CC BY
2
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 699.88
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС В КОТЛОВАНАХ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Абдуллазянов1 Э. Ю., Старцева 2 Ю.В., Гадаборшева3 Т.В., Карманов4 А.В.,
Гарькин5 И.Н.
1 Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 2 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия
3 Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия 4 ООО «Газпром трансгаз Волгоград» Антиповское ЛПУМГ, Волгоград, Россия 5 Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского (Первый казачий университет), г. Пенза, Россия
Резюме: АКТУАЛЬНОСТЬ. На котловане с большой степенью заглубления отвалы расположены по бортам, откуда пыль заносится господствующими ветрами непосредственно в котлован. Это в значительной степени увеличивает запыленность атмосферы котлованов. Постоянное увеличение глубины котлованов основано на укрупнении масштабов строительных и горных работ. Эта практика приводит к дополнительной запыленности и загазованности атмосферы, соответственно возникает проблема создания нормальных параметров воздушной среды. ЦЕЛЬ. Создание на специально разработанной лабораторной установке моделей течения воздушной среды котлованов с большой степенью заглубления для выявления основных недостатков в организации воздухообмена и предложить решения по улучшению состояния воздушной среды котлованов с большой степенью заглубления. МЕТОДЫ. Работа основана на обработке эмпирических результатов, полученных в ходе работы на лабораторной установке по моделированию движения воздушных масс в котлованах с большой степенью заглубления ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Внедрение предлагаемых решений позволит привести атмосферу котлованов с большой степенью заглубления к нормируемым значениям и уменьшить загрязнение окружающей среды при строительстве объектов
Ключевые слова: строительство; земляные работы; котлован; строительное производство; объекты энергетического комплекса; воздухообмен; моделирование; экологический ущерб; эмиссия; вентиляция; воздушная среда.
Для цитирования: Абдуллазянов Э. Ю., Старцева Ю.В., Гадаборшева Т.В., Карманов А.В., Гарькин И.Н. Моделирование движения воздушных масс в котлованах при строительстве объектов энергетического комплекса // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 1 (61). С. 3-10.
SIMULATION OF AIR MASS MOVEMENT IN PITS DURING THE CONSTRUCTION
OF ENERGY COMPLEX FACILITIES
Abdullazyanov1 E. Y., Startseva2 Yu.V., Gadaborsheva3 T.V., Karmanov4 A.V.,
Garkin5 I.N.
1 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education " Kazan state power engineering university", Kazan, Russia
2 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg
Mining University of Empress Catherine II", St. Petersburg, Russia
3 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Volgograd State Technical University", Volgograd, Russia 4 Gazprom Transgaz Volgograd LLC Antipovskoye LPUMG, Volgograd, Russia 5 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Moscow State University of Technology and Management named after. K.G. Razumovsky (First Cossack University)", Penza, Russia
Abstract: RELEVANCE. In a pit with a large degree of deepening, the dumps are located along the sides, from where dust is blown directly into the pit by the prevailing winds. This significantly increases the dust content of the pit atmosphere. The constant increase in the depth of pits is based on the enlargement of the scale of construction and mining work. This practice leads to additional dust and gas contamination of the atmosphere, and accordingly, the problem of creating normal air parameters arises. TARGET. Creation of models of the air flow of pits with a large degree of depth using a specially designed laboratory installation to identify the main shortcomings in the organization of air exchange and propose solutions to improve the condition of the air environment of pits with a large degree of depth. METHODS. The work is based on the processing of empirical results obtained during work on a laboratory installation to simulate the movement of air masses in pits with a large degree of depth. CONCLUSION. The implementation of the proposed solutions will make it possible to bring the atmosphere of pits with a large degree of depth to standardized values and reduce environmental pollution during the construction of facilities
Key words: construction; excavation work; excavation; construction production; energy complex facilities; air exchange; modeling; environmental damage; emissions; ventilation; air environment.
For citation: Abdullazyanov E. Yu., Startseva Yu.V., Gadaborsheva T.V., Karmanov A.V., Garkin I.N. Modeling the movement of air masses in pits during the construction of energy complex facilities. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2024. T. 15. No. 1 (61). P.3-10.
Введение (Introduction)
Котлован с большой степенью заглубления - строительный объект, выемка в земной коре, являющаяся результатом работ извлечению породы открытым способом. Котлован с большой степенью заглубления это условно выделяемая категория с глубиной свыше 50 м. Особенно часто к котлованам такой категории относятся котлованы при строительстве объектов топливно-энергетического комплекса.
Проветривание котлованов, как правило, естественное. Искусственная вентиляция глубоких котлованов, когда необходимо, осуществляется свободными струями, создаваемыми вентиляторными установками, в основе конструкций которых вентиляторы шахтного типа [1,2].
Одна из проблем котлованов с большой степенью заглубления - предотвращение нарушений устойчивости бортов, которые наблюдаются в слабых, полускальных породах и приводят к образованию и развитию обрушений, оползней, просадок, осыпей и др., а также плохие условия проветривания, т.е. отсутствие требуемых параметров микроклимата рабочей зоны. При строительстве котлованов выделяется большое количество пыли, различной по химическому и фракционному составу в зависимости от минералогического состава, т.е. различные технологические операции по строительству котлованов приводят к выделению силикозоопасной пыли.
Целью работы является создание на лабораторной установке моделей течения воздушной среды котлованов для выявления основных недостатков в организации воздухообмена и предложить решения по улучшению состояния воздушной среды котлованов с большой степенью заглубления.
Научная значимость исследования заключается в разработке математической модели движения воздушных масс в котлованах, на основании специально разработанной лабораторной установки.
Практическая значимость исследования заключается в разработке оптимальных методов искусственной вентиляции и интенсификация естественного воздухообмена, что позволяет привести концентрацию вредных веществ в котловане к значениям,
соответствующим требованиям санитарных норм
Материалы и методы (Materials and methods)
На котловане с большой степенью заглубления отвалы расположены по бортам, откуда пыль заносится господствующими ветрами непосредственно в котлован. Это в значительной степени увеличивает запыленность атмосферы котлованов.
Постоянное увеличение глубины котлованов основано на укрупнении масштабов строительных и горных работ. Эта практика приводит к дополнительной запыленности и загазованности атмосферы, соответственно возникает проблема создания нормальных параметров воздушной среды.
Классификация типов котлованов позволяет на стадии строительства определить аэрологию объекта, т.е. уже на стадии проектирования возможно регулирование движения воздушных потоков, определение количества примесей и уточнение зоны воздействия воздушных масс. Котлованы с большой степенью заглубления классифицируются в основном по степени заглубления, типу отвалов, общей площади и другим критериям. Соответственно, регулируя параметрами котлованов возможно уточнение и регулирование движения воздушных масс. С точки зрения аэрологии наиболее показательным является котлован по классификации определяемый как глубокий, т.к. помимо естественных аэродинамических процессов, наблюдаются включение в процесс различных видов техники, изменяющей общую картину аэродинамики котлована [3,4].
Интенсификация процессов воздухообмена в котлованах с целью достижения требуемых параметров воздушной среды возможна различными способами. Применение искусственной вентиляции и интенсификация естественного воздухообмена позволяет привести концентрацию вредных веществ в котловане к значениям, соответствующим требованиям санитарных норм. Данное положение было опробовано с помощью лабораторной установки (рис. 1).
Рис.1. Лабораторный стенд (1 - Корпус лабораторного стенда, 2 - вентилятор, 3 -воздуховод, 4 - щель, 5 - направление воздушного потока, 6 - нулевая ось, 7 -координатная сетка, 8 - термометр -термоанемометр контактный с датчиком, 9 - дно котлована в трех позициях)
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Fig.1. Laboratory stand (1 - Laboratory stand body, 2 - fan, 3 - duct, 4 - slot, 5 - direction of air flow, 6 -zero axis, 7 - coordinate grid, 8 - thermometer -contact thermoanemometer with a sensor, 9 - bottom of the pit in three positions)
Лабораторная установка предназначается для изучения движения воздушных масс, а также исследования свободных и стесненных струй внутри объекта. Сконструирован опытный образец модели котлована с различным заглублением, глубину которого можно менять в зависимости от конкретного рассматриваемого случая [5,6].
Лабораторная установка состоит из радиального вентилятора, воздуховода, щели воздухораспределения и испытываемый элемент, т.е. модель котлована с установленной для фиксации показаний термоанемометра сеткой. Составные части стенда собраны по схеме «нагнетание».
Рассмотрим отдельные элементы лабораторной установки. Радиальный вентилятор высокого давления с частотой вращения 3000 об/мин.
Щель раздачи воздуха моделирует плоский веерообразный поток. Модель котлована состоит собственно из конструкции в виде заглубления и закрепленной координатной сетки, в точках которой фиксируются показания термоанемометра. Корпус модели котлована размером 600x600x800 мм выполнен из металлических листов. Передняя и задняя стенка модели выполнены из прозрачного материала, для визуализации процесса и для выполнения условия регулирования глубины котлована. Внутри корпуса установлена сетка с ячейкой 40 мм, в каждой ячейке фиксируются значения скорости воздуха термоанемометра ТТМ-2.
Было проведено необходимое количество измерений. При увеличении количества измерений даже при неизменной их точности, увеличилась надежность доверительных оценок и сузить доверительный интервал для истинного значения измеряемой величины [7,8].
Произведя необходимое количество измерений, было произведено обобщение экспериментальных данных по методу вычисления средних значений, исключая грубые ошибки.
Выполнено следующее количество измерений для получения доверительной оценки точности е:
| а - х | < е
При получении результата измерения, резко отличающегося от всех других результатов, было проверено, не нарушены ли основные условия измерения.
Если же такая проверка не была сделана вовремя, то вопрос о целесообразности браковки одного «выскакивающего» значения решается путем сравнения его с остальными результатами измерения. При этом применяются различные критерии, в зависимости от того, известна или нет средняя квадратическая ошибка измерений (предполагается, что все измерения производятся с одной и той же точностью и независимо друг от друга). Далее были определены средние значения скорости и собственно масштабы скорости, разности давлений и коэффициент расхода. Масштаб скорости определяем как отношение скорости воздуха соответственно для модели и для котлована
2
СУ = 17-/17' = \1" — Ар - / \1'
где V — средняя скорость для котлована; ц— коэффициент расхода; А р — разность давлений в котловане и на его поверхности; р — плотность воздуха (р '= р"); при этом величины с одним штрихом относятся к котловану, а с двумя штрихами — к его модели.
Масштаб разности давлений установим исходя из понятия избыточного (над атмосферным) давления воздуха соответственно в модели и в котловане
г — _^ — Г г2
ЛР ~ о'ш'2 ~ ы у А'." ^ 2
где — аэродинамический коэффициент; с — скорость ветра.
Поскольку котлован и его модель являются плохо обтекаемыми телами, а турбулизация потоков воздуха обычно почти одинакова, то их аэродинамические коэффициенты равны (-#•■ = ').
Подставляя в уравнение масштаб разности давлений и принимая во внимание, что Ск ¿=1, получаем С ц=1.
Известно, что коэффициент расхода зависит от числа Рейнольдса: Re = 1у/у, где 1 — характерный размер; V - кинематическая вязкость. При этом, когда число Re увеличивается, то вначале возрастает и коэффициент расхода, а затем, начиная с некоторого значения Re = 2400, коэффициент расхода ц остается неизменным.
Для крупных объектов число Рейнольдса всегда больше указанной величины ^е'>2400), поэтому для соблюдения требования, указанного в формуле, необходимо и для модели котлована исходить из условия, что Re" > 2400.
Масштаб разности давлений может быть установлен и из понятия гравитационного давления:
С = др^ = С С,
Др д р'^ш Др "
где h — высота рассматриваемого столба воздуха; А р — разность плотностей воздуха в столбе и вне его; g — ускорение свободного падения; С1 = — геометрический масштаб модели.
Подставляя найденный масштаб разности давлений в уравнение и учитывая, чтоСц = 1, получаем следующую общую формулу для определения масштаба скорости:
су = JClCAp .
Исходя из условия моделирования процесса принимаем:
Т = Т
Ан Ам
^н = г?„ Рн = Рм
Принимаем Ден = Дем
Рассчитанные значения представлены на рисунках 2,3,4.
Рис. 2 Полученные результаты Fig. 2 Results obtained
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Рис. 3 Полученные результаты Fig. 3 Results obtained
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Котлованы и измененные ландшафты оказывают существенное влияние на газовый состав атмосферы, являясь мощными резервуарами органического углерода и пыли. Одновременно котлованы и карьеры служат одним из основных источников углеродсодержащих парниковых газов, среди которых на первом месте находится метан. Его вклад в глобальный парниковый эффект относительно других газов составляет не менее 15%, а способность к экранированию теплового излучения превышает в 20-40 раз аналогичную характеристику для диоксида углерода и считается, что без метана средняя температура поверхности Земли была бы на 1,3°С. Особое значение эмиссия метана имеет для России, где торфяные карьеры вместе с заболоченными мелкооторфованными землями
занимают около 21.6% территории. При этом очевидно, что бурное строительство привело к возникновению нового антропогенного источника выделения метана. Сложность определения интенсивности выделения метана состоит в многообразии присутствующих факторов воздействия, в связи с этим настоящее время не представляется возможным объективно оценивать скорость образования метана в природной среде.
III
Рис. 4 Полученные результаты Fig. 4 Results obtained
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
В результате проведенных исследований установлено неудовлетворительное санитарно-гигиеническое состояние воздушной среды котлованов.
Для определения загрязненности атмосферы котлованов необходимо предварительно определить строительные, эксплуатационные и технологические характеристики котлованов. Строительство котлованов с применением высокого уровня автоматизации и механизации позволяет повысить производительность труда, снизить капительные затраты и применить более безопасные условия труда. Но при этом существует проблема зависимости некоторых параметров технологии от климатических условий и наблюдается экологический ущерб на окружающую среду [9,10].
Заключение (Conclusions)
На лабораторной установке были смоделированы течения воздушной среды котлованов, выявлены основные недостатки в организации воздухообмена и предложены решения по улучшению состояния воздушной среды котлованов.
Внедрение предлагаемых решений позволит привести атмосферу котлованов к нормируемым значениям и уменьшить загрязнение окружающей среды.
Литература
1.Саденко Д.С., Гарькин И.Н., Арискин М.В. Научно-техническое сопровождение работ по усилению строительных конструкций монолитного многоэтажного жилого дома // Региональная архитектура и строительство. 2023. № 3 (56). С. 122-127.
2.Боровков Д.П., Чичиров К.О. Аэродинамический расчет систем аспирации при организации закрутки потока в воздуховодах//Региональная архитектура и строительство. 2012. № 3. С. 145-148
3.Леонтьев В. А. Совершенствование балансового метода расчета потребленной тепловой энергии // Региональная архитектура и строительство. - 2022. - № 3(52). - С. 166-170. - DOI 10.54734/20722958_2022_3_166
4.Чичиров К.О., Гарькин И.Н., Боровков Д.П., Леонтьев В.А. Техническая экспертиза: исследование систем вентиляции в торговом развлекательном центре//Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2023. № 2 (44). С. 18-24.
5.Старцева Ю.В. Движение воздушно-пылевых потоков в бетоносмесительных отделениях производств железобетонных изделий//Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2017. № 50 (69). С. 122-130..
6.Гадаборшева Т.Б. Построение регрессионных моделей для экологической оценки параметров технологических процессов // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2005. Т. 12. № 4. С. 931-932.
7.Торгашина С.Н., Гадаборшева Т.Б., Чорнобай Е.А., Косовцев В.Д. Теплотехнические характеристики солнечных систем применительно к Волгоградской области // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2021. № 3 (84). С. 254-260.
8.Гадаборшева Т.Б., Кораблина Ю.В. Снижение запыленности воздуха рабочей зоны в цехах с многоярусными технологическими площадками // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 1. С. 42.
9.Саденко Д.С., Гарькин И.Н., Маилян Л.Р., Сабитов Л.С. Виброметрические методы диагностики строительных конструкций // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2023. Т. 15. № 3 (59). С. 175-189.
10. Сидякин П.А., Маринин Н.А., Шульга С.В., Чичиров К.О. Дорожно-строительные работы как источник пылевого загрязнения воздушной среды // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2014. № 2 (15). С. 72-76
Авторы публикации
Абдуллазянов Эдвард Юнусович - канд. техн. наук, доцент, Лауреат премии правительства в области науки и техники РФ, ректор ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», [email protected], г.Казань, РФ, ORCID 0000-0001-7381-97-52
Старцева Юлия Владимировна - канд. техн. наук, доцент каф. «Начертательная геометрия и графика» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II», Санкт-Петербург, РФ, [email protected], ORCID 0000-0002-4019-2911
Гадаборшева Тамара Бимбулатовна канд. техн. наук, доцент каф. «Архитектура зданий и сооружений» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет», Волгоград, РФ, [email protected] , г. Волгоград, РФ, ORCID 0000-0003-1602-2055
Карманов Александр Валерьевич - начальник участка ООО «Газпром трансгаз Волгоград» Антиповское ЛПУМГ, г. Волгоград, РФ, [email protected], ORCID 0009-0002-4533-1092
Гарькин Игорь Николаевич - канд. тех. наук, канд. истр., наук, заведующий кафедры «Защита в чрезвычайных ситуациях» (ЗЧС) ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского (Первый казачий университет)», [email protected]. г.Пенза, РФ, ORCID 0000-0002-4111-6558
References
1. Sadenko D.S., Garkin I.N., Ariskin M.V. Scientific and technical support of work to strengthen the building structures of a monolithic multi-storey residential building // Regional architecture and construction. 2023. No. 3 (56). pp. 122-127.
2. Borovkov D.P., Chichirov K.O. Aerodynamic calculation of aspiration systems when organizing flow swirl in air ducts // Regional architecture and construction. 2012. No. 3. P. 145-148
3. Leontyev V. A. Improvement of the balance method for calculating consumed thermal energy // Regional architecture and construction. - 2022. - No. 3(52). - pp. 166-170. - DOI 10.54734/20722958_2022_3_166
4. Chichirov K.O., Garkin I.N., Borovkov D.P., Leontiev V.A. Technical expertise: study of ventilation systems in a shopping and entertainment center // Engineering and Construction Bulletin of the Caspian Region. 2023. No. 2 (44). pp. 18-24.
5. Startseva Yu.V. Movement of air-dust flows in concrete mixing departments of reinforced concrete products production // Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and architecture. 2017. No. 50 (69). pp. 122-130..
6. Gadaborsheva T.B. Construction of regression models for environmental assessment of technological process parameters // Review of Applied and Industrial Mathematics. 2005. T. 12. No. 4. P. 931-932.
7. Torgashina S.N., Gadaborsheva T.B., Chornobay E.A., Kosovtsev V.D. Thermal characteristics of solar systems in relation to the Volgograd region // Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and architecture. 2021. No. 3 (84). pp. 254-260.
8. Gadaborsheva T.B., Korablina Yu.V. Reducing dust content in the air of the working area in workshops with multi-tiered technological sites // Life Safety. 2012. No. 1. P. 42.
9. Sadenko D.S., Garkin I.N., Mailyan L.R., Sabitov L.S. Vibrometric methods for diagnosing building structures // Bulletin of the Kazan State Energy University. 2023. T. 15. No. 3 (59). pp. 175-189.
10. Sidyakin P.A., Marinin N.A., Shulga S.V., Chichirov K.O. Road construction work as a source of dust pollution of the air // Bulletin of SGASU. Urban planning and architecture. 2014. No. 2 (15). pp. 72-76
Authors of the publication
Edward Y. Abdullazyanov - Kazan state power engineering university, [email protected], Kazan, ORCID 0000-0001-7381-97 -52
Yulia V. Startseva - St. Petersburg Mining University of Empress Catherine II, St. Petersburg, [email protected], ORCID 0000-0002-4019-2911
Tamara B. Gadaborsheva - Volgograd State Technical University", Volgograd, [email protected], Volgograd, RF, ORCID 0000-0003-1602-2055
Alexander V. Karmanov -LLC Gazprom Transgaz Volgograd Antipovskoye LPUMG, Volgograd, [email protected], ORCID 0009-0002-4533-1092
Igor N. Garkin - Moscow State University of Technology and Management named after. K.G. Razumovsky (First Cossack University), [email protected], Penza, Russian Federation, ORCID 00000002-4111-6558
Шифр научной специальности:2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения
Получено 17.01.2024 г.
Отредактировано 19.02.2024 г.
Принято 29.02.2024 г.
