CC BY
38
Обоснование продления срока эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин
М.А. Бандурин, И.П. Бандурина
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 р 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 м /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 Кпс.: Кпс]=1-Ф пс
где
Ф пс - физический износ или отказ элементов системы или подсистемы,
который определяется по формуле:
Хф к • 2 ф = -
п.с. т
3=1
Ф^ - физический износ сооружений подсистемы различного характера;
2j - коэффициенты влияния различного характера сооружений на состояние
других;
т -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]:
Р
Фк =ЕФг '77"
г=1 Рк
где
Ф; - физический износ элементов сооружения;
2
Р1 - размеры (площадь или длина) поврежденного участка, м или м; Рк - размеры всей конструкции, м2 или м; п - 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. 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
-619976,85
130279,01
704871,72
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
129,6
0
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 ЮжноРоссийского 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 Matériaux 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.
