Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор исследований причин возникновения аварийных ситуаций и оценки безопасности причалов типа «больверк» 14
1.1. Сведения о причальных сооружений 14
1.1.1. Классификация портовых ГТС 14
1.1.2. Причальные сооружения 16
1.1.3. Причальные сооружения вида тонкой стенки - больверки 18
1.1.4. Конструктивные элементы больверков и особенности производства работ по их возведению 20
1.2. Основные причины возникновения аварийных ситуаций 21
1.2.1. Общие сведения 21
1.2.2. Качество проектных материалов 23
1.2.3. Дефекты строительства больверков из металлического шпунта 26
1.3. Современные методы оценки безопасности при строительстве и эксплуатации причалов типа «Больверк» 28
1.3.1. Основные положения 28
1.3.2. Существующие методы оценки надежности портовых сооружений 29
1.3.3. Нормирование показателей надежности 33
1.3.4. Оценка риска при строительстве причальных сооружений . 34
Выводы 43
2. Постановка задачи по разработке методики оценки риска аварии при строительстве сооружений типа «больверк» 46
2.1. Общие положения 46
2.2. Модель развития аварийного процесса 48
2.3. Алгоритм решения задачи 49
5. Методика оценки риска аварии при строительстве сооружений типа «больверк» 50
3.1. Общие сведения 50
3.2. Определение риска. Задача оптимального распределения средств . 55
3.3. Вероятностные модели развития аварийного процесса 63
3.3.1. Модель превышения случайным смещением опасного уровня . 65
3.3.2. Модель превышения заданного числа случаев опасных отклонений 73
3.3.3. Модель отказов не менее заданного числа элементов 74
3.4. Количественная оценка риска аварийного (опасного) состояния больверка 76
4. Обобщение практического опыта строительства сооружений, включающих как элемент шпунтовую стенку 82
4.1. Наиболее часто встречающиеся в практике строительства отклонения от проекта, их классификация 82
4.1.1 Примеры описания аварийных ситуаций сооружений со шпунтовыми стенками 82
4.1.2. Классификация дефектов строительства больверков из металлического шпунта 90
4.2. Инженерные и управленческие способы предотвращения отклонений и аварий сооружений 94
Заключение 105
Список использованной литературы 107
- Существующие методы оценки надежности портовых сооружений
- Оценка риска при строительстве причальных сооружений
- Модель превышения случайным смещением опасного уровня
- Примеры описания аварийных ситуаций сооружений со шпунтовыми стенками
Существующие методы оценки надежности портовых сооружений
В мировой инженерной практике имеется большое количество различных по зазначенню, по конструкциям и форме гидротехнических сооружений. Из-за этого их классификация чрезвычайна сложна. Тем не менее, возможно выделение некоторых збщих признаков, которые могут быть положены в основу классификации портовых "ТС [14, 29, 31, 43, 45, 49, 64, 69, 106, 113]. К числу основных признаков можно угнести: функциональное назначение сооружения; тип и особенности конструкции; » эксплуатационные технологические требования и срок эксплуатации.
По своему функциональному назначению портовые ГТС бывают такими: L Причальные сооружения, обеспечивающие безопасность судов при стоянке и возможность выполнения перегрузочных операций. Различают три типа: набережные стенки, пирсы, рейдовые причалы. I. Оградительные сооружения, предназначенные для защиты акватории от волнения, течений, наносов и льда. Различают два типа: молы и волноломы. К Судоподъемные сооружения, предназначенные для подъема и спуска судов на воду при их строительстве и ремонте. Можно выделить следующие типы: судостроительные эллинги (стапели); судоремонтные эллинги, слипы; сухие и наливные доки. Морские берегозащитные сооружения, предназначенные для защиты берега и прилегающих территорий от разрушений. Применяют активные и пассивные сооружения. 5. Морские судоходные каналы. 5. Устройства, предназначенные для обеспечения безопасности судовождения на подходе к морским портам и в пределах их акваторий. 7. Специальные морские сооружения. В зависимости от эксплуатационных требований и сроков службы морские ГТС делятся на постоянные и временные. Постоянные сооружения, предназначенные цля длительной эксплуатации, в зависимости от степени их важности подразделяются на основные и второстепенные. К основным относятся такие сооружения, выход которых из строя при аварии или полном разрушении существенно нарушает работу всего предприятия или важной его части. Примерами основных сооружений являются грузовые и пассажирские причалы. В соответствии со СНиП 2.06.01.85 [84] постоянные морские гидротехнические сооружения в зависимости от предъявляемых к ним требований в отношении запасов устойчивости и прочности, долговечности и общей надежности подразделяются на четыре класса капитальности. К сооружениям I класса относят основные сооружения, имеющие особо важное народнохозяйственное значение, отказы которых приводят к опасности для жизни людей и весьма большим экономическим потерям. Вероятность безотказной работы таких сооружений 0.97, срок службы около 60 лет. К IV классу относят временные сооружения; вероятность безотказной работы их равна 0.80. В таблице 1.1 приведены классы основных ГТС морских портов. Комплекс сооружений, оборудований и устройств, технологически связанный между собой и обеспечивающий обработку одного судна, называют причалом. Причальными называются гидротехнические сооружениями, являющиеся эсновным элементом причала и предназначенные для швартовки и стоянки судов. В морских портах в подавляющем большинстве случаев, несмотря на более высокую ггоимость, применяется вертикальная форма обделки берега. Причальные сооружения можно классифицировать по назначению, по условиям сопряжения с портовой территорией, по условиям обеспечения /стоичивости, по расположению в плане, типу конструкции, капитальности, материалу, способу и продолжительности строительства, по типу одиночных опор и люсобу их погружения, по расчетной схеме, значению для порта и т.д. В конструктивном отношении основными группами причальных сооружений ЇВЛЯЮТСЯ: » гравитационные сооружения; » сооружения в виде тонких стенок - шпунтовые стенки или больверки (от немецких Bohlwerk - сооружение из бруса, толстой доски, шпунта и Bollwerk бастион, оплот); » сооружения свайной конструкции. На выбор причального сооружения большое значение оказывает геологические \ ледовые условия, амплитуда колебаний уровня воды, волновой режим, сроки и /словия строительства, наличие и вид местных строительных материалов и др. Зкончательный выбор типа конструкции осуществляется только на основании гехнического анализа различных вариантов сооружения. Самыми распространенными конструкциями в мировом портостроении гвляются больверки. Сооружения этого типа составляют более 50 % от числа юзводимых причалов [49, 112]. Вопросами, связанными с проектированием, строительством и эксплуатацией іричальньїх сооружений занимались представители различных научных школ в Москве, Санкт-Петербурге, Одессе и т.д. Необходимой теоретической базой для )ешения прикладных задач являются фундаментальные исследования портов и юртовых сооружений АЛ.Будина [14], Б.Ф.Горюнова [29], Н.Н.Джунковского [31], Ш.Кульмача [41], Р.В.Лубенова [43], В.Е.Ляхницкого [45], Р.М.Нарбута [28], П.С.Никерова [49], Г.Н.Смирнова [63], Ф.М.Шихиева [28, 41], В.К.Штенцеля [43, 104], В.ПЯковенко [61, 109], П.И.Яковлева [49, 113], Б.К.Мазуркевича и др.
Оценка риска при строительстве причальных сооружений
Надежность портовых сооружений, как свойство, закладывается на стадии троекта, обеспечивается при строительстве и поддерживается в процессе жсплуатации. Обычно, надежность, определяемую на стадии проекта, называют іроектной надежностью; а на стадии эксплуатации - эксплуатационной надежностью.
Эксплуатационная надежность тесно связана с технической диагностикой, итурными и контрольными наблюдениями за состоянием сооружения, техническим эбслуживанием. ремонтами и т.п. Это наиболее сложный и наименее разработанный эаздел теории надежности ГТС [37, 38, 88, 91, 108].
Для оценки прочности и надежности портовых сооружений, их конструкций и оснований широко используются различные расчетно-теоретические и экспериментальные методы, решаются сложные задачи статики и динамики тричальных конструкций, их оснований и фундаментов.
Вопросы надежности и безопасности ГТС изучались В.В.Болотиным [10-13], Т.Н.Иващенко [35], В.Д.Костюковым [37-39], Ц.Е.Мирцхулавой, В.Д.Райзером [73-75], А.Р.Ржанициным [78-80], Д.В.Стефанишиным [87, 88], С.Г.Шульманом [17, 18, 37, 88, 108] и другими.
В соответствии с существующими нормами и стандартами [84], проектирование современных ГТС в нашей стране осуществляется на основе метода тредельных состояний, который был принят в СССР в качестве основного метода эасчета с 1955 г.
При расчете по этому методу устанавливаются предельные состояния инструкций и вводится система расчетных коэффициентов, таким образом, чтобы эти состояния не наступали при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших возможных значениях прочностных характеристик материалов.
Под предельным состоянием сооружения понимают такое его состояние, при заступлении которого оно перестает удовлетворять предъявляемым к нему в процессе эксплуатации или при возведении требованиям, т.е. сооружение теряет способность сопротивляться внешним силовым воздействиям или получает недопустимые реформации, или местные повреждения. Конструкции и основания должны удовлетворять требованиям расчета по двум руппам предельных состояний. Предельные состояния первой группы определяют тсчерпание несущей способности или полную непригодность к эксплуатации сонструкций или оснований. Предельные состояния второй группы определяют іепригодность сооружения к нормальной эксплуатации, при которой затрудняется гормальная эксплуатация конструкций или оснований. Под нормальной жсплуатацией подразумевается эксплуатация без ограничений в соответствии с іредусмотренньши в нормах или заданиях на проектирование технологическими или фугими условиями.
К предельным состояниям первой группы относят: потерю устойчивости положения; потерю устойчивости формы; разрушение сооружения любого характера, вызванное хрупким, пластичным или усталостным разрушением материала самого сооружения или основания; разрушение от совместного действия силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды; состояния, при котором возникает необходимость прекращения эксплуатации вследствие опасных подвижек сооружения или основания. К предельным состояниям второй группы относят: » недопустимые вертикальные осадки, горизонтальные перемещения и крены сооружения; недопустимые деформации конструкций в результате прогиба, углов поворота, колебаний конструкции; образование или недопустимое раскрытие трещин в ж/б и каменных конструкциях. Расчет по предельным состояниям преследует цель не допустить наступления іредельньїх состояний в процессе возведения сооружения (изготовление, транспортирование, монтаж, погружение) и в эксплуатационный период на іротяжении всего срока службы сооружения. Метод расчета по предельным состояниям основывается на системе расчетных соэффициеитов, учитывающих раздельно влияние изменчивости нагрузок и ірочностньїх характеристик материалов, а также других факторов, отражающих фактические условия работы сооружения. Благодаря этому можно совершенствовать летодику расчета строительных конструкций без изменения основных расчетных юложении путем систематического изучения и уточнения значений этих расчетных соэффициеитов. В последнее время, в практике проектирования ГТС находят применение и вероятностные методы оценки надежности [60]. Условно их можно разделить на три сновные группы: I. Расчетно-экспериментальные (с использованием данных эксплуатации объектов, анализа физики отказов и т.п.); I. Расчетно-теоретические (на основе имеющихся детерминистических моделей расчета); I. Комбинированные. Данный подход был развит для системы сооружение-фундамент-основание, с тстным решением в виде методов расчета на надежность оснований портовых хюружений, представленный в работах В.Д.Костюкова, А.В.Школы и др. [37-39, 102 104]. Например, в работе [104] приводится описание алгоритма и программы расчета юльверка, состоящего из трех основных блоков: статистического моделирования случайных параметров, подчиняющихся нормальному закону распределения; расчета шстных значений критических условий на основе детерминистического метода расчета и получения выходных вероятностных зависимостей путем систематизации и статистической обработки частных решений. Оценка прочности больверка троизводилась по двум критическим условиям, соответствующим двум видам отказа: готере прочности лицевой стенки больверка и потере прочности анкерных тяг.
Модель превышения случайным смещением опасного уровня
Риск при возведении и эксплуатации причального объекта, или строительный иск, - это возможные ожидаемые технические, материальные и социальные юследствия в результате отказов при строительстве и эксплуатации. Мера троительного риска - это количественный прогноз возможных убытков (ущерба) из-а возникновения отказов. В понятие «прогноз» здесь вкладывают как анализ и щенку возможных убытков, так и поиск, формирование, планирование границ между (оправданным» и «неоправданным» строительным риском (оправданными и іеоправданньїми убытками). Критерии выбора границ между такими рисками могут сличаться в зависимости от видов воздействий на объекты - причин возможных бытков, а таюке от условий работы, назначения объектов.
Ущерб, который появился бы при отказе сооружения, можно подсчитывать «тдельно [90], а прогнозирование их наступления связывать с вычислением отказа. Это так называемый вероятностный подход к прогнозированию строительного риска [74, 81]. Родоначальником такого подхода применительно к іроектированию ж/б конструкций считают А.Ф.Лолейта [42], применившего ікономические предпосылки при проектировании ж/б конструкций.
В практически ориентированной, приближенной вероятностной методике щенке строительного риска [81, 86] отказы подразделяются по категориям юследствий (приводят они к человеческим жертвам или нет, предусматривают ли юсстановление, замену, ведут ли к остановке производства, потере жилья, включению коммуникаций и др.), а также по степени их серьезности. Затем слассифицируются соответствующие отказам потери и определяются значения этих ютерь. В чисто экономической методике потери складываются в численном денежном) выражении из затрат на восстановление сооружения, ремонт, покупку )борудования, стоимость не выпущенной продукции и др. Далее классифицируются и эассчитываются вероятности отказов (вероятность катастрофы, восстанавливаемого шрушения, остановки производства и др.). Вычисляются ожидаемые, вероятностные ютери как количественная характеристика риска. Формула количественного шределения строительного риска представляет собой комбинацию произведений іероятностей отказов и соответствующих удельных значений убытков. Эта сомбинация строится с учетом логического соответствия вероятностей отказов и связанных с ними убытков.
В последнее время коммерчески обоснованные подходы к оценке строительного риска начинают использоваться страховыми компаниями при пред страховочной экспертизы строительных объектов. Такая экспертиза определять оптимальные страховые ставки на строительные риски. В работе 82] представлен подход к формированию системы оценки страховых строительных исков, предусматривающий предварительную классификацию объектов трахования. Указывается, что ими могут быть как сами сооружения (строящиеся, конструируемые или находящиеся в эксплуатации), так и проектная документация іа них, а таюке проводимые строительно-монтажные работы. Предварительные :оличественные оценки, или количественное прогнозирование строительного риска, [еобходимы для назначения размеров ответственности страховой компании, ее траховых выплат при наступлении отказов, а таюке размеров страховых взносов премий) при заключении полиса.
Связь экономических показателей и показателей надежности обычно іредставлена в неявном виде. При строительстве конкретных объектов требуется [меть четкое распределение средств по различным статьям. Осредненное определение, исходя из опыта строительства различных объектов в Северо-Іападном регионе РФ представлено на рис. 1.5.
Естественно, что для конкретных объектов отклонения от приведенных іеличин могут быть значительными. Перераспределение средств между статьями южет вести к далеко идущим последствиям.
В качестве примера можно привести геологические изыскания. В настоящее іремя расчет конструкции причала ведется на основании геологических разрезов. Іоследние строят по результатам бурения скважин, которые стоят достаточно дорого. Іри этом появляется желание уменьшить затраты и аппроксимировать результаты от :кважин, отстоящих достаточно далеко друг от друга, до 500 м.
При строительстве одного из причалов в Санкт-Петербургском морском порту [ришлось увеличить глубину забивки шпунта более чем на 10 м вследствие того, что еальные геологические условия отличались от тех, что были заложены в проекте на сновании бурения недостаточного количества скважин.
Поскольку теоретически определить расположение слоев и характерных рунтов при недостаточном количестве пробуренных скважин не представляется озможным, имеет смысл использовать вероятностные методы, в частности анализ іисков. Риск в строительстве - достаточно новое и окончательно не сформулированное [онятие, ориентированное не только на инженерные, но и экономические и оциальные критерии и рассматриваемое как будущая нормативная проектная ;арактеристика. Методики оценки риска строящихся и эксплуатируемых причальных юоружений только формируются. Проведенный анализ современного состояния вопросов, связанных с «беспечением безопасности причалов типа больверк, позволяет сделать следующие Распределение финансовых средств на проведение изыскательских, проектных и строительных работ не имеет четкого обоснования. !. Сведения, имеющиеся как в отечественной, так и в зарубежной литературе не позволяют оценить влияние технологии строительства и качества выполнения работ на безопасность эксплуатации причальных сооружений. . Статистический анализ показывает, что сами по себе дефекты строительства редко становятся причинами аварий. Однако наложение нескольких факторов может явиться такой причиной. Оценить вероятность аварии предоставляется возможным, используя положения теории рисков. Перечисленные выше аспекты проблемы позволяют считать целесообразным ісуществление исследований, направленных на дальнейшее изучение процессов ценки безопасности причальных сооружений типа «больверк», и поиск оптимальных шженерных мероприятий для предотвращения аварийных ситуаций в процессе их троительства.
Примеры описания аварийных ситуаций сооружений со шпунтовыми стенками
. По указанию заказчика, была создана рабочая группа для постоянного контроля за ситуацией, разработки плана действий, включая действия в критической ситуации. Был установлен инструментальный контроль за состоянием линии кордона силами геодезической службы. Выполнялись промеры вертикальности лицевой стенки на данном участке и промеры глубин на прилегающей акватории. Проводилось водолазное обследование лицевой стенки.
. Был проведен анализ существующей конструкции БУ-1 и выполнены поверочные расчеты этой конструкции, которые показали, что по принятым исходным данным (геология) устойчивость конструкции не вызывает сомнения. Выполненные расчеты, по указаниям заказчика, были представлены на рецензию, которая подтвердила правильность выполненных расчетов и устойчивость конструкции.
. Для выявления причин подвижки БУ-1, по указанию заказчика, было выполнено бурение геологической скважины на данном участке, которое показало несовпадение характеристик грунтов с принятыми в первоначальной конструкции. А именно: на глубинах между отметками минус 10.5 м и минус 19.9 м слой № 5 по первоначальной геологии имел значение угла внутреннего трения 15, а по материалам контроля - 7. Учитывая, что район строительства располагается в дельте реки Нева, и геология в этом месте крайне неоднородна, был сделан вывод, что в данном месте имеется локальное включение грунтов с более слабыми характеристиками в виде линз с текучими тиксотропными прослоями суглинка и песка, которые повлияли на устойчивость конструкции на участке БУ-1. Для усиления конструкции БУ-1 на участке, где происходят перемещения, были разработаны предложения, проверенные расчетами, с применением уточненных характеристик грунтов. Было проведено рецензирование расчетов, которое подтвердило правильность принятых решений и устойчивость новой конструкции. По представленным решениям были разработаны рабочие чертежи усиления БУ-1. Предлагаемый проект усиления предусматривает устройство экранирующего їда труб, дополнительных анкерных опор из свай-оболочек и установки эполнительных анкеров (рис. 4.3). Необходимо отметить, что неточные данные по геологии грунтов, лежащих в ;новании участка берегоукрепления реконструируемого причала № 112а МПСПб ривели к значительным затратам, необходимым для проведения работ по тределению причин произошедших деформаций и для предотвращения их развития дальнейшем (см. п. 1-4).
В работе [53] даются примеры аварий портовых сооружений, строящихся и ссплуатирующихся в экстремальных условиях. Использование металлического шунта из бессемеровской стали СтЗкп, обладающей хрупкостью, в портах Анадырь, евек, Ванино, Магадан и др. привело в ряде случаев к появлению трещин и его оломке в процессе погружения при низких температурах. Аварийное состояние ричала № 20 порта Ванино является результатом ошибок, допущенных в процессе роектирования и строительства (низкий уровень инженерно-геологических зысканий, недопогружение шпунтовой стенки до проектной отметки и выполнение юыпки мерзлым грунтом).
Несмотря на сложность учета факторов, предопределяющих техническое эстояние и поведение причальных сооружений, основной причиной разрушений и зарий являются воздействия, не учитываемые при проектировании и строительстве. порту Москальво о-ва Сахалин ячеистые оградительные сооружения из еталлического шпунта были разрушены, так как не были рассчитаны на аксимальное волновое воздействие [53].
В результате несоблюдения режима технической эксплуатации, іключающегося в несвоевременном отводе судна в период шторм, в порту Певек роизошла авария причала № 2 с частичным разрушением шпунтовой стенки и ричала № 10 порта Анадырь вследствие превышения допустимых нагрузок от кладируемых грузов, что в дальнейшем повлекло ограничение режима его «лшуатации [53].
В работах [63, 109] приводится описание разрушения ячейки большого иаметра из плоского металлического шпунта из-за накопления отклонений шжающих качество строительства сооружения. Ячейка не была раскреплена, была шолнена песком вместо скального грунта по проекту. В результате штормовых и гдовых воздействий в шпунте образовались разрывы и отверстия, через которые был ымыт песок, после чего ячейка была полностью разрушена.
При строительстве сооружений типа «больверк» из металлического шпунта гновным недостатком являются недопустимые отклонения забитой шпунтовой генки от проектного створа. Одной из причин существенных повреждений эльверков может стать перенапряжение материала шпунтового ряда в результате его мравнивания. Допустимая величина подтягивания свай (или выравнивания ряда) ожет быть установлена в результате определения величины напряжений, эзникающих в свае при ее подтягивании (с учетом величины проектных апряжений). При значительных отклонениях металлических шпунтовых свай от вертикали в носкости створа «веерность» забивки исправляют погружением специальных тиновидных шпунтин.
В литературе приводятся примеры и других, более дорогостоящих способов, справления данного недостатка при невозможности выравнивания стенки атяжением шпунтин. Так, на строительстве глиноземного завода [63, 109] шпунтовая генка была перекрыта широким шапочным брусом из железобетона, выровнявшим инию кордона. Свисающие в сторону акватории консоли шапочного бруса пирались на дополнительно забитые коробчатые сваи и шпунта «Ларсен V» (рис. .4).
