автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Повышение эффективности работы водоотводящих сетей при их бестраншейной реновации полимерными материалами

На правах рукописи

Хургнн Роман Ефимович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОДООТВОДЯЩИХ СЕТЕЙ ПРИ ИХ БЕСТРАНШЕЙНОЙ РЕНОВАЦИИ ПОЛИМЕРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 3 ОКТ 2014

Москва 2014

005553781

005553781

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Орлов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Павлинова Ирина Игоревна

доктор технических наук, профессор, ГНЦ РФ ОАО «НИИ ВОДГЕО», Главный научный сотрудник экспертно-консупьтационного центра

Козлов Михаил Николаевич, кандидат технических наук, ОАО «Мосводоканал», начальник Управления новой техники и технологий

Ведущая организация: ОАО «НИИ Коммунального

водоснабжения и очистки воды»

Защита диссертации состоится 20 шфг 2014 г. в часов ^^ минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» www.mgsu.ru.

Автореферат разослан » 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Гогина Елена Сергеевна

Общая характеристика работы

Актуальность.

Согласно официальным источникам и статистическим данным одним из главных источников угроз для социального и экономического развития городов и населенных мест является высокая степень изношенности действующих подземных трубопроводов различного назначения, включая безнапорные водоотводящие сети. Тем не менее, XXI век необходимо рассматривать как век совершенствования трубопроводных систем. Согласно Федеральному Закону РФ «О водоснабжении и водоотведении» (ФЗ № 416) в основе совершенствования трубопроводных систем должны лежать высокоэффективные технологии строительства трубопроводов, новые ремонтные материалы, своевременная реновация и модернизация, соответствующие повышенным требованиям к качеству и сохранению количества транспортируемых сред при создании условий, не нарушающих сложившуюся экологическую обстановку. Всему этому способствует широкое применение различных методов бестраншейного строительства и реновации трубопроводов.

Особую актуальность вопросы оперативной реновации приобретают для городов России, где в коммунальном секторе свыше 70 % трубопроводных коммуникаций находятся в неудовлетворительном состоянии. Отсюда базовой задачей коммунальных служб городов должны являться вопросы строительства, модернизации и реконструкции трубопроводного транспорта.

По данным ОАО «Мосводоканал» преобладающее количество повреждений и негативных последствий их проявления приходится на трубы малых диаметров (до 200 мм), что составляет около 75 % их общего количества. Главными причинами старения и повреждений безнапорных трубопроводов систем водоотведения являются: износ труб, низкое качество материала изготовления, наружная и внутренняя коррозия, а также совокупность внешних дестабилизирующих техногенных и природных факторов (подземных вод, агрессивных грунтов, резких сезонных изменений температуры) и т.д.

Предупреждение старения и оперативная ликвидация последствий аварийных ситуаций являются одними из главных задач служб эксплуатации коммунальных объектов городов. Решение задачи предотвращения аварийных ситуаций и раннего старения трубопроводов на базе новых подходов и разработанных на их основе нормативов технического обслуживания и ремонта должно способствовать реализации долгосрочных социальных и экологических проблем, стоящих перед современным городом, а также постепенному отказу от стратегии «штопаний дыр» или «пожарной команды», которые характерны для коммунальных служб ряда современных городов.

Большое количество используемых в городском хозяйстве методов реновации водоотводящих трубопроводов и их многочисленных

модификаций также требует осмысления в плане их применения на конкретном объекте восстановления. Это относится, в частности, к интенсификации процессов эксплуатации трубопроводов, автоматизации выбора метода ремонта для конкретных объектов на основе всесторонней и комплексной сравнительной оценки различных показателей, выявление диапазона технических параметров новых ремонтных материалов для наиболее эффективного применения. Решение данных вопросов актуально не только при организации восстановления трубопроводов, но и их прокладки (нового строительства) в условиях современного города с высокой плотностью населения, развитой подземной инженерной инфраструктурой и, как правило, стесненных условий производства работ и других «препятствий» технического, социального и экономического характера.

Объект исследования. Самотечные трубопроводы, восстанавливаемые протягиваемыми в них полимерными трубами при реализации операций забутовки межтрубного пространства и с проверкой гидравлических и прочностных характеристик новой двухтрубной системы «старый трубопровод + новая полимерная труба».

Предмет исследований. Проведение гидравлических испытаний новых материалов трубопроводов с обработкой результатов на автоматизированных комплексах, компьютерное моделирование работы двухслойных трубных конструкций «старый трубопровод + новая полимерная труба» в условиях забутовки межтрубного пространства.

Научно-техническая гипотеза. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования и полученные на их основе результаты должны послужить доказательством эффективности бестраншейного восстановления старых трубопроводов новыми полимерными трубами, протягиваемыми в них при одновременной реализации операций забутовки межтрубного пространства.

Методологические и теоретические основы исследования. Основой проводимых исследований послужили труды отечественных и зарубежных учёных в области исследования гидравлических и прочностных характеристик строительных материалов, используемых для строительства и реновации трубопроводов.

Цели и задачи работы.

Целью диссертационной работы является анализ технического состояния безнапорных трубопроводов систем водоотведения, выявление путей повышения эффективности и долговечности их работы путем реновации полимерными материалами (трубами) с определением оптимальных диапазонов гидравлических и прочностных параметров восстановленной трубопроводной системы.

Задача работы сводится к исследованию аспектов, связанных с применением ремонтных полимерных материалов (труб) с обеспечением автоматизированного сопровождения операций по определению

оптимальных показателей работы новой восстановленной трубопроводной системы.

Для достижения поставленной цели были решены частные задачи: -выявлены и детально рассмотрены внешние факторы, оказывающие прямое и косвенное влияние на техническое состояние и эффективность эксплуатации водоотводящей сети, т.е. на повышение надёжности её работы;

-проведены исследования прочностных свойств потенциально используемых для ремонта полимерных труб и усилий протягивания их в старые трубопроводы;

-разработаны автоматизированные программы сопровождения проектных разработок по определению требуемых гидравлических и прочностных параметров восстановленной трубопроводной системы. Научная новизна работы состоит в следующем:

-разработана физическая и математическая модели возможного изменения состояния (геометрии) полимерной трубы в условиях её нахождения в старом трубопроводе в период его бестраншейного ремонта при изменении температурного режима окружающей среды;

-разработана и апробирована специальная конструкция гидравлического поверочного стенда для трубопроводов (на линейных и криволинейных участках), а также унифицированная методика проведения гидравлических экспериментов на безнапорных сетях;

-установлены зависимости коэффициента Шези от гидравлического радиуса С=А(11) и шероховатости для новых материалов труб: полиэтиленовой фирмы Роспайп внутренним диаметром 14 см, гофрированной из полипропилена блок сополимера диаметром 9,8 см и гладкой из непластифицированного ПВХ внутренним диаметром 10,5 см (обе трубы фирмы \Vawin), которые могут быть использованы в качестве ремонтных материалов для протягивания в старые трубопроводы;

-разработаны физическая и математическая модели восприятия полимерной трубой механических и гидростатических нагрузок при забутовке межтрубного пространства, а также алгоритм и автоматизированная программа прочностного расчета многослойных трубных конструкций при реализации операций по забутовке межтрубного пространства; осуществлено комплексное компьютерное моделирование операций по забутовке межтрубного пространства в широких диапазонах диаметров (толщины стенок труб), удельных весов строительных растворов и уровнях грунтовых вод над трубопроводом. Практическая значимость

Рекомендованы: математические зависимости, позволяющие проектировщику осуществлять гидравлический расчёт полимерных труб для определения относительной шероховатости и автоматизированные программы компьютерного моделирования для предварительной оценки возможности забутовки межтрубного пространства и определения эффективности работы многослойной системы «старый трубопровод + новый

полимерный + цементно-песчаный раствор» - обеспечения требований по допустимой овализации полимерного трубопровода и устойчивости системы к всплытию.

На защиту выносятся:

-результаты исследований по определению гидравлических параметров работы трубопроводов из различных материалов и условий их гидравлической совместимости в системе «старый участок трубопровода + новый участок»;

-алгоритмы и автоматизированные программы сопровождения научных исследований и проектных разработок по определению гидравлических показателей и прочностных характеристик многослойных трубопроводов;

Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты стендовых гидравлических исследований докладывались на:

-VII Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 23-25 апреля 2014 года. Тема «Компьютерное моделирование процесса забутовки межтрубного пространства».

-Ежегодной Международной научной конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке». Москва. МГСУ, 16-18 октября 2013 года Тема доклада «Автоматизированные программы сопровождения научных исследований по гидравлике трубопроводов и их прочностному расчету».

-Всероссийской Научно-технической конференции «Современные технологии строительства и ремонта трубопроводов». Москва. МГСУ, 2010 год. Тема доклада «Исследование гидравлических характеристик полимерных труб и обоснование забутовки межтрубного пространства при реновации ими ветхих водоотводящих сетей».

-Научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов за 2009/2010 учебный год. Москва. МГСУ, 2010год. Тема доклада «Особенности применения современного оборудования и труб»

-Научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов за 2006/2007 учебный год. Москва. МГСУ, 2007 год. «Влияние пластмассовых труб на гидравлические параметры коммунальных систем».

Результаты работы внедрены в практику проектирования ремонтно-восстановительных работ на объектах строительства в Москве.

Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 76 наименований. Общий объём диссертационной работы: 138 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 31 рисунок, приложения с тестовой частью, таблицами и справками о внедрении.

В первой главе диссертации по литературным источникам и опыту работы Московского водоканала и зарубежных фирм анализируются общее состояние водоотводящих сетей и факторы, дестабилизирующие их функционирование.

При обработке литературных источников изучен и творчески переработан опыт отечественных ученых и специалистов, занимавшихся вопросами повышения эффективности работы водоотводящих трубопроводов, оценки их состояния и интенсификации эксплуатации, совершенствования гидравлического расчета путём автоматизации. К таким работам, в первую очередь, относятся труды H.H. Павловского, В.И. Калицуна, C.B. Яковлева, Ю.В. Воронова, А.Д. Альтшуля, H.A. Лукиных, О.Г. Примина, C.B. Храменкова, А.Я. Добромыслова, Шези А. (Франция), Гончаренко Д.Ф., Коринько И.В. (оба из Украины), Звиршовской А., Куличковского А. (Польша) и других.

Современное техническое состояние водоотводящих сетей можно оценить как неудовлетворительное. Мировой опыт показывает, что превалирующими материалами эксплуатирующихся безнапорных водоотводящих сетей являются керамика, асбестоцемент, чугун и пластмасса, а напорных - сталь, чугун, железобетон и пластмасса. Характерной особенностью безнапорных сетей, например Московской канализации, является практически 100% износ керамических трубопроводов. При этом практически нет повреждений на полимерных трубопроводах из-за их относительно недавней прокладки.

Значительное количество повреждений (расхождение стыков в пределах раструбов, трещины, просадки, образование наростов и т.д.) провоцируют засоряемость старых трубопроводов. На них из года в год возрастают объемы профилактической чистки, что свидетельствует о том, что водоотводящая сеть не справляется с возложенными на нею функциями беспрепятственной транспортировки сточных вод.

Проведён анализ реализуемых на практике мероприятий по обновлению водоотводящих сетей путем использования различных строительных материалов, выступающих в роли внутренних защитных покрытий. Установлено, что наиболее перспективными материалами для восстановления различного типа дефектов старых трубопроводов являются протягиваемые в них полимерные материалы, в частности трубы и защитные оболочки. Полимерные трубы позволяют восстановить прочностные характеристики старых трубопроводов и создать условия эффективной транспортировки сточных вод практически без образования наносов, а также содействовать сохранению гидравлических характеристик потока за счёт малой шероховатости поверхности.

Во второй главе диссертации проведён анализ наиболее эффективных материалов и технологий восстановления безнапорных водоотводящих сетей, а также представлены методические подходы к гидравлическому и

прочностном расчёту трубопроводов. В частности, проанализированы возможности бестраншейной реновации ветхих водоотводящих сетей из различных материалов сплошными полимерными покрытиями в виде длинномерных труб круглого сечения, труб с временно уменьшенным (деформированным) и восстанавливаемым поперечным сечением, предварительно уменьшенными (обжимаемыми) в диаметре трубами с термической памятью; трубными модулями в виде коротких отрезков труб.

Проведены сравнения в подходах к расчету трубопроводов с целью проверки его несущей способности при открытой прокладке и при реновации путём протягивания полимерных труб в старые трубопроводы и их закреплении с помощью подачи строительных растворов в межтрубное пространство (забутовки). Отмечено, что расчет протаскиваемых труб в системе «старый трубопровод + полимерная труба», несмотря на то, что полимерная труба в составе двухслойной конструкции является защищенной футляром, должен производиться на стандартный перечень нагрузок. Это объясняется тем, что при потенциальной угрозе выхода из строя старого трубопровода полимерный трубопровод продолжит эффективно эксплуатироваться как самостоятельная конструкция. Отсюда сохраняются все позиции алгоритма прочностного расчёта трубопроводов, а именно по трём условиям предельного состояния: по несущей способности, по допустимым деформациям и на устойчивость к всплытию.

В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований по определению гидравлических характеристик безнапорных трубопроводов, выполненных из различных материалов, и дана интерпретация полученным зависимостям.

Для проведения натурных гидравлических экспериментов смонтирована опытная установка (стенд) по исследованию режимов течения жидкости при безнапорном движении и определения гидравлических элементов потока. Стенд выполнен по проекту кафедры водоснабжения и находится по адресу (Ярославское шоссе, 26, аудитория 112 в). Эксперименты проводились на прямолинейных и криволинейных (волнистых) участках трубопроводов.

Стенд (рисунок 1) включает две емкости (накопительную габаритами 2x2x1 м и промежуточную габаритами 2x1x0,8 м), расположенные на расстоянии 15 м друг от друга, эстакаду с жестко закрепленными на ней тремя параллельными трубопроводами из полиэтилена фирмы Роспайп внутренним диаметром 14 см, гофрированной из полипропилена блок сополимера диаметром 9,8 см и гладкой из непластифицированного ПВХ внутренним диаметром 10,5 см (обе трубы фирмы \¥амтп). Эстакада выполнена с возможностью изменения уклона трубопроводов за счет механического домкрата со стопором, обеспечивая диапазон уклонов 1 = 0,001 -0,035.

9

Рис. 1 Эскиз экспериментального стенда для определения гидравлических характеристик безнапорных трубопроводов

Работа на стенде производилась по рециркуляционной системе с забором воды из накопительной емкости, перекачки ее насосами в промежуточную и возврату по трубопроводам в накопительную. Эксперименты осуществлялись на прямолинейных и криволинейных участках трубопровода.

Проведение экспериментов по определению гидравлических элементов потока на прямолинейном участке производилось по специально разработанной методике с отбором давлений на трубках Пито и пьезометрах вначале и конце опытного участка длиной 10 м. В целях ускорения проведения математических расчётов, а также автоматической обработки полученных результатов с построением соответствующих графических зависимостей, в частности, коэффициента Шези С от гидравлического радиуса R, C=f(R), и расчёта коэффициентов относительной шероховатости «п», разработана и использована специальная автоматизированная программа (свидетельство государственной регистрации № 2013615381), которая является своеобразным каталогом (базой данных) всех экспериментов, проводившихся на универсальном гидравлическом стенде по изучению гидравлических характеристик безнапорных трубопроводов.

Одним из этапов работы программы является автоматизированное построение четырёх графических зависимостей C=f(R) (линейной, степенной, логарифмической и экспоненциальной) с последующим ручным выбором наиболее приемлемого варианта (тов). В качестве примера на рисунке 2 представлена логарифмическая зависимость C=f(R).

J

у = 5,23121п(х) + 77,246 Логарифмическая зависимость

R2 = 0,0787

Гидравлич. радиус R, м

Рис. 2 График логарифмической зависимости коэффициента Шези С от гидравлического радиуса R для трубы гофрированной из полипропилена блок сополимера диаметром 9,8 см (C=5,231nR+77,246)

Сопоставление полученных зависимостей C=f(R): логарифмической (C=5,231nR+77,246), линейной (C=153,3R+54,222), степенной (C=81,526R0093) показало, что наблюдается высокая степень сходимость результатов (до 98 %) вычисления коэффициентов относительной шероховатости «п» в диапазоне близких к расчётным значениям наполнений h/d и гидравлических радиусов R. Отличия в величинах «п» наблюдались лишь при расчётах по формулам H.H. Павловского и А. Маннинга. При этом абсолютные значения величин коэффициентов относительной шероховатости для трёх исследуемых труб (по А. Маннингу) составляет: 0,00943 (из полипропилена блок сополимера), 0,0073 (из полиэтилена) и 0,00912 (из непластифицированного ПВХ).

Эксперименты на криволинейном участке трубопровода преследовали цель показать картину изменения гидравлических элементов потока жидкости и оценить их последствия для эффективной работы безнапорных водоотводящих сетей, в первую очередь, как причину нарушения их транспортирующей способности и гидравлических показателей из-за волнистости трубопроводов, возникающей при перепаде температур. В конечном итоге эксперименты были направлены на обоснование необходимости заполнения межтрубного пространства. Полимерные трубы подвергаются линейному и объёмному тепловому удлинению при изменении температуры окружающей среды и транспортируемой жидкости. Если полимерный трубопровод находится в старой трубе большего диаметра, не

являясь закреплённым, то он будет подвергаться линейным деформациям, которые могут быть компенсированы забутовкой межтрубного пространства.

Опыты проводились по специально разработанной методике, включающей определение ряда гидравлических показателей с помощью пьезометров и трубок Пито, установленных соответственно в точках 1 и 2 вблизи от начала и конца трубопровода диаметром 98 мм и имеющего длину 10 м. Гидравлические эксперименты проводились при двух конфигурациях трубопровода: с одной и с двумя волнами и разными величинами гребней.

В режиме работы трубопровода с одним прогибом (волной) анализу подлежало выявление закономерностей изменения полного напора и наполнения от величины гребня до и после участка деформации при уклонах 0,01 и более и постоянном расходе жидкости. При этом оценке подлежала динамика изменения абсолютных значений данных величин, а также процента их прироста или спада на расчетном участке.

Эксперименты показали, что наблюдается значительный прирост полного напора: от 12 до 40, 99 % в диапазоне величин гребня 0,8 - 3,4 см. Отмечено, что местная скорость течения после преодоления препятствия возрастает, например, при гребне 3,4 см в 1,18 раз. Наличие гребня приводит к подпору перед ним, который образуется при определенной высоте гребня (в экспериментах с уклоном 0,01 при величинах от 1,4 до 2,4 см).

Эксперименты с двумя гребнями на трубопроводе подтвердили негативную динамику изменения гидравлических элементов потока при всех режимах работы трубопровода в диапазонах уклонов 0,01-0,03. Отмечена строгая тенденция: увеличение уклона \ при неизменной высоте гребня, например, для 4,5 см при ¿=0,015 и ¡=0,02 или 6,5 см при ¡=0,02 и ¡=0,025 и т.д. приводит к меньшему росту полного напора. Увеличение уклона или расхода являются средством своеобразной компенсации искривления трубопровода. Отсюда можно сделать вывод, что наихудшие условия транспортирования сточных вод, очевидно, будут наблюдаться при малых уклонах и диаметрах трубопроводной сети в часы минимального водопотребления. При наличии нескольких волн и соответственно гребней разной высоты картина течения становится хаотической: скорость и давления пульсируют, наблюдаются локальные области, работающие при полном наполнении или снижении наполнения. Такие явления могут привести к тому, что при транспортировке потока реальных сточных вод, содержащих крупногабаритные примеси и песок, возможно образование заторов или появление наносов.

В результате проведения экспериментов на криволинейных трубопроводах в широких диапазонах уклонов (0,01-0,03) определены негативные явления, связанные с подтоплением участков сети и пульсацией величины полного напора. Основным выводом по результатам проведенных исследований является то, что экспериментальные разработки подтверждают необходимость забутовки межтрубного пространства, что позволит

исключить волнистость трубопровода, возникающую за счет температурных перепадов, и стабилизировать гидравлические показатели.

В четвёртой главе сформулированы и исследованы специальные вопросы обеспечения прочностных показателей системы «старый трубопровод + полимерная труба» в период проведения ремонтных работ бестраншейными методами с забутовкой межтрубного пространства. Для этого рассмотрены физическая и математическая модели, имитирующие процесс искривления трубопровода под воздействием перепадов температуры, и восприятия нагрузок, т.е. возникающих напряжений и деформаций полимерной трубы, при заполнении межтрубного пространства строительными растворами.

В качестве математической аппарата, описывающего прогибы (волны) использовалась формула Гюйгенса для определения длины дуги, а для определения возникающих напряжений и прогибов при забутовке межтрубного пространства - решение классической задачи гидростатики, т.е. определение величины и направления давления жидкостей (растворов различной консистенции) на криволинейную цилиндрическую поверхность труб.

На рисунке 3 схематично изображен фрагмент поперечного разреза

ремонтного участка трехслойной трубной конструкции единичной длины

«старый трубопровод + цементный раствор + полимерный трубопровод».

поверхность земли

_ грунтовая вода_____

Рис. 3 Поперечный разрез ремонтного участка трубопровода с забутовкой

межтрубного пространства 1- подлежащий реновации старый трубопровод внутренним диаметром Овш; 2- новый полимерный трубопровод наружным диаметром <1нар и

внутренним диаметром с1вн; 3- цементный раствор (ЦР) в межтрубном пространстве

В период исследований рассмотрены варианты решения задачи определения нагрузки на трубопровод для четырех характерных случаев: при равномерной забутовке межтрубного пространства ЦР с учетом толщины стенки и материала изготовления трубы при отсутствии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе; то же при наличии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе; при неравномерной забутовке межтрубного пространства ЦР (например, с левой стороны от полимерной трубы) с учетом толщины стенки и материала изготовления трубы при отсутствии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе; то же при наличии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе.

На рисунке 4 в качестве примера представлены образцы эпюр возникающих давлений на цилиндрическую поверхность полимерного трубопровода для одного из описанных вариантов - при равномерной

Рис. 4 Эпюры вертикальной составляющей результирующего давления ЦР на цилиндрическую поверхность трубы при равномерной забутовке и

отсутствии воды

В результате теоретических исследований получены расчётные зависимости для определения сил давления на цилиндрическую поверхность трубы для четырёх характерных случаев забутовки. Эти зависимости явились базовым материалом для разработки алгоритма и автоматизированной программы сопровождения прочностных расчётов многослойной трубной конструкции, образующейся после бестраншейного ремонта старого трубопровода путем протягивания в него полимерной трубы и забутовки межтрубного пространства (свидетельство государственной регистрации № 2013615444).

С помощью компьютерного моделирования были решены ряд задач, где в качестве строительных смесей, используемых для забутовки, рассматривались цементные растворы с соответствующими удельными весами: на гравии или щебне (25000 Н/м~), цементно-песчаный (20000 Н/м3) и цементно-шлаковый раствор (15000 Н/м^).

Компьютерное моделирование заключалось в определении противодействующих строительным смесям нагрузок, которые воспринимаются полимерной трубой низкого давления (ПНД) при различных вариантах заполнения (равномерного или неравномерного) межтрубного пространства, а также отсутствия или наличия наполнителя в полимерном трубопроводе, в качестве которого на практике используется вода. Одним из основных критериев при проведении расчётов является условие непревышения степени овализации (деформации) поперечного сечения круглой трубы (менее 5 % по диаметру). Для выявления картины воздействия на полимерный трубопровод нагрузок от строительных смесей и устойчивости на всплытие от подземных вод в исходную информацию вносились значения давлений грунтовой воды в широких диапазонах с шагом 1 м вод. столба при глубине залегания восстанавливаемого трубопровода 10 м от поверхности земли. На рисунке 5 представлены одна из серий результатов с графическими зависимостями радиального противодействующего давления от величины давления грунтовых вод.

= 0,1507 МПа

0.15

0.01 0.02 0.03 0,04 0,05 0.06 0.07 0.08 0.0«

Давление гр\ ктовых вод М11а

Рис. 5 Графики зависимости радиального противодействующего давления от величины давления грунтовых вод при следующих случаях:

А- отсутствие воды в полиэтиленовом трубопроводе при равномерной забутовке; Б- то же при наличии воды; В- отсутствие воды в полиэтиленовом трубопроводе при неравномерной забутовке; В- то же при наличии воды

Проведённое компьютерное моделирование процесса забутовки межтрубного пространства в системе «старый + полимерный трубопровод» при соответствующих габаритах труб позволило выявить области возможных значений исходных проектных показателей и достигаемого при этом эффекта обеспечения необходимой степени овализации (деформации) полимерного трубопровода и устойчивости его круглой формы.

Установлено, что значительное влияние на прочностные характеристики двухслойной трубной конструкции и устойчивость круглой формы оказывают несколько факторов: удельный вес строительных растворов: чем он больше, тем вероятность ухудшения прочностных параметров выше; величина давления грунтовых вод трубопроводом: чем она выше, тем менее устойчив трубопровод; толщина стенки протаскиваемого трубопровода: чем больше SDR, тем меньше степень обеспечения прочностных показателей двухтрубной конструкции; метод забутовки (равномерная или неравномерная) и наличие/отсутствие воды в трубопроводе: при равномерной забутовке и наличии воды в полимерном трубопроводе овализация по диаметру трубопровода минимальна.

Пятая глава диссертации посвящена вопросам проектирования бестраншейного ремонта трубопроводной сети в автоматизированном режиме с целью определения условий гидравлической совместимости участков сети, выполненных из различных материалов. Данные вопросы имеют существенное значение для противодействия потенциальному гидравлическому дисбалансу вблизи мест стыков участков трубопроводов из старых и новых материалов, имеющих различную шероховатость.

В рамках поставленной диссертацией задачи повышения эффективности работы водоотводящих сетей при их реновации бестраншейными методами проводилось компьютерное моделирование работы системы трубопровода, состоящей из трёх последовательно расположенных участков безнапорных трубопроводов из различных материалов «старый — новый — старый». Новый участок представлял собой одну из исследованных полимерных труб, протянутых в старый трубопровод (например, керамический). При моделировании рассматривались два варианта: традиционная замена участка полимерным трубопроводов и бестраншейная замена путем протаскивания в старый трубопровод новой трубы. В первом варианте диаметры нового и старого трубопровода были практически идентичны, а во втором существенно отличались значительным сужением трубопровода на ремонтном участке.

В результате автоматизированного гидравлического расчета с вариациями расходов и уклонов на участках определялись скорость и коэффициент Шези, а также возможная протяженность зоны дестабилизации скоростей, проявляющаяся на последнем участке в виде разницы величин скоростей потока, покидающего второй участок с малыми значениями шероховатости и поступающего на третий участок с большей шероховатостью стенки трубопровода. Для определения коэффициента Шези при гидравлическом расчёте отдельных участков труб в алгоритм программы были заложены формулы H.H. Павловского и А.Д. Альтшуля.

В качестве основных выводов необходимо отметить, что зона дестабилизации скоростей неизбежна при использовании для ремонта старых трубопроводов новых полимерных труб, несмотря на величину их диаметров, при сохранении существующих уклонов. Кроме того, если зона дестабилизации не превышает длины третьего участке, то это неизбежно ведёт к возможным подтоплениям. В качестве рекомендаций следует отметить, что одним из выходов в данной ситуации, может являться проведение восстановительных работ на более протяжённом интервале сети (нескольких участках) до ближайшего перепадного колодца или вплоть до места сопряжения с трубопроводом, имеющим такие диаметр и уклон, которые обеспечивают условия гидравлической совместимости при пропуске расчетного расхода.

Общие выводы

1. Анализ литературных источников и научно-технической документации показал, что основными дестабилизирующими факторами, влияющими на ухудшение работы водоотводящих сетей, являются различного типа повреждения: физический износ, просадка, трещины, расхождение стыков, образование жировых наростов, закупорка проходных сечений корнями деревьев и кустарников, которые могут быть локализованы с помощью бестраншейных технологий.

2. При формировании постановки задачи исследований отмечено, что наиболее перспективными материалами для восстановления дефектов старых трубопроводов являются протягиваемые в ветхие трубопроводы полимерные материалы, в частности трубы и защитные покрытия. Полимерные трубы позволяют восстановить прочностные характеристики старых трубопроводов и создать условия эффективной транспортировки сточных вод практически без образования наносов, а также содействовать сохранению гидравлических характеристик потока за счёт малой шероховатости поверхности.

3. На основе теоретических исследований разработаны физическая и математическая модели восприятия полимерной трубой при её размещении в восстанавливаемом трубопроводе: линейных температурных удлинений; механических и гидравлических нагрузок при забутовке межтрубного пространства.

4. Обоснована необходимость забутовки межтрубного пространства, предотвращающего искривления полимерного трубопровода в пределах габаритов старого, а также выявлены параметры забутовки и оптимальные геометрические размеры двухтрубных конструкций «старый трубопровод + полимерная труба», обеспечивающие установленные прочностные характеристики (по деформациям и овализации).

5. Разработана и апробирована специальная конструкция гидравлического поверочного стенда для трубопроводов (с линейными и криволинейными участками), а также унифицированная методика проведения гидравлических экспериментов на безнапорных сетях.

6. Проведены стендовые исследования по определению гидравлических характеристик трёх видов полимерных труб: полиэтиленовых фирмы Роспайп внутренним диаметром 14 см, гофрированной из полипропилена блок сополимера диаметром 9,8 см и гладкой из непластифицированного ПВХ внутренним диаметром 10,5 см (обе трубы фирмы \^а\ут), которые могут быть использованы в качестве ремонтных материалов для протягивания в старые трубопроводы; эксперименты проводились как на прямолинейном, так и искривлённом участке трубопровода, имитирующем последствия линейного удлинения полимерной трубы при изменении температуры.

7. Разработаны алгоритмы и запатентованы компьютерные программы расчета гидравлических параметров безнапорных труб и защитных покрытий (свидетельство государственной регистрации № 2013615381) и определения нагрузок на трубопровод с проверкой его несущей способности при реконструкции (свидетельство государственной регистрации № 2013615444). С помощью программ произведён автоматизированный расчёт коэффициентов Шези и относительной шероховатости «п» для исследуемых трубопроводов и проведено компьютерное моделирование процесса забутовки в широких диапазонах удельных весов строительных смесей, диаметров трубопроводов и глубин их залегания при наличии и отсутствии подземных вод.

8. По результатам эксплуатации компьютерных программ расчёта гидравлических параметров установлены значения коэффициентов относительной шероховатости (по А. Маннингу), которые составили соответственно 0,00943 (полипропилен), 0,0073 (полиэтилен) и 0,00912 (ПВХ).

9. По результатам компьютерного моделирования процесса забутовки межтрубного пространства в двухтрубной системы «старый трубопровод + полимерная труба» с помощью автоматизированной программы установлено влияние на прочностные характеристики трубной конструкции нескольких факторов: удельного вес строительных растворов (чем он больше, тем вероятность ухудшения прочностных параметров выше); величины давлений грунтовых вод трубопроводом (чем они выше, тем менее устойчив трубопровод); толщины стенки протаскиваемого трубопровода (чем меньше

толщина, тем меньше степень обеспечения прочностных показателей); метода забутовки (равномерная/неравномерная) и наличие/отсутствие воды в трубопроводе (при равномерной забутовке и наличии воды в полимерном трубопроводе овализация по диаметру трубопровода минимальна).

10). На основе анализа практических результатов нарушения транспортирующей способности водоотводящей сети на смежных участках трубопроводов, выполненных из различных материалов, определены возможные интервалы зон дестабилизации гидравлических параметров, а также предложены варианты, исключающие гидравлический дисбаланс путем использования методов бестраншейной реновации с протягиванием в старый трубопровод новых полимерных труб.

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора

1*. Орлов В.А., Хургин P.E. /Оптимизация гидравлического расчёта безнапорных трубопроводов из различных материалов //Журнал Вестник МГСУ. 2010. № 3. с. 118-122

2*. Орлов В.А., Зоткин С.П., Хургин P.E., Малеева A.B. / Разработка методики и автоматизированной программы определения коэффициента Шези С и относительной шероховатости для исследований безнапорных трубопроводов //Журнал Вестник МГСУ. 2012. № 3. с. 205-210

3. Хургин P.E., Орлов В.А., Зоткин С.П., Малеева A.B. /Методика и автоматизированная программа определения коэффициента Шези «С» и относительной шероховатости «п» для безнапорных трубопроводов //Журнал Научное обозрение. 2011. № 4. с. 54-60

4 . Орлов В.А., Хургин P.E., Пименов A.B. /К вопросу обоснования необходимости забутовки межтрубного пространства при реновации инженерных сетей //Журнал Вестник МГСУ. 2010. № 3. с.129-133

5. Хургин P.E., Орлов В.А., Зоткин С.П., Малеева A.B. /Автоматизированная программа определения коэффициента Шези «С» и относительной шероховатости «п» для безнапорных трубопроводов //Журнал РОБТ. 2012. №2-3. с. 52-54

6. Орлов В.А., Зоткин С.П., Хургин P.E. /Программа определения нагрузок на трубопровод с проверкой его несущей способности при реконструкции. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615444. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 10.06.2013

7. Орлов В.А., Зоткин С.П., Хургин P.E. /Программа расчета гидравлических параметров безнапорных труб и защитных покрытий // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615381. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.06.2013

* статьи, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Подписано в печать 17.09.2014 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 331/к.

Отпечатано в Типографии Издательства МИСИ-МГСУ. Тел. (499) 183-67-92, (499) 183-91-44, (499) 183-91-90. 129337, Ярославское шоссе, д. 26, корпус 8.