Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

К оптимальному выбору участков для бестраншейной реконструкции на примере самотечных трубопроводов с использованием графово-аналитического метода

 

 

 


В.А.Харькин, генеральный директор ООО «Прогресс» (Москва), лауреат Премии Правительства Российской Федерации, академик Академии жилищно-коммунального хозяйства, канд. техн. наук

В.А.Орлов, профессор МГСУ, академик Академии жилищно-коммунального хозяйства, канд. техн. наук

А.А.Отставнов, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой», почетный строитель Москвы, канд. техн. наук

 

Успешная реализация задач жилищно-коммунальной реформы невозможна без срочной реконструкции многочисленных подземных коммуникаций, которые находятся в критическом состоянии. Наиболее эффективно реконструкцию можно производить с использованием бестраншейных технологий, базирующихся на применении  полиэтиленовых труб (см.  № 4 2007 Журнала). Сейчас появилась возможность использовать для этого трубы широкой номенклатуры диаметром вплоть до 1200 мм отечественного производства.   К сожалению, имеющиеся у коммунальных служб средства на проведение реконструктивных работ весьма ограничены. В связи с этим возникает проблема оптимального выбора участков для первоочередного проведения на них реконструктивных работ. Одним из возможных подходов здесь может явиться использование графово-аналитического метода, который представляет собой одну из возможных попыток формализации процедуры принятия решения по отысканию наиболее ущербного, т.е. требующего первоочередной реконструкции аварийного участка.

 

Инженерные сети, в том числе трубопроводы самотечной канализации, находятся под воздействием ряда внешних факторов: агрессивных грунтов, подземных вод, статических и динамических нагрузок, высокой скученности параллельных инженерных коммуникаций и т.д. Они-то и являются основными  причинами выхода трубопроводных сетей из строя.

В большинстве случаев участки Уi самотечной канализационной сети подвергаются реконструкции или ремонту во время серьезной аварии или планово, однако в последнем случае конкретный участок часто выбирается спонтанно и без научного обоснования, как правило, на основе практики эксплуатирующей организации [1]. Такой подход к выбору первоочередности реконструкции участков самотечной канализации не всегда оправдан. Вполне вероятно, что может быть реконструирован участок Уj, который мог бы еще прослужить безаварийно много лет, и для этого, например, было бы достаточно проведения небольшого косметического ремонта. При этом средства, затраченные на реконструкцию участка Уj, могли бы быть пущены на реконструкцию другого участка Уk, который нуждается в ней в большей степени.

Избежать этого в некоторой степени позволяет предлагаемая методика выбора первоочередности реконструкции (ремонта) участков самотечной канализации, которая базируется на использовании математического аппарата теории матриц [2], а также на достаточно точном учете статистических характеристик [3] участков (Уi, Уj, Уk, Уm, Уn и т.д.), подведомственных эксплуатирующей канализационные сети организации.

Настоящая методика определения очередности мероприятий по реконструкции участков самотечной канализационной сети отличается от предложенных ранее (например,  [4]). Она целесообразна в случаях недостатка данных по интенсивности отказов отдельных элементов и инженерных сетей в целом. Методика имеет новизну и защищена патентом на полезную модель [5].

Для реализации методики производится детальный сбор, изучение и анализ обширного архивного и аналитического материала по эксплуатации трубопроводной сети от начала ввода ее в строй и по текущее время. Методика концентрирует внимание на внешних дестабилизирующих работу сетей факторах, получаемых по данным инвентаризации, инженерно-геологических изысканий и результатам (архивам) теледиагностики инженерных сетей.

Концептуальным в принятой методике [6] является выделение и количественно-качественное определение приоритетного базового или основного фактора Фо i, а также ряда дестабилизирующих факторов Фк j, так или иначе оказывающих влияние на основной фактор и друг на друга. В качестве основного фактора Фо i, принята аварийность Авi   участка сети. В данном случае под этим понимается любое нарушение  нормальной работы сети в зависимости от воздействия дестабилизирующих факторов.

Оценка факторов Фк j производится по балльной системе на основе распределения по рангам Ri значимости с использованием фактических данных по каждому  участку Уi  с привлечением соответствующего математического аппарата. При этом должны учитываться два ограничения, связываемые:

 а) с минимизацией ущерба (материального, экологического, социального) на случай аварийной ситуации в сети;  

б) с увеличением срока ее дальнейшей безаварийной эксплуатации.

Согласно методике выделено 11 внешних факторов влияния на работу сети

Фк j,  которые представлены в виде вершин графа (рис.1).

 

Рис.1. Граф связности косвенных факторов Фк 2 – Фк 12

 

Внешние факторы:

  год укладки канализационного трубопровода – Фк 2;

  диаметр труб (толщина стенки) – Фк 3;

  нарушения в стыках труб – Фк 4;

 дефекты внутренней поверхности – Фк 5;

 засоры (препятствия) в трубопроводе – Фк 6;

  нарушения герметичности – Фк 7;

 деформация тела трубы – Фк 8;

 глубина заложения канализационной сети – Фк 9;

 состояние грунтов вокруг трубопровода – Фк 10;

 наличие (отсутствие) грунтовых вод – Фк 11;

 интенсивность транспортных и пассажиропотоков над трубопроводом –

Фк 12.

Составление семантической и математической моделей и ал­горитма решения задачи определения объектов восстановления сетей включает три этапа:

1) составление общей структурной схемы связи основного фактора и 11-ти внешних факторов в виде ориентированного графа;

2) определе­ние связей факторов (направление стрелки указывает на приоритетный фактор);

3) ранжирование факторов на основе множест­ва сочленений с алгебраической записью в виде матриц инциденций Аi всех возможных сочленений.

Далее на основе установленных связей (рис.1) каждому из 12-ти факторов или элементов матрицы А (табл. 1) присваивается «0» (означает отсутствие доминирования) или «1» (означает доминирование одного фактора над другим).

 

                             Таблица 1. Матрица инциденций А

 

-

Фо

Фк 2

Фк 3

Фк 4

Фк 5

Фк 6

Фк 7

Фк 8

Фк 9

Фк 10

Фк 11

Фк 12

Фо

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Фк 2

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

Фк 3

1

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

Фк 4

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

Фк 5

1

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

Фк 6

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

Фк 7

1

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

Фк 8

1

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

Фк 9

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

Фк 10

1

0

1

1

0

0

1

1

0

0

0

0

Фк 11

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

Фк 12

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

 

Численно степень доминирования факторов (т.е. значимость одного фактора по отношению к другому) определяется весом строки, равным сумме ее элементов. Для расширения диапазона численных значений, а также исключения одинакового веса строк производится искусственная операция преобразования матрицы инциденций  А в матрицу:

                                       S = А + А2 + А4.

Данная операция производится с помощью специально разработанной компьютерной программы, например, Matriza (табл.2)

 

Таблица 2. Результирующая матрица S

-

Фо

Фк 2

Фк 3

Фк 4

Фк 5

Фк 6

Фк 7

Фк 8

Фк 9

Фк 10

Фк 11

Фк 12

Вес строки

Ранг, ri

Фо

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-

Фк 2

14

0

4

3

7

4

4

5

0

0

0

0

41

r2

Фк 3

11

0

1

3

4

6

5

2

0

0

0

0

32

r4

Фк 4

6

0

1

0

5

0

2

2

0

0

0

0

16

r10

Фк 5

10

0

5

2

2

3

1

7

0

0

0

0

30

r6

Фк 6

11

0

1

1

8

2

5

3

0

0

0

0

31

r5

Фк 7

10

0

3

1

6

1

2

6

0

0

0

0

29

r7

Фк 8

9

0

1

4

2

6

3

1

0

0

0

0

26

r8

Фк 9

5

0

2

1

1

1

0

4

0

0

0

0

14

r11

Фк 10

13

0

5

4

3

5

2

7

0

0

0

0

39

r3

Фк 11

27

0

7

6

12

7

8

12

1

1

0

0

81

r1

Фк 12

6

0

2

1

4

0

2

3

0

1

0

0

19

r9

 

Каждому элементу (внешнему фактору) результирующей матрицы S после определения веса строк присваивается ранг ri с соответствующим числом баллов. Это количество баллов рассматривается как верхний предел изменения соответствующего фактора. Нижним пределом изменения фактора бу­дет являться верхний предел (значение) нижеследующего по рангу фактора плюс 1 балл.

Из табл. 2 следует, что наивысший ранг  r1 имеет фактор Фк  11 «наличие (отсутствие) подземной воды» (81 балл), вторым по значимости рангом r2  обладает фак­тор Фк  2 «год укладки» (41 балл), третий r3 «состояние грунтов вокруг трубопровода» (39 баллов) – фактор Фк  10 и т.д. Фактор Фк  9 «глубина заложения труб» имеет наименьший балл 14.

Для удобства пользования производится расширение диапазона численных значений между пре­дыдущим и последующим факторами путем замены:

                                    100 ri = Ri

После этой операции каждому внешнему фактору присваивается ранг значимости (с учетом балльности) в замкнутой системе с установлен­ным диапазоном изменения количества баллов (табл.3).

 

 

Таблица  3. Диапазоны балльности внешних факторов

Ранг

Внешние факторы

Баллы

R1

Наличие (отсутствие) подземных вод по трассе трубопровода

8100—4101

R2

Год укладки трубопровода

4100—3901

R3

Состояние грунтов вокруг трубопровода

3900—3201

R4

Диаметр (толщина стенки) труб

3200—3101

R5

Наличие, препятствий (засоров) в трубопроводе

3100—3001

R6

Дефекты внутренней поверхности трубопровода

3000—2901

R7

Нарушение герметичности трубопровода

2900—2601

R8

Деформация тела труб

2600—1901

R9

Интенсивность транспортных и пассажиропотоков по трассе

1900—1601

R10

Нарушение в стыках труб

1600—1401

R11

Глубина заложения канализационной сети

1400—1

 

Внутри ранга производится деление на подранги  Ri-i  [7] с соответствующей балльностью (табл.4).

 

Таблица    4.   Подразделение рангов на подранги

Ранг Ri

Подранг

Ri-i

Характеристика подрангов

Баллы

1

2

3

4

R1

R1-1

Нахождение трубопровода в минерализованных грунтовых водах на глубине более 4 м

8100

R1-2

Нахождение трубопровода в минерализованных грунтовых водах на глубине менее 4 м

7500

R1-3

Нахождение трубопровода в слабоминерализованных грунтовых водах на глубине более 4 м

7000

R1-4

Нахождение трубопровода в слабоминерализованных грунтовых водах на глубине менее 4 м

6500

R1-5

Нахождение трубопровода в пресных грунтовых водах на глубине более 4 м

5500

R1-6

Нахождение трубопровода в пресных грунтовых водах на глубине менее 4 м

5000

R1-7

Отсутствие грунтовых вод около трубопровода

4101

R2

R2-1

Эксплуатация трубопровода более 30 лет

4100

R2-2

Эксплуатация трубопровода 20-30 лет

4050

R2-3

Эксплуатация трубопровода 10-20 лет

4000

R2-4

Эксплуатация трубопровода 5-10 лет

3950

R2-5

Эксплуатация трубопровода менее 5 лет

3901

R3

R3-1

Глина

3900

R3-2

Влажный пылевидный грунт с глинистыми включениями

3800

R3-3

Влажный пылевидный грунт

3700

R3-4

Влажный песок

3600

R3-5

Сухой пылевидный грунт с глинистыми включениями

3500

R3-6

Сухой пылевидный грунт

3400

R3-7

Сухой песок

3300

R3-8

Суглинок

3201

R4

R4-1

Диаметр до 350 мм

3200

R4-2

Диаметр  400-700 мм

3167

R4-3

Диаметр  800-1000 мм

3134

R4-4

Диаметр более 1000 мм

3101

 R5

R5-1

Диаметр 150 мм

3100

R5-2

Диаметр 200 мм

3030

R5-3

Диаметр 250 мм

3020

R5-4

Диаметр 300 мм

3010

R5-5

Диаметр 350 мм

3008

R5-6

Диаметр 400 мм

3005

R5-7

Диаметр 500 мм

3003

R5-8

Диаметр  ≥ 600 мм

3001

R6

R6-max

Наличие дефектов (R6-min + ∑bд*)

2901 -3000

R6-min

Отсутствие сведений о дефектах

2901

R7

R7-max

Герметичность  нарушена (R7-min + ∑bд**)

2601-2900

R7-min

Отсутствие сведений о нарушении герметичности

2601

R8

R8-max

Герметичность  нарушена (R8-min + ∑bр***)

2600

R8- min

Отсутствие сведений о деформации и разрушениях

1901

R9

R9-1

Высокая интенсивность транспортных пассажиропотоков

1900

R9-2

Средняя интенсивность транспортных пассажиропотоков

1750

R9-3

Низкая интенсивность транспортных пассажиропотоков

1601

R10

R10-max

Имеются нарушения в стыках (R10-min + ∑bр****)

 

R10- min

Отсутствие сведений о нарушениях в стыках

1401

R11

R11-1

Глубина заложения канализационной сети менее 1,5 м

1400

R11-2

То же 1,5 – 2,0 м

500

R11-3

То же   2,0 – 3,0м

300

R11-4

То же  3,0-4,0 м

100

R11

То же более 5,0 м

1

 

*bд = 25 баллов – коррозия (полная, сплошная), bд = 25 – абразивный износ (полный), bд = 10 – коррозия (частичная), bд = 10 – абразивный износ (частичный), bд = 10 – оголение арматуры, bд = 10 – разрушение защитной оболочки, bд = 9 баллов – структурные дефекты заводского изготовления;

**bд = 42 балла – множественные открытые (раскрытые, сквозные) трещины, bд = 42 – инфильтрация фонтанированием, инфильтрация с интенсивным изливом, bд = 42 – эксфильтрация, bд = 42 – продольные открытые (раскрытые, сквозные) трещины с утечками, bд = 42 – поперечные открытые (раскрытые, сквозные) трещины с утечками, bд = 42 – винтообразные открытые (раскрытые, сквозные) трещины, bд = 9 – продольные закрытые трещины, bд = 9 – продольные открытые трещины без утечек, bд = 9 – поперечные круговые закрытые трещины, bд = 9 – поперечные круговые открытые трещины без утечек, bд = 9 – винтообразные закрытые трещины, bд = 9 – множественные закрытые трещины, bд = 11 баллов – незначительная инфильтрация через трещины или неплотности стыков;

***bр = 140 баллов – разрушение (частичное) днища, стенок или свода трубы, bр = 140 – перелом (разрыв) трубы, bр = 140 – образование сквозных отверстий, bр = 28 – несоответствие размеров труб направлению потока стоков, bр = 28 – нарушение (изменение) продольного профиля), bр = 28 – образование обратного уклона, bр = 28 – частичные смещения труб, bр = 28 – продольный поворот труб в раструбах относительно друг друга, bр = 28 – образование изгибов по трассе, bр = 28 – овализация поперечного сечения труб, bр = 28 – оседание (просадка) свода труб, bр = 28 – овализация трубы, bр = 27 баллов – местная деформация стенки трубы;

****bр = 27 баллов – неплотная стыковка, bр = 27 – нарушение (изменение) угла стыковки, bр = 27 – нарушение стыковки по горизонтали и (или) по вертикали, bр = 27 – продольное смещение труб, bр = 27 – смещение труб по горизонтали и (или) по вертикали, bр = 27 – смещение (осевое) по горизонтали и (или) по вертикали, bр = 27 – угловое смещение (сдвиг), bр = 27 – разрушение торцов труб в пределах стыка, bр = 27 – дефект уплотнительного кольца, bр = 27 – дефект заделки (чеканки) раструбной щели между состыкованными трубами, bр = 29 – дефект опорного кольца.

Определение первоочередности реконструкции предполагает составление паспорта (табл. 5) для каждого участка канализационной сети (например, рис. 2, участки 2-16).

 

Таблица 5. Паспорт ранжирования участков канализационной сети по баллам

Ri

Наименование фактора

Характеристика участка сети (подранги)

Баллы

1

Наличие (отсутствие) подземных вод

Трубопровод под горизон­том минерализованных вод на глубине 5 м

8100

2

Год укладки

10-20  лет назад

4000

3

Состояние грунтов

Суглинок

3201

4

Диаметр (толщина стенки), мм

150-350

3200

5

Наличие препятствий,

засоров (диаметр, мм)

200

3030

6

Дефекты внутренней поверхности

Коррозия (полная) 25 баллов,

абразивный износ (частичный) 10 баллов

2936

7

Нарушения

герметичности

Наличие инфильтрации  фонтанированием 42 балла,

поперечные круговые закрытые трещины

9 баллов

2652

8

Деформация тела трубы

Разрушение (частичное) свода и стенок 140 баллов,

оседание (просадка) свода 28 баллов

2069

9

Интенсивность

транспортных потоков

Низкая

1601

10

Нарушения в стыках

Разрушение торцов труб в пределах стыка 27 баллов

дефект заделки раструбной щели стыка  27 баллов

1455

11

Глубина заложения труб, м

Менее 1,5

1400

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Фрагмент уличной канализационной сети (цифрами обозначены: смотровые канализационные колодцы 1-26, горизонтали 81-92)

 

 Далее для каждого участка подсчитывается общая сумма баллов (сумма значений четвертого столбца табл. 5). Например, общая сумма баллов на участке 2-16 составила 33544. Затем на основе полученных данных строится диаграмма состояния всех участков, подлежащих рассмотрению на первоочередность реконструкции (рис.3). Она может быть построена либо по абсолютной шкале балльности, либо с использованием коэффициента относительной значимости [6].

 

 

 

Рис. 3. Диаграмма состояния участков канализационной сети:

      1 – по абсолютной шкале балльности,

      2 – с учетом коэффициента относительной значимости

 

 По диаграмме прослеживается приоритетность каждого участка для ремонта или реконструкции: чем выше балл (или коэффициент относительной значимости), тем вероятнее то, что именно этот участок должен быть подвергнут реновации в первую очередь.

Приоритетность участка для реконструкции определяется  максимумом суммы баллов. Согласно графикам (см. рис.3) в наихудших условиях по степени ущербности находится участок 2-16, затем 1-2, 10-13 и т.д. Наилучшим условиям соответствует участок 5-6.

 Следует иметь в виду, что приоритетность участка для реконструкции определяется состоянием сети на соответствующий момент времени и обязательно должна корректироваться в зависимости от новых обстоятельств. Внесение сведений в паспорта участков должно производиться постоянно для всех материалов используемых труб  [8].

Графово-аналитический метод позволит своевременно подготовиться к ремонтным и реконструкционным работам, заказать необходимые трубы и  материалы.  Основываясь на этой методике, применение бестраншейной технологии с использованием полимерных труб позволит в принятые сроки провести качественную и экономически целесообразную реконструкцию трубопровода, находящегося в наихудшем состоянии.

 

Авторы:

В.А.Харькин, генеральный директор ООО «Прогресс» (Москва), лауреат Премии Правительства Российской Федерации, академик Академии жилищно-коммунального хозяйства, канд. техн. наук

В.А.Орлов, профессор МГСУ, академик Академии жилищно-коммунального хозяйства, канд. техн. наук

А.А.Отставнов, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой», почетный строитель Москвы, канд. техн. наук

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Храменков С.В., Примин О.Г., Орлов В.А. Бестраншейные методы восстановления водопроводных и водоотводящих сетей.–  М., ИИЦ «ТИМР», 2000. – 179 с.
  2. Орлов В.А., Харькин В.А. Стратегия и методы восстановления подземных трубопроводов. – М., Стройиздат, 2001. – 96 с.
  3. Храменков С.В., Орлов В.А., Харькин В.А. Оптимизация восстановления водоотводящих сетей. – М., Стройиздат,  2002. – 160 с.
  4. Алексеев М.И., Ермолин Ю.А. Использование оценки надежности стареющих канализационных сетей при их реконструкции. – ВиСТ, 2004, № 6, с. 21-23.
  5. Храменков С.В., Примин О.Г., Орлов В.А., Зоткин С.П., Харькин В.А., Алексеев С.А. Патент на полезную модель № 31137 «Устройство для анализа надежности трубопроводов городской водоотводящей сети». – Бюллетень № 20 от 20.07.2003.
  6. Орлов В.А., Харькин В.А. Разработка стратегии восстановления городских водоотводящих сетей // РОБТ, 2001, №3, с. 20-27.
  7. Орлов В.А., Харькин В.А. Систематизация и анализ патологий водоотводящих сетей, подлежащих восстановлению // РОБТ.- 2001.-№2.- С.13-25.
  8. Отставнов А.А. Об авариях на пластмассовых трубопроводах. – Передовой опыт в строительстве Москвы. № 4, 1990, с. 16-18.

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА