CC BY
47
УДК 69.035.4 М.В. Толмачев
О НАДЕЖНОСТИ ОБДЕЛОК КАМЕРНЫХ ВЫРАБОТОК КАНАЛИЗАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
Мировая практика показывает, что оптимальное решение в совершенствовании системы канализации крупных городов лежит в строительстве магистральных коллекторов больших поперечных сечений и значительной протяженности, залегающих на сравнительно больших глубинах.
Институтом Мосинжпроект при участии институтов Мосводоканал НИИпро-ект и НИПИ Генплана была разработана Генеральная схема развития канализации в г. Москве, которая предусматривает создание новой, прогрессивной, надежно действующей канализации, обеспечивающей отведение и очистку хозяйственнофекальных, а также загрязненных поверхностных стоков на основе коллекторных тоннелей глубокого заложения большого поперечного сечения (КТГЗ). При этом отпадает необходимость устройства дополнительных насосных станций и недолговечных многочисленных напорных трубопроводов.
Важным элементом системы КТГЗ являются мощные подземные насосные станции для перекачки сточных вод.
В работе [1] приведено одно из возможных компоновочных решений насосной станции глубокого заложения. Грабельный зал имеет размеры в свету: длина 85,6 м, максимальный пролет 20,0 м, максимальная высота 25,0 м. Форма поперечного сечения камерной выработки в соответствии с [7, 14] выбрана овоидальной. Обделка выработки сборная блочная в сводовой части и монолитная в стенах и
лотке. Блоки гладкие железобетонные толщиной и шириной 1 м, стены железобетонные толщиной 1,2 м. Машинный зал насосной станции имеет параметры выработки аналогичны грабельному залу.
Подземная разработка двух крупных камер — машинного и грабельного залов в слабых и воднонасыщенных породах не имеет прямых аналогов как в отечественной, так и в зарубежной практике. Указывается, что предлагаемый способ строительства этих камер будет обеспечивать устойчивость сооружений и безопасность подземных работ.
Сооружения канализационной сети городов являются гидротехническими и их безопасность подпадает под действие Федеральных законов Российской Федерации "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" № 116-ФЗ и "О безопасности гидротехнических сооружений" № 117-ФЗ [2]. Второй закон относится непосредственно ко всем видам гидротехнических сооружений, включая подземные, аварии которых могут создать чрезвычайные ситуации, сопровождающиеся угрозой жизни и здоровью людей, нарушением условий труда и жизнедеятельности людей.
В работе [3] описаны и проанализированы повреждения и аварии подземных гидросооружений в скальных породах, приведены соображения относительно риска повреждений и аварий, оценке безопасности. В этой же работе приведена классификация причин аварий, которые сведены в табл. 1.
Таблица 1
Классификация причин аварий подземных гидросооружений
Основные причины аварий При строительстве сооружений При эксплуатации сооружений
Проведение инженерно-геологических изысканий не в полном объеме - неучет влияния геологических разломов и других нарушений на работу конструкции, - неверная оценка гидрогеологических условий и возможности прорыва воды в сооружение - неучет возможного ухудшения физико-механичес-ких характеристик пород в процессе эксплуатации сооружения.
Неучет различных воздействий на обделку - неучет изменения НДС массива и конструкций в процессе разработки выработки, влияния близко расположенных выработок, трехмерной компоновки сооружения. - неучет различного вида воздействий (сейсмовзрывных, от набухания грунта, экзотермии бетона и др.) - неучет влияния реологических процессов на работу сооружения
Отдельные недоработки проекта подземных сооружений, недостаточное научное обоснование проекта - неверно выбраны тип и параметры обделки - неверно назначены нагрузки на обделку, - неверно выбрана технология подземных работ, - несоответствие расчетной схемы фактической работе обделки и геологическим условиям - неверно выбраны нагрузки на обделку (неучет одностороннего горного давления, пластических свойств породы и др.)
Недостаточное качество подземных работ, невыполнение требований строительных норм и правил - недостаточное качество работ по возведению обделки, - чрезмерное отставание обделки от забоя - недостаточное качество бетонных, цементационных и монтажных работ, - пуск сооружения в эксплуатацию до окончания в нем строительных работ или до набора бетоном необходимой прочности.
Неправильная эксплуатация гидротехнических тоннелей - отсутствие контроля за работой подземного сору-жения (осмотры, КИА и др.)
Опыт проектирования камерных выработок в слоистом массиве слабых пород отсутствует. Для большепролетных выработок в слабых породах опыт проектирования и строительства накоплен только для односводчатых станций метрополитенов.
В соответствии с Федеральным законом "О безопасности гидротехнических сооружений" [2], необходимо составлять декларацию гидротехнического сооруже-
ния, которая является основным документом, содержащим сведения о соответствии гидротехнического сооружения критериям безопасности [4]. Оценка риска в декларации должна быть основана на результатах контроля и анализа факторов безопасности, наиболее существенных для данного сооружения и условий его эксплуатации.
Сегодня еще не разработаны нормированные значения допустимого риска ава-
рии подземного гидротехнического сооружения. Применяемые в настоящее время методики определения уровня безопасности гидросооружений содержат необходимые элементы оценки риска, но не дают полного решения этой задачи.
Современная теоретическая оценка безопасности основывается на наборе методов, включающих, в частности, методы математической статистики, теории вероятностей теории надежности.
На сегодняшний день имеется большое число работ по проблеме научно обоснованного запаса между воздействием £ и сопротивлением Я. Предлагаемые в этих работах подходы и методы различны: от чисто прагматических, ориентированных на практику методов, основанных на попытках улучшить оценки общего коэффициента запаса, оставаясь в рамках традиционных концепций, до теоретических работ, в которых делается попытка усовершенствовать механические модели и оперировать вероятностными методами.
Эти различные подходы [напр., 5,10] предлагается разделить по уровням в зависимости от характера принятых допущений и определения меры безо-пасности:
Уровень 1. Методы расчета с частными коэффициентами надежности. Оценка надежности Б<Я выполняется детерминистически, отдельно для каждого предельного состояния. Необходимая безопасность достигается системой частных коэффициентов надежности, подверженных различным рассеивающим влияниям и вводимых к нормативным значениям, которые определяются как характеристические. Этот метод получил название «метод предельных состояний».
Уровень 2. Теория надежности 1-го порядка и методы моментов. Оценка надежности выполняется приближенными методами теории надежности, которые учитывают выбранную точку поверхности предельного состояния в пространстве базисных переменных и предполагают определенные упрощения уравнения предель-
ного состояния, а возможно, и функций распределения. Мерой безопасности является так называемый индекс безопасности в или эквивалентная оперативная вероятность отказа Рр.
Уровень 3. Теория надежности. Оценка надежности выполняется «точными» методами теории надежности для системы в целом или для ее отдельных элементов при полном учете функций распределения базисных переменных и уравнений предельного состояния. Мерой безопасности является оперативная вероятность отказа
Рр.
Технический риск Гр аварии сооружения при отказе обделки камер представляется в виде произведения вероятности этого отказа Рр на годовой ущерб (прямой и косвенный) от этой аварии Уг [10]:
Гр = Рр У/ . (1)
Таким образом, для оценки безопасности обделок камерных выработок канализационных станций первоочередной задачей является оценка их надежности (1 -
Рр).
Уровень 4. Оптимизационные методы теории надежности [10]. Назначение размеров сечений несущей конструкции выполняется с учетом экономических данных, так, чтобы среднее значение суммы всех затрат за период эксплуатации с учетом возможных затрат при отказе было минимальным.
В соответствии с ВСН 34-72-019-89 [7] расчеты конструкций гидротехнических сооружений следует проводить по методу предельных состояний; при этом регламентируются две группы предельных состояний:
первая (полная непригодность сооружений, их конструкций к эксплуатации) -потеря общей прочности и устойчивости системы сооружение - вмещающий массив горных пород, прочности отдельных элементов сооружений, разрушение которых приводит к прекращению их эксплуатации;
Таблица 2
Численные значения коэффициентов
Коэффициент Группа предельных состояний
Первая Вторая
у1с - сочетаний нагрузок 0,9-1,0 в зависимости от сочетаний нагрузок и воздействий
ус - условий работ 0,45-2,4 в зависимости от типа сооружений, конструкций и вида расчета
уп - надежности 1,10-1,25 в зависимости от класса сооружений 1,0
у£ - надежности по нагрузкам 0,7-1,5 в зависимости от типа сооружений, вида нагрузки и воздействия
уш - надежности по материалу (бетону) 1,3 и 1,5 при расчетах на прочность по растяжению и сжатию соответственно
ув - надежности по породе 1,4 для илов и 1,25 для остальных пород
Примечание. Для обделок камерных выработок [7] при расчетах по второй группе предельных состояний ус=0,75—1,3, принимаемые в зависимости от вида обделки и вмещающего массива.
вторая (непригодность к нормальной эксплуатации) - перемещения и деформации, образование или раскрытие трещин и строительных швов, не рассматриваемые в предельных состояниях первой группы, нарушение прочности отдельных элементов сооружений.
В работе [3] в соответствии с методикой, предложенной в работе [6], предложен критерий безопасности гидросооружений, включая тоннели и камерные выработки, по соответствию возникающим в обделках напряжениям прочности используемого материала (меры безопасности уровня 1). Этот критерий, например, применительно к бетонным обделкам будет иметь вид:
^6 < Я н 1 Упроч, (2)
где ст6 - расчетное (или замеренное фактическое) напряжение сжатия (растяжения) в бетоне обделки, Я н - нормативное сопротивление бетона обделки на сжатие (растяжение), упроч - обобщенный коэффициент прочности бетонной обделки, который определяется по формуле:
Упроч = Уп У 1с Уш Ув /Ус Ух Уг| (3)
где уп - коэффициент надежности, у1с - коэффициент сочетаний нагрузок, уш -коэффициент надежности по материалу (бетону), ус - коэффициент условий работы, ут,уп -коэффициенты, учитывающие соответственно изменение прочности бетона с возрастом и в зависимости от технологии бетонных работ.
Значения всех этих коэффициентов приводятся в соответствующих главах СНиП. В табл. 2 приведены примеры численных значений указанных выше коэффициентов.
Как показано в работе [6] для железобетонных обделок подземных гидротехнических сооружений значение упроч, например, для основного сочетания нагрузок по первой и второй группам предельных состояний, определяется по табл. 3 в зависимости от класса сооружений и группе расчета по предельным состояниям.
В работах [3,7] показано, что применительно к камерным выработкам подземных гидротехнических сооружений к техническим показателям состояния (критериям безопасности) может быть отнесена и конвергенция их стен. Приближенная
Таблица 3
Значения коэффициентов прочности упроч для обделок гидротехнических тоннелей и подземных выработок ГЭС и ГАЭС
Вид обделки Сочетание нагрузок Расчеты по первой группе предельных состояний Расчеты по второй группе состояний
Класс сооружений
I II III IV
Железобе- Основное 1,70 1,63 1,64 1,57
тонные Особое 1,53 1,47 1,41 1,35 1,3
Строительный период 1,62 1,57 1,49 1,43
эмпирическая формула предельного значения конвергенции для трещиноватых пород имеет вид [3]:
Д = 25 = 9 И1’5 р—2, мм, (4)
где И — высота стены камеры, м, р - коэффициент крепости породы в массиве.
В работе [6] отмечается следующее. В действующих СНиП фигурирует критериальное неравенство типа (2), в которое входит восемь коэффициентов (ф-ла (3), табл. 2). Появилась возможность оценки величины этих коэффициентов на основе применения теории надежности, и такая возможность уже реализована для коэффициентов сочетаний нагрузок у1с, надежности по нагрузкам ур, прочности материалов ут и пород уг. Оценка величины коэффициента надежности уп с точки зрения ущерба от последствий предельного состояния сооружений еще предстоит в будущем. И только коэффициент условий работ ус, остался рудиментарным коэффициентом незнания. Применение этого коэффициента компенсирует несовершенство используемых методов статических расчетов, недостаточные представления о предельных состояниях первой группы и другие неучтенные факторы. Этим объясняется самый широкий диапазон изменения ус - от 0,45 до 2,40 (табл. 2), зависящий от типа сооружений, конструкций, вида и метода расчета. Кроме того, коэффициент условий работ ус по идее должен содержать влияние на надежность сооружения флюктуаций человеческого интеллекта: изыскателей, проектировщиков, исследо-
вателей, строителей и эксплуатационников, которым, как известно, свойственно ошибаться. В связи с этим обстоятельством в последнее время появилось большое количество исследований об оценке влияния человеческого фактора на надежность сооружений, суммированных в книге [10].
Методы точной теории надежности (уровень 3) требуют полного знания вероятностных распределений участвующих в расчете величин, что на сегодняшний день получить не удалось ни в какой области строительства. Приведем описание оценки безопасности конструкций методами уровня 2.
Применительно к обделкам камерных выработок их надежность определяется надежностью каждого его звена: свода, 2-х стен и лотка. Согласно теории надежности многоэлементных статически неопределимых строительных конструкций [5, 7, 9, 10] следует определять вероятность отказа каждого элемента из всей цепи элементов. В качестве меры надежности конструкции принимается вероятность ее отказа - вероятность того, что в рассматриваемое время будет превзойдено предельное состояние и таким образом будет достигнуто состояние отказа. Опубликован международный стандарт по общим принципам определения надежности конструкций 180 2394 [8].
Применение вероятностных понятий в теории надежности строительных конструкций обусловлено наличием четырех групп источников неопределенности [5, 810]:
- изменчивость параметров и характеристик (свойств материала - бетона, арматуры, пород, размеров и геометрии элементов, нагрузок, водопритока и т.д.);
- ошибки оценок параметров и характеристик, возникающие из-за неполноты статистического материала или невозможности точных измерений;
- несовершенства моделей и методов, описывающих процесс, возникающих по причине использования упрощений при рассмотрении сложных явлений из-за отсутствия понимания явления самого по себе так и применения упрощенного описания;
- ошибки человека - инженера или оператора при проектировании, изготовлении, строительстве или эксплуатации конструкции.
Есть фундаментальная разница между первой группой и остальными. Неопределенности от изменчивости не устранимы, тогда как последние можно уменьшить.
Конструкции проектируются таким образом, чтобы за все время службы конструкции ее несущая способность Я с очень высокой вероятностью была больше нагрузки S:
БЫ = г = Я - Б >0. (6)
Резерв прочности БЫ в состоянии безотказной работы будет величиной положительной. Определение резерва прочности было бы тривиальной задачей, если при оценке каждого из слагаемых отсутствовали указанные выше неопределенности.
Задача определения надежности несущих конструкций обычно формулируется с помощью понятия функции предельного состояния БЫ = 2 = 0 по формуле (6), зависящей от случайных параметров: для породы, нагрузки и обделки: геометрии, прочностных характеристик бетона и арматуры. Предельная поверхность 2 = 0 отделяет два состояния: состояние отказа - 2 <0 и безопасное состояние 2>0. Вводится понятие индекса безопасности в [8-10]. Эта величина является кратчайшим рас-
стоянием до поверхности предельного состояния от начала координат, т. е. в безопасной области. Для поверхности отказа в виде гиперплоскости выражение для индекса безопасности имеет простой вид
в = и 1 , (7)
где /и и а - среднее и стандартное отклонение для величины 2. Для нормально распределенных величин вероятность отказа вычисляется просто [8-10]:
Р «Ф(-в), (8)
где Ф - табличный интеграл нормального распределения [10].
На практике поверхность отказа не является линейной и поэтому указанный минимум расстояния до нее приходится искать, применяя соответствующие алгоритмы поиска минимума [5,10]. Как видно из определения, индекс безопасности определяется знанием только двух моментов распределения случайных базисных переменных: средних значений и стандартных отклонений. При его вычислении вероятностные методы не используются, поэтому методы двух моментов носят название полувероятностных.
Вычисление индекса безопасности при отсутствии данных о характере распределений расчетных параметров с учетом указанных неопределенностей, осуществляется применением метода Монте-Карло [5,10] и методом точечных оценок [11]. Моделирование с помощью метода Монте-Карло выполняется путем генерирования случайным образом значений параметров конструктивных элементов обделки, пород и нагрузки для построения распределения значений внутренних усилий в обделке.
Для оценки надежности обделки крупных подземных сооружений требуется знание распределения в ней напряженно-деформированного состояния. Исключительное разнообразие и сложные инженерно-геологические условия районов строительства магистральных канализационных коллекторов и насосных станций
ввиду их конструктивных и технологических различий затрудняют выработку единого подхода к проектированию и расчету конструкций этого типа сооружений.
Существует множество различных методов расчета конструкций подземных сооружений, разработанных различными авторами [12]. В первом варианте классификации методов расчета обделок их конструкции рассматриваются в виде стержневой системы, а массив моделируется основанием Винклера. Во втором варианте для конструкции и массива используются методы механики твердого деформируемого тела. В третьем варианте конструкция моделируется стержневой системой, а для массива используются модели теории упругости, реже теории пластичности и ползучести.
В настоящее время методы первого варианта классификации (модифицированный «метод Метрогипротранса»), обязательные к применению в соответствии с [13, 14], широко применяются в расчетах конструкций подземных гидросооружений. В рамках метода конечных элементов (МКЭ) осуществлены модификации, которые приводят к возможности учитывать поэтапность возведения сооружения. Во втором варианте методов расчета напря-женно-дефор-мированное состояние конструкции и породного массива исследуется методами механики твердого деформируемого тела. Этот вариант нашел применение и при проектировании конструкций камерных выработок при применении МКЭ [7, 15, 16].
В отечественной практике используется достаточно большое число программ, реализующих МКЭ для решения определенного круга задач, в том числе, используемых для расчета конструкций подземных сооружений. Однако, ряд специфических особенностей (напр., поэтапность раскрытия сечения) расчета конструкций обделок камерных выработок в слоистых массивах слабых пород ограничивает воз-
можности прямого использования любой из этих разработок, в особенности, при проведении многовариантных расчетов, принципиально необходимых для выявления различного рода зависимостей формирования напряженно-деформирован-ного состояния в элементах обделки от параметров конструкции и нагружения, а также для учета неопределенностей в исходных параметрах при определении надежности сооружения.
В настоящее время достаточно полно разработана теория расчета крупных подземных сооружений, расположенных в крепких скальных породах. Для условий слабых пород имеются единичные результаты, и требуется проведение дальнейших исследований. Кроме того, для камерных выработок недостаточно внимания обращается на неопределённость как упругих характеристик материала обделки так и сопротивления их трещи-нообразованию, так и прочности на сжатие (растяжение), а также физико-механических свойств пород. Такой учет проведен и в рамках МКЭ (т.н. стохастический метод конечных элементов) для многих строительных конструкций, оснований, склонов и откосов. Метод достаточно трудоёмок и занимает много машинного времени при многовариантных расчетах. Применение этого метода для получения зависимостей надежности обделки в условиях многослойности породного массива, характерных именно для камерных выработок, пока представляется неоправданным.
В связи с вышеизложенным необходимо проведение дальнейших исследований, направленных на разработку метода расчета и его численной реализации в виде программного обеспечения для ЭВМ, а также обоснования конструктивных параметров обделок камерных выработок на основе расчета надежности при учете неопределенностей исходных параметров на этапе проектирования.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Компоновочное решение насосной станции глубокого заложения / В.М. Мостков, В.Л. Кубецкий, В.И. Толмачев,В.Е., В.Е. Милявский, В.В. Берлин. // Подземное пространство мира, 1997. - №1 - с.38 - 42.
2. О безопасности гидротехнических сооружений. Федеральный закон Российской Федерации от 23 июня 1997 года // Гидротехническое строительство - 1997. - №12. - С. 1-7.
3. Мостков В.М. Безопасность подземных гидротехнических сооружений. - М.: НТФ "Энергопрогресс" "Гидротехническое строительство", 2001. - 83с.
4. Радкевич Д.Б. Декларирование безопасности гидротехнических сооружений. - М.: НТФ "Энергопрогресс" и "Гидротехническое строительство".- 2000 - вып.3. - 83с.
5. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций. / Пер. с нем. - М.: Стройиз-дат, 1994. - 288 с.
6. Васильев А.Б., Мгалобелов Ю.Б. О нормировании безопасности гидротехнических сооружений при проектировании.// Гидротехническое строительство - 1993. - № 12.- С.12-15.
7. Проектирование обделок подземных машинных залов ГЭС, ГАЭС и других камерных выработок в гидротехническом строительстве. ВСН 34-72-019-89 -М.: Минэнерго СССР, 1989.
8. International Standard ISO 2394/ General principles on reliability for structures. - 2nd ed.1998-06-01. - Geneve 20. - 1998. - 73p.
9. Ржаницин А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. - М.: Строй-издат, 1978. - 239 с.
10. Melchers R.E. Structural Reliability. Analysis and Prediction. 2nd Ed. - N.Y.: Wiley & Sons, 2002. - 500p.
11. Rosenblueth E. Point estimates for probability moments // Proc. Nat. Acad. Sc. USA. - 1975. - Vol. 72. - No. 10. - pp. 3812 - 3814.
12. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. Учеб. для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Недра, 1992. - 543 с.
13. СНиП 2.06.09 - 84. Туннели гидротехнические / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 19 с.
14. Руководство по проектированию гидротехнических тоннелей / Гидропроект им. С.Я. Жука, Минэнерго СССР. - М.: Стройиздат, 1982. -288 с.
15. Бердзенишвили Т.Л., Гелашвили Г.М., Постольская О.К., Юфин С.А. Алгоритмизация задач с поэтапно изменяющимися граничными условиями и геометрией расчетной схемы в рамках МКЭ // Сообщения АН ГССР. - 1981. - Т.104. - №1. - С.33-35.
16. Юфин С.А. Расчет напряжений и перемещений в своде подземного машинного зала ГЭС и в окружающем массиве с учетом поэтапной разработки // Гидротехническое строительство. - 1974. - №19. - С.16-21.
— Коротко об авторах --------------------
Толмачев М.В. - инженер, ГУП Мосинжпроект.
