Гидравлическая эффективность и надежность функционирования каналов оросительных систем

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 623.821.3: 579.22

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КАНАЛОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

© 2008 г. М.Ю. Косиченко, Ю.И. Иовчу

В процессе функционирования оросительных каналов могут возникать различные деформации русел, заиление и зарастание русел водной растительностью, повреждения и деформации противофильтрационных облицовок, значительная фильтрация, подъем уровня грунтовых вод, подтопление и засоление прилегающих к каналам территорий. Эти процессы являются причиной снижения надежности функционирования оросительных каналов, ухудшения их технического состояния, уменьшения их КПД и срока службы [1, 2].

Проблемам надежности каналов посвящены работы Ц.Е. Мирцхулавы [3, 4], В. С. Алтунина, Т. А. Алиева [5, 6], И. А. Долгушева [7], Ю.М. Косиченко [8] и др.

В данных работах сформулированы общие подходы к надежности каналов, предложены отдельные условия для оценки их гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности. Однако не учтены такие важные обобщенные показатели функционирования оросительных каналов, как КПД, техническое состояние, безотказность. В работе авторов [9] приводятся соответствующие комплексные условия надежности функционирования оросительных каналов при их эксплуатации, включающие обобщенные показатели.

Надежность функционирования каналов может характеризоваться вероятностью безотказной работы, показателями гидравлической эффективности и технического состояния, которые в комплексе определяют эксплуатационную надежность каналов [1, 2].

В соответствии с этим под эксплуатационной надежностью каналов понимается обеспечение их эксплуатационных характеристик (расходы, скорости, глубины), близких к проектным при соблюдении требуемого КПД в течение срока службы.

Надежность функционирования оросительных каналов будет обеспечиваться при соблюдении следующих основных условий [9]:

по допускаемым скоростям

ф(и) = и - -Онез > 0; Ф(и) = и - -Онер < 0;

по пропускной способности русла

Ф(0 = Qпр - б; ао бпр > Ф(0 > 0;

по коэффициенту полезного действия канала

ф(п) = Птр - п; во Птр > ф(п) > о;

по показателю технического состояния канала

Ф(Рэ) = Рэ. тр - Р; 0(Рэ. тр > Ф(Рэ) > 0; по вероятности безотказной работы Ф(Р) = Ртр - Р; йаРтр > Ф(Р) >0, где и, инез, инер - средняя и допустимые незаиляющая и неразмывающая скорости течения; б, бпр - фактическая и проектная (расчетная) пропускная способность; П, Птр - фактический и требуемый (нормативный) КПД канала; Рэ, Рэтр - фактический и требуемый показатели технического состояния канала; Р, Ртр - фактическая и требуемая вероятности безотказной работы; а0, в0, о0, - коэффициенты допустимого снижения нормативных показателей, принимаемые по результатам статистической обработки натурных данных.

Для объективной оценки эксплуатационной надежности канала целесообразно определять устойчивость его русла на заданную вероятность безотказной работы, например вероятность неразмыва русла, которая является некоторой функцией вероятных характеристик и возмущающих параметров, обусловливающих случайный характер изменения состава наносов или турбулентности потока. Обеспечение высокой надежности канала на этапе эксплуатации требует отыскания таких условий эксплуатации и воздействий на форму русла, в результате которых вероятность неразмыва и незаиления была бы максимальной [5, 6].

На основании рассмотрения предельного состояния сопротивляемости размыву русла канала в работе [5, 6] было получено выражение для определения вероятности непревышения допускаемой неразмы-вающей скорости

Р(z > 0) = -

1

7Т2П

I exP

" 2a 2

где г = инер - иф - параметр состояния русла; инер -допустимая неразмываемая скорость; иф - фактическая средняя скорость в русле; т2 = тинер - тиф - математическое ожидание; сг - среднеквадратическое отклонение величины г, которое рассчитывается как

а, =

fu

+ а:

+ 2р,

'нери ф u нер

где ринриф - коэффициент корреляции между величинами скоростей инер и и>ф.

Коэффициент корреляции скоростей определяется зависимостью

Р„ „ =--—( Ь2 а2 + Ь2 Ь2 а2 +... + Ь Ь2 а2 ),

инериф а \ П 21 '1 21 22 '2 п 2п 'п Г

инериф

Эи нер Эи ф

где Ь1 =-—; Ь2 =——; о. - среднеквадратиче-

ские отклонения случайных величин.

Вводя безразмерные коэффициенты п и V, запишем уравнение вероятности безотказной работы канала по допускаемой неразмывающей скорости (1) в виде

Р (z > 0) = Ф

П-1

fi^Z+K+2р

инериф иф инер

m,

где п= -

m,

= —,, Im,, - коэффици-

нер нер нер

работоспособности; ф = аи^т вариации нагрузки; V = аи /

нер нер

ент вариации несущей способности.

Вероятность неразмыва русла при отсутствии взаимосвязи между несущей способностью и нагрузкой

определяется выражением

Р(z > 0) = Ф

П-1

Запишем последнее уравнение (3) относительно заданной вероятности неразмыва русла в виде

П-1

•\/П Vи нер + Vиф

= Ф -1 (Р тр )= U Р

где ир - квантиль нормального распределения, зависящий от вероятности размыва.

Из уравнения (4) найдем необходимый (обеспечивающий заданную вероятность неразмыва русла) коэффициент подвижности русла:

П т = а(и нер ) + 2 ( нер )-«(и нер )«(и ф ) ,

где «ер ) = ' «( ф )= 1 - Г»фи Р.

и нер р

Вероятность безотказной работы канала по пропускной способности устанавливаем из выражения

i

Р=Ф

Q нр - Q

\

нр mm

4

2 2 аq + аQ . ^нр ssmin

1 х

где Ф (t) = ^=i exp

( t2 ^

функция нормального распределения (функция Лапласа); Qпр - проектный (расчетный) расход в канале; йшп - случайный минимальный расход; а Q , а Q тт -

среднеквадратические отклонения расходов соответственно Qпр и Qmm.

Дисперсию пропускной способности канала находим по формуле [4]

а - =,dQ 1СТ 2 +(dQ Q нр I db I b I dh

-2 +

Принимая сечение канала трапецеидальным, расход при равномерном движении определяем по следующей формуле:

- статистический коэффициент запаса

- коэффициент

Q =

1 [(b + mh )h ] 53 j 1/2

b +

2hVi

+ m'

где Ь - ширина канала по дну; к - глубина; п - коэффициент шероховатости русла; 3 - гидравлический уклон; т - коэффициент заложения откосов.

В результате частного дифференцирования выражения (7) по четырем параметрам канала (Ь, к, п, 3) найдем отдельные члены уравнения (6):

dQ = Ij XI [(b + mh )h] 23 h

db n 2,5 -

b +

2h-y/i

+ m"

(b + 2hVT

+ m

dQ =1 j X1 [(b + mh)h]x dh n 3[V ' ]

5 (b + mh)- 4

b +

2hV!

+ m

1

+ m

(b + 2hVT

+ m

23

dQ 1 [(b + mh )h ] 23 J12

dn

b + 2W1

+ m

1

dQ___

dJ 2n

[(b + mh )h ];

b +

2hVT

+ m

23 К

J /2

dt - табулированная

Среднеквадратическое отклонение - qmin задается но объектам-аналогам или рассчитывается но правилу «трех сигм», как 1/6 ноля донусков [3, 4]:

- Qmm = 1AQ , 6

где AQ - вероятное изменение (донуск) расхода относительного расчетного (нроектного) расхода канала.

ф

x

x

2

n

Комплексными показателями эксплуатационной надежности оросительных каналов являются технический КПД п и показатель их технического состояния Рэ, которые определяются по следующим соотношениям:

п = 1 -ЯП; Я

Р э =

п

П т

Р = Ф

2 +а 2 П +СТП тр

в) для каналов с бетонопленочной и грунто-пленочной облицовкой - п = 0,969; а^ = 0,00598;

n±t аЛ ап = 0,856-0,982; в = Г ак а^ = 0,013;

г) для всех русел каналов - Рэ = 0,915; а р = 0,0158;

Рэ ± tакар = 0,882-0,948; а = tар = 0,033.

где бп = бф + - общие потери воды из канала; б -расход канала при эксплуатации; бф - потери воды на фильтрацию из канала; бп - потери воды на испарение из канала; п - фактический КПД канала при эксплуатации; Птр - требуемый КПД канала по нормам СНиП или по расчетам с учетом инженерно-геологических условий.

Требуемый КПД канала устанавливается по нормам СНиП 2.06.03-8: не менее 0,90 - для магистральных каналов и его ветвей; не менее 0,93 - для распределителей различных порядков.

Вероятность обеспечения высокого КПД канала при эксплуатации в соответствии с требуемым его значением при известных статистических показателях за ряд лет наблюдений может быть найдена по формуле

Г А

п тр-п

где Ф(0 - функция Лапласа; Птр - требуемое значение КПД канала, задаваемое по техническим требованиям, нормам СНиП или вычисляемое по вышеприводимым формулам; сП - среднеквадратические отклонения значений КПД.

Аналогично зависимости (8) может быть найдена вероятность обеспечения надежности работы канала по показателю технического состояния при его эксплуатации Рэ.

Используя данные натурных исследований оросительных каналов в работе авторов [9], на основе статистической обработки установлен коэффициент допустимого снижения пропускной способности а = 0,066.

Для определения других коэффициентов р0 и с0 была проведена статистическая обработка натурных данных по показателям КПД п и технического состояния каналов Рэ = п/Птр (таблица) для необлицованных русел каналов, каналов с бетонной облицовкой и с бетонопленочной и грунтопленочной облицовкой. При этом были использованы данные [1, 2].

В результате получены следующие статистические характеристики:

а) для необлицованных русел - п = 0,821; а ^ =

= 0,0165; п ± tа,кап = 0,786 - 0,856; в = tакап = 0,035;

б) для каналов с бетонной облицовкой - п = 0,863;

Здесь использовались следующие обозначения: п - среднестатистическое значение КПД каналов;

а^ - среднестатистическое отклонение КПД каналов;

ta¡k - значение коэффициента Стьюдента; р0 - коэффициент допустимого снижения КПД каналов; с0 - коэффициент допустимого снижения показателя технического состояния каналов.

Значения коэффициента снижения вероятности безотказной работы статистически не устанавливалось из-за отсутствия достаточного количества натурных данных по отказам. Ввиду этого значения коэффициента д0 рекомендуется принимать приближенно в пределах 0,03-0,05.

Статистический анализ натурных данных КПД показал, что среднее статистическое значение КПД для различных русел каналов (необлицованных и облицованных) п изменяется от 0,821 до 0,969 с вероятностью Р^ от 97,6 до 99,4 %, а коэффициент

допустимого снижения КПД р0 - от 0,013 до 0,045; среднее статистическое значение показателя технического состояния каналов равно Рэ = 0,915, найденное с вероятностью РР = 98,3 %, а коэффициент

Рэ

допустимого снижения этого показателя с0 = 0,033 (таблица).

Приведем пример оценки надежности функционирования канала по пропускной способности и КПД.

Возьмем для примера данные расходов на Большом Ставропольском канале (Головной участок) при максимальной подаче воды в виде ряда: 166; 166; 166; 170; 184; 189; 184; 184; 184. Проектная (расчетная) пропусканная способность канала составляет бпр = = 180 ± 9 м3/с, максимальная бтах = 189 м3/с, случайный минимальный расход по данным наблюдений, представленным рядом, бтт = 166 м3/с; допуск расхода Д0 = 9 м3/с.

В результате статистической обработки ряда наблюдений получено значение среднеквадратического отклонения расхода с0пр = 9,72 м3/с. Среднеквадрати-ческое отклонение минимального расхода ввиду отсутствия данных наблюдений за этими расходами примем как 1/6 допуска расхода [4]:

1 1 3

аб = -ДО = -9 = 1,5 м3/с.

Утт 6 6

Тогда вероятность безотказной работы канала по пропускной способности согласно зависимости (5) составит

( .„„ А

ап = 0,0207; n±t а,к а = 0,817-0,907; ß = t аЛ

а_ = 0,045;

Р = Ф

180 -166

79,72

2 +1,5 2

= Ф (1,42) = 0,922.

Натурные данные КПД п и показателя технического состояния Рэ при эксплуатации каналов

№ п/п Канал П Рэ

а) необлицованные каналы

1 Багаевский МК 0,75 0,83

2 Азовский МК 0,82 0,91

3 Нижне-Донской 0,90 1,0

4 Пролетарский МК 0,85 0,95

5 Донской МК 0,89 0,99

6 БСК-1 (10 км) 0,96 1,06

7 БСК-1 (Головной участок) 0,928 1,03

8 Невинномысский 0,95 1,05

9 Право-Егорлыкский МК 0,84 0,93

10 Лево-Егорлыкский МК 0,76 0,85

11 Правоурванский 0,75 0,83

12 Урвань 0,76 0,85

13 Кахун 0,76 0,85

14 Аксыра 0,76 0,85

15 Урвань-Нартан 0,76 0,85

16 Сухая Псарыша 0,80 0,89

17 Пришибский 0,80 0,89

18 Куркужинский 0,80 0,89

19 Серогозский 0,76 0,85

б) каналы с бетонной облицовкой

1 Бг-Р-7 0,80 0,84

2 Бг-Р-8 0,80 0,84

3 БСК 0,85 0,89

4 Правобережный 0,95 1,0

5 Левобережный 0,90 0,95

6 Р-2 0,95 1,0

7 Р-2-1 0,80 0,84

8 Солдатский 0,80 0,84

9 Дружба 0,80 0,84

10 Бригадный 0,80 0,84

11 Северо-Крымский (участки) 0,97 1,02

12 Волгоградский 0,93 0,98

в) каналы с бетононленочной и грунтонленочной облицовкой

1 БСК-3 0,97 1,0

2 КОР 0,92 0,95

3 Каршинский МК 0,97 1,0

4 БСК-3 (по данным ЮжНИИГиМ) 0,984 1,01

5 Бг-Р-7 0,979 1,01

6 Караулбазарский 0,995 1,03

7 Р-2 Каховский ОС 0,95 0,98

8 ГК МК 0,95 0,98

9 Р-1, Р-1-1, Р-5-2, Р-5-1, Р-8 Каховской ОС 0,94 0,97

10 Сакский, Приазовский 0,98 1,01

11 Распределители СКК Р-5, Р-9, Каховской ОС 0,99 1,02

12 2 МК, 2-1К Серогозской ОС 0,96 0,99

13 ГК МК (по данным УкрНИИГиМ) 0,998 1,03

14 Кулундинский МК 0,976 1,01

Для расчета надежности канала по КПД используем следующие исходные данные: требуемое значение КПД магистральных каналов птр = 0,90; среднестатистическое значение для необлицованных каналов п = 0,821; среднеквадратическое значение сП = 0,0720

(см. ранее); ап =1 Дп = 10,08 = 0,0133 (где Дп = тр 6 6

= птр - п = 0,90 -0,82 = 0,08).

В соответствии с исходными данными вероятность безотказной работы канала по КПД, используя формулу (8),

Р = Ф

0,90 - 0,82

А

•^0,0720 2 + 0,01332

= Ф (1,09 ) = 0,862 .

Таким образом, на основании проведенных расчетов установлено, что вероятность пропуска расхода на Головном участке БСК, близкого к проектному (расчетному), является достаточно высокой (Р = 0,922), а вероятность обеспечения КПД канала, близкого к нормативному - низкая (Р = 0,862) и требует принятия специальных мероприятий по повышению его КПД в процессе эксплуатации.

Согласно вышеизложенному, высокая надежность функционирования оросительных каналов будет обеспечиваться при выполнении предлагаемых условий надежности, учитывающих как гидравлические показатели работы канала (скорости, расходы), так и комплексные показатели (КПД, показатель технического состояния), а также показатели безотказности (вероятность безотказной работы).

При этом условия надежности на данном этапе проектирования, строительства и эксплуатации оросительных каналов учитывают некоторое допустимое снижение нормативных показателей, обоснованных проведенным статистическим анализом имеющихся натурных данных.

Литература

1. Косиченко Ю.М. Каналы переброски стока России. Новочеркасск, 2004.

2. Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М., Колганов А.В. Эксплуатационная надежность оросительных систем. Ростов н/Д., 2004.

3. Мирцхулава Ц.Е. О надежности крупных каналов. М., 1981.

4. Мирцхулава Ц.Е. Надежность систем осушения. М., 1985.

5. Алтунин В.С., Алиев Т.А. Особенности взвесенесущего потока в канале и расчет надежности // Гидротехническое строительство. 1989. № 7. С. 11-16.

6. Алиев Т.А., Картвелишвили Л.Н., Вахтин А.Е. Прикладные иследования гидротехнических сооружений. М., 1992.

7. Долгушев И.А. Повышение эксплуатационной надежности

оросительных каналов. М., 1975.

8. Косиченко Ю.М. Гидравлическая эффективность и экологическая надежность облицованных каналов // Гидротехническое строительство. 1992. № 2. С. 12-17.

9. Косиченко Ю.М., Косиченко М.Ю., Иовчу Ю.И. Эксплуатационная надежность оросительных каналов// Мелиорация и водное хозяйство. 2007. № 4. С. 49-50.

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт); Российский научно-исследовательский институт

проблем мелиорации, г. Новочеркасск 29 октября 2007 г.