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

туру, шероховатую поверхность и форму пластинок, круглых ча­ шечек и т. п. В состав неорганической пыли входит кварц и по­ левой шпат. Пыль содержит и значительную часть органических веществ. Органическая пыль содержит споры растений, плесне­ вые грибы, бактерии, вирусы, остатки растений и т. д.

Характерно, что концентрация пыли в единице массы воздуха убывает с увеличением высоты приближенно по экспоненциаль­

ция. На элементы конструкции существенно влияет также биоло­ гическая среда, грибные образования (плесень). В течение не­ скольких дней небольшое грибное образование может дать мил­ лионы новых спор. Грибные образования в процессе жизнедея­ тельности выделяют продукты обмена веществ — метаболиты. Некоторые из них состоят из различного рода кислот, вызываю­ щих коррозию металлов или разложение изоляционных материа­ лов. Большую опасность для различных элементов сооружений представляют насекомые — термиты, которые встречаются в жар­ ких сухих зонах. Они поедают многие материалы, применяемые для создания сооружений.

На срок службы сооружений существенно влияет температур­ ный режим как самого элемента, так и окружающей среды. В ре­ зультате температурных колебаний происходят деформации эле­ ментов, узлов, вызывающие нередко механические повреждения всего сооружения. Поэтому при проектировании объектов следу­ ет учитывать все последствия изменений температурного режима.

Защита от воздействия внешних факторов необходима для обеспечения нормальной работы объекта при эксплуатации или при простоях.

Долговечность объекта, сооружения зависит от срока службы составляющих элементов. Элементы, составляющие гидромелио­ ративные сооружения, могут характеризоваться как одинаковой, так и различной надежностью и долговечностью.

В сооружениях, где составляющие элементы обладают одина­ ковой долговечностью, капитальный ремонт (при котором восста­ навливаются или заменяются вышедшие из строя изношенные элементы) не проводится. В таких сооружениях необходимы про­ филактические ремонтные работы, поддерживающие надежность на заданном уровне до технического или морального износа. Не­ обходимо принимать меры, чтобы узлы таких сооружений и эле­ менты обладали примерно одинаковой надежностью и долговеч­ ностью. Достижение полной идентичности надежности практиче­ ски невозможно.

Для проведения профилактических ремонтных работ, а также

2 0 2

минимальных затрат труда и средств. Это считается главным ус­ ловием ремонтопригодности конструкции.

ловливающих долговечность этих объектов, нет возможности ука­ зать все меры, позволяющие достичь необходимой долговечности.

защиты), достаточный уровень качества производства работ, со­ блюдение оптимального в соответствии с проектом, режима эк­ сплуатации с проведением в установленный срок осмотров, про­ филактического и восстановительного ремонтов, исключение не­ допустимых нагрузок и агрессивного воздействия внешней и внутренней среды, возможные меры по защите объектов от сти­ хийного воздействия.

Для сохранения надежности и достижения долговечности за­ данного уровня необходимы регулярные! профилактические и текущие ремонты. Текущие ремонты проводятся в течение всего срока службы объекта. Задача текущих ремонтов — немедленное или периодическое устранение повреждений, неисправностей в элементах или в узлах. Этим предупреждается возможность от­ казов и отдаляется срок физического износа.

В зависимости от обстановки текущий ремонт может быть планово-предупредительным или непредвиденным. Для восста­ новления характеристик безотказности элементов, конструкции сооружения производится капитальный ремонт сооружения в це­ лом или отдельных его узлов. После капитального ремонта срок службы сооружения*исчисляется сначала. Для выявления необ­ ходимости текущего и капитального ремонтов проводят периоди­ ческие осмотры. Внеочередной осмотр может быть назначен пос­ ле стихийных бедствий или воздействия на сооружения ненор­ мальных нагрузок.

Для установления оптимальной долговечности необходимо ис­ следовать первоначальную стоимость, общие затраты на строи­ тельство, ремонт и содержание объектов гидромелиорации раз­ личной долговечности, включая сопряженные капитальные вло­ жения. Следует установить, что выгоднее — более долговечные объекты с большими капитальными затратами и небольшими рас­ ходами на обслуживание или дешевые менее долговечные объ­ екты с большими текущими расходами. Этот вопрос должен быть решен на основе технико-экономических расчетов с учетом мо­ рального износа и развития технического прогресса.

Оптимальная долговечность должна измеряться экономически наиболее выгодным сроком службы, ограниченным физическим и моральным износом. Следует иметь в виду, что учет мораль­ ного износа приводит не к увеличению, а к уменьшению опти­

2 0 3

мального срока службы. Физический износ неотвратим. Размеры его во многом зависят от условий эксплуатации. Профилактика и другие мероприятия могут лишь отдалить этот период. Одна часть физического износа возмещается регулярным ремонтом, другая, вызывающая снашивание, постепенно приводит к выхо­ ду из строя объекта. Физическому износу подвергаются не толь­ ко действующие сооружения, но и не работающие, так как они не изолированы от окружающей среды. Физический износ без­ действующих сооружений и установленного на них оборудования наносит народному хозяйству большой вред.

Сооружения и оборудование подвергаются также и мораль­ ному износу, который наступает в результате технического про­ гресса— создания более экономичных и современных моделей сооружений, отвечающих уровню развития науки и позволяющих экономить при эксплуатации труд и средства.

Для правильного прогноза морального износа объекта боль­ шое значение имеет установление перспективных направлений на­ учно-технического прогресса в данной области. Моральный износ зависит от темпов научно-технического прогресса. Средством пре­ одоления морального износа является модернизация, под которой понимается обновление находящихся в эксплуатации сооружений. Модернизованная конструкция сооружения должна приобрести характеристики сооружений современного уровня.

Проводить ли мероприятия по ремонту, модернизировать или сменить то или иное. сооружение, следует решать в каждом от­ дельном случае с учетом условий работы конструкции на основе технико-экокомических расчетов.

Следует помнить, что внедрение новой модели не всегда оз­ начает удешевление существующих конструкций, иногда созда­ ние новой конструкции необходимо для совместной работы с другими объектами.

Важно и то обстоятельство, что до настоящего времени не существует правил взаимоотношения между строительными ор­ ганизациями и теми, которые эксплуатируют сооружения. Это приводит к отрыву строительных организаций от их заказчиков.

До настоящего времени в эксплуатационных управлениях нет служб надежности и долговечности, одними из основных задач которых должны быть сбор, статистическая обработка и анализ информации о надежности и долговечности отдельных узлов, нормирование долговечности, назначение наиболее оптимальных сроков ремонта.

Высокий уровень надежности и долговечности может быть до­ стигнут только в результате совместной работы проектировщиков и производственников на всех этапах создания эксплуатации и ремонта объектов. Недостаточная надежность объектов гидроме­ лиорации в ряде случаев' обусловлена тем, что надежность и дол­ говечность не относятся к показателям, по которым оценивается ра­ бота организации.

2 0 4

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ, СВЯЗАННЫХ С ПРОЕКТИРОВАНИЕМ ОБЪЕКТОВ ГИДРОМЕЛИОРАЦИИ С ПОЗИЦИИ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТИ *

На надежность объектов гидромелиорации влияет множество' факторов,, перечислить которые для всех сооружений нет возмож­ ности. Приведем перечень основных факторов, которые обуслов­ ливают надежность работы каналов гидромелиоративного назна­ чения: топографические, геологические, гидрогеологические, кли­ матические, почвенные условия и изменчивость этих условий вдоль трассы канала; свойства материалов, используемых при строи­ тельстве каналов, и условия хранения этих материалов; наруше­ ние технических условий производства работ при строительстве и эксплуатации каналов; работа водозаборного узла; размыв, заи­ ление, зарастание, периодичность работы канала, квалификация эксплуатационного персонала, проведение планово-предупреди­ тельных ремонтов.

Знание закономерностей влияния этих факторов на общую на­ дежность системы и методы теории надежности позволят управ­ лять этим-и факторами и довести надежность до требуемого уровня.

Среди влияющих на любое физическое явление множества взаимосвязанных и взаимообусловливающих факторов есть глав­ ные и второстепенные. При изучении физических явлений влияни­ ем второстепенных факторов пренебрегают. Однако выбор основ­ ных факторов возможен лишь с помощью современной теории вероятностей и математических методов статистики.

Одной из первых попыток расчета каналов с привлечением статистических методов анализа и критериев надежности сле­ дует считать разработанную автором методику установления до­ пускаемых (неразмывающих) скоростей потока [71] с гаранти­ ей. Эта методика впоследствии была применена другими иссле­ дователями при решении различных задач, при расчете закрытой оросительной сети и др.

Для оценки изменчивости факторов, влияющих на процесс, на предельное состояние различных объектов, необходимо знать значение суммарного среднеквадратического отклонения, зави­ сящего от факторов, обусловливающих явление. Эксперименталь­ ные исследования, анализ явления позволяют считать, что эти отклонения от нормальных значений в большинстве случаев под­ чиняются нормальному закону распределения.

* Глава приводится для пояснения применения некоторых положений тео­ рии вероятностей при проектировании.

205

В теории надежности с помощью теории вероятностей дока­ зывается, что при существовании линейной зависимости между факторами, влияющими на начальную безотказность, вероят­ ность начальной безотказности может быть установлена на ос­ нове закона нормального распределения. На основании этого до­ пущения при расчете конструкции на прочность абсциссой вершины кривой будет математическое ожидание расчетного напря­ жения, при расчете на местный размыв — математическое ожи­ дание расчетной глубины местного размыва, при проверке устой­ чивости. на размыв каналов — математическое ожидание допус­ каемой (неразмывающей) скорости течения потока и т. д.

Расчеты, связанные с проектированием объектов гидромелио­ рации (расчет каналов, нижнего бьефа различных сооружений, фильтрационные расчеты, установление параметров потока и соо­ ружения и т. д.,— это задача динамики русловых потоков, теории фильтрационных потоков и т. д. Если же требуется установить вероятность отказа этих сооружений только вследствие недопу­

«примеры полезнее правил» («Всеобщая арифметика») в каче­ стве иллюстрации приведем решение ряда задач, возникающих на практике, с позиции теории вероятностей [3, 17, 18, 31, 49, 68,

/= 1

2 0 6

р = Ро+ [0,90Ро/Р1 ] (1■- Л ) + [0.90Л /Л ] (1 - Р 2) +

+ [0.90Л/Л ] (1- Л ) + [0,090Л/Л] (1- Л ) +

+ [0.15Л/ЛЛ] (1 -Л ) (1 -Л ) + [0,15Л/ЛЛ]Х

=0,994+4-0,90-0,99^-0,01+2-0,15-0,992-0,012+ 4 ’0,60 - 0,992-0,012 =

=0,9957.

Пример 40. Сферический штамп Н. А. Цытовича используется для уста­ новления сил сцепления образца водонасыщенного грунта.

Найти вероятность того, что сферический штамп диаметром d будет ус­ танавливать только сцепление агрегатов, а не заполнителя или наоборот. Уста­ новить вероятность того, что сферический штамп при вдавливании не заденет агрегат или, наоборот, заполнитель.

Для этого грунт схематически представим как решетку (которую условно

ятность того, что штамп не заденет заполнитель, то есть сферический штамп устанавливает сцепление агрегата, будет:

р = т г ( i - d - b ) ( i - d - b ) .

Получилось, что вероятность того, что сферический штамп устанавливает сцепление заполнителя в рассмотренном случае весьма мала. Следовательно, прибор Н. А. Цытовича устанавливает сцепление как для агрегата, так и для заполнителя. Поэтому нередки случаи, когда установленные штампом сцепления

и заполнителя, находящегося в порах между агрегатами, обычно определяют методом среза. Установить надежность определения истинного минимального значения сцепления.

Имеется образец глинистого грунта размером а, 6, с, состоящий из агрега­

тов размером d и заполнителя. Известно, что сцепление внутри агрегатов пре­ восходит сцепление заполнителя в т раз.

Решение. Для подтверждения достоверности определения наименьшего сцепления по методу среза необходимо решить задачу об установлении веро­ ятности того, что перпендикулярная плоскость не пересечет ни один шар-агре­ гат, который обладает в т раз большим сцеплением, чем заполнитель. Изве­ стно, что в единице объема помещается п шаров (кружков).

Для решения этой задачи вокруг перпендикуляра к образцу проведем по­

d „

того, что заданная плоскость не пересечет этот круг, равна 1— — . Всех ша­ ров в основной полосе будет ban.

207

Таким образом, на основе формулы умножения вероятностей, вероятность того, что плоскость длиной а и шириной b не пересечет ни одного шара, равна

Допустим, приближенно

d = 0.2 см; b= 5 cm; n—10;

Я=е-°’22'5'10=е~2=0,14; Я=0,14.

Следовательно, вероятность того, что в плоскости среза прибор не пере­ сечет ни одного шара-агрегата, мала.

Таким образом, получается, что срезные приборы для установления сцеп­ ления дают значения сцепления не по наименее слабым местам по заполните­ лю, а часто пересекают и агрегаты, сцепленйе которых значительно больше, чем заполнителя, поэтому сцепление, установленное по срезу, всегда выше зна­ чения истинного наименьшего сцепления.

то есть вероятность тоже мала.

Таким образом, теоретически подтвержден экспериментальный факт превы­ шения сцепления, установленного сферическим штампом и срезным прибором,

Р = [ 1 - ( 1 - Л ) 3П 1 - (1 - РгЮ ~ Я3) ] [ 1 - ( 1 - Р ^ \ Р Ъ=

= [1-(1 —0,8)3] [1—(1 - 0,8)(1—0,9)] [1-(1 -0,7)5 ] • 0,98=0,87.

Надежность работы комплекса Р=0,87.

Пример 43. Земляную плотину возводят из грунтов двух карьеров. Пер­ вый карьер поставляет 3Д всего грунта, а второй ‘Д Безотказная работа пло­ тины определяется фильтрационными свойствами грунтов, это свойство для

Пример 44. На заводе изготавливаются железобетонные лотки. Вероят­ ность того, что размеры их больше допустимых, меньше допустимых и нахо­

208

С помощью логарифмирования этого равенства устанавливаем, что

lg P = lg (2 0 0 !)—21g (10!)—lg (180!)+10 lg 0,04+10 lg 0,08+180 lg 0 ,8 8 ; lg +=43,6615 ; P = 0,0046 .

Пример 45. В реке имеются выступы камней, которые можно рассмат­ ривать как равномерное Пуассоновское поле точек с параметром К. Надо пропустить плот длиной I, шириной b так, чтобы не задеть камни. Необходимо установить вероятность Р благополучного прохождения плота.

Р е ш е н и е . Используя формулу Пуассона, имеем:

Р = е ~ 1ЬХ.

Пример 46.. По грунтовой дороге перевозят на автомашинах-тягачах тяже­ лые грузы. Известно, что чем больше.скорость машины, тем больше вероят­ ность остановки машины на дороге по причине порчи дороги вследствие пере­ движения транспорта. Допускаем, что эта вероятность прямо пропорциональна скорости движения автомашины. Расположение вероятных мест выхода дороги

ный пуассоновский поток).

Следовательно, вероятность риска равна приблизительно 3%.

Пример 48. В городе N май, июнь считаются паводкоопасными, общая продолжительность паводков 1500 ч. По прежним наблюдениям, в течение этих месяцев проходит в среднем 5 паводков. Найти вероятность того, что в течение первых 10 дней мая, то есть в течение 240 ч, пройдет один паводок, при ко­

пятна разбросаны так, что образуют Пуассоновское поле со средним числом пятен в единице площади X. Специалист обнаруживает пятно на расстоянии R с вероятностью Р. Вероятность обнаружения зависит от скорости ходьбы спе­ циалиста.

Установить оптимальную скорость ходьбы специалиста, при которой он

т = F k P (v )= 2 v tR le - 1 v .

Оптимальную скорость можно найти дифференцированием т по v, при­ равнивая производную нулю

dm

— = 2tR 1е~Г° (1—t;v)=0 . dv

Отсюда

Пример 50. Прежние наблюдения показали, что вероятность обнаруже­ ния утечка воды из водопровода за время поиска t описывается формулой

P{t) = \ - e - d (7 >0).

2 1 0

Установить среднее время поиска, необходимое для обнаружения повреж­ дений.

Р е ш е н и е . Так как P(t) является функцией распределения случайного времени поисков Т, необходимого для обнаружения повреждений, математи­ ческое ожидание среднего времени равно

М(Т)= — . 7

Пример 51. Энергия дождевой капли является случайной величиной и характеризуется средним значением W. Требуется найти среднюю энергию, с которой дождевые капли падают на данную площадь в единицу времени, если число дождевых капель, выпадающих на данную площадку за время t, под­

По данным опыта установить X в зависимости от интенсивности дождя будет нетрудно, что даст возможность рассчитать всю энергию, которую со­ общают дождевые капли почве.

Следовательно, вероятность отказа Я=0,3935.

Пример 53. Проверить надежность при многофакторности явления на при­ мере расчета канала по допустимым (неразмывающим) скоростям, установлен­ ным по методу предельного состояния с учетом дифференцированных коэф­