Автореферат: Интенсификация эксплуатации и восстановления безнапорных водоотводящих сетей в уcловиях больших городов

Основными задачами обработки данных явилось выявление динамики изменения отдельных дестабилизирующих работу трубопроводов внешних факторов и их взаимовлияния на техническое состояние безнапорной трубопроводной сети. В результате анкетирования и обработки информации о состоянии подлежавших ремонту сетей общей протяженностью более 41 км выявлены и описаны в единой системе дестабилизирующие работу сети факторы и последствия их проявления. В качестве примера, на рисунке 1 представлена динамика изменения количества ремонтных участков погодам укладки.

Характер графиков рисунка 1 свидетельствует, что воздействию дестабилизирующих факторов наиболее подвержены участки 1956-1965 года укладки, что в последующем было учтено при разработке семантической и математической моделей работы сети, а затем создания алгоритма и автоматизированной программы очередности проведения восстановительных работ на безнапорных трубопроводах.

Рис. 1 Динамика изменения количества ремонтных участков по годам укладки

По результатам работы с архивными и анкетными данными выявлена результирующая информация о техническом состоянии подлежавших восстановлению трубопроводов и определены общие корреляционные зависимости для каждого и всех РЭКС. В таблице 1 приведена сводная информация по анализу фактора "глубина залегания трубопровода".

На базе данных таблицы 1 по физическому состоянию участков трубопроводов при различных глубинах их залегания в зависимости от места расположения участка, преобладающего типа нарушения герметичности, наличия препятствий течению сточной жидкости, типа нарушений в стыках и типа деформации были построены соответствующие математические зависимости, которые позволили на следующем этапе работы произвести рейтинговую (балльную) оценку факторов.

В качестве общих выводов по анализу динамики роста повреждений на участках труб следует отметить, что дестабилизирующему фактору "Глубина залегания" необходимо уделять существенное внимание. С увеличением глубины залегания трубопровода увеличивается количество различных дефектов (патологий). Аналогичная зависимость проявлялась для дестабилизирующего фактора "Наличие грунтовых вод" от глубины залегания трубопровода. По результатам обработки данных выявлена следующая тенденция: наличие воды над трубопроводом при заложении его на глубинах 3,5-4,0 м наблюдается в 46,9-54,5 % случаев; на средних глубинах залегания (2,5 - 3,0 м) количество случаев наличия воды над трубопроводом снижается до 25,5 - 34,3 %, а при малых глубинах (1,5 - 2,0 м) составляет 10, 0 - 21,7 %. В качестве выводов было отмечено, что учет дестабилизирующего работу сети фактора "Наличие грунтовых вод над трубопроводом" при определении приоритетных объектов реновации должен быть расширен сведениями об агрессивности подземных вод к материалу трубопровода и стыковочным узлам, т.е. необходимости учета степени минерализации окружающей трубопровод подземной воды (слабоминерализованная, среднеминерализованная и высокоминерализованная).

Полученные выводы по динамике изменения отдельных факторов использованы в дальнейших исследованиях для разработки стратегии проведения восстановительных работ на водоотводящих сетях.

Глава 3 является логическим продолжением предыдущих исследований дестабилизирующих работу безнапорной сети факторов и посвящена разработке баз данных, физической и математической моделей работы системы самотечных трубопроводов на основе результатов теледиагностики и инженерных изысканий, а также созданию алгоритма и программы очередности восстановления водоотводящих трубопроводов, в основе которых лежат рейтинговые значения (баллы значимости) участков сети.

На основе использования графово-матричного метода с учетом результатов, описывающих динамику изменения отдельных дестабилизирующих факторов установлены ранги значимости каждого дестабилизирующего фактора, проведено ранжирование элементов состояния факторов и разработан вариант паспорта ранжирования трубопровода на основании балльной системы.

Таблица 1 Сводная информация по анализу фактора "Глубина залегания трубопровода"

Определение соответствующих баллов (рейтингов) значимости каждого фактора и элементов его состояния базировалось на установленных связях, выраженных полученными ранее различными (в количестве 18) математическими зависимостями. В качестве примера, зависимость количества ремонтных участков (Y) от глубины залегания (X) труб под проезжей частью дорог оценивалось степенной зависимостью Y = 1,7205x^2,0428, динамика интенсивности засоров для керамических труб в зависимости от их диаметров - экспоненциальной зависимостью вида Y = 17,787е^-0,0209 и т.д.

На основании результатов статистической обработки натурных данных по дефектам водоотводящих сетей и опыта эксплуатации автором предложена следующая иерархическая последовательность принятие решения о планировании проведения ремонтно-восстановительных работ на безнапорной водоотводящей сети: I. "отсев неблагоприятных участков", т.е. участков сети с превышенным нормативным сроком эксплуатации, явными структурными и функциональными дефектами, например, выявленными по результатам визуального осмотра или средствами теледиагностики, а также значительной степенью (частотой) засоряемости; II. выбор приоритетных объектов восстановления из числа "отсеенных" на основе комплексной ущербности по совокупности воздействия дестабилизирующих факторов; III. выбор первоочередных объектов восстановления из числа приоритетных (по распечатанному списку) на базе таких характеристик участков как: вид сети (дворовая, городская), значимость их в системе водоотведения города, количества и характера обслуживаемых ими абонентов, возможности переключений при ремонте, экологической опасности в случае аварийной ситуации и другие.

Предлагаемая автором трёхуровневая иерархическая система позволит специалистам комплексно и научно обоснованно подойти к поиску наиболее ущербного участка и планированию на нем соответствующих восстановительных работ с минимальными ошибками в выборе метода реновации. За критерий выбора приоритетного для восстановления участка водоотводящей сети принимается максимальный балл, характеризующий степень его ущербности по комплексу показателей.

Приведён пример использования автоматизированной программы для решения конкретной задачи выбора объектов реновации и распределения участков сетей по приоритетности реновации в зависимости от коэффициентов относительной значимости, назначаемых эксплуатирующими организациями в зависимости от их возможностей и конкретных обстоятельств.

Четвёртая глава посвящена результатам стендовых натурных гидравлических исследований по оценке совместимости труб, выполненных из различных материалов (покрытий).

Целью проводимых натурных экспериментов являлось: определение коэффициентов Шези С, Дарси л, гидравлических элементов потока и других параметров для труб из различных материалов; использование полученных опытных значений коэффициента Шези С и наполнения h/d в качестве критерия приближенного гидравлического подобия и построение унифицированных таблиц гидравлического расчета труб из разных материалов (или с различными защитными покрытиями); выявление условий гидравлической совместимости участков трубопровода, расчета и проектирования самотечных трубопроводов выполненных из различных материалов.

В качестве исследуемых на стенде ремонтных материалов трубопроводов рассмотрены следующие: тонкий полимерный рукав, нанесенный на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм; полиэтиленовая труба ПНД ГОСТ 18599-03 110С 200 условным диаметром 100 мм; цементно-песчаное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм (с учетом защитного слоя внутренний диаметр нового трубопровода составляет 90 мм).

Для проведения натурных экспериментов был запроектирован (при участии автора) и смонтирован опытный поверочный гидравлический стенд (лаборатория кафедры водоснабжения МГСУ, Ярославское шоссе, 26, аудитория 112 в). Стенд включает две емкости (накопительную габаритами 2х2х1 м и промежуточную 2х1х0,8 м), расположенные на расстоянии 15 м друг от друга, экстакаду с жестко закрепленными на ней тремя параллельными трубопроводами диаметрами 100 мм (двумя стальными с полимерным и цементно-песчаным покрытиями и полиэтиленовым). Эстакада выполнена с возможностью изменения уклона трубопроводов за счет механического домкрата, обеспечивая диапазон уклонов i=0,001-0,035. На трех трубопроводах в двух точках с расстоянием между ними 10 м установлены пьезометры и трубки Пито для отбора статического и динамического давлений.

Для подачи воды использовались два центробежных насоса марки АЦМП-80А/130-3,0/2 (расход 43,2 м³/ч, напор 13,6 м, n = 2900 об/мин) с регулируемым автоматическим приводом, обеспечивающим изменение частоты вращения рабочего колеса от 0 до 2900 об/ мин.

Эскиз опытной установки представлен на рисунке 2.

Для проведения экспериментов автором была разработана специальная комплексная методика, сущность которой выражалась в следующей последовательности действий: снятие показаний давлений с пьезометров и трубок Пито, определения величин наполнений и скоростных напоров V^2/2g в живых сечениях с последующим расчетом скоростей воды в каждом сечении, подсчета средней скорости потока и потерь напора на экспериментальном участке по формуле Дарси-Вейсбаха в широком диапазоне уклонов трубопроводов (0,005-0,03); замер расхода воды объемным методом с последующим расчетом средних значений гидравлических элементов потока для трубопровода соответствующего диаметра и определения величин коэффициентов Шези С и Дарси л с построением эмпирических и полуэмпирических зависимостей С=f (i), С=f (R), С=f (h/d) и л=f (h/d); использование полученных зависимостей для перехода от исследуемого диаметра (100 мм) к большим диаметрам (150, 200 мм и т.д.) с построением таблиц гидравлического расчета для каждого трубопровода с соответствующим покрытием; оценка гидравлической совместимости при решении конкретных вопросов проектирования ремонта безнапорных трубопроводов как традиционным траншейным, так и бестраншейным методом, т.е. определения оптимальных уклонов и скоростей течения при требуемых расходах протекаемой жидкости.

Рис.2 Эскиз экспериментального стенда

На рисунке 3 представлены наиболее характерные сводные зависимости С=f (R) по полученным полуэмпирическим формулам для 4-х типов труб (для керамической трубы использованы данные из таблицы Лукиных Н. А.).

Согласно кривым, представленным на рисунке 3, для расчетных наполнений 0,5 и одинаковых уклонах значения коэффициентов Шези С больше всего для полимерного покрытия и меньше всего для керамической трубы, что свидетельствует о большей скорости течения воды и соответственно большей пропускной способности труб из исследуемых материалов согласно формуле Шези: .

Рис. 3 Сводные графики зависимостей С= f(R)

Приведены примеры практического использования результатов работы для оценки гидравлической совместимости при нескольких вариантах проектирования ремонтно-восстановительных работ бестраншейным методом: нанесения на внутреннюю поверхность трубопровода цементно-песчаного покрытия; то же полимерного покрытия; протягивания в старый трубопровод новой полиэтиленовой трубы меньшего диаметра; разрушения старого трубопровода и протягивание в освободившееся пространство с сохранением проектного уклона новой полиэтиленовой трубы идентичного диаметра; протягивания в свободном подземном пространстве новой полиэтиленовой трубы идентичного, меньшего или большего диаметра.

В пятой главе приведены технико-экономические показатели различных вариантов принятия решения по реновации трубопровода несколькими описанными выше бестраншейными методами с учетом гидравлической совместимости труб. Сравнение проводилось по базовым стоимостным показателям отдельных методов (на 1 пог. м трубопровода. В результате сопоставительного анализа технико-экономических и гидравлических показателей для конкретной задачи реновации наиболее ущербного сети установлено, что при минимальном значении гидравлического дисбаланса (12,6 %) оптимальным вариантом реновации может являться протягивание в свободном подземном пространстве новой полиэтиленовой трубы идентичного диаметра (базовые затраты на 1 пог. м составят 751,33 рубля), а наиболее дорогим разрушение старого трубопровода и протягивание нового полимерного (базовые затраты на 1 пог. м составят 3381,36 рублей) при большем гидравлическом дисбалансе (18,56 %). Таким образом, может быть достигнута экономия средств порядка 45 % при относительных гарантиях сохранения гидравлических показателей.

Основные выводы