К оптимальному выбору участков для бестраншейной реконструкции на примере самотёчных трубопроводов с использованием графо-аналитического метода

В.А. Харькин, генеральный директор ООО «Прогресс» (Москва), лауреат
Премии Правительства Российской Федерации, академик Академии жилищно-коммунального хозяйства, к.т.н.
В.А. Орлов, профессор МГСУ, академик Академии жилищно-коммунального хозяйства, к.т.н.
А.А. Отставнов, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой», почетный строитель Москвы, к.т.н.

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, связанные:
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).

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 пассажиропото- ков 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 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 факторов или элементов матрицы А (табл. 1) присваивается «0» (означает отсутствие доминирования) или «1» (означает доминирование одного фактора над другим).
  
  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:

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

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.

*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).

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].

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.