Методы и вероятностные модели оценки гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности оросительных каналов – часть 1

Сельское хозяйство      Постоянная ссылка | Все категории

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

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: mailbox@msuee. ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Московского государственного университета природообустройства

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Д220.045.02 Евдокимова И. М.

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;

- 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 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 научно-технических 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, 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 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

№ п/п

Канал

Q, м3/с

n

nпр

а) каналы в земляном русле:

1

Большой Ставропольский

(Головной участок)

172,37

0,0238

0,0225

0,945

2

Саратовский

18,3

0,019

0,020

1,053

3

Палласовский

15,0

0,017

0,020

1,176

4

Донской МК

201,0

0,0268

0,0200

0,746

5

Терско-Кумский

80,0

0,0237

0,0200

0,844

6

БСК-1, 1-я очередь

80,0

0,0259

0,0225

0,869

7

Невинномысский

75,0

0,0225

0,0200

0,889

8

Северо-Крымский

62,5

0,0224

0,0200

0,890

9

Баксан-Малка

27,5

0,0225

0,0225

1,0

10

Нижне-Донской МК

25,6

0,0374*

0,0250

0,602*

11

Азовский МК

15,0

0,0554*

0,0250

0,451*

б) каналы в облицовке:

12

БСК-3, 3-я очередь

46,5

0,0172

0,0170

0,988

13

Северский Донец-Донбасс

17,0

0,0190

0,0170

0,894

14

Самур-Апшеронский

55,0

0,0170

0,0170

1,0

15

Каршинский МК

175,0

0,0179

0,0170

0,949

16

Северо-Крымский

290,0

0,0190

0,0170

0,894

17

Северский Донец-Донбасс (б. Ср. Ступки)

17,0

0,0290*

0,0170

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).

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 , среднеквадратическое отклонение , ошибка среднестатистического значения .

Значения коэффициента допустимого снижения пропускной способности крупных каналов были нами найдены как половина величины изменения доверительного варианта его варьирования:

,

где tα, к – значение квантиля статистики ,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 , 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 , 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 , а коэффициент его допустимого снижения – σ0 = 0,029.

Сельское хозяйство      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника