close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Иовчу Юлия Ивановна
МЕТОДЫ И ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ
Специальности: 05.23.07 – Гидротехническое строительство
05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2010
2
Работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении
«Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»
(ФГНУ «РосНИИПМ»)
Научный руководитель:
кандидат технических наук,доцент
Косиченко Михаил Юрьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Ханов Нартмир Владимирович,
кандидат технических наук,доцент
Щербаков Алексей Олегович
Ведущая организация:
ФГОУ ВПО «Нижегородский
архитектурно-строительный
университет»
Защита диссертации состоится «
»
2010 г. в 15 час. 00 мин
на заседании диссертационного совета Д. 220.045.02 при ФГОУ ВПО
Московском государственном университете природообустройства по адресу:
Москва, ул. Прянишникова, д. 19, ауд. 201. Тел./факс 8(495) 976-10-46;
E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО
Московского государственного университета природообустройства
Автореферат разослан « »
2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д220.045.02
кандидат технических наук, доцент
Евдокимова И.М.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. По данным мелиоративного кадастра протяженность оросительной сети составляет 315 тыс. км, в том числе магистральных и распределительных каналов, находящихся в федеральной собственности
– 29 тыс. км, в собственности субъектов Российской Федерации – 23 тыс. км, в
муниципальной и собственности физических и юридических лиц – 135 тыс.
км. Так как срок эксплуатации этих каналов составляет уже от 30 до 55 лет,
многие из них характеризуются ухудшенным техническим состоянием, а следовательно, и сниженными гидравлической эффективностью и эксплуатационной надежностью. Это обусловлено рядом факторов: деформацией русел
каналов, их размывами и заилением, разрушением облицовок и их швов, повышенной шероховатостью их русел, зарастанием дна и откосов водной растительностью, значительными потерями воды на фильтрацию, изменением
режима и условий эксплуатации. Влияние этих факторов приводит к снижению пропускной способности (иногда в несколько раз) канала, отклонению
основных параметров живого сечения канала (глубины, ширины) от проектных значений, увеличению потерь воды на фильтрацию, значительному
уменьшению КПД каналов, отказам в их работе, заключающихся в прорывах
дамб, разрушении плит одежд, затоплении и подтоплении прилегающих к каналам территорий.
Данная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Сохранение и восстановление плодородия почв, земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов, как национального достояния
России на 2006-2010 годы» по теме «Проведение научных исследований и
подготовка предложений по государственной поддержке развития мелиорации земель и повышению эксплуатационной надежности гидротехнических
сооружений, находящихся в ведении Министерства сельского хозяйства Российской Федерации», чем подтверждается актуальность ее тематики.
Цель исследований заключается в разработке методов и вероятностных моделей оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной
надежности каналов оросительных систем, а также в составлении рекомендаций по повышению надежности их функционирования.
Для достижения поставленной цели исследований необходимо решить
следующие задачи:
 установить степень влияния различных эксплуатационных факторов
(деформаций русла и облицовок, зарастания, заиления, фильтрации) на гидравлическую эффективность и эксплуатационную надежность оросительных каналов;
4
 выполнить теоретические обоснования методов оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов;
 разработать критерии оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов;
 создать вероятностные модели эксплуатационной надежности крупных каналов и распределительных каналов оросительных систем;
 провести натурные исследования гидравлической эффективности и
эксплуатационной надежности каналов и на основе обобщения натурных
данных каналов Юга России получить расчетные зависимости для определения коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений земляных и облицованных русел каналов при различных условиях эксплуатации;
 разработать методику оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов на оросительных системах и рекомендации по повышению надежности их функционирования.
Методы исследований. Для исследований были использованы теоретические и экспериментальные натурные методы. В качестве теоретических
методов применялись методы математической статистики, теории вероятности и теории надежности. Для натурных исследований применялись гидрометрические методы определения основных гидравлических характеристик
при эксплуатации каналов.
Научную новизну работы составляют:
 критерии гидравлической эффективности и эксплуатационной
надежности каналов и обоснование коэффициентов их снижения;
 вероятностные модели эксплуатационной надежности крупных каналов и распределительных каналов оросительной сети;
 методика оценки и расчетные формулы прогнозного срока службы
канала;
 новые расчетные зависимости для определения коэффициентов шероховатости и коэффициентов гидравлических сопротивлений земляных и
облицованных русел каналов в различных условиях эксплуатации;
 результаты анализа натурных данных о реальных значениях коэффициентов шероховатости, гидравлических сопротивлений, о выявленных случаях нарушений и отказов в работе земляных и облицованных русел каналов
Юга России.
Достоверность исследования подтверждается данными натурных экспериментальных исследований, проведенных с применением современных
аттестованных приборов и оборудования, а также обработкой полученных
данных с применением ПЭВМ, сопоставлением результатов, определенных
5
по полученным формулам с результатами, получаемыми по формулам других авторов и данными натурных наблюдений.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
 получены новые численные показатели гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности оросительных каналов Юга России;
 составлен перечень выявленных нарушений и отказов в работе каналов Юга России;
 разработаны практические рекомендации по оценке гидравлической
эффективности и эксплуатационной надежности оросительных каналов;
 обобщены и предложены инженерно-технические мероприятия,
направленные на повышение гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности оросительных каналов.
Внедрение результатов. Результаты исследований были внедрены ОАО
«Севкавгипроводхоз» (г. Пятигорск) в проект реконструкции распределительного канала Р-16 «Право-Егорлыкской обводнительно-оросительной системы
(2 очередь)» Ставропольского края, ФГУ «Управление «Ростовмелиоводхоз»
при производстве эксплуатационных, ремонтно-профилактических и ремонтных мероприятий распределительного канала в земляном русле БТМК Азовской оросительной системы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научно-практической конференции в «РосНИИПМ» «Обеспечение безопасности и надежности эксплуатации гидротехнических сооружений на мелиоративных системах» (Новочеркасск, 2006 г.),
Международной (4-ой Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации»
конференции в ФГНУ ВНИИ «Радуга» (Коломна, 2007 г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 10 печатных работ,
в т.ч. 1 статья в издании, рекомендованном ВАК России для специальностей
05.23.07 и 05.23.16.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,
выводов по главам, а также общих выводов, списка использованных научнотехнических источников и приложений. Общий объем составляет 201 страниц машинописного текста, включая 33 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 167 наименований, в том числе 27 иностранных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, поставлена цель исследований и их основные задачи, сформулированы методы исследований,
6
научная новизна и достоверность исследований, обоснована практическая
ценность работы, перечислены случаи осуществления апробации основных
результатов диссертационной работы.
В первой главе приведены основные результаты обзора и анализа ранее опубликованных работ по вопросам гидравлики и надежности каналов, а
также теоретических разработок в этой области.
Отмечается, что наиболее значительный вклад в изучение гидравлической
эффективности и надежности каналов сделан И.И. Агроскиным, Т.А. Алиевым,
И. Алленом, В.С. Алтуниным, А.Д. Альтшулем, Ф. Ванони, И.А. Долгушевым,
Н. Дэскулеску, Г.В. Железняковым, Е.А. Замариным, И.Ф. Карасёвым, Ю.М.
Косиченко, А.М. Латышенковым, Э. Марки, Р. Мизесом, Ц.Е. Мирцхулавой,
Н.В. Хановым, В.Т. Чоу, Р.Р. Чугаевым, Д.В. Штеренлихтом и др.
Однако проблемы гидравлической эффективности и эксплуатационной
надежности ещё не в полной мере разрешены из-за многообразия влияющих
факторов и сложности процессов, приводящих русла каналов к различным
деформациям, зарастанию, заилению и отказам.
Во второй главе приведены результаты теоретических исследований автора по оценке гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов, предложены критерии и вероятностные модели их эксплуатационной надежности.
Эти исследования показали, что основными критериями гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности оросительных каналов
могут служить следующие условия:
а) по пропускной способности русла
φ(Q) = Qпр – Q; α0 Qпр ≥ φ(Q) ≥ 0;
(1)
б) по коэффициенту полезного действия канала
φ(η) = ηтр – η; ηтр ≥ φ(η) ≥ 0;
(2)
в) по показателю технического состояния канала
φ(Рэ) = Рэ.тр – Рэ; σ0Рэ.тр ≥ φ(Рэ) ≥ 0;
(3)
г) по вероятности безотказной работы
φ(Р) = Ртр – Р; μ0Ртр ≥ φ(Р) ≥ 0,
(4)
где φ – функции эффективности и надежности соответствующих показателей
Q, η, Рэ и Р; Q, Qпр – фактическая и проектная (расчетная) пропускная способность; η, ηтр – фактический и требуемый коэффициенты полезного действия (КПД) канала; Рэ, Рэ.тр – фактический и требуемый показатели технического состояния канала; Р , Ртр – фактическая и требуемая вероятности
безотказной работы; α0, β0, σ0, μ0 – коэффициенты допустимого снижения
7
соответствующих нормативных показателей, принимаемые по результатам
статистической обработки натурных данных.
Для обоснования значений коэффициентов допустимого снижения
нормативных показателей α0, β0, σ0, μ0 в условиях эксплуатации проведена
статистическая обработка натурных данных на действующих крупных каналах Северного Кавказа и ближнего зарубежья (таблица 1).
Таблица 1. Натурные данные пропускной способности и показателя
снижения пропускной способности при эксплуатации крупных каналов
n пр
№
Q,

Канал
n
n


пр
п/п
м3/с
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
а) каналы в земляном русле:
Большой Ставропольский
172,37
0,0238
(Головной участок)
Саратовский
18,3
0,019
Палласовский
15,0
0,017
Донской МК
201,0
0,0268
Терско-Кумский
80,0
0,0237
БСК-1, 1-я очередь
80,0
0,0259
Невинномысский
75,0
0,0225
Северо-Крымский
62,5
0,0224
Баксан-Малка
27,5
0,0225
Нижне-Донской МК
25,6
0,0374*
Азовский МК
15,0
0,0554*
б) каналы в облицовке:
БСК-3, 3-я очередь
46,5
0,0172
Северский Донец-Донбасс
17,0
0,0190
Самур-Апшеронский
55,0
0,0170
Каршинский МК
175,0
0,0179
Северо-Крымский
290,0
0,0190
Северский Донец-Донбасс (б. Ср. Ступки)
17,0
0,0290*
0,0225
0,945
0,020
0,020
0,0200
0,0200
0,0225
0,0200
0,0200
0,0225
0,0250
0,0250
1,053
1,176
0,746
0,844
0,869
0,889
0,890
1,0
0,602*
0,451*
0,0170
0,0170
0,0170
0,0170
0,0170
0,0170
0,988
0,894
1,0
0,949
0,894
0,586*
Примечание: * значения, отвечающие условиям сильного зарастания русла
При статистической оценке коэффициента α0 определялся показатель
снижения пропускной способности канала по отношению к проектному (расчетному) расходу α´ = Q/Qпр. В связи с тем, что на многих каналах отсутствовали данные по значениям их параметров при эксплуатации соотношение указанных расходов приближено принимали равным отношению коэффициентов шероховатости α´≈ nпр/n (n – коэффициент шероховатости русла
канала, найденный по натурным данным при расходе Q; nпр – коэффициент
шероховатости, который принят по проекту).
8
При статистической обработке исключались значения α´< 0,70, как выпадающие величины, которые относятся к руслам каналов с сильным зарастанием.
В соответствии с данными статистической обработки выборки показателя
пропускной способности α´ найдены: среднестатистическое значение показателя пропускной способности крупных каналов    0 ,936 , среднеквадратическое
отклонение     0 , 097 , ошибка среднестатистического значения   
 0 , 022
.
Значения коэффициента допустимого снижения пропускной способности крупных каналов были нами найдены как половина величины изменения
доверительного варианта его варьирования:
 0  t  , к      2 ,1  0 , 022  0 , 047 ,
где tα, к – значение квантиля статистики tα,k распределения Стьюдента, принимаемое при α = 0,05.
Аналогичная обработка натурных данных была проведена по КПД η и
показателю технического состояния канала Рэ. Показатель Рэ устанавливается
при наличии данных обследований по степени деформаций (нарушений) русла
канала, а в случае их отсутствия – косвенным путем по соотношению фактического и требуемого (нормативного) КПД канала РЭ = η/ηтр.
Проведенный статистический анализ натурных данных пропускной способности каналов показал, что среднее значение показателя α´ составляет
0,936, т.е. в среднем расходы при эксплуатации в крупных каналах снижаются
по сравнению с проектными (расчетными) на 6,4 %. Такое снижение пропускной способности может быть учтено введением в условие (1) коэффициента
допустимого её снижения α0 = 0,047. Среднее значение КПД для каналов в
земляном русле составляет   0 ,838 , что на 6,2 % ниже требований СНиП
2.06.03.85 для магистральных каналов.
Каналы в облицовке (имеющие одежду) характеризуются большей эффективностью так как среднее значение их КПД составляет   0 ,947 , что на
10,9 % выше по сравнению с каналами в земляном русле. При этом получены
следующие значения коэффициентов снижения КПД: для земляных русел β0 =
0,044, облицованных – β0 = 0,031. Среднее значение показателя технического
состояния установлено равным Р э  0 ,954 , а коэффициент его допустимого
снижения – σ0 = 0,029.
Для оценки эксплуатационной надежности автором была разработана
вероятностная модель работоспособности крупных каналов. Структурные
схемы каналов при различном соединении их элементов (участков) приведены на рисунке 1.
9
В расчетах надежности каналов выход параметров работоспособности
за уровень предельных состояний квалифицируется как отказ, а основной характеристикой надежности служит вероятность безотказной работы.
Предположим, что канал состоит из n элементов (например, участков,
сооружений), каждый элемент канала может находиться в работоспособном и
неработоспособном состоянии. С точки зрения надежности он может быть в
одном из двух состояний: безотказном Hi и отказном Hj.
а
Q
1
2
3
4
n
Q
б
1
Q1
2
Q
Q2
3
Q3
n
Qn
1
Q1
в
Q
1
2
3
n
2
Q2
N
QN
Рисунок 1 – Структурные схемы для оценки надежности каналов:
а) – при последовательном соединении элементов;
б) – при параллельном соединении элементов;
в) – при комбинированном (последовательно-параллельном соединении элементов;
– гидротехнические сооружения.
При оценке надежности следует учитывать основные структурные схемы соединения элементов канала: с последовательным соединением (рис. 1,
а); с параллельным соединением (рис. 1, б); с комбинированным (последовательно-параллельным) соединением (рис.1, в).
При последовательном соединении элементов канала, характерной для
магистральных каналов с транзитными участками, для расчета надежности
полагают, что отказ каждого элемента является событием случайным и неза-
10
висимым, а вероятность безотказной работы канала в течение времени t рассчитывается по формуле:
Р t   P t  P t ... P t  
1
2
n
n
П Pi t  ,
i 1
(5)
где Р(t) – вероятность безотказной работы всего канала;
Р1(t), P2(t)…Pn(t) – вероятность безотказной работы элементов канала.
В случае параллельного соединения элементов канала, что характерно
для системы распределительных каналов, ответвляющихся от магистрального канала, вероятность безотказной работы всей системы, состоящей из
неравнонадежных элементов, рассчитывается по формуле:
n
P t   1  П 1  Pi t  ;
i 1
(6)
В случае комбинированного (последовательно-параллельного) соединения, что соответствует системе каналов и сооружений, включающих магистральных канал, ряд распределительных каналов и подпорно-регулирующих
сооружений, вероятность безотказной работы определяется по зависимости


P t   П Pi t 1  П 1  P j t  ,
i 1
j 1


n
N
(7)
где Pi(t) – вероятность безотказной работы элементов канала, расположенных
последовательно; Pj(t) – вероятность безотказной работы элементов канала,
расположенных параллельно; n – количество последовательно расположенных
элементов; N – количество параллельно расположенных элементов.
При более сложной схеме соединения системы каналов, – последовательно-параллельно-последовательной, зависимость вероятности их безотказной работы получит следующий вид:
N
к



P  t   П Pi  t 1  П 1  П P j  t    ,
i 1
j 1 
 1


n
(8)
Для схемы канала с последовательным соединением элементов, когда
между элементами канала имеется статистическая связь, вероятность безотказной работы устанавливается из соотношения:


P  П Pi   Р m  П Pi  K N ,
(9)
i 1
i 1


где КN – коэффициент, учитывающий статистическую взаимосвязь между
отказами элементов канала, которая устанавливается в зависимости от коэфn
N
фициента корреляции между событиями Hi, Hj.
Вероятность безотказной работы канала при эксплуатации по пропускной способности с учетом установленного ранее значения коэффициента до-
11
пустимого снижения пропускной способности α0 предложено определять из
выражения
 1   Q  Q
0
пр
min
Р  Ф
2
2

 Q пр   Q min

где Ф t  

,


(10)
 t 
exp  
dt – табулированная функция нормального рас
2
2  


1
x
2
пределения (функция Лапласа); Qmin – случайный минимальный расход;
 Q пр ,  Q min – среднеквадратические отклонения соответствующих расходов.
Вероятность обеспечения требуемых КПД и показателя технического
состояния определяется аналогично зависимости (10).
Анализ результатов проведенных расчётов надежности каналов и при
разных схемах их соединения по вышеприведенным зависимостям (5)…(9)
показал, что при последовательном соединении элементов вероятности безотказной работы канала при наличии статистической связи существенно повышается на 12-30 %. Однако, ещё большее повышение надежности может
быть достигнуто за счет последовательно-параллельного соединения элементов сети каналов.
На оросительных системах применяется значительное количество распределительных каналов различного порядка (межхозяйственные, хозяйственные, участковые). Удельная протяженность распределительных каналов
в несколько раз превышает магистральные каналы (в 5…10 раз на 1 га).
Критерии гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности для распределительных каналов аналогичны крупным каналам, которые представлены соотношениями (1)…(4). На основе статистического анализа натурных данных каналов оросительных систем Северного Кавказа
нами были получены следующие значения коэффициентов допустимого
снижения нормативных показателей: α0 = 0,03, β0 = 0,015, σ0 = 0,033.
Вероятностная модель эксплуатационной надежности распределительных каналов, схема которых приведена на рисунке 2, включает как отдельные распределительные каналы различного порядка, так и систему распределительных каналов с различным соединением элементов от последовательного до последовательно-параллельного.
Расчет надежности распределительных каналов выполняется также, как
и крупных каналов, в зависимости от соединения их элементов по формулам
(5)…(10).
Отличительной особенностью расчета надежности распределительных
каналов явилось наличие на них большого количества подпорно-регулирующих
12
сооружений. Поэтому вероятность безотказной работы по последовательному
их соединению следует определять произведением вероятностей отдельных
участков канала и вероятностей безотказной работы всех ГТС на канале:
.
(11)
1
3
7
4
4
2
6
9
5
3
8
8
7
Рисунок 2 – Схема распределительных каналов на оросительной сети
1 – магистральный канал;
2 – межхозяйственный распределитель;
3 – хозяйственный распределитель;
4 – участковый распределитель;
5 - временные оросители;
6 – поливные борозды;
7 – точка выдела воды в хозяйство;
8 – подпорно-регулирующие ГТС;
9 – водовыпуски
Важным условием эксплуатационной надежности системы распределительных каналов является обеспечение командования старших каналов над
младшими при нормальных уровнях в них в виде следующего соотношения:
ZМХР > ZХР > ZУР > ZВО,
(12)
где ZМХР, ZХР, ZУР, ZВО – уровни воды соответственно в межхозяйственном распределителе, хозяйственном, участковом распределителе и временном оросителе.
Вероятности обеспечения командования уровней воды распределителей
разных порядков определяется из выражений, аналогичных (10):
В данной главе также рассматривается определение прогнозного срока
службы канала.
13
За исходное уравнение нами была принята зависимость частоты выбросов повреждений (деформаций) за средний уровень допускаемых повреждений русла канала в единицу времени по Ц.Е. Мирцхулаве:
,
где
(13)
– средняя частота выбросов относительных повреждений (деформа-
ций) русла канала;
– параметр суммарного относительного повреждения
(деформации) русла канала;
– допускаемое значение параметра сум-
марного относительного повреждения (деформации) русла канала;
,
– среднеквадратическое отклонение фактических и допускаемых относительных повреждений (деформаций).
Будем считать, что появление повреждений (деформаций) русла канала
является случайным и достаточно редким событием за время τ, которое подчиняется закону редких явлений – уравнению Пуассона:
,
(14)
где n – количество превышений деформаций русла допускаемого уровня
за время τ.
Совместное решение уравнений (13) и (14) при условии отсутствия отказов в работе канала при n = 0 позволяет найти уравнение для определения
прогнозного срока службы канала с заданной надежностью .
Прогнозный срок службы канала в земляном русле с заданной надежностью следует определять по зависимости:
,
где
,
(15)
.
Прогнозный расчетный срок службы канала в облицовке вычисляем по
зависимости:
,
где
,
.
(16)
14
Рассмотренный пример расчета по предложенным нами зависимостям
позволяет сделать вывод о существенном влиянии ремонтно-профилактических
мероприятий на продление срока службы канала: при проведении ремонтов срок
эксплуатации увеличивается в 2-4 раза в зависимости от их периодичности.
В третьей главе представлены результаты натурных исследований
Азовского, Багаевского, Нижне-Донского и Пролетарского магистральных
каналов в земляном русле и облицованных межхозяйственных распределителей Бг-Р-7 и Бг-Р-8 Багаевско-Садковской оросительной системы с расходами от 6,0 до 54,0 м3/с.
Задачей наших натурных исследований являлось установление основных гидравлических характеристик каналов в различных условиях эксплуатации, в том числе, коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений, а также выявление основных нарушений, деформаций и отказов в
работе каналов. Кроме того, в данной главе проведено обобщение и анализ
имеющихся натурных данных, в основном по каналам Северного Кавказа,
полученных другими организациями.
Для исследований использовалась гидрометрическая вертушка ГР-55 и
тахометр «TOPCON» GPT-3000LN. Замеры скоростей на вертикалях осуществлялись пятиточечным методом, а определение расходов – методом
«скорость-площадь» в соответствии с методикой МВИ-05-90.
Анализ результатов натурных исследований (таблица 2) показал, что
для таких каналов в земляных руслах, как Азовский, Нижне-Донской и Бг-Р6, характерно влияние на шероховатость и гидравлические сопротивления
зарастания русла водной растительностью в береговой зоне, преимущественно камышом и рогозом. При этом для Азовского МК на участке ПК-650 были
получены очень высокие значения коэффициентов шероховатости n = 0,0554,
которые превысили нормативные значения по СНиП 2.06.03-85 в 2,46 раза.
Это привело к существенному снижению пропускной способности (в 2,5-3
раза) против проектной. Вместе с тем, на Пролетарском МК и канале Бг-Р-6
(на участках ПК89-ПК113) в земляных руслах значения коэффициентов шероховатости соответствовали нормативным или были близки к ним, что было
обусловлено отсутствием зарастания русел водной растительностью или незначительным их влиянием вследствие проведения необходимых работ по
уходу за надлежащим состоянием русел каналов в период их эксплуатации.
Данные натурных исследований по каналам в облицовке (Бг-Р-7, Бг-Р-8,
Бг-Р-8-1) также свидетельствовали о существенном влиянии зарастания русел на
параметры их гидравлической эффективности n и λ. При этом практически для
всех исследованных участков облицованных русел было отмечено значительное
превышение величин коэффициентов шероховатости русел их нормативных
значений в 1,5-2 раза. Основной причиной повышения параметров n и λ для бе-
15
тонных русел каналов являлось образование в летне-осенний период неприкрепленных к поверхности русла сине-зеленых водорослей, что объясняется меньшей самоочищающей способностью таких русел по сравнению с земляными.
По результатам проведенных обследований нами были установлены
значительные нарушения и деформации с относительным суммарным их параметром для ряда земляных русел до
= 0,50-1,20 (Азовский МК, Нижне-Донской МК) и коэффициентами шероховатости до n = 0,0550. Указанные
нарушения следует квалифицировать как отказ в работе каналов поскольку
не выполняются их основные функции подачи требуемых расходов потребителям из-за значительного снижения пропускной способности русел в 1,5-2,0
раза и ухудшения их технического состояния, о чём свидетельствуют наиболее низкие значения фактических КПД этих каналов (0,75-0,78).
Таблица 2. Результаты гидравлических исследований магистральных и
распределительных каналов оросительных систем Ростовской области
№
п/п
1.
Наименование
канала
Азовский МК
Q,
м3/с
2,10
2. Нижне-Донской МК 25,6
3. Пролетарский МК 54,0
4. Бг-Р-6 (ПК82-ПК89) 1,94
2,34
(ПК89-ПК113)
1,94
2,34
(ПК113-ПК127)
2,28
2,75
5. Бг-Р-7 (ПК56-ПК134) 2,35
(ПК189-ПК226)
0,98
1,04
1,14
6. Бг-Р-8 (ПК0+90)
3,48
3,31
7. Бг-Р-8-1
2,74
(ПК0-ПК48)
3,35
(ПК48-ПК58)
1,87
2,21
ω,
χ,
R,
υ,
м2
м
м
м/с
Каналы в земляном русле
1,99 14,79 12,4 1,17 0,14
5
2
3,0 102,4 40,0 2,56 0,25
4,5
85,8 32,5 2,73 0,61
1,38 4,97 6,51 0,76 0,39
1,54 5,86 7,05 0,83 0,40
1,36 4,82 6,41 0,75 0,40
1,47 5,43 6,79 0,80 0,43
1,33 4,65 6,29 0,74 0,49
1,43 5,24 6,67 0,78 0,52
Каналы в облицовке
2,06 9,45 8,93 1,05 0,25
1,21 4,01 5,86 0,86 0,26
1,21 4,01 5,86 0,86 0,28
1,22 4,08 5,91 0,69 0,23
1,70 13,38 10,42 1,28 0,26
2,39 14,54 11,12 1,31 0,23
1,69 8,55 8,61 0,99 0,32
1,34 9,71 9,15 1,06 0,35
1,48 8,36 8,52 0,98 0,30
1,58 8,49 8,58 0,99 0,32
h,
м
i·104
Re·106
λ
n
0,5
0,67
0,0554* 0,225*
0,2
0,4
1,4
1,4
1,4
1,4
2,25
2,5
2,56
6,66
1,19
1,32
1,21
1,37
1,45
1,65
0,0374*
0,0203
0,0259*
0,0286*
0,0249
0,0242
0,0251
0,0244
0,171*
0,0223
0,0575*
0,0597*
0,0534
0,0496
0,0545
0,0605
0,312
0,876
0,876
0,876
0,187
0,187
0,77
0,77
0,67
0,67
1,05
0,66
0,71
0,77
1,36
1,19
1,27
1,46
1,02
1,15
0,0234*
0,0299*
0,0281*
0,0261*
0,0198
0,0299*
0,0274*
0,0265*
0,0266*
0,0254*
0,0421*
0,0795*
0,0703*
0,0611*
0,0293
0,0375*
0,0590*
0,0542*
0,0575*
0,0524*
Примечание: * – значения n и λ при зарастании русел каналов водной
растительностью и водорослями.
Для облицованных русел каналов (Бг-Р-7, Бг-Р-8,) наблюдались нарушения связанные с деформациями плит облицовки под воздействием водного
потока, разрушение швов и поверхности бетона при эксплуатации, а также с
интенсивным образованием полей погруженных в воду сине-зеленых водорослей. Перечисленные нарушения и деформации обусловливают высокие
16
значения суммарного относительного повреждения до
= 0,45-0,75 и повышение коэффициента шероховатости до значений n = 0,0223-0,0299.
На основании обобщения натурных данных коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений для земляных и бетонных русел, в
основном по каналам Северного Кавказа, полученных как автором работы,
так и другими организациями и исследователями, были составлены графики
зависимостей n = n(Q), λ = λ (Q) и λ = λ (Re), последние из которых приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Графики зависимостей λ = λ(Q) (а) и λ = λ(Re) (б):
а – для каналов в земляном русле; б – для каналов в облицовке; 1 – БСК-1; 2 – Донской МК; 3 – Азовский МК; 4 – Нижне-Донской МК; 5 – Пролетарский ; 6 – Невинномысский; 7 – Терско-Кумский; 14 – Бг-Р-6; 15 – БСК-3; 16 – Самур-Апшеронский;
17 – Бг-Р-7 (норм.); 18 – Бг-Р-7 (зар.); 19 – Бг-Р-8; 20 – Бг-Р-8-1; 21 – Бг-Р-5; 24 –
Каршинский; 25 – Большой Ферганиский; 26 – Северский Донец-Донбасс; 27 – Большой Алма-Атинский; 28 – СКК
17
На этих графиках нами были выделены зоны распределения шероховатостей и сопротивлений. Нижняя граница каждой зоны соответствует нормальному состоянию русел каналов при эксплуатации, значения шероховатостей или гидравлических сопротивлений которой близки к нормативному
или проектному уровню. Верхняя граница указанных зон отвечала условиям
высокой (максимальной) степени зарастания русел каналов.
Анализ полученных графических зависимостей позволил нам отметить
следующее: зона изменчивости коэффициентов шероховатости и гидравлических
сопротивлений каналов в земляных руслах и в облицовке при расходах до 20-60
м3/с имеет расширенный диапазон изменения значений коэффициентов. Далее
она существенно сужается и при расходах 80…120 м3/с практически остается постоянной с очень малым изменением. Влияние зарастания русел каналов особенно сильно проявляется в начале зон шероховатости и сопротивлений при относительно небольших расходах до 10…30 м3/с, где значения коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений при зарастании превышают их по
сравнению с нормальным состоянием русел каналов в 2-3,5 раза. Как для земляных, так и бетонных русел каналов можно выделить некоторую среднюю границу (штриховая линия на рис. 3, а, б), которая будет соответствовать нормальному
состоянию русла, а выше данной границы будут располагаться значения n или λ,
изменяющиеся при эксплуатации под влиянием зарастания.
Четвертая глава посвящена получению эмпирических зависимостей
для гидравлического расчета земляных и облицованных русел в условиях
эксплуатации каналов и сопоставлению их с формулами других авторов и
натурными данными.
При получении расчетных зависимостей для определения коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений вида
,
,
нами были использованы натурные данные более чем
по 50 каналам для различных условий их эксплуатации: при нормальном их
состоянии (без зарастания) и в условиях зарастания водной растительностью.
В результате компьютерной обработки базы натурных данных, главным
образом по каналам Северного Кавказа, с использованием пакета программ
Microsoft Excel автором были получены 16 графических зависимостей, некоторые из которых представлены на рисунке 4 и в виде следующих формул:
а) для каналов в земляном русле при нормальном их состоянии (без зарастания)
; (17)
(R2 = 0,846),
диапазон применения: Q = 2…200 м /с, Re = (1-11)·10 ,
б) для каналов в земляном русле при зарастании
(R2 = 0,895),
диапазон применения: Q = 0,3…30 м3/с, Re = (0,5-1,7)·106,
в) для каналов в облицовке при нормальном состоянии
- для спокойного состояния потока (Fr<1)
3
(18)
6
(19)
18
(R2 = 0,791),
диапазон применения: Q = 3…180 м3/с, Re = (1,5-30)·106,
- для бурного состояния потока (Fr>1)
,
3
6
диапазон применения: Q = 1…7,5 м /с, Re = (2-7)·10 ,
г) для каналов в облицовке при зарастании
(R2 = 0,705).
диапазон применения: Q = 0,4…5 м3/с, Re = (0,5-1,7)·106,
В этих формулах
(20)
(21)
(22)
- безразмерный параметр; С – коэффициент Шези.
а)
б)
Рисунок 4 – Графики зависимостей
и λ = λ(Re), построенные по дан-
ным натурных наблюдений:
а – для каналов в земляном русле при нормальном состоянии;
б – для каналов в облицовке при нормальном состоянии.
19
Проведенное сопоставление по формуле автора (18) для земляных русел каналов в нормальном состоянии с формулами других авторов (И.Ф. Карасёва, О.М. Айвазяна, Э. Марки, А. Штриклера, Ю.А. Ибад-Заде) показало,
что наиболее близкие значения расчетных значений гидравлических сопротивлений с натурными данными (БСК-1, Бг-Р-6) дают только формулы Карасёва, Ибад-Заде и автора (с отклонением от 6 до 11 %), остальные дают расхождение от 19 до 285 %.
Сопоставление формулы автора (19) для заросших русел с известными
зависимостями (И.Ф. Карасёва, А.Д Асановой, В.С. Боровкова, Н.И. Турянской,
А. Найта) свидетельствует о том, что наиболее близкое совпадение с натурными данными дают формулы Карасёва и автора (с отклонением от 7 до 21 %).
Для облицованных русел каналов близкие значения с натурными данными получены по зависимостям А.Д. Альтшуля (степенной), А.П. Зегжды (с
уточнением автора) и эмпирической формуле автора (20). Расхождение по ним
составляет от 0,5 до 10 %.
Таким образом, для условий эксплуатации каналов Северного Кавказа
могут быть рекомендованы наиболее точные формулы, дающие наилучшее
приближение к натурным данным, в том числе и ряд эмпирических формул автора.
В пятой главе рассматривается методика оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и расчет экономического эффекта от внедрения предлагаемого комплекса мероприятий по повышению их надежности при эксплуатации.
По результатам исследований и накопленного опыта эксплуатации каналов Юга России для практического использования разработана методика
оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов, общая структура которой представлена на рисунке 5.
Основные этапы методики включают:
- сбор исходных данных;
- определение показателей гидравлической эффективности: расхода воды Q (при необходимости), КПД канала η, коэффициента шероховатости n и
коэффициента гидравлических сопротивлений λ, параметра относительной
ширины канала по дну β и др.;
- определение показателей эксплуатационной надежности: показателя
технического состояния канала Рэ, вероятности безотказной работы Р, прогнозного срока службы τ0 и др.;
- оценку выполнения критериев гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности по условиям (1)…(4);
20
- разработку мероприятий по повышению гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов.
Исходные данные
Q, b, h0, m, i, Lк
Определение показателей гидравлической эффективности
U, η, n, λ, ρт, β
Определение показателей эксплуатационной надежности
Pэ, Р, , τ0
Установление допускаемых и
предельных значений
Qпр,Uнез, Uнер, ηтр., nпр, ρн, βг.н.
Установление требуемых и предельных показателей
Pэ.тр, Ртр,
, τнор
Оценка выполнения критериев гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности
Разработка мероприятий, направленных на
повышение гидравлической эффективности
и эксплуатационной надежности
Рисунок 5 – Общая структура методики оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов оросительных систем
На основании обобщения опыта эксплуатации оросительных каналов
предложен комплекс мероприятий, направленных на повышение гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов в земляном русле
и в облицовке.
Так, комплекс мероприятий для облицованных каналов включает: соблюдение минимальных и максимальных скоростей течения, исключение
различных колебаний и быстрого опускания уровней, устройство на участках
с высоким стоянием УГВ дренажных выводов в канал и дренажноразгрузочных устройств в облицовке, проведение очистки русел от наносов с
помощью землесосных установок, не нарушающих целостность облицовки,
применение при ремонте разрушенных поверхностей облицовки полимерных
покрытий на основе эпоксидных смол, устройство при реконструкции облицовок покрытий из натяжных геомембран, типа Карпи, обеспечивающих
снижение шероховатости облицованных русел в 1,5 раза до значений 0,0120,013 и продление их срока службы на 25-50 лет.
Экономическая эффективность от внедрения результатов исследований
рассчитывается по приведенным затратам в сравнении с базовым вариантом
21
и с учетом чистого дохода от повышения пропускной способности канала,
чистого дохода от повышения КПД, уменьшения потерь и орошения дополнительной площади за счет сэкономленной воды.
Разработанная методика и предлагаемый комплекс мероприятий,
направленных на повышение эксплуатационной надежности каналов, были
внедрены на двух объектах в Ростовской области и Ставропольском крае: на
канале в земляном русле БтМК на Азовской ОС и на канале в облицованном
русле Р-19 Право-Егорлыкской ОС. Общий ожидаемый экономический эффект от внедрения на этих объектах составит более 10,0 млн. руб. в ценах
2008 г.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основе анализа опыта эксплуатации оросительных каналов и крупных каналов комплексного назначения установлены основные причины их
ненадежной работы: деформации русла, заиление, обрушение откосов, подмывы берегов, зарастание водной растительностью, повреждения облицовок, разрушения стыков плит, значительная фильтрация, которые приводят к снижению гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов,
ухудшению их технического состояния, уменьшению их КПД и срока службы.
2. Предложены критерии эксплуатационной надежности каналов, учитывающие как гидравлические показатели работы (скорости, расходы), так и
комплексные показатели (КПД, показатель технического состояния), а также
показатели безопасности (вероятность безотказной работы).
В соответствии с данными статистической обработки выборки, включающей 25 объектов с нормальным состоянием русла, получено среднее значение показателя снижения пропускной способности крупных каналов ´ = 0,936
при среднеквадратическом отклонении значений σα´ = 0,097, что свидетельствует о снижении расходов при их эксплуатации для условий нормального
технического состояния по сравнению с проектными в среднем на 6,4 %.
3. Обоснованы значения коэффициентов допустимого снижения нормативных показателей, входящие в условия эксплуатационной надежности,
значения которых в результате статистической обработки натурных данных
составляют: коэффициент допустимого снижения пропускной способности
крупных каналов α0 = 0,047; коэффициент допустимого снижения КПД для
каналов в земляном русле β0 = 0,044 при среднем значении КПД = 0,838,
для каналов в облицовке β0 = 0,031 при = 0,947; коэффициент допустимого
снижения показателя технического состояния каналов σ0 = 0,029.
4. Разработана вероятностная модель эксплуатационной надежности
крупного канала при разделении его на отдельные элементы с последовательным, параллельным и комбинированным (последовательно-параллельным) соединением для условий независимости их отказов и наличия статистической
связи, которая проиллюстрирована примерами расчета.
22
5. Предложена вероятностная модель эксплуатационной надежности распределительных каналов различного порядка расходом до 10 м3/с. В результате
статистической обработки данных наблюдений установлены значения коэффициентов допустимого снижения: пропускной способности α0 = 0,03, КПД распределительных каналов в земляном русле β0 = 0,015 при = 0,754, в облицовке
β0 = 0,035 при = 0,854. Для оценки эксплуатационной надежности распределительных каналов предложены зависимости с учетом приведенных коэффициентов допустимого снижения основных показателей работы каналов, в том числе
расчетных расходов, требуемых КПД и уровней воды, обеспечивающих командование.
6. Используя закон редких явлений Пуассона, получены расчетные зависимости для оценки прогнозного срока службы каналов в земляном русле
и в облицовке. Анализ результатов проведения расчетов позволил установить
существенное влияния на продление срока службы каналов проведение ремонтно-профилактических мероприятий.
7. По результатам проведённых натурных гидравлических исследований, а также обобщения ранее полученных натурных данных других авторов
путем компьютерной обработки установлены новые эмпирические зависимости для определения значений коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений вида n = n(Q),
и λ = λ(Re) для земляных и облицованных русел в нормальном состоянии и при влиянии биопомех.
8. Выполненное сопоставление полученных зависимостей для определения значений коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений для облицованных русел каналов при нормальном их состоянии с
формулами других авторов, показало близкое совпадение результатов, полученных по нашим формулам с результатами, полученными по формулам
А.Д. Альтшуля, О.М. Айвазяна, А.П. Зегжды с уточнением автора, а также с
данными натурных наблюдений на пяти каналах расхождение не превышает
± 10 %.
Для земляных русел каналов как при отсутствии, так и при наличии их зарастания наиболее близкие значения коэффициента λ с натурными данными получены по формулам И.Ф. Карасёва и автора (отклонение не превышает ± 11 %).
9. Проведенный анализ натурных данных показал, что на оросительных
каналах Юга России при расходах до 10…30 м3/с превалирующим фактором
влияния на их гидравлическую эффективность является образование биопомех (зарастание русел водной растительностью и развитие макрофитов –
сине-зеленых водорослей), которые приводят к увеличению гидравлических
сопротивлений земляных и облицованных русел в 2-6 раз.
10. Для практического использования разработана методика оценки
гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и
предложен комплекс мероприятий по повышению работоспособности каналов при их эксплуатации, которые внедрены на двух объектах.
23
Основное содержание диссертационной работы отражено в
следующих работах:
Публикации в изданиях по перечню ВАК Российской Федерации
1. Косиченко Ю.М. Вероятностная модель эксплуатационной надежности крупных каналов [Текст] / Ю.М. Косиченко, Ю.И. Иовчу, М.Ю. Косиченко// Гидротехническое строительство. – 2007. – № 12. – С. 39-45.
Публикации в других изданиях
2. Косиченко Ю.М. Эксплуатационная надежность оросительных каналов [Текст] / Ю.М. Косиченко, Ю.И. Иовчу, М.Ю. Косиченко //Мелиорация и
водное хозяйство. – 2007. – №4. – С. 49-50.
3. Косиченко Ю.М. Гидравлическая эффективность и надежность
функционирования каналов оросительных систем [Текст] / М.Ю. Косиченко,
Ю.И. Иовчу // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические
науки, – 2008. – № 1. – С. 75-79.
4. Косиченко .М. Критерии эксплуатационной надежности оросительных каналов [Текст] / Ю.М. Косиченко, Ю.И. Иовчу, М.Ю. Косиченко //
Природообустройство. Научно-практический журнал. – М.: МГУП, – 2008. –
№1. – С. 70-74.
5. Косиченко Ю.М. Гидравлическая эффективность и эксплуатационная
надежность каналов и лотков по данным эксплуатации [Текст] / Ю.М. Косиченко, Ю.И. Иовчу // Совершенствование технологий и техники орошения в
современных условиях землепользования: Сборник научных трудов ФГНУ
«РосНИИПМ» // Под. ред. В.Н. Щедрина – Новочеркасск, 2005. – С. 32-41.
6. Косиченко Ю.М. Критерии эксплуатационной надежности оросительных каналов [Текст] / Ю.М. Косиченко, Ю.И. Иовчу // Новые технологии и
экологическая безопасность в мелиорации: Сборник научных докладов Международной (4-ой Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации». – 2007.
7. Иовчу Ю.И. Анализ натурных данных шероховатости и гидравлических сопротивлений каналов Юга России [Текст] / Ю.И. Иовчу // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. ст. ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред. В.Н. Щедрина. – Новочеркасск: ООО «Геликон», 2007. –
Вып. 38. – С. 53-60.
8. Иовчу Ю.И. Влияние условий эксплуатации на гидравлические сопротивления русел оросительных каналов [Текст] / Ю.И. Иовчу // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб ст. ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред. В.Н. Щедрина. – Новочеркасск: ООО «Геликон», 2007. –
Вып. 38. – С.60-64.
24
9. Иовчу Ю.И. Оценка прогнозного срока службы канала [Текст] / Ю.И.
Иовчу // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. ст.
ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред. В.Н. Щедрина. – Новочеркасск: ООО «Геликон», 2009. – Вып. 40. – Ч. I. – С. 83-90.
10. Щедрин В.Н. Методика расчета гидравлической эффективности и
эксплуатационной надежности оросительных каналов [Текст] / В.Н. Щедрин,
Ю.М. Косиченко, Ю.И. Иовчу. – М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ»,
2008. – 55 с.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа