Обоснование продления срока эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин
Аннотация
Дата поступления статьи: 11.06.2014Проблема обоснования продления срока эксплуатации гидротехнических сооружений России находится неудовлетворительном в состоянии, требующем модернизации и реконструкции. При шлюзовании наибольшее распространение нашли в качестве регулирующего органа управления сооружения водосливы низконапорных щитовых плотин с металлическими поворотными фермами Наибольшее распространение, при оценке остаточного ресурса несущих элементов конструкций водопроводящих сооружений, имеет интегральная оценка риска аварии. Разработана концепция обоснования продления срока эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин, на примере несущих отдельных конструкций-элементов, сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин, основанная на моделировании процесса нагружения от различных дефектов и повреждений вследствие длительной эксплуатации.
Ключевые слова: водопроводящие сооружения, сборные водоподъемные низконапорные щитовые плотины , моделирование, техническое состояние, остаточный ресурс.
Протяженность речной сети на территории Российской Федерации (РФ) более 2,37 млн. км включающая в себя свыше 125 тыс. рек которые могут быть использованы для судоходства. Длина внутренних судоходных путей всей РФ составляет более 100 тыс. км, наиболее важные на юге РФ включают в себя шлюзованные участки водной системы р. Дон и его притока p Северский Донец.
При шлюзовании наибольшее распространение нашли в качестве регулирующего органа управления сооружения водосливы низконапорных щитовых плотин с металлическими поворотными фермами, предложенными французским инженером – В.П. Поаре в качестве несущих конструкции [1]. Отдельные сооружения, построенные еще в конце XIX века для судоходства, используются при шлюзовании для обеспечения технической судоходной глубины на подпертых участках рек по настоящее время. Например, только в водном бассейне Нижнего Дона построено в середине XX века 8 гидроузлов. Наиболее крупные из них, для поднятия уровня воды для судоходства -Кочетовский, Апаринский, Николаевский, Краснодонецкий.
С середины XX века конструктивная схема данной низконапорной щитовой плотины с металлическими поворотными фермами получила большое применение сначала не только на судоходных, но и затем ее стали активно применять на малых реках с максимальным расходом около 1% обеспеченности до 400 м3/с. Такое распространение обусловлено простотой монтажа и дальнейшей эксплуатацией, что очень важно, так как большинство объектов находятся далеко от индустриальных центров, а также надежностью конструкционных элементов. Быстрота технологической выполняемости разборки-сборки, возможность мобильного регулирования расходов стока в широком диапазоне, а также высокий уровень безопасности в случае катастрофического паводка и экономическая целесообразность применения плотины, являются одними из главных достоинствами ее использования. Учитывая возможность выполнения быстрой разборки и сборки металлических ферм с освобождением всего сечения русла реки для пропуска ледохода и продолжительный срок эксплуатации, применение их и в дальнейшем целесообразно, особенно применимо для мобильной ликвидации возникающих чрезвычайных ситуаций, для рек с высокой сезонной вероятностью схода катастрофических паводков на юге РФ [2].
Наибольшее распространение, при оценке остаточного ресурса несущих элементов конструкций водопроводящих сооружений, имеет интегральная оценка риска аварии [3]:
Она позволяет установить безопасный срок продолжительности их технической эксплуатации, либо применить различные технические ограничения как к самому сооружению либо к его отдельным элементам [4].
Остаточный ресурс для безопасной технической эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин устанавливается как функции системного анализа с последующей разработкой структурно-аналоговой схемы статической и динамической систем с выделением отдельно подсистем от различных сочетаний усилий на конструкционную схему. Производится классификация ресурса системы, является надежность ее элементов, а именно безотказность эксплуатации во времени. Данные технические условия определяются, когда каждый элемент системы может безопасно производит эксплуатацию в работоспособном состоянии, избегая критического состояния или отказа [5].
Коэффициент надежности подсистемы, характеризующий работоспособность Rn.c.: 
где 
– физический износ или отказ элементов системы или подсистемы, который определяется по формуле: 
– физический износ сооружений подсистемы различного характера;
– коэффициенты влияния различного характера сооружений на состояние других;
m –количество видов элементов в сооружений.
Произведя последующее моделирования эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин на ЭВМ можем, получит критерии физического износа отдельных элементов [6, 7]. Одной из главных проблем определения остаточного ресурса является определение физического износа сооружения в целом во времени. Была разработана модель плотины (рис. 1) с различными сочетаниями, как с нагружениями, так и с дефектами от долгой эксплуатации.
Рис. 1. Общий вид модели на ЭВМ сборной водоподъемной низконапорной щитовой плотины
Физический износ сооружений [8, 9]: 
где 
– физический износ элементов сооружения;
Рi– размеры (площадь или длина) поврежденного участка, м2 или м;
Pk – размеры всей конструкции, м2 или м;
n – число поврежденных участков.
В ходе проделанного расчета получены эпюры различных сочетаний усилий (рис. 2 - 6) от комбинаций сочетаний, как нагрузок, так и различных дефектов плотины.
Рис. 2. Эпюра растягивающих и сжимающих усилий
По эпюрам усилий (рис 2 - 6) можно классифицировать техническое состояние каждого элемента, например как стержней, так и пластин, при различных как небольших дефектах, так и опасных повреждениях элементов, входящих в конструкцию [10, 11].
Рис. 3. Эпюра перерезывающих усилий
Рис. 4. Эпюра крутящего момента
Рис. 5. Эпюра изгибающего момента вокруг по горизонтали сооружения
Рис. 6. Эпюра изгибающего момента вокруг по вертикали сооружения
В ходе моделирования получены изополя напряжений (рис. 7 - 8) несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин для последующего прогнозирования обоснования продления срока надежной их эксплуатации [12].
Рис. 7. Эпюра изополей напряжений по горизонтали сооружения
Рис. 8. Эпюра изополей напряжений по вертикали сооружения
Эпюра изополей перемещений (рис. 9) отвечает за надежность сооружения, зависящую от жесткости, как отдельных элементов, так и всей конструкции в целом [13, 14].
Рис. 9. Эпюра изополей перемещений элементов
Разработана концепция обоснования продления срока эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин, на примере несущих отдельных конструкций-элементов, сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин, основанная на моделировании процесса нагружения от различных дефектов и повреждений вследствие длительной эксплуатации. Данное обоснование основано на моделировании, учитывающем различные характеры изменения во времени различных силовых нагрузок на сооружение в целом.
Допустимое обоснование продления срока эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин устанавливается на основании установленного порядка расчетно-экспериментальных исследований.
Литература:
1. Wright A.G. International team to plug leaky dam with secant pile wall / ENR. 2002. V. 248. № 24. P. 14.
2. Бандурин М.А. Совершенствование методов проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений [Текст] // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2013. № 1. С. 68-79.
3. Бандурина И.П. Социальный капитал и социальный контроль в экономике России: роль экологических организаций [Текст] // Вестник Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Серия: Социально-экономические науки. 2011. № 3. С. 293-299.
4. Бандурин В.А. Численное моделирование объемного противофильтрационного геотекстильного покрытия с изменяемой высотой ребра [Электронный ресурс] / В.А. Бандурин, М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1911 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
5. Бандурин М.А. Проблемы оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/891 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
6. Бандурин М.А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/861 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
7. Бандурин М.А. Мониторинг и расчет остаточного ресурса аварийных мостовых переездов через водопроводящие сооружения [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1260 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
8. Fairbairn E.M. Numerical simulation of dam construction using low-CO2-emission concrete / E.M. Fairbairn, I.A. Ferreira // Materials and Structures Materiaux et Constructions. 2010. V. 43. № 8. P. 1061-1074.
8. Бандурин М.А. Мониторинг напряженно-деформированного состояния мостовых переездов на водопроводящих каналах [Текст] // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2012. № 4. С. 110-124.
9. Дьяченко В.Б. Мониторинг длительно эксплуатируемых мелиоративных систем с помощью неразрушающих методов диагностики [Текст] / В.Б. Дьяченко, М.А. Бандурин. // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2009. Т. 1. № 21. С. 169-171.
10. Бандурин В.А. Методы моделирования напряженно-деформированного состояния для определения остаточного ресурса железобетонного консольного водосброса при различных граничных условиях [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин, В.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2039 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
11. Бандурин М.А. Совершенствование методов продления жизненного цикла технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2013, №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1510 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
12. Бандурин М.А.Применение программно-технического комплекса для решения задачи проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1200 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
13. Бандурин М.А. Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния Ташлинского дюкера на Право-Егорлыкском канале [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/889 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
14. Бандурин М.А. Проблемы определения остаточного ресурса технического состояния закрытых водосбросов низконапорных гидроузлов [Электронный ресурс] / М.А. Бандурин // «Инженерный вестник Дона», 2014, №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2279 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.