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 У_i самотечной канализациоeнной 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 У_j, 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 У_j, могли бы быть пущены на реконструкцию другого участка У_k, 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 (У_i, У_j, У_k, У_m, У_n 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 Ф_{о i}, а также ряда дестабилизирующих факторов Ф_{к j}, так или иначе оказывающих влияние на основной фактор и друг на друга. В качестве основного фактора Ф_{о i}, принята аварийность Ав_i   участка сети. В данном случае под этим понимается любое нарушение  нормальной работы сети в зависимости от воздействия дестабилизирующих факторов.

Оценка факторов Ф_{к j} производится по балльной системе на основе распределения по рангам R_i значимости с использованием фактических данных по каждому  участку У_i  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

Ф_{к j},  которые представлены в виде вершин графа (рис.1).

 

 

Рис.1. Граф связности косвенных факторов Ф_{к 2} – Ф_{к 12}

 

Внешние факторы:

•  год укладки канализационного трубопровода – Ф_{к 2};

•  диаметр труб (толщина стенки) – Ф_{к 3};

•  нарушения в стыках труб – Ф_{к 4};

•  дефекты внутренней поверхности – Ф_{к 5};

•  засоры (препятствия) в трубопроводе – Ф_{к 6};

•  нарушения герметичности – Ф_{к 7};

•  деформация тела трубы – Ф_{к 8};

•  глубина заложения канализационной сети – Ф_{к 9};

•  состояние грунтов вокруг трубопровода – Ф_{к 10};

•  наличие (отсутствие) грунтовых вод – Ф_{к 11};

•  интенсивность транспортных и пассажиропотоков над трубопроводом –

Ф_{к 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 А_i 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

 

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

Каждому элементу (внешнему фактору) результирующей матрицы S после определения веса строк присваивается ранг r_i 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 Ф_{к  11} «наличие (отсутствие) подземной воды» (81 балл), вторым по значимости рангом r₂  обладает фак­тор Ф_{к  2} «год укладки» (41 балл), третий r₃ «состояние грунтов вокруг трубопровода» (39 баллов) – фактор Ф_{к  10} и т.д. Фактор Ф_{к  9} «глубина заложения труб» имеет наименьший балл 14.

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

                                    100 r_i = R_i

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

 

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

 

Таблица    4.   Подразделение рангов на подранги

 

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

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

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

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

 

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.