ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ И АВТОМАТИЗАЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОПРОВОДЯЩИХ КАНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Волосухин Я.В., генеральный директор ИКЦ «Безопасность гидротехнических сооружений», Новочеркасск;

Бандурин М.А., канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник Института безопасности гидротехнических сооружений, Новочеркасск

Общей целью проведения эксплуатационного мониторинга технического состояния водопроводящих каналов являются выявление ухудшения степени физического износа, причин, обуславливающих их состояние, фактической работоспособности элементов и разработка мероприятий по обеспечению их различных эксплуатационных параметров, а также описание технического состояния.

Преобладающими аварийными дефектами являются полное разрушение отдельных элементов водопроводящих каналов, образование дефектов, нарушающих нормальную работу конструкции данного сооружения; нарушение стыковых соединений, а также разрушение зон опирания [1].

В процессе визуального осмотра, прежде всего, следует обращать внимание на внешние признаки элементов водопроводящих каналов, вызывающих наибольшее опасения. На данном этапе обследования имеется возможность классифицировать степень разрушения по внешним признакам элемента сооружения (например, полное разрушение элемента). Для определения фактического состояния сооружения (размеры дефектов, степень потери несущей способности вследствие циклов замораживания и оттаивания).

На долговечность железобетонных элементов водопроводящих каналов существенное влияние оказывают величина защитного слоя бетона и наличие на нём дефектов – раковин, пор, трещин и т.д. Защитный слой предохраняет арматуру от доступа влаги, кислорода, агрессивных веществ и газов. Арматурные стержни, имеющие небольшой защитный слой или значительные дефекты в нём, подвергаются коррозии в первую очередь [2].

С целью установления фактической прочности бетона железобетонных облицовок, они были обследованы методом ударного импульса электронным измерителем прочности бетона. Места измерений были привязаны к георадарным обследованиям для определения прочности бетона в характерных точках профилей.

Обработка результатов зондирования железобетонных облицовок представлена рисунками. Так на рисунках 1 и 2 показан фрагмент георадарного зондирования по оси канала включающий в себя 7 железобетонных облицовок, где произведено обследование участка канала на характерные дефекты и повреждения в результате эксплуатации. На рисунке 1 видны образования раковин и отслоений бетона на 4, 5 и 7 плитах, а также образование трещин на стыке между 4 и 5 плитами.

Рисунок 1 - Профиль №1 по оси водопроводящего канала включающий в себя 7 железобетонных облицовок

На рисунке 2 произведено выделение разуплотнении грунта под железобетонной облицовкой №5 и 7, а также проседание основания на стыке между №4 и 5 плитами. Плиты №1, 2, 3 и 6 находятся удовлетворительном состоянии и могут эксплуатироваться в дальнейшем.

Рисунок 2 - Профиль №1 по оси канала включающий в себя 7 железобетонных облицовок с выделенными пустотами

На рисунке 3 представлен профиль №2 по оси канала включающий в себя 5 железобетонных облицовок и произведено выделение арматуры, где №2 и 4 плита находятся в удовлетворительном состоянии, отчетливо просматривается арматурная сетка нет раковин и трещин в бетоне окружающим её. Плита №3 находиться в неудовлетворительном состоянии, произошло разрушение, и разуплотнение защитного слоя бетона образуются раковины и коррозия бетона в местах соприкосновения плиты с основанием.

Рисунок 3 - Профиль №2 по оси канала включающий в себя 5 железобетонных облицовок с выделенной арматурой

Для получения полных данных было произведено георадарное зондирование по ширине канала, а именно его стенок как наиболее подверженных разрушению вследствие соприкосновения с водой. На рисунке 4 представлен профиль №3 по ширине канала включающий в себя 4 железобетонные облицовки. Отчётливо видно смешение слоёв диэлектрической проницаемости зондируемой среды по середине профиля, где происходить разрушение защитного слоя бетона как снаружи, так и с места опирания плиты на основании вследствие проникновения воды, а также коррозия арматуры.

Рисунок 4 - Профиль №3 по ширине канала включающий в себя 4 железобетонные облицовки

На рисунке 5 представлен профиль №4 по ширине канала включающий в себя 5 железобетонные облицовки с выделением арматуры. Плиты №3 и 4 находящиеся в соприкосновении с водой вышли из строя, и требуют немедленной замены. Видны отражения от арматуры, которая смещена и также нарушена арматурная сетка.

Рисунок 5 - Профиль №4 по ширине канала включающий в себя 5 железобетонные облицовки

Далее на рисунке 6 представлен профиль 5, который проходит по оси канала в месте соприкосновения с водой. Произведено выделение образовавшихся пустот и нарушений стыковых соединений между плитами. Видно, что на стыке между №3 и 4 плитами образовались раковины и происходит коррозия бетона, а плита №6 имеет продольную трещину вследствие просадки основания под ней. Также происходит оголение арматурной сетки и её коррозия.

Рисунок 6 – Профиль №5 по оси канала включающий в себя 7 железобетонных облицовок с выделенными пустотами

Оценка технического состояния железобетонных облицовок оросительных систем произведенная неразрушающими методами, показала, что можно выявлять характерные дефекты и повреждения не видные при визуальном осмотре элементов сооружения. Так на примере профиля №4 выявлены плиты находящиеся в неудовлетворительном состоянии - №2 и 3 требуемые немедленной замены, а №1 и 4 находятся в нормальном эксплуатационном состоянии.

Вовремя выявленные дефекты и повреждения способствуют нормальному эксплуатационному процессу сооружения в дальнейшем.

Водостойкость бетона характеризует его способность сопротивляться физико-химическому воздействию воды и зависит от растворимости гидратированных соединений, образующихся при твердении цементного камня. Понятие водостойкости неразрывно связано с водонепроницаемостью материалов и химическим составом омываемых вод.

Характерные загрязняющие вещества в пробах природных вод: медьсодержащие – 2–12 ПДК, фенолы – 1–2,4 ПДК, органические соединения по БПК₅ – 1,2–1,7 ПДК, сульфаты – 2–3 ПДК. Отмечается варьирование концентраций загрязняющих веществ в пределах значений ИЗВ, в основном 3-го класса качества воды, «умеренно загрязнённая». Практически от истока до устья рек качество воды не соответствует установленным нормативам для водных объектов сельскохозяйственного назначения главным образом по таким показателям, как БПК₅ , железо общее, медь и нефтепродукты [3].

Бикарбонат накапливается вследствие выщелачивания из природных минералов: известняка, доломита, кальцита, мрамора и т.д. Переходу карбонатов в растворенное состояние способствует углекислый газ. Однако количество HCO₃ в воде недостаточно для равновесной концентрации с СО₂, поэтому углекислота (свободная) реагирует с компонентами цементного камня с образованием новых СаСО₃ и эта углекислота агрессивна по отношению к стальной арматуре. Наличие хлоридов замедляет процесс связывания сульфат-ионов новообразованиями цементного камня [4].

Выщелачивание для железобетонной облицовки водопроводящих сооружений в большей мере опасно с точки зрения ослабления связи в контактной зоне между цементным камнем и зернами заполнителя. Это может привести к интенсивности процесса коррозии бетона от истирания наносами, переменного замораживания и оттаивания, механического воздействия водного потока и т.д., а уже потом потери несущей способности от снижения прочности бетона.

Благоприятное влияние на снижение интенсивности процесса выщелачивания и коррозии бетона железобетонных элементов водопроводящих сооружений следующие факторы:

- высокая плотность бетона облицовки водопроводящих каналов с высокой водонепроницаемостью;

- использование в водостойких портландцементов при изготовлении железобетонных элементов водопроводящих каналов позволило получить при гидратации цемента соединения менее растворимые в воде и снизить равновесную концентрацию извести в цементном камне;

- периодическое (сезонное) заполнение оросительных систем водой в теплое время года и взаимодействие углекислоты воздуха с гидроксидом кальция цементного камня (процесс карбонизации бетона) способствовало образованию более устойчивого, менее химически активного и менее растворимого, чем гидроксид кальция (Са (ОН)₂) соединения – углекислого кальция (Са СО₃). К тому же при переходе Са (ОН)₂ в Са СО₃ уплотняется поверхностный слой бетона за счёт увеличения объёма на 11 %;

- содержащиеся в воде большие количества мельчайших взвешенных и коллоидных частиц, в том числе и органических, постепенно проникают с водой в глубь бетона, откладываются там, кольматируют поры и уплотняют структуру бетона.

Железобетонные водопроводящие сооружения более всего страдают от выщелачивания. Относительно высокий коэффициент фильтрации, высокая пористость и давление потока определили фильтрацию воды через бетон. Характерным для них является то, что фильтрационный поток может быть при наполнении оросительной системы водой и при отсутствии воды в ней, а так же наблюдается поднятие уровня ГВ в результате подпития атмосферными осадками.

Для расчёта времени безопасного выщелачивания извести при фильтрации воды через бетон облицовки проведены исследования условий фильтрации, определены толщина конструкции и коэффициент фильтрации бетона облицовки.

Допустимый процент выщелачивания извести принимаем равным 25 %, тогда как для большинства гидротехнических сооружений находящихся в напряженно-деформативном состоянии и прочность является основным параметром несущей способности, процент выщелачивания извести принимают 10 % [4].

; (1)

где К – допустимый процент выщелачивания извести (К = 0,2);

Ц – содержание цемента, г/см³ (принимаем Ц = 0,3);

– содержание СаО в цементе (принимаем = 0,63).

Допустимое количество извести, которое может быть растворено и вынесено из бетона в расчете на единицу объема (1 см³), равно:

q_изв = 0,2·0,3·0,63 = 0,0378 г/см³ (2)

В силу относительно невысокой средней плотности бетона дна канала (ρ_о = 2083 кг/м³) и предположительно более высокого для тяжелого бетона коэффициента фильтрации выщелачивание идёт постепенно при неполном насыщении фильтрующейся воды гидроксидом кальция. Средняя концентрация извести в фильтрационной воде С_изв, составила С_изв = 0,93…1,06 г/л, или 0,00093…0,00106 г/см³. В этих условиях не достигается концентрация насыщенного раствора (С_изв = 1,2 г/л, или 0,0012 г/см³). Это говорит о том, что уже некоторое количество СаО растворено и вынесено, интенсивность процесса выщелачивания снижается. Средняя концентрация гидроксида кальция в оросительной воде около 0,08 г/л, или 0,00008 г/см³ и это тоже в определенной степени снижает процесс растворения и выноса извести. Для расчёта принимаем С_изв в среднем за оросительный период равным 0,9 г/л, или 0,0009 г/см³.

Определен коэффициент фильтрации бетона монолитных облицовок водопроводящих каналов. По опытным данным получено среднее значение коэффициента фильтрации К_ф = 5 · 10 ^{- 9} см/с.

Количество воды фильтрующей в единицу времени через единицу объёма бетона (объемная скорость воды) V_об, см³/(см³·с) определяем как:

V_об = К_ф · ∆Н, (3)

где, ∆Н = Н / L – градиент напора; Н – напор; L – толщина облицовки.

∆Н =1 / 0,12 = 8,33.

Тогда V_об = 5 · 10 ^-9 · 8,33 = 4,1 · 10 ^-8 см³/(см³·с).

Продолжительность фильтрации воды равная безопасному сроку службы сооружения начиная с момента обследования сооружения

, (4)

Водостойкость бетона также оценивается снижением прочности при водонасыщении. При этом водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения, выражающим отношение прочности водонасыщенного бетона к прочности сухого. Данные исследования не проводились, так как снижение прочности бетона несущественно и не повлияет на несущую способность конструкции канала.

В результате испытаний была получена эмпирическая зависимость динамики разрушения железобетона водопроводящих каналов от количества циклов замораживания и оттаивания.

Полученная эмпирическая зависимость позволяет рассчитать поведение дефектов и повреждений водопроводящих сооружений под дальнейшим воздействием циклического замораживания и оттаивания.

Р=-аЦ²+вЦ-с; (5)

где – потери несущей способности, %;

– циклы замораживания и оттаивания;

= 0,026; с= 0,437; = 0,146; = 0,97.

Проведено моделирование элементов длительно эксплуатируемого водопроводящего канала на предмет образования и развития дефектов за время эксплуатации (рисунок 7).

На основании полученных данных сделан обобщенный анализ результатов исследований состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений на фильтрационные процессы, циклическое замораживание и оттаивание. На основании зависимостей циклов замораживания и оттаивания от потери прочностных характеристик и фильтрации воды строилось математическое обеспечение программного комплекса.

Программный комплекс моделирования технического состояния водопроводящих сооружений предназначен для расчёта прогнозируемого срока их службы. С его помощью можно произвести прогнозирование суммарного количества циклов замораживания и оттаивания как прошедших за период эксплуатации, так и оставшихся до потери несущей способности железобетона. В среде комплекса предусмотрена возможность выполнить расчёт объёмов разрушений бетона.

Рисунок 7 – Моделирование технического состояния железобетонной облицовки водопроводящего канала

В качестве исходных данных для создания программного комплекса моделирования использованы результаты проведенных визуальных наблюдений и натурных исследований.

Рисунок 8 – Моделирование просадки железобетонной облицовки водопроводящего канала вследствие образования разуплотнения подстилающего грунта из-за фильтрации воды

Рисунок 9 – Моделирование просадки и потери устойчивости железобетонной облицовки водопроводящего канала вследствие образования пустот из-за фильтрации воды

Рисунок 10 – Моделирование сползания железобетонной облицовки водопроводящего канала вследствие образования пустот из-за фильтрации воды

К ним относятся:

– результаты визуального осмотра элементов водопроводящих сооружений с выявлением характерных повреждений;

– геометрические параметры повреждения, полученные с помощью приборов неразрушающего контроля, а именно диаметр зоны повреждения, глубина зоны повреждения;

– данные R_сж бетона, полученные по показаниям электронного измерителя прочности бетона.

Для проведения необходимых расчётов моделирования программный комплекс имеет в наличии информационно-справочные данные по элементам водопроводящих сооружений находящихся в эксплуатации [5].

Программный комплекс разработан с использованием системы управления базами данных (СУБД) Microsoft Access, проект Microsoft Access включающий следующие объекты: таблицы, формы, запросы, макросы и модули [6].

Использование данного программного продукта позволяет для каждого обнаруженного повреждения водопроводящего сооружения произвести оценку и прогнозирование суммарного напряженно-деформированного состояния.

Литература

1. Волосухин В.А., Бандурин М.А. Расчёт и эксплуатационный мониторинг лотковых каналов оросительных систем / Ростов н/Д, 2007. С. 78-148.

2. Федоров, В.М. Водопроводящие сооружения оросительных систем [Текст]: Монография / Новочерк. гос. мелиор. акад. – Новочеркасск: ООО НПО «ТЕМП», 2004. С.137-150.

3. Волосухин В.А., Фролов Д.И. и др. Сборник нормативно-методических документов, применяемых при декларировании безопасности гидротехнических сооружений. В 10 т. / Под общ. ред. В.А. Волосухина / Академия безопасности ГТС – Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2011. Том 1. С. 385 – 397.

4. Созаев, А.А. Подход к оценке уровня надежности облицованных каналов. // Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия: тез. Всерос. конф. / КубГАУ. – Краснодар, 2008. – С. 134-136.

5. Киммел, П. Освой самостоятельно программирование для Microsoft Access 2002 за 24 часа [Текст]: Пер. с англ. - М.; Вильяме, 2003. - С.74.: ил. – (Парал. тит. англ.)

6. Гандерлой, М. Автоматизация Microsoft Access с помощью VBA Automating Microsoft Access with VBA [Текст] / М. Гандерлой, С. Харкинз – М.: Вильямс, 2006. - С.248-285.

РЕФЕРАТ

Приводятся результаты эксплуатационного мониторинга длительно эксплуатируемых водопроводящих каналов неразрушающими методами контроля. Особенно отмечается возможность применения приборов неразрушающего контроля при обследовании гидротехнических сооружений, на примере водопроводящих каналов, что позволяет оперативно, без дополнительных повреждений, получать объективную оценку их технического состояния. При использовании данного подхода появляется возможность обоснование параметров дефектов и повреждений, которые невозможно установить при визуальном осмотре. Также представлен программный комплекс для моделирования технического состояния водопроводящих каналов для расчёта прогнозируемого срока их службы.