1.2. Етапи формування науки надійності
Меліоративна система відноситься до великих систем довгострокового використання. При будівництві і використанні має місце переплетення природних, технічних і соціально-економічних факторів, які вливають на ефективність меліорації, Меліорація, будучи з однієї сторони, фактором інтенсифікації сільськогосподарського виробництва, з іншої – є втручанням в природне довкілля, наслідки якого необхідно враховувати. Робота гідромеліоративної системи може приводити як до поступового накопичення негативних наслідків побічно, впродовж тривалого часу, так і прямо погіршувати природне довкілля на окремих ділянках. Наприклад, під впливом безконтрольного зрошення за рахунок втрат води створюються передумови інтенсивного дренажного стоку що приводить до формування нових штучних оборотів води, які прискорюють разом з водними потоками безконтрольний рух солей, поживних речовин, хімічних елементів захисту сільськогосподарських рослин тощо і у кінцевому результаті приводить до негативного їх впливу на природне довкілля. Прямий вплив механізації і гідротехніки проявляється в ерозії і розмиву ґрунтів і каналів, в підтопленні і надмірному осушенні земель, провокуванні підйому рівня ґрунтових мінералізованих вод тощо.
З давніх часів цивільного будівництва, гідротехніки для забезпечення надійності споруд закладався запас міцності, чим гарантувалися міцність і довговічність роботи об’єкта. Разом з тим історія будівництва гідротехнічних споруд і меліоративних систем знає багато випадків серйозних аварій і катастроф.
Декілька прикладів. Повінь 1889 року зруйнувала греблю Саут Форк (США), де загинуло 2500 людей, в 1895 руйнування кам’яної греблі у Франції, поблизу Епіталам, привело до загибелі 156 чоловік. Паводок на Поліссі влітку 1993 року привела до затоплення більше 300 тис. га сільськогосподарських угідь з людськими жертвами (4 особи), а весняна повінь 1994 року в Карпатах, повторно в 1998 та 2008 році – до розмиву багатьох мостів і доріг, затопленню і руйнуванню приміщень, загибелі людей. Катастрофічна повінь спровокована випаданням значних опадів та таненню снігу, а також вирубанням лісів, що прискорює стік.
Нові проблеми забезпечення надійності виникли і є на сучасному стані розвитку ВГО в зв’язку з науково-технічним прогресом. Науково-технічний прогрес в меліорації привів до підвищення технічного рівня інженерних систем і їх частини, і одночасно − до суттєвого їх ускладнення і погіршення умов управління.
Спочатку задачі надійності вирішувалися традиційними способами. Так для будівництва систем зрошення застосовувалися нафтогазові сталеві труби з коефіцієнтом запасу міцності більше 3,8, використовувалася арматура водопровідних систем серійного виробництва, будівництво великогабаритних і капіталомістких насосних станцій тощо. Але скоро цей шлях став малоефективним і неприйнятним, особливо в період інтенсивного розвитку меліорації, тому що приводив до перевитрат матеріальних ресурсів (сталі, бетону, палива, цементу тощо). Тому для зниження вартості систем широкого розповсюдження набуло виробництво нових конструкцій із зниженим вмістом дефіцитних матеріалів:
нові типи труб;
нові типи плит кріплення;
повнозбірні приміщення НС;
повнокомплектні РТ, шлюзи;
переїзди;
нові дощувальні машини.
Вимоги до надійності роботи таких інженерних систем і споруд значно підвищилися у зв’язку із зниженням коефіцієнта запасу міцності, стійкості, довговічності тощо.
Теорія надійності гідротехнічних об’єктів сягає 60-х років розробки методики розрахунку запасу витрати Q, введеної Крицьким С.М. і Менкелем М.Ф. (1959):
,
(1.1)
де а – величина, яка залежить від гідрологічної вивченості
(для річок, в гідрологічно вивчених областях, а = 0,7, для маловивчених а = 1,5); n – число років спостереження;
Ер – величина, яка характеризує середньо квадратичну похибку, і яка залежить від імовірності витрати і коефіцієнта варіації Cv (Cv по графіку).
Першою монографією Ц.Є. Мірцхулава започаткував теорію надійності гідротехнічних споруд (1974).
В техніці розвиток надійності формувався досить повільно до 60-х років.
В перший період визначалася теоретична основа надійності. Накопичувалися характеристики і факти відмов об’єктів. Відмови систем сприймали як прояв їх внутрішніх властивостей без врахування причин відмов. Потік відмов розглядався як простіший, а розподіл напрацювання до відмови -експоненціальним.
Другий період (1958-68 рр.) характеризувався широким розгортанням робіт по збору статистичних даних відмов технічних систем. В цей період увага приділяється не тільки відмовам, а і теорії зносу, міцності, утомлюваності тощо. В цей період було доказано, що спектр відмов значно ширший ніж експоненціальний. Вивчається зв’язок між відмовами і конструктивно-технологічними помилками.
Третій період, починаючи з 1968 року, характеризується широким розвитком вивчення фізики відмов із застосовуванням теорії міцності, матеріалознавства, теорії машин і механізмів, фізики твердого тіла тощо. У цей період розробляються стандарти надійності і практично надійність сформувалася як наука. Стандарти з надійності в техніці включають такі розділи:
0 – загальні питання надійності;
1 – нормування надійності;
2 – методи розрахунку надійності;
3 – методи забезпечення надійності;
4 – випробування і контроль надійності;
5 – збір і обробка інформації з надійності;
6-9 – резерв.
Теорія надійності гідромеліоративних систем розвивається на сьогодні не досить активно. У цьому є свої причини.
Галузеві органи управління упродовж 60…90-х років переважно займалися будівництвом нових систем. Питання якості нових систем, забезпечення ефективності їх роботи, організація використання систем за призначенням, експлуатації вирішувалися повільно.
Відсутність в попередні роки плати за воду, як за основний ресурс. Це приводило, поряд з іншими негативними явищами, до негосподарського відношення до води. Введення плати за воду змінило відношення до її використання корінним чином.
Відсутність економічної оцінки ефективності гідромеліоративної системи. Ефективність роботи системи оцінювалася за виконанням плану водокористування – подачі води і виконання плану поливів, а якість водокористування, собівартість продукції, вартість води не враховується.
Відсутність підготовлених кадрів – наукових, інженерних, педагогічних, здатних вирішувати питання надійності на рівні проектування, освоєння і експлуатації систем.
Відсутність галузевих норм з надійності водогосподарських об’єктів, інженерних систем і споруд, інженерно-технічної і методичної літератури тощо.