В этом году исполняется девяносто лет первой рисовой системе – она была построена в 1929 г. на Кубани [1]. В настоящее время в Краснодарском крае происходит стремительное возрождение рисовой отрасли, так, например, в 2015 г. площади, отведенные под возделывание риса, составляли более 170 тыс. га. В планах на 2020 г. – засеять 180,8 тыс. га, это почти на 10 тыс. больше, чем в прошлом году, один только Краснодарский край выращивает более 78 % рисовой крупы в России. В конце XIX в. в пойме реки Кубань было выполнено осушение плавней, именно здесь и решили начать первое возделывание риса [2].
В настоящее время, однако, состояние водного бассейна реки Кубань характеризуется высоким уровнем хозяйственного и комплексного освоения. Величина безвозвратного изъятия водных ресурсов в Нижней Кубани превышает предельно допустимый лимит изъятия в 3,5 раза [3]. При этом на современном этапе безвозвратного изъятия не обеспечивается возмещение водных ресурсов, особенно в период маловодья. Также имеет место несоблюдение санитарно-экологических попусков на достаточном уровне. Таким образом, река Кубань практически не имеет свободных водных ресурсов в нижнем течении после Краснодарского водохранилища, для дальнейшего развития.
Все эти нерешенные проблемы указывают, что необходимо обосновать методы улучшения эксплуатационной надежности сооружений рисовых систем для дальнейшего их использования в водохозяйственном комплексе Юга России [4]. В Краснодарском крае и Республике Адыгея используются старые рисовые системы, поэтому необходимо научно обосновать затраты на их текущий и капитальный ремонт, поэтому возникла необходимость выполнения численного математического моделирования влияния различных, наиболее распространенных дефектов сооружений рисовых систем на их дальнейшую эксплуатационную надежность [5]. Для этого необходимо выполнить техническое обоснование плана проведения различных полевых исследований длительно эксплуатируемых сооружений рисовых систем неразрушающими приборами контроля на примере Нижней Кубани.
Реализация эксплуатационной надежности сооружений рисовых систем заключается в выполнении инженерно-технических и мелиоративных мероприятий [6] для устойчивого и эффективного водосбережения, рационального использования и развития водохозяйственного комплекса в целом [7].
Цель исследования заключается в выполнении математического моделирования влияния дефектов сооружений рисовых систем, выявленных на основании проведенного георадиолокационного зондирования, а также получения критериев характеристики эксплуатационной надежности.
Материалы и методы исследования
Были выполнены полевые исследования с помощью георадара ОКО-2, проведенные на сооружениях рисовых систем. Наиболее детально было обследовано водоотводящее сооружение в виде трубопровода, так как сооружение обнажено и доступно для осмотра и измерений. Однако часть сооружения, находящегося под водой, во время эксплуатации получила серьезные повреждения, разрушен трубопровод на всем протяжении от места их стыка до водоприемного колодца. Разрушение бетонных колец привело к образованию поперечной трещины. Разрушение бетона произошло из-за того, что бетон в этом месте находится в наиболее неблагоприятных условиях и приводит к накоплению дефектов и разрушению бетона [8]. При очистке закрытых водоотводящих сооружений от заторов металлическими крючьями происходит нарушение стыковых соединений и внутренней поверхности трубопровода.
На основании полевых исследований выполнялось математическое моделирование для самых распространенных в ходе проведенного георадиолокационного зондирования обнаруженных дефектов, в виде поперечной трещины, пересекающей водоотводящее сооружение, а также разрушение бортов колодца [9]. Были использованы геометрические размеры выявленных дефектов, а также их расположение на сооружении, геометрические размеры поперечной трещины и разрушения борта. Все расчеты были выполнены на вычислительном комплексе SCAD Office, были построены твердотельные модели напряженно-деформированного состояния водоотводящего сооружения.
В постановке математического моделирования модели водоотводящего сооружения с колодцем без дефектов и повреждений преследовалась цель установления адекватности твердотельной модели напряженно-деформированного состояния при максимальном напоре воды с существующими натурными испытаниями [10] при различных граничных условиях (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Расчетная схема твердотельной модели водоотводящего трубопровода с колодцем: а) с поперечной трещиной; б) с разрушением бортов колодца
Данные методы математического моделирования подчеркивают адекватность модели напряженно-деформированного состояния водоотводящего трубопровода с колодцем. Выполнен трехмерный анализ жесткости водоотводящего трубопровода с колодцем с учетом контактного опирания [11], эпюра суммарных перемещений представлена на рис. 2.
Рис. 2. Моделирование влияния дефекта в виде образования поперечной трещиной водоотводящего сооружения, эпюра суммарных перемещений
В ходе математического моделирования водоотводящего трубопровода с колодцем с поперечной трещиной, и потери устойчивости при опирании на грунтовое основание установлено, что происходит потеря устойчивости положения элементов непосредственно в эпицентре раскрытия трещины водоотводящего трубопровода.
Вертикальные напряжения увеличиваются по длине сооружения, а горизонтальные напряжения – перпендикулярно сооружению. В дальнейшем с увеличением длины трещины и ее раскрытия, происходит потеря устойчивости, как вокруг горизонтальной, так и вертикальной осей.
В местах стыка между кольцами выявлены пустоты под кольцом и слева от него, а герметизация стыковых соединений нарушилась [12], и вода просочилась в грунт основания трубопровода. При действии на бетон влажного грунта происходит окислительная реакция, в связи с чем на поверхности нижней части сооружения образуются каверны и углубления. При исследовании водоподающего сооружения зафиксировано, что бетон вдоль обследуемого сооружения имеет пористую структуру, различный цвет [13].
Отмечено, что на поверхности бетона остается глубокий след, оставляемый зубилом, по сравнению с сооружениями, находящимися в эксплуатации менее 20 лет. На кольцах в начале и в конце обнаружено большое число трещин, которые обнажают арматуру на всем протяжении сооружения. Есть трещины, которые направлены параллельно нижней грани стенки, также повредившие боковые грани стенки колодца.
В ходе проведенного анализа выявлено, что вертикальные напряжения увеличиваются по оси трубопровода к колодцу [14], а горизонтальные напряжения – перпендикулярно оси сооружения. Расчеты напряженно-деформированного состояния выполнялись на модели, рассматривающейся как тонкостенная оболочка, с учетом условия ее опирания. Были определены критические напряжения раскрытия поперечной трещины, пересекающей водоотводящее сооружение, определены предельные размеры ее раскрытия, позволяющие установить, что появление трещины опасно для эксплуатации сооружения [15].
Интенсивный порог опасности – длина раскрытия трещины более 1/3 диаметра трубопровода. Небольшое раскрытие трещины приведет к размытию грунтового основания, что является опасным выявленным дефектом для сооружения (рис. 3).
Рис. 3. Критические напряжения поперечной трещины, пересекающей водоотводящее сооружение
Вертикальные перемещения увеличиваются по вертикали вниз колодца, а горизонтальные перемещения – незначительны. На работоспособность водоотводящего трубопровода с колодцем значительное влияние оказывает разрушение бетона и оголение арматуры.
Сильно разрушен стык колец 1-го и 2-го сечения, идут продольные трещины с раскрытием до 15–20 мм, свидетельствующие о расслоении бетона, которое приводит к обнажению арматуры и к разрушению бетонного тела конструкции. Трещины в бетоне есть также на вертикальных гранях бортов колодца, наклонные, почти горизонтальные трещины рассекают полностью сечение колец 2-го отсека. Раскрытие трещин достигает 0,5–1,8 мм, смещение краев трещин по горизонтали 0,7–1,1 мм, причем верхний край колодца, смещен относительно вертикальной оси на 22? [16].
В ходе выполнения математического моделирования влияния дефектов разрушения борта колодца водоотводящего сооружения, установлено, что потеря устойчивости опирания элементов происходит посередине водоотводящего трубопровода, работающего как балка на изгиб (рис. 4).
В местах образования разрушения дефектов бортовых элементов колодца перемещения незначительные и на работу всего сооружения не оказывают воздействия.
Бетон бортов и днища колодца находятся в состоянии полного водонасыщения, обследованные участки разорваны трещинами отрыва (ширина трещин 0,4; 0,9; 0,2 и 1,2 мм), одна – на южной стороне (5,2 мм). Во 2-м отсеке – три на северной стороне (шириной 0,2; 0,2 и 0,8 мм), две – на южной (шириной 1,4 и 1,2 мм). В 3-м отсеке сооружения семь трещин, расположение которых не удалось привязать к другим факторам [17]. В последующих отсеках обнаружены одна-две трещины в средней части.
На рис. 5 показана эпюра эквивалентных максимальных напряжений по горизонтали вдоль водоотводящего трубопровода с колодцем, напряжения находятся в предельно допустимых значениях. При увеличении нагрузки опасность может представлять соединение колодца с водоотводящим трубопроводом.
Рис. 4. Моделирование влияния дефекта в виде разрушения борта колодца водоотводящего сооружения, эпюра суммарных перемещений
Рис. 5. Моделирование влияния дефекта в виде разрушения борта колодца водоотводящего сооружения, эпюра эквивалентных максимальных напряжений по горизонтали вдоль сооружения
Максимальные эквивалентные напряжения по горизонтали поперек водоотводящего трубопровода с колодцем показаны на рис. 6. Напряжения, так же как и на рис. 5, находятся в предельно допустимых значениях, при увеличении нагрузки опасность может представлять соединение колодца с водоотводящим трубопроводом.
Рис. 6. Моделирование влияния дефекта в виде разрушения борта колодца водоотводящего сооружения, эпюра эквивалентных максимальных напряжений по горизонтали поперек сооружения
Все трещины рассекают полностью сечение сооружения: так, каждой трещине западного борта соответствует трещина восточного борта, расположенная напротив первой. Это явно указывает на присутствие трещины в бетоне днища, которая соединяет противоположные трещины в бортах колодца. Не везде соблюдаются толщины защитных слоев. При возведении сооружения был применен бетон класса В 50.
Расчет напряженно-деформированного состояния предполагал построение адекватной расчётной модели при различных эксплуатационных параметрах, были выделены зоны образования дефектов и повреждений на несущих элементах водоотводящего трубопровода с колодцем, которые могут содержать однотипные неисправности. Установлен интенсивный порог опасности эксплуатации сооружения, начиная с диаметра 75 мм образования пустот и разуплотнению железобетона.
Использование математического моделирования для оценки резерва дееспособности сооружений рисовых систем показало возможность повысить качество управляющих воздействий эксплуатационной надежности.
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе математического моделирования получено, что водоотводящий трубопровод с колодцем имеет запас эксплуатационной надежности, который снижается за годы использования сооружения.
По данным проведенного технического анализа эксплуатационной надежности определена и дана характеристика эксплуатационной надежности сооружений рисовых систем.
Выполнен численный эксперимент различных обнаруженных дефектов в виде поперечной трещины, пересекающей водоотводящее сооружение, а также с разрушением бортов колодца. Все теоретическое обоснование математической модели базируется на основе экспериментальных исследований.
Данные методы моделирования подчеркивают адекватность модели напряженно-деформированного состояния водоотводящего трубопровода с колодцем.
Получены результаты расчетов потери устойчивости и просадки водосброса в виде эпюр избыточных эквивалентных по горизонтали и вертикали и абсолютных перемещений. В процессе исследований полученные эпюры напряжений и перемещений, для последующего использования были переведены в эмпирические формулы, подобраны алгебраические выражения функции (1–7).
Выполнен трехмерный анализ жесткости водоотводящего трубопровода с колодцем с учетом контактного опирания. В ходе проведенного анализа выявлено, что вертикальные напряжения увеличиваются по оси трубопровода к колодцу, а горизонтальные напряжения перпендикулярно оси сооружения. Полученные данные при математическом моделировании неисправностей водоотводящего трубопровода с поперечной трещиной показаны на рис. 7.
Рис. 7. График напряжений при математическом моделировании неисправностей водоотводящего трубопровода с поперечной трещиной: зона a – без трещины; b – с образованием трещины 25 %; с – с образованием трещины 50 %; d – с образованием трещины 75 %
Рис. 8. График напряжений при математическом моделировании неисправностей водоотводящего трубопровода с разрушением бортов колодца: зона a – без разрушения; b – с разрушением бортов колодца 30 %; с – с разрушением бортов колодца 60 %
Получены эмпирические зависимости для расчета напряжений водоотводящего трубопровода с поперечной трещиной: для элементов без трещины (1); с образованием трещины 25 % (2); с образованием трещины 50 % (3); с образованием трещины 75 % (4):
GVЭ = 0,0001x2 + 0,0131x + 3,3856; R² = 0,9743, (1)
GVЭ = 0,0008x2 + 0,0938x + 3,5947; R² = 0,9976, (2)
GVЭ = 0,0014x2 + 0,2122x + 2,5298; R² = 0,9848, (3)
GVЭ = 0,0024x2 + 0,2613x + 2,7079; R² = 0,9827. (4)
Полученные данные при математическом моделировании неисправностей водоотводящего трубопровода с разрушением бортов колодца показаны на рис. 8.
Получены эмпирические зависимости для расчета напряжений водоотводящего трубопровода с колодцем: для элементов без разрушения (5); с разрушением бортов колодца 30 % (6); с разрушением бортов колодца 60 % (7):
GVЭ = 1,1939x2 – 1,2353x + 3,8017; R² = 0,9374, (5)
GVЭ = –23,035x2 + 81,772x – 23,427; R² = 0,8454, (6)
GVЭ = –32,42x2 + 104,73x – 26,528; R² = 0,8246. (7)
Выполнены модельные исследования и предложено экспериментально-методическое обоснование, что полученные результаты данных расчетов соответствуют установленным в результате натурных исследований выводам и заключениям. Выявленные дефекты сооружений рисовых систем, установленные несвоевременно и/или оставленные без внимания, приводят к негативной трансформации элементов, которая снижает их работоспособность, вплоть до полного прекращения функционирования сооружения. Этим обусловлена актуальность поиска и реализации эффективных подходов к оценке фактического состояния сооружения и прогнозирования остающегося резерва его работоспособности, обеспечивающих оптимальность оперативного, тактического и стратегического планирования мероприятий повышения надежности, безопасности и долговечности сооружений рисовых систем.