CC BY
9Расчёт периодичности ремонта и технического обслуживания низконапорных грунтовых плотин
о см о см
!Л
О Ш
т
X
<
т О X X
Симонович Ольга Сергеевна
магистрант, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», gnbwf25@mail.ru
На основе данных обследования грунтовых плотин класса IV, расположенных в Московской области и не имеющих собственника, был произведён прогноз показателей надёжности. Плотины были построены по типовым проектам в период массового мелиоративного строительства в 1965-1991 годах. Целью построения модели в виде Марковской цепи стало определение оптимальной периодичности обследования сооружений с последующим обязательным техническим обслуживанием либо ремонтом. Рассмотрены различные варианты проведения обследования из условий допустимого риска снижения уровня безопасности плотин.
Ключевые слова: Гидротехническое сооружение, грунтовая плотина, модель надёжности, случайный процесс, ремонт, уровень безопасности.
Введение. Московская область по числу низконапорных гидротехнических сооружений (ГТС) занимает одно из первых мест в Российской Федерации. Большинство ГТС - это гидроузлы опасности класса IV, и не представляют угроз населению и объектам экономики и жизнеобеспечения в случае аварии [1]. В период массового мелиоративного строительства с 1965 по 1991 год в Подмосковье было введено в эксплуатацию более 850 малых водохранилищных гидроузлов. Сегодня доля этих сооружений составляет более 70 % от общего числа ГТС, построенных в области за последние 200 лет. Напорный фронт малых водохранилищ водохозяйственного и мелиоративного назначения формировали, как правило, грунтовые плотины. Регулирование местного стока малых рек и ручьёв позволяло использовать воду, накопленную в прудах, в том числе для сельскохозяйственных целей и местных нужд.
Для обеспечения высоких темпов водохозяйственного строительства ГТС малых водохранилищ возводились по типовым проектам. В том числе, разрабатывал типовые проекты Ленгипроводхоз (Ленинградский головной проектный институт водного хозяйства), входящий в систему Министерства водного хозяйства СССР, например:
- 820-4-023.86 Плотины земляные насыпные высотой до 12 м с уположенным верховым откосом;
- 820-04-28.87 Плотины земляные насыпные высотой до 15 м с креплёным верховым откосом.
Это позволило в последнее тридцатилетие XX века только на территории Московской области ежегодно вводить в эксплуатацию от 30 до 90 малых плотин. Сложная экономическая ситуация, сложившаяся в 1990-х годах в России, вызвала банкротство и смену большинства собственников низконапорных гидроузлов -колхозов, совхозов, прочих сельскохозяйственных предприятий. В результате к началу XXI века на территории Московской области лишились служб эксплуатации более 1000 ГТС, больше двух третей стали бесхозяйными.
В связи со сложившейся ситуацией до 2013 г. активно проводилось экспертное обследование состояния низконапорных гидроузлов Московской области и было продолжено затем в 2015 г. В 1997-2013 гг. в Московском государственном университете Природообустройства (ныне ФГБОУ ВПО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева) сотрудниками Академии водохозяйственных наук было обследовано 1218 ГТС Подмосковья. При этом оказалось, что 1080 ГТС не имеют служб эксплуатации и 590 из них бесхозяйные [2]. По официальным данным за период 2015-2017 гг. более 578 ГТС по-прежнему оставались бесхозяйными, причем значительная доля сооружений имела неудовлетворительный и опасный уровни безопасности.
Государственная программа «Экология и окружающая среда Подмосковья» на 2017-2026 гг. запланировала выделение средств из федерального и муниципального бюджетов на мероприятия по повышению экс-
плуатационной надёжности ГТС. Работа будет проводиться в рамках подпрограммы «Развитие водохозяйственного комплекса Московской области» [3]. Подпрограмма предусматривает ежегодный капитальный ремонт четырёх-шести бесхозяйных ГТС и двух, находящихся в муниципальной собственности [3]. В соответствии с действующим законодательством все бесхозяйные ГТС Подмосковья должны быть к концу 2020 г. переданы на баланс областных муниципалитетов.
Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору ежегодно организует работы по обеспечению безопасности, выявлению и сокращению общего количества бесхозяйных ГТС путем передачи их в собственность. ГТС в собственность передаются, но, к сожалению, проектная и техническая документация, как правило, отсутствуют, а новый собственник квалифицированной службы эксплуатации не имеет [4]. Федеральный закон «О безопасности гидротехнических сооружений» № 117 от 1997 г. (статья 9) обязывает собственника или эксплуатирующую организацию «систематически анализировать причины снижения безопасности гидротехнического сооружения и своевременно осуществлять разработку и реализацию мер по обеспечению технически исправного состояния гидротехнического сооружения и его безопасности, а также по предотвращению аварии гидротехнического сооружения».
Получение сведений о техническом состоянии и уровне безопасности ГТС возможно лишь на основании его визуального и инструментального обследования. Актуальной задачей становится возможность расчётного определения периодичности обследования сооружений (и их ремонта) для поддержания нормативного уровня безопасности.
Материал и методы исследований. Результаты экспертного обследования низконапорных грунтовых плотин Московской области, не имеющих собственника или службы эксплуатации, полученные в Московском государственном университете Природообустройства (для 1018 грунтовых плотин класса IV), были обработаны с использованием методов системной теории надёжности. Плотины, введённые в эксплуатацию с 1965 по 1991 гг., считались условно типовыми. Для них были получены такие характеристики надёжности как интенсивность отказов X при снижении уровня безопасности на порядок, среднее время наработки на отказ То или среднее время соответствия однородной грунтовой плотины определённому уровню безопасности.
Определение уровня безопасности по значению коэффициента риска аварии согласно ГОСТ Р 22.2.092015 представлено в таблице 1 [5].
Таблица 1
Классификация уровня риска по значению вероятности аварии ГТС
Класс сооружения Приемлемый допустимый уровень в соответствии с СП 58.13330.2012 Условно приемлемый уровень Повышенный уровень Недопустимый уровень
I 510-5 5-10-5-5-104 510-4—10-2 Больше 0,01
II 510-4 510-4— 2,5-10-3 2,5-10-3510-2 Больше 0,05
III 2,5-10-3 2,510-3—102 10-2-8 10-2 Больше 0,08
IV 510-3 510-3— 1.5-10-2 1,510-2—10- i Больше 0,10
Грунтовая плотина нормального и пониженного уровней безопасности сохраняет свою работоспособность при выполнении мониторинга безопасности и своевременном выполнении плановых ремонтно-про-филактических работ. Неудовлетворительный уровень означает наличие отклонений от проектного состояния и нарушение правил безопасной эксплуатации, в результате чего возможна аварийная ситуация, а сооружение необходимо считать частично работоспособным. В таком случае эксплуатация сооружения недопустима без проведения технических и организационных мероприятий по снижению риска аварий и восстановлению нормального уровня безопасности. Опасный уровень свидетельствует об аварийной ситуации, когда дальнейшая эксплуатация невозможна. Присвоение плотине более низкого уровня безопасности не рассматривается как отказ [6, 7]. Для недопущения снижения уровня безопасности ГТС необходимо планировать предупредительные ремонты.
Целью исследований является построение модели в виде Марковской цепи для определения оптимальной периодичности обследования сооружений с последующим обязательным техническим обслуживанием либо ремонтом для снижения уровня безопасности плотин.
Результаты и обсуждение. Обеспечение надёжности при эксплуатации регламентируется стратегией технического обслуживания и ремонта. Для восстановления утраченной работоспособности (обозначенной присвоением опасного или неудовлетворительного уровня) необходим капитальный ремонт, стоимость которого может достигать 50 % от балансовой стоимости сооружения. Текущий ремонт с целью приведения плотины в соответствие проектным параметрам (пониженный уровень) позволяет сократить затраты до не более 25 % от восстановительной стоимости плотины [7]. Технического обслуживания сооружения при отсутствии службы эксплуатации не происходит.
В технике применяются два метода определения момента времени ремонта сооружения: исправительный (corrective) и предупредительный (preventive). Исправительный ремонт проводится после отказа или обнаружения недопустимого снижения работоспособности сооружения. Метод требует постоянного мониторинга состояния сооружения, и неприемлем при отсутствии эксплуатационных служб.
Предупредительный метод подразумевает эксплуатацию сооружения в течение расчётного периода времени То (межконтрольного периода), последующее обследование фактического состояния плотины (уровня её безопасности) и выполнение ремонта в необходимом объёме. Предложено рассчитывать интервал времени То между обследованиями с учётом значения недопустимого риска достижения сооружением неудовлетворительного либо опасного уровня безопасности, то есть регламентировать вероятность нахождения ГТС в неработоспособном состоянии на всём протяжении межконтрольного периода. За регламент_вероятности в расчётах было принято значение, равное 5 % (вероятность, при которой событие практически невозможно).
В процессе выполненных ранее исследований было установлено, что вероятности снижения уровня безопасности подчиняются экспоненциальному закону с постоянной интенсивностью отказов (снижения исходного уровня безопасности грунтовой плотины) Хпониж=0,025,
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м о
о см
0 см
!Л
01
О Ш
т
X
<
т О X X
Хнеуд=0,032 и Хопасн=0,05 [6, 8]. В исследованиях предполагалось, что уровень безопасности грунтовой плотины за год снижается лишь на порядок [4, 8].
Межконтрольным периодом считается период времени в годах между двумя экспертными обследованиями технического состояния и уровня безопасности грунтовой плотины. Расчёты базировались на сохранении плотиной работоспособного либо частично работоспособного состояния на всём межконтрольном периоде. Вероятность соответствия грунтовой плотины опасному уровню безопасности к моменту следующего экспертного обследования не должна превышать 5 %. Другими словами, период между двумя последовательными экспертными обследованиями должен быть выбран так, чтобы переход плотины на опасный уровень безопасности был практически невозможным событием.
Уровень безопасности грунтовой плотины за год при отсутствии технического обслуживания и ремонта может остаться неизменным или с некоторой вероятностью снизится на порядок. В одном из расчётных вариантов по прогнозированию предупредительных ремонтов рассмотрен случай, когда плотина на момент последнего экспертного обследования имела пониженный уровень безопасности. Сооружение работоспособно, но восстановить его уровень безопасности до нормального нет возможности в силу неких объективных причин, а собственник ГТС не может выполнить эксплуатационные мероприятия и ожидает очередного обследования сооружения, срок которого не определён. Цель расчётов - определить время такого экспертного обследования, чтобы за межконтрольный период плотина не перешла на опасный уровень безопасности.
Для прогноза состояния системы и определения периодичности ремонта, восстанавливающего пониженный уровень безопасности ГТС, был составлен граф ин-тенсивностей смены состояний в виде цепи Маркова (рисунок 1)
Р; =
Рц =
О
1-е
0
^ Мнеуд—пониж ^ Л-неуд 1 _ ^ ^неуд _ ^ Мнеуд—пониж
0 0 1 На начало прогноза состояние системы соответствует пониженному уровню безопасности. Задается вектор начальных вероятностей, в котором 1 - вероятность соответствия плотины пониженному уровню безопасности, вероятности остальных состояний равны 0.
Используя правила расчёта вероятностей состояния системы в цепи Маркова через 1, 2, 3 и более лет получаем прогнозные вероятности соответствия плотины каждому из уровней безопасности на протяжении всего межконтрольного периода: /Рп,
(9\
неудО-) I \Ропасн(.О /
1 пониж
Р
За исходные значения интенсивности обследования и последующего обязательного ремонта плотины, который восстановит пониженный уровень безопасности Цнеуд-пониж (1/щц) априорно были выбраны интервалы один раз в 5, 8 и 10 лет. В данном случае период между обследованием и ремонтом оказывается меньше среднего времени, при котором плотина соответствует пониженному уровню безопасности Тй=1/Хпониж. Результаты расчётов вероятностей соответствия плотины каждому из уровней безопасности приведены в таблице 2.
Таблица 2
Вероятности соответствия плотины конкретному уровню безопасности при различной периодичности обследования
Уровень безопасности Вероятности соответствия плотины уровню безопасности на конец межконтрольного периода
Один раз в 5 лет Один раз в 8 лет Один раз в 10 лет
Пониженный 0,88 0,82 0,78
Неудовлетворительный 0,11 0,16 0,19
Опасный 0,01 0,02 0,03
Рисунок 1 - Граф интенсивностей смены уровня безопасности плотины
Матрица переходных вероятностей получена обработкой массива наблюдений за уровнем безопасности 1018 грунтовых плотин Московской области. Показателем экспоненты является интенсивность смены уровня безопасности X, опредёленная по данным наблюдений для каждого из состояний (пониженный, неудовлетворительный и опасный уровень). Строки и столбцы матрицы это вероятности соответствия сооружения пониженному, неудовлетворительному либо опасному уровням безопасности через год. Общий вид матрицы следующий:
Данные таблицы 2 говорят, что по мере увеличения продолжительности межконтрольного периода вероятность соответствия плотины пониженному уровню безопасности снижается, но по-прежнему остается достаточно высокой. Вероятность нахождения на неудовлетворительном и опасном уровнях растет, но основной показатель риска - вероятность соответствия плотины опасному уровню безопасности не превышает правого предела области практически невозможных событий. Другими словами, при проведении следующего экспертного обследования через 5, 8 либо 10 лет собственник не рискует получить сооружение, уровень безопасности которого снизился от пониженного до опасного. Но риск снижения уровня безопасности плотины до неудовлетворительного вырастет от 11 до 19 %. Владелец сооружения должен принимать решение в зависимости от его склонности к риску.
Обратная задача, решаемая с помощью модели цепи Маркова, представляет собой определение предельной длительности межконтрольного периода, при котором плотина будет иметь работоспособное (пониженный уровень безопасности) либо частично работоспособное состояние (неудовлетворительный уровень безопасности). Постанова задачи: «Через сколько лет необходимо выполнить очередное экспертное обследование плотины, исходно соответствующей пониженному уровню безопасности, чтобы сооружение практически достоверно не перешло в опасный уровень?». Расчёты по предложенной модели показали, что при обследовании, выполненном через 13 лет, с вероятностью 72%
собственник будет иметь грунтовую плотину пониженного, с вероятностью 23% неудовлетворительного и с вероятностью 5% сооружение опасного уровня безопасности.
Выводы. Выполненные расчёты позволят собственникам грунтовой плотины выбрать периодичность проведения экспертного обследования с последующим ремонтом (либо необходимыми техническими мерами по восстановлению уровня безопасности) сооружения. Ограничением приведенных рекомендаций является возраст ГТС: в конце планируемого межконтрольного периода возраст плотины не должен превышать нормативный срок ее эксплуатации, равный 50-ти годам.
Литература
1. Козлов Д.В., Матвеенков Ф.В. Современные аспекты регулирования безопасности гидротехнических сооружений. // Природообустройство. 2016. № 3. С. 45 -51.
2. Волков В.И., Каганов Г.М. Обобщение результатов обследования состояния гидроузлов в Московской области за 2002-2012 гг. // Мелиорация и водное хозяйство. 2012. № 3. С. 5 - 8.
3. Постановление Правительства Московской области от 25.10.2016 N 795/39 (ред. от 24.04.2018) "Об утверждении государственной программы Московской области "Экология и окружающая среда Подмосковья" на 2017-2026 годы": Электронный ресурс: https://klh.mosreg.ru/download/document/474478 (доступ свободный)
4. Волков В.И., Козлов Д.В., Снежко В.Л. Прогноз уровня безопасности низконапорных и бесхозяйных гидротехнических сооружений // В.И. Волков, Д.В. Козлов, В.Л. Снежко / Гидротехническое строительство: науч.-техн. журнал. 2018, № 11. С. 35-41.
5. ГОСТ Р 22.2.09-2015. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Экспертная оценка уровня риска аварии гидротехнических сооружений. - М.: Стандартинформ, 2016. 26 с.
6. Снежко В.Л. Использование геоинформационных систем для получения оценок надёжности технического состояния сооружений низконапорных гидроузлов // Естественные и технические науки. 2014. № 6 (50). С. 645 - 658.
7. Волков В.И., Снежко В.Л. Статистические методы определения показателей надёжности низконапорных гидроузлов // Природообустройство. 2017. № 5. С. 20 -26.
8. Снежко В.Л., Сидорова С.А., Симонович О.С. Прогноз уровня безопасности низконапорных грунтовых плотин // Природообустройство. 2019. № 2. С. 72 - 80.
Repair and maintenance survey period calculation for low-headed dams
Simonovich O.S.
Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy
The reliability measure of class IV ground dams were executed based on investigation results of dams situated in Moscow region and having no proprietors. The model project dams were built in times of mass amelioration objects construction in 19651991. Markov chain was generated to determine optimal period of construction survey in the aim of to formulate requirements to statutory maintenance service or repair. Various survey work options were considered on the base of tolerable security loss risk of dams.
Keywords: Hydraulic structure, ground dam, reliability model, repair, stochastic process, security level.
References
1. Kozlov D. V., Matveenkov F. V. Modern aspects of safety regulation of hydraulic structures. // Environmental engineering. 2016. No. 3. P. 45 - 51.
2. Volkov V. I. Kaganov G. M. Generalization of the results of the survey of the state of hydroelectric facilities in the Moscow region for 2002-2012. // Melioration and water management. 2012. No. 3. Pp. 5 - 8.
3. Resolution of the government of the Moscow region of 25.10.2016 N 795/39 (ed. of 24.04.2018) "On approval of the state program of the Moscow region" Ecology and environment of the Moscow region "for 2017-2026": Electronic resource: https://klh.mosreg.ru/download/document/474478 (free access)
4. Snezhko V. L., Kozlov D. V., Volkov V. I. Forecast of safety level of low-pressure and ownerless hydraulic structures // V. I. Volkov, D. V. Kozlov, V. L. Snezhko / Hydraulic engineering: scientific.-tech. log. 2018, No 11. P. 35-41.
5. GOST P 22.2.09-2015.Safety in emergency situations. Expert assessment of the accident risk level in hydraulic structures. M.: STANDARTINFORM, 2015. 26 PP.
6. Snezhko V. L. The use of geographic information systems to obtain the reliability assessments of the low-pressure hydroelectric facilities structures technical conditions. // Natural and technical sciences. 2014. № 6 (50). C. 645 - 658.
7. Volkov V. I., Snezhko V. L. Statistical methods for determining the reliability of low-pressure waterworks / V. L. Snezhko, V. I. Volkov / environmental engineering: scientific.-practical. journal. 2017, No 5. P. 20-26.
8. Snezhko V. L., Sidorova S. A., Simonovic, O. S. Prediction of level of safety of low-head earth dams // environmental engineering. 2019. No. 2. P. 72 - 80.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м о
