Оценка эксплуатационной надежности конструкций бетонопленочных облицовок каналов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 626.823.91:678.5

ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ БЕТОНОПЛЕНОЧНЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ

© 2011 г. М.А. Чернов

Российский научно-исследовательский The Russian Scientific Research Institute

институт проблем мелиорации of Land Improvement Problems

Приводится методика расчетно-теоретической оценки эксплуатационной надежности конструкций бетонопленочных облицовок. Даны основные критерии эксплуатационной надежности и срока службы облицовок.

Ключевые слова: эксплуатационная надежность; противофильтрационная облицовка; противофиль-трационный элемент; геомембрана; повреждаемость; срок службы.

The procedure for design-theoretical assessment of operational reliability of concrete-membrane lining is offered. Main criteria for operational reliability and durability life expectancy of lining are given.

Keywords: оperational reliability; antifiltering lining; antiffltering element (component); geomembrane; durability; life expectancy.

Для противофильтрационной защиты оросительных каналов наиболее эффективными конструкциями признаны бетонопленочные облицовки [1], которые включают противофильтрационный элемент из полиэтиленовой пленки низкой плотности по ГОСТ 10352—82 толщиной 0,2-0,3 мм и защитное покрытие из сборных железобетонных плит или монолитного бетона. Эти конструкции облицовок при соблюдении нормальных условий эксплуатации обеспечивают достаточно высокую эксплуатационную надежность. По данным [2] долговечность (срок службы) традиционных бетонопленочных облицовок достигает 40—50 лет. Однако при эксплуатации облицованных каналов во многих случаях их эксплуатационная надежность снижается вследствие значительной повреждаемости тонкого противофильтрационного элемента из пленки и разрушения швов и бетона защитных покрытий.

В связи с этим возникает необходимость оценки эффективности и надежности традиционных конструкций бетонопленочных облицовок и разработки их новых конструкций повышенной надежности. В настоящее время за рубежом активно ведутся работы по разработке принципиально новых полимерных материалов — геомембран, которые отличаются повышенной толщиной до 1,0—3,0 мм, высокой надежностью, сопротивляемостью на прокалывание и большой долговечностью.

Данные материалы выпускаются такими известными фирмами как Carbafol, GSE (Германия), Dupon (США), Siplast (Франция), Mizuboshu (Япония), Taurus (Венгрия). Большие работы в области выпуска материалов и их укладки на гидротехнических объектах проводит фирма Carpi (Швейцария) [3].

Несмотря на имеющиеся разработки в этой области, до сих пор еще не разработаны общие методики оценки надежности облицовок каналов.

На основании анализа и обобщения вышеназванных работ можно сформулировать следующие общие критерии технической эффективности и эксплуатационной надежности облицовок каналов:

— по водопроницаемости облицовки

k' — k *

kобл — лобл.нор

— по повреждаемости противофильтрационно-го элемента

ППфЭ — ППфЭ.доИ

— по трещиноватости и разрушению защитного бетонного покрытия

Пзащ — Пзащ.доп

— по вероятности безотказной работы бето-нопленочной конструкции облицовки в целом

Робл - р

нор

— по сроку службы облицовки

тобл — т нор

где кобл — осредненный коэффициент фильтрации облицовки (натурных или расчетных); кобл.нор — нормативный коэффициент фильтрации облицовки (по СНиП 2. 06. 03-85); П П

пфэ ,

ПФЭ.доп

фактическая и допускаемая повреждаемость противофильтрационного элемента (ПФЭ); Пзащ , Пзащ.доп - фактическая и допускаемая степень трещиноватости и разрушения швов облицовок; Робл , Рнор — вероятность безотказной работы облицовки, фактическая и нормативная в соответствии с классом канала; тобл , тнор — срок службы облицовки, фактический и допускаемый в соответствии с классов сооружения (по СНиП 33—01—2003).

Рассмотрим определение указанных показателей надежности облицовок.

Для оценки повреждаемости противофиль-трационного элемента облицовки может быть использовано уравнение Райса [4], полученное для условия нормального закона распределения.

Принимаем в первом приближении распределения повреждаемости противофильтрационного элемента в виде пленки или геомембраны соответствующей закону Гаусса (нормальный закон распределения). Тогда закон изменения среднего числа выбросов будет описываться уравнением Райса, в котором вместо ранее принятых обозначений для ПФЭ принимаем П и П

доп

- / *

где V п = -— (н0 — число повреждений, превышающих допускаемый уровень; т — время эксплуатации облицовки).

Считаем, что появление повреждений в противофильтрационном элементе при эксплуатации объекта за период времени будет событием случайным и редким, а следовательно, может описываться законом редких явлений (законом Пуассона) [4—5]

р _ (v Пт) e-VnT

m!

(3)

где т — число интервалов повреждаемости (т = 0, 1, 2...п).

Отказ (повреждение) противофильтрацион-ном элементе будет исключен при условии т=0, откуда (3) будет

Р = е-^пт. (4)

Логарифмируя уравнения (2) и (4), соответственно получим

ln v П _ ln VП (Пдоп П Г

2° П

V П т _ - ln P или V П _ -

Из уравнения (5) найдем

1п ^П = (Пдоп - П У

ln P

V П

2° П

(5)

(6)

(7)

V П _

V П ° П

Рп

rexp

+ G П

доп П

(ПДоп - П J

2(

(1)

где V п — частота повреждений в противофильт-рационном элементе; П — среднестатистическая повреждаемость противофильтрационного элемента; о п, ° пдоп — среднеквадратическое отклонение соответствующих параметров П и Пдоп.

Учитывая, что для облицовки допускаемые и нормативные значения показателей являются

неизменными, то можно принять о Пдоп = 0. Тогда уравнение (1) запишем в виде

V П _ V П exP

П

(Пдоп - П J2

2°П

(2)

Подставляя в уравнение (7) зависимость (6), получим

ln

(Пдоп - П J2

(- ln P) 2аП

откуда

Пдоп {P}_ П + , /2оП ln

TV

П

(- ln P) ■

Полученная зависимость позволяет найти допускаемую повреждаемость противофильтрацион-ного элемента с заданной надежностью Р, принимаемой в зависимости от класса сооружения и степени надежность элемента, в пределах 0,90—0,99.

Для вывода расчетной зависимости срока службы облицовки с противофильтрационным элементом используем уравнения (2) и (6), тогда получим

т

TV п (- ln P )

= exp

(пдсп - п J

2а

п

откуда

1обл

{P }=

- ln P

V

exp

п

(ПДоп - п J

2аП

где

V п =

N0

т

(8)

число выбросов (повреждений)

ИФЭ за допускаемый уровень в период эксплуатации облицовки.

Указанные данные свидетельствуют о снижении допускаемой повреждаемости облицовок с геомембраной в 5 раз и вероятном увеличении срока службы облицовки с 37,5 до 91 лет, т. е. в 2,4 раза, что также подтверждается данными фирмы Carpi [3], согласно которым срок службы защищенных геомембран прогнозируется до 100 лет и более.

Литература

1. Защитные покрытия оросительных каналов / В. С. Алтунин, В. А. Бородин, В. Г. Ганчиков, Ю. М. Косичен-ко. М., 1988.

2. Ищенко А. В. Повышение эффективности и надежности противофильтрационных облицовок оросительных каналов // Сев. -Кавк. регион. Техн. науки, 2006.

Результаты расчета параметров эксплуатационной надежности облицовок

для канала БСК-3

Тип облицовки Исходные данные Расчетные данные

п Пдоп V п Р Пд0п {P} тр {P h лет

Бетонопленочная облицовка с пленочным экраном 0,0319 10-2 0,080 10-2 6,82 0,95 0,070 10-2 37,5

Бетонопленочная облицовка с геомембраной 0,0064 10-2 0,016 10-2 7,2 0,99 0,01410-2 91,0

Последняя формула (8) позволяет получить расчетную оценку прогнозного срока службы облицовки с заданной надежностью с учетом статистических данных наблюдений по повреждаемости противофильтрационного элемента в виде пленочного экрана или геомембраны.

В таблице представлены результаты расчетов параметров эксплуатационной надежности облицовки по полученным автором формулам для условий канала БСК-3.

3. Скуеро А. М., Васкетти Г. Л. Геомембраны — хорошо зарекомендовавшие себя водонепроницаемые системы на гидротехнических сооружениях // Международный дайджест по гидроэнергетике и плотинам. 2007. С. 59-68.

4. Мирцхулава Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений. М., 1974.

5. Алимов А. Г. Эффективность облицовок оросительных каналов // Гидротехника и мелиорация. 1982. № 4.

Поступила в редакцию 13 декабря 2010 г.

Чернов Михаил Александрович — научный сотрудник, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации. Тел. 8(8635)221886. E-mail: [email protected]

Chernov Mikhail Alexandrovich — The Researcher of Federal State Scientific Establishment, The Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems. Tel. 8(8635)221886. E-mail: [email protected]