-пэнергосетьпроект» была составлена сравнительная таблица вариантов конструктивно-технологических решений строительства северной ВЛ 220 кВ «Печорская ГРЭС — Ухта — Микунь» (вторая цепь). Трасса характеризуется водонасыщенными торфяниками глубиной до 4,0 м и протяженностью болот не менее 1/3 всей ВЛ. Из данных этой таблицы следует, что сметная стоимость строительства ВЛ 220 кВ по варианту со стальными многогранными опорами на сваях-оболочках почти на 30 % ниже варианта с решетчатыми опорами на ВС со сварными ростверками и на 17 % ниже варианта с решетчатыми опорами на железобетонных подножниках. Поэтому требуется существенное обновление устаревших конструктивно-технологических решений фундаментов с пересмотром и переработкой соответствующих отраслевых стандартов и существующей буровой и сваепогружающей техники.
Во-первых, необходимо продолжить разработку мощных сборных составных железобетонных подножников и фундаментных центрифугированных секций-стоек на высокие нагрузки 7-10 ряда, которые следует существенно облегчить за счет применения высокопрочных бетонов и композитной арматуры.
Во-вторых, следует максимально расширять применение буронабивных свай на строящихся объектах электроэнергетики, демонстрирующих наибольшую универсальность применения для практически любого диапазона нагрузок и различных климатических и транспортных условий трассы. Например, 28.08.2009 на ВЛ 220 [500] кВ «Дагомыс — Псоу-2» МЭС Юга по причине оползня была выполнена замена поврежденной опоры ПБАт-М с оттяжками на промежуточную свободностоящую опору типа Р2 по рабочей документации филиала ОАО «ЮИЦЭ» — «Южэнергосетьпроект» (рис. 7).
Армированные буронабивные сваи БС-0,7-6,0 с ответными фланцами были заблаговременно изготовлены в неизвлекаемой обсадной трубе (сечение 720 х 10 мм, длина 6 м) в котловане, пробуренном бурильно-крановой машиной БКМ-1501А на базе КРАЗ-65101.
В-третьих, большим недостатком проекта ВЛ 750 кВ явилось отсутствие современных разработок конструктивов по опорам и фундаментам на основе многогранных стальных и секционированных железобетонных стоек, которые могли стать вполне конкурентными при сравнении вариантов. Например, по результатам сопоставления с решетчатыми опорами в классе ВЛ 500 кВ «Красноармейская — Газовая», двухстоечная многогранная опора 2МП500-1В (с внутренними связями) по сравнению с типовой ПП500-7 (на оттяжках) показала металлоемкость на 13 % ниже, а количество болтов — в 10 раз меньше (216 вместо 2154 шт.). На данной линии это обусловило однозначное преимущество многогранных опор в связи со значительным сокращением трудозатрат и продолжительности строительства почти в 10 раз, а стоимости строительства ВЛ 500 кВ с учетом фундаментов и землеотвода — на 14 %.
Заключение
- Следует рассматривать ВС как один из вариантов исполнения фундамента опоры ВЛ. При проектировании целесообразно назначать вариант по результатам сравнения с другими альтернативными вариантами (грибовидные подножники, буронабивные сваи, поверхностные фундаменты ит. п.) по стоимости, трудоемкости и материалоемкости.
- Требуется оптимизировать конструктивные решения ВС и сварных ростверков в связи с высокой сложностью выполнения сварных работ на пикете ВЛ, исключающей надлежащее качество их исполнения, с целью минимизации сварочных работ на пикете.
- Целесообразно выполнить НИОКР по разработке универсальных болтовых ростверков для стальных решетчатых опор ВЛ.
- Выполнить разработку и испытания ВС с открытым концом для глинистых и песчано-гравийных грунтов с включениями до 25 % и валунами.
- Пересмотреть технологии погружения ВС, а также ТУ по заводским конструкциям ВС с целью облегчения погружения в сложные грунты, включая предложения по модернизации существующих буровых и сваепогружающих машин.
- Разработать эффективные многогранные стальные и секционированные железобетонные опоры с фундаментными решениями для ВЛ 750 кВ.
Ссылка на источник: https://энергия-единой-сети.рф/nomera-zhurnalov/1-50-2020-g/primenenie-vintovykh-svaj/
