Критерии оценки технического состояния и эксплуатационной надёжности оросительных систем и сооружений

В настоящее время площадь орошения в России составляет 4,5 млн га, а срок эксплуатации оросительных систем от 40 до 60 лет. В связи с длительным сроком эксплуатации большинство оросительных систем имеет неудовлетворительное техническое состояние и характеризуется значительным снижением эксплуатационной надёжности. Основные показатели таких систем (КПД, КИВ, КЗИ, водообеспечен-ность, площадь засоленных земель, техническая оснащённость межхозяйственной и распределительной сети и др.) находятся на низком уровне и отвечают только системам 111 и IV разряда, требующим комплексной или частичной реконструкции [1].

Только в ЮФО и СКФО требуется проведение капитальных работ для повышения технического уровня на площади 1146,7 тыс. га или 51,3%, в том числе комплексная реконструкция оросительных си стем на площади 835,8 тыс. га или 37,4%, строительство и переустройство коллекторно-дренажной сети - 415,7 тыс. га или 18,6%.

Для оценки целесообразности реконструкции оросительных систем учитывают различные критерии: технического состояния системы, эксплуатационной надёжности систем и сооружений, возможности улучшения технических качеств объекта, соответствие потребительских качеств систем современному техническому уровню и др.

К показателям технического состояния оросительных систем можно отнести следующие:

• -    КПД оросительной сети

Йос — ймс Пхс йвхс ’

• -    показатель технического состояния оросительной системы или сети

Рт = Пойнор ’

- показатель износа основных элементов оросительной системы

Ри =(П/Лпов) -100%;

РИг = (A^/R пр) -100%, где Г|ос - КПД оросительной сети;

Рт - показатель технического состояния оросительной системы;

Ри - показатель износа основных элементов системы;

Лмсі Лхсі Лвхс - КПД соответственно магистральной и межхозяйственной сети, хозяйственной и внутрихозяйственной сети;

• 1]    - КПД оросительной системы;

Л пор - нормативный КПД оросительной системы;

П - площадь повреждений поверхности элементов системы;

Ғпов _ общая площадь поверхности элементов системы;

АТ? - снижение обобщенной несущей способности основных элементов системы;

^пр _ проектное значение обобщенной несущей способности.

Исходя из перечисленных выше показателей, критериями для оценки технического состояния являются условия:

• -    обеспечения КПД оросительной сети нормативному значению

Лос - Лнор ’

• —    обеспечения показателя технического состояния требуемому уровню

РТ — Ртлр ’

• -    обеспечения показателя износа элементов допустимому

Ри - Ри.доп '

где П НОр - нормативное значение КПД оросительной сети по СНиП 2.06.03.85 (табл. I);

Р , ф - требуемое значение показателя технического состояния оросительной системы (табл. I);

Ри доп _ допускаемое значение показателя износа при нормальном и удовлетворительном состоянии (табл. 1).

К критериям оценки технического состояния сооружений и конструкций оросительных систем, согласно СНиП 33-01-2003 [2], СНиП 2.06.06-85 [3], СНиП 2.06.08-85 [4], также относятся условия:

• -    при расчётах общей прочности и устойчивости

г , R

•ПСҒ^— fn

Таблица 1

Нормативные значения показателей технического состояния оросительных систем

Показатели технического состояния

Нормативное значение

Коэффициент полезного действия оросительной сети (КПД) -Лос: -    с каналами в земляном русле -    с облицованными каналами русла -    с внутрихозяйственной сетью в лотках —    с внутрихозяйственной сетью в трубах Показатель технического состояния оросительной системы или сети — Рт Показатель износа основных элементов системы - Ри : -    при нормальном техническом состоянии -    при удовлетворительном состоянии —    при недостаточном техническом состоянии —    при неудовлетворительном техническом состоянии

Не менее 0,80 0,85 0,85 0,90 Не менее 0,90 Не более 5% 10-20% Более 20-30% Более 30%

где у/с - коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый по СНиП 33-01-2003 [2];

• -    для основного сочетания нагрузок и воздействия в период нормальной эксплуатации - 1,0;

• -    то же, для периода строительства и ремонта - 0,95;

Ғ - расчётное значение обобщённого силового воздействия или деформации, по которому производится оценка предельного состояния, определённое с учётом коэффициента надёжности по нагрузке у у¹, представленного в СНиП 33-01-2003 [2];

R - расчётное значение обобщённой несущей способности, деформации или другого параметра, устанавливаемого нормами проектирования отдельных видов гидротехнических сооружений, определённое с учётом коэффициентов надёжности по материалу у_ш или грунту уд и условий работы у с;

Уд - коэффициент надёжности по ответственности сооружения, принимаемый в зависимости от класса сооружений: I - 1,25; П- 1,20; ПТ- 1,15; TV- 1,10.

Критерием целостности железобетонных элементов ГТС по образованию трещин, нормальных к продольной оси элемента для центрально растянутых элементов, согласно СНиП 2.06.08-87, служит соотношение

НС ^N - YcY nd ^Rbl ser^Ared> где у/(" - коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый по СНиП 2.06.01-86;

N - продольная сила, действующая нормально к продольной оси элемента;

Yc Y/> Ү<7 _ коэффициент условий работы, сочетания нагрузок и влияния на трещино-стойкость элемента количества арматуры;

Rbt ser - расчётное сопротивление бетона осевому растяжению для предельного состояния второй группы;

^red - площадь приведённого сечения элемента.

К показателям герметичности конструкции оросительных систем (бетонных элементов ГТС, противофильтрационных облицовок и экранов канала и водоёмов)

следует отнести коэффициент фильтрации [5].

Коэффициент фильтрации бетона в конструкциях ГТС, в соответствии с ГОСТ 12730.5-84, определяется по зависимости

ОЬо

Н=х\^-'

ьтр

где Q - количество фильтрата;

бу - толщина образца бетона;

• 5 - площадь поверхности бетонного элемента;

т - время фильтрации;

Р - давление воды;

q - коэффициент, учитывающий вязкость воды (q =1 при Т- 20 °C).

Осреднённый коэффициент фильтрации противофильтрационной облицовки (экрана) рассчитывается по формуле [6]:

где К^ - осреднённый коэффициент фильтрации;

Ь_о - толщина облицовки (экрана);

h_o - глубина воды над облицовкой (экраном);

F_o - площадь поверхности облицовки (экрана).

Нормативные значения коэффициентов фильтрации конструкций оросительных систем приведены в таблице 2.

Гидравлическая эффективность и эксплуатационная надёжность работы оросительной системы будет обеспечиваться при соблюдении следующих основных критериев [8]:

• а)    по водообеспеченности

^(V) = С?вод — 7ср^ > ^ '

• б)    по пропускной способности оросительной сети

^(С)^(?_р     ^°ф;

«£?р > ФО 0;

• в)    по коэффициенту полезного действия оросительной сети

РС^Пнор -Пэ 2°;

РПнор ^0l)^0;

• г)    по показателю технического состояния системы

^(Рт) = ^т.нор. — ^т > а^т.нор. -^(^т) — O'-где 5вод - расход водозабора в оросительную систему для 75%-ной обеспеченности;

А - площадь системы;

^ср - средний гидромодуль системы;

• б_э, Qp - соответственно эксплуатационная и расчётная пропускная способность оросительной сети;

• ЙЭ’ Л пор - эксплуатационное и нормативное значение КПД системы;

Рт, Ру нор - эксплуатационная и нормативная вероятность безотказной работы системы;

• а, Р, ү, а - коэффициенты допустимого снижения нормативных показателей, принимаемые от 0,03 до 0,05.

Гидравлическая эффективность и эксплуатационная надёжность ороситель ных каналов будет обеспечиваться при выполнении основных критериев:

• а)    по допускаемым скоростям ^/) = //-//_нез >0;

^(^) — — ^нер < 0 ’

• б)    по пропускной способности русла

^(У) = УпР-У;

аоУпр — ^((2) — о'

• в)    по КПД канала

^(л)-Лнор -л;

РоЛнор ^(П)^0, где U , £7_Нез ’ ^пср “ средняя и допустимая незаиляющая и неразмывающая скорость течения;

0, 5пр - фактическая и проектная (расчётная) пропускная способность;

Л ’ Лпор ~ фактический и нормативный КПД канала;

qq ,ро, oq, pg - коэффициенты допустимого снижения нормативных показателей до 0,05 [6].

Нормативные значения коэффициентов фильтрации в конструкциях оросительных систем

Таблица 2

Конструкции оросительных систем	Коэффициент фильтрации Аф (см/с)
Бетонные элементы ГТС марки бетона по водонепроницаемости [7] ^2	7-10"8 - 2- Ю"7
ИМ	2- 10“х — 7
ИМ	6-10“У — 2 10“х
ИМ	ІІО^-бІО"”
ИЧ0	6-Ю'10 - 1-Ю'9
ИЧ2	<61О"10
Противофильтрационные облицовки и экраны каналов и водоёмов по СНиП 2.06.03-85: Бетонные монолитные облицовки	0,23-10"6 - 0,8Г 10'6
Железобетонные сборные облицовки	0,29-10"6 - 0,8Г 10'6
Сборные бетоноплёночные облицовки	0,29-10 ° -0,35-10"°
Монолитные бетоноплёночные облицовки	0,29-10"6-0,35*10"6
Бетоноплёночные облицовки повышенной надёжности с применением геомембран	Г10"10- ГЮ"8
Асфальтобетонные облицовки	0,23-10"6-0,46-10"6
Грунтоплёночные экраны	0,29-10"”-0,40-10"”

Гидравлическая эффективность и эксплуатационная надёжность гидротехнических сооружений на оросительной сети будет обеспечиваться, если выполняются критерии [8]:

• а)    по пропускной способности р(0=епр - 2;

^ао(?пр — Ф^О^ — ^^

• б)    по поддержанию гидравлического перепада (для трубчатых ГТС)

ф(2) = г-гр;

3z_p >  ф(г) > 0;

• в)    по соблюдению затопленного режима сопряжения в нижнем бьефе

^(^ср)= ^С — ^б ‘ 0 ’ где Q, Qwp - фактическая и проектная (расчётная) пропускная способность (расход) сооружений;

z, Zp - гидравлический перепад фактический и расчётный (проектный);

^с^б - соответственно вторая сопряжённая и бытовая глубина в нижнем бьефе.

Для оценки технического состояния, гидравлической эффективности и эксплуатационной надёжности сотрудниками отдела гидротехнических сооружений и гидравлики ФГНУ «РосНИИПМ» были проведены обследования 7 оросительных систем в ЮФО и СКФО (Ростовская область, Ставропольский край, Астраханская область) и более 40 гидротехнических сооружений на них.

Для примера в таблице 3 приведены результаты обследований и оценки технического состояния и эксплуатационной надёжности Азовской оросительной системы Ростовской области.

Азовская ОС была введена в эксплуатацию в 1953 году, имеет площадь орошения 19900 га, расход в голове магистрального канала составляет 18,0 м3/с, кпд оросительной сети - 0,53, КПД магистрального канала в земляном русле — 0,78.

Анализ оценочных критериев технического состояния и эксплуатационной надёжности показывает, что КПД оросительной сети на Азовской ОС значительно ниже норм (по СНиП 2.06.03-85). Значительно ниже также и другие показатели -показатель технического состояния, водо-обеспеченность, показатель эксплуатационной надёжности. Показатель износа основных элементов системы превышает 20%, тогда как допускаемое его значение должно быть не более 10%. Фактическое значение магистрального канала составляет 0,78, в то время как по нормам СНиП оно должно быть не менее 0,90.

Полученные оценочные критерии свидетельствуют о неудовлетворительном техническом состоянии как Азовской ОС в целом, так и основных её сооружений. В связи с этим для повышения технического уровня системы требуется и комплексная реконструкция на площадях 11400 га (57% общей площади), включающая реконструкцию магистрального канала с устройством современных конструкций противофильтрационных облицовок, насосных станций, перегораживающих и сопрягающих сооружений, применение измерительных комплексов и др.

Основными индикаторами повышения технического уровня системы при её реконструкции могут служить следующие показатели:

• -    повышение КПД сети до 0,80;

• -    повышение КПД магистрального канала до 0,95;

• —    повышение показателя технического состояния до 0,93;

• -    рост урожайности сельхозкультур на 30-50%.

После достижения указанных индикаторов оросительная система по уровню технического состояния будет соответствовать I—П разряду по известной классификации [1], что отвечает хорошему и удовлетворительному уровню.

Таблица 3

Оценка технического состояния и эксплуатационной надёжности Азовской ОС Ростовской области

Основные показатели	Сравнение оценочных критериев технического состояния и гидравлической эффективности и эксплуатационной надёжности системы	Оценка технического состояния оросительной системы и комплекс мероприятий по его повышению
Ғор = 19900 га, Пос “0.53. £?мк =18,0 м /с, Пмк “ 0,78, год ввода - 1953.	1.    КПД оросительной сети Г|ос = 0,53 < г|ос = 0,80 2.    Показатель технического состояния Рт = 0,66 < Рт НОр 3.    Показатель износа Ри > 20%(требуемый не более 10%) 4.    Водообеспеченность 60% (требуемая не менее 70-90%) 5.    Показатель гидравлической эффективности ф^ = Q - дэ = 20,0 -18,0 = 2,0 м3 / с > а(?р = 0,05 • 20,0 = 1,0 м3 / с 6.    Показатель эксплуатационной надёжности *1) = Пнор "Пэ =0,80-0,53 = 0,27 >РЛнор = 0,05- 0,80 = 0,04 7.    Магистральный канал протяжённостью 92,2 км: — в земляном русле на всей длине; - КПД фактическое г|мк _0.78<^   >0,90; - техническое состояние - неудовлетворительное на отдельных участках 8.    Индикаторы повышения технического уровня системы: -    повышение КПД сети до 0,80; -    повышение КПД МК до 0,95; -    повышение Рт до 0,9; -    рост урожайности на 30-50%	Техническое состояние системы - неудовлетворительное (оценочные критерии ниже нормативных или рекомендуемых значений). Требуется комплексная реконструкция системы на площади 11400 га, включающая реконструкцию МК, НС, РЗУ, ИК и других сооружений.

Таким образом, указанные критерии технического состояния и эксплуатационной надёжности оросительных систем и сооружений позволяют произвести оценку их уровня и разработать соответствующие мероприятия (ремонт, частичную или комплексную реконструкцию).