Содержание к диссертации
Введение
1. Системы закрытого горизонтального дренажа и факторы, влиящие на их работоспособность 8
1.1. Системы закрытого горизонтального дренажа в зоне орошаемого земледелия нашей страны 8
1.2. Понятия работоспособности и надежности закры того горизонтального дренажа, связь между ними и опреде ляющие их факторы 15
1.3. Постановка задачи и вопросы исследований 24
2. Объект и методика исследований 30
2.1. Характеристика объектов исследования 30
2.2. Методика полевых опытов 39
3. Надежность закрытого горизонтального дренажа 45
3.1. Определение показателей надежности закрытого горизонтального дренажа по натурным данным об отказах 45
3.2. Сравнительная оценка надежности существующих дренажных конструкций 56
3.3. КлассифЕкация отказов дренажной конструкции и влияние повреждения конструктивного элемента на надежность дрены 64
3.4. Натурные исследования устойчивости дренажной конструкции 70
3.4.1. Исходные параметры дренажной конструкции 70
3.4.2. Проверка устойчивости связей между элементами водоприемной части дрены 81
3.4.3. Установление критической яезаиляющей скорости в трубчатой полости 89
3.5. Оценка уровня надежности по этапам создания и работы закрытого горизонтального дренажа 94
4. Работоспособность системы закрытого горизонтального дренажа III
4.1. Методика расчета показателя работоспособности закрытого горизонтального дренажа III
4.2. Анализ факторов, влияющих на работоспособность системы закрытого горизонтального дренажа 115
4.3. Определение работоспособности дренажной сети по данным наблюдений за мелиоративным состоянием опытного участка . 124
5. Рекомендацій по повышению надежности закрытого горизонтального дренажа 135
5.1. Назначение параметров дренажной конструкции
с учетом прогноза надежности 135
5.2. Методика оценки работоспособности закрытого горизонтального дренажа и организация ее проведения 136
5.3. Планирование и организация ремонтно-восстано-вительных работ 144
5.4. Экономическая оценка работоспособности и надежности закрытого горизонтального дренажа 153
Выводы и предложения 156
Список литературы
- Понятия работоспособности и надежности закры того горизонтального дренажа, связь между ними и опреде ляющие их факторы
- Определение показателей надежности закрытого горизонтального дренажа по натурным данным об отказах
- Анализ факторов, влияющих на работоспособность системы закрытого горизонтального дренажа
- Методика оценки работоспособности закрытого горизонтального дренажа и организация ее проведения
Введение к работе
В Конституции СССР, принятой советским народом в 1977 году, четко сказано, что высшая цель о<іщественного производства при социализме - наиболее полное удо: ілетворение растущих материальных и духовных потребностей лкщой. Ярким подтверждением последовательно осуществляемой партиой и правительством мер по повышению благосостояния населения а шей страны явилась Продовольственная программа, одобренная на майском (1982г.) Пленуме ЦК КПСС. В ней для улучшения бесперебойного снабжения советских людей продовольствием намечены грандиозные объемы мелиоративных работ, в результате которых площади (рошения в стране вырастут до 25...30 млн.га.
Орошаемое земледелие должно осі:овнваться на высокой работоспособности оросительных систем, гарантированных сроках службы всех мелиоративных сооружений.
Известно, что дренаж, в частности закрытый горизонтальный, является техническим средством упраыения плодородием орошаемых земель и оптимальным мелиоративным режимом. Следует отметить, что к настоящему времени на целинных землях только Средней Азии: Голодная, Джизакская, Шерабадсіая, Каршинская степи и зона Каракумского канала «* построено оі оло 25 тыс.км закрытого горизонтального дренажа.
Построенные дренажные системы і целом обеспечили быстрые темпы рассоления и наращивания плодо|одия вновь осваиваемых, а также мелиоративно неблагополучных ся ароорошаемых земель. В то же время в отдельных зонах страны имеет место довольно значительный процент нарушения нормальной работа дренажа вследствие выхода из строя закрытых дрен. Виды яарушзния работоспособности
дренажа крайне разнообразны, их последствия неоднозначны, что вызывает субъективные суждения об эффективности его функционирования. Б связи со сказанным изучение проблемы надежности закрытого горизонтального дренажа приобрети іет особую актуальность.
Цель диссертационной работы - исследование влияния различных факторов на работоспособность дренажных систем и разработка практических рекомендаций по поддерз анию надежной работы закрытого горизонтального дренажа.
Задачи исследований:
определение количественных показателей надежности различных конструкций закрытого горизої тального дренажа;
проверка устойчивости конструкции в процессе ее формирования;
оценка влияния этапов создавия ж работы закрытого горизонтального дренажа на показатели ею надежности;
разработка методики по оцеше работоспособности дренажной системы;
обоснование рекомендуемых ме роприятий по повышению работоспособности дренажа.
Методика исследований. На основании теории надежности проводились определение закононерносги возникновения отказов в работе дренажа, учет влияния внешних и внутренних факторов, установление количественных характеристик, разработка оценки расчета и прогнозирования надежности закрытого горизонтального дренажа. Работоспособность дренажной системы їценивали по направленности мелиоративных процессов, устанавливашых по водно-солевым балансам. При обосновании оптимального ре:шма работы закрытого горизонтального дренажа, установлении сроков между профилактическими ремонтами применялись оптимизационнні і методы. Результаты экспе-
риментальных исследований обрабатывались методами математической статистики с использованием ЭВМ..
Научная новизна. На основании сформулированных понятий о работоспособности и надежности забытого горизонтального дренажа в зоне орошения разработана пр шципиальная схема изучения работоспособности дренажной системы, Определены количественные показатели надежности и установлен закон распределения времени исправной работы закрытого горизонтального дренажа; проведена сравнительная оценка надежности раашчных дренажных конструкций. Исходя из предложенных зависимостей по расчету уровня надежности и показателя работоспособности, разработаны методики по назначению параметров дренажной конструкцій с учетом прогноза надежности, определению оптимальных сроков профилактических ремонтов с учетом ущерба при снижении эффект: шности функционирования дренажа.
Практическое значение и реалі ізация. Выполненные исследования - составная часть научно-исследовательских работ по проблеме 0.04 задания 07.01 плана ГКНТ (!ССР. На их основе установлены причины неудовлетворительной работы дренажных систем и разработаны практические рекомендации но расчету параметров дренажной конструкции с учетом прогноза надежности.
Результаты исследований легли в основу нормативного документа "Техническая эксплуатация внутрихозяйственной коллектор-но-дренажной сети - основа обеспечения оптимальных мелиоративных режимов", утвержденного МСХ УзССР и МПОХ УзССР.
Предложения автора по повышен] dd надежности закрытого горизонтального дренажа приняты и вяедроны Министерством плодоовощного хозяйства УзССР. Получаемый экономический эффект составляет 77 тыс.руб. в год.
Апробация. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуадались на Всесоюзном координационном совещании по вопросам улучшения качества и надежности гидромелиоративных сооружений (г.Тбилиси, 1981), на конференциях молодых ученых по сельскому и водному хозяйству (г.Ташкент, 1980...1983), на заседании НТО МСХ УзССР (г.Ташкент, 1984), на Всесоюзной конференции по проблеме повышения надежности осушительных систем Колхидской низменности (г.Хоби, 1984), на Республиканской конференции по совершенствованию технической эксплуатации каналов оросительной сети (г.Ташкент, 1984), а также на ежегодных заседаниях Ученого совета секции мелиорации орошаемых земель и водохозяйственных проблем САНИЙРЙ (г.Ташкент, 1977...1983).
Публикация.По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 173 названия, и приложений. Текст работы объемом 104 страницы сопровождается 30 таблицами и 42 рисунками.
Понятия работоспособности и надежности закры того горизонтального дренажа, связь между ними и опреде ляющие их факторы
Проблема обеспечения надежности, сформулированная четверть века тому назад применительно к радиоэлектронным устройствам, все больше привлекает внимание как исследователей, так проектировщиков и эксплуатационников во всех отраслях народного хозяйства. Интерес к ней не случаен и объясняется наряду с усложнением технических объектов возросшими требованиями к их бесперебой-, ной и безаварийной работе.
Основы теории надежности разработаны Б.В. Гнеденко /34/, Г.В. Дружининым /49/, Б.А. Козловым и И.А. Ушаковым /74/, И.Базовским /II/, Р. Барпоу и Ф. Прошаном /12/ и другими /115,154/.
Впервые основные положения надежности применительно к мелиоративным системам изложены Ц.Е. Мирцхулавой. В своих трудах /90,91,93,94/ он приводит основные понятия и критерии теории надежности, рассматривает виды аварий и повреждений, рекомендует приближенные методы опенки надежности гидротехнических, водохозяйственных и мелиоративных объектов.
К настоящему времени выполнен ряд работ, освещающих те или иные стороны надежности частей гидротехнических сооружений /129, 135/, каналов /45,93/, лотков /51,157/, закрытых трубопроводов /58/ и вертикального дренажа /20,101,142,167/,
В санййри, белниимвхе, севнйигиме начаты исследования по изучению надежности закрытого горизонтального дренажа. Большая часть опубликованных работ /19,60,99,146,171/ посвящена вопросам эксплуатационной надежности. В них рассматриваются причины отказа конструктивных элементов дрены и на основании этого назначаются мероприятия по обеспечению надежности при эксплуатации. Заслуживает внимания работа Н.Н. Хрисанова и В.А. Камбурова /152/, являющаяся одной из первых публикаций по надежности закрытого горизонтального дренажа. В ней приводятся основные определения и понятия теории надежности применительно к закрытому горизонтальному дренажу, условия обеспечения требуемой надежности дрены. Определенный интерес представляют результаты исследований по оценке качества дренажных труб и укладки дренажной линии.
В качестве показателя эффективности функционирования системы закрытого горизонтального дренажа Н.Н. Хрисанов и В.А. Кам-буров предлагают использовать модуль дренажного стока. Следует отметить, что по данному показателю не всегда можно правильно оценить работоспособность системы. Так, у системы, не справляющейся с заданной нагрузкой, модуль дренажного стока вследствие больших действующих напоров может получиться выше чем у более эффективной системы, поддерживающей более низко уровень грунтовых вод и создающий, тем самым, благоприятные условия для произрастания растений.
Приводимые в работе факторы, влияющие на надежность дрены, рассматриваются в воздействии сразу на дренажную систему. Такая последовательность исследования надежности закрытого горизонтального дренажа не совсем верна. На наш взгляд, вначале следует установить влияние отклонений параметров дренажной конструкции на надежность отдельно дрены, а затем по взаимодействию дрен, составляющих систему закрытого горизонтального дренажа, с учетом эксплуатационных мероприятий - оценивать работоспособность системы.
Для суждения о надежности важно знать количественные характеристики и критерии надежности. В работе даются понятия характеристикам надежности, но сами критерии, получаемые на основании данных о состоянии закрытого дренажа, не приводятся. Вместо этого приводится пример, в котором рассматривается связь между надежностью дренажной трубы и трубчатой линии. По расчетам надежность закрытого коллектора длиной 500 м при надежности одной трубки Р = 0,999 составила Р = 0,18. По-видимому, авторы преследовали цель наглядно показать как надежность элемента влияет на надежность системы. Однако, в данном примере в виду того, что рассматриваемая связь не отражает работу дрены, получены не только неправильные результаты, но и искажено само представление о надежности закрытого горизонтального дренажа.
Перечисленные недостатки рассмотренной работы являются следствием отсутствия в настоящее время четких понятий работоспособности и надежности закрытого горизонтального дренажа.
Определение показателей надежности закрытого горизонтального дренажа по натурным данным об отказах
До недавнего времени оценка надежности закрытого горизонтального дренажа носила в основном качественный характер: "высокая" или "низкая" надежность, работает "хорошо" или "плохо" и т.д. На современном этапе оценку эффективности дренажа, обоснование мероприятий по поддержанию его в работоспособном состоянии необходимо производить на основании анализа количественных характеристик надежности.
Имея в виду, что закрытый горизонтальный дренаж является восстанавливаемым объектом, то надежность его определяется следующими показателями:
Вероятность безотказной работы - "вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает" /41/. Вероятность безотказной работы есть функция времени и при использовании статистических данных об отказах она определяется (з.і) где IN(t) - количество исправных элементов в момент времени t , т.е. количество элементов, не отказывающих за рассматриваемый период; lN\taJ- количество исправных элементов в начальный момент времени; n(t) - количество отказавших элементов к моменту времени t .
Вероятность отказа - вероятность того, что объект откажет в течение рассматриваемого периода времени Параметром потока отказов (интенсивность отказов) на зывается отношение числа отказавших элементов в единицу времени к числу испытываемых элементов при условии, что все вышедшие из строя элементы ремонтируются Oo(t)= UML (3.3) где И (At) - число отказавших элементов в интервале времени 4. At Л. , At от I - 2 до t + 2 » IN - число испытываемых элементов; До - интервал времени. 4. Наработка на отказ определяется как отношение суммарно го фактического времени работы рассматриваемых элементов к сум марному числу отказов этих элементов за это время N1 Пі tcP= (з- ) Zrn где l[y - время исправной работы L -го образца элемента между ( І - I ) - м и L-м отказов; П. j. - число отказов за время t 1-го образца. 5. Комплексные показатели надежности - коэффициенты готов ности, простоя, технического использования. Коэффициент готовности - отношение времени исправной ра боты к сумме времен исправной работы и вынужденных простоев, взятых за один и тот же календарный срок (3.5) где t р , и п - суммарное время исправной работы и вынужденных простоев. Коэффициент простоя определяется как ЬР ь п Коэффициент технического использования устанавливается как отношение наработки объектов в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период эксплуатации
Получение количественных показателей надежности связано со сбором, накоплением, оценкой и обработкой информации.
Прежде чем определить количественные показатели надежности следует установить минимальное число дрен для статистической обработки сведений об их состоянии. Ниже доказано, что распределение времени исправной работы закрытого горизонтального дренажа подчиняется экспоненциальному закону. Задавшись доверительной вероятностью J3 = 0,9 и относительной ошибкой 8 =0,1, по таблице [38] , составленной для экспоненциального распределения, находим число дрен N = 200 шт.
Определим количественные характеристик! надежности для 200 дрен, имеющих конструкцию водоприемной части в виде гончарных дренажных труб в круговой песчаной обсыпке, построенных полумеханизированным способом в 1966...1967 годах в совхозах 6 и 7 Голодной степи.
По результатам обследования технического состояния закрытого горизонтального дренажа, полученных Г.Е.Батуриным [15] (совхоз 6) и Управлением мелиоративной инспекции Голодностепстроя, данным о ремонтах, приводящихся ремонтно-строительным Управлением Голодностепстроя, построена временная диаграмма потока отказов (рис. 3.1). На диаграмме показано состояния дрен за 14 лет эксплуатации. При этом варианты отказов объединены и количество отказов указано в правом углу рисунка напротив каждого варианта.
Из диаграммы установлено число дрен до первого отказа при различном сроке эксплуатации. По количеству отказавших дрен определены количественные показатели надежности.
Анализ факторов, влияющих на работоспособность системы закрытого горизонтального дренажа
Анализ факторов, влияющих на работоспособность системы закрытого горизонтального дренажа, удобно проводить по этапам обеспечения надежности.
Проектная работоспособность системы в первую очередь определяется внешними условиями. При оценке эффективности функ ционирования закрытого дренажа было показано, как отклонение реальных гидрогеологических условий от принятых в проекте влияет на водоотведение дренажем. Эти же отклонения следует учитывать при определении показателя работоспособности системы»
Кроме того, расчет параметров закрытого дренажа при проектировании следует проводить с учетом дренирующей способности коллекторов и пространственной работы системы. Рассмотрим отдельно каждый фактор.
В настоящее время расчет параметров закрытого горизонтального дренажа ведется без учета дренирующей способности коллекторов, что создает определенную функциональную избыточность в структуре системы.
Дренирующая-способность коллекторов определяется удельной протяженностью открытой ( t-g, ) и закрытой ( др ) дренажной сети, литологическими условиями и рельефом местности. Определим дренирующую способность коллекторов системы горизонтального дренажа опытного участка. Зная отношение - %" =0,19 коллекторяо-дренажной- сети, по графикам =f(CK;EaP) , приведенным в работе [-137] , устанавливаем дренирующую способность коллекторов, которая составляет 20% общего дренажного стока. " Значительно большей дренирующей способностью (до 90%) обладают коллектора, построенные на массиве первой очереди освоения Каршинской степи [52] . Это позволило системе, несмотря на большой объем недостроенного (33/0 и вышедшего из строя закрытого дренажа, отвести проектный дренажный сток за пределы орошаемой территории и создать благоприятные мелиоративные условия для выращивания сельскохозяйственных культур. Высокая дренирующая способность коллекторов в данном случае объясняется тем, что коллектора построены в пониженных частях рельефа, вскрывая при этом подстилающий хорошо проницаемый водоносный пласт. По изложенной ранее методике определена работоспособность дренажной системы с учетом дренирующей способности коллектора для условий опытного участка. При этом за фактическое водоотве-дение принимался общий дренажный сток, обеспеченный закрытым дренажем и коллектором. В результате расчета установлен коэффициент, оценивающий работоспособность системы с учетом работы коллектора, который составил К 2= 1,15.
При промывном режиме- орошения работоспособность дренажной системы в значительной степени зависит от равномерности инфильтраций щиг принятой технологии бороздкового полива на уровень грунтовых-вод в ехэлевой режим ігочвогрунтов. В расчетах нагрузтагна-дренажи прогнозах водно-солевого режима орошаемого поля величина инфильтрационного питания принимается средней по орошаемому полю. Однако, даже в условиях однородного почвенно-мелиоративного фона добиться равномерности инфильтрации практически-невозможно. Так, по данным Н.Г.Мина-шиной степень неравномерности увлажнения для внутрипочвенного орошения может составлять около 70$, а для бороздкового полива -менее 50% [88] . Неравномерность увлажнения приводит к разной инфильтрации поливной воды до уровня грунтовых вод, неравномерному подпитыванию зоны аэрации грунтовыми водами, а значит -к неравномерному соленакоплению в пределах дренируемого участка.
Оценку работоспособности системы закрытого горизонтального дренажа с учетом пространственной его работы в условиях реальной системы следует проводить в следующей последовательности: - определяется сочетание схем полива и дренажа; - устанавливается распределение интенсивности инфильтра-ционного питания и уровня грунтовых вод по длине борозды; - в разных местах по длине дрены по солевому балансу зоны аэрации определяется соленакопление; - рассчитывается показатель работоспособности системы закрытого дренажа с определенной вероятностью.
Сочетание схем полива и дренажа возможно по четырем вариантам (рис. 4.Г). Анализ направления закрытых дрен и борозд позволяет объединить варианты в две принципиальные схемы: I. Направление борозд совпадает с направлением закрытых дрен (варианты а, б). П. Направление борозд перпендикулярно направлению закрытых дрен (варианты в, г . И.А.Сорокиной на основании обработки данных Н.Т.Лактае-ва [78] построены графики отклонений от среднего инфильтраци-онного питания ( w =- ) по длине борозды ( Е = ) с учетом времени добегания воды до конца борозды и времени доливания поливной нормы в борозды ( t = т—-Д од ) [55] . При наложении графиков w = f (ЕД) (рис. 4.2) на схемы расположения временной оросительной сети и закрытого дренажа получены такие результаты.
По I схеме неравномерность инфильтрационного питания по длине борозды приводит к более высоким скоростям подъема уровня грунтовых вод в ее начале, и соответственно к меньшей глубине залегания грунтовых вод и большей интенсивности притока к дренам на значительной части орошаемого поля (0,65 его длины). При поливах по тупиковым бороздам распределение притока аналогично кривым рис. 4.2.6.
Методика оценки работоспособности закрытого горизонтального дренажа и организация ее проведения
Предлагаем оценивать состояние дрены сравнением фактического уровня надежности, представляющего отношение фактического расхода дрены к расчетному при одинаковом действующем напоре, с допустимым. Допустимые уровни надежности определяются при решении оптимизационной задачи по установлению межремонтных сроков закрытого горизонтального дренажа.
Оценка работоспособности дрены по уровню надежности является необходимым, но недостаточным условием. Для полной опенки следует также проводить анализ технического состояния элементов дрены.
По приведенным условиям составлена таблица для оценки работоспособности дрены.
Техническое состояние дрены можно оценить путем сравнения фактической степени заиления с допустимой. Следует указать, что авторы приводят разные значения допустимой степени заиления дренажной трубы. По исследованиям В.Ф.Йгнатенка /62/ допустимо заиление трубы на 75$ высоты их сочения. В работах /122,151/ допустимо заиление дренажных труб до 50$ сечения. По данным чешских ученых /108/ степень заиления не должна превышать 10$.
По кривой изменения уровня надежности от параметров дренажной конструкцш для допустимого уровня надежности установлена допустимая степень заиления дренажной трубы, которая составила 18%, т.е. дрены заиленные более чем на 18% считаются отказавшими.
Насколько точно определяемое состояние дренажной системы и составляющих ее закрытых дрен будут соответствовать реальности, зависит от организации и проведения диагностирования. трубы
Работоспособность дренажной системы устанавливается в конце вегетационного периода по данным режимных наблюдений за уровнем и минерализацией грунтовых вод, дренажным стоком, засолением почвогрунтов. Методика проведения наблюдений подробно излагается в работе /66/.
В результате оценки эффективности функционирования системы выявляются дренируемые участки, на которых показатель работоспособности дренажа оказался ниже допустимого. Для этих участков проведение обследования закрытых дрен назначается в первую очередь.
Техническое состояние дрен определяется по результатам обследования. Периодичность обследований зависит от сроков и технологии строительства дренажной сети, а также от вида сельскохозяйственных работ.
Наиболее частое диагностирование следует производить при поливах и промывках в течение первых 2..,3 лет после строительства, когда имеется наибольшая вероятность возникновения различных деформаций.
Специальное обследование дренажной сети следует проводить после восстановления отказавших дрен, а также после проведения сельскохозяйственных работ, при выполнении которых не исключена возможность разрушений закрытого горизонтального дренажа.
Сезонные обследования выполняются весной и осенью. Весной обследование проводит с целью проверки качества ремонта и готовности дренажной сети к работе в вегетационный период; осенью -для оценки технического состояния и составления плана ремонтных работ на осенне-зимний период.
В состав обследования входят визуальный осмотр и инструментальные замеры дренажного стока и уровня грунтовых вод. Последнее выполняется для уточнения состояния дрены и установления места отказа. При обследовании выявляются отказавшие дрены. Учитывая требования, предъявляемые к сведениям об отказах, составлена карточка отказов дрены.
Для учета опыта эксплуатации при проектировании необходимо создать четкую систему сбора и обработки статистических данных по надежности закрытого горизонтального дренажа, связывающую воедино строительяне, проектирующие, ремонтные организации и хозяйства, эксплуатирующие дренажную сеть. Анализ данных о надежности дренажа имеет цель установить достигнутый уровень надежности. Это дает возможность быстро сконцентрировать внимание на наиболее перспективных методах повышения надежности, выявить элементы и конструкции с высокими интенсивностями и, таким образом, учесть полученный опыт в новых разработках.
Для поддержания дренажной сети в работоспособном состоянии необходимо проведение ремонтно-восстановителышх работ.
Своевременные и целесообразные по глубине и объему восстановительные работы позволяют не только повышать технические характеристики закрытого горизонтального дренажа и улучшать показатели его надежности, но и сокращать эксплуатационные расходы.
В литературе предложены различные варианты моделей проведения ремонта инженерных сооружений /32,33,44,74,92/. Для закрытого горизонтального дренажа наиболее приемлемой является модель, которая для полного восстановления закрытой дрены предусматривает плановые и аварийные промывки. При этом восстановительные работы планируются в следующей последовательности.
Б первые два года работы дрены планируется проведение первой профилактической промывки. Целесообразность данной промывки доказана при анализе интенсивности отказов закрытого горизонтального дренажа. Проведение следующей профилактической промывки назначается по оптимальному межремонтному сроку. Если дрена не отказала к назначенному моменту, то производится плановая профилактика
