Винтовые сваи в энергетическом строительстве

15.06.2019

По данным ОАО «РОСТЭП» за 2005 год общая протяженность распределительных линий 0,38...110 кВ в электроэнергетической системе России составила примерно 2,8 млн км, из которых свыше 1,9 млн км – ЛЭП 6–10 кВ. Более 32 % (900 тыс. км) воздушных линий электропередач отработали свой нормативный срок. Согласно расчетам к 2010 году этот показатель достигнет 40 %. Для технического обновления существующих сетей с учетом процесса их старения в России необходимо ежегодно производить замену 4–5 % линий электропередачи. А в связи с устойчивой тенденцией роста потребления электроэнергии, как в промышленном, так и в коммунально-бытовом секторе, помимо реконструкции и ремонта существует настоятельная необходимость нового строительства распределительных сетей, отвечающих экономико-экологическим требованиям и современному техническому уровню распределения энергии. Очевидно, что задача разработки рациональных подходов к реконструкции и строительству распределительных сетей является чрезвычайно актуальной.

Основной причиной аварийности воздушных линий электропередачи 6–10 кВ является повреждение опор, установленных в обводненных или засоленных грунтах (за счет коррозии бетона), а также падение опор за счет выпучивания в пучинистых грунтах (традиционно применяемые опоры имеют фиксированную длину стойки, что не позволяет заглублять их более чем на 2–3 метра). Показатель аварийности воздушных линий на деревянных опорах на порядок выше. По данным статистики число отключений ВЛ 6–10 кВ на опорах из железобетонных стоек на каждые 100 км длины ВЛ составляет в среднем 6–7 раз в год, а для районов со сложными природно-климатическими условиями, в частности, Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого АО – более 20 раз в год. Воздушные линии 35–110, 220, 330 и 500 кВ имеют значительно более высокие показатели надежности, что напрямую связано с двумя важнейшими техническими особенностями:

• применение стальных опор;
• устройство фундаментов на стальных винтовых сваях.

Такие опоры и фундаменты куда менее подвержены износу и деформации и, кроме того, позволяют добиваться значительной экономии средств, как за счет снижения затрат на материалы, так и экономии рабочего времени при строительстве ВЛ. В частности, применение стальных опор в комплексе с фундаментами на винтовых сваях дает возможность вдвое (100 м, вместо 40–45 м) увеличить габаритный пролет, за счет более высокой механической прочности (несущая способность стальных опор на изгиб составляет 74 кНм против 35–45 кНм у железобетонных).

Рис. 1. Двухвитковые винтовые сваи для обычного грунта.

Хотя винтовые сваи могут быть дороже железобетонных оснований, для районов со сложными условиями строительства основной составляющей цены является уже не стоимость материалов, а затраты на транспорт и строительно монтажные работы. Поэтому в условиях Крайнего Севера даже строительство ЛЭП 6–10 кВ на винтовых сваях обойдется значительно дешевле, чем при применении традиционных способов.

Немаловажен и тот факт, что технология устройства фундаментов ЛЭП на винтовых сваях является щадящей для окружающей среды, не ухудшает экологическую обстановку. По сравнению с устройством железобетонных оснований, не требуется проводить земляные работы, что позволяет экономить на привлечении дополнительной техники. Полностью исключаются мокрые процессы, что крайне важно в условиях Севера с присущим ему продолжительным периодом преобладания отрицательных температур. Кроме того, винтовые сваи дают возможность производить установку опор сразу же после завинчивания, что значительно сокращает сроки строительства. Имеется возможность сооружения оснований в непосредственной близости к строениям и сооружениям.

Расчеты, проведенные ОАО «Институт «Севзапэнергопроект», показали, что использование винтовых свай обеспечивает экономию металлоконструкций в 1,7 раза, арматурной стали – в 1,4 раза, провода – в 1,2 раза, цемента – в 2,7 раза по сравнению с проектной сметой, составленной для устройства железобетонного свайного основания.

Однако, несмотря на все вышеперечисленные преимущества, более широкому распространению винтовых свай в строительстве долгое время препятствовали следующие факторы:

• недостаточно совершенная конструкция винтового наконечника и некоторая условность расчетных схем для лопасти сваи, что требовало при погружении свай дополнительного воздействия вертикальной пригружающей силы;
• недостаток легкой, маневренной, высокопроходимой техники, обеспечивающей эффективное погружение винтовых свай.

ОАО «Завод «Стройдормаш» в сотрудничестве со специалистами ОАО «Институт «Севзапэнергосетьпроект» работает над поиском комплексных решений данных проблем.

В 2005 году на заводе начато производство сварных металлических винтовых свай с плоскими лопастями, конструкция которых была разработана (на основе технических решений, предложенным к. т. н. В. Н. Железковым) в научно-исследовательской лаборатории электросетевого строительства «Института «Севзапэнергосетьпроект».

В настоящее время в основном применяются два типа анкеров и свай: одно- или двухвитковые с диаметром лопасти 500 и 850 мм – для обычных (талых) грунтов и многовитковые с диаметром лопасти 300 мм – для твердомерзлых грунтов.

Сваи с плоскими лопастями для талых грунтов

Сваи с плоскими лопастями для талых грунтов, часть лопасти которых переходит на наконечник (см. рис. 1) имеют низкую материалоемкость, просты в изготовлении, позволяют отказаться от тяжелой осевой пригрузки. Для завинчивания этого типа свай требуется меньший крутящий момент вследствие постепенного развития винтовой лопасти. Все это сокращает производственный цикл, улучшает восприятие горизонтальных нагрузок и несущую способность свай по сжатию и выдергиванию на 15–20 %, а следовательно, удлиняет сроки эксплуатации ВЛ, построенных на фундаментах из винтовых свай.

Рис. 2. Узколопастные сваи. Предназначены для завинчивания в вечномерзлые грунты с предварительным бурением лидерной скважины диаметром, равным диаметру ствола сваи. Наличие во внутренней полости винтовой части дополнительного элемента, необходимого для транспортировки осыпавшегося грунта во внутреннюю часть сваи, позволяет погружать сваю до дна пробуренной скважины, при этом отпадает необходимость бурения лидерной скважины на глубину больше проектной, что позволяет сократить сроки строительства (ОАО «Завод «Стройдормаш»).

Для изготовления стволов винтовых свай могут использоваться трубы сечением от 159 мм до 500 мм с толщиной стенки 8, 10, 12, 14 мм. (Сейчас в ОАО «Завод «Стройдормаш» освоено производство свай для талых грунтов с диаметром ствола 219 мм и шириной лопасти 500 мм).

Сваи с сечением трубы 219 мм и лопастью 500 мм были применены трестом «Севзапэлектросетьстрой» еще в 1983–1984 гг. на заболоченных участках ВЛ 330 кВ «Новгород – Юго-Западная» и ВЛ 110 кВ «Тихвин – Бокситогорск» и «Кретун – Окуловка». В 2003 году, т. е. через 20 лет, было проведено исследование состояния опор на участке ВЛ 110 кВ «Тихвин – Бокситогорск», которое показало, что коэффициент аварийности опор из-за дефектов фундамента составляет не более 6 %.

Летом и осенью 2005 года винтовые сваи производства ОАО «Завод «Стройдормаш» с диаметром ствола 219 мм, лопастью 500 мм и длиной 5 м были применены ООО «Сибопора» для устройства фундаментов опор контактной сети железной дороги в Иркутской области. Использовались два варианта – на двух и на трех сваях, что связано с различным распределением нагрузки на опоры). Применение винтовых свай позволило сократить сроки строительства более чем в 2 раза по сравнению с планируемыми в случае применения бетонных оснований для опор контактной сети.

Сваи для твердомерзлых грунтов

Оптимальной конструкцией для твердомерзлых грунтов является винтовая свая без конической части с диаметром лопасти 280 или 300 мм. Ее преимущества были подтверждены в ходе работ по строительству ВЛ 110 кВ ЯГП-1 и ЯГП-5 (Ямбургское газоконденсатное месторождение). Трестом «Мегионэлектросетьстрой» было установлено более 100 опор, общее количество погруженных анкеров и свай составило свыше 430.

Конструкторско-технологической службой ОАО «Завод «Стройдормаш» разработан вариант конструкции винтовой сваи для условий вечной мерзлоты. Сваи имеют максимальную несущую способность при минимальных размерах винтовой лопасти (конструкция анкера Ø 300); не требуют бурения больших лидерных скважин, погружаются в мерзлые грунты без дополнительной осевой пригрузки и при минимальном крутящем моменте; двухступенчатая лопасть анкера позволяет сократить время на завинчивание. Кроме того, они имеют малую материалоемкость и просты в изготовлении.