Методологические основы понятия времени в оценке технического состояния туннелей мелиоративных систем

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(17), 2015 г., [203-214] УДК 556.18:504.06:56.51

В. Л. Бондаренко, Г. Л. Лобанов, Е. И. Шкуланов

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация М. И. Штавдакер

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОНЯТИЯ ВРЕМЕНИ В ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТУННЕЛЕЙ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

Цель - определение концептуальных основ понятия времени с учетом направленности процессов взаимодействия как отдельных конструктивных элементов, так и сооружений в целом при эксплуатации с природными средами (геологической средой, водным потоком, атмосферой) и системой технического обслуживания. При изучении процессов функционирования сооружений, в частности гидротехнических туннелей, время является одним из основных факторов, определяющих их техническое состояние и надежность. Водохозяйственная система была представлена в виде модели взаимодействия гидротехнических сооружений и окружающей среды. В процессе взаимодействия происходит движение потоков энергии и вещества, что обуславливает уровень энтропии (технического состояния) конструктивных элементов и сооружения в целом. Характер изменения энтропии в обобщенном понимании отражает прошлое, настоящее и будущее технического состояния сооружения. Изменение энтропии технического состояния сооружений обусловлено необратимыми процессами и связано с физическим старением строительных материалов (бетона, железобетона, металла, грунта) как отдельных конструктивных элементов, так и сооружения в целом. В процессе исследований выявлено, что рост энтропии в единице объема конструктивного элемента или сооружения за единицу времени выражает функцию диссипации, или преобразования свободной энергии в связанную. Чем больше значение свободной энергии, тем выше уровень технического состояния сооружения и, соответственно, уровень экологической и технической безопасности. В детерминистическом описании процессов взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношения гидротехнического сооружения и окружающей среды, режимов работы магистрального канала, службы эксплуатации «стрела времени» определяет направленность происходящих изменений в техническом состоянии. В результате исследований установлено, что фактор времени обуславливает старение гидротехнических объектов, как и других систем, и сопровождается повышением уязвимости для всех воздействий, снижением функциональной способности (работоспособности), а это не учитывается в существующих методиках. Выявлено, что неспособность сооружений со временем противостоять разрушению конструкций имеет ту же природу, что и рассеивание энергии, т. е. старение эквивалентно увеличению энтропии, являющейся мерой неупорядоченности любой системы.

Ключевые слова: время, необратимость, изменение, энтропия, функциональная надежность, безопасность.

V. L. Bondarenko, G. L Lobanov, E. I. Shkulanov

Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation M. I. Shtawdaker

Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation

METHODOLOGICAL BASICS FOR THE TIME CONCEPT ESTIMATING OPERATIONAL CONDITIONS OF AMELIORATIVE SYSTEM TUNNELS

The aim of this article is to determine conceptual basis of the term 'time' including the trends of interaction processes as separated constructive parts and the whole buildings at the operation in natural environment (geological sphere, water flow, and atmosphere) and the system of maintenance. When studying the processes of construction functioning, particularly hydraulic tunnels, time is an essential factor which determines their operational conditions and reliability. Water management system was presented as an interaction model of hydraulic facilities and the environment. During this interaction the movement of flows of energy and matter occurs, that determines the level of entropy (operational conditions) of constructive elements and the whole construction. In general, the pattern of entropy changes reflects past, present and future operational conditions of the construction. Entropy changes of operation conditions for constructions determine by irreversible processes and related to physical aging of building materials (concrete, ferroconcrete, metal, and ground) of separated constructive elements and the whole structure. During the investigations it was found that entropy increasing in the unit volume of the component or structure per unit time expresses the function of dissipation or conversion of the free energy to the bound. The greater value of free energy is related to the higher level of operational conditions and the level of technical and environmental safety respectively. In deterministic description of interconnection processes, interaction and relationship of hydraulic facilities and the environment, operational regimes of main canal, and maintenance service, "arrow of time" determines the trend of changes in operation conditions. As a result of the research, it is established that factor of time determines the aging of hydraulic facilities and other systems and follows by vulnerability increasing for all impacts, as well as decreasing of functional ability (operability), and this fact doesn't account in existing techniques. It is revealed that inability of construction with the lapse of time to withstand against destruction has the same origin as energy dissipation that is the aging is an equivalent to the entropy increasing which is the measure of disorder in any system.

Keywords: time, irreversibility, change, entropy, functional reliability, safety.

На современном этапе развития сельскохозяйственного производства в Южном и Северо-Кавказском федеральных округах действуют крупные и малые водохозяйственные системы, которые используют сток (поверхностный, подземный), формирующийся в пространственных пределах бассейновых геосистем рек Дон, Кубань и Терек. Комплексное использование этих водных ресурсов в сельскохозяйственном производстве, промышленности и других видах хозяйственной деятельности осуществляется путем эксплуатации различных типов гидротехнических сооружений (ГТС): крупных водохранилищных гидроузлов (Цимлянского на р. Дон, Краснодарского на р. Кубани и др.), магистральных каналов (Большого Ставропольского, Донского магистрального, Невинномысского, Терско-Кумского

и др.) и множества внутрисистемных сооружений. Так, общее количество ГТС в пределах вышеназванных округов составляет порядка 2000, протяженность каналов - около 25000 км, протяженность туннелей, дюкеров и акведуков - около 200 км. Для развития сельскохозяйственного производства на основе орошаемого земледелия и обводнения засушливых территорий в 12 районах Ростовской области на базе действующего с 1952 года Цимлянского водохранилища запроектирована и создана Донская водохозяйственная система, основным водоисточником которой является Донской магистральный канал (ДМК) с пропускной способностью в голове до 250 м3/с [1].

На базе ДМК создана инженерная гидрографическая сеть, включающая в себя подкомандные магистральные каналы первого порядка (Боль-шовский, Нижне-Донской, Багаевский и др.) протяженностью около 420 км и множество каналов второго и третьего порядков, а также систему групповых водоводов протяженностью около 640 км, производительностью 1200 м /сут. На созданной гидрографической сети насчитывается около 40000 ГТС различного функционального назначения. Из них основными являются сооружения, расположенные на водопроводящем тракте ДМК, начиная от головного водозаборного гидроузла Цимлянского водохранилища.

От технического состояния данного комплекса ГТС в полной зависимости находится функциональная надежность действующих мелиоративных и других водохозяйственных систем, которые обеспечивают водой практически все виды хозяйственной деятельности, в том числе сельскохозяйственное производство. Следует также отметить, что от технического состояния комплекса ГТС зависит безопасность жизнедеятельности проживающего населения и природных сред в зонах влияния этих сооружений. Уровень возможного негативного воздействия при возникновении и развитии аварии на ГТС на проживающее население и природные среды

определяется специальными исследованиями, расчетами и зависит от технического состояния сооружения [2].

Одним из крупнейших водопроводящих сооружений на Донском магистральном канале (при пересечении водораздела между реками Дон и Сал) является гидротехнический туннель, расположенный на участке от ПК 306 + 60 (северный портал) до ПК 367 + 41 (южный портал). Сооружение состоит из трех водопроводящих ниток диаметром 6 м общей пропускной способностью 160 м /с. От функциональной надежности туннеля в полной зависимости находится оросительная система 11 районов Ростовской области.

По аналогии от функциональной надежности гидротехнических туннелей зависит работа водохозяйственных систем в Краснодарском, Ставропольском краях, Кабардино-Балкарской Республике, Карачаево-Черкесской Республике и других субъектах РФ, входящих в состав СевероКавказского федерального округа.

Из всего многообразия действующих ГТС в рассматриваемых пределах бассейновых геосистем рек Дон, Кубань и Терек в данной статье рассматриваются гидротехнические туннели, которые функционируют на магистральных каналах (МК) в качестве водопроводящих сооружений при пересечении водоразделов.

Определяющим признаком надежной эксплуатации сложных объектов, к которым, безусловно, относятся ГТС, является время. Именно время служит основным критерием для разработки требований, устанавливающих возможность использования того или иного сооружения по назначению, совместно с требованиями функциональности.

При изучении процессов функционирования гидротехнических туннелей в качестве водопроводящих сооружений на магистральных каналах время является одним из основных факторов оценки их технического состояния и надежности работы. Время непрерывно течет; настоящее, обу-

славливающее в данный момент техническое состояние и функциональную надежность, постоянно изменяется; будущее всегда открыто, пока не станет настоящим, а прошлое, обуславливающее начальное техническое состояние, остается своеобразным исходным репером для сравнительного анализа технического состояния сооружения в целом и отдельных конструктивных его элементов.

Среди вопросов по оценке технического состояния гидротехнических туннелей в составе водохозяйственных систем важным является следующий: какое ожидается будущее? В этом вопросе содержится глубокий смысл: время является фундаментальным измерением при оценке технического состояния и, соответственно, функциональной надежности и безопасности.

При функционировании гидротехнических туннелей, как и других типов ГТС, протекают необратимые изменения в их техническом состоянии. Эти изменения связаны с прочностными характеристиками конструктивных элементов, которые выполняются из бетона, железобетона, металла и других материалов. Необратимость процессов физического старения в конструктивных элементах гидротехнических туннелей обуславливает естественный процесс, которым можно управлять при эксплуатации.

Исходя из начального состояния, заложенного на стадиях проектирования и строительства, управления необратимыми процессами физического старения материалов, из которых выполнены конструктивные элементы, «стрела времени» реально проявляется в процессе эксплуатации при различных режимах взаимодействия гидротехнического туннеля и водного потока, геологической среды, климатических параметров и других факторов [2]. Необратимость процессов взаимодействия конструктивных элементов и воздействующих на них нагрузок различного типа (статических, динамических, термических и др.) при различных режимах работы МК, как показали исследования, приводит к множеству явлений. Это,

например, горизонтальные и вертикальные смещения; разрушение бетонных, железобетонных и металлических конструктивных элементов; заиление водопроводящей части туннеля, русла МК на входном портале и др.

В системном рассмотрении происходящие под воздействием нагрузок эксплуатационного и природного характера изменения в техническом состоянии гидротехнических туннелей обуславливают функциональную их надежность и безопасность (техногенную, экологическую). Действующие на конструктивные элементы гидротехнического туннеля нагрузки в обобщенном физическом понимании выражаются движением потоков вещества, энергии и информации. Интенсивность и характер движения потоков вещества, энергии и информации в системе «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации» изменяются во времени в сравнении с принятым исходным состоянием (рисунок 1).

Время - это сотворение нового или вообще ничего, а в рассматриваемой системе «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации» (рисунок 1) - это новое техническое состояние туннеля.

Техническое состояние гидротехнического туннеля в рассматриваемый момент - это непрерывное сотворение нового под воздействием потока вещества, энергии и информации. Процессы взаимосвязей, взаимодействий и взаимоотношений факторов окружающей среды и гидротехнического туннеля характеризуются то усиливающимися, то уменьшающимися изменениями его технического состояния. Характер этих изменений определяется необратимыми процессами, и, как свидетельствует практика, необратимые процессы направлены на снижение прогнозируемых расчетных, гидравлических и других характеристик конструктивных элементов относительно исходных (проектных). Между понятиями времени и технического состояния рассматриваемого гидротехнического туннеля имеются принципиальные различия. Так, при эксплуатации сооружения показатели технического состояния меняются, а время при этом протекает только вод-

ном направлении от настоящего к будущему, т. е. невозможно переставить местами прошлое и будущее. Физический смысл связи между прошлым и будущим в определенной мере объясняет действие второго начала термодинамики, которым определен энтропийный барьер, отделяющий доступные состояния от состояний запрещенных.

о. с. - окружающая среда; с. э. - служба эксплуатации

Рисунок 1 - Схема модели взаимодействия гидротехнического туннеля с окружающей средой в пределах водохозяйственной системы

Допустимое техническое состояние как отдельных конструктивных элементов, так и сооружения в целом определяется нормативными показателями: прогнозными, гидравлическими и другими, которые обеспечивают функциональную надежность и, соответственно, безопасность.

Запрещенное и недопустимое техническое состояние характеризуется неспособностью выполнять функциональные задачи при различных режимах работы гидротехнического туннеля в составе МК. На бытовом уровне это означает, что конструктивные элементы туннеля не способны воспринимать действующие нагрузки, от которых происходит процесс их разрушения, т. е. из установленной упорядоченности происходит разупо-рядочение или порядок переходит в хаос и, соответственно, происходит рост энтропии. Характер изменения энтропии в обобщенном понимании

отражает прошлое, настоящее и будущее технического состояния рассматриваемого туннеля.

Сумма изменений энтропии отдельных конструктивных элементов и сооружения в целом не может убывать, т. е. настоящее техническое состояние туннеля нельзя вернуть в исходное (проектное) состояние на начальный момент его эксплуатации. Изменение энтропии определяется известным уравнением И. Пригожина [3]:

dS deS + diS dt dt dt

где dS - полное изменение энтропии технического состояния сооружения за период времени dt, Дж/К;

deS - энтропия, отбираемая из окружающей среды в виде действующей системы службы эксплуатации (мониторинговых наблюдений, текущих и капитальных ремонтов и т. п.), Дж/К;

diS - изменение энтропии технического состояния сооружения, обусловленное необратимыми процессами, которые связаны как с физическим старением строительных материалов (бетона, железобетона, металла и т. п.) отдельных конструктивных элементов и сооружения в целом, так и со снижением несущей способности грунтов основания, Дж/К.

Согласно второму началу термодинамики diS всегда положительна, т. е. строительные материалы, из которых выполнены конструктивные элементы, с течением времени физически стареют вследствие снижения прочностных и других характеристик, обуславливающих техническое состояние сооружения.

Энтропия deS может быть как положительной, так и отрицательной величиной. При положительной величине уровень энтропии в сооружении растет, когда система эксплуатации своевременно не обеспечивает безопасное техническое состояние, и наоборот.

Исходя из энергоэнтропийного подхода, который базируется

на фундаментальном законе сохранения мощности в системе, направленность протекающих процессов в конструктивных элементах туннеля может быть выражена полезной мощностью Р для определенных периодов времени Т в настоящем и будущем. Закон сохранения мощности имеет выражение в соотношении полезной мощности Р и мощности потерь G:

Рпол = Р + О^Т5 ],

где Рпол - полная мощность системы, а в рассматриваемом случае начальное техническое состояние туннеля, определяемое физико-механическими характеристиками строительных материалов;

Р - полезная мощность, Дж;

О - мощность потерь, Дж;

L - линейная единица, м;

Т - время, лет.

С энергетической точки зрения полная мощность Р определяется свободной энергией Есвб, которая способна выполнять определенную работу, а в рассматриваемом случае выполняемая работа обуславливается сопротивлением действующим нагрузкам на сооружение. Мощность потерь О определяется связанной энергией Есвяз, которая не способна выполнять какую-нибудь работу, в данном случае - сопротивляться действующим нагрузкам на сооружение, а на бытовом уровне происходят локальные разрушения и в конечном итоге - потеря работоспособности сооружения и его разрушение [4].

В непрерывном процессе взаимодействия рассматриваемого сооружения и окружающей его среды (грунтового, водного, статического, динамического воздействия и др.) происходит движение потоков энергии и вещества, что обуславливает уровень энтропии (технического состояния) в конструктивных элементах и сооружении в целом. Рост энтропии в единице объема конструктивного элемента или сооружения за единицу времени выражает функцию диссипации, или преобразования свободной энер-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(17), 2015 г., [203-214] гии Е , в связанную Е . Чем больше значение Е ,, тем выше уровень

свб ^ связ свб 5 ^ ±

технического состояния сооружения и, соответственно, уровень экологической и технической безопасности [5].

В детерминистическом описании процессов взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношения гидротехнического туннеля с окружающей средой, режимами работы МК и службой эксплуатации «стрела времени» определяет направленность происходящих изменений в техническом состоянии. Если будущее технического состояния туннеля определенным образом содержится в настоящем (период эксплуатации), а в настоящем заключено прошлое (исходное техническое состояние на стадии проектирования), то «стрела времени» обуславливает тот факт, что время является своеобразным конструктором, который взаимосвязывает прошлое с настоящим и будущим.

При изучении процессов взаимосвязи, взаимодействий и взаимоотношений в системе «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации», которая функционирует в пределах действующей водохозяйственной системы, важными являются два противоположных понятия: «сохранение» и «изменение». Между понятиями «изменение» и «сохранение» имеется тесная связь. Оба понятия, как «сохранение», так и «изменение», можно относить к формам движения в виде процессов взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношений действующих со стороны окружающей среды нагрузок на туннель и службы эксплуатации. Поэтому важным является установление того, что должно сохраняться и что должно изменяться.

Сохраняться должна тенденция к обеспечению функциональной работоспособности как отдельных конструктивных элементов, так и сооружения в целом, действующего в системе «туннель - окружающая среда -служба эксплуатации», которая является подсистемой в составе рассматриваемой водохозяйственной оросительно-обводнительной системы.

Изменяться должны технологии эксплуатации и потоки инвестиций

в сторону увеличения, так как с течением времени требуется больше затрат на обеспечение безопасного технического состояния.

Выводы

Оценка технического состояния гидротехнических туннелей является важным фактором обеспечения безопасности (техногенной, экологической) данного типа ГТС в составе действующих водохозяйственных систем «туннель - окружающая среда - служба эксплуатации».

Фактор времени обуславливает старение гидротехнических объектов, как и других систем, и сопровождается повышением уязвимости для всех воздействий, снижением функциональной способности (работоспособности), что не учитывается в существующих методиках. Установлено, что неспособность сооружений со временем противостоять разрушению конструкций имеет ту же природу, что и рассеивание энергии, т. е. старение эквивалентно увеличению энтропии, являющейся мерой неупорядоченности любой системы.

Развитие понятия «время» в оценке технического состояния гидротехнических туннелей как водопроводящих сооружений на МК водохозяйственных систем обуславливает определенную новизну в методологии оценки технического состояния как важного фактора в обеспечении безопасности ГТС.

Одним из важных направлений современной науки следует считать разработку основ технологии продления срока нормальной эксплуатации гидротехнических сооружений с учетом фактора времени.

Список использованных источников

1 Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) при проектировании водохозяйственного комплекса Зеленчукской ГЭС / В. Л. Бондаренко, В. В. Гутенев, В. В. Приваленко, Е. С. Поляков // Теоретическая и прикладная экология. - 2007. -№ 1. - С. 47-54.

2 Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, Е. И. Шкуланов, Г. Л. Лобанов, А. М. Ко-реновский. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2010. - 88 с.

3 Пригожин, И. Порядок из хаоса / И. Пригожин, И. Стенгере. - М.: Прогресс,

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(17), 2015 г., [203-214] 1986. - 256 с.

4 Природообустройство: территория бассейновых геосистем: учеб. пособие / В. Л. Бондаренко, В. А. Волосухин, В. В. Гутенев [и др.]; под ред. И. С. Румянцева. -Ростов н/Д.: Изд. центр «Март», 2010. - 528 с.

5 Бондаренко, В. Л. Оценка экологического состояния бассейновой геосистемы в процессах использования водных ресурсов / В. Л. Бондаренко, В. Б. Дьяченко // Проблемы региональной экологии. - 2005. - № 2. - С. 86-92.

Бондаренко Владимир Леонидович - доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация. Контактный телефон: +7 928 192-33-90. E-mail: Priroda-ngma@mail.ru

Bondarenko Vladimir Leonidovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Researcher, Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation.

Contact telephone number: +7 928 192-33-90. E-mail: Priroda-ngma@mail.ru

Лобанов Георгий Леонидович - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация. Контактный телефон: (8635) 24-74-97. E-mail: lgl@novoch.ru

Lobanov George Leonidovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Senior Researcher, Russian Research Institute of Land Improvement Problems , Novocherkassk, Russian Federation.

Contact telephone number: (8635) 24-74-97. E-mail: lgl@novoch.ru

Шкуланов Евгений Иванович - ведущий научный сотрудник, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация. Контактный телефон: (8635) 29-17-17. E-mail: lgl@novoch.ru

Shkulanov Evgeny Ivanovich - Leading Researcher, Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation. Contact telephone number: (8635) 29-17-17. E-mail: lgl@novoch.ru

Штавдакер Мария Ивановна - аспирант, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация. Контактный телефон: +7904 349-58-72. E-mail: Shtawkader. marya@yandex.ru

Shtawdaker Marya Ivanovna - Postgraduate Student, Novocherkassk engineering and melioration Institute A. K. Kortunov of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation.

Contact telephone number: +7 904 349-58-72. E-mail: Shtawkader. marya@yandex.ru