Расчет технических решений по термостабилизации грунтов канализационной насосной станции
Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания канализационной насосной станции промстоков. Для термостабилизации грунтов основания КНС применяется тепловой экран совместно с одиночными термостабилизаторами.
Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.
Климатические характеристики
Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23.7 | -22.9 | -14.4 | -8.2 | 0.0 | 9.9 | 15.7 | 12.0 | 5.7 | -4.2 | -15.2 | -20.9 |
| Скорость ветра, м/с | 3.0 | 3.1 | 3.3 | 3.5 | 3.8 | 3.8 | 3.3 | 3.0 | 3.2 | 3.3 | 3.0 | 2.9 |
| Высота снега, м | 0.53 | 0.62 | 0.68 | 0.65 | 0.28 | - | - | - | - | 0.08 | 0.25 | 0.40 |
Геокриологические условия
Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура вечномерзлых грунтов на глубине 10 метров составляет минус 1,5 ⁰С.
| Наименование показателя | Обозначение | Ед.измерения | Насыпной грунт | ИГЭ №131200. Глина мерзлая, льдистая | ИГЭ №141000. Суглинок мерзлый | ИГЭ №141100. Суглинок мерзлый | ИГЭ №141000Э. Суглинок мерзлый | ИГЭ №411200. Скальный грунт |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Физические свойства | ||||||||
| Плотность грунта в сухом состоянии | Rdf | кг/м3 | 1740 | 1120 | 1710 | 1470 | 1830 | 1980 |
| Суммарная влажность | Wtot | д.е. | 0,18 | 0,524 | 0,189 | 0,288 | 0,152 | 0,117 |
| Степень засоленности | Dsal | % | - | 0,052 | 0,071 | 0,068 | 0,08 | - |
| Число пластичности | Ip | д.е. | - | 0,17 | 0,111 | 0,118 | 0,105 | - |
| Влажность на границе раскатывания | Wp | д.е. | - | 0,24 | 0,196 | 0,2 | 0,188 | - |
| Теплофизические свойства | ||||||||
| Температура начала замерзания | Tbf | ⁰С | -0,15 | -0,3 | -0,4 | -0,34 | -0,47 | -0,23 |
| Теплопроводность талого грунта | λth | Вт/(м*К) | 2,32 | 1,52 | 1,53 | 1,57 | 1,61 | 1,5 |
| Теплопроводность мерзлого грунта | λf | Вт/(м*К) | 2,73 | 1,72 | 1,76 | 1,8 | 1,84 | 1,5 |
| Объемная теплоемкость талого грунта | Cth | МДж/м3 | 2,63 | 3,5 | 2,89 | 3,1 | 3,12 | 2 |
| Объемная теплоемкость мерзлого грунта | Cf | МДж/м3 | 1,93 | 2,39 | 2,35 | 2,32 | 2,36 | 1,9 |
| Коэффициенты кривой незамерзшей воды Ww(t)= A + B / (C - t), где t - температура, ⁰С | А | - | 0,0013 | 0,1203 | 0,0704 | 0,0736 | 0,0631 | 0 |
| B | - | 0,0016 | 0,118 | 0,1193 | 0,1026 | 0,1818 | 0 | |
| C | - | 0,4452 | 0,4896 | 0,6054 | 0,3619 | 1,5792 | 0 | |
| Теплота фазового перехода | Qf | МДж/м3 | - | - | - | - | - | 44,44 |
Строительные решения
Конструкция канализационной насосной станции (КНС) представляет собой заглубленный стальной резервуар, диаметром Ø1900 мм, с погружными насосами, с блок-контейнером 3,0х5,0 метров в плане. Режим работы КНС периодический. Резервуар запроектированы с теплоизоляцией и электрообогревом для поддержания в отопительный период технологической температуры и предотвращения замораживания.
В расчетах принято поддержание постоянной температуры в емкостях на уровне +10 ⁰С. Коэффициент теплопередачи от емкости в грунт рассчитан с учетом теплоизоляции 50 мм и составляет К=0,88 Вт/(м*К).
Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется цементно-песчаным раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется цементно-песчаным раствором.
Температурная стабилизация грунтов (ТСГ)
Технические решения по термостабилизации грунтов предусматривают совместное использование теплового экрана (теплоизоляция типа «Пеноплекс» толщиной 100 мм) с установкой одиночных СОУ (термостабилизаторов). Для поддержания и понижения температуры грунтов предусматриваются вертикальные СОУ.
Прогноз температурного режима грунтов
Прогнозное моделирование температурного поля грунтов осуществлялось численными методами с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.
Составление прогноза температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.
Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).
Этапы выполнения строительства
Расчет температурного поля грунтов выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:
- Первый этап – возведение насыпи.
Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Принят наиболее критичный вариант для температур грунтов — возведение насыпи в конце летнего периода талым грунтом. Срок прогноза составлял один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий. - Второй этап – период эксплуатации.
Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации. Моделирование производилось в одном расчете путем изменения граничных условий теплообмена. Погружения свай, СОУ и засыпка выемки приняты на момент 15 октября талым грунтом. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.
Срок до начала эксплуатации составлял один календарный год. В этот период КНС находилась на открытом воздухе без обогрева. По прошествии года моделировалось тепловое воздействие на грунты при обогреве КНС. Графики температуры внутри КНС и коэффициента теплообмена приведены ниже.
Адаптация условий теплообмена
Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.
Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23,7 | -22,9 | -14,4 | -8,2 | 0,0 | 9,9 | 15,7 | 12,0 | 5,7 | -4,2 | -15,2 | -20,9 |
| Скорость ветра, м/с | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,8 | 3,8 | 3,3 | 3,0 | 3,2 | 3,3 | 3,0 | 2,9 |
| Теплоотдача, Вт/(м2*К) | 9,53 | 9,77 | 10,25 | 10,73 | 11,45 | 11,45 | 10,25 | 9,53 | 10,01 | 10,25 | 9,53 | 9,29 |
| Высота снега, м | 0,141 | 0,165 | 0,181 | 0,173 | 0,074 | - | - | - | - | 0,021 | 0,066 | 0,106 |
| Плотность снега, кг/м3 | 115 | 120 | 123 | 128 | 298 | - | - | - | - | 94 | 102 | 109 |
| Теплопроводность снега, Вт/(м*К) | 0,174 | 0,179 | 0,182 | 0,188 | 0,462 | - | - | - | - | 0,153 | 0,161 | 0,168 |
| Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К) | 1,095 | 0,977 | 0,917 | 0,989 | 4,027 | 11,450 | 10,250 | 9,530 | 10,010 | 4,227 | 1,929 | 1,349 |
Расчетная область
Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 35 х 35 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке ниже.
Схема расположения свай, СОУ и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.
На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие сооружения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.
В расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М150 приведен на рисунке.
Моделирование работы сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ, термостабилизаторов) производится путем расчета значений внутренних стоков теплоты на основе конструктивных характеристик термостабилизаторов, описывающих их работу. Для описания работы термостабилизаторов задаются величины среднемесячных температур воздуха и коэффициента теплообмена, определяемых на основе скорости ветра на уровне конденсаторных блоков СОУ. Расчет теплоотдачи с единицы поверхности испарителя охлаждающих устройств, ведется внутри программы на основе расчета теплового баланса по каждому термостабилизатору на каждом шаге итерации. При решении теплового баланса по сезоннодействующему охлаждающему устройству на каждом шаге итерации проверяются критерии запуска и остановки работы СОУ. Тепловые характеристики работы термостабилизатора, эквивалентные постановки граничных условий теплообмена в аналогичных программах расчета приведены в таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23,7 | -22,9 | -14,4 | -8,2 | 0,0 | 9,9 | 15,7 | 12,0 | 5,7 | -4,2 | -15,2 | -20,9 |
| Скорость ветра, м/с | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 2,1 | 2,3 | 2,3 | 2,0 | 1,8 | 2,0 | 2,0 | 1,8 | 1,8 |
| Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м2*К) | 17,29 | 17,54 | 18,03 | 18,52 | - | - | - | - | - | 18,03 | 17,29 | 17,01 |
| Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м2*К) | 20,33 | 20,62 | 21,20 | 21,77 | - | - | - | - | - | 21,20 | 20,33 | 20,00 |
Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 61х66х77 ячеек (0,3 млн. ячеек).
Результаты расчета
Результаты расчета трехмерного температурного поля вечномерзлых грунтов приведены на рисунках ниже.
Трехмерное температурное поле грунтов на 15 сентября 5-го года эксплуатации.
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года (начало эксплуатации).
Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.
Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.
Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании дренажных емкостей приведено на 15 октября 4-го года.
Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.1 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной под зданием приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 мая) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 2 год | 3 год | ||
| 1,0 | 0,50 | 0,32 | 0,32 | 0,27 |
| 2,0 | 0,50 | 0,15 | 0,15 | 0,07 |
| 3,0 | 0,50 | -0,17 | -0,19 | -0,29 |
| 4,0 | 0,50 | -0,22 | -0,30 | -0,44 |
| 5,0 | 0,50 | -0,41 | -0,53 | -0,65 |
| 6,0 | -0,28 | -0,79 | -0,90 | -1,00 |
| 7,0 | -1,32 | -1,20 | -1,29 | -1,37 |
| 8,0 | -1,40 | -1,45 | -1,52 | -1,58 |
| 9,0 | -1,45 | -1,58 | -1,64 | -1,68 |
| 10,0 | -1,47 | -1,61 | -1,67 | -1,69 |
| 11,0 | -1,47 | -1,59 | -1,63 | -1,66 |
| 12,0 | -1,47 | -1,54 | -1,58 | -1,60 |
| 13,0 | -1,47 | -1,50 | -1,53 | -1,55 |
| 14,0 | -1,46 | -1,48 | -1,50 | -1,51 |
| 15,0 | -1,46 | -1,46 | -1,47 | -1,48 |
Время выполнения расчета модели, состоящей из 0,3 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:
- На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 2 часа 30 минут.
- На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 8 минут.
Выводы
Исходя из представленных расчетов можно сделать следующие выводы:
- Применение свай с заполнением их цементно-песчаным раствором, с учетом большого шага и малого диаметра свай, а также своевременному началу работы СОУ, не приводит к заметному повышению температур грунтов оснований.
- Объем погруженных СОУ достаточен для такого инженерного сооружения. Технические решения по температурной стабилизации обеспечиваю сохранение температурного поля грунтов оснований даже в условия активизации процесса оттаивания грунтов оснований площадки.
Файлы для загрузки
Файлы примера доступны по ссылке.