Разработка и апробация системы оценки состояния гидротехнических сооружений речных низконапорных гидроузлов
| Вид материала | Автореферат |
- Конкурс научных молодежных работ «Молодежь Белгородской области», 590.01kb.
- Перечень должностных лиц, осуществляющих государственный надзор за безопасностью гидротехнических, 56.47kb.
- Правила проведения надзора и контроля за безопасностью судоходных гидротехнических, 143.59kb.
- Методические указания по оценке влияния гидротехнических сооружений на окружающую среду, 1621.23kb.
- Сегодня на водных путях Российской Федерации насчитывается 335 комплексов судоходных, 131.5kb.
- Инструкция о порядке ведения мониторинга безопасности гидротехнических сооружений предприятий,, 82.95kb.
- Решение вопросов безопасности гидротехнических сооружений и подготовка к проведению, 32.25kb.
- Дополнительных требований по разработке декларации безопасности гидротехнических, 18.44kb.
- I-5-msuce-1 Паспорт совместного российско-американского проекта, 111.75kb.
- «Определение напряженно-деформированного состояния и оценка остаточного ресурса технических, 62.81kb.
На правах рукописи
СЕКИСОВА ИРИНА АРТУРОВНА
РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ
СОСТОЯНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
РЕЧНЫХ НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ
Специальность – 05.23.07 – гидротехническое строительство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства
| Научный руководитель: | Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ |
| | Каганов Григорий Михайлович |
| Официальные оппоненты: | Доктор технических наук, профессор |
| | Правдивец Юрий Петрович |
| | Кандидат технических наук, профессор |
| | Золотов Лев Алексеевич |
| Ведущая организация: | ЗАО ПО «Совинтервод» |
Защита диссертации состоится ‘‘22’’ декабря 2008 г.
В 15 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д. 220.045.02 при ФГОУ ВПО Московском государственном университете природообустройства по адресу: Москва, ул. Прянишникова, д. 19, ауд. 201. Тел./факс 8(495)-976-10-46; E-mail: mailbox@msuee.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Московского государственного университета природообустройства
Автореферат разослан ‘‘…..’’ноября 2008 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | Кандидат технических наук, доцент |
| Евдокимова И. М. |
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации.
В настоящее время уделяется повышенное внимание вопросам обеспечения безопасности гидротехнических сооружений (ГТС). Во исполнение «Закона о безопасности гидротехнических сооружений», ряда принятых Правительством РФ Постановлений, а также ведомственных нормативных документов проведены несколько этапов инвентаризации ГТС, пополняется Регистр гидротехнических сооружений, для ряда объектов представлены и утверждены декларации безопасности.
Несмотря на большой объем проделанной работы, остается ряд нерешенных вопросов обеспечения безопасности ГТС низконапорных гидроузлов, напрямую связанных с их спецификой.
На территории Российской Федерации насчитывается значительное количество низконапорных гидроузлов (по разным оценкам около 30-40 тысяч), что составляет порядка 70 % от общего числа водохозяйственных объектов страны. В отличие от объектов более высокого класса, за которыми, как правило, ведется надлежащий контроль, аварии на низконапорных гидроузлах происходят чаще и приносят значительный ущерб.
Большая часть речных низконапорных гидроузлов (около 60%) является бесхозяйными или принадлежит собственникам, у которых отсутствует возможность оплаты комплекса мероприятий, обеспечивающих их безопасность (бывшие колхозы, совхозы, ставшие АО, ООО и т.п.).
Положение усугубляется отсутствием для большинства ГТС проектной документации, расчетного обоснования, журналов наблюдений за состоянием гидротехнических сооружений а, следовательно, и проектных значений контролируемых показателей состояния.
Определенная специфика заключается также в методах оценки состояния и уровня безопасности ГТС низконапорных гидроузлов. Выполнять подобную работу могут лишь специалисты достаточно высокой квалификации, вынужденные, зачастую, руководствоваться только собственным накопленным опытом, так как для объектов IV класса, как правило, не предусматривается установка контрольно-измерительной аппаратуры, в связи с чем, специалисты, в основном, ориентируется на качественные и, частично, количественные диагностические показатели, определяемые на основе визуальных наблюдений и простейших измерений.
С учетом сложившейся ситуации необходимо искать пути наиболее эффективного разрешения назревших проблем, связанных с обеспечением безопасности большинства низконапорных гидроузлов.
Наиболее приемлемым решением представляется использование системного подхода, применение которого позволило бы замкнуть комплекс серьезнейших взаимосвязанных проблем, имеющих четкую практическую направленность, элементами которого являются: существенное уточнение законодательной базы, касающейся низконапорных ГТС; сбор информации о состоянии низконапорных ГТС; анализ собранной информации; оценка технического состояния и уровня безопасности ГТС; ранжирование ГТС по степени опасности и эффективности проведения превентивных ремонтных мероприятий; принятие управленческих решений; выполнение проектных работ, необходимых для ремонта ГТС; проведение ремонта или реконструкции; решение задач финансирования и обеспечения кадрами структур и организаций, ответственных за выполнение всех этапов данной цепочки.
Крайне важным элементом в этой цепочке, не проработанным в должной мере, что приводит к существенной разноречивости результатов многочисленных инвентаризаций (различие составляет до 10000 ГТС), является проблема сбора и анализа информации, необходимой для оценки состояния низконапорных гидроузлов с учетом их специфики и ранжирования по степени опасности.
С учетом этого весьма актуальной и назревшей представляется разработка и апробация методологической основы выделенной проблемы; составной частью которой является и решение задачи определения параметров волны прорыва достаточно простыми и недорогими инженерными методами, что позволяло бы оперативно оценивать степень опасности многочисленных низконапорных гидроузлов.
Целью диссертационной работы является разработка и апробация системы оценки состояния гидротехнических сооружений речных низконапорных гидроузлов с учетом их специфики.
Для достижения этой цели решались следующие задачи.
Выполнение анализа имеющейся информации о состоянии гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов Российской Федерации.
Разработка методологии проведения детальных обследований гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов, включающую в себя рекомендации по сбору, оформлению и анализу полученной информации.
Апробация разработанной методологии проведения детальных обследований гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов и анализ их состояния на примере Московской области.
Осуществление анализа статистических данных по широкому кругу параметров, играющих существенную роль в обеспечении безопасности гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов.
Выполнение сравнения существующих методов расчета параметров волны прорыва и разработка на этой основе упрощенной методики, приемлемой для предварительных экспертных оценок масштабов чрезвычайной ситуации в случае прорыва напорного фронта низконапорных гидроузлов.
Методы исследований. Детальное обследование гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов Московской области проводилось с использованием метода натурных наблюдений. В диссертационной работе выполнены также исследования поведения волны прорыва в различных условиях с помощью методов математического моделирования.
Достоверность результатов:
Достоверность результатов, полученных в процессе детальных обследований низконапорных гидроузлов, обусловлена использованием современных методов проведения обследований и обработки полученных данных.
Достоверность данных, полученных при сравнении и анализе различных методов расчета параметров волны прорыва, обусловлена использованием высокоточных современных программ, надежность которых была в свое время доказана сравнением результатов расчетов с большим количеством аналитических тестов и проверена на ряде ответственных объектов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих выносимых на защиту положениях:
- впервые дан критический анализ имеющейся информации о состоянии гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов;
- сформулированы основные принципы методологии проведения детальных обследований, сбора и анализа информации о состоянии и уровне безопасности гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов с учетом их специфики;
- выполнена апробация разработанной методологии проведения детальных обследований, сбора и анализа информации о состоянии гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов на примере Московской области;
- впервые получены и подвергнуты детальному анализу обширные статистические данные о состоянии гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов Московской области, позволяющие оперативно принимать эффективные управленческие решения для обеспечения их безопасности;
- впервые выполнено сравнение различных методов расчета параметров волны прорыва и разработана упрощенная методика их расчетов, позволяющая с приемлемой точностью осуществлять предварительную экспертную оценку масштабов чрезвычайной ситуации в случае прорыва напорного фронта плотин низконапорных гидроузлов.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
Полученные статистические данные используются Межведомственной комиссией по вопросам безопасности гидротехнических сооружений, созданной при Правительстве Московской области. На основе этих данных предполагается в дальнейшем разработать программу: «Безопасность гидротехнических сооружений Московской области».
Предложенная методология детальных обследований и анализа состояния гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов была с успехом использована для инвентаризации гидротехнических сооружений Московской и Орловской областей и, в дальнейшем, может быть использована и для других регионов Российской Федерации.
Получено уравнение степенной регрессии для основного параметра волны прорыва - максимальной глубины затопления в нижнем бьефе, применение которого позволит выполнять предварительные экспертные оценки масштаба чрезвычайной ситуации в случае прорыва напорного фронта низконапорных гидроузлов.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка использованной литературы из 40 наименований. Общий объем диссертации состоит из 230 стр., из которых 190 машинописного текста. Диссертация содержит 40 рисунков, 43 таблицы и 12 приложений.
Апробация работы. Основные результаты выполненной работы изложены в докладах на международных научно-практических конференциях (Москва, МГУП, 2007 г., 2008 г.); московской городской конференции молодых ученых (РУДН, 2008 г.) и отражены в шести опубликованных научных трудах, в том числе в трех, рекомендованных ВАК России.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе выполнен анализ сложившейся практики сбора и обработки информации о состоянии и уровне безопасности гидротехнических сооружений. Здесь проанализированы итоги инвентаризации водохозяйственных объектов на территории Российской Федерации, проводившейся в период с 1997 по 2004 г.г; рассмотрены основные этапы становления современной системы обеспечения безопасности ГТС, выявлены ее достоинства и недостатки; выполнен анализ основных нормативно-правовых документов, регулирующих вопросы обеспечения безопасности низконапорных гидроузлов нашей страны, включая систему оценок технического и технологического состояния ГТС; проанализированы основные методы оценки последствий прорыва напорного фронта плотин, с точки зрения их возможного применения для массовых расчетов значительного количества низконапорных гидроузлов; определена специфика гидротехнических сооружений речных низконапорных гидроузлов.
Анализ материалов первой главы свидетельствует о недостаточной проработке комплекса вопросов, связанных с оценкой состояния многочисленных низконапорных гидроузлов.
Во второй главе представлена методология детальных обследований гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов с учетом их специфики.
Основное отличие разработанной методологии от действующих в Российской Федерации нормативных документов, регламентирующих порядок проведения обследований и оценки уровня безопасности ГТС, заключается в следующем:
а) методология непосредственно ориентирована на сооружения IV класса, о которых полностью отсутствует какая-либо предварительная информация, включая данные о местоположении, сведения о проектных параметрах и результаты наблюдения за состоянием ГТС в течение ряда лет;
б) в методологии представлен алгоритм проведения детальных обследований, позволяющий осуществлять максимально возможный сбор сведений об основных параметрах ГТС (автор считает, что инвентаризация низконапорных ГТС должна сочетаться с их детальными обследованиями);
в) методология содержит конкретные рекомендации по оценке технического состояния и уровня безопасности ГТС, основываясь лишь на результатах детальных визуальных обследований, и данных простейших измерений (с помощью мерных лент, длинномерных уровней и т.п.);
г) благодаря доступной и лаконичной форме представления информации методология применима для массовых обследований ГТС, что важно для решения задач инвентаризации многочисленных низконапорных гидроузлов Российской Федерации.
В кратком изложении методология выглядит ниже следующим образом.
Подготовительный этап, включающий в себя сбор предварительной информации по гидротехническим сооружениям с использованием всех доступных источников (сведения от различных организаций, топографические карты, космические снимки и т.п.) Сюда входит: установление точного местоположения объекта, включая наименование водотока и принимающего бассейна, формы собственности, органа местного самоуправления, на территории которого находится объект; вопросы согласования проведения обследований с собственником и представителями органов местного самоуправления; создание и укомплектование комиссий, проводящих обследование; разработка рациональных транспортных схем.
Порядок проведения детальных обследований гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов в условиях отсутствия проектной документации, включающий в себя: проверку качества эксплуатации (наличия подъезда к гидротехническим сооружениям, резерва строительных материалов, средств оповещения об аварийных ситуациях, службы эксплуатации, проектной и исполнительной документации; проверку состояния водоема, берегов, зон примыканий плотины к берегам); сбор общих сведений об объекте (назначении гидроузла, основных параметрах гидротехнических сооружений, включая их компоновку (рис. 1); географических координатах (с помощью современных навигаторов типа JJ-connect 100 для точной привязки гидроузла к топографической основе); сбор фотографического материала (общий вид водоема, гребня и откосов плотины, входного и концевого оголовков водосброса, отводящих каналов, повреждений элементов сооружений и т.п.); установление степени опасности для народного хозяйства (наличия населенных пунктов, объектов экономики и других водохозяйственных объектов в нижнем бьефе); экспертная оценка масштаба чрезвычайной ситуации.
Оценка технического состояния и уровня безопасности гидроузла: оценка элементов гидротехнических сооружений в соответствии с набором отдельных количественных, учитывающих специфику низконапорных гидроузлов, и качественных диагностических показателей; обобщенная оценка уровня безопасности гидроузла в зависимости от состояния его основных гидротехнических сооружений.
Представление результатов: перечень обязательных требований к содержанию акта обследования гидроузла и основных сведений, необходимых для составления базы данных по обследованным объектам.
В третьей главе с целью апробации методологии детальных обследований гидротехнических сооружений низконапорных гидроузлов выполнен анализ технического состояния 550 детально обследованных гидроузлов Московской области (рис. 2).
При выборе Московской области в качестве объекта анализа в диссертационной работе учитывалось: значительное количество гидроузлов; определенный объем накопленной ранее информации; возможность привлечения высококвалифицированных специалистов для проведения обследований и разработки рациональных транспортных схем.
При проведении детальных обследований гидроузлов Московской области определялось их точное местоположение, форма собственности и степень опасности для объектов народного хозяйства, расположенных в нижнем бьефе; с помощью простейших измерений устанавливались основные параметры ГТС и важнейшие диагностические показатели, характеризующие их безопасность (в частности, превышение отметки гребня над НПУ, фактические размеры провальных воронок, размывов, раскрытие трещин в швах бетонных конструкций и т.п.); выполнялся сбор фотографического материала; оценивалось техническое состояние и уровень безопасности ГТС и гидроузла в целом; экспертно определялся объем капиталовложений, необходимых для проведения ремонтных мероприятий; по каждому обследованному гидроузлу составлялся акт обследования, содержащий подробную информацию о параметрах и техническом состоянии ГТС; собранные сведения вносились в единую электронную базу данных, включающую в себя перечень, состоящий из 60 параметров, характеризующих ГТС.
Дальнейшее использование базы данных позволило оперативно проанализировать различные показатели и их сочетания (табл.1), в частности: основные характеристики гидроузла, физические параметры водохранилищ и ГТС, техническое состояние ГТС и их основных элементов, вид требуемого ремонта и его стоимость, уровень безопасности ГТС и гидроузлов в целом, качество эксплуатации, степень готовности гидроузлов к пропуску паводка, степень опасности для нижнего бьефа.
Таблица 1
Основные показатели безопасности гидроузлов в зависимости от формы собственности
| Показатели | Форма собственности | |||||||
| Федеральная | Муниципальная | Частная | Бесхозяйная | |||||
| Кол-во | % | Кол- во | % | Кол-во | % | Кол-во | % | |
| Отсутствие службы эксплуатации | 17 | 45,9 | 72 | 92,3 | 109 | 65,3 | 268 | 100,0 |
| Отсутствие проектнотехнической документации | 26 | 70,3 | 78 | 100,0 | 142 | 85,0 | 268 | 100,0 |
| Находящиеся в аварийном состоянии или требующие проведения капитального ремонта | 12 | 32,4 | 43 | 55,1 | 74 | 44,3 | 175 | 65,3 |
| Потенциально опасные для территории нижнего бьефа | 24 | 64,9 | 60 | 76,9 | 98 | 58,7 | 167 | 62,3 |
| С недостаточной степенью готовности к пропуску паводка | 14 | 37,8 | 56 | 71,8 | 88 | 52,7 | 198 | 73,9 |
| Со сроком эксплуатации, превышающим 30 лет | 31 | 83,8 | 62 | 79,5 | 136 | 81,4 | 208 | 77,6 |
| Всего | 37 | 100,0 | 78 | 100,0 | 167 | 100,0 | 268 | 100,0 |
На основе выполненного анализа получены графические изображения статистического распределения изученных показателей по количественному признаку: диаграммы, графики, гистограммы и кривые нормального распределения.
Статистический анализ (рис. 3) показал, что большее количество низконапорных гидроузлов было построено в период с 1958 по 1978 г.г. Именно в этой группе наблюдается наибольшее количество сооружений, техническое состояние которых соответствует в настоящее время неудовлетворительному и опасному уровням безопасности. Среди основных гидротехнических сооружений подверглись наибольшему разрушению водосбросы; независимо от года строительства процент водосбросных сооружений, находящихся в потенциально опасном и аварийном техническом состоянии превышает процент плотин и водовыпускных сооружений, находящихся в аналогичном состоянии.
Наибольшее количество гидроузлов, техническое состояние которых соответствует неудовлетворительному и опасному уровням безопасности приходится на долю водных объектов с довольно небольшим объемом водохранилища – менее 0,2 млн. м3 (рис. 3).
В исследованной группе низконапорных гидроузлов Московской области преобладают объекты с высотой плотины (3 – 7м); на их долю приходится около 60% от общего количества обследованных объектов (рис. 4). Наибольшее количество гидроузлов, находящихся в потенциально опасном и аварийном состоянии приходится да долю объектов, имеющих в своем составе напорные сооружения высотой 4 – 5 м.
Подавляющее количество гидротехнических сооружений обследованных низконапорных гидроузлов – 82,5% (454 объекта) имеют напор не более 6 м, большая часть которых – 65% (295 объектов) находятся в потенциально опасном и аварийном состоянии (рис. 4).
Проведенный анализ позволил выявить целый ряд проблем, актуальных для обеспечения безопасности низконапорных гидроузлов, а также определить основные повреждения элементов плотин, водосбросов и водовыпусков, на которые бы следовало обратить внимание в первую очередь.
Основными повреждениями грунтовых плотин являются: недостаточный запас гребня над НПУ (43 %); значительная переработка верхового откоса (25,7 %); промывы и провальные воронки в теле плотины (6 %); значительные размывы низового откоса из-за отсутствия или неправильно запроектированных концевых устройств водосброса (11,4%).
К числу основных повреждений водосбросов различных типов следует отнести (табл. 2): наличие крупных инородных тел, а также древесно-кустарниковой растительности в зоне подхода воды к входному оголовку всех типов водосбросов; скопление мусора на решетках и крупногабаритных тел во входных оголовках закрытых водосбросов с башенными и ковшовыми оголовками; невозможность подъема затворов регулируемых водосбросов из-за отсутствия или повреждения инвентарных подъемников; зарастание входной и транзитной части обводных каналов древесно-кустарниковой растительностью; снижение живого сечения канала обводных каналов из-за обрушения откосов; разрушение и повреждения боковых стен быстротоков открытых водосбросов; повреждения с выломом части днища быстротоков открытых водосбросов; разрушение и повреждения боковых стен водобоев всех типов водосбросов; размывы рисбермы и формирование островов за рисбермами всех типов водосбросов; избыточный подпор выходного сечения труб закрытых водосбросов из-за наличия в водобойных устройствах крупногабаритных инородных тел и строительного мусора; ограничение пропускной способности водосбросов всех типов из-за зарастания древесно-кустарниковой растительностью, создания естественных (завалы) или искусственных (бобровые плотины, браконьерские завалы) преград в отводящих каналах.
Таблица 2
Количественное распределение водосбросов, состояние которых соответствует неудовлетворительному и опасному уровням безопасности в зависимости от состояния их основных конструктивных элементов
| Элемент водосброса | Водосброс | |
| Кол-во | % | |
| Участок подхода воды к оголовку водосброса | 3 | 0,9 |
| Оголовок водосброса | 15 | 4,6 |
| Транзитная часть | 6 | 1,8 |
| Концевой участок | 22 | 6,8 |
| Участок подхода воды к оголовку водосброса и оголовок водосброса | 6 | 1,8 |
| Участок подхода воды к оголовку водосброса и транзитная часть | 2 | 0,6 |
| Участок подхода воды к оголовку водосброса и концевая часть | 17 | 5,2 |
| Оголовок водосброса и транзитная часть | 9 | 2,8 |
| Оголовок водосброса и концевая часть | 74 | 22,8 |
| Транзитная и концевая части | 14 | 4,3 |
| Участок подхода воды к оголовку водосброса, оголовок водосброса и транзитная часть | 1 | 0,3 |
| Участок подхода воды к оголовку водосброса, оголовок водосброса и концевая часть | 46 | 14,2 |
| Оголовок водосброса, транзитная и концевая части | 32 | 9,8 |
| Всех элементов водосброса | 50 | 15,4 |
| Всего водосбросных сооружений | 325 | 100,0 |
Основными повреждениями водовыпусков различных типов являются (табл. 3): частичное или полное затопление регулирующих колодцев и камер управления в нижнем бьефе; выход из строя запорно-регулирующей арматуры; отсутствие или выход из строя подъемных устройств в башенных, открытых водовыпусках и в трубчатых водовыпусках с затворами на входе; отсутствие необходимой арматуры в сифонных водовыпусках.
Таблица 3