Методологические основы понятия времени в оценке технического состояния туннелей мелиоративных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методологические основы понятия времени в оценке технического состояния туннелей мелиоративных систем

На современном этапе развития сельскохозяйственного производства в Южном и Северо-Кавказском федеральных округах действуют крупные и малые водохозяйственные системы, которые используют сток (поверхностный, подземный), формирующийся в пространственных пределах бассейновых геосистем рек Дон, Кубань и Терек. Комплексное использование этих водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве, промышленности и других видах хозяйственной деятельности осуществляется путем эксплуатации различных типов гидротехнических сооружений (ГТС): крупных водохранилищных гидроузлов (Цимлянского на р. Дон, Краснодарского на р. Кубани и др.), магистральных каналов (Большого Ставропольского, Донского магистрального, Невинномысского, Терско-Кумского и др.) и множества внутрисистемных сооружений. Так, общее количество ГТС в пределах вышеназванных округов составляет порядка 2000, протяженность каналов - около 25000 км, протяженность туннелей, дюкеров и акведуков - около 200 км. Для развития сельскохозяйственного производства на основе орошаемого земледелия и обводнения засушливых территорий в 12 районах Ростовской области на базе действующего с 1952 года Цимлянского водохранилища запроектирована и создана Донская водохозяйственная система, основным водоисточником которой является Донской магистральный канал (ДМК) с пропускной способностью в голове до 250 м³/с [1].

На базе ДМК создана инженерная гидрографическая сеть, включающая в себя подкомандные магистральные каналы первого порядка (Большовский, Нижне-Донской, Багаевский и др.) протяженностью около 420 км и множество каналов второго и третьего порядков, а также систему групповых водоводов протяженностью около 640 км, производительностью 1200 м³/сут. На созданной гидрографической сети насчитывается около 40000 ГТС различного функционального назначения. Из них основными являются сооружения, расположенные на водопроводящем тракте ДМК, начиная от головного водозаборного гидроузла Цимлянского водохранилища.

От технического состояния данного комплекса ГТС в полной зависимости находится функциональная надежность действующих мелиоративных и других водохозяйственных систем, которые обеспечивают водой практически все виды хозяйственной деятельности, в том числе сельскохозяйственное производство. Следует также отметить, что от технического состояния комплекса ГТС зависит безопасность жизнедеятельности проживающего населения и природных сред в зонах влияния этих сооружений. Уровень возможного негативного воздействия при возникновении и развитии аварии на ГТС на проживающее население и природные среды определяется специальными исследованиями, расчетами и зависит от технического состояния сооружения [2].

Одним из крупнейших водопроводящих сооружений на Донском магистральном канале (при пересечении водораздела между реками Дон и Сал) является гидротехнический туннель, расположенный на участке от ПК 306 + 60 (северный портал) до ПК 367 + 41 (южный портал). Сооружение состоит из трех водопроводящих ниток диаметром 6 м общей пропускной способностью 160 м³/с. От функциональной надежности туннеля в полной зависимости находится оросительная система 11 районов Ростовской области.

По аналогии от функциональной надежности гидротехнических туннелей зависит работа водохозяйственных систем в Краснодарском, Ставропольском краях, Кабардино-Балкарской Республике, Карачаево-Черкесской Республике и других субъектах РФ, входящих в состав Северо-Кавказского федерального округа.

Из всего многообразия действующих ГТС в рассматриваемых пределах бассейновых геосистем рек Дон, Кубань и Терек в данной статье рассматриваются гидротехнические туннели, которые функционируют на магистральных каналах (МК) в качестве водопроводящих сооружений при пересечении водоразделов.

Определяющим признаком надежной эксплуатации сложных объектов, к которым, безусловно, относятся ГТС, является время. Именно время служит основным критерием для разработки требований, устанавливающих возможность использования того или иного сооружения по назначению, совместно с требованиями функциональности.

При изучении процессов функционирования гидротехнических туннелей в качестве водопроводящих сооружений на магистральных каналах время является одним из основных факторов оценки их технического состояния и надежности работы. Время непрерывно течет; настоящее, обуславливающее в данный момент техническое состояние и функциональную надежность, постоянно изменяется; будущее всегда открыто, пока не станет настоящим, а прошлое, обуславливающее начальное техническое состояние, остается своеобразным исходным репером для сравнительного анализа технического состояния сооружения в целом и отдельных конструктивных его элементов.

Среди вопросов по оценке технического состояния гидротехнических туннелей в составе водохозяйственных систем важным является следующий: какое ожидается будущее? В этом вопросе содержится глубокий смысл: время является фундаментальным измерением при оценке технического состояния и, соответственно, функциональной надежности и безопасности.

При функционировании гидротехнических туннелей, как и других типов ГТС, протекают необратимые изменения в их техническом состоянии. Эти изменения связаны с прочностными характеристиками конструктивных элементов, которые выполняются из бетона, железобетона, металла и других материалов. Необратимость процессов физического старения в конструктивных элементах гидротехнических туннелей обуславливает естественный процесс, которым можно управлять при эксплуатации.

Исходя из начального состояния, заложенного на стадиях проектирования и строительства, управления необратимыми процессами физического старения материалов, из которых выполнены конструктивные элементы, «стрела времени» реально проявляется в процессе эксплуатации при различных режимах взаимодействия гидротехнического туннеля и водного потока, геологической среды, климатических параметров и других факторов [2]. Необратимость процессов взаимодействия конструктивных элементов и воздействующих на них нагрузок различного типа (статических, динамических, термических и др.) при различных режимах работы МК, как показали исследования, приводит к множеству явлений. Это, например, горизонтальные и вертикальные смещения; разрушение бетонных, железобетонных и металлических конструктивных элементов; заиление водопроводящей части туннеля, русла МК на входном портале и др.

В системном рассмотрении происходящие под воздействием нагрузок эксплуатационного и природного характера изменения в техническом состоянии гидротехнических туннелей обуславливают функциональную их надежность и безопасность (техногенную, экологическую). Действующие на конструктивные элементы гидротехнического туннеля нагрузки в обобщенном физическом понимании выражаются движением потоков вещества, энергии и информации. Интенсивность и характер движения потоков вещества, энергии и информации в системе «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации» изменяются во времени в сравнении с принятым исходным состоянием (рисунок 1).

Время - это сотворение нового или вообще ничего, а в рассматриваемой системе «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации» (рисунок 1) - это новое техническое состояние туннеля.

Техническое состояние гидротехнического туннеля в рассматриваемый момент - это непрерывное сотворение нового под воздействием потока вещества, энергии и информации. Процессы взаимосвязей, взаимодействий и взаимоотношений факторов окружающей среды и гидротехнического туннеля характеризуются то усиливающимися, то уменьшающимися изменениями его технического состояния. Характер этих изменений определяется необратимыми процессами, и, как свидетельствует практика, необратимые процессы направлены на снижение прогнозируемых расчетных, гидравлических и других характеристик конструктивных элементов относительно исходных (проектных). Между понятиями времени и технического состояния рассматриваемого гидротехнического туннеля имеются принципиальные различия. Так, при эксплуатации сооружения показатели технического состояния меняются, а время при этом протекает только водном направлении от настоящего к будущему, т. е. невозможно переставить местами прошлое и будущее. Физический смысл связи между прошлым и будущим в определенной мере объясняет действие второго начала термодинамики, которым определен энтропийный барьер, отделяющий доступные состояния от состояний запрещенных.

о. с. - окружающая среда; с. э. - служба эксплуатации

Рисунок 1 - Схема модели взаимодействия гидротехнического туннеля с окружающей средой в пределах водохозяйственной системы

Допустимое техническое состояние как отдельных конструктивных элементов, так и сооружения в целом определяется нормативными показателями: прогнозными, гидравлическими и другими, которые обеспечивают функциональную надежность и, соответственно, безопасность.

Запрещенное и недопустимое техническое состояние характеризуется неспособностью выполнять функциональные задачи при различных режимах работы гидротехнического туннеля в составе МК. На бытовом уровне это означает, что конструктивные элементы туннеля не способны воспринимать действующие нагрузки, от которых происходит процесс их разрушения, т. е. из установленной упорядоченности происходит разупорядочение или порядок переходит в хаос и, соответственно, происходит рост энтропии. Характер изменения энтропии в обобщенном понимании отражает прошлое, настоящее и будущее технического состояния рассматриваемого туннеля.

Сумма изменений энтропии отдельных конструктивных элементов и сооружения в целом не может убывать, т. е. настоящее техническое состояние туннеля нельзя вернуть в исходное (проектное) состояние на начальный момент его эксплуатации. Изменение энтропии определяется известным уравнением И. Пригожина [3]:

,

где - полное изменение энтропии технического состояния сооружения за период времени , Дж/К;

- энтропия, отбираемая из окружающей среды в виде действующей системы службы эксплуатации (мониторинговых наблюдений, текущих и капитальных ремонтов и т. п.), Дж/К;

- изменение энтропии технического состояния сооружения, обусловленное необратимыми процессами, которые связаны как с физическим старением строительных материалов (бетона, железобетона, металла и т. п.) отдельных конструктивных элементов и сооружения в целом, так и со снижением несущей способности грунтов основания, Дж/К.

Согласно второму началу термодинамики всегда положительна, т. е. строительные материалы, из которых выполнены конструктивные элементы, с течением времени физически стареют вследствие снижения прочностных и других характеристик, обуславливающих техническое состояние сооружения.

Энтропия может быть как положительной, так и отрицательной величиной. При положительной величине уровень энтропии в сооружении растет, когда система эксплуатации своевременно не обеспечивает безопасное техническое состояние, и наоборот.

Исходя из энергоэнтропийного подхода, который базируется на фундаментальном законе сохранения мощности в системе, направленность протекающих процессов в конструктивных элементах туннеля может быть выражена полезной мощностью для определенных периодов времени в настоящем и будущем. Закон сохранения мощности имеет выражение в соотношении полезной мощности и мощности потерь :

,

где - полная мощность системы, а в рассматриваемом случае начальное техническое состояние туннеля, определяемое физико-механическими характеристиками строительных материалов;

- полезная мощность, Дж;

- мощность потерь, Дж;

- линейная единица, м;

- время, лет.

С энергетической точки зрения полная мощность определяется свободной энергией , которая способна выполнять определенную работу, а в рассматриваемом случае выполняемая работа обуславливается сопротивлением действующим нагрузкам на сооружение. Мощность потерь определяется связанной энергией , которая не способна выполнять какую-нибудь работу, в данном случае - сопротивляться действующим нагрузкам на сооружение, а на бытовом уровне происходят локальные разрушения и в конечном итоге - потеря работоспособности сооружения и его разрушение [4].

В непрерывном процессе взаимодействия рассматриваемого сооружения и окружающей его среды (грунтового, водного, статического, динамического воздействия и др.) происходит движение потоков энергии и вещества, что обуславливает уровень энтропии (технического состояния) в конструктивных элементах и сооружении в целом. Рост энтропии в единице объема конструктивного элемента или сооружения за единицу времени выражает функцию диссипации, или преобразования свободной энергии в связанную . Чем больше значение , тем выше уровень технического состояния сооружения и, соответственно, уровень экологической и технической безопасности [5].

В детерминистическом описании процессов взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношения гидротехнического туннеля с окружающей средой, режимами работы МК и службой эксплуатации «стрела времени» определяет направленность происходящих изменений в техническом состоянии. Если будущее технического состояния туннеля определенным образом содержится в настоящем (период эксплуатации), а в настоящем заключено прошлое (исходное техническое состояние на стадии проектирования), то «стрела времени» обуславливает тот факт, что время является своеобразным конструктором, который взаимосвязывает прошлое с настоящим и будущим.

При изучении процессов взаимосвязи, взаимодействий и взаимоотношений в системе «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации», которая функционирует в пределах действующей водохозяйственной системы, важными являются два противоположных понятия: «сохранение» и «изменение». Между понятиями «изменение» и «сохранение» имеется тесная связь. Оба понятия, как «сохранение», так и «изменение», можно относить к формам движения в виде процессов взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношений действующих со стороны окружающей среды нагрузок на туннель и службы эксплуатации. Поэтому важным является установление того, что должно сохраняться и что должно изменяться.

Сохраняться должна тенденция к обеспечению функциональной работоспособности как отдельных конструктивных элементов, так и сооружения в целом, действующего в системе «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации», которая является подсистемой в составе рассматриваемой водохозяйственной оросительно-обводнительной системы.

Изменяться должны технологии эксплуатации и потоки инвестиций в сторону увеличения, так как с течением времени требуется больше затрат на обеспечение безопасного технического состояния.

Выводы

Оценка технического состояния гидротехнических туннелей является важным фактором обеспечения безопасности (техногенной, экологической) данного типа ГТС в составе действующих водохозяйственных систем «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации».

Фактор времени обуславливает старение гидротехнических объектов, как и других систем, и сопровождается повышением уязвимости для всех воздействий, снижением функциональной способности (работоспособности), что не учитывается в существующих методиках. Установлено, что неспособность сооружений со временем противостоять разрушению конструкций имеет ту же природу, что и рассеивание энергии, т. е. старение эквивалентно увеличению энтропии, являющейся мерой неупорядоченности любой системы.

Развитие понятия «время» в оценке технического состояния гидротехнических туннелей как водопроводящих сооружений на МК водохозяйственных систем обуславливает определенную новизну в методологии оценки технического состояния как важного фактора в обеспечении безопасности ГТС.

Одним из важных направлений современной науки следует считать разработку основ технологии продления срока нормальной эксплуатации гидротехнических сооружений с учетом фактора времени.

Список использованных источников

гидротехнический туннель оценка

1 Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) при проектировании водохозяйственного комплекса Зеленчукской ГЭС / В. Л. Бондаренко, В. В. Гутенев, В. В. Приваленко, Е. С. Поляков // Теоретическая и прикладная экология. - 2007. - № 1. - С. 47-54.

2 Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, Е. И. Шкуланов, Г. Л. Лобанов, А. М. Кореновский. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2010. - 88 с.

3 Пригожин, И. Порядок из хаоса / И. Пригожин, И. Стенгере. - М.: Прогресс, 1986. - 256 с.

4 Природообустройство: территория бассейновых геосистем: учеб. пособие / В. Л. Бондаренко, В. А. Волосухин, В. В. Гутенев [и др.]; под ред. И. С. Румянцева. - Ростов н/Д.: Изд. центр «Март», 2010. - 528 с.

5 Бондаренко, В. Л. Оценка экологического состояния бассейновой геосистемы в процессах использования водных ресурсов / В. Л. Бондаренко, В. Б. Дьяченко // Проблемы региональной экологии. - 2005. - № 2. - С. 86-92.

Размещено на Allbest.ru