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

боту склона без разрушения в заданных условиях. Тем не менее на практике наблюдаются многочисленные случаи обрушения и оползания откосов, вызванные различными случайными причина­ ми, которые не могут быть оценены при расчетах коэффициентом запаса.

Все зависимости для прогноза коэффициента запаса не учи­ тывают разброса величин отдельных внешних сил, действующих на откос обрушения, например объемных, собственного веса, фильтрационных и сейсмических, сосредоточенных, поверхност­ ных, а также разброса физических характеристик грунта. Если изменением активных сил нагрузок можно пренебречь, то пре­ небрегать разбросом фактических показателей сопротивляемости грунта обрушению, согласно современным воззрениям, некоррект­ но. Изменение физико-технических показателей грунта, обуслов­ ливающих сопротивляемость обрушению, сил сцепления, угла внутреннего, трения и объемной массы, как правило [76], под­ чиняется нормальному закону распределения.

Приведенная выше методика оценки надежности различных сооружений может быть использована для расчета надежности при заданных показателях откоса. Учитывая изменчивость основ­ ных факторов, обусловливающих устойчивость откоса, надеж­ ность устойчивости можно гарантировать только лишь с некото­ рой вероятностью. Это означает, что допускается какая-то веро­ ятность обрушения склона в течение определенного срока эксп­ луатации.

Надежность, то есть вероятность того, что в заданный проме­ жуток времени эксплуатации откоса не возникнет аварии или по­ вреждения, целесообразно оценивать статистическими методами на основании экспериментальных данных об изменчивости соот­ ветствующих характеристик параметров откоса. Эти данные позво­ лят получить количественную оценку надежности, иметь представ­ ление о степени риска в зависимости от предъявляемых к откосу эксплуатационных требований, назначать оптимальные по техни-. ческим и экономическим соображениям значения крутизны от­ коса и коэффициента запаса.

Условие сохранения устойчивости склона можно представить в виде

М.оопр S&-Л4вращ.

При расчете устойчивости склона могут быть следующие слу­ чаи: 1) значения момента сопротивления Л4СОпр и момента вра­

мени. В течение времени Т, если вероятность непревышения мо­ мента вращения (вызывающего обрушение склона) момента со­

160

Мвращ. Ее вычисление можно облегчить при использовании функ­ ции Лапласа [18]

сопр

С помощью этой формулы методом последовательного при­ ближения можно установить крутизну склона и высоту откоса при

зом, может обрушиться, то есть риск оценивается в 50%. Изложенную методику можно применять для оценки как на­

дежности динамической устойчивости затопленных склонов, так и устойчивости склонов и откосов, нарушение которых обуслов­ лено реологическими процессами, без видимых изменений вели­ чины сил, воздействующих на склон, а также факторов, приво­ дящих к снижению сопротивляемости сдвигу слагающих склон почвогрунтов.

Пример 35. По заданной высоте откоса, объемному весу сухого грунта, пористости, углу внутреннего трения грунта, удельному сцеплению установ­ лено, что AfConp=1418 тм/м, а МВращ = 1315 тм/м и среднеквадратическое от­ клонение 0 Жсопр= О,О5 Мсопр. Установить вероятность надежной (без обру­

шения) работы откоса.

Решение.

13.НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ ЛОТКОВ-КАНАЛОВ

ИЗАКРЫТЫХ ТРУБОПРОВОДОВ *

Лотковые каналы, закрытые трубопроводы более совершен­ ный вид внутрихозяйственной оросительной сети, чем каналы в земляном русле. Как лотки, так и трубопроводы можно устанав­ ливать в любое время года. Строительство сети из них ведется индустриальными методами с минимальными по сравнению со строительством других видов оросительной сети затратами труда. Высоки и эксплуатационные показатели этих систем.

Закрытые трубопроводы и лотки-каналы в отношении надеж­ ности представляют собой системы, состоящие из отдельных эле­

* Параграф написан С. Ш. З ю б е н к о при участии автора.

162

ментов. Поэтому для этих гидросооружений применимо большин­ ство понятий, терминов и определений, изложенных выше.

поддерживается с помощью ремонтов, поэтому они относятся к системам восстанавливаемым.

Для систем лотков-каналов и закрытых трубопроводов ремон­ топригодность служит важным показателем надежности. Одна из главных характеристик ремонтопригодности рассматриваемых систем — их ремонтная технологичность, позволяющая восстанав­ ливать рабочие качества объекта с минимальными затратами труда и материалов. Это определяется как конструкцией лоткаканала, закрытого трубопровода, так и системой организации и технологическим уровнем самого ремонта, квалификацией обслу­ живающего персонала и ремонтных бригад и др.

Таким образом, совокупность трех понятий — безотказности, долговечности и ремонтопригодности — более подробно раскры­ вает понятие надежности лотков-каналов и закрытых трубопро­ водов.

При эксплуатации оросительных систем возникают различно­ го рода повреждения и разрушения отдельных элементов, что может привести к значительным потерям воды. Это особенно опаснб в районах распространения лессовых грунтов, структурно неустойчивых при увлажнении, способных к значительным и не­ равномерным деформациям.

Процесс эксплуатации лотков и закрытых трубопроводов мож­ но рассматривать как поток случайных событий — отказов, ко­ торые определяются последовательностью промежутков времени нормальной работы системы между отказами.

Среди отказов различают устранимые (появление течи в лот­ ках, гидрантах, муфтах), когда изделия подлежат восстановле­ нию путем ремонта, и неустранимые (полное разрушение лотка, линейной части трубопровода), когда изделие изымается из экс­ плуатации. Причиной отказа элемента, системы может быть как внезапное изменение его структуры (разрушение лотка, линейной части трубопровода), так и постепенное изменение параметров элемента в результате его старения (износа).

При эксплуатации лотковых каналов, закрытых трубопрово­ дов на лессовых просадочных грунтах возникают дополнительные нарушения в работе сети, так как при разгерметизации стыков в лотках, во фланцевых соединениях трубопроводов, в гидрантах значительное количество воды попадает в грунт, что иногда вы­ зывает деформацию оснований.

Основной характеристикой потока отказов элементов служит параметр потока отказов %(t), равный безусловной вероятности появления отказа за единицу времени работы, начиная с момен­

163:

та t. При анализе и расчете надежности трубопровода можно выяснить возможность использования гипотезы о постоянстве па­ раметра потока отказов для рассматриваемого физического про­ цесса.

Условия, при которых можно использовать такую гипотезу на основании работ [25, 31, 44, 133], сводятся к следующим:

большинство причин отказов может быть устранено профи­ лактическими мероприятиями при техническом обслуживании;

процессы износа, старения, усталости, коррозии протекают медленно, и для рассматриваемых коротких промежутков време­ ни их влиянием можно пренебречь;

устройство состоит из достаточно большого числа независи­ мых элементов;

когда желательно получить оценку снизу для показателей на­ дежности систем, в том числе и так называемых стареющих си­ стем.

Однако эти положения можно отнести лишь к гидрантам, муф­ там, к стыковым соединениям лотков, но никак не к самим тру­ бам и лоткам.

*Система планово-профилактических мероприятий, проводимых

внастоящее время эксплуатационными службами, характеризу­ ется постоянным контролем за работой гидрантов, муфт, герме­ тизирующего материала (стыков). Значительная доля отказов связана с внезапными поломками, не имеющими отношения к процессу износа. Все эти факторы позволяют принять для ха­

ниями. В отличие от гидрантов и муфт линейная часть трубо­ провода, а также сам лоток характеризуются чрезвычайно высо­ кой ценой одного отказа.

На основе проведенных обследований можно выделить сле­ дующие причины ненадежности лотков-каналов и закрытых тру­ бопроводов.

1. К о н с т р у к т и в н ы е д е ф е к т ы , н е д о с т а т о ч н о вы­ с о к и й у р о в е н ь п р о е к т н ы х р е ш е н и й . Отказы этой груп­ пы возникают как следствие несовершенства конструкции. С точ­ ки зрения анализа и расчета надежности важно, что промах в конструировании одинаково сказывается на всех лотках и трубах рассматриваемой системы.

2. Т е х н о л о г и ч е с к и е д е ф е к т ы . Отказы этой группы возникают как следствие нарушения принятой технологии изго­ товления лотков и труб. Качество отдельных элементов имеет случайные вариации, причем они заключены в достаточно узких пределах и не сказываются заметно на надежности всей сети [107]. При изготовлении асбоцементных труб наблюдаются гео­ метрические дефекты (отклонение в толщине труб), затрудняю­ щие сборку и. монтаж трубопровода, разброс по внешнему диа­ метру и т. д. На заводах-изготовителях как лотков, так и труб

164

отсутствует систематический пооперационный контроль, не всег­ да и не полностью выполняются требования к проверке каче­

Для каждой системы устанавливаются ограничения на условия ее эксплуатации (ограничения на температуру, давление и т. д.), задаются правила ухода за системой. Нарушение правил эксплуа­ тации приводит к преждевременным отказам, то есть способст­ вует увеличению скорости преждевременного старения системы. Обычно такие нарушения касаются лишь части эксплуатируемых лотков и трубопроводов.

При эксплуатации лотков-каналов и закрытых трубопроводов возникают трудности прежде всего из-за неудовлетворительного выполнения монтажных работ, нарушения технологии строитель­ но-монтажных работ, отступления от проекта. При строительстве лотков-каналов лотки перевозят на машинах, не оборудованных амортизаторами; .иногда не проводят уплотнения оснований под фундаментные плиты. В некоторых случаях плиты укладывают на подсыпанный и неутрамбованный грунт; трубы укладывают часто в траншеи без предварительного замачивания основания, что приводит к просадкам.

При монтаже повреждают поверхность трубопровода, преду­ смотренные проектом трубы заменяют трубами с уменьшенной толщиной стенки либо с ухудшенными механическими свойст­ вами из-за длительного хранения в неприспособленных помеще­ ниях.

Особенно большие трудности возникают при эксплуатации оросительной сети на просадочных грунтрх в результате плохого выполнения стыковых соединений. Неудовлетворительное каче­ ство швов в лотках-каналах вызваноконструктивной недоработ­ кой проектных решений швов; отклонением от проектных разме­ ров швов; отсутствием требуемых герметизирующих материалов, ограниченностью их номенклатуры и низким качеством; плохим качеством производства работ, недооценкой того, что стык яв­ ляется ответственнейшим элементом конструкции и при его уст­ ройстве, особенно герметизации, работы следует выполнять осо­ бенно тщательно.

Одна из важнейших эксплуатационных нагрузок, действую­ щих на фланцевые соединения в трубопроводах, — давление. Ин­ тенсивность процесса разуплотнения фланцевого соединения обус­ ловлена степенью снижения удельного давления в одной из ло­ кальных зон контакта, фланец — прокладка. При этом Ч)тказ соединения, то есть потеря им герметичности, наступает в строго определенный момент времени, при котором минимальное удель­ ное давление на прокладке достигает предельного значения.

Надежность линейной части отражает достигнутый уровень технического прогресса в производстве лотков и труб, проекти­ ровании, строительстве и эксплуатации оросительной сети,- Ха­

165

рактер появления отказов поэтому следует расценивать как слу­ чайный. Если даже после некоторого периода эксплуатации ста­ новится возможным установить доминирующее воздействие того или иного фактора, то исправить уровень надежности, как пра­ вило, не удается.

В итоге устанавливаем, что из общего потока отказов самих лотков и труб, то есть линейной части сети, можно выделить отказы, возникновение которых предопределено длительностью и уровнем эксплуатации. Отделяя эту группу отказов, для остав­

с точки зрения как исходной информации, так и обработки ста­ тистических данных. Ввиду тяжести последствий аварий исход­ ная информация оказывается более представительной и может уточняться по нескольким источникам. При этом для установле­ ния однородности информации по различным отказам необходим тщательный учет условий повреждений по режимам эксплуата,- ции, внешним условиям и конструктивным особенностям ороси­ тельной сети.

При обработке исходных материалов принципиальное значе­ ние имеет формулировка понятия отказов линейной части. Под отказом лотка-канала и линейной части трубопровода следует понимать прекращение или снижение подачи воды из-за нару­ шения герметичности линейной части и вызванного этим отклю­ чения одного из участков сети для ремонтных работ.

Ввиду большого разнообразия конструктивных факторов и условий эксплуатации при статистической обработке рассматри­ ваются лотки-каналы и трубопроводы, которые работают при производительности, не меньшей 80% от проектной, и в одинако­ вый период эксплуатации; в качестве времени исследования при­ нимается наработка за календарный период исследования t, так что период исследования равен

чество элементов и системы в целом не может предохранить их от постепенного старения. В процессе эксплуатации и хранения накапливаются необратимые изменения, которые нарушают проч­ ность, координацию и взаимодействие частей и в конечном счете вызывают отказы.

Очевидно, при одних режимах процесс старения будет про­ ходить быстрее, при других — медленнее. За номинальный про­ цесс старения можно принять старение при работе оросительной сети в номинальном режиме в соответствии с рассчетными внеш­ ними условиями. Старение лотков и труб в значительной степени Зависит от климатических условий.

166

Замораживание и оттаивание зимой, сравнительно высокая температура в летние месяцы и воздействие ультрафиолетовых лучей — все эти факторы, безусловно, ускоряют износ лотковканалов. Кроме этого, часто не принимают мер защиты системы от снежных заносов, не опорожняют сеть перед наступлением морозов, не обеспечивают непрерывность полива в течение задан­ ного срока. В некоторых хозяйствах допускают растворение в лотках удобрений, не учитывая при этом возможность отрица­ тельного их влияния на бетон и т. п.

Ситуация, когда одновременно действует несколько причин отказов, наиболее типична в практике. Здесь важно отметить следующее обстоятельство. Часто бывает, что среди множества причин, вызывающих отказы, имеются одна-две преобладающие, влияние остальных будет настолько слабым, что отказы по их вине практически не наблюдаются. Поэтому при исследовании надежности объекта прежде всего стремятся выявить преобла­ дающие причины отказов и лишь затем, если в этом есть необ­ ходимость, учитывают влияние остальных причин.

Рассмотрим расчет надежности оросительной сети при основ­ ном соединении элементов (лотков или труб), при котором вы­ ход из строя хотя бы одного лотка или одной трубы ведет к от­ казу всего соединения. При расчете надежности таких систем справедливо допущение, что отказ лотка (трубы) — событие слу­ чайное и независимо!. Это допущение при условии, что режимы работы элементов не изменяются до отказа системы, соответ­ ствует действительности. Так как при наличии хотя бы одного отказавшего элемента выходит из строя вся система в целом, то нас будет интересовать выход лишь первого элемента независи­ мо от того, будут ли исправны остальные лотки, трубы системы.

Вероятность исправной работы оросительной сети, состоящей из лотков-каналов или закрытых трубопроводов, в течение вре­ мени t будет равна произведению вероятностей исправной ра­

Так как вероятность исправной работы лотков, труб в тече­ ние времени t можно выразить через опасность отказов

t

-jx(/)d/

то предыдущую формулу можно записать таким образом:

167

Это выражение наиболее общее. Оно позволяет определить вероятность исправной работы лотков-каналов и закрытых тру­ бопроводов до первого отказа при любом законе изменения опас­ ности отказов во времени. Характеристики надежности лотковканалов и закрытых трубопроводов — вероятность безотказной работы, частота отказа, интенсивность отказов, среднее время

Эти количественные характеристики служат основными па­ раметрами надежности. Кдждая из них имеет свои достоинства и недостатки, хотя ни одна из них не является исчерпывающей характеристикой надежности. Только все они, вместе взятые, могут во многих случаях достаточно полно характеризовать на­ дежность оросительной сети в течение времени ее работы. Одна­ ко эти количественные характеристики надежности не позволя­ ют установить соотношения между временными составляющими цикла эксплуатации. В частности, они не учитывают времени, за­ траченного на профилактические мероприятия и ремонт, удоб­ ства эксплуатации, готовности системы к действию в данный мо­ мент, стоимости эксплуатации и т. д. Поэтому необходимы до­ полнительные характеристики, какими являются коэффициенты надежности.

Критериями надежности могут быть и различные отношения действительной и идеальной характеристик работы системы. По­ добного рода критерии можно с успехом использовать для оцен­ ки воздействия на надежность специфических условий эксплуа­ тации, в частности воздействия окружающих факторов, что весь­ ма важно для учета особенностей, связанных с местом установки однотипных лотков-каналов и закрытых трубопроводов.

нить ее можно только статистическим методом — обработкой большого количества данных, полученных при испытаниях или эксплуатации. Поэтому математическим аппаратом, который ис­ пользуется при расчете характеристик надежности, является тео­ рия вероятностей.

Рассмотрим алгоритм определения статистических количест­ венных характеристик надежности лотковых систем (рис. 25). Исходной информацией для этого алгоритма будет совокупность значений t0 случайной величины Тс, полученных в результате проведения заданного числа осмотров систем.

Построение a(t), Q{t), Тср, X(t), SK и Etc будем проводить следующим образом.

168

Рис. 25. Блок-схема алгоритма исследования надежности лотковых систем.

Весь диапазон ta наблюденных значений случайной величины времени безотказной работы Тс разделим на иа интервалов, или «разрядов». Тогда величина каждого «разряда»

Подсчитаем количество попаданий значений Т0 в каждый «раз­ ряд» при проведении Na осмотров.

Из рисунка 26 следует, что номер «разряда», с которым сов­

единицу. В результате проведения Na осмотров получаем в каж­ дом va «разрядов» числа mv — количества попаданий значений

169