CC BY
32
УДК 626.843.92
В.А. Волосухин, М.А. Бандурин
Новочеркасская государственная мелиоративная академия
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ МОНИТОРИНГА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ВОДОПРОВОДЯЩИХ СООРУЖЕНИЙ
Описан программно-технический комплекс (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга технического состояния водопроводящих сооружений, предназначенный для определения различных параметров дефектов и повреждений, а также расчета прогнозируемого срока остаточного ресурса их элементов. Комплекс (ПТК) позволяет провести оценку геометрических параметров каждого дефекта.
Ключевые слова: программно-технический комплекс (ПТК), гидротехнические сооружения, водопроводящие сооружения, эксплуатационный мониторинг, автоматизация, техническое состояние, остаточный ресурс, разуплотнение, просадка, защитное покрытие, натурные обследования.
Программно-технический комплекс (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга технического состояния водопроводящих сооружений предназначен для определения различных параметров дефектов и повреждений, а также расчета прогнозируемого срока остаточного ресурса их элементов. Комплекс (ПТК) позволяет провести оценку геометрических параметров каждого дефекта (месторасположение, глубина, ширина, высота), эксплуатационную оценку остаточного ресурса (прогнозирование суммарного количества циклов замораживания и оттаивания, как прошедших за период эксплуатации, так и оставшихся до потери несущей способности железобетонных элементов водопроводящих сооружений) и комплексное влияние ряда факторов на надежность сооружения, наиболее характерными для которых являются истирание, процессы выщелачивания и износа на участках с различными гидравлическими характеристиками [1].
В качестве исходных данных при создании комплекса (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга технического состояния водопроводящих сооружений использованы результаты проведенных
визуальных наблюдений и натурных исследований, к которым относятся:
- результаты визуального осмотра водопроводящих сооружений с выявлением характерных повреждений отдельных элементов;
- геометрические параметры повреждения, полученные при помощи георадара ОКО-2, диаметр и глубина зоны повреждения;
- данные Ясж бетона, полученные по показаниям электронного измерителя прочности бетона ИПС-МГ4,01.
В результате проведенных численных экспериментов были выделены зоны водопроводящих сооружений, которые могут содержать однотипные виды характерных повреждений, что позволяет упорядочить процесс прокладывания профилей георадарного зондирования и определения точек, в которых необходимо проводить измерения прочности бетона при проведении натурных обследований.
Для выполнения необходимых расчетов технического состояния комплекс (ПТК) имеет в наличии информационно-справочную базу по водопроводящим сооружениям, эксплуатируемым в России.
Техническая часть комплекса (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга включает в себя различные технические схемы рам для каждого водопроводящего сооружения в отдельности и может быть использована для проведения эксплуатационного мониторинга технического состояния и определения остаточного ресурса защитного покрытия водопроводящих каналов и грунтов под ними, выявления опасных дефектов и повреждений, а также оценки и прогнозирования его технического состояния и дальнейшей пригодности к эксплуатации [2].
Техническим результатом, достигаемым настоящим комплексом (ПТК), является выявление дефектов и повреждений как самого защитного покрытия, так и состояния грунта, расположенного под ним, на образование разуплотнений и просадки на ранней стадии их образования. Данный технический результат достигается тем, что комплекс (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга содержит движитель для свободного перемещения по дну водопроводящего канала с находящимся в нем оператором с обрабатывающим модулем, а рама состоит из стержней и представляет собой три части, соединенные с помощью шарниров [3].
На рис. 1 изображена техническая часть комплекса (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга в аксонометрической проекции, включающая в себя раму 1, состоящую из стержней, по форме повторяющую очертание водопроводящего канала и включающую три части, соединенные с помощью шарниров 2 с резиновыми колесами 3, обрабатывающий модуль, включающий в себя систему ГЛОНАСС 4, датчик движения 5, антенные блоки 6, расположенные по периметру рамы 1 [4].
Для проведения эксплуатационного мониторинга в водопроводящий канал при отсутствии воды помещается техническая часть комплекса (ПТК), после чего на обрабатывающий модуль 4 подается питание, чем подтверждается готовность всех систем к работе. При помощи движителя 7 рама 1 перемещается по водопроводящему каналу, и данные с датчика движения 5 и антенных блоков 6 поступают в обрабатывающий модуль 4, где происходит детальная расшифровка полученных данных с антенных блоков и позиционирование расположения дефектов и повреждений с помощью системы ГЛОНАСС.
Применение комплекса (ПТК) позволяет повысить качество проведения эксплуатационного мониторинга водопроводящих каналов благодаря тому, что обследование проводится по периметру всего водопроводящего канала (охватывается вся площадь сооружения) на наличие дефектов, повреждений, разуплотнений и просадку грунта под сооружением неразрушающими методами контроля, а наличие транспортного средства, которое осуществляет транспортирование комплекса, позволяет значительно ускорить проведение обследования водопроводящих каналов [5].
Техническая часть комплекса (ПТК) может быть использована для проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса защитного покрытия водопроводящих трубопроводов, ливнепропусков и грунтов под ними, а также для проведения эксплуатационного мониторинга железобетонных трубопроводов, расположенных в грунте (рис. 2), выявления опасных дефектов и повреждений, оценки и прогнозирования их технического состояния и дальнейшей пригодности к эксплуатации.
Рис. 1. Техническая часть комплекса (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса защитного покрытия водопроводящих каналов и грунтов под ним
Перед началом работы на входе в водопроводящий трубопровод оператор крепит упор 6 с помощью крепежных шурупов к стенкам трубопровода 7, а затем при помощи телескопической рейки 5 перемещает раму 3 с резиновыми колесами 1 внутри трубопровода 7, расположенного в грунте 8. Данные с датчика движения 4 и антенных блоков 2 поступают в обрабатывающий блок, где происходит обработка данных, оценка технического состояния элементов на наличие дефектов и повреждений, а также окружающих грунтов 8 на образование разуплотнения и просадки; осуществляются детальная расшифровка полученных данных с антенных блоков и позиционирование расположения дефектов и повреждений с помощью навигационной системы ГЛОНАСС.
Программная среда комплекса в ходе проведения расчета позволяет определить количество циклов замораживания и оттаивания, которые перенес объект наблюдения на данный период времени и сколько еще циклов объект может выдерживать до наступления критической потери несущей способности.
7
Рис. 2. Техническая часть комплекса (ПТК) для проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса защитного покрытия водопроводящих трубопроводов, ливнепропусков и грунтов под ними
В совокупности все это позволяет достоверно, быстро и качественно провести оценку технического состояния водопроводящих сооружений.
Математическое обеспечение комплекса (ПТК) опирается на натурные исследования технического состояния, данные, полученные при испытании водостойкости железобетона, и данные истирания бетона длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений, а также сведения, полученные при испытании конструктивных свойств бетонных образцов на циклическое замораживание и оттаивание.
На основании полученных материалов сделан обобщенный анализ результатов исследований состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений для определения их остаточного ресурса. Железобетонные водопроводящие сооружения более всего разрушаются от выщелачивания. Относительно высокий коэффициент фильтрации, высокая пористость и давление потока определили фильтрацию воды через бетон. Для расчета времени безопасного выщелачивания извести при фильтрации воды через бетон облицовки были проведены исследования условий фильтрации, определены толщина конструкции и коэффициент фильтрации бетона облицовки [6].
Определен коэффициент фильтрации бетона монолитных облицовок водопроводящих каналов. По опытным данным получено среднее значение коэффициента фильтрации Кф = 0,9...5,0 -10~6 см/с.
Водостойкость бетона оценивается снижением прочности при во-донасыщении и характеризуется коэффициентом размягчения, выражающим отношение прочности водонасыщенного бетона к прочности сухого. Но такие исследования не проводились, так как снижение прочности бетона несущественно и не повлияет на несущую способность конструкции сооружения.
Также проведен обобщенный анализ результатов исследований состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений для определения их остаточного ресурса на циклическое замораживание и оттаивание. На основании графика зависимости циклов замораживания и оттаивания от потери прочностных характеристик строилось математическое обеспечение комплекса (ПТК). В ходе проведения натурного эксперимента получен график (рис. 3) зависимости потери несущей способности от количества циклов замораживания и оттаивания [7], который используется в программной среде комплекса (ПТК) для нахождения количества циклов, прошедших с момента возникновения повреждения и оставшихся в случае дальнейшего развития данного повреждения до полной потери несущей способности железобетона водопроводящих сооружений. Эмпирическая зависимость получается индивидуально путем введения в программную среду комплекса (ПТК) информации по каждому конкретному элементу водопроводящего сооружения, а также позволяет рассчитать поведение дефектов и повреждений водопроводящих сооружений под дальнейшим воздействием циклического замораживания и оттаивания:
Р = 1,077 + 0,304Ц - 0,001Ц2; (1)
где Р - потери несущей способности, %; Ц - циклы замораживания и оттаивания.
На основании проведенных исследований строилось математическое обеспечение комплекса (ПТК): продолжительность фильтрации воды, равная безопасному сроку службы сооружения начиная с момента его обследования [8].
р, % 30
Рис. 3. Эмпирическая зависимость динамики разрушения водопроводящих сооружений
В качестве исходных данных для работы программной среды комплекса служат результаты проведенных визуальных наблюдений и натурных исследований, к которым относятся [9]:
- результаты визуальных осмотров водопроводящих сооружений с выявлением характерных повреждений отдельных элементов;
- количественные параметры повреждения элементов водопроводящих сооружений, полученные при помощи приборов неразрушающего контроля (ширина, глубина и длина повреждения и т.д.);
- количественная оценка в различных частях элементов водопроводящих сооружений, полученная с использованием приборов неразрушающего контроля.
Оценивалась также степень риска аварии элементов водопроводящих сооружений (малая - к < 0, 15; умеренная - к = 0,16...0,30; большая - к = 0,31.0,50; аварийная ситуация - к > 0,51).
Комплекс (ПТК) разработан с использованием системы управления базами данных (СУБД) Microsoft Access, проекта Microsoft Access, включающего таблицы, формы, запросы, макросы и модули [10].
Модель данных включает следующие сущности: ModelMain, Lotki, Lines, Defects, Зоны. Каждой выделенной сущности модели данных соответствует таблица Microsoft Access. Формы предназначены для представления данных пользователю. Реализация логики прило-
жения в Microsoft Access выполняется при помощи запросов, макросов и модулей. В разработанной программной среде комплекса (ПТК) функциональная логика реализована в модулях при помощи встроенного языка программирования Access Visual Basic.
Этапы проведения эксплуатационного мониторинга комплексом (ПТК):
1) при рекогносцировочном осмотре обследуемого водопроводящего сооружения с помощью комплекса (ПТК) определяются объем, специфика и направленности обследования;
2) в водопроводящее сооружение, в отсутствие воды, для проведения эксплуатационного мониторинга помещается техническая часть комплекса (ПТК), в котором рама из стержней, повторяющая форму водопроводящего сооружения, состоит из частей, соединенных с помощью шарниров с резиновыми колесами;
3) при помощи транспортного средства схема перемещается по сооружению, данные с датчика движения и антенных блоков поступают в обрабатывающий модуль;
4) в обрабатывающем модуле происходит детальная расшифровка полученных данных с антенных блоков и позиционирование расположения дефектов и повреждений с помощью навигационной системы ГЛОНАСС;
5) в программной среде комплекса (ПТК) идентификаторы дефектов и повреждений элементов сооружения вводятся системой автоматически. Запись данных о новом дефекте включает в себя следующие поля: зону, диаметр, глубину, Ясж, месторасположение, определенное с помощью навигационной системы ГЛОНАСС;
6) рассчитывается объем повреждений и их количество, прошедших за период длительной эксплуатации сооружения. При этом автоматически заполняются поля табличной части - объем, состояние сооружения, а также происходит автоматическое заполнение полей заголовочной части формы;
7) в программной среде комплекса (ПТК) выявляются предполагаемые места фильтрации воды через водопроводящее сооружение;
8) по полученной эмпирической зависимости (1) производится расчет предполагаемого опасного объема повреждений для дальнейшей эксплуатации водопроводящего сооружения;
9) производится расчет остаточного ресурса эксплуатационной надежности сооружения и сравнение с другими обследованиями. Результаты проведенных расчетов могут быть распечатаны в виде таблицы.
Рис. 4. Экранная форма. Профили георадарного зондирования с антенных блоков
Рис. 5. Экранная форма. Обработка профиля георадарного зондирования полученного антенных блоков
В программной среде комплекса (ПТК) существует также возможность (в зависимости от геометрии схемы технической части) выводить профили георадарного зондирования с каждой антенны (рис. 4) и производить обработку полученных данных, выявлять дефекты и повреждения водопроводящих сооружений, а также рассчитывать их геометрию (рис. 5). В среде комплекса (ПТК) возможно также проводить классификацию дефектов и координатную привязку с помощью системы ГЛОНАСС, чтобы при следующем осмотре констатировать изменения дефектов и повреждений за период эксплуатации.
Использование предлагаемого программно-технического комплекса (ПТК) позволяет произвести оценку и прогнозирование суммарного напряженно-деформированного состояния и степени риска аварии элементов водопроводящих сооружений для каждого обнаруженного повреждения водопроводящего сооружения.
Библиографический список
1. Волосухин В. А., Бандурин М.А. Особенности применения моделирования аварийных мостовых переездов через водопроводящие каналы при проведении эксплуатационного мониторинга // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки. - 2012. - № 5. -С. 82-86.
2. Бандурин М.А. Обследование состояния оросительных лотковых каналов Азовской оросительной системы неразрушающими методами [Электронный ресурс] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. -2006. - № 24. - С. 72-76. - ШЬ: http://ej.kubagro.ru/2006/08/pdf/34.pdf.
3. Устройство для диагностики и прогнозирования технического состояния лотковых каналов оросительных систем: пат. 2364681 Рос. Федерация: МПК Е 02 В 13/00 / В.А. Волосухин, М.А. Бандурин, А.В. Шестаков; заявитель и патентообладатель НГМА. - № 20102364681; заявл. 20.08.10; опубл. 20.08.2009. Бюл. № 37. - 7 с.
4. Устройство для проведения эксплуатационного мониторинга водопроводящих сооружений пат. 2458204 Рос. Федерация: МПК Е 02 В 13/00 / В. А. Волосухин, М.А. Бандурин; заявитель и патентообладатель ИБГТС. № 2010111995; заявл. 29.03.10; опубл. 10.08.12. Бюл. № 30. - 8 с.
5. Бандурин М.А. Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния Ташлинского дюкера на Право-Егорлыкском канале // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 3. -С. 18-23.
6. Бандурин М.А. Мониторинг напряженно-деформированного состояния мостовых переездов на водопроводящих каналах [Электронный ресурс] // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2012. - № 4. - С. 110-124. - URL: http://www. rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec141-field6.pdf.
7. Бандурин М.А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 2. - С. 693-696.
8. Бандурин М.А. Проблемы оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 3. - С. 29-34.
9. Бандурин М. А. Применение программно-технического комплекса для решения задачи проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 4. - С. 173-179.
10. Бандурин М. А. Мониторинг и расчет остаточного ресурса аварийных мостовых переездов через водопроводящие сооружения // Инженерный вестник Дона. - 2012. - № 4. - С. 451-546.
V.A. Volosukhin, М.А. Bandurin
SOFTWARE-TECHNICAL COMPLEX FOR MONITORING AND DETERMINATION OF RESIDUAL WATER OR RESOURCE FACILITIES OPERATED LONG
Software and hardware support (SHS) to carry out operational monitoring for technical state of conveyance structures designed for determination of various parameters of defects and damages as well as for computation the forecaszing period for residual life of their elements are described in the article. The support (SHS) makes it possible to assess geometrical parametres for each of the defects.
Keywords: software and hardware support (SHS), hydraulic structures, conveyance structures, operational monitoring, automation, technical state, residual life, seal failure, settlement, protective coat, inspection on location.
Сведения об авторах
Волосухин Виктор Алексеевич (Новочеркасск, Россия) - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительная механика» ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (e-mail: [email protected]).
Бандурин Михаил Александрович (Новочеркасск, Россия) -канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительная механика» ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (e-mail: [email protected]).
About the authors
Volosukhin Viktor Alekceevich (Novocherkassk, Russia) - Doctor of Technics, Professor, Head of Department of Structural mechanics, Novocherkassk State Meliorative Academy (e-mail: [email protected]).
Bandurin Mikhail Alexandrovich (Novocherkassk, Russia) - Candidate of Technics, Associate Professor, Department of Structural mechanics, Novocherkassk State Meliorative Academy (e-mail: ngma_str_
Получено 15.03.2013
