CC BY
97
уборочной машины типа BobCat - 224 тыс. руб.; затраты на электроэнергию - 310 тыс. руб.; услуги грузовика-самосвала - 279 тыс. руб.
Таким образом, применение снегоплавильной установки дает возможность сэкономить до 10%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Храменков С. В., Пахомов А. Н., Богомолов М. В., Данилович Д. А., Ромашкин О. В., Пупырев Е. И., Корецкий В. Е. Системы удаления снега с использованием городской канализации // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 10. С. 19-30.
2. Строительные нормы и правила Российской Федерации. Строительная климатология СНиП 23-01-99: утв. Госстроем России 11.06.99. дата введ. 01.01.00. М.: Госстрой России, 2000. 57 с.
3. http://thermo.karelia.ru/weather/w_precips_ru_irk.shtml
4. http://www.atlas-yakutia.ru/weather/spravochnik/sndp/climate_sprav-sndp_3079101808.php
5. Судникович В.Г., Авиво Ю.А. Определение параметров оптимизации системы водоотведения автотранспортных предприятий // Вестник ИрГТУ. 2012. № 2. С. 59-63.
Информация об авторах
Матосов Юрий Юрьевич, аспирант кафедры «Инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения», тел.: 89149041359; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Судникович Вера Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения», тел: (3952) 40-51-42, 89025610609; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Matosov Iu.Iu., Post-graduate, Department engineering services and life-support systems, tel.: 89149041359; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk,
Sudnikovich V.G., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Department engineering services and life-support systems, tel.: (3952) 40-51-42, 89025610609, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 628.4.02
ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ И.Ю. Поспелова, Т. А. Данилец, М.Я. Поспелова
Приведены основные принципы модернизации, проектирования и эксплуатации инженерных сетей в условиях северной строительно-климатической зоны. Разработаны и классифицированы условия модернизации существующих и разработки новых решений, технологий и конструкций. Описаны принципы приспособления конструкций сооружений к неравномерным просадкам оснований при их оттаивании в процессе эксплуатации объектов. Приводятся возможные пути рационального использования климата и мерзлотных
факторов. Рассматриваются экономически оправданные мероприятия для обеспечения бесперебойного и безаварийного функционирования систем жизнеобеспечения. Предлагаются способы использования особенностей мерзлотно-гидрологического режима, позволяющие создавать ресурсосберегающие технологии.
Ключевые слова: планирование; управление; организация и эксплуатация инженерных сетей; инженерные системы; проектирование и эксплуатация систем водоснабжения; северная строительно-климатическая зона.
PROBLEMS OF ENGINEERING SYSTEMS IN SPECIAL CONDITIONS I.Iu. Pospelova, T.A. Danilec, M.Ia. Pospelova
In the article we presented the main principles of modernization, design and exploitation of engineering systems in the conditions of Northern building and climate zone. We developed and classified conditions of modernization of existing solutions and the conditions to develop new solutions, technologies and constructions, described the principles of adjusting the building constructions to unequal basis contraction while melting during the process of objects exploitation. We show the possible ways of rational use of climate and cryosolic factors and economically proven events to provide constant and trouble free functioning of life sustaining systems. In the article we offer the ways to use the peculiarities of cryosolic and hydrologic refime which allows to create resource-saving technologies.
Key words: planning; management, organization and exploitation of engineering nets; engineering systems; design and exploitation of water passing systems; Northern building and climate zone.
Мерзлотно-климатический фактор является определяющим в работе инженерных систем. Он подлежит обязательному учету при проектировании сетей, сооружений и диктует необходимость модернизации существующих и разработки новых решений, технологий и конструкций. Кроме этого, он обуславливает стоимость и технико-экономические показатели проектирования и эксплуатации как всей системы, так и ее составных объектов [1, 2].
На основании изученной статистики по эксплуатации сетей выведены следующие положения, влияющие на сроки модернизации систем, а также на успешное безаварийное функционирование. Основными принципами проектирования сетей и систем в зоне вечной мерзлоты являются:
- учет и всесторонняя оценка факторов, определяющих особые требования к устройству и эксплуатации систем водоснабжения на Севере: вечномерзлые грунты, их льди-стость, суровый резко континентальный климат, своеобразный гидрологический режим водоисточников, снегозаносы и др.;
- технически обоснованные и экономически оправданные мероприятия по защите от воздействия вечной мерзлоты и холода всей системы водоснабжения: от источника до потребителя;
- реализация резервов удешевления строительства водопроводных сооружений и снижения затрат на их эксплуатацию: снижение металлоемкости, компактность и блокировка сооружений, сокращение доли привозных материалов, конструкций, реагентов, рационализация технологий и сооружений;
- максимальное внедрение эффективных конструктивных решений и технологий (укрупнение узлов и элементов заводского изготовления, домонтажная теплогидроизоля-ция труб; блочно-пакетные поставки оборудования), методов производства работ (создание специализированных монтажно-наладочных организаций, централизация производства укрупненных узлов, серийный выпуск специальной арматуры) и т. д.;
- широкое использование местных строительных материалов (дерево, камень, местные фильтрующие материалы, теплоизоляционные композиции из местных вермикулитов, диопсидов и пр.);
- обязательный учет и использование опыта водоснабжения и водоотведения в северной строительно-климатической зоне, оценка результатов научных исследований и конструкторских проработок (любое, даже эффективное решение, может оказаться неприемлемым в мерзлотно-гидрологических условиях);
- необходимость учета реальной, постоянно существующей угрозы перемерзания любых элементов систем водоснабжения и водоотведения, которые независимо от их мощности, типа и конструкций большую часть года находятся в среде низких отрицательных температур. Нужны определенные меры по выполнению тепловых потерь сооружениями и трубопроводами условиям теплового баланса транспортируемой или сохраняемой воды от водоисточника до потребителя (циркуляция и подогрев, соответствующая арматура, теплоизоляция, электрообогрев сетей и сооружений и др.);
- обеспечение постоянного контроля и поддерживание оптимального теплового режима всех элементов систем водоснабжения, особенно при малых расходах.
При проектировании водоснабжения на Севере должны также учитываться дороговизна и дефицит электроэнергии, малая обеспеченность кадрами, неустойчивые транспортные связи, характер производства, застройка поселений, мощность предприятий, условия водоотведения, мощность и особенности режима источников, уклад жизни населения и т.д.
Системы водоснабжения специальных очистных сооружений обязательно имеют тепловые пункты (котельные, бойлерные и др.), задачей которых является обеспечение требуемых тепловых режимов сетей и сооружений за счет подогрева воды непосредственно на водозаборе, в пунктах хранения и обработки воды, «тепловое сопровождение» водопроводов и др.
Инженерные изыскания дают не только исходные материалы для проектирования, но и являются его составной частью, влияя непосредственно на качество и сроки проектирования, выбор схем и типов сооружений, их экономичность, надежность и долговечность. Важно правильно оценить геокриологические (инженерно-мерзлотные) свойства и особенности грунтов с прогнозом их изменения в зависимости от принятого принципа строительства сооружений. Последний должен быть определен уже на стадии инженерных изысканий.
Принцип сохранения мерзлого состояния грунтов оснований на весь период строительства и эксплуатации сооружений назначается при слое мерзлоты более 10 м, ее устойчивом температурном режиме, малых габаритах и незначительных тепловыделениях сооружений.
Целесообразен принцип приспособления конструкций сооружений к неравномерным осадкам оснований при их оттаивании в процессе эксплуатации объектов водоснабжения, если ожидаются большие тепловыделения, неустойчив температурный режим мерзлоты и относительно малы равномерно распределенные в грунтах ледовые включения.
Подобные мерзлотные условия вызывают при оттаивании небольшие осадки грунтов, исключающих их разжижение и выдавливание из-под сооружений. Это особенно важно при создании водохранилищ, прудов, резервуаров и т.п., когда под объектом сложно сохранить мерзлоту, а предварительное оттаивание грунтов обходится дорого. Необходима осторожность, если противофильтрационные элементы выполняются из полимерных пленочных экранов, которые легко разрываются при осадках оттаявших грунтов в основаниях.
Принцип предпостроечного оттаивания грунтов оснований применим, если нельзя сохранить их мерзлыми, при высокой льдонасыщенности, неравномерной в плане и профиле, то есть если реальна большая и неравномерная осадка грунтов при общем их слое -
до 10 м. Это наблюдается при крупноскелетных грунтах (возможно и на мелкозернистых) при естественном их дренировании. Наиболее реальная технология инженерной подготовки площадок по этому принципу - предпостроечное оттаивание основания и одновременный намыв грунта средствами гидромеханизации.
Выбор принципа использования мерзлых грунтов в качестве оснований водопроводных сооружений - ответственная задача.
Для целей водоснабжения важной частью инженерных изысканий является геокриологическая съемка, в задачи которой входят выявление генезиса, криогенной текстуры и физических свойств грунтов, специальное изучение оснований (наличие термокарста, солифлюкций, трещин, заполненных льдом, пучения, таликов, наледей и т.д.). Геокриологическая съемка сопровождается геофизической разведкой, бурением скважин, проходкой шурфов с отбором проб грунтов и воды на исследования. Глубины скважин зависят от мощности мерзлоты: до 30 м она вскрывается скважинами полностью для нахождения верхней (под деятельным слоем) и нижней границы вечномерзлой толщи, а при мощности более 30 м скважины проходят до 20-26 м от подошвы деятельного слоя. К сожалению, эти требования на практике выполняются редко.
Важнейшая характеристика мерзлоты - ее температурный режим, изучаемый сетью специальных режимных скважин (термических), в том числе в акваториях водоисточников и близ сооружений, позволяющих оценить влияние сооружений (водоемов) на грунты. Правила оборудования таких скважин изложены в инструктивной литературе. При мерз-лотно-геологическом изучении грунтов под объекты водоснабжения важен учет опыта изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации подобных сооружений на соседних участках (районах) со сходными условиями.
Объем мерзлотно-геологических исследований зависит от сложности, мощности проектируемых водопроводных объектов, стадии проектирования, района Севера (характер мерзлоты, мощность, термический режим, устойчивость во времени, виды и масштаб мерзлотных явлений и процессов, географическая зона - северная, центральная или южная). Северная зона - районы сплошного распространения вечной мерзлоты - занимает территорию выше геоизотермы равной -5°С. Центральная зона (между геоизотермами -5, -1°С определяется прерывистым расположением вечной мерзлоты. Южная зона располагается между геоизотермами равными 0,-1°С, для нее характерно островное распространение вечномерзлых толщ.
При изысканиях под объекты водоснабжения выявляются геокриологические особенности мерзлоты в полевых условиях: генезис, литология мерзлых толщ, их мощность и площадь распространения, криогенная текстура, льдистость, формы ледяных включений, мощность и состав пород деятельного слоя, наличие и типы подземных вод, их состав и др. Кроме того, в полевых условиях определяют физические, теплофизические и механические свойства вечномерзлых грунтов.
При наличии схем водоснабжения в зоне мерзлоты следует учитывать:
- мерзлотно-гидрологические, гидрогеологические условия организации водоснабжения и прогноз их изменения, мерзлотно-гидрологические характеристики водоисточников и т.д.;
- преимущественное использование подземных или подрусловых вод, особенно для первоочередного строительства. Создание водохранилищ при невозможности получения воды из естественных поверхностных источников правомерно лишь при соответствующих технико-экономических обоснованиях;
- максимальное использование существующих сооружений, их реконструкцию и интенсификацию (прокладка дополнительных водопроводов, замена традиционных технологий более прогрессивными, интенсификация работы сооружений и др.);
- возможность развития водопроводов и сооружений с обеспечением наиболее эффективного использования капиталовложений без перебоев подачи воды при выполнении реконструкции и расширении систем;
- наиболее целесообразную при минимизации затрат энергии на защиту элементов системы от перемерзания компоновку сооружений в плановом и высотном отношениях, обеспечивающую на основе технико-экономических сравнений наиболее экономичные решения;
- все технологические (количество водопотребителей, объемы и режимы водопо-дачи, требуемые напоры, качество воды и пр.) и местные мерзлотно-климатические и гидрологические условия, диктующие выбор источников, способы и конструкции прокладок водопроводов, степень обработки и подогрева воды и др.;
- требование приближения источников водоснабжения и энергообеспечения к потребителям.
Схемы водоснабжения и отдельные элементы на Севере могут быть весьма различными в зависимости от мерзлотно-климатических условий и технико-экономических соображений [3]. Основополагающими при этом являются водоисточник, его расположение относительно потребителя, хозяйственно-строительные возможности водообеспечения. Мощность и режим водоисточников определяют не только схему водоснабжения, но и конструкции всех сооружений, условия и стоимость их строительства и эксплуатации. Правильный выбор схем водоснабжения дает значительные резервы для экономики капиталовложений, материальных и трудовых затрат.
Для поселений является целесообразнее добыча вод, а также фильтрационных вод из водохранилищ на перемерзающих реках. Сложнее получить поверхностные воды неза-регулированных источников. В настоящее время все больше увеличивается ориентация на специально создаваемые водохранилища, пруды и водоемы-копани. При выборе воды из любых источников должны учитываться возможность резкого сокращения их глубин и расходов, высокая вероятность перемерзания. Наиболее надежны схемы, базирующиеся на комбинированных водозаборах с приемом, поверхностных и подрусловых вод. Эти схемы и наиболее экономичны, так как упрощается водоочистка и можно широко использовать более доступные поверхностные источники, несмотря на необходимость в ряде случаев их регулирования.
Различия схем водоснабжения обусловлены надежностью водоисточников, набором сооружений, степенью соответствия условиям эксплуатации, сложностью обеспечения теплового режима элементов системы. Схемы водоснабжения из перемерзающих рек с забором воды из подрусловых отложений или из искусственно созданных фильтрующих слов с регулированием поверхностного и подруслового стока наиболее распространены и перспективны на Севере для относительно малых объектов. Водохранилища здесь не только аккумулируют поверхностный сток, но и обводняют подрусловые водо-вмещающие отложения, улучшая гидротерметику отбора и очистки воды. Эти схемы испытаны временем, некоторые из них эксплуатируются свыше 40 лет.
За счет подрусловых вод надежно решается водоснабжение даже крупных городов в различных зонах Севера (Якутск, Алдан, Тында и др.).
Примеры организации водоснабжения в условиях ограниченных водных ресурсов и крайней их неравномерности распределения в году иллюстрируют простые схемы, в которых отражается малый зимний сток.
Создание запасов воды на бессточный период (ноябрь-май) обеспечивается устройством пруда-копани, оборудованного системой фильтрующих сооружений для очистки забираемой воды, и ледохранилища в качестве резервного источника. Водозабор в течение года осуществляется из пруда, вода из ледохранилища отбирается при расплавлении льда с помощью пара, теплой воды или электрокабелей.
Широко распространены на северо-востоке страны схемы организации водоснабжения крупных предприятий и поселков из водохранилищ на перемерзающей реке. В качестве дополнительного источника создают водоемы-копани, из которых подпитываются основные водохранилища. Создание водохранилищ часто нецелесообразно из-за неблагоприятных мерзлотно-гидрологических условий. Водозаборы чаще всего выполняются в
виде фильтрующих ряжей. Забираемая вода очищается и обеззараживается на очистных станциях, сблокированных с насосами станциями II подъема, тепловыми пунктами и резервуарами. Очищенная вода подается лишь на хозяйственно-питьевые нужды. На технологические цели вода от фильтрующих водозаборов идет без очистки.
Суровый климат, вечная мерзлота, особенности мерзлотно-гидрологического и гидрогеологического режима водоисточников позволяют создавать ресурсосберегающие технологии. Возможными путями рационального использования сурового климата и мерзлотных факторов являются:
1. Использование льда для теплоизоляции сооружений и водопроводов в холодный период года. Высокие теплоизоляционные свойства льда, наносимого на наружные поверхности сооружений и трубопроводов, позволяют ограничиться их минимально необходимой стационарной теплоизоляцией, то есть снизить их термическое сопротивление и стоимость. Доказано, что обледенение внутренних поверхностей водонапорных башен и резервуаров обеспечивает защиту от перемерзания всей воды в емкостях. Используется в качестве меры теплозащиты внутритрубное оледенение водоводов, получившее солидное теоретическое обоснование и аппаратурное обеспечение.
В последние годы разработаны теоретические основы и технические средства получения пористого льда для теплозащиты больших площадей (акваторий водозаборов, подрусловых береговых отложений и пр.) и создание больших массивов льда. Отработана технология ускоренного наморажимания льда методами дальнострунного дождевания. На базе серийных насосных станций СНП-50/80 (СНП-75/100) в Сибирском НИИ гидротехники и мелиорации разработана установка для ускоренного намораживания льда различной плотности. Плотность фирнового льда обеспечивается от 0,2-0,3 до 0,6-0,75 г/ см .
2. Создание ледовых подпорных сооружений для водоснабжения, обводнения (плотины, дамбы, льдохранилища и пр.) и накопления запасов воды практически апробировано в сельских районах Якутии в 1984-1985 годы. Глухая ледовая плотина с напором до 6,0 м изо льда плотностью 0,6-0,7 г/см с предотвращением фильтрации через ее тело имеет полимерный пленочный экран. Без дополнительных мероприятий по теплоизоляции ледовая плотина устойчиво работала 2025 суток, обеспечив заполнение паводковыми водами ближайших озер, стариц и обводнение прилегающих пастбищ.
3. Регулирование русел водотоков и их насосного режима в зимнее время. Оно предусматривает управление подледным потоком, защиту берегов и островов от размыва, регулирование наносов и пр. с помощью струенаправляющих дамб и шпор, возводимых изо льда за счет естественного холода, струенаправляющих элементов, устанавливаемых на поверхности льда и др.
4. Использование естественного холода вечномерзлых недр и атмосферы при строительстве водопроводных сооружений: укрепление оснований сооружений замораживающими установками-термосифонами, промораживание таликов и плывунов, выморозка котлованов под водозаборы и береговые колодцы, создание противофильтрационных мерзлотных завес и др. Широкое распространение получили в практике северного строительства замораживающие установки С. И. Гапеева, применяемые и для решения задач водоснабжения.
5. Создание в вечномерзлых массивах полостей (емкостей) для хранения запасов хозяйственно-питьевых вод, консервации сточных вод и жидких отходов, хранения реагентов и т. д. Горные выработки, образуемые, как правило, средствами гидромеханизации, достигают значительных объемов. Существуют методики теплотехнического расчета таких полостей при различных наполнениях водой, а также условий замерзания водных масс или поддержания их в жидком состоянии.
6. Охлаждение оборотных и циркуляционных вод с использованием ресурсов холода вечномерзлых толщ.
На основании изученного и представленного материала, можно сделать вывод, что суровый климат, наличие вечномерзлых грунтов и особенности мерзлотно-
гидрологического и гидрогеологического режима водоисточников не являются только негативными характеристиками функционирования инженерных систем. В данных условиях с успехом можно находить пути рационального использования климата и мерзлотных факторов и применять экономически оправданные мероприятия для обеспечения бесперебойного и безаварийного функционирования систем жизнеобеспечения. Предлагаемые способы использования особенностей мерзлотно-гидрологического режима позволяют создавать ресурсосберегающие технологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вдовин Ю. И. Водоснабжение населенных пунктов на Севере. Л.: Б.и., 1980.
133 с.
2. Лютов А. В. Строительство и эксплуатация водоводов надземной и канальной прокладки на Севере. Л.: Б.и., 1976. 112 с.
3. Макотрина Л.В., Селех Е.В., Кузнецов И.Б. Строительство и реконструкция сетей водоснабжения и водоотведения в условиях города Иркутска // Вестник ИрГТУ. 2013. № 10. С. 164-167.
Информация об авторах
Поспелова Ирина Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения», тел.: (3952) 40-51-42, e-mail: [email protected]; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Данилец Татьяна Алексеевна, студентка кафедры «Инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения», тел.: (3952) 40-51-42, e-mail: [email protected], Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Поспелова Мария Ярославовна, старший преподаватель кафедры «Инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения», тел.: (3952) 40-51-42, e-mail: [email protected]; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Pospelova I.Iu., Candidate of Technical Sciences, Associate professor of the Department engineering services and life-support systems, tel.: (3952) 40-51-42, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Danilec T.A., undergraduate, Department engineering services and life-support systems, tel.: (3952) 40-51-42, e-mail: [email protected], Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Pospelova M.Ia., senior teacher, Department engineering services and life-support systems, tel.: (3952) 40-51-42, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
