Автореферат (1151668)
Текст из файла
На правах рукописи
Медведев Сергей Сергеевич
Совершенствование методов расчета речных и мелиоративных сооружений |
Специальность 05.23.07 – Гидротехническое строительство
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук |
Москва – 2007 г.
Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском
институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ГНУ ВНИИГиМ) Россельхозакадемии в отделе гидротехники, лаборатории русловых процессов.
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Гарибин Павел Андреевич |
доктор технических наук, профессор Соболь Станислав Владимирович |
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Штеренлихт Давид Вениаминович |
Ведущая организация: ОАО «Инженерный центр ЕЭС»
Институт Гидропроект
Защита состоится « 31 » мая 2007 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, Б.Академическая, 44
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГиМ.
Автореферат разослан «13 » апреля 2007г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета,
доктор технических наук Исаева С.Д.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Для обеспечения проектирования, строительства и надежной, безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений на реках, транспортирующих наносы, совершенствование методов расчета речных и мелиоративных сооружений является актуальной проблемой, решение которой должно базироваться на современных разработках в области теории руслового процесса. За последнее десятилетие при эксплуатации гидротехнических сооружений значительное их количество вышло из строя и стало представлять реальную экологическую и социальную опасность. Высокие паводки на больших и малых реках, наводнения в крупных сельскохозяйственных и промышленных регионах, имеющих высокую плотность населения, делают проблему защиты и обеспечения надежного функционирования гидротехнических сооружений, в том числе на гидромелиоративных системах, чрезвычайно актуальной.
Для большинства оросительных систем России водозабор производится из равнинных рек, транспортирующих значительное количество взвешенных и донных наносов, которые, осаждаясь в оросительных каналах, снижают их пропускную способность, а увеличение размывающей способности потока приводит к размыву русла. При очистке оросительных каналов возникает проблема утилизации и размещения выбираемого грунта. При эксплуатации многочисленных подводных переходов газо- и нефтепроводов и других гидротехнических сооружений наблюдаются большое число отказов из-за наружной коррозии труб, механических повреждений и других дефектов, обусловленных оголением и провисанием трубопроводов вследствие развития русловых деформаций. Средняя интенсивность отказов за последние 10 лет составила 0,39 случая на 1000 км газопроводов в год. На ликвидацию аварийных состояний подводных переходов ОАО «Газпром» затрачивает ежегодно более 5 млрд. рублей, а затраты на очистку ирригационных систем от наносов составляют 0,5-0,6 млрд. рублей в год.
Причины возникновения аварийных ситуаций и разрушения речных и мелиоративных сооружений связаны с ошибками проектирования, которые возникают из-за неверных оценок переформирования русел и пойм. Достоверную оценку технической и экологической безопасности гидросооружений получить довольно сложно из-за нарушения естественного хода руслового процесса, вызванного гидротехническим вмешательством в жизнь реки и оттеснением руслового и пойменного потоков выправительными сооружениями.
Вопросы управления твердым стоком в ирригационных каналах и защита речных гидротехнических сооружений входят в круг задач, решаемых в рамках одной проблемы, связанной с изучением русловых процессов.
Анализ существующих методов защиты каналов ирригационных систем и русел рек на участках подводных переходов трубопроводов от размыва (методы крепления берегов и дна гибкими синтетическими материалами, засыпки и укладки заполненных грунтом контейнеров, возведение местных русловыправительных сооружений и др.) показывает их малую эффективность из-за неоднозначного характера последствий, вызванных локальным воздействием защитных мероприятий на естественное развитие руслового процесса. Более эффективные методы защиты основаны на концепции динамически устойчивого русла. Для реализации этой концепции необходимо разработать и теоретически обосновать методы расчета русловых деформаций и технологию формирования динамически устойчивого русла.
Анализ состояния проблемы свидетельствует о необходимости развития и углубления теоретических представлений и экспериментальных исследований влияния русловых процессов на устойчивость гидротехнических сооружений. В связи с этим актуальным является совершенствование и создание новых критериев безопасности и методов диагностики технического состояния и защиты гидротехнических сооружений на размываемых и заиляемых участках русел водотоков, включая мониторинг, ситуационный анализ, прогнозирование, методы расчета и технологию формирования динамически устойчивого русла.
Цели и задачи исследований. Целью исследований является совершенствование теории русловых процессов, разработка способов формирования динамически устойчивого русла, методов расчета русловых деформаций и методов защиты речных и мелиоративных сооружений от негативных процессов размыва и заиления русел для повышения надежности их функционирования и предотвращения возникновения аварийных ситуаций.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
- выполнить анализ проблемы эксплуатации речных и гидромелиоративных сооружений, методов расчета руслового потока и деформации русел, а также существующих способов защиты гидросооружений от негативных последствий размыва и заиления русел;
- усовершенствовать теорию русловых процессов для двухфазного потока жидкости, создать математическую модель, связывающую транспортирующую способность потока с деформациями русла;
- разработать методику расчета размыва русел, в которой учитывается связь транспортирующей способности потока с размывом русла;
- разработать методы диагностики и прогнозирования состояния подводных переходов трубопроводов в период их эксплуатации;
- сформулировать принципы и разработать технологию создания динамически устойчивого русла;
- предложить способ защиты подводных переходов трубопроводов, основанный на принципах формирования динамически устойчивого русла, и методы расчета параметров защитного слоя из крупных фракций грунта (отмостки) для предотвращения размыва русла;
- сформулировать систему способов защиты гидросооружений ирригационных систем с регулированием режима транспорта наносов в каналах.
Объектом исследования являются речные и гидромелиоративные сооружения, русловые участки в зонах технических коридоров подводных переходов трубопроводов через реку Обь и Алешкинскую протоку, а также через реки Надым, Вятка, Сура, Белая (Краснодарского края). Предмет исследования – влияние русловых процессов в зоне деформированных участков рек и каналов на устойчивость гидротехнических и мелиоративных сооружений.
Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических, экспериментальных и натурных исследований. Теоретической и методологической основой выполненных исследований являются классические труды Н.В. Гришанина, Е.А.Замарина, В.В. Пославского, М.В.Потапова, Г.А.Тер-Абрамянца, А.Г.Хачатряна, Х.Ш. Шапиро и других отечественных и зарубежных ученых. В исследованиях использовались разработки в области гидротехники, гидрологии, гидравлики русловых потоков, динамики сплошных сред, аналитического и численного моделирования.
Методика, оборудование и аппаратура, используемые при производстве гидрометрических измерений на участках подводных переходов через водотоки соответствовали требованиям существующих нормативных документов. Обработка данных экспериментальных и натурных исследований проводилась с использованием статистических программ и численных методов.
Научная новизна исследований состоит в разработке эффективных методов защиты гидросооружений, методик инженерных расчетов и технологий, в том числе:
- разработаны новые положения теории насыщения потока разнофракционными грунтами, полученные расчетные зависимости применены в практике проектирования, строительства и эксплуатации речных и гидромелиоративных сооружений;
- впервые теоретически обоснована и подтверждена натурными исследованиями, выполненными автором, методика прогноза деформаций русел рек и каналов в зоне влияния гидротехнических сооружений;
- предложена новая концепция защиты подводных переходов трубопроводов, основанная на выполнении русловыправительных работ гидромеханизированным способом и формировании динамически устойчивого русла;
- предложен метод диагностики состояния подводных переходов трубопроводов, позволяющий планировать эффективную стратегию их эксплуатации и своевременно проводить профилактический ремонт сооружений (взамен дорогостоящего капитального);
- разработан принципиально новый метод защиты каналов оросительных систем от заиления, обеспечивающий регулирование режима транспорта наносов и позволяющий снизить осаждение взвешенных частиц в сооружениях ирригационных систем.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Теоретическое положение о наличии связи между скоростью размыва дна песчаного русла и скоростью диффузии частиц из придонного слоя, подтвержденное результатами натурных исследований.
2. Методика прогнозирования размыва русел рек и каналов, основанная на теории насыщения потока разнофракционными наносами и связи размыва дна с транспортирующей способностью потока.
3. Методика расчета и технология формирования динамически устойчивого русла, включая метод создания защитного слоя намыва из наиболее крупных фракций грунта.
4. Методика диагностики технического состояния подводных трубопроводов с использованием коэффициента безопасности.
5. Методика регулирования режима транспорта наносов в каналах ирригационных систем.
6. Способ защиты русел водотоков от размыва на участках подводных переходов трубопроводов, основанный на формировании динамически устойчивого русла путем одновременного выравнивания поля скоростей водного потока и восстановления естественной отмостки (патент РФ № 2108424).
Достоверность научных результатов. Теоретический подход, используемый для вывода уравнения связи между транспортирующей способностью потока и размывом дна, базируется на общих уравнениях динамики сплошных сред (при наложении ряда условий: малые концентрации твердых частиц в потоке, равенство коэффициентов диффузии однородного двухфазного потока и отсутствие взаимодействия между твердыми частицами). Выдвинутое научное положение (в форме гипотезы) о наличии пропорциональной связи между скоростью размыва дна и скоростью диффузии частиц из придонного слоя было подтверждено результатами экспериментальных исследований автора, а также данными, опубликованными в научной литературе.
Достоверность предложенной методики прогноза русловых деформаций подтверждена результатами натурных исследований полей скорости и мутности, а также данными разновременных русловых съемок в период 1989-2002 гг. на участках технических коридоров через р. Обь (п. Андра) и Алешкинскую протоку, через реки Надым и Вятка.
Обоснованность методики формирования динамически устойчивого русла подтверждена результатами многолетних (13 лет) натурных наблюдений. Данные русловой съемки, проведенной до и после формирования динамически устойчивого русла, и их анализ позволили доказать высокую эффективность предлагаемого способа защиты подводных переходов трубопроводов.
Практическая значимость исследований. Диссертационная работа направлена на решение крупной народно-хозяйственной проблемы, связанной с обеспечением защиты гидросооружений от негативных последствий развития русловых процессов и созданием условий для безаварийной эксплуатации подводных переходов трубопроводов и каналов ирригационных систем.
Предложенная методика прогнозирования размыва речного русла рекомендуется к использованию во всех областях гидротехнического строительства, в частности, при проектировании, строительстве и эксплуатации противопаводковых защитных сооружений, мостов, струенаправляющих дамб, подводных переходов трубопроводов и каналов ирригационных систем.
Способ защиты подводных переходов трубопроводов, основанный на создании динамически устойчивого русла и защищенный патентом (№ 2108424) реализован при проведении ремонта 18-ниточного перехода магистрального газопровода через р. Обь, что позволило получить экономический эффект 189,9 млн.руб. (в ценах 1999 г.). Экономический эффект от внедрения способа диагностики технического состояния и новой технологии защиты подводных переходов трубопроводов через Алешкинскую протоку составил 284,6 млн.руб. (в ценах 1999 года).
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, определении направлений совершенствования теоретических разработок, участии в изысканиях, проведении длительных натурных экспериментов, системной обработке и анализе результатов, создании моделей и выполнении модельных расчетов, разработке методик для практического использования при проектировании, строительстве и эксплуатации гидросооружений, а также в разработке технических решений, практических выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном Гидравлическом Конгрессе (МАГИ, С.Петербург, 2002 г.), на Всероссийском гидрологическом съезде (2004г.), на технических совещаниях ОАО «Газпром» (1997-2004 гг.), на II-ой Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (ОАЭ, Дубаи, 2004 г.), на научно-практических конференциях ВНИИГиМ и МГУП (1990-2004 гг.). Научно-технические разработки экспонировались на Международных выставках (Таиланд, Бангкок, 2004; Иордания, Амман, 2005, 2006).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 26 печатных работах, в том числе, в журналах по Перечню ВАК 7, защищены патентами (№ 2108424, № 2115785 и а.с. №1587120).
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.