Актуальность работы. Активное строительство водоотводящих сетей в Москве началось в конце ХIХ века и в основном завершилось в 50-60 годы. В настоящее время около 60% водоотводящих сетей г. Москвы находится в первозданном виде. Это приводит к тому, что из-за её ветхости ежегодно увеличивается число аварий на сетях, ведущих к серьезным экономическим и социальным последствиям: подтоплению территорий, изливу сточных вод на рельеф местности, нарушению эффективной работы канализационных очистных сооружений за счет спонтанного увеличения или уменьшения расхода поступающих на обработку сточных вод и т.д.

В крупных городах России в настоящий момент вопрос предупреждения выхода из строя водоотводящих сетей приобретает особую актуальность. В коммунальном секторе старение трубопроводных коммуникаций и другого оборудования достигли критических уровней: свыше 70% находятся в неудовлетворительном состоянии. Из общей протяженности российских водоотводящих сетей в 163 тыс. км немедленной замены требуют 58 тыс. км.

В связи со сложившейся ситуацией для реализации долгосрочных экономических, социальных и экологических проблем, стоящих перед современным городом в рамках реформирования ЖКХ, решение задачи интенсификации эксплуатации сетей, предотвращения или сокращения аварий и раннего старения трубопроводов становится одной из актуальнейших проблем коммунальных служб большинства регионов РФ.

Современные тенденции широкого использования в коммунальном хозяйстве новых труб из различных материалов (в том числе синтетических) в период ремонта и модернизации старых сетей приводят к тому, что водоотводящая сеть городов из года в год становится все более разнородной, что сказывается на трудностях оценки гидравлических показателей. Поэтому при проектировании ремонта и проведения восстановительных работ на водоотводящих сетях, а также их эксплуатации значительная роль должна отводиться гидравлической составляющей для исключения или сведения до минимума гидравлического дисбаланса.

Цели и задачи работы.

В первой главе на базе литературных источников произведен анализ факторов, дестабилизирующих нормальную работу водоотводящей сети с отражением специфики ее эксплуатации в больших городах-мегаполисах (Москва, Санкт-Петербург и других крупных городов, в том числе зарубежных).

В результате обработки литературных источников изучен и творчески переработан опыт выдающихся ученых, занимавшихся вопросами надежности водоотводящих сетей, оценки их состояния и интенсификации эксплуатации, а также совершенствования гидравлического расчета. К таким работам в первую очередь относятся труды Яковлева С.В., Воронова Ю.В., Альтшуля А.Д., Лукиных Н.А., Шевелева Ф.А., Калицуна В.И., Кармазинова Ф.В. Храменкова С.В., Примина О.Г., Ермолина Ю.А., Алексеева М.И., Шези А. (Франция), Гончаренко Д.Ф., Коринько И.В. (оба из Украины), Куличковского А., Звиршовской А. (оба из Польши) и многих других.

Обобщая разработки отечественных и зарубежных ученых и специалистов в диссертации отмечается, что к основным факторам и воздействиям, дестабилизирующим надежную работу трубопроводов городских водоотводящих сетей могут быть отнесены следующие: год укладки; толщина стенки; нарушения в стыках труб; дефекты внутренней поверхности; засоры различного происхождения; нарушение герметичности в теле трубы; деформация тела трубы; глубина залегания труб; состояние грунтов вокруг трубопровода; наличие подземных вод вокруг трубопровода; интенсивность транспортных потоков.

На основе выявления и предварительной оценки факторов был сделан вывод о необходимости установки между ними прямой или косвенной связи в системе, которая может быть осуществлена путем использования математического аппарата, в частности, построения физических и математических моделей на базе широкого использования результатов теледиагностических и инженерно-изыскательских работ на трассе.

Богатый опыт МГУП "Мосводоканал" свидетельствует, что важнейшую роль в определении первоочередного объекта реновации на водоотводящей сети играет фактор "наличие засоров различного происхождения", на чем сегодня строится практика выбора объектов восстановления (особенно для труб диаметром от 100 до 250 мм). Однако сущность и причины проявления данного частного фактора пока полностью не раскрыты, несмотря на имеющийся в подразделениях значительный статистический материал по засоряемости действующих безнапорных водоотводящих сетей. Из литературных источников следует, что причиной засоров может служить гидравлическая несовместимость участков труб из различных материалов вблизи стыков. По этому вопросу авторами публикаций, к сожалению, представлены лишь теоретические выкладки, не подтвержденные практическим опытом. Таким образом, вопросы гидравлической совместимости, а точнее определение вариантов оптимального подбора материала трубопроводов по соответствующим гидравлическим характеристикам, также были положены автором диссертации для рассмотрения и последующей интерпретации с учетом реальных условий эксплуатации.

В диссертации анализируется опыт ряда зарубежных стран (Германии, Франции, Великобритании, Польши, Украины и т.д.) в выборе подходов к разработке стратегии реновации сетей.

Согласно литературным источникам в крупных городах Европы (Гамбург, Дюссельдорф, Лондон, Копенгаген, Ливерпуль и других) на сегодняшний день не существует какого-либо единого и целенаправленного подхода к реновации водоотводящих сетей, а также сколько-нибудь законченной стратегии выбора приоритетного объекта санации или обновления. При этом обращает на себя внимание отсутствие такого важного компонента системы как ранжирование участков сетей по тому или иному признаку на приоритетность к реновации. За критерий выбора объекта ремонта или реконструкции берётся аварийная ситуация на сети или предпочтение отдается проведению восстановительных работ на том или ином объекте по финансовым соображениям. Налицо нередка и такая ситуация, когда плановых инспекционных обследований и диагностики не производится и, таким образом, стратегии широкомасштабного устранения дефектов не существует (например, в Ливерпуле). В этом случае городские коммунальные службы руководствуются так называемой стратегией "пожарной команды" или "штопанья дыр". Иногда критерием принятия решений является лишь совокупность дефектов (в основном в процентном выражении по отношению к длине трубопровода) без выявления среди них какого-либо приоритетного.

Анализ литературных источников показал, что препятствием разработки стратегии реновации сетей может служить и достаточно разрозненный характер имеющейся информации, особенно для участков сетей, находящихся в эксплуатации несколько десятилетий. Это можно объяснить следующим: неполной информацией о трубопроводе (включая, в частности, его возраст, интенсивность отказов и т.д.); недостаточной информацией о структуре окружающей почвы, горизонте грунтовых вод; отсутствием достоверных данных об эффективности эксплуатации за весь период работы трубопровода. При этом для выбора объекта реновации чаще других рассмотрению подлежат следующие критерии: ситуация с грунтовыми водами, качественные характеристики воды, степень инфильтрации и эксфильтрации и другие показатели. Однако до настоящего момента не выделена их взаимосвязь и очередность рассмотрения. В конце первой главе сформулирована постановка задачи исследований, которые представлены автором в разделе цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе произведена комплексная оценка состояния подлежавших ремонту безнапорных водоотводящих керамических и чугунных трубопроводов диаметром 150-250 мм, принадлежащих 10 районам эксплуатации канализационной сети (РЭКС). Представлен детальный анализ внешних дестабилизирующих работу водоотводящей сети факторов на основе собранных статистических материалов по проектированию, эксплуатации и ремонту за 2002-2005 годы, а также анкетированию и натурных данных по визуальному осмотру и теледиагностики (материалы видеоархива) выборочных участков.

Основными задачами обработки данных явилось выявление динамики изменения отдельных дестабилизирующих работу трубопроводов внешних факторов и их взаимовлияния на техническое состояние безнапорной трубопроводной сети. В результате анкетирования и обработки информации о состоянии подлежавших ремонту сетей общей протяженностью более 41 км выявлены и описаны в единой системе дестабилизирующие работу сети факторы и последствия их проявления. В качестве примера, на рисунке 1 представлена динамика изменения количества ремонтных участков погодам укладки.

Характер графиков рисунка 1 свидетельствует, что воздействию дестабилизирующих факторов наиболее подвержены участки 1956-1965 года укладки, что в последующем было учтено при разработке семантической и математической моделей работы сети, а затем создания алгоритма и автоматизированной программы очередности проведения восстановительных работ на безнапорных трубопроводах.

Рис. 1 Динамика изменения количества ремонтных участков по годам укладки

По результатам работы с архивными и анкетными данными выявлена результирующая информация о техническом состоянии подлежавших восстановлению трубопроводов и определены общие корреляционные зависимости для каждого и всех РЭКС. В таблице 1 приведена сводная информация по анализу фактора "глубина залегания трубопровода".

На базе данных таблицы 1 по физическому состоянию участков трубопроводов при различных глубинах их залегания в зависимости от места расположения участка, преобладающего типа нарушения герметичности, наличия препятствий течению сточной жидкости, типа нарушений в стыках и типа деформации были построены соответствующие математические зависимости, которые позволили на следующем этапе работы произвести рейтинговую (балльную) оценку факторов.

В качестве общих выводов по анализу динамики роста повреждений на участках труб следует отметить, что дестабилизирующему фактору "Глубина залегания" необходимо уделять существенное внимание. С увеличением глубины залегания трубопровода увеличивается количество различных дефектов (патологий). Аналогичная зависимость проявлялась для дестабилизирующего фактора "Наличие грунтовых вод" от глубины залегания трубопровода. По результатам обработки данных выявлена следующая тенденция: наличие воды над трубопроводом при заложении его на глубинах 3,5-4,0 м наблюдается в 46,9-54,5 % случаев; на средних глубинах залегания (2,5 - 3,0 м) количество случаев наличия воды над трубопроводом снижается до 25,5 - 34,3 %, а при малых глубинах (1,5 - 2,0 м) составляет 10, 0 - 21,7 %. В качестве выводов было отмечено, что учет дестабилизирующего работу сети фактора "Наличие грунтовых вод над трубопроводом" при определении приоритетных объектов реновации должен быть расширен сведениями об агрессивности подземных вод к материалу трубопровода и стыковочным узлам, т.е. необходимости учета степени минерализации окружающей трубопровод подземной воды (слабоминерализованная, среднеминерализованная и высокоминерализованная).

Полученные выводы по динамике изменения отдельных факторов использованы в дальнейших исследованиях для разработки стратегии проведения восстановительных работ на водоотводящих сетях.

Глава 3 является логическим продолжением предыдущих исследований дестабилизирующих работу безнапорной сети факторов и посвящена разработке баз данных, физической и математической моделей работы системы самотечных трубопроводов на основе результатов теледиагностики и инженерных изысканий, а также созданию алгоритма и программы очередности восстановления водоотводящих трубопроводов, в основе которых лежат рейтинговые значения (баллы значимости) участков сети.

На основе использования графово-матричного метода с учетом результатов, описывающих динамику изменения отдельных дестабилизирующих факторов установлены ранги значимости каждого дестабилизирующего фактора, проведено ранжирование элементов состояния факторов и разработан вариант паспорта ранжирования трубопровода на основании балльной системы.

Таблица 1 Сводная информация по анализу фактора "Глубина залегания трубопровода"

Определение соответствующих баллов (рейтингов) значимости каждого фактора и элементов его состояния базировалось на установленных связях, выраженных полученными ранее различными (в количестве 18) математическими зависимостями. В качестве примера, зависимость количества ремонтных участков (Y) от глубины залегания (X) труб под проезжей частью дорог оценивалось степенной зависимостью Y = 1,7205x^2,0428, динамика интенсивности засоров для керамических труб в зависимости от их диаметров - экспоненциальной зависимостью вида Y = 17,787е^-0,0209 и т.д.

На основании результатов статистической обработки натурных данных по дефектам водоотводящих сетей и опыта эксплуатации автором предложена следующая иерархическая последовательность принятие решения о планировании проведения ремонтно-восстановительных работ на безнапорной водоотводящей сети: I. "отсев неблагоприятных участков", т.е. участков сети с превышенным нормативным сроком эксплуатации, явными структурными и функциональными дефектами, например, выявленными по результатам визуального осмотра или средствами теледиагностики, а также значительной степенью (частотой) засоряемости; II. выбор приоритетных объектов восстановления из числа "отсеенных" на основе комплексной ущербности по совокупности воздействия дестабилизирующих факторов; III. выбор первоочередных объектов восстановления из числа приоритетных (по распечатанному списку) на базе таких характеристик участков как: вид сети (дворовая, городская), значимость их в системе водоотведения города, количества и характера обслуживаемых ими абонентов, возможности переключений при ремонте, экологической опасности в случае аварийной ситуации и другие.

Предлагаемая автором трёхуровневая иерархическая система позволит специалистам комплексно и научно обоснованно подойти к поиску наиболее ущербного участка и планированию на нем соответствующих восстановительных работ с минимальными ошибками в выборе метода реновации. За критерий выбора приоритетного для восстановления участка водоотводящей сети принимается максимальный балл, характеризующий степень его ущербности по комплексу показателей.

Приведён пример использования автоматизированной программы для решения конкретной задачи выбора объектов реновации и распределения участков сетей по приоритетности реновации в зависимости от коэффициентов относительной значимости, назначаемых эксплуатирующими организациями в зависимости от их возможностей и конкретных обстоятельств.

Четвёртая глава посвящена результатам стендовых натурных гидравлических исследований по оценке совместимости труб, выполненных из различных материалов (покрытий).

Целью проводимых натурных экспериментов являлось: определение коэффициентов Шези С, Дарси л, гидравлических элементов потока и других параметров для труб из различных материалов; использование полученных опытных значений коэффициента Шези С и наполнения h/d в качестве критерия приближенного гидравлического подобия и построение унифицированных таблиц гидравлического расчета труб из разных материалов (или с различными защитными покрытиями); выявление условий гидравлической совместимости участков трубопровода, расчета и проектирования самотечных трубопроводов выполненных из различных материалов.

В качестве исследуемых на стенде ремонтных материалов трубопроводов рассмотрены следующие: тонкий полимерный рукав, нанесенный на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм; полиэтиленовая труба ПНД ГОСТ 18599-03 110С 200 условным диаметром 100 мм; цементно-песчаное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм (с учетом защитного слоя внутренний диаметр нового трубопровода составляет 90 мм).

Для проведения натурных экспериментов был запроектирован (при участии автора) и смонтирован опытный поверочный гидравлический стенд (лаборатория кафедры водоснабжения МГСУ, Ярославское шоссе, 26, аудитория 112 в). Стенд включает две емкости (накопительную габаритами 2х2х1 м и промежуточную 2х1х0,8 м), расположенные на расстоянии 15 м друг от друга, экстакаду с жестко закрепленными на ней тремя параллельными трубопроводами диаметрами 100 мм (двумя стальными с полимерным и цементно-песчаным покрытиями и полиэтиленовым). Эстакада выполнена с возможностью изменения уклона трубопроводов за счет механического домкрата, обеспечивая диапазон уклонов i=0,001-0,035. На трех трубопроводах в двух точках с расстоянием между ними 10 м установлены пьезометры и трубки Пито для отбора статического и динамического давлений.

Для подачи воды использовались два центробежных насоса марки АЦМП-80А/130-3,0/2 (расход 43,2 м³/ч, напор 13,6 м, n = 2900 об/мин) с регулируемым автоматическим приводом, обеспечивающим изменение частоты вращения рабочего колеса от 0 до 2900 об/ мин.

Эскиз опытной установки представлен на рисунке 2.

Для проведения экспериментов автором была разработана специальная комплексная методика, сущность которой выражалась в следующей последовательности действий: снятие показаний давлений с пьезометров и трубок Пито, определения величин наполнений и скоростных напоров V^2/2g в живых сечениях с последующим расчетом скоростей воды в каждом сечении, подсчета средней скорости потока и потерь напора на экспериментальном участке по формуле Дарси-Вейсбаха в широком диапазоне уклонов трубопроводов (0,005-0,03); замер расхода воды объемным методом с последующим расчетом средних значений гидравлических элементов потока для трубопровода соответствующего диаметра и определения величин коэффициентов Шези С и Дарси л с построением эмпирических и полуэмпирических зависимостей С=f (i), С=f (R), С=f (h/d) и л=f (h/d); использование полученных зависимостей для перехода от исследуемого диаметра (100 мм) к большим диаметрам (150, 200 мм и т.д.) с построением таблиц гидравлического расчета для каждого трубопровода с соответствующим покрытием; оценка гидравлической совместимости при решении конкретных вопросов проектирования ремонта безнапорных трубопроводов как традиционным траншейным, так и бестраншейным методом, т.е. определения оптимальных уклонов и скоростей течения при требуемых расходах протекаемой жидкости.

Рис.2 Эскиз экспериментального стенда

На рисунке 3 представлены наиболее характерные сводные зависимости С=f (R) по полученным полуэмпирическим формулам для 4-х типов труб (для керамической трубы использованы данные из таблицы Лукиных Н. А.).

Согласно кривым, представленным на рисунке 3, для расчетных наполнений 0,5 и одинаковых уклонах значения коэффициентов Шези С больше всего для полимерного покрытия и меньше всего для керамической трубы, что свидетельствует о большей скорости течения воды и соответственно большей пропускной способности труб из исследуемых материалов согласно формуле Шези: .

1. Установлено, что на сегодняшний день в мировой и отечественной практике эксплуатации водоотводящих сетей больших городов отсутствуют научно-обоснованные универсальные подходы по совершенствованию эксплуатации и разработке долгосрочной стратегии предотвращения аварийных ситуаций и реновации выходящих из строя трубопроводов.

2. На основе изучения архивной базы данных 2002-2004 года по аварийности безнапорных сетей малого диаметра (150 - 250 мм) по отдельным районам эксплуатации канализационной сети (РЭКС) Москвы установлена общая картина проявления дестабилизирующих работу безнапорной водоотводящей сети факторов с математическим описанием динамики их изменения, определены функциональные зависимости между дестабилизирующими факторами и произведена оценка степени значимости их по отношению к другим в единой системе.

3. На основе обработки проектных, инвентаризационных и статистических данных по эксплуатации участков водоотводящей сети, протяженностью более 41 км, выявлены и проанализированы основные факторы, дестабилизирующие их нормальное функционирование; определены наиболее значимые дестабилизирующие факторы, в частности, "глубина заложения труб" и "наличие грунтовых вод", которые должны рассматриваться как приоритетные при планировании объектов реновации сетей, так как в настоящее время в результате подтоплений наличие грунтовой воды над трубопроводами при заглублении их на глубинах 3,5 м и более наблюдается в 46,9-54,5 % случаев.

4. В целях интенсификации эксплуатации разработаны иерархические уровни принятия решения по очередности восстановления водоотводящих сетей, где в качестве основного принят уровень, базирующийся на статистических данных по техническому состоянию водоотводящих сетей; на основе корреляции результатов практических исследований и теоретических выкладок по ранжированию участков сети по степени их ущербности составлен паспорт участка, а также разработаны алгоритм и автоматизированная программа поиска приоритетного для реновации участка.

5. Приведен пример использования автоматизированного комплекса для поиска объекта реновации в реальных условиях Московской канализации, позволяющий интенсифицировать процесс реновации трубопроводов.

6. Проведены комплексные гидравлические исследования на специальных полупроизводственных стендах с трубопроводами диаметром 100 мм из различных материалов и определены условия их гидравлической совместимости в случае взаимозамены (ремонта) труб при проведении восстановительных работ на сетях.

7. Разработана унифицированная методика проведения экспериментов на поверочных стендах для выявления зависимостей коэффициента Шези С от уклона i и гидравлического радиуса R для любых типов материалов труб в реальном исполнении, т.е. для фактической шероховатости после заводского изготовления.

8. Получены полуэмпирические зависимости коэффициента Шези С от гидравлического радиуса R и диаметра d для различных материалов труб (покрытий), на основе которых построены унифицированные таблицы гидравлического расчета для безнапорных трубопроводов: для полимерного покрытия: С=17,043lnR - 17,038ln (d) + 208,2; для полиэтиленовой трубы С=14,245lnR - 14,239ln (d) + 179,29; для цементно-песчаного покрытия С=20,713lnR-19,898ln (d) +233,84.

9. Проведено технико-экономическое сравнение различных вариантов проектирования реновации безнапорных сетей малого диаметра и предложены варианты принятия решения, соответствующие минимальному значению стоимости производства ремонтных работ и минимальному гидравлическому дисбалансу при использовании различных бестраншейных технологий и материалов (защитных покрытий) трубопроводов.

10. Отдельные положения работы (паспорта безнапорных трубопроводов, алгоритм принятия решения) внедрены в практику ремонтно-восстановительных работ МГУП "Мосводоканал".

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора