книги из ГПНТБ / Мирцхулава, Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений

вание, так как при этом выбирается схема, принцип работы конст­ рукции, технология и т. д. На этом этапе следует стремиться за­ кладывать необходимый уровень надежности. При выборе схемы следует предпочтение отдавать при прочих равных условиях про­ стым схемам, с наименьшим количеством элементов и связей, учитывающим удобство и возможности повышения надежности при эксплуатации, так как вероятность отказа объекта тем выше, чем больше количество составных элементов.

Вероятность отказов зависит не только от количества элемен­ тов и их связи, но и от качества их. Поэтому следует выбирать качественные, перспективные элементы. На работоспособность элементов влияет окружающая среда. При проектировании сле­ дует принимать меры для максимального ослабления вредного воздействия окружающей среды, применяя специальные конст­ рукции, меры защиты и т. д. При невозможности достичь задан­ ного уровня надежности указанными приемами необходимо при­ менять специальные меры — резервирование, обратные связи.

•Очевидно, что качество строительства, качество осуществле­ ния заложенных в проекте идей оказывают большое влияние на надежность оросительной системы при эксплуатации.

Для достижения высокого уровня надежности важно строго соблюдать рациональный технологический процесс производства строительных работ и подбирать материалы для выполнения этих работ. Нельзя допускать дефектов, в том числе скрытых. Нужно правильно организовать контроль производства работ.

Для сохранения заданной надежности чрезвычайно важно правильно организовать эксплуатацию оросительных систем. Тре­ буемый уровень надежности восстанавливаемых систем обеспе­ чивается двумя типами обслуживания: профилактическим и вос­ становлением. Общее календарное время работы системы состо­ ит из времени безотказной работы t0, времени восстановления tB и времени профилактического обслуживания.

Цель профилактического обслуживания — исключить возмож­ ность появления отказов системы при ее нормальной эксплуа­ тации. Для этого важно уметь прогнозировать отказы. Полностью исключить отказы в рабочий период не удается. Поэтому необхо­ димо проектировать систему и эксплуатировать ее таким обра­ зом, чтобы обеспечить минимальное время восстановления отка­ завшего элемента. Из эксплуатационных факторов большую роль для сохранения надежности систем играет квалификация, подго­ товка и опыт обслуживающего персонала.

Одним из решающих факторов при соблюдении надежности является, рациональная организация эксплуатации, ремонтных ра­ бот, своевременное обеспечение правилами и инструкциями по эксплуатации.

Надежность нельзя сохранить проведением одного из пере­ численных мероприятий, необходим комплекс мер, часто единст­ венно возможных в конкретных Ситуациях.

100

Для расчета количественных показателей надежности ороси­ тельной системы в целом и ее основных элементов необходимо уточнить для системы понятие элемента. Для комплекса соору­ жений, называемого оросительной системой, элементом может быть водозаборное сооружение, магистральный канал и другие каналы разного назначения, борозда. . При анализе надежности водозаборных сооружений элементом следует считать отдельные узлы, а при анализе этого узла — отдельные части и т. д.

Далее необходимо установить, являются ли рассчитываемые на надежность элементы восстанавливаемыми или невосстанавливаемыми, и использовать зависимости, выведенные для этих категорий элементов.

Так как отказ'оросительной системы в конечном звене пода­ чи воды в поливные борозды и полосы наступает при отказе одного из элементов, начиная с водозаборного узла, то ороси­ тельную систему следует считать основным соединением элемен­ тов. Отказы отдельных элементов являются случайными и не зависят друг от друга, поэтому их можно считать событиями слу­ чайными и независимыми. Тогда вероятность безотказности поли­ ва (подачи воды растениям) в течение времени t будет равна про­ изведению вероятности безотказной работы составляющих эле­

сооружений (оросительной системы) можно записать следующим образом:

Рол (t) — Рвл ( 0 Дм.к (t) Pp.K(t) Р Х.к(0 Ру.к(^) X

Х-Рв.О ( 0 Рв.б ( 0 Рр.б (О Р п.б,

где вероятность Р безотказной работы отдельных элементов со­

ответственно обозначена:

Рв.о — водозаборного сооружения; Р м.к — магистрального ка­ нала; Р р .к — распределительного .канала; Р х.к — хозяйственного

роятность безотказной работы системы до первого отказа при произвольном законе изменения интенсивности отказов во вре­ мени.

На основе наблюдений можно иметь данные (в виде таблиц, графиков) о распределении времени работы элемента ороситель­ ной системы. По этим данным можно установить основные пока­ затели надежности элемента (составляющего систему сооруже­ ния), а по этим данным вероятности безотказной работы для заданного времени t — рассчитать вероятность безотказной рабо­ ты оросительной системы в целом.

101

Из примера видно, что при довольно высоких характеристи­ ках безотказной работы отдельных сооружений, входящих в комплекс оросительной системы, надежность выполнения систе­ мой своих функций подачи воды до растений характеризуется до­ вольно низким показателем безотказной работы. Следовательно, при проектировании и строительстве необходимо принять все возможные меры по повышению надежности отдельных состав­ ляющих элементов.

Учитывая то обстоятельство, что при выходе из строя водо­ заборного узла, магистрального канала выйдет из строя вся система в целом, а выход из строя поливной борозды не повле­ чет за собой крупных, ущербов, необходимо стремиться, чтобы эти ответственные части имели высокие показатели надежности.

Следует помнить, что окончательный расчет надежности вы­ полняется тогда, когда известны (хотя бы приближенно) режи­ мы работы элементов. При расчете объект, как правило, расчле­ няется на отдельные узлы, узлы — на части, части — на состав­ ляющие элементы, элементы — на мелкие части и т. д. Расчет выполняется последовательно от простого к сложному. До нача­ ла расчета надежности следует установить количественные харак­ теристики отдельных элементов. Для иллюстрации установления количественных характеристик приведем пример.

Пример 18. Допустим, данные распределения времени работы поливной

Продолоюение

102

Р(го)= 1 -Щ ,)= 1 _ 0 ,0 9 = 0 ,9 1 .

Вероятность отказа за время /0= 3 ч

<?<<о)=/Ш=0.09.

Вероятность безотказной работы от Х = 2 ч до X-\-tQ= 5 ч

Вероятность отказа в интервале от Х'—2 ч до Х+ / 0= 5 ч-

Q = ( X , x + t 0)=\ — P ( X + t 0)=\ -0,54=0,46 .

Среднее время работы до выхода из строя борозды

юю

Пример 19. Допустим, что закон распределения времени работы водозабор­ ного узла (который считают восстанавливаемым элементом) до отказа задан в виде следующей таблицы: ..

Время восстановления является случайной величиной, принимаемой с ве­

2 года, а также коэффициенты готовности и простоя и средние значения вре­

Q(7o)=F(7o)=0,02 .

Среднее время безотказной работы

ЮЮ

103

Среднее время восстановления может быть выражено следующей фор­ мулой:

+ = i2=i uPi ■

Внося соответствующее значение, имеем:

^п=61Р 14-еаРа=0,2-0,9+ 1,6-0,3=0,66 года .

Коэффициент готовности по формуле (87)

+5,67

2.ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ РАЗМЫВАЕМОГО ОСНОВАНИЯ, СЛОЖЕННОГО ИЗ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

Недостаточно высокая надежность различных размываемых оснований часто служит причиной эксплуатационных неполадок, иногда аварий и катастроф. Поэтому актуальность разработки методики прогноза неразмывающей скорости течения потока для различных материалов, обусловливающей надежность размывае­ мых оснований, неоспорима.

Рекомендации по установлению допускаемых (неразмываю­ щих) скоростей течения потока для связных грунтов долгое вре­ мя ограничивались видами грунтов. Стремление к более точному прогнозу процесса размыва с возможно полным учетом факто­ ров, обусловливающих явление, выявило необоснованность этого приема. Экспериментами установлено, что грунты одного и того же вида нередко резко отличаются сопротивляемостью размыву. Лабораторные и полевые исследования показали, что размываю­ щие скорости течения водного потока зависят от интегрального показателя сцепления грунта в состоянии полного водонасыщения

иот размера агрегатов (отдельностей).

Сучетом этого автором на основе принципов теории предель­ ного состояния [70—78, 146— 154] была предложена методика установления.неразмывающей скорости течения потока.

Сдопустимой точностью условно было принято, что связный водонасыщенный грунт сложен из однородных агрегатов (от-

104

Рассматривая условия устойчивости размыву связного грунта, наблюдаем следующую картину. Агрегат сохранит свою устойчи­ вость, то есть не оторвется (по терминологии теории надежности не произойдет отказ) до того момента, /пока величина отрываю­ щего напряжения (обусловленная донными пульсационными ско­ ростями турбулентного потока) не превзойдет сопротивляемость отрыву агрегатов (отдельностей) от дна.

При предельном состоянии агрегата (выступа) грунта с допус­ тимой точностью принято, что Рв приложена в центре его, а Рл выше середины выступа [72], тогда

фициентов) условия работы агрегата на растяжение и изгиб; для данного расчета с приемлемой точностью можно принять т р = = т п= т .

Ввиду динамического воздействия турбулентного потока на аг­ регаты они отрываются при значительно меньших усилиях, чем необходимо при статической нагрузке. Поэтому за нормативное сопротивление следует принимать предел прочности на разрыв при

динамической нагрузке С Этот показатель следует устанавли­ вать по опытным данным усталости связных грунтов, а при отсут­ ствии их — по приближенной зависимости от статистического зна­ чения сцепления грунта Сш, определяемого по вдавливанию сфе­ рического штампа [72—76, 81],

СУ=0,035СШ.

Лобовое результирующее усилие

105

Для рассматриваемого состояния, приняв осредненные значе­ ния коэффициентов Аж=0,42, = 0,10, б] = 0,4 б2 = 0,5, б3 = 0,785,

6 4 = 0 ,9 , получаем:

§

Ход решения, изложенный выше, не учитывает в явном виде вероятность отрыва, стохастический характер распределения пульсационных скоростей и сопротивляемость агрегатов отрыву, про­ должительность службы размываемого основания. Между тем игнорирование этих факторов не обосновано, и это следует счи-

10G

тать недостатком методики прогноза явления размыва, при кото­

терминированные или чисто случайные процессы. В реальных процессах различают три составляющие этих процессов: детер­ минированную, вероятностную и чисто случайную. Напомним, что детерминированными называют процессы, вызванные действием известных причин. Зная результат действия каждой из них, мы можем точно рассчитать суммарный результат (индуктивный ме­ тод). Обычно в линейных системах действует принцип суперпо­ зиции— общий эффект от действия нескольких причин равен сум­ ме эффектов от действия каждой причины, взятой в отдельности. Изучение детерминированных процессов основано на индуктивном методе изучения причин и следствия.

В отличие от детерминированного вероятностный процесс вы­ является дедуктивным методом по длительному наблюдению за ним для определения его закономерности.

Одна из основных гипотез о природе прогноза заключается в том, что выводы о вероятности будущего события делаются на основании изучения, анализа и обобщения истории прогнозируе­ мого явления или его аналогии. При отсутствии данных наблю­ дений иногда полезно знать данные о другом процессе, связан­ ном с первым функциональной или корреляционной связью.

В процессе размыва изменяется силовое поле, а также сопро­ тивляемость отрыву, поэтому уравнение (149), учитывающее осредненные показатели, не совсем справедливо. Размыв может на­ чаться при меньших скоростях, чем может быть установлено из равенства (149).

Степень изменения пульсационных характеристик завйсит и от наличия в потоке взвешенных наносов в коллоидном состоянии.

Влияние последнего фактора, а также других условий рабо­ ты (например, зарастаемость, влажность), возникающих при раз­ мыве основания, приближенно можно учесть коэффициентом усло­ вий работы [72, 73, 74].

и сопротивляемости отрыву агрегатов.

Прогноз допускаемых (неразмывающих) скоростей с учетом заданной надежности и гарантии включает методика, изложен­ ная в работах [70—72], где допускаемые скорости устанавливают­ ся на основе теории предельного состояния. Эта методика позво­ ляет устанавливать скорость, при которой нет размыва не вообще, а отсутствуют размывы, затрудняющие нормальную эксплуа­ тацию основания. Впервые общесоюзные нормы с учетом га­ рантии неразмываемости были разработаны автором в 1959 г. [71] и введены в действие в 1962 г. [74].

Степень надежности можно оценить характеристикой надеж­ ности или гарантией. Под надежностью размываемого основания

107

подразумевается сохранение всех его .качеств, предусмотренных проектом в течение всего установленного срока эксплуатации с возможным перерывом в периоды ремонтов [80, 83, 84].

При размывающем влиянии водного потока на агрегат надеж­ ность отрыва характеризуется большим числом различных фак­ торов, которые в основном обусловлены изменчивостью в про­

Как установлено исследованиями, в том числе и автора, из­ менение донных пульсаццонных скоростей можно рассматри­ вать как стационарный гауссовский процесс [76].

Изменение сцепления связного грунта, согласно проведенным исследованиям, тоже можно принять подчиняющимся нормально­ му закону распределения [76, 81].

Рассмотрим устойчивость отдельных агрегатов. Стохастическая модель размыва, отрыва агрегата может быть представлена сле­ дующим образом. Анализ явления, процесса показывает, что нель­ зя гарантировать, что за бесконечный срок воздействия размы­ вающего потока на размываемое основание напряжение, обуслов­

роятностью непревышения отрывающего напряжения потока уров­ ня сопротивляемости размыву. Если значение этой вероятности приближается к единице, значит, в данных условиях рассматри­ ваемое событие произойдет обязательно. Происхождение событий достоверно. И наоборот, когда вероятность приближается к ну­ лю, событие не произойдет.

Когда вероятность Р непревышения суммарного напряжения

не менее чем заданная вероятность Р, тогда агрегат надежно

Определить среднее число срывов агрегатов (отказов по тер­ минологии теории надежности) возможно путем' установления среднего числа превышений этих нагрузок (выбросов) над сопро­ тивляемостью отрыву, которое нетрудно определить, допуская процесс изменения величины напряжения отрыва стационарным, распределенным по нормальному закону, обладающим свойством эргодичности (то есть каждая отдельная реализация может харак­ теризовать всю совокупность возможных реализаций). При этом выбросом случайной функции за данный уровень а называется [105, 115] пересечение снизу вверх графиком этой функции гори­ зонтальной прямой, отстоящей от оси на расстоянии а. Напри­ мер, реализация случайного процесса x(t) (рис. 2 2 ) длитель­

ностью Т имеет три выброса над уровнем а.

108

Для решения мно­ гих практических задач важно знать эти пока­ затели. Они изучают­ ся теорией случайных функций [105]. Из тео­ рии известно, что сред­ нее число выбросов па за время Т и средняя длительность выброса

данном случае распадается на произведение нормальных плот­ ностей распределения для х и v:

где дисперсия скорости изменения ординаты случайной функции равна значению корреляционной функции скорости в нуле, то есть

109