2. Проблеми надійності
Водогосподарських об’єктів
2.1. Формування умов роботи водогосподарських об’єктів
Водогосподарський об’єкт представляє собою єдність таких трьох основних частин: інженерних систем і гідротехнічних споруд, довкілля та обслуговуючого персоналу. Тому фактори, які впливають на надійність діляться на три основні групи: технічні, фактори довкілля та експлуатаційні фактори.
Технічні фактори – фактори які залежать від рівня технічного оснащення. До таких відносяться:
структура об’єкта і робочі режими;
резервування;
контроль технічного стану і відновлення;
характеристика комплектуючих елементів споруд і систем;
захищеність від шкідливої дії довкілля;
якість технологічного процесу;
ступінь пристосованості об’єкта до експлуатації
Структура об’єкта суттєво впливає на його надійність. Кожна із його складових систем проектується так, щоб навіть при відмові можливо було б забезпечити працездатність окремих частин чи груп елементів.
Резервування – використання резервних засобів замість тих, які відмовили.
Контроль за технічним станом всіх засобів і елементів що входять до складу системи водогосподарських об’єктів, є необхідною умовою для забезпечення працездатності системи. Тільки на основі достовірного і достатньо повного контролю можливо управляти надійністю – включати резервні елементи, змінювати структуру, управляти процесом функціонування.
Раціональний вибір комплектуючих елементів відноситься до рівня важливіших факторів, що впливають на надійність. Особливо важливо вибирати ті елементи, які тривалий час будуть зберігати свої характеристики.
Захищеність елементів від шкідливої дії довкілля.
Якість технологічного процесу – є першоосновою надійності елементів (гідротехнічних споруд) та їх комплектуючих. Виробничий контроль стає більш складним. Складними стають і самі елементи.
Ступінь пристосованості елементів водогосподарських об’єктів для їх експлуатації. Засоби попередження неправильних дій (включень, виключень тощо) можуть бути включеними в елементи системи захисту споруд.
Під час експлуатації ВГО режим роботи ГТС, ГТК формують зовнішні діючі чинники: довкілля: повітряна атмосфера; водне середовище, хвилі; шуга і лід; низька і висока температура; атмосферні опади; вітер та буря; сонячна радіація; сейсмічні поштовхи; навколишнє середовище ґрунту до ГТС, суфозія, фільтрація, випинання, тощо, а також керовані експлуатаційні фактори, технологічні дії по переформуванню гідравлічного режиму при управлінні (гідравлічний удар, хвильові процеси, стоячі хвилі тощо (рис. 2.1).
Повітряна атмосфера насичена масою хімічних сполук, пилу і газу, які руйнують ГТС, забруднюють воду. Хімічні сполуки, які знаходяться в повітрі, особливо в сполуці з водою, викликають корозію, приводять до появлення шпарин, засмічують та руйнують бетонні конструкції, механічне обладнання, їх закладні частини тощо. Разом з тим підвищення вологості без агресивних хімічних сполук збільшує міцність бетону. В умовах сухої та чистої атмосфери бетонні, металеві, споруди з каменю можуть зберігатися на протязі сотень років. Таким чином, стан споруд ВГО залежить від ступеню агресивності повітряної атмосфери.
Рис. 2.1. Модель формування умов роботи водогосподарських об’єктів
Основними засмічувачами повітря, які підвищують агресивність середовища, є продукти згоряння різного палива та викиди хімічних підприємств. Тому металеві споруди, побудовані поблизу міст і промислових об’єктів, піддається корозії в 2...4 рази інтенсивніше, чим в районах сільської місцевості.
Водне середовище інтенсифікує механічні, фізико-хімічні та біологічні впливи на ВГО.
Механічні впливи діляться на статичні, динамічні та абразивні. До статичних відносяться тиск води, льоду, ґрунту в зворотних засипках, наносів, які відкладаються перед спорудами, тощо. Динамічні впливи виникають при ударі потоків, льоду, плаваючих тіл, при недопустимих хвильових явищах, гідравлічного удару сейсмічних поштовхів тощо. Прикладом механічного абразивного впливу є знос шиберу засувки при роботі її в незакритому стані.
Хвилі дають динамічний тиск на елементи ГТС. Сполучення нагону та накату хвиль може привести до переливу через гребінь ґрунтової греблі і її руйнуванню, розмиву берегів каналів.
Шуга та лід утворюються в період від початку формування від’ємних температур до моменту очищення ріки від льоду. Шуга (малі частинки льоду, які знаходяться у воді) може забивати русло річки, каналу, утворювати зажор, при цьому вище за течією виникає підпір. Лід, який збирається у звуженій частині річки, утворює затор. Присутність льоду та шуги заважає пропуску повені, роботі рибозахисних та рибопропускних споруд, суттєво знижує пропускну здатність ГТС.
Фізико-хімічна дія води на споруди проявляється в корозії металу та бетону, руйнуванні бетону при замерзанні та відтаванні (перехід через «0») і під дією агресивних вод, суфозії ґрунту або бетону в результаті фільтрації потоку. При обтіканні поверхні елементів споруд потоком на них виникають локальні зони з пониженим тиском, на яких проходить кавітаційна ерозія, виникають каверни. Кавітаційні руйнування мають місце на гідротехнічних спорудах, робочих коліс та лопатей насосів.
Біологічні впливи води пояснюються життєздатністю мікроорганізмів, які розвиваються у водному середовищі і на елементах системи. Їх впливи проявляються у вигляді життя різних бактерій, заростання трубопроводів, фільтрів, окремих частин споруд молюсками дрейсен у різних формах на насосних станціях, загнивання синьо-зелених водоростей у водосховищах та зміна якості води.
Бетонні споруди у звичайній воді стають з часом міцніші, в агресивній – руйнуються. Дерево, яке постійно знаходиться у воді, може зберігати свою міцність до сотні років. Флютбети старих шлюзів на Поліссі працюють ще і зараз. Разом з тим в зоні зміни рівнів води і впливу атмосфери дерево руйнується швидше.
Низька температура може привести до часткового або повного промерзання дренажу, появі тріщин на схилах гребель, значного розкриття ущільнень, промерзання труб, випинанню та випиранню глинистого ґрунту. Крім того, низька температура викликає тужавлення мастил механічного обладнання, обмерзання решіток, пазів і ущільнювачів, знижує міцність та пластичність елементів із пластмас, поліетилену, гуми.
Висока температура викликає температурні деформації бетону та металевих частин обладнання, в результаті чого можуть появитися мікропошкодження. При значній температурі може витікати мастило, розм’якшуватися та витікати бітумна замазка із кріплень укосів каналів тощо.
Опади атмосферні у вигляді значних злив можуть переповнити водосховище і зруйнувати греблю. Злива може розмити та зруйнувати недостатньо закріплений укіс греблі, дамби каналів тощо. Дощ з снігом при низькій температурі, близькій до «0◦С» приводить до обмерзання споруд, що затрудняє експлуатацію ГТС.
Вітер та буря інколи виводять з ладу лінії електропередач до НС і ГТС, пошкоджують водо-підпірні та водонапірні споруди.
Сонячна радіація підсилює інтенсивність розтавання снігу, а значить і ступінь формування повені. Негативний вплив радіації має місце на гумові ущільнення, поліетиленові плівки тощо.
Сейсмічний вплив в залежності від бального рівня може привести до значного збитку, аж до повного руйнування ГТС. При незначному землетрусі звичайно появляються тільки тріщини на елементах споруд, можуть виникнути перекоси та заклинювання затворів, ущільнень швів, порушення дренажних систем тощо.
При взаємодії ГТС з основою міняється її напружений стан в залежності від ступеню наповнення водосховища, співвідношення їх модулів напруженості, геологічної будови основи, берегів тощо. На слабких основах інколи виникають значні нерівномірні осідання і зсуви окремих елементів споруд. Це приводить до тріщин в тілі бетонної чи ґрунтової греблі, або в її протифільтраційних засобах, які викликають недопустиму фільтрацію або втрату стійкості споруди. В окремих випадках можуть появитися перекоси затворів.
Вище згадані лише основні впливи на ГТС та деякі можливі наслідки, що можливі в період експлуатації.
При експлуатації виникають ряд факторів: якість організації технічного обслуговування, своєчасність проведення ремонтів при відмовах, забезпечення запасними частинами і елементами.
Багатоплановість впливів на ВГО та ГТС потребує від експлуатаційного персоналу систематичного догляду та спостережень за спорудами і проведення експлуатаційних заходів, які дозволяють забезпечити надійну роботу споруд.