Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Анализ вопросов эксплуатации туннелей магистральных каналов мелиоративного назначения. Научный обзор
.pdf
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Департамент мелиорации
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение
«РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ПРОБЛЕМ МЕЛИОРАЦИИ»
(ФГБНУ «РосНИИПМ»)
УДК 627.842
Ю. М. Косиченко, В. Л. Бондаренко, Р. Е. Юркова, В. А. Монастырский
АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТУННЕЛЕЙ
МАГИСТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ МЕЛИОРАТИВНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Научный обзор
Новочеркасск 2014
Содержание
Введение ................................................................................................. 3
1 Общие сведения, условия применения, классификация
гидротехнических туннелей .............................................................. 6
1.1 Поперечное сечение гидротехнических туннелей ...................... 15
1.2 Горное давление ........................................................................... 19
1.3 Основные физико-механические свойства горных пород .......... 26
1.4 Гидравлический расчет туннелей ................................................ 28
1.4.1 Основные расчетные зависимости .................................... 28
1.4.2 Гидравлический расчет туннелей при безнапорном
режиме работы ................................................................... 31
2 Анализ правовых и нормативно-методических документов
в области эксплуатации гидротехнических туннелей
мелиоративных систем ..................................................................... 39
3 Составные части и особенности системы эксплуатации
гидротехнических сооружений ........................................................ 53
4 Проблема надежности эксплуатации гидротехнических
туннелей мелиоративных систем .................................................... 74
5 Теоретические основы и практика эксплуатации
гидротехнических туннелей мелиоративных систем ..................... 83
6 Анализ качественных и разработка количественных
показателей надежности работы гидротехнических туннелей
мелиоративных систем (параметров эксплуатации качеств) ........... 87
7 Обобщение опыта эксплуатации гидротехнических туннелей
мелиоративного назначения .............................................................. 97
Список использованной литературы ................................................. 105
2
Введение
В регионах Южного и Северо-Кавказского федеральных округов
в пространственных пределах бассейновых геосистем рек Кубани, Терека
и Нижнего Дона эксплуатируются различные типы водохозяйственных
систем, в значительной степени связанных с сельскохозяйственным производством на орошаемых землях, водоснабжением городов и населенных
пунктов, а также в промышленном производстве и энергетике. Важными и
неотъемлемыми структурными элементами водохозяйственных систем являются различные типы гидротехнических сооружений, которые эксплуатируются не одно десятилетие (от 30 до 70 лет и более). Так, к примеру,
для развития сельскохозяйственного производства на основе орошаемого
земледелия и обводнения засушливых территорий в двенадцати районах
Ростовской области на базе действующего с 1952 г. Цимлянского водохранилища создана Донская водохозяйственная система, в которой центральным гидротехническим сооружением является Донской магистральный канал (ДМК) пропускной способностью 160 м3/с.
ДМК начинается у левобережной части Цимлянского водохранилища и проходит по междуречью рек Дона и Маныча на территории трех административных районов – Верхнедонского, Мартыновского, Семикаракорского и заканчивается на 112,2 км в верховьях балки Садковской
(Садковским консольным водосбросом).
На базе ДМК создана гидрографическая сеть, включающая в себя
подкомандные магистральные каналы первого порядка протяженностью
около 420 км, с пропускной способностью около 600 м3/с и множеством каналов второго и третьего порядка, а также систему групповых водоводов
протяженностью порядка 640 км с производительностью более 1200 м3/сут.
Созданная искусственная гидрографическая сеть на основе ДМК включает
в себя около 40 тыс. гидротехнических сооружений (ГТС) различного
функционального назначения. При этом следует отметить, что от функциональной работы ГТС, непосредственно размещенных на водопроводя-
3
щем тракте ДМК, и головного водозаборного гидроузла зависит функциональная работа всех других ГТС, размещенных на гидрографической сети.
Одним из таких ГТС является гидротехнический туннель, расположенный на трассе ДМК ПК 306+60-367+41 (длиной 6,1 км), включающий
в себя три водопроводящих туннеля пропускной способностью 160 м3/с.
Следовательно, от функциональной надежности туннеля в полной зависимости находится практически вся оросительно-обводнительная система
за южным порталом туннеля.
Существующие правила по эксплуатации и проведению мониторинга
не отвечают современным требованиям, не позволяют оценить количественно техническое состояние, уровень эксплуатационной безопасности
туннелей. В этом заключается основная проблема существующей системы
эксплуатации туннелей, без решения которой обеспечение функциональной надежности и безопасности туннелей мелиоративного назначения
не представляется возможным, однако определенные шаги в этом направлении делаются на основе вновь принятого федерального закона от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», который предполагает введение новой системы стандартизации на основе технических
регламентов, сводов правил, стандартов организации. Эти документы
на основе принципа добровольного применения будут устанавливать:
- комплекс технических, организационных и хозяйственных требований, обеспечивающих содержание в исправном и безопасном состоянии
туннелей;
- выполнение туннелями технологических задач (их потребительской
ценности);
- формы и способы оценки технического состояния и уровня безопасности туннелей.
Своды правил являются составной частью национальной системы
стандартизации Российской Федерации и должны основываться на современных достижениях науки, техники и технологий эксплуатации, без вы-
4
полнения этих требований переход к более низкой ступени стандартизации
представляется невозможным.
Каждый туннель должен обладать научно обоснованными эксплуатационными качествами:
- соответствовать назначению по размерам, инженерному оборудованию, пропускной способностью, выполнению защитных функций,
т. е. удовлетворять функциональным требованиям;
- обладать требуемой прочностью, устойчивостью, надежностью
(комплексное свойство, определяемое следующими показателями: безопасностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью),
т. е. удовлетворять техническим требованиям;
- быть экономичным при эксплуатации, т. е. удовлетворять экономическим требованиям;
- отвечать экологическим и техническим требованиям.
Нарушение или отсутствие хотя бы одного из параметров, входящих
в эти требования, снижает потребительскую ценность сооружения, повышает риск аварии при эксплуатации, снижает уровень его функциональной
надежности и безопасности.
Для эффективного использования туннелей на мелиоративных системах они должны быть всегда в исправном состоянии. Процессы, связанные с поддержанием туннелей в исправном состоянии обеспечиваются
техническим обслуживанием и ремонтом (ТОиР) или технической эксплуатацией. Техническое обслуживание и ремонт туннелей представляет
собой непрерывный динамический процесс, реализацию комплекса организационных и технических мер по надзору (мониторингу), техническому
обслуживанию (уходу) и всем видам ремонта. Поддержка туннелей в исправном состоянии, годном к использованию, в течение заданного срока
службы и обеспечивается службой эксплуатации.
Целью научного обзора является обобщение теоретических предпосылок и практического опыта надежной и безопасной эксплуатации гидротехнических туннелей мелиоративного назначения.
5
1 Общие сведения, условия применения,
классификация гидротехнических туннелей
Гидротехнические туннели представляют собой водоводы, устраиваемые в земной коре без удаления вышележащей массы грунта. Чаще всего туннели как водопроводящие сооружения устраивают в горных условиях, где трассы водовода встречают на своем пути возвышенности, которые
нужно пройти туннелем, так как обход по косогору бывает менее приемлем и по техническим, и по экономическим соображениям, а прорезь глубокой выемкой практически исключается вследствие больших высот пересекаемого препятствия. Однако туннельные работы в гидротехнике применяют не только в горных условиях, но и при пересечении водоразделов
на равнинах (Доно-Сальский водораздел при трассировании ДМК), а также
в некоторых других случаях (р. Неглинка в г. Москве и др.).
К устройству туннеля прибегают в следующих случаях:
- ось водовода (трассируемого канала) лежит так глубоко под дневной поверхностью, что открытая выемка или обход данного места оказывается значительно дороже туннеля;
- трасса водовода идет по крутому склону, где наблюдаются оползни,
осыпи, лавины, камнепады и другие явления, затрудняющие условия возведения и эксплуатации канала;
- трасса водовода проходит по густо застроенной населенной местности (по аналогии с метрополитеном) [1].
По целевому назначению в настоящее время различают следующие
гидротехнические туннели: энергетические; ирригационные и обводнительные; водопроводные и канализационные; судоходные и лесосплавные;
водосбросные строительные и эксплуатационные; комбинированные.
По целевому назначению гидротехнические туннели подразделяются на
три группы: подводящие (гидроэнергетические, водоснабженческие, оросительные и др.); отводящие (сбросные, канализационные, дренажные,
гидроэнергетические и др.); транспортные (судоходные, лесосплавные) [2].
6
По гидравлическому режиму течения воды в туннеле их подразделяют на напорные и безнапорные. Транспортные и канализационные туннели могут быть только безнапорными.
На практике тип туннеля выбирают с учетом назначения туннеля и
условий его возведения и работы.
Место, где кончается подходная к туннелю выемка и начинается
туннель в лобовом откосе выемки, называется врезкой туннеля, а постоянное сооружение по обделке врезки – порталом или оголовком. В каждом
туннеле имеются два портала – входной и выходной, которые служат для
создания плавного подхода к туннелю и от него к дальнейшей части водовода, гашения избыточной энергии потока, выходящего из туннеля, регулирования расхода, закрепления концевых участков обделки и в других
целях.
Основные элементы портала – подпорная стенка для поддержания
откоса горного массива, подпорные стенки, ограждающие боковые откосы
врезки, и в некоторых случаях дополнительная стенка для направления потока к порталу и предупреждения косогорной части массива от размыва.
Поверхность подводящего и отводящего каналов у порталов укрепляют
против размыва на соответствующую длину. За низовыми подпорными
стенками обычно устраивают дренаж.
Конструкции порталов могут быть различными: например, выходной
портал безнапорного туннеля отличается от портала напорного, оснащенного конусными затворами. Так, на примере гидротехнического туннеля
ДМК на рисунке 1 представлены входные порталы, а на рисунках 2, 3 –
выходные порталы. Участки ДМК у северных (входных) и южных (выходных) порталов трех туннелей выполнены в виде «ковшей», дно и откосы
которых до первой бермы покрыты одиночной каменной отмосткой (рисунки 1-4).
7
Рисунок 1 – Входные порталы гидротехнического туннеля
Донского магистрального канала
Рисунок 2 – Выходной портал туннеля
Донского магистрального канала
8
Рисунок 3 – Выходной портал туннеля
Донского магистрального канала
Рисунок 4 – Ковш на входном портале
9
Длина отмостки «ковша» северного портала по оси левого туннеля –
15 м и правого – 36 м. Отмостка «ковша» южного портала произведена
по длине 111,0-134,0 м.
Сопряжение входного участка туннеля с каналом выполнено в виде
особых оголовков – порталов, которые представляют собой монолитные
железобетонные конструкции докового типа и состоят каждый из:
- входного дока (предпортального оголовка) с боковыми ныряющи-
ми стенками длиной 32,6 м и шириной отверстия в свету 7,0 м;
- шлюза-регулятора (портала) жесткого коробчатого типа длиной
12,4 м и шириной в плите основания 13,6 м для размещения рабочих и ремонтных затворов;
- портальной стенки, охватывающей оболочку туннеля и сопрягающий туннель с порталом (шлюзом-регулятором) толщиной 1,6 м.
Отметки дна канала в начале портала 25,28 м, порога портала у щитов – 26,28 м, у входа в туннель – 27,00 м, верха плиты перекрытия портала
(шлюза-регулятора) – 34,25 м.
Над шлюзовой частью портала возведено здание Управления затворами с отметкой пола – 34,25 м, подкрановых путей – 42,75 м. Высота здания от пола до конька – 13,3 м, внутренняя длина здания по оси туннеля –
11,0 м и ширина – 12,1 м.
Конструкция здания представляет собой железобетонную раму
с кирпичным заполнением.
Для регулирования водой в северных порталах туннелей установлены плоские рабочие металлические щиты и ремонтные шандоры на опорных катках (рисунки 5-9).
Каждый рабочий затвор состоит из двух нижних шандор размером
1,54×7,20 м и одного верхнего щита размером 3,16×7,2 м, соединенных
между собой подвесками и штырями.
Ремонтный затвор состоит из четырех шандор каждый размером
1,54×7,20 м, соединенных между собой подвесками и штырями.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]