Совершенствование методов расчета закрытой оросительной сети при надземной прокладке Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 631.672.1

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

ПРИ НАДЗЕМНОЙ ПРОКЛАДКЕ

С.Я. Семененко, д.с.-х.н., директор, pniiemt@yandex.ru, П.С. Попов, к.с.-х.н., с.н.с., С.С. Марченко, к.с.-х.н., с.н.с., marchenkosergey@yandex.ru - Поволжский НИИ эколого-мелиоративных технологий -

филиал ФНЦ агроэкологии РАН

В работе представлен усовершенствованный метод расчета мелиоративных трубопроводов при их надземной прокладке в целях обеспечения их безопасной эксплуатации.

Обоснован порядок расчета, в результате которого определяются толщина стенки трубы, проле-

ты между опорами, допускаемые компенсационные напряжения и потребность в компенсаторах.

Ключевые слова: методы расчета, надземная прокладка мелиоративных трубопроводов, расчет на прочность, пролеты между опорами, компенсатор, толщина стенки трубы, тепловое удлинение.

Качество разработанных проектов оросительных систем во второй половине прошлого столетия оценивалось по ряду объективных показателей, в числе которых присутствовал коэффициент земельного использования К ■

где Лм и ЛЬг орошаемая или осушаемая площадь, соответственно нетто и брутто, га.

Данные показатели учитывались при утверждении и оценке проектов, поэтому проектные организации стремились получить больший КЗИ, который давала подземная прокладка трубопроводов.

В какой-то мере это объясняет, что на протяжении длительного времени до середины 80-х годов надземная прокладка трубопроводов применялась проектировщиками крайне редко. Кроме того, СНиП [3] ограничивал использование стальных труб и однозначно указывал: п.2.172. Трубопроводы следует устраивать подземными (цитата). Применение для надземной прокладки труб из других материалов (железобетон, асбестоцемент) являлось неэкономичным или невозможным из-за конструктивных особенностей, а внедрение труб из полимерных материалов только начиналось.

Поэтому надземная прокладка закрытой оросительной сети не получила широкого распространения, несмотря на то, что она имеет большие преимущества перед подземной прокладкой, например:

- сокращает сроки строительства в 3-4 раза;

- имеет меньшую стоимость строительства;

- более удобна в эксплуатации, позволяет своевременно обнаружить протечки в оросительной сети и выполнить ремонтные работы, без применения землеройной техники, которая обычно в дефиците у землепользователей вообще, тем более в поливной период.

Однако такое конструктивное решение имеет и недостатки:

- требуется устройство переездов через трубопроводы;

- вдоль открытых трубопроводов произрастает сорная растительность, бороться с которой приходится вручную, т.к. механизмы не могут работать в непосредственной близости от трубопровода;

- необходимо устройство компенсаторов.

В первых проектах компенсаторы и опоры устанавливались большей частью исходя только из прочностных расчетов трубопроводов без учета изменения их положения под действием давления или температурных изменений. Под опоры использовались обычные блоки ФБС, ФЛ или ОП [2]. Однако при эксплуатации были отмечены случаи:

- «соскакивания» трубопроводов с опор в зимний

или летний периоды, в дневные или ночные часы;

- погружения опор в «мокрый» грунт;

- провисания трубопроводов в пролете;

- разрушения опор в месте опирания трубопроводов.

Ведомственные нормативные документы для расчета примененных в мелиоративном строительстве схем надземной прокладки закрытой оросительной сети отсутствуют. Это свидетельствует о необходимости совершенствования существующих методов расчета трубопроводов, применяемых, например, при проектировании систем водоснабжения или теплоснабжения, применительно к мелиоративному строительству. При этом следует учесть возможность применения трубопроводов из полимерных материалов.

В целях обеспечения безопасной эксплуатации закрытой оросительной сети при надземной прокладке трубопроводов необходимо проводить следующие основные расчеты:

1. Расчет трубопроводов на прочность;

2. Расчет тепловых удлинений трубопроводов;

3. Расчет компенсатора.

Материалы и методика исследований.

За основу метода расчета мелиоративных трубопроводов на прочность при их надземной прокладке были приняты методы, используемые при проектировании тепловых сетей [4,5], с учетом конструктивных особенностей мелиоративной закрытой оросительной сети, влияющих на значение некоторых эмпирических коэффициентов и переменных, входящих в формулы [1].

Результаты и их обсуждение.

Основной задачей расчета мелиоративных трубопроводов на прочность является определение:

- толщин стенок труб;

- пролетов между опорами;

- допускаемых компенсационных напряжений и потребности в компенсаторах.

При расчетах трубопроводов на прочность следует учитывать следующие основные нагрузки: внутреннее давление, собственный вес трубопровода, ветровую нагрузку и силы, возникающие в трубопроводах при изменении температуры окружающей среды. Среди отличительных особенностей мелиоративных трубопроводов следует отметить следующее: их большую протяженность, вследствие чего они имеют большую гибкость; отсутствие теплоизоляции и, как следствие этого, подверженность воздействию температурного режима окружающей среды, что приводит к осевым перемещениям трубопровода; изменение физического состояния грунтов основания под опорами трубопровода в процессе полива.

Расчет производят на рабочее состояние, при котором принимают:

- внутреннее давление, равным наибольшему рабочему давлению при отсутствии водоразбора в сети;

- температуру стенки трубы, равной максимальной или минимальной температуре окружающей среды;

- расчетный вес, равным весу трубы, изоляционной конструкции и воды;

- номинальное допускаемое напряжение и модуль упругости материала стенок труб в соответствии с расчетной температурой стенки трубы.

Определение толщины стенки трубы

Толщину стенки трубы определяют по формуле (2):

эффициент прочности поперечного сварного шва, для стальных труб принимают ф1 = 0,7; ц - эквивалентная весовая нагрузка в кг/м; 0,8 - коэффициент пластичности.

Допускаемое эквивалентное напряжение для весовой и ветровой нагрузок определяют по формуле

(7):

5Э = П°доп

, кг/мм2, (7)

где п1- коэффициент, зависящий от соотношения

О

и

>Л и типа компенсаторов, вычисляют по формуле (8):

ООП

230 ¿доп р + Рр

- + с

, мм,

(2)

(8)

где Рра6 - рабочее давление в трубопроводе в кг/ см2; Dн - наружный диаметр трубы в мм;

с - прибавка к расчетной толщине стенки трубы в мм; для мелиоративных трубопроводов принимают с > 0,5 мм;

Эквивалентную весовую нагрузку при надземной прокладке трубопровода, учитывающую вес трубопровода и ветровую нагрузку, определяют по формуле (9):

допустимое напряжение от внутреннего дЭ = твд , кг/м,

давления в кгс/мм2, принимаемое равным номинальному допускаемому напряжению для материала стенки трубы;

Ф - коэффициент прочности продольного или спирального сварного шва, принимают ф = 0,7.

Толщину стенки трубы s' , определенную по формуле (2), округляют до ближайшего большего размера s по сортаменту труб.

При заданной толщине стенки трубы проверку этой толщины по внутреннему давлению проводят сравнением приведенного напряжения в стенке трубы от внутреннего давления 5п с допускаемым напряжением от внутреннего давления 8доп, с соблюдением условия:

ё„р < , кг/мм2 , кг/мм2. (3)

Приведенное напряжение от внутреннего давления при известной толщине стенки трубы при гибких компенсаторах и самокомпенсации определяют по сЬоюмуле Г4): Р

£ — Р00

(9)

где тв - коэффициент, учитывающий влияние ветровой! нагрузки, определяют по графикам в зависимости от нормативного скоростного напора ветра q0 = 45 кг/м2 для Волгоградской области.

Максимальные пролеты между опорами для конечных участков трубопроводов, примыкающих к повороту или заглушке, определяют с учетом коэффициентов:

- для участков между ближайшими к повороту опорами . . . 0,67;

- для участков между последней и предпоследней опорами конечной точки трубопровода . . .0,82;

Максимальный пролет между опорами 1 исходя из допускаемого прогиба для прямого участка трубопровода Ym =0,02D (рис.1) определяют по формулам (10) иш(11): У

К"*')

кг/мм2,

(4)

230$р<р

где sp - расчетная толщина стенки трубы, мм.

Расчетную толщину стенки трубы определяют по формуле (5):

^ = ^ — с , мм (5)

где s - номинальная толщина стенки трубы в мм; с'- минусовой допуск на толщину стенки трубы, принимают с' > 0,5 мм.

Определение максимально допустимого пролета между опорами Максимальный пролет между опорами 1макс на прямом участке трубопровода из условия прочности трубы определяют по формуле (6):

24Е/ ГЦ. | а

а 1 50 2

/, = -г-Т-- + Х, Н

хМо4

, , , . 24Е}* О,. 1 Л = 2х + Iх■------м,

50 х-

СЮ)

СП)

^ макс

12

О .Ц,

,м (6)

где 5эд - допускаемое эквивалентное напряжение для весовой и ветровой нагрузок в кг/мм2; Wp - момент сопротивления поперечного сечения трубы при расчетной толщине стенки трубы sp ; фг - ко-

где Б - условный проход трубы, м; х - расстояние от низш ей опоры до сечения с максимальным прогибом, м; ^ - расчетный вес трубопровода в рабочем состоянии, кг/м; ]р - момент инерции поперечного сечения трубы при расчетной толщине стенки трубы, см4; Е - модуль упругости материала стенки трубы при максимальной температуре окружающей среды; i - уклон трубопровода (абсолютная величина).

При уклоне трубопровода i < 0,002 можно использовать упрощенную формулу (13):

/ = 3.98-э

Щ1

<7*10

■ -1.4

, м

(13)

Расчет тепловых удлинений мелиоративных трубопроводов

Рисунок 1 - Схема провисания трубопровода: 1 - промежуточная опора; 2 - трубопровод При определении пролета между опорами по формулам (10) и (11) следует, задаваясь величиной и используя метод итерации, определять и . Задача считается решенной при значении х, когда «

При расчете труб на компенсацию тепловых удлинений с гибкими П- образными компенсаторами определяют такие их габариты, при которых продольные изгибающие компенсационные напряжения, возникающие при упругой деформации труб, не превышают допустимые.

Тепловые удлинения участка трубопровода в направлении координатных осей х и у (рис. 2) определяют по формулам (14) и (15)

Рисунок 2 - Тепловые удлинения участка трубопровода АВ

Мх =аМ(xB - xA), мм; А/ =аМ(ув - Уа ), мм<

(14)

(15)

где а - коэффициент линейного расширения материала трубы в мм/м град; Д1 - расчетная разность температур в град. между температурой воды ^ в трубопроводе и расчетной максимальной температурой наружного воздуха 1но ; хв; хА - координаты концов расчетного участка трубопровода в точках В и А по оси х; ув; уА - координаты концов расчетного участка трубопровода в точках В и А по оси у.

Полное тепловое удлинение определяют геометрическим векторным сложением тепловых удлинений в направлении координатных осей х и у по формуле (16):

А/ =

+ А i

мм

(16)

Для симметричных относительно оси у участков трубопроводов с гибкими П- образными компенсаторами тепловое удлинение в направлении оси у принимают равным нулю: Д1 = 0, а полное тепловое удлинение определяют по формуле (17):

Д/ = Д1Х=ССЫЬ>М (17]

где - расстояние между опорами в м. Расчетные тепловые удлинения участка трубопровода в направлении координатных осей х и у определяют по формулам (18-20): пои самокомпенсации Ах = еЫ ,мм; (18)

Ау = еА1у, мм (19)

при гибких компенсаторах Ах = еА1, мм (20)

Силы упругой деформации, возникающие в трубопроводе при компенсации теплового удлинения, рассматривают в виде двух составляющих, направленных по осям х и у и определяют по формулам (21) и (22):

Д+ Ayl, 1

р -^--—^-Е/. 10

/ / -J

xYO VO j.W0

Ду/Г() + Аxln~ 7

Р.. = ^-^ El • 10"7

/2

1 xvO

, кг;

, кг;

(21)

(22)

где I - момент инерции поперечного сечения стенки трубы при номинальной толщине стенки трубы в см4; Е - модуль упругости материала стенки трубы в кг/см2; 1х0, у - центральные моменты инерции приведенной длины осевой линии трубопровода в м3; 1ху0 - центральный центробежный момент инерции приведенной длины осевой линии трубопровода в м3.

Равнодействующую сил упругой деформации определяют по формуле (23):

P = №

+ P:

кг.

(23)

Расчет компенсатора

В мелиоративном строительстве обычно применяют симметричные П-образные компенсаторы, как более простые в устройстве. Расчетная схема такого компенсатора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Расчетная схема П-образного компенсатора: 1- рабочее положение; 2 - монтажное положение

Расчет вылета П-образного компенсатора выполняют по формуле (24):

Н =

.5EA1D,

, м

(24)

рЗ^К + 2)

где Н- вылет компенсатора в м; Е - модуль упругости материала стенки компенсатора в кг/см2;

8доп - допустимое напряжение от внутреннего давления в кг/см2, принимаемое равным номинальному допускаемому напряжению для материала стенки трубы; Л1 - температурное удлинение трубопровода в см; Он - наружный диаметр трубы в см;

К - отношение ширины В к вылету Н компенсатора (К = В/Н) - для мелиоративных трубопроводов принимают К = 1,5;

Температурное удлинение можно определить по формуле (25):

А = = 5), См, (25)

где I - длина прямого участка трубопровода между «мертвыми» точками в м; t - температура окружающего воздуха в градусах С.

Заключение

В мелиоративном строительстве надземная прокладка мелиоративных трубопроводов впервые бала разработана в 80-е годы прошлого столетья в проектном институте «Волгогипролводхоз». Традиционная подземная прокладка трубопроводов сохранилась только при подводке к узлам подключения дождевальных машин «Фрегат», «Кубань-ЛК». Такое конструктивное решение не только сократило объем проектной документации при составлении многокилометровых продольных профилей закрытой оросительной сети в виде топо-ге-одезических, геологических и гидрогеологических изысканий, подсчете объемов земляных работ, необходимости применения электрохимзащиты трубопроводов и т.п., но и сократило скорость прокладки трубопроводов и стоимость строительства. Весь этот комплекс мер позволил увеличить производительность труда проектировщиков и строителей и довести ввод орошаемых площадей в Волгоградской области в отдельные годы до 40 тыс. га в год.

Однако надземная прокладка закрытой оросительной сети по ряду объективных причин не получила широкого распространения. Это связанно, в том числе, и с отсутствием ведомственных нормативных документов, методик и рекомендаций для расчета схем надземной прокладки трубопроводов в мелиоративном строительстве. Следовательно, предложенный метод расчета, основанный на методах расчетов трубопроводов отопления и горячего водоснабжения тепловых сетей, следует применять при проектировании мелиоративных трубопроводов при их надземной прокладке.

Выводы

1. Надземная прокладка мелиоративных трубопроводов имеет меньшую стоимость и сокращает сроки строительства, более удобна в эксплуатации, так как позволяет своевременно обнаружить протечки в оросительной сети и выполнить ремонтные работы, без применения землеройной техники.

2. Несовершенство методов расчета мелиоративных трубопроводов при их надземной прокладке заставляет проектировщиков принимать ряд решений конструктивно или рассчитывать по упрощенной схеме, что в процессе эксплуатации приво-

дит к возникновению аварийных ситуаций в виде: «соскакивания» трубопроводов с опор, погружению опор в «мокрый» грунт, провисанию трубопроводов в пролете.

3. Использование предлагаемого усовершенствованного метода расчета мелиоративных трубопроводов при их надземной прокладке, базирующийся на методах расчета тепловых сетей, устранит возможные аварийные случаи при эксплуатации, позволит унифицировать проектные решения и будет способствовать повышению надежности при эксплуатации мелиоративных трубопроводов.

Литература:

1. Гамбург, П.Ю. Таблицы и примеры для расчета трубопроводов отопления и горячего водоснабжения / П.Ю. Гамбург. - М.: Госстройиздат, 1961. - 19б с.

2. Каталог унифицированных сооружений, узлов и деталей на закрытой оросительной сети. Часть 1 / Волгоград: Волгогипроводхоз. - 1987. - 150 с.

3. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения. - Введ. 1986-07-01. - М.: ЦИТП Госстроя СССР. -1986. - 64с.

4. СП 124.13330.2012. Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003. - Введ. 2013-01-01. - 64с.

5. Проектирование тепловых сетей: Справочник проектировщика / под. ред. А.А. Николаева. - М.: Стройиздат. - 1965. - 359 с.

6. Рисунки выполнены с использованием программы SKETCHUP: http: // sketchup. download -windows. org /.

IMPROVEMENT OF METHODS OF CALCULATION CLOSED IRRIGATION NETWORK FOR ABOVEGROUND LAYING S.Ya. Semenenko, D.S-Kh.N, director, P.S. Popov - Candidate of Agricultural Sciences, senior researcher, S.S. Marchenko, Candidate of Technical Sciences, senior researcher, marchenkosergey@yandex.ru - Volga research Institute of ecological-meliorative technologies - of a branch FSC of Agroecology RAS, Volgograd, pniiemt@yandex.ru

The paper presents an improved method for calculating meliorative pipelines for their above-ground laying in order to ensure their safe operation. The procedure for calculating meliorative pipelines for their aboveground laying is substantiated. As a result of determined: thickness of the pipe wall, spans between supports, voltage compensation allowable and the need for compensators.

Key words: methods of calculation, aboveground laying of meliorative pipelines, calculation of the strength, spans between supports, expansion joints, pipe wall thickness, thermal elongation.

УДК: 634.93

РОЛЬ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ В ВОССТАНОВЛЕНИИ И ПРЕОБРАЗОВАНИИ ЛАНДШАФТОВ

Д.К. Сучков, соискатель, suchkov1992@yandex.ru - ФНЦ агроэкологии РАН

В статье проанализированы и приведены данные по потребности Волгоградской области в защитных лесных насаждениях (ЗЛН) и затратах на реконструкцию и создание новых ЗЛН. Описана роль ЗЛН

в восстановлении и преобразовании ландшафтов.

Ключевые слова: защитные лесные насаждения, экономическая эффективность, конструкция лесных полос, древесные породы.

Сельское хозяйство наиболее тесным образом связано с природными экосистемами, которые теперь значительно потеснены искусственными агробиологическими системами, входящими в состав преобразованного антропогенного ландшафта. Но вместе они образуют единую систему - естественно-антропогенный ландшафт, связи в котором между общественным производством, деятельностью людей и природными экосистемами настолько тесные и взаимно переплетены, что изменение какого-то одного свойства ландшафта влияет на все

многокомпонентные связи в его звеньях.

Материалы и методика исследования. В качестве объекта исследования были выбраны защитные лесные насаждения Волгоградской области. Для описания видового состава, их состояния и экономической эффективности, использовались методы оценки и прогнозирования состояния насаждений по Е.Г. Мозолевской и др. [5] и методы лесной таксации О.И. Бабошко [1]. Были использованы рекомендации по повышению эффективности и улучшению состояния полезащитных лесных полос в регионе.