11
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Интенсификация эксплуатации и восстановления безнапорных водоотводящих сетей в уcловиях больших городов
Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация,
строительные системы охраны водных ресурсов
Хантаев Ислам Саидамиевич
Москва 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор
Орлов Владимир Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Алексеев Леонид Сергеевич;
кандидат технических наук
Харькин Владислав Альбертович
Ведущая организация ГУП "НИИМосстрой"
Защита диссертации состоится "___" ___________ 2009 г. в ауд. № ______
в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д.26
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.
Автореферат разослан "____" _____________ 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Алексеев Е.В.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Активное строительство водоотводящих сетей в Москве началось в конце ХIХ века и в основном завершилось в 50-60 годы. В настоящее время около 60% водоотводящих сетей г. Москвы находится в первозданном виде. Это приводит к тому, что из-за её ветхости ежегодно увеличивается число аварий на сетях, ведущих к серьезным экономическим и социальным последствиям: подтоплению территорий, изливу сточных вод на рельеф местности, нарушению эффективной работы канализационных очистных сооружений за счет спонтанного увеличения или уменьшения расхода поступающих на обработку сточных вод и т.д.
В крупных городах России в настоящий момент вопрос предупреждения выхода из строя водоотводящих сетей приобретает особую актуальность. В коммунальном секторе старение трубопроводных коммуникаций и другого оборудования достигли критических уровней: свыше 70% находятся в неудовлетворительном состоянии. Из общей протяженности российских водоотводящих сетей в 163 тыс. км немедленной замены требуют 58 тыс. км.
В связи со сложившейся ситуацией для реализации долгосрочных экономических, социальных и экологических проблем, стоящих перед современным городом в рамках реформирования ЖКХ, решение задачи интенсификации эксплуатации сетей, предотвращения или сокращения аварий и раннего старения трубопроводов становится одной из актуальнейших проблем коммунальных служб большинства регионов РФ.
Современные тенденции широкого использования в коммунальном хозяйстве новых труб из различных материалов (в том числе синтетических) в период ремонта и модернизации старых сетей приводят к тому, что водоотводящая сеть городов из года в год становится все более разнородной, что сказывается на трудностях оценки гидравлических показателей. Поэтому при проектировании ремонта и проведения восстановительных работ на водоотводящих сетях, а также их эксплуатации значительная роль должна отводиться гидравлической составляющей для исключения или сведения до минимума гидравлического дисбаланса.
Цели и задачи работы.
Целью настоящей работы является:
проведение анализа факторов, дестабилизирующих работу безнапорной водоотводящей сети Московской канализации по отдельным районам эксплуатации канализационной сети (РЭКС);
выявление превалирующих дестабилизирующих факторов для условий Москвы на основе результатов визуального осмотра, инженерных изысканий и теледиагностики трубопроводов (видеоархива МГУП "Мосводоканал");
определение функциональных зависимостей между различными дестабилизирующими факторами в единой системе воздействия на трубопровод и выявление рейтинговой значимости факторов (проведение ранжирования факторов по балльной системе);
составление паспорта ранжирования участков сети и разработка автоматизированной программы очередности восстановления водоотводящих трубопроводов;
проведение комплексных гидравлических экспериментов на безнапорных трубопроводах в целях оценки совместимости труб из различных материалов и их влияния на интенсификацию работы водоотводящей сети.
Для достижения поставленной цели были решены частные задачи:
выявлены и детально рассмотрены внешние факторы, оказывающие прямое и косвенное влияние на техническое состояние и эффективность эксплуатации водоотводящей сети, т.е. на повышение надёжности её работы;
разработаны научно-обоснованные методические подходы к определению объекта восстановления и значимости гидравлической составляющей при выборе соответствующего метода ремонта сетей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
по архивным и другим материалам проведен комплексный анализ и получена общая картина проявления и взаимовлияния основных дестабилизирующих работу безнапорной водоотводящей сети факторов; установлены функциональные зависимости между различными дестабилизирующими факторами и динамика изменения их элементов состояния;
по результатам обработки статистических данных по всем РЭКС выявлена значимость факторов "наличие подземных вод", "глубина залегания трубопроводов", "дефекты внутренней поверхности", "деформация тела трубы" и "нарушение в стыках";
произведена корреляция результатов практических исследований по обработке статистических данных МГУП "Мосводоканал" и теоретических выкладок на основе графово-матричного метода; произведено рейтинговое моделирование, разработан технический паспорт участка сети, создана автоматизированная программы поиска наиболее ущербного участка водоотводящей сети;
разработана и испытана специальная конструкция гидравлического поверочного стенда для труб диаметром 100 мм; разработана унифицированная методика проведение экспериментов на поверочных стендах;
установлены полуэмпирические зависимости С=f (R), т.е. коэффициента Шези С от гидравлического радиуса R для новых материалов труб (покрытий).
Практическая значимость работы состоит в разработке системного подхода к поэтапному решению задач интенсификации проектирования и эксплуатации безнапорных водоотводящих сетей, а именно:
автоматизированного поиска и составления перечня первоочередных и приоритетных объектов восстановления на базе детальной паспортизации участков сети с рекомендацией оптимального метода реновации объектов;
водоотводящая сеть безнапорная канализация
построения унифицированных таблиц гидравлического расчета для трубопроводов с полимерным покрытием, с цементно-песчаным покрытием и полиэтиленовых труб.
На защиту выносятся:
результаты исследований по выявлению и анализу дестабилизирующих работу безнапорной водоотводящей сети факторов;
рейтинговое моделирование и создание алгоритма и автоматизированной программы поиска наиболее ущербного участка безнапорной водоотводящей сети;
результаты опытно-промышленных исследований по определению гидравлических параметров работы трубопроводов из различных материалов (покрытий) и условия их гидравлической совместимости.
Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты стендовых гидравлических исследований докладывались на: Общероссийской научно-практической конференции по бестраншейным технологиям, 21-23 ноября 2006 г. в МГГУ (Московский государственный горный университет); конкурсе молодых ученых и инженеров ГУП "МосводоканалНИИпроект" (Диплом лауреата I степени) 6 апреля 2007 года; Всероссийской научно-практическая конференция аспирантов и студентов "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях" (Диплом лауреата I степени), 26-27 июня 2007 г. в Москве, ВДНХ.
Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 78 наименований. Общий объём диссертационной работы: 148 страниц машинописного текста, 38 таблиц, 54 рисунка, приложения.
Основное содержание работы
В первой главе на базе литературных источников произведен анализ факторов, дестабилизирующих нормальную работу водоотводящей сети с отражением специфики ее эксплуатации в больших городах-мегаполисах (Москва, Санкт-Петербург и других крупных городов, в том числе зарубежных).
В результате обработки литературных источников изучен и творчески переработан опыт выдающихся ученых, занимавшихся вопросами надежности водоотводящих сетей, оценки их состояния и интенсификации эксплуатации, а также совершенствования гидравлического расчета. К таким работам в первую очередь относятся труды Яковлева С.В., Воронова Ю.В., Альтшуля А.Д., Лукиных Н.А., Шевелева Ф.А., Калицуна В.И., Кармазинова Ф.В. Храменкова С.В., Примина О.Г., Ермолина Ю.А., Алексеева М.И., Шези А. (Франция), Гончаренко Д.Ф., Коринько И.В. (оба из Украины), Куличковского А., Звиршовской А. (оба из Польши) и многих других.
Обобщая разработки отечественных и зарубежных ученых и специалистов в диссертации отмечается, что к основным факторам и воздействиям, дестабилизирующим надежную работу трубопроводов городских водоотводящих сетей могут быть отнесены следующие: год укладки; толщина стенки; нарушения в стыках труб; дефекты внутренней поверхности; засоры различного происхождения; нарушение герметичности в теле трубы; деформация тела трубы; глубина залегания труб; состояние грунтов вокруг трубопровода; наличие подземных вод вокруг трубопровода; интенсивность транспортных потоков.
На основе выявления и предварительной оценки факторов был сделан вывод о необходимости установки между ними прямой или косвенной связи в системе, которая может быть осуществлена путем использования математического аппарата, в частности, построения физических и математических моделей на базе широкого использования результатов теледиагностических и инженерно-изыскательских работ на трассе.
Богатый опыт МГУП "Мосводоканал" свидетельствует, что важнейшую роль в определении первоочередного объекта реновации на водоотводящей сети играет фактор "наличие засоров различного происхождения", на чем сегодня строится практика выбора объектов восстановления (особенно для труб диаметром от 100 до 250 мм). Однако сущность и причины проявления данного частного фактора пока полностью не раскрыты, несмотря на имеющийся в подразделениях значительный статистический материал по засоряемости действующих безнапорных водоотводящих сетей. Из литературных источников следует, что причиной засоров может служить гидравлическая несовместимость участков труб из различных материалов вблизи стыков. По этому вопросу авторами публикаций, к сожалению, представлены лишь теоретические выкладки, не подтвержденные практическим опытом. Таким образом, вопросы гидравлической совместимости, а точнее определение вариантов оптимального подбора материала трубопроводов по соответствующим гидравлическим характеристикам, также были положены автором диссертации для рассмотрения и последующей интерпретации с учетом реальных условий эксплуатации.
В диссертации анализируется опыт ряда зарубежных стран (Германии, Франции, Великобритании, Польши, Украины и т.д.) в выборе подходов к разработке стратегии реновации сетей.
Согласно литературным источникам в крупных городах Европы (Гамбург, Дюссельдорф, Лондон, Копенгаген, Ливерпуль и других) на сегодняшний день не существует какого-либо единого и целенаправленного подхода к реновации водоотводящих сетей, а также сколько-нибудь законченной стратегии выбора приоритетного объекта санации или обновления. При этом обращает на себя внимание отсутствие такого важного компонента системы как ранжирование участков сетей по тому или иному признаку на приоритетность к реновации. За критерий выбора объекта ремонта или реконструкции берётся аварийная ситуация на сети или предпочтение отдается проведению восстановительных работ на том или ином объекте по финансовым соображениям. Налицо нередка и такая ситуация, когда плановых инспекционных обследований и диагностики не производится и, таким образом, стратегии широкомасштабного устранения дефектов не существует (например, в Ливерпуле). В этом случае городские коммунальные службы руководствуются так называемой стратегией "пожарной команды" или "штопанья дыр". Иногда критерием принятия решений является лишь совокупность дефектов (в основном в процентном выражении по отношению к длине трубопровода) без выявления среди них какого-либо приоритетного.
Анализ литературных источников показал, что препятствием разработки стратегии реновации сетей может служить и достаточно разрозненный характер имеющейся информации, особенно для участков сетей, находящихся в эксплуатации несколько десятилетий. Это можно объяснить следующим: неполной информацией о трубопроводе (включая, в частности, его возраст, интенсивность отказов и т.д.); недостаточной информацией о структуре окружающей почвы, горизонте грунтовых вод; отсутствием достоверных данных об эффективности эксплуатации за весь период работы трубопровода. При этом для выбора объекта реновации чаще других рассмотрению подлежат следующие критерии: ситуация с грунтовыми водами, качественные характеристики воды, степень инфильтрации и эксфильтрации и другие показатели. Однако до настоящего момента не выделена их взаимосвязь и очередность рассмотрения. В конце первой главе сформулирована постановка задачи исследований, которые представлены автором в разделе цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе произведена комплексная оценка состояния подлежавших ремонту безнапорных водоотводящих керамических и чугунных трубопроводов диаметром 150-250 мм, принадлежащих 10 районам эксплуатации канализационной сети (РЭКС). Представлен детальный анализ внешних дестабилизирующих работу водоотводящей сети факторов на основе собранных статистических материалов по проектированию, эксплуатации и ремонту за 2002-2005 годы, а также анкетированию и натурных данных по визуальному осмотру и теледиагностики (материалы видеоархива) выборочных участков.