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

Рс(*)=рАт р Б(*)+р в(()>. pB(t)=pB{t)

или

Pc(t) =PA(t)+2P E( t ) .

РА (t) — вероятность того, что за время t ни один насос не откажет, поэтому

PA(ty=*- 2 XI

P E( t ) = l a1(x) p2(x)P2{t—x.)dx,

те)

сосов k0, при котором среднее время работы до отказа всей насосной станций

сос испытывается в нагруженном режиме. Насос характеризуется интенсивно­ стью отказов Л = 4,4-10—3 1/ч, интенсивностью восстановления |х= 1 1/ч.

Вычислить основные показатели надежности насосной станции при неог­ раниченном и ограниченном восстановлении.

151

10.ВЫБОР НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА КАМЕР ОТСТОЙНИКА

Отстойник, как известно, — одно из наиболее важных и рас­ пространенных сооружений гидромелиоративного строительства.

Установление системы, конструкции, числа камер отстойника — сложная технико-экономическая задача. Выбор необходимого

152

числа камер отстойника зависит от типа водозабора и наносного режима источника, условий подачи воды и степени осветления воды.

Число камер отстойника с периодической промывкой выби­ рают в зависимости [37]:

1) от величины эксплуатационного и промывного расхода (ко­ торый может быть выделен израсхода реки на промывку), со­ ставляющего 0,5— 1 от рабочего расхода камеры;

2)от зимнего режима;

3)от условий осмотра и ремонта камеры.

Эти же факторы определяют выбор числа камер отстойника с непрерывной промывкой. Так как через отстойник вода обыч­ но подается непрерывно, то для возможности проведения необ­ ходимых ремонтных и профилактических работ строить его од­ нокамерным нецелесообразно. Таким образом, как правило, наи­ меньшее число камер в отстойнике равно двум.

В настоящее время количество дополнительных резервных ка­ мер устанавливается без учета степени безотказности работы уп­ рощенным технико-экономическим расчетом. Между тем приемы

заданной надежностью вероятности безотказной работы и вели­ чину выигрыша надежности в результате устройства дополни­ тельных резервных камер.

Число резервных камер необходимо устанавливать, зная, что выход их из строя из-за повреждения (отказа) является неза­ висимым событием с точки зрения теории вероятностей, условия работы камер идентичны, и все камеры имеют одинаковые техни­ ческие характеристики и одинаковые надежности. Для нормаль­ ной работы системы необходимо, чтобы в отстойнике было п камер.

Для решения задачи следует знать порядок работы резервных камер. Если резервные камеры работают наряду с основными поставленная задача решается следующим образом.

Примем, что при необходимом числе камер п пропуск расчет­ ного расхода обеспечен в случае работы резервных т камер. До­ пустим вероятность того, что из п камер число неисправных рав­ но I. Это может быть рассчитано как вероятность Р, наступле­ ния событий исправной работы m—i камер и неисправных i камер. Обозначим вероятность исправной работы одной каме­ ры Р, а вероятность неисправной работы одной камеры Q. Коли­ чество исправных и неисправных камер равно числу способов, каким можно из т камер выбрать i отказавших камер.

Таким образом, вероятность Pi того, что в отстойнике, состоя­ щем из т камер, число отказавших камер равно t, можно уста­ новить по теореме сложения вероятностей:

P i ^ C ^ - i Q i ,

153

т\

/! (m—i)\

Если число обязательно работающих камер должно быть не менее п, тогда вероятность безотказной работы системы камер будет равная

Р12=2 ^12 Р ^ - ‘( l - P y ^ C ^ P ^ H - P ^ + C ^ P ^ i l ^ + C ^ P 12- 2(1 - Р )2 =

(=0

Увеличение надежности отстойника по вероятности безотказной работы

Пример 33. Допустим, что для нормальной работы оросительной системы необходима вероятность безотказной работы отстойника 0,9, на самом деле на­

154

Р е ш е н и е . Воспользуемся для решения этой задачи формулой резерви­ рования -

р { ‘ ‘

P t= 0,9 ; Л-=0,8 ;

0,9=1—(1 -0 ,8 )т

14 т = 1,4, то есть т= — .

Это означает то, что при десяти основных камерах для достижения тре­ буемой надежности необходимо 4 запасных.

11. ПРОКЛАДКА РЕЗЕРВНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ НИТЕЙ ЧЕРЕЗ ВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ

На практике наиболее часто наблюдается повреждение трубо­ проводов на переходах через водные преграды, особенно через горные реки и овраги. Условия работы этих участков существен­ но отличаются от условий работы сухопутных участков водопро­ водов. Повреждения обусловлены главным образом оголением подводного трубопровода вследствие деформации русла и связан­ ным с этим разрывом трубопровода, а также некачественной сваркой стыков, потерей устойчивости, воздействием различных механизмов.

Основными причинами размыва трубопроводов на участке рус­ ловой части служат недостаточная изученность гидрологических режимов многих водотоков и изменение этих режимов в процес­

139] до настоящего времени еще недостаточно изучены эрозион­ ные процессы, протекание их во времени у переходов трубопро­ водов через водные преграды. Это указывает на важность вы­ бора створа перехода с учетом изменения гидрологического ре­ жима водотока.

Изложенное предопределяет необходимость проведения допол­ нительных мер повышения надежности водных переходов. Во многих ответственных случаях при переходе магистральных во­ допроводов через водные преграды для повышения надежности и безотказности становится необходимым прокладывать резерв­ ные нити, так как в случае аварий, которые могут возникнуть при паводках, восстановление водопровода требует больших за­ трат труда и средств.

При расчете резервирования важно установить оптимальное число ниток и их пропускную способность. Могут быть различ­ ные варианты: диаметр резервной нитки меньше, чем основной,

155

диаметр резервной нитки равен диаметру основной, для одной основной нитки могут быть проложены две, три резервные нитки и т. д. Конструкцию и оптимальное количество резервных ниток выбирают на основе технико-экономических расчетов. Может быть использован современный метод оптимального проектирования.

Из двух вариантов с различным числом резервных ниток пред­ почтение следует отдавать тому, при котором сумма расчетных затрат наименьшая.

При прокладке водопровода через водные преграды каждую нитку желательно рассчитывать на полную нагрузку. Водопро­ воды устраивают таким образом, чтобы повреждение каждого из них не влияло на надежность других.

Следует принимать меры для того, чтобы не допустить одновременный выход из строя нитей. Необходимо иметь в виду, что условия выхода из строя настолько сложны, что восстановление поврежденных нитей в значительном большинстве случаев не­ целесообразно. Нитки выполняют с идентичными конструкциями и техническими данными. Отключение поврежденной нитки сле­ дует автоматизировать или устроить такой переключатель, кото­ рый не потребует много времени для переключения.

Резерв в зависимости от работы водопровода может быть нагруженным или ненагруженным.

Принимая во внимание то, что повреждение отдельных участ­ ков водопровода на переходе является независимым событием, ве­ роятность безотказной работы за время t водопровода на пере­ ходе длиной I будет

P i = P b

где Pi — вероятность безотказной работы единицы длины нити. Вероятность отказа водопровода без резерва будет

Qi = \ —p\,

авероятность отказа за время t водопровода с резервом

Q2= Q i2= ( 1 - p 21)2.

Следовательно, вероятность безотказной работы хотя бы одной нити магистрального водопровода с резервом на переходе через водные преграды будет

P2= l - Q 2= 2 p \ - р я

Пример 34. Допустим, вероятность безотказной работы единицы длины водопровода Pi = 0,999, длина перехода /= 200 м. Сравнить вероятность без­ отказной работы водопровода на переходе без резерва и с однониточным ре­ зервом.

Р х= р \ =0,999200=0,8318

P2=2pj— P f = 2 - 0,999200—0.9992 ’200 = 0,971 8 ,

156

т о е с т ь н а д е ж н о с т ь п о в ы ш е н а в 1,17 р а з а , а в е р о я т н о с т ь о т к а з а с н и ж е н а в

Резервирование наряду с его применением на водных пере­ ходах можно использовать и на других особо опасных участках. Для повышения надежности этих участков и возможности отклю­ чения на них устраивают двухниточные отводы с помощью пере­ мычек. Размещают по трассе запорную арматуру, при помощи которой повреждение можно локализировать на секции между двумя ближайшими задвижками.

Из изложенных и рассмотренных примеров водопровода вид­ но, что на сложных участках, водных переходах (обычно в усло­ виях горных рек и оврагов) и труднодоступных участках или там, где интенсивность отказа повышена, резервирование эффек­ тивно и дает возможность значительно снизить вероятность от­ каза сооружения.

Надежность водопроводов иногда можно повысить, используя резервуарные парки.

Для обеспечения потребителя водой в соответствии с планом водопользования необходимо обеспечить надежность водопрово­ дов в процессе эксплуатации, организовав техническое обслужи­ вание, направленное на предупреждение аварий, повреждений, простоев.

Техническое обслуживание включает профилактическое обслу­ живание и аварийно-восстановительные работы. Мероприятия, применяемые при профилактическом обслуживании, дают возмож­ ность предупреждать изменение заданных параметров водопро­ вода.

Уровень оснащенности аварийно-восстановительных работ оп­ ределяет сроки устранения повреждений.

Аварийно-восстановительные работы выполняют после выхода из строя того или иного элемента водопроводной системы. Про­ филактическое обслуживание включает контроль и испытание во­ допровода для выявления и восстановления режимно-технологиче­ ских характеристик, а также систему предупредительных ремон­

тов.

Большинство отказов может быть предотвращено мероприя­ тиями профилактического обслуживания.

12. О РАСЧЕТЕ НАДЕЖНОСТИ УСТОЙЧИВОСТИ СКЛОНОВ И ОТКОСОВ

При проектировании различных гидротехнических и мелио­ ративных сооружений возникают задачи о прогнозе устойчивости откосов, природных склонов и косогоров. Одной из причин опи­ санной выше крупной аварии на высокой плотине Сан-Френсис дэм (США) в 1928 г. с полным разрушением этого сооружения >был обвал бортов долины [66, 32].

157

Для прогноза устойчивости склона в практике проектирова­ ния пользуются методами, предложенными Н. Н. Масловым — метод горизонтальных сил [66], Р. Р. Чугаевым — метод наклон­ ных сил [128], Г. М. Шахунянцем — метод оползневого давления [66]. Полезны графики, составленные Г. М. Ломизе для расчета откоса.

Расчет склона в общем случае носит поверочный характер, необходимый наклон откоса находят подбором, задаются крутиз­ ной откоса и затем делают поверочный расчет. Полагают, что недеформируемый отсек обрушения грунта оказывается ограни­ ченным снизу поверхностью сдвига той или иной геометрической формы. В каждой точке этой поверхности имеет место предель­ ное равновесие. Наблюдением установлено соответствие этой мо­ дели натуре как для сыпучих, так для связных и скальных пород.

Расчет устойчивости склонов и откосов преследует цель дать количественную оценку степени его устойчивости, которую необ­ ходимо знать не только для решения вопроса о надежности от­ коса, но и для экономического сравнения вариантов земляных сооружений. Обычно в расчетах рассматривают земляной откос, образованный однородным грунтом. Вместе с этим необходимо учитывать дополнительные факторы, обусловливающие устойчи­ вость откоса-— неоднородность грунта, фильтрационные и сейсми­ ческие силы.

Нарушение устойчивости откоса связано с превышением дей­ ствующих на некоторых площадках сдвигающих сил, сил сопро­ тивления грунта сдвигу на этих же площадках. Сдвигающие си­ лы возникают под воздействием собственного веса грунтовой тол­ щи и дополнительных нагрузок на откос (рис. 24).

Сдвиг грунта происходит по площадкам с наибольшим значе­ нием отношения величины касательного напряжения к величине сопротивления сдвигу. Нередко все эти площадки создают некото­ рую криволинейную поверхность.

158

На практике в применяемых методах расчета степень устой­ чивости откоса оценивается коэффициентом запаса устойчивости.

Коэффициент запаса устойчивости является отношением действующих сил сопротивления перемещению к активным (на­ пример, сдвигающим) силам:

Иногда предпочтение отдают коэффициенту устойчивости не­ которой массы грунта в виде отношения величины момента со­ противления вращению /ИСОпр некоторого объема грунта вокруг определенной точки к величине вращающего момента Мвращ во­

В настоящее время под коэффициентом запаса понимают [128] специальный корректив, вводимый в расчет с целью исправить все возможные погрешности (идущие в сторону нарушения устой­ чивости), которые не учтены в расчетных 'зависимостях.

При расчете данного откоса находят коэффициент запаса и затем его значение сравнивают с величиной допускаемого коэф­ фициента запаса. Считают, что откос будет устойчив, если рас­ считанная величина коэффициента запаса меньше допускаемого

Значения коэффициента запаса устойчивости откоса К3 в за­

Величина коэффициента запаса устойчивости не дает возмож­ ности оценить количественно как надежность склона, так и сте­ пень риска.

Казалось бы, что введение в расчеты устойчивости откоса ко­ эффициента запаса, учитывающего весь комплекс факторов, от которых зависит устойчивость откоса, должно гарантировать ра-

159