автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Разработка методик, алгоритмов и программ автоматизированного проектирования осушительных каналов на торфяных месторождениях

/ /

* /

' 1 ' / / / У / { На правах рукописи

I СУББОТИН ЮРИЙ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК, АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСУШИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ НА ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

05.15.05 - технология и комплексная механизация торфяного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь-1995

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете

Научный руководитель -

академик МАНЗБЖ, член-корреспондент АЕН РФ, доктор технических наук, профессор НОСОВ В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ДМИТРИЕВ Г.А., кандидат технических наук, доцент ВОЛКОВ А.Н.

Ведущая организация -Государственный проектный институт по комплексному использованию торфа в народном хозяйстве

Защита состоится 5 июля 1995 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.22.01 Тверского государственного технического университета (по адресу: 170026, г. Тверь, Набережная Афанасия Никитина, 22).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат разослан "30" с-и О Я 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

КОПЕНКИН В.]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется потребностью в повышении качества выполнения проектных работ по строительству открытой осушительной сети каналов на торфяных месторождениях при одновременном росте производительности труда проектировщиков, снижении трудоемкости проектирования, сокращении расхода необходимых ресурсов по объектам проектных работ. Многовариантность проектирования в достаточной мере возможна лишь при использовании методики, адаптированной в компьютерной среде, что ведет к резкому повышению эф -фективности и качества проектных решений.

Существующие методики проектирования геометрических параме -тров каналов и объемов земляных работ, применяемые в мелиорации,не учитывают природные особенности прсстранстзенно-временнсй изменчивости свойств торфяных залежей и их существенное изменение при осушении. Программное обеспечение для автоматизации проектных работ по строительству каналов на минеральных грунтах не подходит для выполнения гидротехнических расчетов осушительной сети на торфяных месторождениях.

В настоящее время центр торфодобычи смешается в регионы, расположенные на Северо-Западе и в Западной Сибири России. Они характеризуются наличием высокообводненных, малопрочных торфяных залежей. Последние, в свою очередь, отличаются значительной пространственной неоднородностью и изменчивостью их состава и свойств. Проектирование и строительство осушительных каналов в этих условиях является задачей повышенной сложности и высокого уровня информативности. С учетом того, что стоимость осушения составляет значительную долю общей стоимости бслстно-подготовительных работ,в данном случае очень важно правильно запроектировать технологический процесс осушения месторождения с выбором оптимального варианта, дифференцированно учитывающего оссбеннссти строения и обводненность различных стратиграфических участков торфяной залежи.

Степень разработанности пссблемы. Автоматизированные расчеты осушительных сетей на торфяной залежи проводятся: при их проектировании в вертикальней плоскости, при построении продельных профилей валовых и магистральных каналов , при определении объемов земляных работ в процессе строительства системы осушения - без учета несущей способности торфяной залежи, устойчивости откосов каналсв

- г -

и изменения их геометрических параметров, а также без оптимизац размещения трасс магистральных каналов в плане месторождения.

Наиболее современное и полное представление механизма осуш ния торфяной залежи открытыми каналами отражает методика их п этапного строительства (Е.Т. Базин, В.И. Носов, В.Г. Степаничев др.), учитывающая пространственно-временную изменчивость структу но-механических характеристик месторождения.

Дель и задачи исследований. Целью работы является создан компьютерной технологии проектирования осушительных каналов торфяных месторождениях на основе разработки методик, математиче ких моделей, алгоритмов и программного обеспечения проектных раб с использованием ПЭВМ. Поставленная цель достигается путем ре шения задач:

- обоснования необходимой точности исходных данных инжене но-геологических изысканий и оценки ее влияния на результаты пр ектирования;

- разработки научно-обоснованной методики, алгоритма и про раммного обеспечения для выбора оптимальных трасс каналов с учет их поэтапного выполнения на торфяных месторождениях;

- разработки методик, алгоритмов и программного обеспечен автоматизированного проектирования оптимальных геометрических п раметров каналов при их поэтапном строительстве на торфяных зал жах;

- разработки методики, алгоритмов и программного обеспечен автоматизированного расчета оптимальных технологических регламе тов строительства и эксплуатации гидротехнических систем (ГТС) н торфяных месторождениях;

- адаптации и апробации методического и программного обесп чения автоматизированного проектирования осушительных каналов реальных объектах, а также оценки его эффективности в сравнении применяемой технологией проектных работ.

Научная новизна состоит в выявлении закономерностей изменен технологических параметров поэтапного выполнения осушительных проводящих каналов в зависимости от пространственно-временной и менчивости свойств торфяной залежи; в установлении зависимостей определению оптимального • количества опробований торфяного мест рождения при условии минимизации затрат на изыскания и строител: ство осушителей; б определении зависимости предельного сопротивл

ния торфа сдвигу в залежи от относительной влаги и степени разложения торфа з пределах 10% ошибки на высокообводненных месторождениях верхового типа; в разработке методики трассирования магистральных каналов на торфяной залежи, обеспечивающей минимум затрат на поэтапное выполнение каналов.

Практическая значимость. Создание объектной подсистемы САПР-осушениэ позволяет выйти на качественно новый уровень проектирования осушительных систем на торфяных месторождениях и служит научной основой для разработки принципиально новых технологий осушения объектов по промышленной добыче торфа. Внедрение методики и программного комплекса, включающего в себя 10 программ, составленных на языке Бейсик, позволило получить при автоматизированном .проектировании а институте "Глпротсрф" существенный экономический эффект.

Методика автоматизированного проектирования осушительных каналов на торфяных месторождениях внедрена в Государственном проектном институте по комплексному использованию торфа в народном хозяйстве "Гипроторф" в виде стандарта предприятия, введенного в действие с 1.01.91 г., как компьютерная технология проектирования гидротехнических систем объектов по добыче торфа.

Разработки экспонировались на ВДНХ СССР и других выставках, автор награжден дипломом и бронзовой медалью ВДНХ СССР.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях и совещаниях ТвеПИ (Тверь, 1989, 1990, 1991, 1992), на совещании ведущих специалистов Гипро-торфа по проблемам разработки САПР в торфяной промышленности (Москва, 1987, 1992), на межрегиональном семинаре "Применение компьютерной технологии в проектировании торфопредприятий" (Калинин, 1988), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТвеПИ (Тверь, 1983, 1990), на областной научно-практической конференции мслсдых ученых и специалистов (Калинин, 1988), на всесоюзной научнс-прак-тической конференции "Торф в народном хозяйстве" (Томск. 1991) и др.

Использование в учебном процессе. По материалам работы изданы 2 методических указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальностей 31.10 "Гидромелиорация" и 09.05 " Открытые горные работы".

Публикация результатов. Материалы диссертации опубликованы 9 научных статьях, 2 методических указаниях, 7 отчетах о НИР, о, ном стандарте предприятия, в рекламных проспектах, информационш листках, в 2 авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация, состоящая из введени: четырех глав, выводов и заключения, списка литературы из 115 на именований и приложений, имеет объем 140 страниц, содержит 9 Tat лиц, 27 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 "Современное состояние работ по проектированию к; налов на торфяных и минеральных грунтах" дана оценка распрострг ненности торфяных ресурсов по территории России, представле! краткий анализ современного уровня проектных работ и обзор сущес; вующих методик проектирования каналов на торфяных и минеральнь грунтах, а также определены цель и задачи исследований.

Результаты анализа структуры торфяного фонда показывают, чч в России сосредоточена значительная часть мировых запасов торф; Общая площадь торфяных месторождений составляет около 80 млн. i (с заболоченными территориями - свыше 200 млн. га) с запасами то рфа более 150 млрд. т. Большая часть торфяных ресурсов России со средоточена на территории Западно-Сибирской равнины,свыше полови* площади которой заболочено. Она представляет собой крупнейший то рфяной регион мира,исчисляемый площадью более 30 млн. га с запас; ми торфа свыше 100 млрд. т. Они составляют около 30 % мировых за пасов и расположены в основном в Сибири и на Дальнем Востоке. Ве рховые залежи с грядово-мочажинными комплексами составляют боле половины всех торфяников, расположенных в этих крупных регион; торфонакопления.

Использование такой мощной сырьевой базы создает предпосыле для существенного народнохозяйственного эффекта в общегосударс твенном масштабе лишь в том случае, если в его основу будут поле жены достижения современной науки и техники. Разработка новейшк технологий должна внедряться в проектирование и строительство. Пс вышенные требования к темпам и качеству проектирования осушитель ных систем предъявляются в связи с постоянным увеличением объеме

проектных работ, со все более усложняющимися их объектами и районами. Для получения наиболее рациональных проектных решений необходима автоматизация процессов проектирования на базе широкого использования математических методов и вычислительной техники.

Уровень автоматизации в проектных организациях торфяной промышленности в настоящее время сравнительно невысок - он составляет 10-20 При разработке проектов на строительство торфопредприятий в основнсм решаются инженерно-технические задачи и проводятся экономические расчеты с применением ЭВМ. При этом оптимизационные задачи, как правило, не решаются, что не приводит к заметному сни -жению сметной стоимости проектируемых объектов. В ряде организаций и проектных институтов ("БелНИИтоппроект", Типротсрф") сейчас происходит постепенный переход к фрагментарной автоматизации отдельных разделов проектов (в тем числе и осушения) на строительство торфопредприятий. Однако необходим переход от разрозненных программных средств автоматизации проектирования к комплексным программам и созданию автоматизированных технологических линий.

Методической базой проектирования сетей каналов на торфяных грунтах служат регламенты, нормы и нормативы, основанные на результатах разрозненных научных исследований, безсистемно применяющихся при проведении проектных работ. Особое внимание при этом уделяется учету осадки дна осушителей и залежей при их подготовке к эксплуатации. Существуют зависимости, по которым можно определить осадку торфяной залежи при ее осушении и деформацию каналов. Это показано исследованиями Г. Вертца. М.В. Зубца, Е.А. Коновалова, И.Ф. Ларгина, А.И. Мурашко, А.Д. Панадиади, А.Ф. Печкурова, Э.Г. Свадковского и др. Однако они обладают рядом недостатков, общим из которых является то обстоятельство, что все формулы являются результатом статистической обработки данных, при которой не учитывается процесс и механизм осадки торфа в пространстве и времени с точки зрения изменения структурно-механических (прочностных) свойств залежи при ее осушении. Автоматизированное проектирование осушительной сети проводится лишь в соответствии с нормативными условиями прохождения расчетных расходов воды по проводящим каналам, однако при этом не учитывается несущая способность торфяной залежи и изменение профилей каналов в процессе осушения.

Наиболее современные представления механизма осушения торфяного месторождения открытыми каналами изложены в методике поэтап-

ного строительства осушительной сети, основанной на пространственно-временной изменчивости структурно-механических характеристик залежи (Л.С. Амарян, Е.Т. Базин, В.И. Косов, В.Г. Степаничев, Ю.Н. Женихов и др.). Однако большой объем исходной информации и инженерных расчетов, а также отсутствие методики многсвариантного проектирования каналов не позволяют в должной мере использовать имеющиеся данные на практике проектных работ.

При проектировании каналов одним из его решающих этапов, влияющих на затраты, связанные со строительством каналов, является их размещение на плане месторождения. Существует ряд математических методов автоматизированного трассирования каналов на минеральных грунтах (Л.К. Левит-Гуревич, А.Ф. Щегловитов и др.), которые не могут быть применены для проектирования каналов на торфяных залежах ввиду большого количества ограничений, обусловленных сложностью природной структуры этих залежей. Выбор трасс магистральных каналов на торфяных месторождениях проводится без применения методов математической оптимизации и моделирования.

В главе 2 "Теоретические основы автоматизированного проектирования осушительных каналов на торфяных месторождениях" представлены результаты исследований влияния изменчивости состава и свойств торфяных залежей на прогноз технологических параметров каналов при их поэтапном строительстве, разработан комплексный подход в обосновании точности исходной информации при использовании ее в автоматизированном проектировании, определены математические модели пересчета исходных данных, представлена оптимизационная задача размещения сети каналов, отражена структура компьютерной технологии проектирования осушительных каналов на торфяных залежах и заболоченных территориях.

На стадии предпроектного обследования объекта осушения иногда возникает необходимость в прогнозировании отдельных технологических параметров строительства каналов на торфяном месторождении (его участке) по исходным характеристикам залежи. Такой прогноз может быть решающим в определении целесообразности выбора объекта осушения (участка). В результате исследований с применением ПЭВМ было выявлено влияние изменчивости значения предельного сопротивления торфа сдвигу (т:) торфяных залежей на технологические параметры строительства каналов. Для этого был сформирован банк исходных данных (т), при этом использованы характерные распределения

значений величины г по глубине месторождений (В.И. Косов и Ю.Н. Женихов), описываемые известными моделями изменчивости свойств торфяных залежей. Анализ полученных результатов (рис. 1) показал, что для расчетов технологических параметров - числа этапов (п) строительства каналов, суммарной (накапливаемой) осадки залежи (о) при ее осушении и объемов земляных работ (V) при поэтапном выполнении каналов достаточно знать среднюю по глубине залежи величину значений предельного сопротивления торфа сдвигу (на рис. 1, к примеру, т=6 кПа).

3,0

2,0 ©

Я

-Ц V —1—1—1—

V

N

Пре,

I I 3

Л £3 *

ЧХЭ О, <»(>,&<

Е-» »=> О Я 1Й.С О

§4*03 Я

32 О и к

§3 к

О (Я X О,

„оо

№ О ей

ч м о о

Ен О

со

а

X г и 1 а! о

! Рн" '

§0

а> ч-» , со С

ЯП

2НЗ :а> • «о хз> а

КК(8)

V4 ч V; ъ КМ

—вк

17

О @ 3

и

О

о

о о

редельное сопротивление торфа сдвигу (Т, кПа) в

чи- -Ш- ЛЬ

1

„ Нхэ о, 8

О Я (их: о —

32о к к

€

о ей

><! О. .. о о

К аЗ

о 9 ч и о о

Рис. I. Прогноз технологических параметров поэтапного строительства осушителей (КК)(а.б) и валовых каналов (ЗК)(б,в) на торфяных залежах верхового (В) и низинного (Н) типов: на момент получения проектных прошил ей каналов; — — — - на момент окончания предварительного осушения

го

О 9 17

Шедельное сопротивление торфа сдвигу (т, кПа)

В рассматриваемой главе решена задача обоснования необходимой

точности исходной информации для автоматизированного проектирсва-

ния осушительных каналов на торфяном месторождении с точки зрения единства информации: инженерные изыскания - проектирование. При этом были получены номограммы, по которым можно установить требуемое минимальное количество опробований (п0пр) торфяной залежи пс определению величины т на стадии изысканий, задаваясь допустимой ошибкой в конечном результате проектирования (объемах земляных работ) , т.е. решена обратная задача. В качестве критерия удорожания строительства осушительного канала была принята стоимость "лишнего" объема земляных работ Y, величина которой снижается с возра -станием точности исходной информации (т), используемой в проектирс вант. Суммарные затраты при строительстве и инженерных изысканиях, подлежащие минимизации путем определения оптимального числе опробований (Попр) торфяной залежи, в стоимостном выражении пред -ставлены в виде функции:

Z=1,4hnonp+0,85n0np^/n0np+kFY - min, руб, где h - мощность торфяной залежи, м; F - площадь месторождения (участка), га; к - средняя стоимость экскавации 1 м3 торфяногс грунта из залежи, руб/м3; Y - объем земляных работ, м3/га.

По расчету оптимальной величины числа опробований залежей с разной прочностью выполнен машинный эксперимент на ПЭВМ, в результате которого были получены значения Попр для определенных значений предельного сопротивления торфа сдвигу (рис. 2-3), которые только могут встречаться в естественных залежах.

Анализ многочисленных существующих эмпирических зависимостей величины т от водно-физических свойств торфа в залежи выявил множество ограничений при их применении. В результате машинного эксперимента с использованием большого объема полученных данных пс реальным объектам для залежей с грядово-мочажинными комплексами (ГМК), а также торфяных месторождений низинного типа была установлена закономерность, наиболее точно описываемая уравнением:

t=au)+bR+c, кПа,

где а, b и с - эмпирические коэффициенты: а=-0,447, Ь=-0,035, с=45,89 - ГМК (при ы=(89*98) 7., R=(6+45) %); а=-1,13, Ь=0,21, с=113,6 - низинный тип залежи (при ш=(80+90) 7., R=(25+46) %); ы, F - относительная влага и степень разложения торфа в залежи, Z.

Установлено, что для месторождений верхового типа из числ; имеющихся зависимостей наиболее приемлема формула:

са о к о-^ о ей а <о и ст

« но о >>

Кйй -

Ей О

Я

н о (в

м о ч

а] ш

п я н

1000 750 500 250

3

-г 1

«опт "опр 1

300

КР< се

ООО

и с

ё^гоо

Е ш

§3

« п

т«

I1100

ц я ш о ЙХЭ

к о Е< Р(

И и о о

0 5 10 15 20 25

Количество опробовании торфяной залеаи (п0Пр)

Ряс. 2. Определение оптимального числа опробований верховой залеяи (И=8 м,т =5 кПа) для проектирования осушителей:

1 - затраты при строительстве;

2 - то же при изысканиях; 3 -суммарные затраты

шга

** д 50 га ю га

0 „ Ю 15 20

Предельное сопротивление

торфа сдвигу (т, кПа)

Рис. 3. Номограммы оптимального числа опробований залежей ф=3 м) для проектирования осушителей ( - верховой тип

залежи, — — —- низинный тип залеяи)

■Е=119,3-1,18«, кПа, по которой пересчет показателей свойств торфа на величину х осуществляется с наибольшей точностью (на 3*5 7.).

В главе 2 представлена оптимизационная задача автоматизированного размещения сети каналов в плане месторождения. Для этой цели автором была разработана цифровая модель месторождения в виде сетки квадратов с обоснованной ее густотой и удобной с позиции алгоритмизации процесса машинного трассирования. Задача оптимального размещения трассы канала в формализованном виде представлена как определение координат точек на плане торфяного месторождения, в которых затраты, связанные с земляными работами при поэтапном строительстве канала, были бы минимальными для некоторой локальной области их определения. Оптимизация осуществляется для каждой из узловых точек сетки, расположенных равномерно на плане торфяного месторождения. Распределение получаемых на нем локальных минимумов, тем самым, объективно отражает наивыгоднейшие области для проектирования трасс магистральных каналов (рис.4).

Рис. 4. Результаты автоматизированного трассирования магистрального канала (МК) на плане торфяного месторождения: = = = - варианты трасс МК, о - узловые точки, х - точки локальных минимумов, --- - пути поиска локальных минимумов

Разработана структура компьютерной технологии проектирования осушительных каналов на торфяных месторождениях. В ее основе заложен принцип оптимизации и обоснованного выбора экономически и технически выгодного варианта при проектировании и строительстве гидротехнических систем. Структурная схема автоматизированного прое -ктирования осушительной сети на торфяной залежи базируется на теории и методологии системного проектирования, заключающегося в комплексном рассмотрении проблемы с детализацией каждого ее уровня и учете взаимосвязей между ними. Она является основной базой для создания автоматизированной технологической линии проектных работ по строительству каналов в рамках подсистемы САПР-осушение.

Глава 3 содержит описание методического обеспечения^ автоматизированного проектирования осушительных каналов на торфяных месторождениях.

Оптимальное размещение каналов в плане торфяного месторождения является многофакторной задачей. Ее решение заключается в определении вариантов трасс проводящей и ограждающей сети, строительство каналов по которым сопряжено с наименьшими затратами при их выполнении на залежи, а также в последующей стоимостной оценке строительства всей сети, включая осушители, сориентированные отно-

сительно глубоких каналов. Для решения поставленной задачи применялся метод нелинейного программирования (Хука-Дживса) - поиска экстремума функции, заключающийся в пошаговом приближении ее значений к некоторому оптимуму (локальному минимуму). В качестве по -следней был принят критерий оценки расходов по поэтапному строительству канала в произвольной точке месторождения - средние приведенные затраты на выемку земляного грунта при углублении канала. В качестве исходных точек исследования принимаются узлы зондиро-вочной сетки. Поиск очередной расчетной точки в направлении оптимума состоит из последовательности шагов исследующего поиска во -круг базисной точки с точностью, соответствующей половине шага сетки. После этой процедуры в случае успеха следует так называемый поиск по образцу. В нем используется информация, полученная ранее в процессе исследования, и минимизация функции проводится в направлении, заданном образцом. В областях ее локальных минимумов на плане месторождения проектировщиком наносятся предполагаемые трассы каналов.

В основу технологии автоматизированного проектирования геометрических параметров каналов, спланированных на местности, заложена существующая методика их поэтапного строительства на торфяном месторождении (Л.С. Амарян, Е.Т. Базин, В.И. Косов, В.Г. Степани-чев), исходя из прочности и несущей способности залежи. При проведении проектных работ определяются такие характеристики поэтапного строительства, как: начальная глубина копания канала (йн), остаточная (конечная) глубина канала после осадки залежи (Ьк), строительная глубина (Ьстр), углубление канала (Ьугл), толщина рассчитываемого слоя ниже дна канала 01сл), прочность торфяной залежи в его зоне (т'), начальная и конечная прочность залежи в слоях по глубине и ниже дна канала (тн.к, ^н.к(осн)), осадка торфяной залежи (5) (рис. 5).

Расчет каналов проводится с использованием ПЭВМ в диалоговом, интерактивном режиме с анализом промежуточных результатов. Торфяное месторождение разбивается на участки залежи по категориям сложности их осушения и обеспечения проходимости машин в период болотно-подготовительных работ, а также - на подучастки (при проектировании осушителей) по условию заглубления проектного дна каналов в минеральный грунт. Дифференцированный подход при проведении проектных работ позволяет наиболее точно и качественно запро-

поверхность неосушенной торфяной залежи

этап N-1 торфяная залежь

этап Н

минеральное дно

Рис. 5. Расчетная схема поэтапного строительства каналов на сильнообводненных торфяных залежах

ектировать сеть осушения и противопожарного водоснабжения на объекте по добыче торфа. Определение геометрических параметров каналов основано на поэтапном доведении их глубины до нормативногс значения при строительстве с учетом пространственной' изменчивое™ прочностных свойств торфяной залежи в ее естественном состоянии, г также в процессе упрочнения и осадки залежи при осушении месторождения и динамики деформации поперечных сечений каналов. Основным* формулами расчета служат зависимости, полученные В.И. Косовым \ В.Г. Степаничевым:

где с - эмпирический коэффициент, зависящий от вида канала;

где к* - коэффициент упрочнения торфяной залежи в слое пс глубине копания канала.

Предложен графоаналитический метод расчета глубин каналов, используя который, можно прогнозно оценить их строительную и конечную глубину, а также суммарную осадку торфяной залежи при по -этапном выполнении каналов (рис. 6).

При проектировании проводящих и ограждающих каналов на торфяном месторождении проводится предварительный расчет их параметров, исходя из учета несущей способности залежи. На основании полученных размеров каналов, а также гидрологических данных, каналы расс-

Ьн=0,15х*-с, м,

5=МкТ-1)/1,17, м,

10 47, к Па о

г ■

з -

<I -

h,M

S.n

1 2 3 hit.M

hemp, М

СО I

Рис. 6. Графоаналитический метод расчёта валового канала: а) изменчивость прочности тогсйа по глубине неосушенной залежи; 6) прогноз и уточнение строительной глубины канала (I) и суммарной осадки торфяной залежи (2) при его поэтапном выполнении; в) профили валового канала при его поэтапном строительстве

О

читьшаются на пропуск по ним расчетных и поверочных расходов воды с назначением геометрической формы их поперечного сечения (гидравлические расчеты каналов). При этом в них определяются уровенные водные режимы. Расчеты пропускной способности каналов ведутся по формуле равномерного установившегося движения воды:

ц' = (|/1ис/пр) (шс/зе)а, мэ/с, где 0' - определяемый расход воды в канале, м3/с; 1 - уклон дна канала; шс - площадь "живого" сечения, м2; пр- коэффициент шероховатости русла канала; зе - смоченный периметр поперечного сечения канала, м; а - величина, рассчитываемая:

а=0,37+2, 5|/Пр-0,75Иыс/зё(к/Пр"0,1). Определение уровенного режима проводится для каналов расположенных на границе полей добычи торфа по формуле неравномерного установившегося движения воды по участкам каналов (в общем случае от пикета к пикету) вверх по ее течению. Для двух смежных сечений (створов), если последние находятся на разных каналах или при впадении одного из них в другой, определяется превышение уровней воды как:

2=0,051(Ор/Шр)2, м, где 0Р - расход воды в расчетном створе канала, мэ/с, о)р -площадь "живого" сечения канала в его расчетном створе, м2.

Если смежные створы расположены по длине одного канала, то :

2=0,056 ('/и2- <32Л>р2) + [4Ц21 / (ЯиН5р)2 ], м, где уи - скорость водного потока в исходном створе, м/с, Ц -средний расход воды между створами, м3/с; 1 - расстояние между створами, м; цИ(р) - модуль расхода воды в исходном (расчетном) створе канала, м3/с.

Если величина Дг=|г-2и-р|О, где 2и-р - предварительно заданное превышение и ЬДОп^р, где ЬДОП(Р) - соответственно допустимая и реальная глубина наполнения канала в расчетном стЕоре, то для него принимается полученная отметка уровня (Нр), если Ьдоп<Ьр, то изменяются геометрические параметры канала. При величине

2и-р присваивается среднее значение между первоначальной 2И-Р и полученной 2 с переходом к очередному циклу расчета с прежними геометрическими характеристиками канала. С учетом возможных измене-

ний параметров проводящих (ограждающих) каналов по результатам гидравлического расчета проводится повторное (окончательное) определение поэтапных отметок дна каналов с учетом прочности и несущей способности торфяной залежи.

При проектировании осушителей также провсдится предварительное определение их строительных глубин и осадки торфяной залежи при поэтапном выполнении каналов по заранее выделенным ее участкам по сложности осушения залежи. С использованием результатов графо -аналитического расчета строительных глубин осушительных каналов проектировщиком проводятся изолинии на плане торфяного месторождения, которые выделяют подучастки залежи по условию заглубления проектного дна осушителей в минеральный грунт.

Для проводящих (ограждающих) каналов по каждому пикету их трассы, а для осушителей - по подучасткам торфяной залежи, проводится окончательный расчет геометрических параметров каналов и объемов земляных работ при их поэтапном строительстве на месторождении с выбором технологического оборудования.

Сравнительная оценка стоимости вариантов строительства всей сети открытых каналов на торфяном месторождении при наличии возможных схем ее размещения позволяет в дальнейшем выбрать оптимальный вариант строительства ГТС.

Методика автоматизированного расчета технологических регламентов строительства и эксплуатации ГТС на торфяной залежи включает в себя определение потребного количества оборудования принятых марок, горюче-смазочных материалов (ГСМ), персонала, энергоемкости и трудоемкости. Расчет потребного количества оборудования и ГСМ проводится по каждой марке принятых машин. Производственный персонал назначается по выбранному перечню и количеству машин и оборудования на основании нормативных данных по численности работающих. Проектная энергоемкость (ЭПр) и трудоемкость (Трпр) определяются как: ч

Эпр=(8,2-1СГ3/П)ЕЭ1, кВт-ч/т, 1-1

где П - программа добычи торфа, тыс.т; я - количество разновидностей машин и оборудования; - годовая энергоемкость 1-ой марки машин, кВт; ч

ТрПр=1СГ3/П(8,2ЕТх +М), чел•ч/т, 1=1

где Tj - потребное количество смен в году для работы машин i-ой марки на основных операциях, смен; М - годовая трудоемкость, связанная с прочими операциями, чел-ч.

Определение вышеназванных показателей входит в сметно-фина -нсовые расчеты при проектировании торфопредприятия, включающие полный комплекс работ по установлению размера денежных затрат при строительстве и эксплуатации объекта по добыче торфа.

В глаге 3 представлены разработанные новые способы и схемы строительства осушительных и проводящих каналов на высокообводнен-ных торфяных месторождениях", защищенные авторскими свидетельствами (A.c. N 1530777, N 1654443). Способ прокладки проводящего канала на высокообводненной торфяной залежи заключается в том, что с целью предварительного водопонижения симметрично от оси его трассы сначала выполняются водосборные каналы с врезанными в них осушителями (по схеме "усов"). Строительство последних осуществляется поэтапно с учетом несущей способности залежи с заполнением русел каналов на ее малопрочных участках фильтрующим материалом (мхом) для укрепления откосов осушителей. После указанных операций поэтапно выполняют проводящий канал. В результате использования предлагаемых способов снижаются сроки строительства в 3-5 раз, сокращается его стоимость, снижается в 2-3 раза трудоемкость выполнения работ, повышается эффективность функционирования осушительной сети по сравнению с традиционными технологиями строительства каналов на торфяных залежах.

Глава 4 посвящена автоматизированному проектированию каналов на реальных объектах по добыче торфа. Анализ результатов проектных работ по строительству магистральных каналов на торфяных месторождениях с различными структурно-механическими свойствами залежи (табл.) позволил заключить о существенном влиянии последних на технологические регламенты выполнения каналов.

Дифференцированный подход в проектировании осушителей на то -рфяной залежи (рис. 7) дает возможность наиболее качественно выполнить сеть каналов при их строительстве.

Методика автоматизированного проектирования сети осушения и противопожарного водоснабжения месторождений и полей добычи торфа внедрена и с 1990 года используется в Государственном проектном институте по комплексному использованию торфа в народном хозяйстве - "Гипрстсрф" и реализована в виде комплекса программ для ПЭВМ ти-

па IBM PC/XT. Программное обеспечение было апробировано более чем на 30 объектах по добыче торфа.

Таблица

Результаты автоматизированного проектирования магистральных каналов на реальных объектах по добыче торфа

1 | Средние значения | показателей 1 Торфяное месторождение |

"Уломское-I" Вологодской области "Оршинский Мох" Тверской области 1 "Темное"| Томской | области |

|Прочность торфяной | залежи, кПа 3 12 17 |

| Число проходов I экскаватора 12 5 4 1

| Осадка торфяной | залежи, м 3,21 1,07 0,80 |

| Объем земляных |работ на 1 м длины | канала, м3/м 28 23 20 | |

Разработан и введен в действие стандарт предприятия по автоматизированному проектированию осушительных каналов на торфяных залежах. Стандарт распространяется на методы расчетов и выбора оптимальных геометрических параметров каналов ГТС объектов по добыче торфа с определением объемов земляных работ при поэтапном выполнении каналов, а также технологических регламентов при их строительстве и эксплуатации. Он является составной частью компьютерной технологии проектирования ресурсосберегающих экологически сбалансированных схем освоения торфяных месторождений. Внедрение автоматизации в практику проектных работ привело к изменению следующих технико-экономических показателей:

О - точки опробования торс&яной залезки

- точки локальных минимумов стоимости работ . - количество проходов экскаватора

Рис. 7. Результаты проектирования осушительной и проводящей сети каналов на тотхляном месторождении "Игнатовское" Калужской области

- сокращению в среднем в 10-15 раз сроков разработки и повышению качества рабочих проектов торфопредприятий;

- повышен™ производительности труда проектировщиков при разработке проектов открытых осушительных сетей торфопредприятий в 5-10 раз;

f

- повышению качества проектов осушительных систем торфопред -приятии;

- сокращению капитальных затрат (на 20 % - при проектировании только проводящих каналов) за счет снижения объемов земляных работ, экономии материалов, топлива и снижения трудовых затрат при строительстве сети осушения и противопожарного водоснабжения месторождений и полей добычи торфа.

Для расчета величины годового экономического эффекта от применения компьютерной технологии проектных работ за базовый вариант принималась методика поэтапного строительства каналов на торфяной залежи, позволяющая использовать при проектировании средства малой механизации расчетов (микрокалькуляторы). Большие затраты времени на их проведение делали невозможным проработку нескольких вариа -нтов проектирования, а также повышение его качества благодаря использованию оптимизационных методов.

За новый вариант принималась предлагаемая методика автоматизированного проектирования осушения и противопожарного водоснабжения месторождений и полей добычи торфа, модифицированная применительно к условиям проведения расчетов по программному комплексу, состоящему из 10 программ. Расчет экономического эффекта проводился согласно существующим общеотраслевым методическим материалам и указаниям по определению эффективности. Годовой экономический эффект от внедрения, подтвержденный заказчиком, составил 212 тыс. руб. (по ценам 1983-1939 г.г.).

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технологические разработки по автоматизированному проектированию осушительных каналов на торфяных месторождениях с созданием программного компле -кса объектной подсистемы САПР-осушение. Решена задача по автоматизации раздела осушения в проектах на строительство торфяных пред -приятий, что приводит к значительному повышению эффективности проектирования. В результате можно сформулировать основные выводы:

1. Установлены закономерности изменения технологических параметров поэтапного выполнения осушительных и проводящих каналов в зависимости от природных свойств торфяной залежи для однородных по

категориям сложности осушения стратиграфических участков на месторождениях.

2. Получены зависимости по определению оптимального количества опробований торфяной залежи из условия минимизации затрат на изыскания и строительство осушителей.

3. Установлена корреляционная зависимость, позволяющая по относительной влаге и степени разложения торфа на сильнообводненных месторождениях определить величину предельного сопротивления торфа сдвигу в пределах 10% ошибки.

4. Разработана методика оптимального размещения магистральных каналов на плане, торфяного месторождения, позволяющая производить их трассирование в интерактивном режиме при условии минимизации затрат на' поэтапное строительство каналов.

5. Предложен способ определения строительных глубин каналов при их поэтапном выполнении на торфяной залежи, позволяющий графоаналитическим методом на основе аналитически рассчитанных зависимостей между строительной глубиной канала и суммарной осадкой залежи подбирать глубины валовых каналов на пикетах, а также выделять участки залежи по условиям заглубления осушителей в минеральный грунт.

6. Разработаны новые способы строительства каналов на сильнообводненных торфяных залежах, позволяющие сократить сроки и стоимость их выполнения, снизить энергозатраты и повысить эффективность работы осушительной сети.

7. Создана компьютерная технология проектирования осушительных каналов на торфяном месторождении, позволяющая выбрать экономически и технологически выгодный вариант их выполнения с оптимальными параметрами с учетом природных особенностей залежи.

Программный комплекс для автоматизированного проектирования осушительных каналов был апробирован на реальных объектах по добыче торфа и показал высокую эффективность в работе. Он не претендует на полное представление объектной подсистемы САПР-осушение и предполагает дальнейшую разработку алгоритмов и программного обеспечения проектных работ. Подсистема САПР-осушение является частью системы САПР-торфопредприятие и подразумевает разработку других ее элементов в тесном взаимодействии друг с другом (САПР-экология, САПР-технология и др.).

Л I

~ с.1 -

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Автоматизированное проектирование осушительных систем то -рфопредприятий//Торф. npoM-cTb.-1989.-N 6.-С. 6-10. (Соавторы: Ко-сов В.И., Задеренко О.И. и др.).

2. Ускоренный метод проектирования осушительной сети по но-мограммам//Торф. npoM-CTb.-1990.-N 5.- С. 19-24. (Косов В.И.).

3. Влияние точности инженерно-геологических изысканий на результаты проектирования осушительных систем//Торф.пром-сть.-1990.-N 12.-С. 12-15. (Косов В.И.).

4. Плановое размещение осушительной сети на торфяном место-рождении//Торф. npoM-CTb.-1992.-N 1.- С. 22-24. (Косов В.И.).

5. Компьютерная технология проектирования осушительных систем на объектах по добыче торфа//Мелиорация и водное хоз-во.-1993.-N5.-0. 24-25. (Косов В.И.).

6. Физические основы построения номограмм для определения па- • раметров осушительной сети на торфяных месторождениях//Физические процессы торфяного производства.- Калинин, 1989.-С. 80-83. (Косов

В.И.).

7. Изменчивость физико-механических свойств залежи и учет ее при проектировании осушительной сети//Сб. тр. "Исследования физико-механических свойств торфа"/ВНИИТП.-1991.-Вып. 66.-С. 4-13. (Базин Е.Т., Косов В.И. и др.).

8. Методика автоматизированного проектирования осушительной сети торфяных месторождений//Перестройке - энтузиазм и творчество молодых: Тез. докл. 1-й науч.-техн. конф. мол. ученых и спец. КПИ.-Калинин, 1988.-С. 94-95.

9. Автоматизированное проектирование осушительных каналов торфопредприятий//Результаты исследований по физике и химии торфа и их использование: Тез. докл. V 1-й науч.-техн. конф. по физи-ко-химии торфа.-Калинин, 1989.-С. 51.

10. Физические процессы в торфяных залежах,как основа компьютерной технологии проектирования осушительных систем// Тез. докл. всесоюз. науч.-практ. конф. "Торф з народном хозяйстве".- Томск, 1991.-С. 73-79. (Косов В.И.).

И. Метод графоаналитического расчета строительных глубин ка-налов//Тсрф. пром-сть: ЭИ/ ЦБНТИ МТП РСТСР, 1988.-Вып. 4.- С. 34-36. (Косов В.И.. Задеренко О.И. и др.).

12. Комплекс программ автоматизированного проектирования осушительных систем торфопредприятий//Тсрф. пром-сть: ЭИ/ ЦБНТИ МТП PCiCP, 1989.-Вып. 11.-С. 9-10. (Кссов В.И., Задеренко О.И. и др.).

13. Расчет оптимальных параметров осушительной сети при проектировании на ЭВМ: Метод, указ. к курс, и дипл. проектированию для студ. спец. 09.05/ КПИ. Каф. гидромелиорации.-Калинин, 1989.-32 с. (Косов В.И.).

14. Проектирование осушительных систем на ПЭВМ (гидравлический расчет): Метод, указ. к курс, и дипл. проектированию для студ. спец. 31.10 и 09.05/ КПИ. Каф. гидромелиорации.-Калинин, 1990.-20 с. (Кссов В.И., Коновалов Е.А.).

15. СТП 03.80-90. Компьютерная технология проектирования гидротехнических систем объектов по добыче торфа. Система автоматизированного проектирования гидротехнических систем на торфяной залежи.-Введен 1.01.91.-М. .-Гипроторф, 1990.-25 с.-Группа Т51.

16. A.c. 1530777 (СССР), МКИ2 Е21С 49/00, Е02В 11/00. Споссб прокладки водсотводяших каналов на высокосбводненных торфяных залежах.-4 с. (Косов В.И., Маслов В.Ф. и др.).

17. A.c. 1654443 (СССР), МКИ2 Е21С 49/00, Е02В 11/00. Способ строительства каналов предварительного осушения на слабых торфяных грунтах и устройство для его осуществления.-6 с. (Косов В.И., Иванов Вл.Н. и др.).