Надежность бетонных и железобетонных облицовок магистральных каналов, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(25), 2017 г., [161-177]

Азербайджанское научно-производственное объединение «Гидротехника и мелиорация»,

НАДЕЖНОСТЬ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБЛИЦОВОК МАГИСТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В РАЗЛИЧНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

А.А. Вердиев

Аннотация

инженерный бетонный железобетонный облицовка

Целью исследований являлось изучение степени влияния инженерно-геологических условий на надежность облицовок магистральных каналов, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях. В соответствии с поставленной целью исследования проводились в двух направлениях: изучение факторов, влияющих на возникновение разрушения, растрескивания и других нарушений целостности бетонных и железобетонных облицовок магистральных каналов, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях; роль инженерно-геологических условий в изменении технического состояния облицовок каналов. Выполнены соответствующие полевые и лабораторные работы на трассе Самур-Апшеронского, Акстафачайского (правый берег) и Машинной ветви Южно-Муганского магистральных каналов, расположенных на территории Азербайджанской Республики и эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях. Исследования проведены на основе общепринятых методов, применяемых в инженерной геологии и гидротехнике, а также определения качества строительных материалов. Результаты исследований обработаны методами математической статистики и теории вероятности. Выполнена оценка надежности различных частей и элементов сооружений с использованием критериев надежности водохозяйственных систем. Установлено, что вероятность безотказной работы бетонных и железобетонных облицовок для Машинной ветви Южно-Муганского магистрального канала в среднем составляет 12,81 года, Акстафачайского правобережнего канала - 9,39 года, Самур-Апшеронского канала на участке между реками Ситалчай и Сумгаитчай - 3,73 года, а на участке канала протяженностью в 50 км - 11,12 лет.

Ключевые слова: магистральный канал, набухание, просадка, глинистые грунты, облицовка канала, показатель надежности.

Annotation

A. A. Verdiyev

Azerbaijan Scientific-Production Association of Hydraulic Engineering and Land Reclamation, Baku, Azerbaijan Republic

RELIABILITY OF CONCRETE AND REINFORCED CONCRETE LINING OF MAIN CANALS OPERATED UNDER VARIOUS ENGINEERING - GEOLOGICAL CONDITIONS

The aim of research was to investigate the degree of geological conditions influence on main canals lining reliability operating in various engineering-geological conditions. In accordance with the target goal the study was carried out in two directions: the study of factors affecting the occurrence of fracture, cracking and other violations of the concrete and reinforced concrete lining integrity of main canals operated under different engineering-geological conditions; the role of engineering-geological conditions in changing canal lining technical state. The appropriate field and laboratory work on the road of the Samur-Absheron, the Akstafachayskiy (right bank) and Mashinnaya branch of the South-Mugan main canals, located in the Republic of Azerbaijan and operated under a variety of engineering and geological conditions are performed. Investigations were conducted on the basis of generally accepted methods used in engineering geology and hydraulic engineering, as well as determining the constructed materials quality. The research results are processed by mathematical statistics and probability theory methods. The evaluation of reliability of various parts and elements of buildings, using the criteria of water supply systems reliability was carried out. It was found out that the probability of failure-free operation of concrete and reinforced concrete linings for Mashinnnaya branch of the South-Mugan main canal is on average 12.81 years, the Akstafachayskiy Pravoberezhnyy canal is 9.39 years, the Samur-Absheron canal on the site between the rivers Sitalchay and Sumgaitchay is 3.73 years, and on the canal section of 50 km long it is 11.12 years.

Keywords: main canal, swelling, subsidence, clay soils, canal lining, reliability index.

Введение

Облицовки магистральных каналов (МК) эксплуатируются в различной среде, и их надежность зависит от многих факторов: качества материалов, технологических процессов, условий эксплуатации, а также инженерно-геологических и гидрогеологических условий. В работах по исследованию надежности каналов В. С. Алтунина [1], Ц. Е. Мирцхулава [2], А. Г. Алимова [3], Ю. М. Косиченко [4, 5] указаны технико-экономические показатели различных типов облицовок, рассмотрены факторы, влияющие на надежность каналов, и предложены пути повышения их надежности. Часто в практике встречаются случаи разрушения облицовок МК, связанные со сложными инженерно-геологическими условиями. В связи с чем, исследования надежности облицовок МК, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях, является актуальным.

Целью настоящих исследований являлось изучение степени влияния инженерно-геологических условий на надежность облицовок магистральных каналов, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических
условиях.

Разработка соответствующих мероприятий по увеличению надежности МК с облицовкой, проектируемых для работы в сложных инженерно-геологических условиях, имеет большое практическое значение. Многочисленными исследованиями, проведенными на эксплуатируемых водохозяйственных объектах Республики Азербайджан, установлено, что в наиболее сложных грунтовых условиях эксплуатируются следующие каналы Республики: Самур-Апшеронский магистральный канал (САК), Акстафачайский (правобережный) магистральный канал (АМК), Машинная ветвь Южно-Муганского магистрального канала (МВЮММК) [6].

САК, расположенный на Самур-Апшеронском водохозяйственном массиве, построен в земляном русле в 1939 г., и в 1975 г. трасса канала после реконструкции (1960-1975 гг.) полностью была покрыта бетонной и железобетонной облицовкой. Общая протяженность канала до последней реконструкции составляла 182,0 км с пропускной способностью в головном водозаборе 55 м³/с. Относительная частота распространения глинистых грунтов по трассе канала (отношение протяженности присутствия глинистых грунтов к общей протяженности трассы канала) составляет 0,89. В содержании грунтов состав и количество глинистых минералов изменяется, и соответственно, изменяются их водные физико-механические свойства. До реконструкции канала (с 1960 по 2004 г.) в облицовках происходили разрушения, особенно на участке трассы канала, расположенном на пересечении рек Сумгаитчай и Ситалчай, а также в интервале протяженностью 50 км от головного водозабора. По трассе канала лессовидные суглинки в полосе верхнечетвертичных и современных аллювиально-пролювиальных образований занимают значительную площадь, при увлажнении зачастую проявляя просадочные свойства и создавая определенные трудности при эксплуатации САК.

По трассе канала часто встречаются глины, характеризующиеся довольно высокой относительной деформацией свободного набухания и влажностью набухания, особенно красная, кирпично-красная неслоистая, аргиллитоподобная глина между реками Сумгаитчай и Ситалчай, набухающее давление которых изменяется в пределах 1,5-2,0 МПа.

АМК с бетонной облицовкой, расположенный на Гянджа-Казахской предгорной равнине, построен в 1969 г. По трассе канала относительная частота распространения (отношение протяженности присутствия глинистых грунтов к общей протяженности трассы канала) глинистых грунтов составляет 0,88. Общая протяженность канала - 58,04 км с пропускной способностью в головном водозаборе 25 м³/с. Трасса канала построена на четвертичных отложениях аллювиального, аллювиально-пролювиального, делювиально-пролювиального и эолового генетических типов в континентальных фациях. По трассе канала встречаются просадочные супеси и суглинки, набухающая глина и грунты, быстро подвергающиеся размыванию под действием поверхностных вод (фильтрации из канала и атмосферных осадков).

МВЮММК, расположенная в Южно-Муганской степи, построена в 1985 г., трасса канала была покрыта бетонной и железобетонной облицовкой. Общая протяженность - канала 41,46 км с пропускной способностью в головном водозаборе 35 м³/с. Трасса канала построена на четвертичных отложениях аллювиального, аллювиально-пролювиального, аллювиально-пролювиально-делювиального, делювиально-пролювиального генетических типов в континентальных фациях. В содержании грунтов имеются набухающие глинистые грунты.

Фильтрация воды из канала (через стыки) и накопление атмосферных осадков в вогнутой форме рельефа местности за бермой канала создают благоприятные условия для увлажнения набухающих глин (или просадочных лессовидных грунтов). Происходит процесс набухания (или просадки), возникновение деформации набухания (или просадки) и вследствие этого разрушение облицовок канала, а также суффозия (вынос) грунта под облицовкой канала. При разрушении облицовок канала также большую роль играет нарушение технологии строительства и качество выполнения облицовки, ее стыков.

При проектировании МК требуется проведение соответствующих инженерных мероприятий по предотвращению вредного воздействия на канал поверхностных и подземных вод совместно с грунтом. Для этого в практике используются дренаж и водоотводящие сооружения (ливнеспуски, канавы, кюветы и т. д.), а также мероприятия, необходимые для предотвращения фильтрации через температурные и деформационные швы [1, 3]. Когда рельеф территории при проектировании МК учитывается не полностью (особенно локальные водосборные участки рельефа), это сказывается в ходе эксплуатации каналов.

Материалы и методы

Полевые исследования по трассе САК, АМК и МВЮММК проведены на основе общепринятых методов, применяемых в инженерной геологии, гидротехнике и определения качества строительных материалов. Результаты исследований обработаны методами математической статистики и теории вероятности. Оценка надежности различных частей и элементов сооружений выполнена с использованием критериев надежности водохозяйственных систем и гидросооружений [2].

Разрушение облицовок канала считается случайно происходящим событием, и диагностика облицовок каналов проведена как для одного из элементов технических систем (каналов) с точки зрения теории надежности, на основе чего была составлена таблица 1.

При составлении таблицы 1 соответственно определена статистическая оценка вероятности безотказной работы и вероятность отказа ливнеспусков по следующим зависимостям [2, 7-9]:

, (1)

где - число ливнеспусков, исправно работающих в начале эксплуатации, шт.;

- число отказавших ливнеспусков за время , шт.;

- время, для которого определяется вероятность безотказной работы, лет.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 1

Техническая диагностика плит некоторых МК Азербайджанской Республики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из таблицы 1 видно, что при отказе ливнеспусков, функционирующих в сложных инженерно-геологических условиях, особенно на грунтах с неустойчивой структурой, разрушение облицовок канала неизбежно при определенном времени его эксплуатации. Так как разрушение облицовок канала зависит от насыщения грунтов водой, то накопление воды за бермой канала (в вогнутой форме рельефа местности) становится реальным источником увлажнения грунтов ложа канала при отказе ливнеспусков.

Для оценки надежности облицовок каналов их разрушение изучено наряду с инженерно-геологическими условиями. Статистическая оценка вероятности безотказной работы бетонных и железобетонных плит выполняется по формуле (1). Для этого определяется общее число разрушившихся (отказавших под воздействием различных факторов) бетонных и железобетонных плит , шт., и общее число бетонных и железобетонных плит, исправно работающих в начале эксплуатации , шт. Число бетонных плит в обоих случаях определено в интервалах трассы канала, где произошел отказ. Для каждого инженерно-геологического условия устанавливается число разрушившихся и неразрушившихся бетонных и железобетонных плит, при суммировании которых, соответственно, вычисляется общее число бетонных и железобетонных плит. Статистическую оценку вероятности безотказной работы бетонных и железобетонных плит можно определить, зная сумму длины участка канала, где происходили разрушения (отказ) бетонных плит, и сумму длины выделенных интервалов по инженерно-геологическому условию, следующим математическим выражением:

, (2)

где - сумма длины выделенных интервалов (где внутри в каждом интервале инженерно-геологические условия одинаковы) канала, м;

- количество интервалов разрушения бетонной плиты канала, шт.;

- номер участка или интервала;

- сумма длины участка разрушения (отказавших) облицовок канала, м;

- количество участков разрушения бетонной плиты канала, шт., ().

По длине разрушения трассы канала надежность его можно определить как отношение вероятной длины канала, неподверженной разрушению , м, к общей длине , м [2]. Если провести аналогичный расчет для изучаемых каналов, то для АМК (в 2007 г.):

;

для МВЮММК (в 2010 г.):

Вероятность безотказной работы канала определятся по его общей протяженности и недостаточно отображает степень сложности инженерно-геологических условий. С увеличением габаритности канала в основном возрастает степень изменчивости геологической среды и, соответственно, степень сложности инженерно-геологических условий трассы канала. Таким образом, облицовки канала на разных его участках работают в разных инженерно-геологических условиях, несмотря на одинаковое качество бетона, технологию строительства и условия эксплуатации. Исходя из этого, показатели надежности бетонных плит, вероятность безотказной работы облицовок канала оценены в зоне влияния сложных инженерно-геологических условий. Процесс накопления разрушений бетонных и железобетонных плит МК в выделенных интервалах трассы канала, являясь случайным, имеет определенный разброс.

Статистическая оценка параметров надежности бетонных и железобетонных плит МК проведена по выделенным интервалам трассы канала со сложными инженерно-геологическими условиями, в которых бетонные плиты подверглись разрушению. При этом в выделенных интервалах трассы канала разрушения бетонных и железобетонных плит принимаются как невосстанавливаемый элемент технической системы, испытания считаются законченными лишь тогда, когда разрушения бетонных и железобетонных облицовок возникают во всех выделенных интервалах трассы канала. При этом количественные параметры невосстанавливаемого элемента технической системы определяются по формулам, указанным в [7, 8, 10]. Статистическая интенсивность отказов , 1/год, статистический параметр частоты отказов , 1/год и статистическая частота разрушений , 1/год, выделенных интервалов (с полным разрушением бетонных и железобетонных плит по выделенным интервалам) МК соответственно определяются по формулам:

, (3)

где - число интервалов трассы канала, где разрушились бетонные и железобетонные плиты за время (в интервале времени от до ), шт.;

- среднее число выделенных интервалов трассы канала со сложными инженерно-геологическими условиями, в которых не произошло разрушения бетонных и железобетонных плит в интервале времени (год), шт.;

- число выделенных интервалов трассы канала со сложными инженерно-геологическими условиями, шт.

Результаты и обсуждение. По частоте разрушений в выделенных интервалах трассы канала, расположенной в сложных инженерно-геологических условиях, построены гистограммы (рисунок 1). Проведя плавную кривую по точкам середин полученных прямоугольников, был построен график, отображающий соответствующий статистический закон распределения случайной величины. Сравнение по внешнему виду опытных кривых с соответствующей теоретической кривой с учетом характера возникновения разрушения бетонных и железобетонных плит МК со сложными инженерно-геологическими условиями напоминает распределение по экспоненциальному закону.

Для осуществления оценки соответствия эмпирического и теоретического распределений задана частота разрушения бетонных и железобетонных плит в -м интервале времени, которая определяется по формуле (3). Оценка соответствия проведена с помощью критерия согласия Пирсона ( - критерий) мерой расхождения указанных распределений является взвешенная сумма квадратов отклонений [7, 8]:

,

где - число интервалов разбиения (во времени) значений случайной величины, шт.;

- число наблюдений, попавших в -й интервал времени, шт.;

- теоретическая вероятность появления значения в -й интервале времени;

- общее число наблюдений, шт.

Число степеней свободы для распределения определяется следующим образом:

,

где - характеристика теоретического распределения (для экспоненциального закона распределения ).

Размещено на http://www.allbest.ru/

а - МВЮММК; б - АМК; в - САК на участке между реками Сумгаитчай и Ситалчай

Рисунок 1 Гистограммы частоты разрушений бетонных и железобетонных облицовок в выделенных интервалах трассы канала

Размещено на http://www.allbest.ru/

По соответствующей методике проведена проверка согласия теоретического и эмпирического распределений и установлено, что гипотезу о распределении выборки по экспоненциальному закону нельзя отвергать.

На основе проведенной математико-статистической обработки составлена таблица 2.

Таблица 2

Количественная характеристика надежности бетонных и железобетонных облицовок каналов и доверительные интервалы

С учетом данных таблицы 2 для участка САК протяженностью 50 км был выбран экспоненциальный закон распределения разрушения участков трассы канала. Так как бетонная и железобетонная облицовка САК до реконструкции (2004 г.) эксплуатировалась беспрерывно, то за 39,5 лет из 50000 м бетонной и железобетонной облицовки подверглось разрушению 48568,2 м. При этом статистическая оценка вероятности безотказной работы бетонных плит , определенная по формуле (2), равна:

.

При подчинении отказа экспоненциальному распределению вероятность безотказной работы определяется следующим математическим выражением [7-9]:

(4)

где - интенсивность отказа, 1/год.

Таким образом, зная статистические оценки вероятности безотказной работы плит облицовки, можно приблизительно определить интенсивность отказа, среднее время безотказной работы, плотность распределения времени безотказной работы облицовки каналов, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях и дать оценку влияния инженерно-геологических условий на их техническое состояние.

При экспоненциальном законе распределения интенсивность отказов является постоянной. По функции в таблице определены значения и по формуле (4) соответствующие вероятности надежности бетонных и железобетонных плит. Так, для участка САК протяженностью 50 км:

; ; ; .

Плотность вероятности экспоненциального распределения, а также среднее время работы бетонных и железобетонных плит без разрушения имеют следующий вид:

, (5)

Тогда по формуле (5) для начального участка САК протяженностью 50 км:

, года.

На основе данных среднего значения интенсивности отказа был производен расчет вероятности безотказной работы облицовок каналов во времени и построен график зависимости (рисунок 2).

1 - САК (участки канала на пересечениях между реками Сумгаитчай и Ситалчай); 2 - МВЮММК; 3 - АМК (правобережный); 4 - САК (участок канала в 50 км)

Рисунок 2 Вероятность безотказной работы облицовок каналов

Анализ данных таблицы 2, а также рисунка 2 дают основание полагать, что сопротивление бетонных и железобетонных облицовок канала, эксплуатируемых в различных инженерно-геологических условиях, внешнему воздействию окружающей среды различное. Для данного закона распределения скорость убывания вероятностей безотказной работы зависит от значения интенсивности разрушения бетонных и железобетонных плит, т. е. воздействия инженерно-геологических условий на техническое состояние бетонных плит.

Выводы

Обобщая результаты исследований, можно прийти к следующим выводам:

- вероятность безотказной работы бетонных и железобетонных облицовок каналов, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях, убывает быстрее, чем работа бетонных и железобетонных плит в простых инженерно-геологических условиях;

- повышение надежности МК, в том числе и их облицовок, возможно при анализе опыта проектирования, строительства и эксплуатации каналов, функционирующих в различных по степени сложности инженерно-геологических условиях;

- в результате проведенных исследований на каналах Азербайджанской Республики установлено, что вероятность безотказной работы бетонных и железобетонных облицовок для МВЮММК, по трассе которого имеются набухающие глинистые грунты, в среднем составляет 12,81 года, для АМК, по трассе которого встречаются просадочные супеси, суглинки, набухающая глина - 9,39 года, для САК на участке между реками Ситалчай и Сумгаитчай, где имеются набухающие глины при увлажнении которых проявляются набухающие свойства - 3,73 года, а на участке канала протяженностью в 50 км - 11,12 лет.

Список использованных источников

1 Защитные покрытия оросительных каналов / В. С. Алтунин [и др.]; под ред. В. С. Алтунина. М.: Агропромиздат, 1988. 160 с.

2 Мирцхулава, Ц. Е. О надежности крупных каналов / Ц. Е. Мирцхулава. М.: Колос, 1981. 318 с.

3 Алимов, А. Г. Эффективность и надежность облицовок оросительных каналов / А. Г. Алимов // Гидротехника и мелиорация. 1982. № 4. С. 31-35.

4 Косиченко, Ю. М. Исследования в области борьбы с фильтрацией и эксплуатационной надежности грунтовых гидротехнических сооружений / Ю. М. Косиченко // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2012. № 2(06). С. 86-94. Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=100&id=108.

5 Косиченко, Ю. М. Определение вероятного риска аварии крупного канала вследствие фильтрационных деформаций / Ю. М. Косиченко, Д. В. Бакланова // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2012. № 1(05). С. 145-156. Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=82&id=94.

6 Вердиев, А. А. Роль инженерно-геологических условий в обеспечении надежности проектируемых водохозяйственных объектов республики / А. А. Вердиев // Известия Бакинского университета. Серия естественных наук. 2005. № 2. С. 123-128.

7 Калявин, В. П. Надежность и диагностика элементов электроустановок: учеб. пособие для вузов / В. П. Калявин, Л. М. Рыбаков. СПб.: Элмор, 2009. 336 с.

8 Сборник задач по теории надежности / А. М. Половко [и др.]; под ред. А. М. Половко, И. М. Маликова. М.: Советское радио, 1972. 408 с.

9 Румшиский, Л. З. Математическая обработка результатов эксперимента / Л. З. Румшиский. М.: Наука, 1971. 192 с.

10 Шор, Я. Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности / Я. Б. Шор. М.: Советское радио, 1962. 541 с.

Размещено на Allbest.ru