Повышение эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях

Гинзбург, Александр Владимирович

Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Повышение эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях

кандидата технических наук: Гинзбург, Александр Владимирович
город: Москва
год: 2005
специальность ВАК РФ: 05.23.04
цена: 450 рублей

Диссертация по строительству на тему «Повышение эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях»

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях"

На правах рукописи

ГИНЗБУРГ Александр Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ В СЛОЖНЫХ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Государственной академии профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы (ГАСИС)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Абелев Марк Юрьевич

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Терехов Лев Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коновалов Павел Александрович

кандидат технических наук, доцент Пугачев Евгений Алексеевич

Ведущая организация: ФГУП Фундаментпроект

Защита состоится

2005 г. в « » часов

на заседании диссертационного совета Д.212.138.10 при Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Орлов В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Наличие огромных природных богатств, сырьевых и энергетических ресурсов в северных районах России способствует дальнейшему освоению этих районов, росту промышленного и гражданского строительства. В настоящее время здесь проживают около 4 миллионов человек, более чем в 400 населенных пунктах.

Системы водоснабжения и водоотведения являются важными составляющими, обеспечивающими бесперебойность работы промышленных предприятий и создание для населения бытовых условий, отвечающих современным требованиям. Водонесущие трубопроводы являются основным элементом этих систем, определяющим их надежность и экономичность. Строительство и эксплуатация водоводов на Севере имеет свои особенности, связанные с наличием вечномерзлых грунтов и сурового климата, а также дополнительными мероприятиями по предотвращению их перемерзания. По капитальным затратам на водоводы приходится до 50% от сметной стоимости систем водоснабжения и водоотведения. Себестоимость воды в Северных районах в 20-30 раз выше, чем в средней полосе страны. Это связано со значительным потреблением электроэнергии и топлива на транспортирование и подогрев воды.

Анализ опыта эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения, расположенных в условиях сурового климата, на примере станций Байкало-Амурской магистрали (БАМ) показал, что существующие нормативы по назначению экономичных тепловых режимов завышены, не в полной мере учитывают современный уровень развития техники. Необходима разработка новых технологий подачи воды в условиях сурового климата, обеспечивающих значительную экономию топлива и электроэнергии.

Целью диссертации является разработка и обоснование принципиально новых технологий строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- сделать анализ отечественного и зарубежного опыта в области строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения в условиях вечномерзлых грунтов;

- дать анализ аварийности водонесущих трубопроводов на примере построенных станций БАМ;

- обосновать надежные и эффективные технологии строительства и условия эксплуатации водоводов в северной климатической зоне;

- дать описание физического процесса перемерзания водоводов и оценить влияние различных факторов на увеличение безопасной продолжительности остановки воды в трубопроводах;

- обосновать минимальные значения степени подогрева и температуры транспортируемой воды;

- провести экспериментальные исследования и разработать математическую модель теплового режима работы водовода с минимальным значением

температуры транспортируемой воды при возможном обледенении трубопровода и образованием тонкого слоя льда на его внутренней поверхности;

- разработать методику определения оптимальной толщины слоя теплоизоляции водонесущих трубопроводов при обеспечении минимальных затрат на их строительство и эксплуатацию;

- дать оценку экономической целесообразности работы водоводов с минимально возможным подогревом транспортируемой воды в условиях внутреннего обледенения трубопровода.

Методика исследований включает: аналитическую часть, базирующуюся на отечественном и зарубежном опыте строительства, эксплуатации, аварийных ситуаций, а также тепловых режимах в системах водоснабжения и водоотведе-ния; экспериментальную часть на масштабных установках; математическое моделирование процессов переноса веществ и энергии в водоводах.

Научная новизна заключается в актуальном и принципиально новом подходе к технологии прокладки и теплоизоляции водонесущих трубопроводов, а также изменению эксплуатационных характеристик трнаспортируемой воды и состоит в следующем:

- на основании собранных статистических материалов по аварийности водоводов БАМа выявлено, что наименьшее количество аварий происходит на водоводах надземной прокладки;

- дано описание физического процесса перемерзания водовода, установлена зависимость времени остывания воды и времени перемерзания водовода от температуры воздуха, транспортируемой воды и толщины слоя теплоизоляции;

- составлена математическая модель инерционности замерзания воды в водоводах; предложены технологические параметры «защитное время» и «время восстановления», регламентирующие действия службы эксплуатации при возникновении аварий на водоводах;

- экспериментально обоснована целесообразность снижения температуры транспортируемой воды до 0,1°С; разработана методика расчета и составлена программа, позволяющая определить оптимальную толщину слоя теплоизоляции водовода при минимальных затратах на его строительство и подогрев воды в зимний период;

- установлены закономерности формирования корки льда на внутренней поверхности трубопровода и по его длине; создана математическая модель, позволяющая учитывать широкий спектр условий работы водовода и программировать параметры его эксплуатации с минимальными затратами на подогрев транспортируемой воды.

Практическая ценность выполненных исследований:

- рекомендованы способы прокладки водонесущих трубопроводов преимущественно надземным способом или в проходных каналах;

- снижены затраты на организационно-технические мероприятия по эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, одновременно обеспечено топливо- и энергосбережение; это позволило реализовать результаты исследований на ряде объектов Байкало-Амурской магистрали и на Дальневосточной железной дороге, получив существенную экономию;

- служба эксплуатации получила рекомендации по ремонтно-восстанови-тельным работам при авариях на водоводах или остановки подачи воды, которые должны быть проведены в пределах расчетного времени восстановления водовода без опорожнения его от воды, что снижает затраты и предупреждает возможные последствия при выпуске значительного количества воды в грунт или на поверхность земли;

- разработанный новый подход к тепловым режимам трубопроводов с минимальным подогревом и образованием корки льда на внутренней поверхности трубы дает экономию топлива до 20-40%, а в ряде случаев позволяет либо вообще отказаться от подогрева, либо на некоторых насосных станциях 1-го подъема исключить котельные;

- снижается вредное воздействие на окружающую среду от продуктов сгорания топлива, вредных газов и пыли;

- оптимизация подбора толщины теплоизоляции водоводов позволяет получить до 10-15% экономии затрат на строительство и эксплуатацию водоводов.

Личный вклад автора:

- сформулирована концепция построения работы, направленной на решение актуальной проблемы, постановке цели и разработке задач исследований;

- проанализирован опыт строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, построенных в сложных климатических и грунтовых условиях, а также сделан анализ патентных материалов;

- сделан многолетний анализ аварий трубопроводов, построенных в районах вечномерзлых грунтов. Систематизированы причины аварий, установлена их зависимость от способа прокладки трубопроводов, материала труб, периода эксплуатации и др. факторов;

- проведены экспериментальные исследования гидравлических режимов водоводов с образованием корки льда на внутренней поверхности труб;

- исследована инерционность замерзания воды в трубах;

- разработаны рекомендации по расчету защитного времени в зависимости от температуры воздуха и воды, диаметра трубопровода, толщины слоя теплоизоляции;

- разработана методика расчета оптимального слоя теплоизоляции водоводов;

- разработаны рекомендации для службы эксплуатации по ремонтно-восстановительным работам водоводов, и также система учета аварийных ситуаций;

- результаты исследований внедрены на ряде объектов БАМ и в учебном процессе.

Апробация работы. Отдельные положения диссертации разрабатывались в соответствии с научно-техническими программами Министерства Путей Сообщения РФ "Экспериментально-теоретические исследования ледотермических режимов трубопроводов" заказ ЦЭУ МПС 1996-97 гг. № 7.14 и Российской академии архитектурно-строительных наук "Разработка и создание эффективной энергосберегающей технологии подачи воды по водоводам в суровых климатических условиях для Северных районов России".

Основные положения и результаты работы были доложены на научно-техн. региональной конференции "Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока" (Хабаровск, 1987), конференции ХабИИЖТа (Хабаровск. 1989), 3 региональной научно-практической конференции "Пути улучшения работы сооружений водоснабжения и водоотведения Дальнего Востока" (Хабаровск, 1989), научно-техн. семинаре "Обеспечение надежности питьевого водоснабжения" (Москва. 1989), научно-техн. конференции "Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера" (Хабаровск, 1997). научно-практической конференции "Человек и окружающая природная среда" (Пенза, 2000), научно-практической конференции "Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Саха (Якутия)" (Якутск, 2003).

Рекомендованные экономичные режимы водоводов внедрены на системах водоснабжения ст. Тында, п. Новый Ургал ДВЖД.

Результаты работы используются в учебном процессе ДВГУПС при изучении курса "Водоснабжение и водоотведение в условиях сурового климата" для студентов специальности "Водоснабжение и водоотведение" и на курсах повышения квалификации работников водоснабжения ДВЖД и ЗабЖД.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, выполнено 2 отчета по НИР.

На защиту выносятся:

- концепция новой технологии прокладки и теплоизоляции водонесущих трубопроводов и изменения эксплуатационных характеристик транспортируемой воды;

- анализ аварийности водоводов БАМа и рекомендации по надземной прокладке трубопроводов, как наиболее надежной;

- методика расчета и программа, позволяющая определять оптимальную толщину слоя теплоизоляции водовода;

- математическая модель и экспериментальные данные по инерционности замерзания воды в водоводах;

- закономерности формирования корки льда на внутренней поверхности трубопровода и по его длине;

- технологические параметры «защитное время» и «время восстановления», регламентирующие действие службы эксплуатации при возникновении аварий на водоводах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложения; изложена на 147 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков, 20 таблиц, приложение. Список использованной литературы включает 129 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулирующая ее цели и задачи, определяется новизна и практическая значимость диссертационной работы. Отражена важность проблемы повышения эффектив-

ности и надежности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях.

В первой главе сделан анализ технологий устройства инженерных коммуникаций в сложных грунтовых и климатических условиях. Изучена природно-климатическая характеристика северной зоны строительства.

Строительство производственных и жилых зданий и сооружений для обслуживания Байкало-Амурской магистрали (БАМ) требовало решения вопросов по прокладке инженерных коммуникаций систем водоснабжения, водоотведе-ния и теплоснабжения, обеспечивающих производственные и хозяйственно-бытовые нужды в этом осваиваемом регионе России. Проектирование, строительство и эксплуатация водонесущих трубопроводов инженерных коммуникаций на этих территориях связаны со многими сложностями природно-климатического, производственного, эксплуатационного характера.

В районе расположения жилых поселков и отдельных производств БАМ находятся слабые глинистые грунты, которые в зимний период промораживаются (в ряде случаев до 4 м); кроме того, в этом регионе имеется много площадок, на которых залегают льдистые вечно мерзлые линзы и прослои грунтов, иногда и большие слои, с температурой от -2°С до 0°С. После укладки на таких территориях материала для насыпей и для устройства фундаментов и строительства сооружений «вечномерзлые» грунты быстро оттаивают. При этом происходит таяние льда и вместо прочных мерзлых грунтов в основании супесей и суглинков возникают территории сложенные слабыми водонасыщеными глинистыми грунтами.

Учитывая многообразие природно-климатических условий районов распространения вечномерзлых грунтов, северная строительно-климатическая зона, в свою очередь, разделена на три подзоны, различаемых по общим климатическим факторам. При проектировании и строительстве на Севере применяются два основных принципа использования грунтов в качестве оснований зданий и сооружений: I - использование грунтов оснований в мерзлом состоянии; II - использование грунтов оснований в оттаивающем и оттаявшем состоянии.

В настоящее время разработаны различные методы строительства гражданских и промышленных сооружений на больших толщах грунтов, которые могут быть и вечномерзлыми, льдистыми и после оттаивания слабыми водона-сыщенными. В основном это методы устройства свайных фундаментов, применение песчаных и грунтовых подушек, укладываемых на глубину сезонного промерзания грунтов, обычно до 4 м и другие методы.

Эффективных универсальных методов устройства водонесущих систем (инженерных коммуникаций водоснабжения, водоотведения, теплоснабжения) в таких сложных грунтовых и климатических условиях не найдено.

Первый опыт прокладки инженерных коммуникаций в зоне БАМЖД и ЗабЖД по технологии принятой в европейской территории России, при которой водонесущие трубы укладываются в траншеи с теплоизоляцией на глубину 22,5 м, оказался неудачным. 84% обследованных нами участков водонесущих коммуникаций показало их аварийное состояние. Во многих случаях вода в трубах замерзает, и возникают ледовые пробки, а в некоторых случаях при образовании льда происходило разрушение стыковых соединений и сварных

швов. В связи с этим было очевидно, что устройство водонесущих труб требует иных инженерных решений. Эта проблема с 1990-х годов стала особенно актуальной, так как во многих городах и поселках зоны Крайнего Севера стали использовать централизованные системы водоснабжения и теплоснабжения. Для решения этой задачи был проанализирован отечественный и зарубежный опыт строительства и эксплуатации водоводов в условиях вечной мерзлоты.

Отмечено, что застройка жилых поселков должна определяться не только грунтовыми и климатическими условиями, но и видом прокладки инженерных коммуникаций. Проведенный патентный поиск за последние 10 лет позволил сгруппировать их по пяти направлениям: защита труб от замерзания; контроль за обледенением; выпуск воды из трубопроводов; защита труб от разрушения; оттаивание трубопроводов. Опыт отечественного и зарубежного строительства инженерных систем водоснабжения и водоотведения в условиях Крайнего севера свидетельствует о необходимости соблюдения целого комплекса мер защиты трубопроводов от замерзания и разрушения. Отмечаются недостаточно надежные технологии устройства канализационных систем, связанных как с напорным, так и самотечным, крайне неравномерным по расходам режимом транспортирования сточных вод.

При нашем участии был реализован на многих участках БАМ способ надземной прокладки трубопроводов В этом случае трубы укладываются по железобетонным сваям Снаружи трубы утепляются обычной минватой и покрываются сверху оцинкованным листом железа. Широкое применение этого способа обусловлено рядом его достоинств перед другими: техническое состояние водовода и теплоизоляции постоянно контролируется службой эксплуатации; быстро определяется место аварии или утечки: отпадает необходимость в землеройной технике и выполнении трудоемких земляных работ на мерзлых грунтах в период строительства и ликвидации аварии; удобнее производить на водоводах аварийные и восстановительные работы; проще располагать и эксплуагиро-вать предохранительную и защитную арматуру.

Практика показала, что при несвоевременном принятии мер, трубопроводы могут быть разрушены по длине на несколько сотен метров. Отмечаются также преимущества прокладки канализационных трубопроводов наземным и надземным способами по сравнению с подземным.

Во второй главе приводятся результаты исследований особенностей устройства оснований трубопроводов на вечномерзлых грунтах.

Вопросы прокладки трубопроводов и тепловых режимов работы водоводов в суровых климатических условиях с наличием вечномерзлых грунтов встали перед российскими учеными в начале XX века в связи со строительством транссибирской железной дороги. Первые экспериментальные исследования тепловых режимов работы трубопроводов и основы их расчета заложили ученые А.О.Скварченко, М.Я.Чернышев, М.И.Сумгин, Н.С.Богданов, А.В.Львов, В.Г.Шухов. Требования к надежности работы систем водоснабжения предъявлялись жесткие, так как устойчивое снабжение водой железнодорожной станции обеспечивало бесперебойную работу паровозной тяги.

Исследование работы систем водоснабжения и водоотведения на вечно-мерзлых грунтах в условиях сурового климата позднее освещались в трудах

М.М.Андрияшева, П.А.Богословского, Н.В.Богдасарова, Ю.И.Вдовина, Г.И.Воловника, В.С.Дикаревского, А.С.Образовекого, А.Ф.Порядина, А.И.Поисеевой, Л.Д.Терехова. Б.Ф.Турутина, Н.Ф.Федорова, А.Л.Ястребова и др. Из зарубежных исследований следует отметить работы, выполненные Ло-ком, Боллом, Рихтером. Шмидтом, Стюартом, Гиллином и др.

В соответствии с многолетней практикой эксплуатации водоводов установлено, что при прокладке водоводов в условиях сурового климата и вечно-мерзлых грунтов подогрев воды должен быть такой, чтобы в конце трубопровода температура воды была не менее +3°С. В этом случае, в зависимости от параметров водовода всю транспортируемую воду подогревают до 10°С и более, на что уходит большое количество топлива. Следует отметить, что внутреннее оледенение в водоводах при работе в эксплуатационном режиме не допускается. В случае непредвиденного отключения электроэнергии и остановки движения воды, продолжительность остывания должна быть такой, чтобы аварийная служба успела выполнить необходимые работы по восстановлению работы водовода. В критической ситуации серийная водопроводная арматура при образовании льда в трубе тоже покрывается льдом и становится неуправляемой, а водовод подвергается опасности перемерзания. Учитывая, что в последние годы ХабИИЖТ и Красноярский ПромстройНИИПроект разработали специальные виды водопроводной арматуры, работоспособной при внутреннем обледенении трубы до 50%, что позволяет в этой ситуации сохранить работоспособность водоводов.

Данные многолетних исследований подтверждают, что в периоды похолодания и образования в трубах корки льда, водоводы работают нормально и даже имеет место снижение напора на насосной станции. Этим фактам можно дать следующее объяснение. Учитывая, что шероховатость льда во много раз меньше шероховатости стальных, особенно неновых труб, наблюдается снижение потерь напора в водоводе и увеличение пропускной способности. Этот эффект возможен при небольшой по толщине корке льда. При значительной степени оледенения положительный эффект от уменьшения шероховатости внутренней поверхности трубы может быть полностью нейтрализован за счет уменьшения площади живого сечения и увеличения сопротивления. Корка льда на внутренней поверхности трубопровода может образовываться при температуре воды, близкой к 0°С. Это явление послужило основанием для разработки новой технологии эксплуатации водоводов в зимний период года. Технология реализуется за счет поддержания определенного теплового баланса между транспортируемой водой и атмосферой, а также толщиной слоя теплоизоляции и степенью подогрева воды. Работа водовода должна осуществляться в режиме внутреннего обледенения тонкой коркой льда; при этом обеспечивается экономия топлива и электроэнергии и снижается себестоимость воды.

Согласно принятым технологиям в России вода при подаче по трубам подогревается, затем, чтобы при аварийной остановке движения, увеличить промежуток времени на остывание воды. Чем выше температура воды в трубе, тем дольше происходит ее остывание и частичное обледенение трубопровода. При этом служба эксплуатации имеет больше времени для принятия необходимых мер по защите труб от перемерзания и разрушения Для упорядочения действий

службы эксплуатации нами введены следующие понятия «защитное время» (ЗВ) и «время восстановления» (ВВ).

ЗВ - это промежуток времени, в течение которого вода при остановке движения в трубопроводе остывает от температуры, с которой она транспортировалась по водоводу до 0°С и на его внутренней поверхности образуется слой льда, перекрывающий живое сечение трубы до

степень оледенения, часть площади живого сечения трубопровода, занятого льдом, со - площадь живого сечения трубопровода. Отсчет времени ведется в часах с момента остановки движения воды. Таким образом, ЗВ складывается из времени остывания и времени промерзания которые определяются по формулам ^ ^

где: К„р - приведенный коэффициент теплопередачи трубопровода, Вт/(м°С); (1В( (1В„ - внутренний и наружный диаметры трубопровода, м; Св,Ст - объемные коэффициенты теплоемкости воды и трубопровода, температура воздуха, температура воды в конце трубопровода в момент остановки движения, °С.

ст; 0) Ь - 4" ^ - °'5)+°'51+2я ^-т/кпр1 (2)

где: ст, - объемная теплота фазового перехода вода-лед, дж/(м°С); X, - коэффициент теплопроводности льда; I, - температура перехода вода-лед, °С.

ВВ - это промежуток времени после остановки водовода, в течение которого служба эксплуатации должна выполнить весь комплекс необходимых работ по восстановлению водовода. Значение ВВ нормируется и назначается индивидуально для каждого водовода.

Экономичность принятого теплового режима подачи воды должно определяться по соотношению ЗВ и ВВ. Для повышения надежности работы систем водоснабжения допускается превышение ЗВ над ВВ на 15-20%. Если ЗВ существенно больше ВВ, то имеет место перегрев воды и пережег топлива. При ЗВ меньше ВВ - водовод перемерзнет до завершения восстановительных работ.

Для установления взаимосвязи отдельных параметров, обеспечивающих необходимую продолжительность защитного времени, было произведено аналитическое моделирование инерционности замерзания воды в трубах разного диаметра при различных внешних и внутренних факторах. Диапазоны варьирования отдельных параметров приведены в табл. 1.

Автором была разработана методика расчета защитного времени, которое определяется в случае остановки движения воды в водоводах различных диаметров и толщины теплоизоляции, при различных значениях температуры наружного воздуха и температуры транспортируемой воды (см. табл. 1). Результаты выполненных многовариантных расчетов в табличной и графической форме систематизированы в Рекомендациях. На рис. 1 представлен пример зависимости времени остывания воды в трубопроводе.

Виды и значения варьируемых параметров

Таблица 1

Рис. 1. Зависимость времени остывания воды в трубопроводе от начальной температуры воды при температуре наружного воздуха 0 = -50°С

Величина ^ зависит главным образом от степени оледенения т и толщины теплоизоляции Температура воды при которой произошла остановка движения на величину при температуре воздуха -50°С для трубопровода диаметром 100 мм в зависимости от различных значений температура воды ^ перед остановкой ее движения. При

35,6 час. Таким образом снижение ^ почти в 100 раз со значения 10°С до 0,1 °С уменьшает всего на 20%. Таким образом, степень подогрева воды почти не сказывается на значении защитного времени.

Анализ факторов, влияющих на продолжительность защитного времени, и экономическая целесообразность использования теплоизоляции показывают необходимость учета толщины теплоизоляции в зависимости от температуры наружного воздуха, температуры воды, диаметра трубопровода. Так, с учетом нормируемого времени восстановления толщину теплоизоляции для труб диаметром до 300 м следует принимать не более 100 мм, а при диаметрах больше 300 мм - не более 50 мм

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований гидравлических режимов работы трубопроводов с образованием тонкой корки льда на внутренней поверхности труб.

Опыты проводились на крупномасштабной экспериментальной установке в зимних условиях на открытом воздухе без теплоизоляции. Установка была изготовлена из стальных труб с условным диаметром 50 мм и длиной 54 м. Исследования проводились при начальной температуре воды 0,01°С, а движение воды осуществлялось по замкнутому пути: резервуар - насос - трубопровод -резервуар; для визуального наблюдения зя динамикой образования льда предусматривался стеклянный участок длиной J ,8 м. Установка оборудована манометром, термометром, расходомером (рис. 2).

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - бак; 2 - насос; 3 - участки стальной трубы; 4 - участок стеклянной трубы; 5 - манометр; 6 - опора; число над трубой - номер участка, число под трубой - средняя толщина слоя льда на участке, мм

С целью подробного исследования ледотермических режимов трубопроводов, а также выявления наиболее значимых факторов и диапазон их влияния на

оптимальный тепловой режим водовода, разработан специальный автоматизированный экспериментальный стенд, основным элементом которого является морозильная камера размером 9x2,5x2,5 м. В рабочем отсеке обеспечивается низкотемпературный режим до -18°С. Результаты одной из серий опытов приведены на рис, 3, анализ которых показывает, что максимальный эффект достигается при толщине корки льда 1-1,5 мм; при этом обеспечивается максимальное снижение потерь напора с одновременным увеличением пропускной способности трубопровода. По итогам экспериментов можно сделать вывод, что применение новой технологии подачи воды наиболее эффективно в неновых трубах, имеющих большую шероховатость внутренней поверхности.

Чрезвычайно важным при применении новой технологии транспортирования воды является система управления гидравлическим и тепловым режимом водоводов. Следует отметить, что при проектировании систем водоснабжения и водоотведения для районов распространения вечномерзлых грунтов, отсутствуют методы расчета ледовых режимов при движении воды в трубах.

Рис. 3. Изменение расхода, потерь напора и толщины корки льда при работе трубопровода в режиме оледенения: 1 - расход, л/с; 2 - потери напора, мм вд.ст.; 3 - толщина льда, мм

Автором была разработана методика расчета оледенения трубопроводов, базирующаяся на использовании модели водовода деривационной системы (по П.А.Богословскому). При разработке методики сделаны допущения, упрощающие практические расчеты при минимальном снижении точности результатов: водовод имеет равномерную по толщине теплоизоляцию с постоянными теп-

лофизическими свойствами; коэффициент конвективного теплообмена является постоянным по всему периметру наружной поверхности водовода.

Физическая картина промерзания водовода при движении по нему воды и внесенных допущениях, следующая: двигаясь по водоводу, вода охлаждается и при достижении определенного значения на стенке водовода начинает образовываться лед. Это происходит, когда теплопотери в окружающую среду начинают превышать приток тепла от движущейся воды. Далее, по длине трубопровода толщина льда возрастает. Вода при этом продолжает охлаждаться. При достаточной протяженности водовода наступает момент, когда первоначальное теплосодержание воды исчерпано полностью. Она приобретает постоянную температуру, близкую к 0°С. Дальнейшее нарастание льда в трубопроводе прекращается, вплоть до изменения внешних (климатических) или внутренних (гидравлических) условий, так как потери тепла компенсируются теплотой трения. Оледенение этого участка не меняется по длине водовода, является наибольшим при данных условиях и называется предельным Эта схема оледенения в дальнейшем принимается для расчета параметров водоводов систем водоснабжения. Предлагаемый метод расчета основан на решении уравнений теплового баланса, учитывающих запасы тепла, а также его приход и расход. Математическая модель оледенения водовода, составленная по этой методике, представляет собой систему из трех уравнений: уравнения теплового баланса трубопровода с движущейся водой (3), уравнения теплового баланса льда и стенок трубопровода (4) и уравнения движения жидкости в трубопроводе (5).

Для решения системы уравнений разработан алгоритм и составлена программа расчета, которая позволяет при заданных геометрических гидравлических и тепловых параметрах водовода и атмосферных условиях строить профиль оледенения по длине трубопровода, определять величину предельного оледенения ^ и значение потерь напора в оледеневшем трубопроводе. Результаты расчета представляются в виде схемы (рис. 4).

Здесь:

- " изменение теплосодержания по длине водовода;

удельная мощность объемно-распределенного диссипативного источника

тепла;

удельный сток тепла за счет теплообмена воды с окружающей

средой;

удельная мощность, обусловленная выделением (поглощением)

Эт

скрытой теплоты фазовых переходов;

- 2тггам,(1 -1,) - удельный сток тепла за счет теплообмена воды с поверхностью льда;

Рис. 4. Схема внутреннего оледенения трубопровода' Хо - длина участка, свободного от льда; х, - длина участка с изменяющейся толщиной льда ("конический" участок); Х|,т - длина участка с постоянной толщиной льда, равной предельной толщине; ^ - температура воды в начале трубопровода; ^ - температура фазового перехода воды в лед; 1,, - температура воды, при предельном оледенении

Обеспечение работы водовода в оптимальном режиме может быть достигнуто только при условии оперативного контроля основных гидравлических и тепловых параметров трубопровода и гибкого назначения минимальной степени подогрева воды с учетом меняющихся погодных условий.

Для осуществления этой задачи с использованием персонального компьютера разработан автоматический комплекс управления гидравлическим и тепловым режимом водоводов АКУ-ТКУ (рис. 5), который состоит из передающей и приемной частей, связанных между собой радиоканалом действием до 30 км. Передающая часть находится в конце водовода, а приемная часть - на водозаборе. Схема АКУ-ТКУ внедрена на системе водоснабжения одной из станций БАМа и показала надежную и эффективную работу.

Автором разработана программа, которая позволяет определить оптимальную толщину слоя теплоизоляции водовода и минимальные затраты на ее устройство с учетом стоимости подогрева воды; стоимости теплоизоляции; внутреннего и внешнего диаметра водовода включая слой теплоизоляции.

Рис. 5. Структурна схема автоматизированного комплекса АКУ-ГКУ

В четвертой главе приведены результаты исследований особенностей прокладки и эксплуатации инженерных коммуникаций на вечномерзлых грунтах. Отмечается, что выбор трассы инженерных коммуникаций определяются многими факторами, важнейшими из которых являются: степень обследования района, сложность рельефа заселенность и заболоченность территории. Рекомендуются участки трубопроводов с малыми расходами проверять расчетом теплопотерь с учетом предельно допустимого охлаждения среды в трубах; сооружения с наиболее равномерными и большими расходами располагать в конце водопроводных линий и максимальным удалением от водонапорных резервуаров; объекты с наибольшим сбросом сточных вод располагать на верхних участках канализационной сети. Расстояние от внешнего контура зданий до те-плопередающих трубопроводов рекомендуется определять на основе расчетов радиуса талой изотермы или глубины протаивания.

Способ прокладки инженерных коммуникаций зависит от способности грунтов к просадке при оттаивании. Водонесущие коммуникации прокладываются раздельно или совместно в каналах; способ прокладки может быть подземным, наземным или надземным.

Систематизированы недостатки металлических, железобетонных и асбе-стоцементных труб, общим недостатком которых является разрушение их при замерзании воды в трубопроводах, а также несовершенство стыковых соединений (кроме стальных труб). Отмечается более высокая надежность, эффективность и перспективность применения полиэтиленовых труб.

Вопросы эксплуатации инженерных коммуникаций являются самыми сложными при обеспечении надежности работы систем жизнеобеспечения жилых поселков и промышленных предприятий, особенно в регионах со сложными природно-климатическими условиями. Основным видом деятельности

службы эксплуатации является надежный контроль за работой инженерных коммуникаций, предупреждение аварийных ситуаций и анализ причин аварий

Начиная с 1930 годов, при строительстве городов и населенных пунктов в северных районах России было сооружено значительное количество инженерных коммуникаций, в том числе систем водоснабжения и водоотведения. Строительство на больших толщах вечномерзлых грунтов в Воркуте, Норильске и других населенных пунктах стало причиной многочисленных аварий, более 1000 км водонесущих трубопроводов было деформировано и они потеряли эксплуатационную пригодность. На первом этапе строительства в районе расположения вечно мерзлых грунтов даже с очень низкой температурой (от -15°С до -20°С) происходили деформации трубопроводов, глубина заложения которых соответствовала глубине промерзания грунтов, то есть коммуникации находились в пределах деятельного слоя. На магистральных водоводах западной части Варкутинско-промышленного района за десять лет эксплуатации произошло 150 крупных аварий, связанных с разрывом труб и нарушением стыков.

Аварии на трубопроводах чаще всего наблюдаются Течении относительно небольшого периода времени года, называемого критическим, который приходится на 2-3 весенних и 1-2 осенних месяца, что связано с процессами промерзания и оттаивания грунтов.

Основными причинами аварий на трубопроводах в условиях вечномерзлых грунтов являются замерзание воды в трубопроводах; деформации трубопроводов вследствие изменения физико-механических свойств грунта в их основании; температурные деформации трубопровода, вызванные резким изменением температурного режима жидкости в нем и окружающего грунта; коррозия трубопроводов. Наиболее часто имеют место аварии 1 и 2 вида.

Разрывы трубопроводов часто наблюдаются на месте соединения отдельных звеньев по сварному шву, на месте фланцевых соединений и по арматуре.

Основная причина перемерзания водопроводных труб - длительные перерывы в водоснабжении на время устранений аварий. Продолжительность периода отключения водопровода, по истечении которого вода может замерзнуть в трубах, различна и зависит от начальной температуры воды, способа прокладки, глубины заложения, размера ореола оттаивания, температура вечно-мерзлых грунтов окружающего массива, температуры наружного воздуха, теп-лофизических свойств грунтов, толщины снежного покрова и др.

Непосредственное знакомство автора с работой норильских коммуникаций, а также изучение документации эксплутационной организации позволяет сделать вывод что, в г. Норильске аварии, происходят в результате замерзания жидкости в трубопроводах, а также вызываются деформациями трубопроводов в результате просадки и пучения грунта в их основании. Как правило, толща талой зоны вокруг канализационных сетей относительно мала и достигает 0,51,0 м. В таких условиях засоры труб могут привести довольно быстро к их замораживанию. При длительном прекращении движения воды в трубопроводах она может замерзнуть даже в летнее время, особенно на участках, проложенных ниже деятельного слоя. В последние 20-30 лет прокладка водоводов в зоне вечной мерзлоты осуществляется в основном надземным способом Причинами

аварийных ситуаций были в основном перемещения (осадки) опор трубопроводов инженерных коммуникаций.

Вопросы аварийности водоводов, проложенных в зоне вечномерзлых грунтов, изучены недостаточно. БАМ является наиболее подходящим полигоном по суровым природно-климатическим условиям. В период с 1982 по 1996 годы объектом для исследований и последующего анализа автором были выбраны системы водоснабжения городов и станций, расположенных вдоль железнодорожной магистрали. Анализировалась эффективность применения различных способов прокладки водоводов, их теплового режима, защиты труб от замерзания, контроль за состоянием и назначение оптимальных тепловых режимов водоводов. Особое внимание уделялось аварийности водоводов и, в первую очередь, по причине замерзания воды. Особая ценность изучения БАМовских систем водоснабжения состоит в том, что по ним можно дать хронологию отказов водоводов сразу после окончания строительства и сдачи их в эксплуатацию, а также динамику аварий, и их причины с учетом длительности эксплуатации с момента их пуска в работу.

В качестве объекта исследования был принят восточный участок БАМа Ургальской дистанции водоснабжения БАМжд, в пределах которого расположены 16 железнодорожных станций, находившихся в эксплуатации от 4-х до 9-ти лет. Все станции имеют полное благоустройство: холодный и горячий водопровод, канализацию, центральное отопление. Производительность водопроводов колеблется в пределах от 700 до 7000 м3/сутки. Источником водоснабжения в основном служат подземные воды. Забор воды осуществляется скважинами и шахтными колодцами. Диаметр водоводов 100-300 мм - длина от одного до пяти и более километров. Применяемые способы прокладки водоводов можно свести к двум типам: подземный и надземный. На этой дистанции подземный способ применен гораздо больше, чем на других. Он реализован на девяти обследованных станциях (Чегдомын, Таланжа, Тырма, Февральск, Постышево, Хурмули, Эворол, Амгунь. Ургал). Надземный - на семи (Этыркен, Алонка, Джамку, Герби, Сулук, Солони, Новый Ургал). Материал трубопроводов: чугун и сталь. При подземной прокладке в 77% станций применены чугунные трубы, в 23% - стальные. При надземной прокладке - полностью стальные.

Все причины аварий подразделены по видам дефектов на пять групп: ошибки в проекте; строительные дефекты; брак изделий; ошибки эксплуатации; внешние факторы. Общее количество зарегистрированных аварий составляет 132. Соотношение между видами дефектов, вызывающих аварии, для различных способов прокладки и вида материалов сведены в табл. 2.

Таблица 2

Соотношение аварий для различных способов прокладки

При подземной прокладке чаще другими причинами аварий являются строительные дефекты (около 50%), затем - ошибки в проекте и далее - внешние факторы. К примеру чугунный трубопровод более чувствителен к качеству строительства, на нем аварии встречались в 3 раза чаще, чем на стальном.

При надземном способе прокладки по причине строительного брака, аварий отмечено в 10 раз меньше, поскольку качество выполнения строительных работ при подземной прокладке является решающим фактором для снижения аварийности чугунных и стальных водоводов и его в первую очередь нужно контролировать. При надземном способе прокладки основными причинами аварий являются внешние факторы. Они дали почти в 4 раза больше аварий по сравнению с подземным. Причем, если при подземной прокладке аварии были вызваны разрушением трубы и стыков, то при надземной - перемерзанием труб в периоды интенсивного воздействия внешних факторов.

Особый интерес представляет динамика аварий для различных способов прокладки за первые 4 года эксплуатации (табл. 3).

Таблица 3

Динамика аварий в зависимости от длительности эксплуатации

Если в первые 2 года эксплуатации значительный процент аварий занимают строительные дефекты и ошибки в проекте, которые в процессе ликвидации аварий исправляются, то начиная с третьего года эксплуатации в большей степени сказываются внешние факторы. Наиболее частой причиной аварий является отключение электроэнергии Это привело к замораживанию водоводов на ст. Ургал-1, Этыркен, Таланжа и Ягдынья в 1983 г., на ст. Харогочи в 1984 г. и крупной аварии на ст. Хани в 1987 г.

Предупредить промерзание водовода в аварийной ситуации и избежать тяжелых последствий образования в водоводе ледозамкнутых объемов можно качественным утеплением участков трубопровода и своевременным сбросом воды. Сброс должен осуществляться автоматически, что позволит исключить человеческий фактор. Работа выпуска не должна нарушаться при отключении системы электроснабжения. По статистическим данным на БАМе ежегодно по различным причинам замораживаются в среднем до 20 км водоводов в первые 15 лет эксплуатации.

Эффект от снижения затрат энергии на подогрев воды получается за счет сокращения периода подогрева воды до сроков, обоснованных по результатам расчета. Расчет данного эффекта выполнен на примере системы подачи воды «насосные станции второго подъема от водозаборов «Новый Шахтаум» и «Средний Шахтаум» - в водовод для ст. Тында. В ходе расчета совместной работы насосных станций на водовод установлена температура наружного воздуха, при которой начинается процесс оледенения водовода. Продолжительность периода подогрева воды для центрального участка БАМа можно сократить на

75% Экономия затрат на подогрев воды в ценах 1991 года составив 161 тыс руб./год. Сокращение периода подогрева воды на 156 суток позволит снизить расход углы на 1567 тонн. Эффект от снижения выброса вредных веществ, уменьшения количества золы позволит снизить эксплуатационные расходы для одной средней станции в год на 1,76 млн. руб.

Основные выводы

1. Сделан анализ климатических и грунтовых условий в районе Байкало-Амурской магистрали (БАМ). Отмечено, что большинство сооружений промышленного и гражданского назначения находятся в зоне мерзлых грунтов, а застройка поселков велась с учетом вида грунтов и методов прокладки инженерных коммуникаций. При расчете дополнительных осадок мерзлых грунтов должна быть установлена зависимость предельного сопротивления вечномерз-лых грунтов сдвигу от состава, состояния и температуры грунта, а так же от величины и времени действия внешней нагрузки.

2. При подземной прокладке теплого трубопровода вокруг труб образуются большие ореолы оттаивания и грунт в основании труб проседает, деформируя трубопровод. Если ниже труб находится талый грунт, то трубопровод может быть разрушен силами нормального пучения Потеря устойчивости трубопровода может происходить также в результате его всплытия при подъеме уровня подземных вод на участках с различными типами многолетне-мерзлыми горными породами.

3 Опыт отечественного и зарубежного строительства в условиях Крайнего севера инженерных систем водоснабжения и водоотведения свидетельствует о необходимости соблюдения целого комплекса мер защиты от замерзания и разрушения водонесущих трубопроводов. Отмечено, что вид прокладки инженерных коммуникаций должен быть увязан с принципами строительства зданий и сооружений в зависимости от расположения трассы сетей по отношению к застраиваемой территории, ее архитектурно-планировочному решению и максимально возможному приближению к обслуживаемым объектам.

4. Способ прокладки инженерных коммуникаций зависит от способности грунтов к просадке при оттаивании. Водонесущие коммуникации прокладываются раздельно или совместно в каналах; способ прокладки может быть подземным, наземным и надземным; сделан вывод о целесообразности и перспективности прокладки напорных водоводов надземным способом с устройством надежной теплоизоляции. Отмечено практическое отсутствие универсальных методов проектирования, строительства и эксплуатации инженерных коммуникаций.

5. Опыт эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоот-ведения показал, что наибольшее число аварий приходится на 2-3 весенних и 12 осенних месяца, что связано с процессами оттаивания и промерзания грунтов Основными причинами аварий на трубопроводах являются замерзание воды в трубах и деформация трубопроводов вследствие изменения физико-механических свойств грунтов в их основании

6 Анализ статистических данных по аварийности водоводов БАМа показал, что во многих случаях причинами аварий стали ошибки, допущенные при

проведении инженерно-геологических изысканий мерзлых грунтов, при проектировании, строительстве и эксплуатации водоводов. Отмечена перспективность применения полиэтиленовых труб для систем водоснабжения.

7. Сделан анализ методов теплового расчета трубопроводов, взаимодействующих с мерзлыми грунтами, в основу которых положены стационарные и не стационарные режимы работы трубопроводов и внешних параметров.

8. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования по инерционности замерзания воды в трубах, обосновали возможность транспортировать воды по напорным трубопроводам систем водоснабжения с температурой в пределах 0,01 -0,1 °С, что значительно ниже действующего требования в 3°С. С целью регламентирования действий службы эксплуатации по предотвращению перемерзания водоводов вводятся два параметра «защитное время» и «время восстановления».

9. В процессе исследований было отмечено, что в условиях низких отрицательных температур воздуха при транспортировании воды с минимальным подогревом или без подогрева, на внутренней поверхности трубы может образоваться тонкая корка льда. Работа в режиме внутреннего обледенения существенно влияет на гидравлические, энергетические и экономические показатели эксплуатации водоводов. При этом существенно уменьшается шероховатость, за счет чего пропускная способность труб увеличивается до 27%, потери напора снижаются до 39%, затраты на подогрев уменьшаются до 30%. Наибольший эффект от покрытия льдом внутренней поверхности труб достигается при степени оледенения т = 0,1.

10. Разработаны методика и программа для расчета процесса оледенения водоводов. Предложен и внедрен автоматизированный комплекс АКУ-ТКУ для управления и обеспечения оптимальных гидравлических и тепловых параметров водоводов в условиях Крайнего севера.

11. Результаты экспериментов по инерционности замерзания водоводов в зимний период, проведенных на чистой воде, вполне могут быть распространены и на водоотводящие напорные трубопроводы, поскольку температура сточных вод, поступающих в начало сети, как правило, не ниже 5-10°С.

12. Разработаны Рекомендации по расчету защитного времени в зависимости от температуры воздуха и воды, диаметра трубопровода, толщины теплоизоляции. В графической и табличной форме представлены зависимости времени остывания и промерзания трубопроводов от диаметра труб, температуры воздуха, толщины слоя изоляции и начальной температуры транспортируемой по трубопроводу воды. Разработаны также Рекомендации по эффективным способам и видам теплоизоляции трубопроводов в условиях

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гинзбург А.В., Воловник Г.И. Некоторые аспекты анализа аварийности на сетях железнодорожного водоснабжения / Материалы научно-техн. региональной конф. // Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока. Хабаровск: ХВВСУ, 1987. С. 155-157.

2. Терехов Л.Д., Гинзбург А.В. Аварийность водоводов БАМа. Материалы семинар МДНТП/Обеспечение надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. М.: МДНТП, 1989. С. 63-66.

3. Гинзбург А.В., Терехов Л. Д., Акимов О-В. Автоматизация теплотехнических расчетов водоводов надземной прокладки в условиях сурового климата / Межвузовский сб. научн. тр. // Предовые технологии водоснабжения и водоот-ведения в восточных регионах России. Хабаровск: ДВГУПС, 2000. С. 4-8

4. Гинзбург А.В., Терехов Л.Д., Ткаченко А.В. Оптимизационные расчеты режимов работы системы водоснабжения г. Тында / Межвузовский сб научн. тр. // Передовые технологии водоснабжения и водоотведения в восточных регионах России. Хабаровск: ДВГУПС, 2000. С. 46-50.

5. Гинзбург А.В., Терехов Л.Д. Оптимизация подбора толщины теплоизоляции водоводов надземной прокладки / III международная научно-практ. конф. "Человек и окружающая природная среда" // Сб. материалов. Пенза: Пенз. дом знаний 2000. С. 36-38.

6. Гинзбург А.В. Назначение способов прокладки водоводов в северных районах России / III международная научно-практ. конф. "Человек и окружающая природная среда" // Сб. материалов. Пенза: Пенз. дом знаний. 2000. С. 3840.

7. Терехов Л.Д., Гинзбург А.В. Инерционность замерзания водоводов в Зимний период. М.: ВИНИТИ РАН, 2001. С. 1-44.

8. Гинзбург А.В., Терехов Л.Д., Акимов О.В., Ганус А.Н. Энергосберегающие технологии при проектировании водоводов на Севере / Науч. прак. конф. «Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия)» // Сб. материалов. Якутск: Як. Фил. Изд. СО РАН. 2003. С. 86-95.

9. Гинзбург А.В. Экономические условия эксплуатации водонесущих систем на Севере. Коммунальный комплекс России, № 1(7), М , 2005. С.66-69.

КОПИ - ЦЕНТР св 7 07 10429 тираж 100 экз

Тел 185-79-54 г Москва м Бабушкинская ул Енисейская 36

Ob.li

/1079

11 MAP ?0D5 ••

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Гинзбург, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ УСТРОЙСТВА ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ В СЛОЖНЫХ ГРУНТОВЫХ И КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

1.1. Природно-климатическая характеристика северной зоны строительства.:.

1.2. Анализ опыта строительства и эксплуатации водонесущих трубопроводов.

1.2.1. Планировка и застройка населенных мест.

1.2.2. Анализ патентных материалов.

1.2.3. Краткий обзор зарубежного опыта строительства систем водоснабжения и канализации в районах

Крайнего севера.

1.3. Изучение особенностей устройства оснований водоводов на вечномерзлых грунтах.

1.4. Изучение опыта строительства канализационных трубопроводов.

1.4.1. Трассировка и схемы сетей.

1.4.2. Прокладка трубопроводов.

1.4.3. Глубина заложения трубопроводов.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ УСТРОЙСТВА

ОСНОВАНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ.

2.1. Исследование особенностей устройства оснований и фундаментов сооружений и инженерных сетей на вечномерзлых грунтах.

2.1.1. Изучение физико-механических свойств мерзлых грунтов.

2.1.2. Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружений инженерных коммуникаций.

2.2. Изучение методов теплового расчета трубопроводов.

2.3. Исследование особенностей теплового режима канализационных сетей.

2.4. Аналитические исследования технологии транспортирования воды по трубопроводам при отрицательных температурах.

2.4.1. Исследование возможности использования тонкого слоя льда на внутренней поверхности труб.

2.4.2. Исследование инерционности замерзания воды в трубах.

2.4.3. Оценка экономической целесообразности работы водовода в режиме обледенения.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ТРУБОПРОВОДОВ С ОБРАЗОВАНИЕМ ТОНКОЙ КОРКИ ЛЬДА НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ.

3.1. Задача исследований.

3.2. Конструкция экспериментальной установки и методика проведения опытов.:.

3.3. Испытательный стенд для исследования ледовых режимов работы трубопроводов и приборное оснащение.

3.4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

3.5. Управление гидравлическим и тепловым режимом водоводов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОКЛАДКИ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ.

4.1. Выбор трассы инженерных коммуникаций.

4.2. Способы прокладки инженерных коммуникаций и типы каналов. 4.3. Исследование эффективных видов материала труб и стыковых соединений водоводов на вечномерзлых грунтах.

4.4. Исследования свойств труб из новых материалов и перспективы их использования в строительстве трубопроводов на вечномерзлых грунтах.'.

4.5. Исследования особенностей эксплуатации инженерных коммуникаций на вечномерзлых грунтах.

4.6. Анализ аварий трубопроводов инженерных коммуникаций, проложенных в вечномерзлых грунтах.

4.7. Технико-экономическая эффективность результатов исследования.

Выводы по главе 4.

Введение 2005 год, диссертация по строительству, Гинзбург, Александр Владимирович

Освоение обширной территории Крайнего Севера и Северо-востока началось с 30-х годов прошлого столетия. За это время произошли грандиозные перемены в северных и северо-восточных районах, бывших окраинах страны. Разведаны огромные богатства и налажена добыча полезных ископаемых: алмазов, золота, цветных и редких металлов, железных руд, нефти, угля, природных газов и т.п.

Однако вследствие сложных природно-климатических условий (низкая температура воздуха с годовыми амплитудами колебания до 100°С, частые ураганные ветры, большая снегозаносимость, продолжительный период с отрицательной температурой воздуха - свыше 200 дней в году, вечномерзлое состояние грунтов, полярные ночи и т.п.) условия строительства в этих районах сложны и существенно отличаются от строительства в средней полосе России.

Основной особенностью этих районов, осложняющей и удорожающей строительство и эксплуатацию сооружений, является наличие вечномерзлых грунтов, занимающих пространство до 60% всей территории России. Характерными явлениями, имеющими место в верхнем сезонномерзлом слое и деградирующей вечной мерзлоте, являются пучение и просадки грунтов, образование наледей, каверн, провалов, выветривание, образование морозобой-ных трещин и др.

Строительство в таких условиях является очень сложным и дорогостоящим процессом, а эксплуатация построенных объектов требует большой затраты сил и средств. Поэтому сейчас изучению вопросов строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов уделяется большое внимание.

В настоящее время уже накоплен значительный опыт строительства; произошли существенные сдвиги в части усовершенствования конструктивных и планировочных решений, как отдельных объектов строительства, так и комплексов жилых массивов и населенных мест.

Хуже обстоит дело с проектированием и строительством инженерных коммуникаций и очистных станций. Их сооружение значительно отстает от промышленного и жилищного строительства. Большинство поселков, оборудованных системами теплоснабжения и водопровода, не имеют централизованной системы канализации. Даже такой город как Якутск не имеет сетей канализации, обслуживающих все его жилые районы. В то же время обеспечение населения всеми видами благоустройства является вопросом первостепенной важности и одним из основных стимулов заселения отдаленных районов страны с суровыми климатическими условиями постоянными кадрами.

Следует подчеркнуть, что в общем, комплексе благоустройства населенных мест Севера важнейшими элементами являются инженерные коммуникации и оборудование. Вполне объяснимо, что наличие продолжительной зимы, сурового климата, полярных ночей и т.д. вынуждает население основную часть времени проводить в помещении. Поэтому в последнее время вопросам санитарии и экологии стало уделяться значительное внимание.

Строительство и эксплуатация показывают чрезвычайное разнообразие в технических решениях обусловленных недостаточной изученности вопроса и ограниченного обмена опытом. До последнего времени не было даже нормативных документов по проектированию, строительству и эксплуатации инженерных коммуникаций. Лишь с 1959 г. началась работа по составлению проекта «Указаний по проектированию, строительству и эксплуатации инженерных сетей в районах распространения вечномерзлых грунтов». В 1967 г. были выпущены в свет «Указания по проектированию населенных мест, предприятий, зданий и сооружений в северной строительно-климатической зоне» СН 353-66. Нормативные документы составлены на основе отечественного и зарубежного опыта проектирования, строительства и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения в районах распространения вечномерзлых грунтов. В процессе работы над этими нормативными документами обнаружено практически полное отсутствие научно-исследовательских материалов по работе канализационных трубопроводов в условиях вечной мерзлоты.

В 1979 г. Госстроем СССР выпускается СН 510-78 «Инструкция по проектированию сетей водоснабжения и канализации для районов распространения вечномерзлых грунтов», которая фактически до настоящего времени является основным нормативным документом. Все виды трубопроводов, проложенных в мерзлом грунте, должны быть защищены от действия двух основных факторов: от замерзания жидкости в них; от просадок, происходящих в результате возможного оттаивания вечномерзлого грунта в основании трубопроводов.

Вопросы прокладки трубопроводов и назначение тепловых режимов работы водоводов в суровых климатических условиях с наличием вечномерзлых грунтов впервые в мировой практике встали перед российскими учеными в начале XX века в связи со строительством транссибирской железной дороги. Первые экспериментальные исследования тепловых режимов работы трубопроводов и основы их расчета заложили ученые А.О.Скварченко,

A.А.Сурки, И.АЛОхоцкий, А.М.Чекотилло, М.Я.Чернышев, М.И.Сумгин, Н.С.Богданов, А.В.Львов, В.Г.Шухов. Требования к надежности работы систем водоснабжения предъявлялись жесткие, так как устойчивое снабжение водой железнодорожной станции обеспечивало бесперебойную работу паровозной тяги.

Отдельные аспекты водоснабжения на вечномерзлых грунтах в условиях сурового климата позднее освещались в работах М.М.Андрияшева, И.И.Алешкина, О.В.Акимова, Ю.А.Александрова, Г.В.Алексеевой, С.Н.Аронова, Д.Н.Бибикова, П.А.Богословского, Н.В.Богдасарова, Э.А.Бондарева, Ю.И.Вдовина, Г.И.Воловника, А.А.Вершинина,

B.С.Дикаревского, В.Д.Дмитриева. Б.М.Доскемпирова, Н.Г.Зенгера,

Н.П.Заборщиковой, О.В.Забор щикова, В.М.Жидких, В.П.Зырянова, В.Ф.Кардымон, А.А.Кошелева. В.И.Карпова, А.В.Люгова,

Д.А.Нусупбековой, А.С.Образовекого, Н.Н.Петруничева. А.Ф.Порядина, Г.А.Пчелкина, А.И.Поисеевой, А.В.Путько, Г.В.Порхаева, Ю.А.Попова, В.П.Стеганцева, Л.П.Семенова, Л.Д.Терехова. Б.Ф.Турутина, Н.Ф.Федорова, М.Ю.Юдина, Ю.В.Якунина, А.Л.Ястребова и др.

В работах отечественных ученых рассматриваются особенности проектирования источников водоснабжения, конструирования и расчета водозаборных сооружений, особенностей работы насосных станций, совершенствования способов прокладки водоводов и водопроводных сетей, методики теплотехнических и гидравлических расчетов устройств, предохраняющих трубопроводы и арматуру от разрушения вследствие перемерзания, проведения организационных мероприятий, повышающих надежность эксплуатации систем водоснабжения.

Из зарубежных исследований следует отметить работы, выполненные Локом, Боллом, Зиерманом, Рихтером. Шмидтом, Стюартом, Гиллином, Фу-кусако, Хирата и др.

Режим работы самотечных канализационных сетей отличается от трубопроводов другого назначения. Тепловой режим работы отличается от теплового режима работы напорных трубопроводов, а подземная прокладка является основном типом устройства канализационных трубопроводов.

Большой объем исследований по вопросу теплового взаимодействия трубопроводов с окружающей средой проводился в основном для напорных трубопроводов. В результате этих работ достигнуты определенные успехи, имеющие как теоретическое, так и практическое значение.

Актуальность проблемы. Наличие огромных природных богатств сырьевых и энергетических ресурсов в северных районах России способствует дальнейшему освоению этих районов, росту промышленного и гражданского строительства. В настоящее время здесь проживают около 4 миллионов человек, более чем в 400 населенных пунктах.

Системы водоснабжения и водоотведения являются важными составляющими, обеспечивающими бесперебойность работы промышленных предприятий и создание для населения бытовых условий, отвечающих современным требованиям. Водонесущие трубопроводы являются основным элементом этих систем, определяющим их надежность и экономичность. Строительство и эксплуатация водоводов на Севере имеет свои особенности, связанные с наличием вечномерзлых грунтов и сурового климата, а также дополнительными мероприятиями по предотвращению их перемерзания. По капитальным затратам на водоводы, не зависимо от способа прокладки, приходится до 50% от сметной стоимости систем водоснабжения и водоотведения.

Себестоимость воды в Северных районах в среднем в 20-30 раз выше, чем в средней полосе страны. Это связано со значительным потреблением электроэнергии и топлива на транспортирование и подогрев воды.

Для борьбы с замерзанием воды в трубах водоводы обычно утепляют, а воду перед подачей по трубам подогревают. По нормам подогрев следует назначать таким, чтобы в конце водовода температура воды была не ниже 3°С. Для выполнения этого условия воду необходимо подогревать на 10-20°С.

При снижении подогрева, а также в периоды вынужденной остановки движения воды в водоводах на внутренней поверхности труб возможно образование льда, что по действующим нормативам не допускается.

Анализ эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения, расположенных в условиях сурового климата, на примере станций Байкало-Амурской магистрали (БАМ) показал, что существующие нормативы по назначению экономичных тепловых режимов завышены, не в полной мере учитывают современный уровень развития техники. Необходима разработка новых технологий подачи воды в условиях сурового климата, обеспечивающих значительную экономию топлива и электроэнергии.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- дать анализ аварийности водонесущих трубопроводов на примере построенных станций БАМ;

- обосновать минимальные значения степени подогрева и температуры транспортируемой воды;

- провести экспериментальные исследования и разработать математическую модель теплового режима работы водовода с минимальным значением температуры транспортируемой воды при возможном обледенении трубопровода и образованием тонкого слоя льда на его внутренней поверхности;

Методика исследований включает: аналитическую часть, базирующуюся на отечественном и зарубежном опыте строительства, эксплуатации, аварийных ситуаций, а также тепловых режимах в системах водоснабжения и водоотведения; экспериментальную часть на масштабных установках; математическое моделирование процессов переноса веществ и энергии в водоводах.

- экспериментально обоснована целесообразность снижения температуры транспортируемой воды до 0,1 °С; разработана методика расчета и составлена программа, позволяющая определить оптимальную толщину слоя теплоизоляции водовода при минимальных затратах на его строительство и подогрев воды в зимний период;

Практическая ценность выполненных исследований:

- снижены затраты на организационно-технические мероприятия по эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, одновременно обеспечиваются топливо- и энергосбережение; это позволило реализовать результаты исследований на ряде объектов Байкало-Амурской магистрали, а затем на Дальневосточной железной дороге, получив существенную экономию;

- служба эксплуатации получила рекомендации по ремонтно-восстановительным работам при авариях на водоводах или остановки подачи воды, которые должны быть проведены в пределах расчетного времени восстановления водовода без опорожнения его от воды, что снижает затраты и возможные последствия при выпуске значительного количества воды в грунт или на поверхность земли;

- разработанный новый подход к тепловым режимам трубопроводов с минимальным подогревом и образованием корки льда на внутренней поверхности трубы дает экономию топлива до 20-40%, а в ряде случаев позволяет либо вообще отказаться от подогрева, либо на некоторых насосных станциях 1 -го подъема исключить котельные;

- снижается вредное воздействие на окружающую среду от продуктов сгорания топлива, вредных газов и пыли;

- реализация программ оптимизации подбора толщины теплоизоляции водоводов позволяет получить до 10-15% экономии затрат на строительство и эксплуатацию водоводов.

Личный вклад автора:

- проанализирован опыт строительства и эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения, построенных в сложных климатических и фунтовых условиях, а также сделан анализ патентных материалов;

- исследована инерционность замерзания воды в трубах;

- разработана методика расчета оптимального слоя теплоизоляции водоводов;

- результаты исследований внедрены на ряде объектов БАМ и в учебном процессе.

Апробация работы. Отдельные положения диссертации разрабатывались в соответствии с научно-техническими программами Министерства Путей Сообщения РФ "Экспериментально-теоретические исследования ледо-термических режимов трубопроводов" заказ ЦЭУ МПС 1996-97 гг. № 7.14 и Российской академии архитектурно-строительных наук (РААСН)*"Разработка и создание эффективной энергосберегающей технологии подачи воды по водоводам в суровых климатических условиях для Северных районов России".

Основные положения и результаты работы были доложены: на научно-технической региональной конференции "Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока" (Хабаровск, 1987), конференции ХабИИЖТа (Хабаровск. 1989), 3 региональной научно-практической конференции "Пути улучшения работы сооружений водоснабжения и водоотведения Дальнего Востока" (Хабаровск, 1989), научно-техническом семинаре "Обеспечение надежности питьевого водоснабжения" (Москва, 1989), научно-технической конференции "Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера" (Хабаровск, 1997). научно-практической конференции "Человек и окружающая природная среда" (Пенза, 2000), научно-практической конференции "Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Саха (Якутия)" (Якутск, 2003).

Результаты работы используются в учебном процессе ДВГУПС при изучении спецкурса "Водоснабжение и водоотведение в условиях сурового климата" для студентов специальности 2908 "Водоснабжение и водоотведение" и на курсах повышения квалификации работников водоснабжения ДВЖД и ЗабЖД.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, выполнено 2 отчета по НИР.

Заключение диссертация на тему "Повышение эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях"

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

2. Проектирование и устройство трубопроводов инженерных коммуникаций на вечномерзлых грунтах должно производиться с учетом особых свойств этих грунтов. При расчете дополнительных осадок мерзлых грунтов должна быть установлена зависимость предельного сопротивления вечномерзлых грунтов сдвигу от состава, состояния и температуры грунта, а так же от величины и времени действия внешней нагрузки. При расчете прочности трубопроводов на мерзлых грунтах необходимо учесть, что сжимаемость оттаивающих грунтов значительно превышает их сжимаемость в мерзлом состоянии.

3. При подземной прокладке теплого трубопровода вокруг труб образуются большие ореолы оттаивания и грунт в основании труб проседает, деформируя трубопровод. Кроме того, в результате оттаивания происходит осадка дневной поверхности и это при наличии высокольдистых грунтов или подземного льда может привести к термокарсту. При подземной прокладке холодного трубопровода вокруг труб образуется ореол промерзания. Если ниже труб находится талый грунт, то трубопровод может быть разрушен силами нормального пучения.

4. Потеря устойчивости трубопровода может происходить также в результате его всплытия при подъеме уровня подземных вод на участках с различными типами многолетнемерзлыми горными породами (ММП). Последние при оттаивании превращаются во взвешенную массу (пульпу), в которой вследствие ее большой плотности легко всплывают трубопроводы.

5. Опыт отечественного и зарубежного строительства в условиях Крайнего севера инженерных систем водоснабжения и водоотведения свидетельствует о необходимости соблюдения целого комплекса мер защиты от замерзания и разрушения водонесущих трубопроводов. Отмечено, что вид прокладки инженерных коммуникаций должен быть увязан с принципами строительства зданий и сооружений в зависимости от расположения трассы сетей по отношению к застраиваемой территории, ее архитектурно-планировочному решению и максимально возможному приближению к обслуживаемым объектам.

6. Способ прокладки инженерных коммуникаций зависит от способности грунтов к просадке при оттаивании. Водонесущие коммуникации прокладываются раздельно или совместно в каналах; способ прокладки может быть подземным, наземным и надземным; сделан вывод о целесообразности и перспективности прокладки напорных водоводов надземным способом с устройством надежной теплоизоляции. Отмечено практическое отсутствие универсальных методов проектирования, строительства и эксплуатации инженерных коммуникаций.

7. Опыт эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения показал, что наибольшее число аварий приходится на 2-3 весенних и 1-2 осенних месяца, что связано с процессами оттаивания и промерзания грунтов. Основными причинами аварий на трубопроводах являются замерзание воды в трубах и деформация трубопроводов вследствие изменения физико-механических свойств грунтов в их основании, чрезмерные и неравномерные осадки грунтов при отсутствии в проектах строительства мер, предусматривающих аварийные ситуации, и расчета трубопроводов на возможные максимальные осадки грунтов.

8. Анализ статистических данных по аварийности водоводов БАМа показал, что во многих случаях причинами аварий стали ошибки, допущенные при проведении инженерно-геологических изысканий мерзлых грунтов, при проектировании, строительстве и эксплуатации водоводов. Подтверждена более высокая надежность и эффективность надземной прокладки водоводов. Отмечена перспективность применения полиэтиленовых труб для систем водоснабжения.

9. Сделан анализ методов теплового расчета трубопроводов, взаимодействующих с мерзлыми грунтами, в основу которых положены стационарные и не стационарные режимы работы трубопроводов и внешних параметров. Надежность таких методов расчета недостаточна. Отмечено, что существующие методы расчета водонесущих трубопроводов рассматривают процессы теплообмена с мерзлым грунтом только для напорных водоотводов. Для водоотводящих систем с самотечным режимов движения воды методы расчетов теплообмена практически отсутствуют.

10. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования по инерционности замерзания воды в трубах обосновали возможность транспортировать воды по напорным трубопроводам систем водоснабжения с температурой в пределах 0,01-0,1°С, что значительно ниже действующего требования в 3°С. С целью регламентирования действий службы эксплуатации по предотвращению перемерзания водоводов вводятся два параметра «защитное время» (продолжительность безопасности остановки движения воды в трубах) и «время восстановления» (время, необходимое для возобновления движения воды в трубах)

11. В процессе исследований было отмечено, что в условиях низких отрицательных температур воздуха при транспортировании воды с минимальным подогревом или без подогрева, на внутренней поверхности трубы может образоваться тонкая корка льда. Работа в режиме внутреннего обледенения существенно влияет на гидравлические, энергетические и экономические показатели эксплуатации водоводов.

12. Исследования показали, что при работе трубопроводов с внутренним обледенением уменьшается шероховатость, за счет чего пропускная способность труб увеличивается до 27%, потери напора снижаются до 39%, затраты на подогрев уменьшаются до 30%. Наибольший эффект от покрытия льдом внутрнней поверхности труб достигается при степени оледенения ш = 0,1 при реализации новой технологии с оледенением на водоводах большой протяженности уложенных из старых труб с большой шероховатостью внутренней поверхности.

13. Разработаны методика и программа для расчета процесса оледенения водоводов. Предложен и внедрен автоматизированный комплекс АКУ-TRV для управления и обеспечения оптимальных гидравлических и тепловых параметров водоводов в условиях Крайнего севера.

14. Результаты экспериментов по инерционности замерзания водоводов в зимний период, проведенных на чистой воде, вполне могут быть распространены и на водоотводящие напорные трубопроводы, поскольку температура сточных вод, поступающих в начало сети, как правило, не ниже 5-10°С.

15. Разработаны Рекомендации по расчету защитного времени в зависимости от температуры воздуха и воды, диаметра трубопровода, толщины теплоизоляции. В графической и табличной форме представлены зависимости времени остывания и промерзания трубопроводов от диаметра труб, температуры воздуха, толщины слоя изоляции и начальной температуры транспортируемой по трубопроводу воды. Разработаны также Рекомендации по эффективным способам и видам теплоизоляции трубопроводов в условиях БАМа.

16. Эффект от внедрения предлагаемых разработок снижает эксплуатационные расходы для одной средней станции на 1,76 млн. руб.

Библиография Гинзбург, Александр Владимирович, диссертация по теме Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

1. Абелев М.Ю., Кругов В.П., Левченко А.П. Проектирование инженерных коммуникаций на просадочных грунтах // Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении: Стройиздат, 1987. С. 155.

2. Александров Ю.А., Надеждин А.В. Опыт строительства санитарно-технических коммуникаций в южной зоне вечной мерзлоты. Сыктывкар: Коми книжное издательство, 1970. 104 с.

3. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М.: Стройиздат, 1984. 272 с.

4. Альбом чертежей незамерзающего водопроводного оборудования. Красноярск: Промстройниипроект, 1971.

5. Андрияшев М.М. Гидравлические и тепловые расчеты водопроводных линий и сетей. М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1949.

6. Анисимов В.В., Криницын М.И. Строительство магистральных трубопроводов в районах вечной мерзлоты. Л.: Гостоптехиздат, 1963. 148 с.

7. Бабин ЛА., Григоренко П.Н., Ярыгин Е.Н. Типовые расчеты при сооружении трубопроводов. М.: Недра, 1995. 256 с.

8. Бабин ДА. и др. Выбор трасс магистральных трубопроводов. Л.: Недра, 1970. 128 с.

9. Бакакин В.П. Основы ведения горных работ в условиях вечной мерзлоты. М.:Металлургиздат, 1958. 231 с.

10. Бакакин В.П. Особенности производства горных работ в мощно! толще мерзлых пород // Основы геокриологии. Ч. II. М.: Изд-во АН СССР 1959. С. 219-230.

11. Богдасаров И. В. Опыт эксплуатации водоводов уложенных на мари стых участках в южных районах вечной мерзлоты // Сб. трудов Хабаровског политехнического ин-та. Вып. III, 1966.

12. Богословский П.А. Ледовый режим трубопроводов гидротехнических станций. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950. 154 с.

13. Богуславский А.И. Снижение расхода энергии при работе систем отопления и вентиляции. М.: Стройиздат, 1985. 336 с.

14. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. М.: Недра, 977. 520 с.

15. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы. М.: Недра, 1973. 304 с.

16. Велли Ю.Я. и др. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1977. 551 с.

17. Вершин А.А. Надземные и мелкозаглубленные водопроводные сети // Водоснабжение и канализация населенных мест в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. Л.: ЛИСИ, 1970.

18. Водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения. Справочник под ред. Б.Н. Репина. М.: Высшая школа, 1995. 431 с.

19. Водоснабжение и канализация населенных мест в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. Материалы Всесоюзной конференции. Л.: ЛИСИ, 1966.

20. Вялов С.С. Реология мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1999. 460 с.

21. Вялов С.С. Термодинамические основы механики мерзлых грунтов /, Термодинамические аспекты механики мерзлых грунтов. М.: Наука, 1988 С. 3-18.

22. Геокриология СССР. Европейская территория СССР. М.: Недра 1988. 358 с.

23. Гинзбург А.В. Назначение способов прокладки водоводов в северных районах России / III международная научно-практическая конференция "Человек и окружающая природная среда" //Сб. материалов. Пенза: Пенз. дом знаний, 2000. С. 38-40.

24. Гинзбург А.В., Терехов Л.Д. Ткаченко А.В Оптимизационные расчеты режимов работы системы водоснабжения г. Тында /Межвузовский сб. науч. тр. Передовые технологии водоснабжения и водоотведения в восточных регионах России. Хабаровск: ДВГУПС, 2000 С. 46-50.

25. Гинзбург А.В., Терехов Л Д. Оптимизация подбора толщины теплоизоляции водоводов надземной прокладки / III международная научно-практическая конференция "Человек и окружающая природная среда" // Сб. материалов. Пенза: Пенз. дом знаний, 2000. С. 36-38.

26. Гинзбург А.В. Экономические условия эксплуатации водонесущю систем на Севере//Коммунальный комплекс России. 2005. № 1(7). С. 66-69.

27. Голъдман В.Г. Исследование способа оттаивания вечномерзлы: грунтов // Тр. ВНИИ-1. Магадан, 1964. Т. 23. С. 337-388.

28. Голъдман В.Г., Знаменский В.В., Чистопольский СД. Гидравлическое оттаивание мерзлых горных пород // Тр. ВНИИ-1. Магадан, 1970. Т. 30. 450 с.

29. Гохман М.Р. Теплотехнические расчеты вечномерзлых оснований зданий и сооружений с использованием метода угловых точек // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1988. № 4. С. 16-18.

30. Дмитриев А.В., Кетков А.Г. Городские инженерные сети. М.: Строй-издат, 1987.

31. Додин В.З. Сооружение каналов подземных коммуникаций в проса-дочных вечномерзлых грунтах (Тунгусский бассейн)/ М.: Госстойиздат, 1965.

32. Долин В.В. Сооружение каналов подземных коммуникаций в проса-дочных вечномерзлых грунтах. М.: Стройиздат, 1965-192 с.

33. Евилевич A.M., Евилевич В.А. Утилизация осадков сточных вод. JL: Стройиздат, 1988.248 с.

34. Ершов ЭД. Общая геокриология. М.: Недра, 1990. 559 с.

35. Ершов Э.Д., Хрусталев JI.H., Дубиков Г.И., Пармузин С.Ю. Инженерная геокриология: Справочное пособие. М.: Недра, 1991. 440 с.

36. Ершов ЭД., Чеверев В.Г., Видяпин И.Ю. Исследование формирования температурного поля и преобразования криогенной текстуры мерзлых грунтов под действием потока тепла и влаги // Мат-лы I конф. геокриологоЕ России. М.: МГУ, 19966. Кн. 4. С. 85-88.

37. Ершов ЭД., Чеверев В.Г., Магомедгаджиева М.А. Эксперименталь ные исследования химического потенциала влаги в мерзлых грунтах в спек тре отрицательных температур // Мат-лы I конф. геокриологов России. М. МГУ, 1996. С. 79-84.

38. Железняк И.И. Методика обследования мерзлых оснований эксплу? тируемых сооружений и восстановление их надежности // Обзорн. инф. AJC им. К.Д. Памфилова. Сер. Жилищное хозяйство, 1(84). М., 1990. 43 с.

39. Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений. М.: Стройиздат, 1988. 349 с.

40. Зарецкий Ю.К. О реологических свойствах пластично-мерзлых грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1972. № 2. С. 8-12.

41. Зентер Н.И. Особенности устройства водопроводов в условиях вечной мерзлоты. М.: Строиздат, 1964.

42. Инженерное оборудование зданий и сооружений: Энциклопедия / Гл. редактор С.В.Яковлев. М.: Стройиздат, 1994. 512 с.

43. Инструкция по проектированию сети водоснабжения и канализации для районов распространения вечномерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1979.

44. Калабин А.И. Из опыта строительства на Северо-Востоке СССР. Магадан, 1968., 81 с.

45. Калицун В.И. Водоотводящие системы и сооружения. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1987. 336 с.

46. Канализация населенных мест и промышленных предприятий // Под ред. В.Н.Самохина. Изд. 2-е. М.: Стройиздат, 1981. 639 с.

47. Когодовский О.А., Фриштер Ю.И. Гидроэнергетика Крайнего Севе ро-востока. М.: Энергоатомиздат, 1996. 299 с.

48. Кузнецов Н.К., Филиппов Г.С. Строительство промышленных сооружений в районах вечномерзлых грунтов. М.; Стройиздат, 1972-180 с.

49. Левченко А.П. Устройство сетей водопровода и канализации на про-садочных грунтах. М.: Изд-во МГПУ, 1995. 66 с.

50. Лютов А.В. Инженерные коммуникации на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1981. 144 с.

51. Лютов А.В. Строительство и эксплуатация водоводов надземной и канальной прокладки на Севере. Л.: Строиздат, 1976.

52. Макаров В.И. Управление температурным режимом мерзлых массивов в северном строительстве // Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезонно действующих охлаждающих устройств. Якутск: ИНМЕРО, 1983. С. 13-29.

53. Микростроение мерзлых пород / Под ред. ЭД. Ершова. М.: Изд-во МГУ, 1988. 183 с.

54. Моисеев И.С. Расчет температурного режима земляных плотин в районах распространения многолетней мерзлоты // Тр. МИСИ. 1969. № 29. С. 42-51.

55. Научно-технический отчет по теме "обобщить опыт проектирования устройства и эксплуатации фундаментов", фонды МКНИО, Магадан 1979.

56. Научно-технические отчеты по теме: "Исследование и разработк; мероприятий по повышению эффективности эксплуатации сетей железнодо рожных водопроводов" // Научно-технический отчет № 1, № 2, № 3, № • ЛИИЖТ 1973, 1974,1975, 1976.

57. Научно-технический отчет по теме "Температурное и обзорное обследования инженерных сетей для Магаданской области". (Отв. исп. Ще-гольков Ю.Г., Томирдиаро С.В.), фонды ВНИИ-1. Магадан, 1960.

58. Научно-технический отчет по теме H-II "Исследование причин деформаций зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах Центральной Колымы", фонды Красноярский промстройНИИпроект. Красноярск, 1977.

59. Орлов В.О., Дубнов ЮД., Меренков НД. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундамент сооружений. Л.: 1977. 183 с.

60. Орлов В. А., Харькин В. А. Стратегия и методы восстановления подземных трубопроводов. М.: Стройиздат, 2001. 96 с.

61. Павлов А.В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР. Якутск; Якут. кн. изд-во, 1975. 304 с.

62. Поисеева А.И. Способы прокладки и типы водопроводных труб в условиях Крайнего Севера. Межведомственный сборник научных трудов. Якутск, 1979.

63. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с веч-номерзлыми грунтами. М.: Наука, 1970. 208 с.

64. Порхаев Г.В., Хрусталев JI.H. и др. Возведение зданий со стабилизацией положения верхней поверхности мерзлоты // На стройках России, 1976. № 1.С. 43-46.

65. Порхаев Г.В., Щелоков В.К. Прогнозирование температурного режима вечномерзлых грунтов на застраиваемых территориях. Л.: Стройиздат. 1980. 112 с.

66. Пособие по проектированию сетей водоснабжения и канализации i сложных инженерно-геологических условиях (к СНиП 2.04.02-84 и 2.04.03 85). М.: Союзводоканал проект, 1990. 56 с.

67. Пособие по теплотехническим расчетам санитарно-технических се тей. Прокладываемых в вечномерзлых грунтах. М.: Стройиздат, 1971.

68. Проектирование пластмассовых трубопроводов. Справочные материалы. // Под. ред. В.С Ромейко. М.:: ТОО ВНИИМП. 2001. 134 с.

69. Проектирование сооружений для очистки сточных вод: Справочное пособие к СНиП 2.04.03-85. М.: Стройиздат, 1990. 192 с.

70. Промежуточный отчет по теме 1-65-40Т "Разработка технологического предпостроечного оттаивания и уплотнения мерзлых пород при строительстве". (отв. исп. Щегольков Ю.Г.), фонды ВНИИ-1. Магадан, 1968.

71. Пустовойт Г.П. О методах расчета оттаивания и промерзания в основаниях сооружений на вечномерзлых грунтах несливающегося типа // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1995. № 2. С. 18-22.

72. Рейнюк И.Т. Влияние застройки и природных факторов на температуру вечномерзлых грунтов. Труды ВНИИ-1. Т. XXII. Магадан, 1963. С. 239295.

73. Рекомендации по теплотехническим расчетам и прокладке трубопроводов в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов. М.: НИИОСП, 1975.91 с.

74. Рекомендации по проектированию и устройству зданий на подсып-ках в районах распространения вечномерзлых грунтов. М.: НИИОСП, 1977. 40 с.

75. Рекомендации по наблюдениям за состоянием оснований и фундаменте зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах. М. НИИОСП, 1982. 33 с.

76. Рекомендации по расчетам температурного режима плотин из грун товых материалов, возводимых в северной строительно-климатической зоне Л.: Изд. ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1985. 69 с.

77. Рекомендации по производству опережающих исследований дл строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов. М.: СтроГ издат, 1986. 112 с.

78. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. М.: НИИОСП, 1986. 72 с.

79. Роман JI.T. Мерзлые торфяные грунты как основания сооружений. Новосибирск:'Наука, 1987. 220 с.

80. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах. М.: Стройиздат, 1980. 303 с.

81. Сапожников М.М. Применение пластмасс при строительстве водопроводов JL: Лениздат, 1959.

82. Слепок М.Э. Расчет осадок свай в пластично-мерзлых грунтах // Тр. НИИОСП. Вып. 73. М.: НИИОСП, 1982. 13 с.

83. Смирнов И.С., Хрусталев JI.H. Оценка площади инженерных изысканий в криолитозоне с применением теории исследования операций // Мат-лы I конф. геокриологов России. М.: МГУ, 1996. С. 288-298.

84. СН 510-78. Инструкция по проектированию сетей водоснабжения и канализации для районов распространения вечномерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1979.

85. СНиП 2.01.15-90. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения прректи-рования.

86. СНИП 2.04.03-85. Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения. М., ЦИТП, 1986. 72 с.

87. СНиП II-А. 6-72. Строительная климатология и геофизика. М.: Стройиздат, 1972.

88. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройtoиздат, 1977. 552 с.

89. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов. Л. Недра, 1977. 520 с.

90. Строительные нормы и правила. 4.II. Нормы проектирования. Тег ловые сети. СНиП 11-36-73. М.: Стройиздат, 1975.

91. Суслов М.П. Контроль за внутритрубным обледенением водоводов. // Водоснабжение и сан. техника. 1963. № 4. С. 5-8.

92. Тартаковский Г.А. Строительная механика трубопровода. М.: Недра, 1976. 224 с.

93. Терехов Л.Д. Исследование процессов заполнения трубопроводов, разработка и испытание новых конструкций вантузов. Автореферат дисс. Л.: ЛИИЖТ, 1976.

94. Терехов Л.Д, Гинзбург А.В. Аварийность водоводов БАМа. Материалы семинару МДНТП / Обеспечение надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. Протапринт МДНТП, 1989. С. 63-66.

95. Терехов Л.Д., Гинзбург А.В. Инерционность замерзания водоводов в зимний период. М.: ВИНИТИ РАН, 2001. С. 1-44.

96. Технический отчет по разработке мероприятий к наладке систем теплоснабжения г. Сусумана Магаданской обл., на отопительный сезон 19861987 г.г. Нерюнгри, 1986.

97. Трубы и детали трубопроводов из полимерных материалов. Справочные материалы // Под ред. В.С.Ромейко. М.: ТОО «Изд. ВНИИМП», 2001. 126 с.

98. Устройство инженерных коммуникаций в условиях Крайнего Севера: Справочное пособие. М.: Стройиздат. 1968.

99. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В. Механика грунтов, осно вания и фундаменты. М.: АСВ, 1994. 520 с.

100. Федоров Н.Ф., Курганов A.M., Алексеев М.И. Канализационные сети. Примеры расчетов: Учеб. пособие для вузов 3-е изд. М.: Стройиздат, 1985. 223 с.

101. Федорович Д.И., Гохман М.Р. Уточнение расчетных температур * вечномерзлых грунтов в основании зданий и сооружений // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1985, № 5. С. 22-24.

102. Хрусталев JI.H. Температурный режим вечномерзлых грунтов на застроенной территории. М.: Наука, 1971. 168 с.

103. Хрусталев JI.H., Пустовойт Г.П. Мониторинг многолетнемерзлых пород // Геоэкология. 1994. № 4. С. 43-49.

104. Цытович НА. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. 446 с.

105. А ' 116. Чеверев В.Г. Классификация влаги в мерзлых грунтах // Мерзлыепороды и криогенные процессы. М.: 1991. С. 7-17.

106. Чеверев В.Г., Лебеденка Ю.П. О природе сил морозного пучения грунтов и методике их оценки // Мерзлые породы и криогенные процессы. М.: Наука, 1991. С. 112-119.

107. Шишкенов Г.Ф. Анализ деформаций зданий на аварийных фундаментах // Совершенствование аварийных фундаментов в сложных условиях Красноярск, 1981.

108. Яковлев С,В. Воронов Ю.В. Водоотведение й очистка сточных вод Учеб. для вузов. М.: АСВ, 2004. 704 с.

109. Яковлев С.В., Карелин Я. А. Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Водоот-водящие системы промышленных предприятий: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат. 1990. 511 с.

110. Ястребов А.П. Инженерные коммуникации на вечномерзлых грунтах. JL: Стройиздат, 1972. 175 с.

111. Cheverev V.G., Ershov E.D., MagomedgadAhieva MA., Vidyapin I.Y. Results of Physical Simulation of Frost Heaving in Soils // Permafrost. 7th International Conference, 1998. Canada. P. 145-149.

112. Chuvilin E.M., Ershav E.D., Smimova O.G. Ionic migration in frozen soils and ice // Permafrost 7th International Conference, June 23-27, 1998. Proceedings. Yellowknife, Canada. P. 167-171.

113. Fish A.M. The comparison of USSR and USA Building Codes for design of the foundation of permafrost // Cold Region Science and Technology, 1983. Vol. 8. N1.

114. Nixon J.R, Lem G. Creep and strenght testing of frozen saline fine grained soils // Can. Geotech J. 21. 1984. P. 518-529.

115. Granam E.B. .On the periomance of the enthalpy method // Int J. Heal and Mass Thansfer. 1982. Vol. 25. N 4. P. 581-589.

116. Robinsky E.I. Thichened discharge — A new approach to tailings disposal // Canadian Mining and Metallurgical Bui., 1975. Vol. 68. N 764. P. 47-53.

117. Pham Q.T. A fast unconditionally stable finite-difference scheme fo heat conductivity with phase change // Int J. Heat and Mass Transfer. 1985. Vol 28. N 11. P. 2079-2084.

118. Voller V.R. Accurate solutions of the moving boundary problems usin the enthalpy method // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1981. Vol. 24. N 3. P. 545 556.

119. Q объемный расход воды, м3/с;г текущий радиус, м;

120. Rnp приведенный радиус, м;

121. Riim предельный радиус, м;

122. Т касательное напряжение трения, Па;1. X смоченный периметр, м;

123. С, коэффициент гидравлического трения;1. Re критерий Рейнольдса;1. Nu критерий Нусельта;1. Рг критерий Прандтля;

124. R -суммарное термическое сопротивление термопередаче стенки трубопровода, слоя теплоизоляции, теплоотдачи от трубопровода воздуху, Вт/(м2град); 0 температура наружного воздуха,1°С;-т коэффициент теплопроводности стали, >-т = 46 Вт/(м-град);

125. Хи коэффициент теплопроводности изоляции, = 0,05 Вт/(м-град);

126. Ftp часть площади живого сечения трубопровода, занятого льдом, м2; Ftp - площадь живого сечения трубопровода, м2.

Похожие работы

Строительство
05.23.00