Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современных подходов к методам контроля и оценки технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем 17
1.1 Состояние и перспективы совершенствования работоспособности водопроводящих сооружений 17
1.2 Анализ технических характеристик водопроводящих сооружений оросительных систем, влияющих на срок их работоспособности 25
1.3 Обоснование необходимости выполнения диагностики технического состояния водопроводящих сооружений 47
1.4 Действующие методы технической диагностики водопроводящих сооружений оросительных систем 53
1.5 Выводы по главе 64
ГЛАВА 2 Обоснование элементов диагностики технического состояния и параметров остаточного ресурса работоспособности длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений 65
2.1 Характеристика неисправностей и нарушений работоспособности водопроводящих сооружений юга России 65
2.2 Визуальная комплексная оценка технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений 75
2.3 Исследования параметров технического состояния, характеризующих остаточный срок службы водопроводящих сооружений
2.3.1 Исследование параметров водостойкости технического состояния водопроводящих сооружений 96
2.3.2 Исследование параметров истирания бетона длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений 102
2.3.3 Исследование влияния циклов морозостойкости на техническое состояние длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений 105
2.4 Визуальная диагностика технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений 108
2.5 Выводы по главе 117
ГЛАВА 3 Применение методов неразрушающего контроля для исследования технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений 119
3.1 Объекты исследований технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений 120
3.2 Использование методов неразрушающего контроля применительно к водопроводящим сооружениям 122
3.3 Исследования длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений инструментальными методами неразрушающего контроля
3.3.1 Результаты исследований магистральных и межхозяйственных каналов приборами неразрушающего контроля 128
3.3.2 Результаты исследований внутрихозяйственных лотковых каналов оросительных систем приборами неразрушающего контроля 135
3.3.3 Результаты исследований трубопроводов и ливнеотводящих сооружений приборами неразрушающего контроля 144
3.3.4 Результаты исследований критического сброса приборами неразрушающего контроля 150
3.3.5 Результаты исследований водопроводящих дюкеров приборами неразрушающего контроля 156
3.3.6 Результаты исследований мостовых переездов на водопроводящих сооружениях приборами неразрушающего контроля 161
3.4 Выводы по главе 165
ГЛАВА 4 Моделирование напряжённо-деформированного состояния водопроводящих сооружений методом конечных элементов 166
4.1 Принятые допущения для численного метода расчёта водопроводящих сооружений 166
4.2 Математическая модель напряжённо-деформированного состояния водопроводящих сооружений 167
4.3 Численные расчёты напряжённо-деформированного состояния водопроводящих сооружений
4.3.1 Результаты численных расчётов железобетонной облицовки водопроводящих каналов 175
4.3.2 Результаты численных расчётов лотковых каналов оросительных систем 186
4.3.3 Результаты численных расчётов мостовых переездов через водопроводящие каналы 196
4.3.4 Результаты численных расчётов дюкеров водопроводящих сооружений... 206
4.4 Выводы по главе 213
ГЛАВА 5 Диагностика технического состояния и оценка остаточного ресурса работоспособностиводопроводящих сооружений оросительных систем 214
5.1 Назначение программно-технического комплекса для решения задачи диагностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем 215
5.2 Разработка конструктивных схем программно-технического комплекса диагностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем 217
5.3 Методическое обеспечение технической диагностики и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений оросительных систем 224
5.4 Программное обеспечение комплекса диагностики и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений оросительных систем 226
5.5 Информационное и техническое обеспечение диагностики водопроводящих сооружений оросительных систем 233
5.6 Проведение диагностики технического состояния и оценка остаточного ресурса работоспособности водопроводящих сооружений оросительных систем 236
5.6.1 Подготовительный этап технологии диагностики водопроводящих сооружений оросительных систем 236
5.6.2 Визуальный осмотр обследуемых водопроводящих сооружений 236
5.6.3 Обследование водопроводящих сооружений приборами неразрушающего контроля 238
5.6.4 Проведение диагностики технического состояния и определение остаточного ресурса обследуемых водопроводящих сооружений программно-техническим комплексом
5.7 Функциональная структура и этапы диагностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем 249
5.8 Выводы по главе 252
ГЛАВА 6 Способы продления эксплуатационного ресурса и эколого - экономическая эффективность программно -технического комплекса диагностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем 254
6.1 Способы продления эксплуатационного ресурса водопроводящих сооружений оросительных систем 254
6.1.1 Современные материалы защиты гидротехнических сооружений от фильтрации и разрушений 256
6.1.2 Противофильтрационное геотекстильное покрытие для продления эксплуатационного ресурса водопроводящих сооружений 260
6.1.3 Применение противофильтрационного геотекстильного покрытия для заделки стыкового соединения лотков и трубопроводов 263
6.1.4 Применение противофильтрационного ячеистого геотекстильного покрытия для продления эксплуатационного ресурса водопроводящих сооружений оросительных систем 265 6.2 Оценка эколого-экономической эффективности программно-технического комплекса диагностики технического состояния и способов продления эксплуатационного ресурса водопроводящих сооружений оросительных систем 268
6.3 Выводы по главе 279
Основные выводы 281
Предложения производству 285
Список литературы
- Анализ технических характеристик водопроводящих сооружений оросительных систем, влияющих на срок их работоспособности
- Визуальная комплексная оценка технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений
- Результаты исследований магистральных и межхозяйственных каналов приборами неразрушающего контроля
- Численные расчёты напряжённо-деформированного состояния водопроводящих сооружений
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В соответствии с ФЦП «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014 - 2020 годы» подъем производства продукции на мелиорируемых землях требует повышенного внимания к техническому состоянию и уровню безопасности существующих, проектируемых и вновь строящихся гидротехнических сооружений мелиоративных систем. Для мелиорации земель в России эксплуатируются более 50 тыс. км водопроводящих сооружений, построенных в 50 – 70-е годы прошлого века. Результаты инвентаризации мелиоративных объектов, проведенной Департаментом мелиорации Минсельхоза России в 2014 г., установили неудовлетворительный уровень технического состояния мелиоративного водохозяйственного комплекса. Порядка трети водопроводящих сооружений требуют восстановления или замены, так как срок их эксплуатации превышает проектный и составляет более 30 лет. Как показывают материалы статистической обработки показателей надежности водопроводящих сооружений, выполненной автором, дальнейшее функционирование сооружения без проведения соответствующих мероприятий технической эксплуатации обусловливает резкое увеличение отказов, связанных с процессами старения конструктивных элементов.
Важной задачей современного периода мелиоративной деятельности становится совершенствование сложившейся системы обеспечения надежности мелиоративных систем в соответствии с достижениями научно – технического прогресса, в сфере создания и использования эффективного комплекса планово – предупредительных мероприятий эксплуатации, отвечающего современным требованиям инновационного развития мелиоративного фонда.
Вместе с тем современные социально-экономические условия в стране не гарантируют в настоящее время и в ближайшем будущем возможность единовременной и, практически повсеместной, замены водопроводящих сооружений из-за истечения нормативного срока эксплуатации. Однако для части водопроводящих сооружений мелиоративных систем возможно продолжение функционирования при должном обосновании их надежности и экологической безопасности. В связи с этим обследование водопроводящих сооружений мелиоративной системы, обеспечивающее достоверную многофакторную оценку фактического технического состояния сооружений и определение остаточного ресурса работоспособности их элементов, становится перманентной задачей службы эксплуатации.
Регулярное проведение плановых профилактических ремонто – восстановительных мероприятий, базирующихся на данных мониторинга технического состояния объектов мелиорации, гарантирует сохранение их надежности. Превентивной процедурой повышения устойчивости водопроводящих сооружений ме-
лиоративного водохозяйственного комплекса должно стать своевременное определение периода возможного функционирования объектов и выявление потенциально опасных, что обусловливает актуальность исследований по созданию системы диагностики и комплекса технических средств оценки остаточного ресурса работоспособности, а также разработки конструктивных решений, продлевающих срок службы обследуемых объектов.
Степень разработанности темы. Исследованием проблем технического состояния, оценки надежности и продлением жизненного срока мелиоративных сооружений занимались Абдразаков Ф. К., Алтунин В. С., Аскоченский А. Н., Баженов Ю. М., Волосухин В. А., Гумбаров А. Д., Дегтярев Г. В., Долгушев И. А., Каганов Г. М., Колганов А. В., Козлов Д. В., Коваленко П. И., Косиченко Ю. М., Маслов Б. С., Манукьян Д. А., Мирцхулава Ц. Е., Ольгаренко В. И., Ольгарен-ко И. В., Пославский В. В., Рагольский В. Н., Рекс Л. М., Розанов Н. П., Румянцев И. А., Сенкевич Т. П., Сергеев Б. И., Суладзе И. Д., Тевелев Ю. А., Шабанов В. В., Шумаков Б. А., Шумаков Б. Б., Щедрин В. Н. и др.
Однако, большинство работ относится к периоду 60-х годов прошлого столетия, когда выполнялась оценка технического состояния строящихся и вновь построенных сооружений, имеющих малый срок службы. Цель совершенствования теории оценки заключалась в получении новых знаний, в проверке проектных решений и формировании нормативно-методической базы в связи с применением новых материалов, прогрессивных технологий, технических средств в строительстве водохозяйственного мелиоративного комплекса и с организацией эксплуатационного мониторинга.
Основным документом, регламентирующим оценку работоспособности и надежности мелиоративных сооружений, являются «Правила эксплуатации мелиоративных систем и отдельно расположенных гидротехнических сооружений», которые действуют с 1998 г. В документе характеризуется комплекс технических, организационных и хозяйственных мероприятий, обеспечивающих исправное состояние мелиоративной сети, сооружений и оборудования; периодический их осмотр, проведение планово-предупредительных ремонтов и другие мероприятия актуальные для сохранения должного уровня технического состояния гидротехнических сооружений. На практике приоритетная направленность разрабатываемых и использующихся методов контроля технического состояния мелиоративных объектов обеспечивала учет и оценку показателей водонапорных сооружений.
Техническое состояние водопроводящих сооружений мелиоративных систем в силу сложившихся условий развития экономики страны оставалось без должного внимания, начиная с 90-х годов ХХ века, что негативно отразилось на их работоспособности в настоящее время.
Реализуемые на сегодняшний день подходы к оценке технического состояния водопроводящих мелиоративных сооружений базируются на визуальном контроле и методах разрушающего ударного воздействия, точность которых недостаточна для достоверного определения фактической надежности и возможности продолжения эксплуатации обследуемых объектов. В связи с этим возникла потребность в исследованиях, разработке и внедрении теоретически обоснованной технической диагностики водопроводящих сооружений мелиоративных систем, использующей методы оценки допустимого срока их дальнейшего функционирования с учетом остаточного ресурса работоспособности.
Цель и задачи исследований. Цель исследований заключается в повышении качества и надежности эксплуатации водопроводящих сооружений мелиоративного водохозяйственного комплекса, базирующихся на системе диагностики c не-разрушающими приборными методами контроля и показателях остаточного ресурса работоспособности наблюдаемых объектов.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
выполнить анализ применяемых методов диагностики технического состояния водопроводящих объектов и установить перспективные направления в развитии технологий оценки работоспособности сооружений оросительных систем;
определить закономерности изменения надежности в течение жизненного периода водопроводящих сооружений в лабораторных экспериментах и выполнить их проверку в опытно-производственных условиях;
установить эффективность методов неразрушающего контроля для оценки технического состояния водопроводящих сооружений и обосновать рациональное применение приборов неразрушающего контроля при обследовании оросительных систем;
разработать методику количественной оценки остаточного ресурса работоспособности наблюдаемого объекта по данным неразрушающих способов контроля технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем;
выполнить методом конечных элементов моделирование надежности водо-проводящих сооружений оросительных систем для различных сочетаний разрушающих воздействий и установить степень опасности и границы характерных зон разрушения объектов;
обосновать систему принципов, способов организации и проведения диагностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем, базирующейся на показателях их остаточного ресурса работоспособности;
разработать и проверить в опытно-производственных условиях технические средства, модели и программное обеспечение для количественной оценки технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем, реализованного способами неразрушающего контроля;
разработать методы автоматизированной диагностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительной системы и провести их опытно – производственных проверку;
выполнить теоретическое обоснование, разработать и проверить в опытно-производственных условиях способ и устройство создания противофильтрацион-ных геотекстильных покрытий для продления жизненного периода длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений оросительной системы.
Объектом исследований являлись водопроводящие сооружения оросительных систем.
Предмет исследований – технологии контроля и оценки технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем, методы повышения качества и надежности эксплуатации водопроводящих сооружений мелиоративных систем.
Методология и методы исследований. Методология исследований базируется на системном подходе, теоретических положениях механики твердого тела, гидравлики, мелиорации, а также теории надежности. Методы исследований включали натурные и лабораторные эксперименты, математическое моделирование, статистическую обработку данных, полученных в лабораторных и полевых условиях, выполненную с использованием современных широко апробированных пакетов прикладных программ. В работе учитываются систематические подходы, практические результаты и опыт отечественной и зарубежной научных школ, занимающихся изучением надежности и критериев безопасности ГТС, методов и способов повышения эффективности эксплуатации мелиоративных систем.
Научная гипотеза: инновационная диагностика работоспособности водо-проводящих сооружений и методика количественной оценки остаточного ресурса работоспособности обеспечат повышение безопасности эксплуатации оросительных систем и оценку возможности функционирования объекта сверх назначенного срока эксплуатации.
Научная новизна проведенных исследований. На основании теоретических исследований и изучения в лабораторных и опытных условиях закономерностей изменения в течение жизненного периода надежности гидротехнических сооружений:
- впервые предложен метод приборного контроля технического состояния
водопроводящих сооружений оросительных систем, базирующийся на оценке ос
таточного ресурса работоспособности обследуемых объектов, знание которого
повышает эффективность назначаемых мероприятий их дальнейшей эксплуатации;
разработана методика оценки остаточного ресурса работоспособности во-допроводящих сооружений оросительных систем, численное значение которого устанавливается в зависимости от дефицита безопасности конструктивных элементов, и определяет возможность продолжения эксплуатации объекта сверх назначенного срока эксплуатации;
определены количественные зависимости для обоснования размеров и степени опасности характерных зон разрушения водопроводящих сооружений;
выявлены и классифицированы по типам и видам дефекты и повреждения водопроводящих сооружений оросительных систем, разработаны математические модели для оценки влияния установленных дефектов и повреждений в характерных зонах разрушения на техническое состояние обследуемых объектов;
обоснованы методы диагностики и созданы новые технические средства, обеспечивающие количественную оценку работоспособности водопроводящих сооружений в целях повышения качества и безопасности эксплуатации оросительных систем;
разработаны и запатентованы способ и устройство создания противофильт-рационного покрытия оросительных каналов, противофильтрационное геотекстильное покрытие низконапорной земляной плотины, устройство для заделки стыкового соединения лотковых каналов, продлевающие срок эксплуатации во-допроводящих сооружений оросительных систем;
подготовлены методики реализации технологии контроля и учета технического состояния и продления срока эксплуатации длительно эксплуатируемых во-допроводящих сооружений с помощью противофильтрационных геотекстильных покрытий.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методология диагностики водопроводящих сооружений оросительных систем, включающая обоснование: сферы применения, принципов формирования и этапов проведения диагностики; методов выявления и оценки дефектов и нарушений элементов сооружения; способов сбора информации; положений методики оценки надежности и остаточного ресурса работоспособности объектов наблюдения.
-
Программно-технический комплекс для выполнения контроля и оценки технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем и определения остаточного ресурса работоспособности обследуемых водопроводящих сооружений.
-
Количественные зависимости обоснования размеров и степени опасности зон разрушения, возникающих при длительной эксплуатации водопроводящих сооружений от различных видов разрушающих воздействий.
-
Классификация зон разрушения водопроводящих сооружений по степени опасности; видам, интенсивности и частоте проявления характерных повреждений, позволяющая систематизировать трассирование профилей георадарного зондирования и определения участков оценки технического состояния сооружения при проведении натурных обследований объекта приборными методами неразру-шающего контроля.
-
Способ и устройство создания противофильтрационного покрытия оросительных каналов, противофильтрационное геотекстильное покрытие низконапорной земляной плотины, устройство для заделки стыкового соединения лотковых каналов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные принципы и методология учета и контроля технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем способствуют созданию системы диагностики и комплекса технических средств оценки их работоспособности, а также конструктивных решений, продлевающих срок эксплуатации обследуемых объектов. Методы диагностики и технические средства повышают производительность труда в процессе контроля надежности водопроводящих сооружений, обеспечивают информационную поддержку и, как следствие, качество принимаемых управленческих решений по дальнейшей эксплуатации оросительных систем и эффективность хозяйственной деятельности службы эксплуатации. Использование в практике эксплуатации оросительных систем созданного противофильтрационного геотекстильного покрытия водопроводящих каналов продлевает срок их эксплуатации за счет повышения ресурса работоспособности. Практическая значимость исследований заключается в разработке методических документов по реализации технологии контроля технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем; определения остаточного ресурса работоспособности и продления жизненного срока обследуемых объектов. Методики согласованы и одобрены научно-техническими советами ФГБУ «Управление Кубаньмелиоводхоз», «Управление Ростовмелиоводхоз» и «Управление Ставропольмелиоводхоз», рекомендованы для применения в подведомственных организациях.
Степень достоверности. Достоверность полученных результатов, основных выводов и предложений практике определяется соответствием требованиям основополагающих принципов организации и реализации учета и контроля мелиоративных объектов, большим объемом экспериментальных и теоретических исследований, использованием апробированных методов и способов планирования экспериментов и обработки полученных данных, высоким уровнем сходимости
результатов моделирования и лабораторных опытов с результатами опытно – производственной проверки. Использованные при проведении исследований приборы неразрушающего контроля скрытых дефектов имеют сертификаты соответствия в системе ГОСТ Р, что также повышает степень достоверности защищаемых результатов.
Личный вклад автора заключается в анализе и обобщении материалов по теме исследований; в выявлении проблемы, формулировании целей и постановке задач; в разработке программы и выборе методов проведения научно-исследовательских работ; в планировании и осуществлении теоретических и экспериментальных исследований; в обработке полученных результатов и их проверке в производственных условиях; в подготовке выводов и предложений производству; во внедрении апробированных результатов исследований в практику службы эксплуатации. Автором освоены и успешно использованы для изучения закономерностей формирования и отличительных особенностей зон разрушения водопроводящих сооружений численные методы и моделирование на ЭВМ. Выполнены исследования технического состояния длительно эксплуатируемых во-допроводящих сооружений в полевых опытах и производственных условиях методом приборного неразрушающего контроля, показавшие высокую сходимость результатов с многочисленными данными математического моделирования.
Разработан не имеющий аналогов оригинальный программно-технический комплекс, обеспечивающий диагностику и оценку технического состояния водо-проводящих сооружений акустическим и георадиолокационным способами не-разрушающего приборного контроля, а также позволяющий установить остаточный ресурс работоспособности указанных сооружений на основании системного анализа параметров, определяющих надежность сооружений.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на следующих научно-практических конференциях и семинарах: ежегодные научно-практические конференции (Новочеркасск: НГМА – НИМИ им. А. К. Кортунова, 2000 – 2016 г.г.); ежегодные международные научно-практические конференции (Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ) – ЮРГПУ(НПИ) им. М. И. Платова, 2001 – 2016 г.г.); научно-практическая конференция по итогам 2002г. (Краснодар: КубГАУ им. И. Т. Трубилина, 2003 г.); межрегиональная дистанционная научно-практическая конференция (пос. Персиановский: Донской ГАУ, 2003 – 2005 г.); VII Международная научно-практическая конференция «Проблематика природопользования в мелиоративном земледелии» (Коломна, 2007 г.); Международная научно-практическая конференция «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов» (Москва, 2008 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Водные ресурсы и водопользование в бассейнах рек Западного Каспия» (Элиста, 2008 г.); II Международная на-
учно-практическая конференция «Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия» (Краснодар: КубГАУ им. И. Т. Трубилина, 2009 г.); научно-практическая конференция «Предотвращение аварий зданий и сооружений - 2010» (Челябинск, 2010 г.); Международная научно-практическая конференция «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (Москва, 2011 г.); VIII Международная научно-практическая конференция «Образование и наука на XXI век» (София, 2012 г.); VIII Международная научно– практическая конференция «Дни воды - 2012» (Прага, 2012 г.); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы гидротехники» (Москва, МГУП им. А. Н. Костякова, 2013 г.); Международная научно-практическая конференция, посвященная 95-летию ГГНТУ им. А. Н. Миллионщикова (Грозный: ГГНТУ, 2015 г.); Международная научно-практическая конференция «Стратегическое развитие АПК и сельских территорий РФ в современных международных условиях» (Волгоград, 2015 г.); Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и разработки в эпоху глобализации» (Киров, 2016г.); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом» (Самара, 2016 г.); Международная научно-практической конференция «Проблемы, перспективы и направления инновационного развития науки» (Курган, 2016 г.); XII Международная научно-практическая конференция «Наука и цивилизация» (Шеффилд, 2016 г.); IX Международная научно-практическая конференция «Техновод - 2016» (Ростов-на-Дону, 2016 г.); Международная научно-практическая конференция, посвящена 200-летию Н. И. Железнова (Москва: РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева, 2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 монографий; 23 работы - в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России для публикаций результатов диссертационных работ; 46 работ - в материалах международных, всероссийских, региональных научно-практических конференций семинаров, получено 8 патентов на изобретения. Общий объем публикаций составляет 184,88 усл. п. л., из них лично автору принадлежит 86,62 усл. п. л.
Структура и объем работы. Работа изложена на 349 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, выводов и предложений производству, списка использованной литературы из 351 наименования, в том числе, 26 - зарубежных авторов, содержит 30 таблиц, 201 рисунок и 2 приложения.
Анализ технических характеристик водопроводящих сооружений оросительных систем, влияющих на срок их работоспособности
Как отмечалось выше, к основным водопроводящим сооружениям оросительных систем относятся каналы, лотки, гидротехнические туннели, дюкеры, акведуки, ливнеотводящие сооружения и прочие сооружения.
Основную нагрузку в функционировании оросительной сети выполняют водопроводящие каналы. Водопроводящими каналами называют открытые искусственные русла, обеспечивающие подачу воды для орошения и обводнения земель, водоснабжения, гидроэлектростанций и лесосплава, удаление воды при осушении территории и сброс паводковых вод из водохранилищ (рисунок 1.2). По хозяйственному назначению водопроводящие каналы подразделяют на оросительные (магистральные, межхозяйственные и внутрихозяйственные), осушительные (коллекторы и водоприёмники), водопроводные (для водоснабжения), обводнительные, судоходные, энергетические, рыбоводные и лесосплавные. Большинство каналов используют комплексно, например, для орошения, водоснабжения, обводнения и судоходства; на сосредоточенных перепадах по трассе канала иногда экономически целесообразно устраивать гидроэлектростанции. Так, канал имени Москвы является судоходно-обводнительно-водоснабженческим; канал Фархадской ГЭС является в одно и тоже время оросительным; на Невинномысском и Большом Ставропольском каналах, служащих в основном для орошения и обводнения, перепадные участки использованы для устройства гидроэлектростанций. Рисунок 1.2 – Большой Ставропольский магистральный канал
Назначение канала отражается на его пропускной способности, размерах, уклоне, поперечном сечении, скоростях течения и глубине наполнения [149]. Обычно каналы имеют большую пропускную способность (за исключением внутрисистемных оросительных и осушительных каналов). Например, головной расход Большого Ставропольского - 180 м3/с, Каракумского - 820 м3/с, Днепр – Донбасс - 120 м3/с, Волга - Уводь - 88 м3/с.
Протяжённость каналов колеблется от нескольких десятков метров до сотен километров [214]. Волго-Донской канал имеет длину 101 км, канал имени Москвы - 128 км, Северский Донец – Донбасс - 125 км, Терско-Кумский -150 км. Проектирование строительства водопроводящего канала определяется целями его назначения, а также топографическими, инженерно-геологическими и ландшафтными особенностями. Проект канала должен обходить участки подверженные риску образования оползней в результате фильтрации из канала и подня 27 тия уровня грунтовых вод, также потому, что укрепление таких склонов связано с большими затратами средств и инженерными трудностями [292].
Канал на устойчивом склоне может быть выполнен полностью в выемке либо иметь одну сторону в виде земляной дамбы или бетонной стенки; последняя целесообразна по экономическим соображениям. При трассировании канала по скальному склону нужно предусматривать оградительные защитные стенки над каналом со стороны вышерасположенного склона для защиты его от камней, осыпей и продуктов выветривания.
Если по инженерно-геологическим условиям устройство открытого канала на склоне невозможно, то предусматривают проходку туннеля; при экономическом сопоставлении открытого канала с туннелем в отдельных случаях предпочтение может быть отдано последнему [296]. Водопроводящие каналы трассируют с достаточно большими допустимыми уклонами. Вдоль каналов питьевого водоснабжения обязательно предусматривают охранную санитарную зону.
Форма канала определяется его назначением, способом сооружения, общих ландшафтных, инженерно-географических и прочих условий на пути строительства, а также необходимой пропускной способностью, режимом работы и строительными материалами. Необходимая расчётная скорость течения воды определяет пропускную способность канала. Минимальную скорость в канале назначают из условий его не заиления и не зарастания и из условий обеспечения зимней эксплуатации. Наибольшую скорость назначают из условий эксплуатации, но не более допустимых не размывающих скоростей для необлицованных водо-проводящих каналов. Большие скорости на магистральных каналах могут приводить к потере возможностей управления частью орошаемых площадей [78].
При различных геологических и топографических условиях по трассе канала на его отдельных участках могут быть выбраны различные поперечные сечения.
В нескальных грунтах наиболее выгодно проходить канал в полувыемке -полунасыпи с трапецеидальным или полигональным сечением. Иногда из условий производства работ сечение приближают к параболическому профилю естествен 28 ного русла (рисунок 1.2). В этом случае для уменьшения высоты дамб целесообразно проектировать более широкий и менее глубокий канал, что однако ухудшает условия его работы в зимнее время. Согласно данным [183, 184], в зимнее время ледяной покров уменьшает пропускную способность канала при том же наполнении на 7 - 12 %.
На участках канала, проходящих полностью в выемке через каждые 5 - 8 м по высоте предусматривают непроезжие бермы шириной не менее 1 м. Обычно из условий производства работ ширину берм назначают до 3 м. Вдоль берм устраивают кюветы для сбора ливневых вод.
Каналы иногда проектируют и полностью в насыпи, что обычно является невыгодным решением, поскольку в этом случае необходимо предусматривать ливнеотводящие сооружения для пропуска паводковых вод с водосбора, примыкающего к дамбам канала.
Верх бермы или дамбы размещают на высоте 0,2 - 2 м над максимальным уровнем воды в канале в зависимости от пропускной способности, колебаний уровней, волнообразования и других эксплуатационных особенностей канала. Ширину дамб поверху назначают до 4 м. С одной из сторон канала размещают инспекторскую дорогу шириной не менее 7 м. Кавальеры грунта размещают из расчёта, чтобы их вес не оказывал влияния на устойчивость откосов канала. При глубине канала более 5 м проверяют устойчивость его откосов. Место для резерва вдоль канала назначают из условия устойчивости внешних откосов дамб с учётом принятого способа работ [190]. При глубине резерва более 1 м расстояние от подошвы внешнего откоса дамбы до бровки резерва. При расположении канала на косогорном участке для уменьшения объёма земляных работ предпочтение отдают трапецеидальному сечению с выполнением дамбы в полувыемке - полунасыпи, причём сопряжение дамбы с основанием рекомендуется осуществлять ступенями. При крутых склонах иногда более выгодно одну из сторон канала выполнять в виде бетонной стенки [300].
Визуальная комплексная оценка технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений
Напорные трубопроводы в основном выполнены из металла и железобетона, ограниченное применение имеют деревянные или ещё реже композитные (из нескольких видов материалов). Напорные трубопроводы из железобетона используют при напорах от 30 до 50 м, а для напора до 100 м используются уже предварительно-напряжённый железобетон. Металл очень хорошо для применения в таких сооружениях, параметры от 30 до 100 м, но экономически из-за высокой стоимости не всегда выгодно его использовать [126]. Железобетонный дюкер эффективно строить из индустриальных элементов, произведённых на заводах железобетонных изделии. Композитные материалы и дерево сейчас применяют мало, дерево отличается своей недолговечностью, а композит стоимостью.
Согласно требованиям будущей эксплуатации напорные трубопроводы обычно укладывают в грунт или располагают на поверхности (рисунок 1.6), что обусловлено технической необходимостью выполнения строительства и последующей эксплуатации. В основном это многоочковые трубопроводы, редко – од-ноочковые.
Ташлинский дюкер Право - Егорлыкского магистрального канала, переход металлической части в железобетонную часть К конструкции напорного трубопровода и правилам его эксплуатации предъявляются следующие требования: а) возможность визуального технического обследования, а также ремонт ная способность в ходе использования; б) герметичность швов элементов сооружения; в) своевременное выявление предполагаемых дефектов приводящих к раз герметизации швов, а также смещение элементов сооружения; г) применение многоочковых трубопроводов, для возможности вывода од ной нитки сооружения из эксплуатации для последующего ремонта, без наруше ния процесса водоподачи; д) понижение уровня грунтовых вод. Напорные трубопроводы малого диаметра используют в основном при пропуске небольших расходов воды, они имеют входной и выходной вертикальные колодцы, соединённые горизонтально. Для пропуска больших объёмов воды применяют трубопроводы более сложной конструктивной особенностью: их отличия это входной и выходной оголовок, с двумя наклонными и одним горизонтальным отрезкам трубопровода, изменяемой длины.
При проектировании выходного участка необходимо обеспечивать затопление гидравлического прыжка при всех возможных расходах и режимах в дюкере, применяя при необходимости соответствующие гасители [241]. Если дюкеры работают в зимних условиях, необходимо проводить термический расчёт на обледенение и проверку пропускной способности сооружения.
Гидравлический расчёт дюкера проводят как для напорной трубы с учётом всех потерь напора (на входе, на поворотах, на выходе, по длине). Проверяют возможность возникновения гидравлического прыжка на начальном участке трубы [249]. Статический расчёт дюкера проводят как для труб из соответствующих материалов (деревянных, железобетонных, металлических).
Ливнеотводящие сооружения (рисунок 1.7) предназначены для пропуска различных небольших водотоков (ручьёв, ливневых вод, талых вод и др.) под ка 41 налом, железнодорожным или автодорожным полотнами, построенными в насыпи. Для пропуска селевых потоков такие трубы не применяют.
Оголовки сооружения могут заменять берега канала или поддерживать их. Если оголовки сооружения заменяют берега канала, то такое сооружение называется трубой-ливнеспуском с полными берегами канала; если же оголовки сооружения поддерживают берега канала, то сооружение называют – трубой-ливнеспуском с подпорными стенками берегов канала.
По материалу ливнеотводящие сооружения могут быть железобетонными, бетонными, каменными, кирпичными и металлическими. Наиболее широкое применение получили трубы железобетонные. В поперечном сечении трубы могут иметь круглую, овоидальную или прямоугольную формы. Трубы круглого сечения обычно выполняют железобетонными из звеньев относительно небольших размеров — диаметром от 0,5 до 2 м, массой до 3 т и длиной до 1 м. Трубы овоидального сечения также выполняют из железобетона шириной в зависимости от пропускаемого расхода от 1 до 6 м и высотой до полутора ширины.
Все более широкое распространение получают железобетонные трубы прямоугольного сечения. Обычно их звенья представляют собой цельную конструкцию относительно небольших поперечных размеров (1,5—2 м) и длиной до 1,5 м или конструкцию в виде двух опрокинутых Г-образных жёстко соединённых по-лурам, прикрытых сверху съёмной крышкой-плитой. По числу ниток трубы могут быть одноочковые и многоочковые, чаще применяют двух- или трёхочковые трубы. По характеру гидравлического режима трубы подразделяют на безнапорные, полунапорные и напорные. Безнапорный режим наиболее желателен, так как при нём не создаётся значительного давления на насыпь, через которую проходит труба. Однако при пропуске паводковых расходов редкой повторяемости допускается временное затопление верхней кромки входного оголовка трубы; при этом в трубе может быть напорный или полунапорный режим потока.
Для обеспечения плавного впуска и выпуска потока концевые участки трубы оснащают оголовками. Дно русла перед и особенно за трубой закрепляют в целях предотвращения размыва русла и подмыва трубы; при выходе потока из трубы с большими скоростями предусматривают устройство гасителей [67].
Гидравлический расчёт ливнеотводящего сооружения слагается из расчёта пропускной способности собственно трубы и расчёта сопряжения потока при выходе из трубы с устройством соответствующих элементов (гасителей, пирсов, растекателей, водобойного колодца и пр.) [316]. Если максимальные расходы в трубе непродолжительны и перед ней возникает нечто вроде «водохранилища», размеры поперечного сечения трубы можно назначать с учётом регулирующей ёмкости последнего. В этом случае расчёт носит поверочный характер, так как сечением трубы обычно задаются заранее.
Статический расчёт труб, работающих в безнапорном или полунапорном режиме, проводят на действие внешней нагрузки от засыпки грунта с учётом собственного веса трубы или оголовка [299]. Одновременно необходимо учитывать нагрузку от воды в трубе и, в соответствующих случаях, сейсмические силы, дав 43 ление от грунтовых вод, подвижную нагрузку сверху и т.д. Для труб, работающих в напорном режиме, учитывают и давление воды в трубе. Расчётную схему и метод расчёта принимают в зависимости от конструкции трубы.
Результаты исследований магистральных и межхозяйственных каналов приборами неразрушающего контроля
Натурные исследования являются непременным и основным этапом в диагностировании технического состояния водопроводящих сооружений, которое опирается на специальные данные, полученные на основании полевых экспериментов.
Основной задачей визуального обследования является определение общего состояния водопроводящего сооружения, состава намечаемых работ и сбора исходных данных, необходимых для составления технического задания на детальное инструментальное исследование.
Визуальные дефекты, а именно различные нарушения стыковых соединений, продольные и поперечные трещины, образование пустот в грунтовом основании ведут к образованию эксплуатационной непригодности водопроводящих сооружений. Как следствие этих неисправностей возникают, потери оросительной воды, повышение грунтовых вод, заболачивание окружающей местности и засоление орошаемых угодий. Способ разрешения этих трудностей основан на принятии во внимание требований надёжности на стадии проекта, строительства и последующей длительной эксплуатации водопроводящих сооружений [83].
Визуальная комплексная оценка состояния длительно эксплуатируемых сооружений в составе настоящих НИР выполнялась для изучения влияния основных факторов внешней и внутренней среды на их работоспособность, знание которого необходимо для совершенствования методологии создания и технологии проведения технической диагностики водопроводящих сооружений оросительных систем.
Оценка технического состояния длительно эксплуатируемых водопрово-дящих сооружений осуществлялась для оросительной систем юга РФ. В марте 1957 г. начато строительство крупнейшей в РФ Кубань - Калаусской обводни-тельно-оросительной системы (рисунок 2.15), Большого Ставропольского канала (БСК). Строительство его не завершено до настоящего времени. В настоящее время сданы в эксплуатацию четыре очереди БСК – БСК I (L= 155,4 км, Q=180 м3/с), БСК II (L=64,38 км, Q=60 м3/с), БСК III (L=42,5 км, Q= 55 м3/с), БСК IV (L=26 км, Q=50 м3/с). Строительство пятой очереди БСК V заканчивается на 321,5 км считая от головного сооружения Усть - Джегутинского гидроузла (Проектная длина магистрального канала 480 км, то есть построено на текущий момент менее 2/3 длины БСК [81].
По проекту Кубань - Калаусская обводнительно-оросительная система предназначена для обводнения 2,6 млн га - 39,4 % территории Ставропольского края и орошения 210 тыс. га земель (рисунок 2.15). Рисунок 2.15 - Кубань - Калаусская оросительно-обводнительная система
За период эксплуатации БСК-II наиболее высокий износ (97,3 %) достиг участок от 0 до 11,5 км (износ 81 %), участок от 13,6 до 15,8 км (износ 78 %), участок от выходного портала гидротехнического туннеля №2 до входного портала туннеля №3 (износ 77 %). ГТС II очереди БСК относятся к III классу, нормативных срок эксплуатации которых составляет 50 лет. Проблемы безопасности ГТС II очереди БСК и продления их жизненного цикла имеют важное народнохозяйственное значение.
Оценка технического состояния водопроводящих сооружений имеет основной целью обеспечение их безопасной эксплуатации на основании соответствия их фактической прочности, жёсткости, устойчивости нормативным требованиям. В связи с чем, в течение всего срока эксплуатации водопроводящего сооружения требуется регулярное техническое диагностирование изменения механических и физических характеристик материалов сооружений, параметров действующих нагрузок, появление и развитие дефектов и повреждений. Все водопроводящие сооружения должны быть подвергнуты специальным осмотрам с привлечением специализированных организаций или специальных комиссий, организуемых при мелиоративных управлениях.
Целью специальных осмотров (обследований) водопроводящего сооружения является: определение технического состояния сооружения с выявлением дефектов и повреждений, снижающих долговечность; проверка качества содержания водопроводящего сооружения; проверка наличия и качества ведения технической документации; разработка предложений по устранению дефектов и повреждений; назначение режима эксплуатации водопроводящего сооружения.
Комплексным техническим и инженерно-геологическим визуальным обследованием водопроводящих сооружений наиболее полно выявлены степень воздействия агрессивной среды на бетон в условиях длительного (более 30 лет) контакта и направленность изменения гидрохимического режима вод за облицовкой. Результаты натурного исследования описаны ниже на примере Невинномыс-ского гидротехнического туннеля, Кубань – Егорлыкской оросительно-обводнительной системы.
Установлено, что грунтовые воды на основном протяжении поступают в него в виде выпотов и капежа, как правило, по монтажным стыкам железобетонных колец обделки, и лишь на отдельных участках (в местах заложения разведочных скважин, строительных шахт) - в виде слабых струй с дебитом от 0,01 до 0,12 м3/час [15]. Если на участках дренирования грунтовых вод туннельной выработкой они поступают в него чаще в виде капежа и, как правило, в верхней половине сечения или в своде, то на отрезках возвратного водопритока преобладает выса-чивание и, в основном, не выше 1 м над лотком туннеля. Под воздействием агрессивной грунтово-водной среды наблюдается коррозия бетона в своде и стенках туннеля, чаще в виде пятен диаметром 5—25 см, полос длиной 5—40 см и мелких сталактитов (2—5 см). В лотке и стенках туннеля, на высоту 50—90 см, торкретбетон отслоился и/или разрушился. И хотя в целом состояние обделки удовлетворительное, тем не менее, длительное агрессивное воздействие сильно минерализованных вод заметно сказывается, что, в свою очередь, вызывает необходимость периодического проведения профилактических ремонтов, которые должны предусматривать [21]: — чеканку монтажных стыков на участках выщелачивания бетона; — восстановление отслоившегося торкрет-бетона в стенках; — заделку мест локальных разрушений (трещины, выбоины, раковины, коррозия, сколы и др.).
В результате визуального обследования [16] выявлено, что техническое состояние 2-ой нитки гидротехнического туннеля и его отдельных конструктивных элементов – удовлетворительное. Входной канал 2-ой нитки туннеля за период продолжительной эксплуатации сильно заилен, наносы донного ила достигают 3 м, что значительно снижает пропускную способность сооружения, а также ведёт к разрушению откосов канала. Требуется проведение работ по очистке канала от донных наносов ила (рисунки 2.16, 2.17).
Численные расчёты напряжённо-деформированного состояния водопроводящих сооружений
Термин «неразрушающий контроль», по-видимому, происходит от принятого в зарубежной литературе определения «non-destructive testing», периодически встречающегося в отечественной технической литературе [47, 132, 133, 135, 331]. Наибольшее распространение методы неразрушающего контроля получили в области дефектоскопии металлов и изделий из твёрдых пластмасс, а также применительно к изделиям и сооружениям из искусственного камня или, другими словами, бетонов.
Эксплуатационная работоспособность и техническое состояние сооружений оросительных систем определяется в основном при отсутствии воды и это не позволяет получить реальные уровни безопасности водопроводящих сооружений. Во многих случаях оценки и выводы о техническом состоянии объекта делаются на основе таких неполноценных визуальных осмотров, а инструментальная оценка занимает незначительное место (замеры линейкой неисправностей и т. д.).
Объектами неразрушающего контроля в бетонах, выступают прочность, величина защитного слоя, выщелачивание, морозоустойчивость, водонепроницаемость, истирание и фильтрация. При строительстве водопроводящих сооружений выполняется инструментальный контроль, учитывающий требуемое согласно нормативным документам натяжение арматуры, и уплотнение бетонной смеси, в то время, как главным контролируемым критерием при изготовлении бетонов являются проектные прочностные характеристики [110].
На продолжительность работоспособности железобетонных элементов во-допроводящих сооружений существенное влияние оказывает толщина защитного слоя бетона над арматурой и наличие на нём раковин, пор, трещин и др. неисправностей. Защитный слой бетона ограничивает доступ влаги, кислорода, агрессивных веществ и газов к арматурным стержням. Элементы с недостаточной толщиной защитного слоя или повреждениями (трещины, разуплотнения и т.д.) подвержены коррозии в первую очередь.
Нарушения конструктивных элементов сооружений выявлялись геофизическим оборудованием для решения инженерно-геологических, гидрогеологических и поисковых задач: георадар ОКО-2 с антенным блоком АБ-400 (рисунок 3.1), электронный измеритель прочности ИПС-МГ4.01 (рисунок 3.2) и ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер А1209. (рисунок 3.3) [293, 294].
Обследование водопроводящих сооружений включало: - определение фактической прочности бетона [102]; - поиск дефектов и повреждений в бетонных сооружениях; - определение глубины трещин при поверхностном георадиолокационном зондировании; - определение модуля упругости и плотности бетона. Методика обследования в части выбора зон контроля и оценки работоспо собности элементов разрабатывалась с учётом результатов моделирования напря жённо-деформированного состояния водопроводящих сооружений с различными группами неисправностей. После выбора зоны обследования для сооружения по критерию максимальной подверженности и интенсивности проявления дефектов элементы обследовались ПНК [77], класса приборов для толщинометрии и дефек тоскопии покрытий и материалов, определения твёрдости и прочности материа лов, а также установления ряда других характеристик [88, 148, 248]. Задачей исследований водопроводящих сооружений ПНК было нахождение выявление предполагаемых и возможных дефектов бетона, и оценка состояния арматуры, а также состояния грунтового основания под сооружением [307].
Измерения вышеназванных параметров производятся различными методами: ультразвуковым, рентгенографическим, вихретоковым, ударно-импульсным, упругого отскока, пластической деформации, магнитным, магнитопорошковым, термографическим, оптическим, импедансным и другими менее распространёнными методами [100, 102, 110].
В современной геофизике позиционируют подповерхностную георадиолокацию, базирующуюся на волновом методе неразрушающего контроля, использующем электромагнитные волны [9, 259]. Отличительная особенность аппаратуры подповерхностного радиолокационного зондирования [324] заключается в излучении сверхширокополосных импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приёме сигналов, отражённых от зон раздела слоёв проверяемой среды. В исследуемой среде выделяются зоны: граница сухого и влагонасыщенного грунта - уровень грунтовых вод, граница различных литологических пород, граница между естественной породой и сооружениями искусственного характера, а также граница грунтов мёрзлого и талого свойства и т.д.