Геоэкологическая Безопасность и эксплуатационная надежность трубопроводов канализационной сети в условиях тропического климата

Краткое описание

Введение... 4

Глава I. Геоэкологические условия территории Бангладеш и основные закономерности работы наружной канализационной сети... 10

§ 1.1. Геоэкологические условия функционирования трубопроводов канализационной сети Бангладеш... 10

§ 1.2. Вероятностно-статистические закономерности работы наружной канализационной сети в эксплуатационных условиях... 17

§ 1.3. Показатели надежности канализационных трубопроводов и способы их получения... 26

§ 1.4. Состояние и перспективы решения вопросов восстановления канализационных трубопроводов... 34

Выводы по главе I, цель и задачи исследования... 39

Глава II. Исследование работы наружной канализационной сети г. Дакка в эксплуатационных условиях и ее влияние на геоэкологическую ситуацию... 42

§ 2.1. Обследование трубопроводов канализационной сети г. Дакка (на примере района Мухаммадпур) и анализ влияния ее повреждений на окружающую среду... 42

§ 2.2. Исследование показателей надежности канализационных трубопроводов района Мухаммадпур г. Дакка... 57

§ 2.3. Исследование влияния надежности канализационных трубопроводов на геоэкологическую ситуацию г. Дакка... 67

Выводы по главе II... 86

Глава III. Повышение геоэкологической безопасности и эксплуатационной надежности канализационных трубопроводов в условиях тропического климата... 87

§ 3.1. Разработка рекомендаций по диагностике канализационных трубопроводов... 87

§ 3.2. Методы восстановления работоспособности канализационных трубопроводов в условиях тропического климата... 97

§ 3.3. Разработка рекомендаций по планированию санации и выбора объектов восстановления канализационных трубопроводов в условиях тропического климата...104

§ 3.4. Разработка рекомендаций по предотвращению разгерметизации канализационных трубопроводов из-за воздействия внешних механических нагрузок ... 112

Выводы по главе III...117

Заключение... 119

Литература... 121

Приложения... 131
Введение

Введение.

Актуальность диссертационной работы: Территория Бангладеш расположена в пойменной части рек Ганга, Брахмапутры и Мегхны. Геоэкологические условия страны формируются на базе влажного тропического климата зоны экваториальных муссонов, постоянных высоких температур, мощной толщи песчано-глинистых отложений, высоких и катастрофических поводков. Плотность населения исключительно высокая и значительная часть населения проживает в городах. В этих условиях одной из важнейших проблем поддержания надлежащего санитарного состояния городов и обеспечения геоэкологической безопасности является создание условий для качественной эксплуатации наружных сетей канализации. Наиболее напряженная ситуация в этом аспекте складывается в столице Бангладеш г. Дакка.

В связи с тем, что климатические условия Бангладеш не требуют предохранения канализационной сети от воздействия пониженных температур в холодный период года, глубина заложения трубопроводов составляет 0,3 — 0,7 м от поверхности земли, иногда достигает 1,5 м в зависимости от рельефа.

Практика эксплуатации канализационной сети г. Дакка показывает, что на участках города, где проложены районные и межрайонные коллекторы из железобетонных труб, наблюдаются наиболее обширные затопления поверхности земли сточными водами. Особенно часто такие явления наблюдаются в межсезонье, когда интенсивные ливни затопляют трубопроводы через колодцы.

В настоящее время значительная часть городских сточных вод отводится по открытым каналам с земляным полотном. Сточные воды, стекая по канавам и оврагам, загрязняют водоемы и водотоки; при испарении в атмосферу происходит загрязнение воздушного бассейна; при фильтрации в

грунт — загрязнение почвы. Во время дождя загрязненные вещества из воздушного бассейна попадают в водные объекты и почву. Почва в силу своих природных свойств способна накапливать значительное количество загрязненных веществ, а также обладает возможностью передачи загрязнений в водные объекты. Это создает напряженную геоэкологическую обстановку в городе и не способствует обеспечению санитарно-гигиенической безопасности населения.

В этой связи разработка теоретических и практических основ геоэкологической безопасности и эксплуатационной надежности трубопроводов городской канализационной сети в условиях тропического климата является научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи по предотвращению загрязнения почвы, водных объектов и воздушного бассейна, происходящих из-за низкой эксплуатационной надежности канализационной сети и нарушения герметичности ее трубопроводов.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ геоэкологических условий в столице Бангладеш г. Дакка и влияния эксплуатационной надежности трубопроводов канализационной сети на загрязнение окружающей среды:

• анализ влияния сточных вод, истекающих из поврежденных трубопроводов канализационной сети на геоэкологическую ситуацию в г. Дакка;

• анализ вероятностно-статистических закономерностей и надежности работы канализационных трубопроводов;

• анализ основных причин нарушения герметичности трубопроводов канализационной сети;

• анализ состояния и перспектив решения вопросов восстановления канализационных трубопроводов.

2. Исследование работы трубопроводов канализационной сети г. Дакка в эксплуатационных условиях и ее влияние на геоэкологическую ситуацию:

• Обследование трубопроводов канализационной сети г. Дакка (на примере района Мухаммадпур) и анализ влияния ее повреждений на окружающую среду;

• исследование показателей надежности канализационных трубопроводов района Мухаммадпур г. Дакка;

• исследование влияния надежности канализационных трубопроводов на геоэкологическую ситуацию г. Дакка.

3. Разработка путей повышения геоэкологической безопасности и эксплуатационной надежности канализационных трубопроводов в условиях тропического климата:

• разработка рекомендаций по диагностике трубопроводов канализационной сети;

• разработка и обоснование рекомендаций по восстановлению работоспособности канализационной сети в условиях тропического климата;

• разработка рекомендации по предотвращению разгерметизации канализационных трубопроводов из-за воздействия внешних механических нагрузок.

Научная новизна диссертации определяется разработкой принципов и практических мер обеспечения геоэкологической безопасности и эксплуатационной надежности трубопроводов канализационной сети города на основе оценки и анализа показателей надежности, а также разработкой рекомендаций по повышению их геоэкологической безопасности и заключается в следующем:

• установлена закономерность загрязнения почвы, водных объектов и воз -

душного бассейна г. Дакка из-за низкой эксплуатационной надежности трубопроводов канализационной сети;

• предложен научно обоснованный механизм оценки геоэкологического ущерба современным городам (на примере г. Дакка) от сточных вод, истекающих из поврежденных канализационных трубопроводов;

• разработан и научно обоснован метод диагностики канализационных трубопроводов, заключающийся в прогнозировании раскрытия трещин в железобетонных трубопроводах, находящихся под автомобильными дорогами;

• разработана научно обоснованная методика по планированию санации и выбора объектов восстановления трубопроводов канализационной сети в условиях плотной городской застройки;

• разработана и научно обоснована методика оценки прочности защитного грунто-цементного массива над канализационными трубопроводами, расположенными под автомобильными дорогами в зависимости от процентного отношения цемента к грунту и продолжительности твердения.

Практическая ценность работы:

• результаты исследований экологического состояния почвы, водных объектов и воздушного бассейна создают предпосылки для разработки основных направлений повышения геоэкологической безопасности и эксплуатационной надежности городской канализационной сети;

• методика количественной оценки технического состояния трубопроводов канализационной сети г. Дакка позволяет разрабатывать наиболее оптимальные рекомендации по обеспечению требуемого уровня надежности трубопроводов канализационной сети для улучшения геоэкологической ситуации;

• предложенные методы диагностики канализационных трубопроводов позволяют принимать практические меры по обеспечению геоэкологической

безопасности и эксплуатационной надежности канализационных трубопроводов;

• разработанная методика по планированию санации и выбора объектов восстановления трубопроводов канализационной сети в условиях плотной городской застройки позволяет обеспечивать геоэкологическую безопасность и эксплуатационную надежность канализационных трубопроводов при минимальных эксплуатационных затратах;

• разработанная методика оценки прочности защитного грунто-цементного массива над канализационными трубопроводами позволяет обеспечить герметичности трубопроводов и повысить геоэкологическую безопасность и эксплуатационную надежность трубопроводов канализационной сети.

Достоверность работы: Достоверность полученных результатов и предложенных рекомендаций обеспечена сбором и обработкой обширных статистических данных, тщательностью проведения исследований и высокой сходимостью результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных.

Апробация работы и публикации: Основные положения диссертации докладывались автором на следующих научных конференциях:

• III международная научно-практическая конференция: «Водохозяйственный комплекс и экология гидросферы в регионах России», г. Пенза. 17 — 18 марта 2003 г.

• XXXVIII научная конференция аспирантов, преподавателей и молодых ученых: «Теория и практика инженерных исследований», г. Москва. 22 - 25 апреля 2003 г.

• XXXIX научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов: «Современные инженерные технологии», г. Москва. 26-30 апреля 2004 г.

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 4 работах общим объемом 1,2 п.л.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка используемой литературы включающего 108 наименований, изложена на 140 страницах, содержит 36 рисунков, 20 таблиц и 10 приложений.

В первой главе сделан анализ современного состояния геоэкологической обстановки в столице Бангладеш г. Дакка и функционирования трубопроводов канализационной сети в эксплуатационных условиях, а также выполнены теоретические исследования вероятностно-статистических методов для анализа и оценки показателей надежности.

Во второй главе выполнено исследование процессов загрязнения почвы, водных объектов и воздушного бассейна, обусловленных неудовлетворительным техническим состоянием трубопроводов канализационной сети, а также сделан анализ показателей их надежности.

Третья глава посвящена исследованию современных методов диагностики и восстановления трубопроводов в условиях тропического климата, разработке рекомендаций по обнаружению повреждений, их устранению и предотвращению разгерметизации трубопроводов, а также содержит разработку и применение современных информационных технологий для планирования восстановления трубопроводов канализационной сети в условиях плотной городской застройки.

В заключении представлены основные выводы и рекомендации, полученные в результате исследования.

Глава I. Геоэкологические условия территории Бангладеш и основные закономерности работы наружной канализационной сети.

§ 1.1. Геоэкологические условия функционирования трубопроводов канализационной сети Бангладеш.

Бангладеш расположена в сложных геоэкологических условиях. С одной стороны грунтовые толщи, в которых проложены канализационные сети, сложены фациально-изменчивыми четвертичными аллювиальными отложениями, представленными песчано-глинистыми разностями, которые отличаются низкой прочностью, сильно варьирующей водопроницаемостью. С другой стороны это низинная территория, которая подвержена сезонным подтоплениям вследствие выпадения обильных осадков, что способствует миграции канализационных стоков из поврежденных сетей далеко за пределы их нахождения.

Столица Бангладеш г. Дакка расположена на 24 градусе северной широты и 91 градусе восточной долготы и является одним из наиболее развитых городов страны. В 1997 году численность населения составляла 6 млн. человек и ежегодно увеличивается 2,17% [108]. Этому способствует возможность обеспечить приемлемые условия жизни в одном из важнейших городов страны, где относительно легче найти работу, что и приводит к самостоятельному обустройству людей. Стихийное строительство жилых домов ведется на относительно свободных городских территориях без учета существующей инфраструктуры.

Увеличение количества жителей привело к повышению общего потребления воды на хозяйственно-питьевые нужды и, соответственно, общего водоотведения, на которое канализационная сеть г. Дакка рассчитана

10

не была. Это привело к перегруженности сети, вследствие чего произошла разгерметизация (трещины, изломы и т. д.) канализационных трубопроводов.

В работе О.Г.Примина [68] отмечается, что канализационные трубопроводы в большей степени отвечают представлениями об экологической безопасности. Перемещение сточных вод по трубам осуществляется в герметически замкнутом пространстве, без контакта с окружающей средой. При разгерметизации трубопроводы оказывают негативное воздействие на окружающую природную среду, атмосферу, литосферу и т. д.

На литосферу воздействуют утечки промышленных и сточных вод, способствующих подтоплению территории и нарушению водообмена в ее пределах. Подтопление вызывает загрязнение грунтовых вод, усиливает коррозионные процессы в подземных конструкциях, вызывает деградацию почв и угнетение растительных комплексов [68].

В связи с тем, что климатические условия Бангладеш не требуют предохранения канализационной сети от воздействия пониженных температур в холодный период года, глубина заложения трубопроводов составляет 0,3 — 0,7 м от поверхности земли, иногда достигает 1,5 м в зависимости от рельефа. Канализационная сеть оборудована трубопроводами различного диаметра и из различных материалов (таблица 1.1.1).

Таблица 1.1.1. Виды канализационных труб

Материал труб Диаметры, мм

Чугун 100, 150,200,250

Керамика 150,200,250,300,350,400

Асбестоцемент 150,200,250,300,350,400

Железобетон 400, 500, 600, 700, 800

11

Практика эксплуатации канализационной сети г. Дакка показывает, что на участках города, где проложены районные и межрайонные коллекторы из железобетонных труб, наблюдаются наиболее обширные затопления поверхности земли сточными водами. Особенно часто такие явления наблюдаются в межсезонье, когда интенсивные ливни затопляют трубопроводы через колодцы. Это приводит к их переполнению и изливу загрязненных вод на поверхность. Сточные воды, стекая по канавам и оврагам, загрязняют водоемы и водотоки; при испарении в атмосферу происходит загрязнение воздушного бассейна; при фильтрации в грунт — загрязнение земельных угодий. Это создает напряженную геоэкологическую обстановку в городе и не способствует обеспечению санитарно-гигиенической безопасности населения.

По оценке ученых, более 80% болезней связаны с потреблением некачественной воды, в загрязнении которой утечки из сети водоотведения занимают первое место. Суммарный ущерб, наносимый здоровью человека и окружающей природной среде в РФ вследствие разгерметизации существующих трубопроводов, сопоставим с ущербом от всех других функционирующих экологически опасных источников [32, 68].

В период проектирования и строительства наружной сети механические нагрузки на поверхность грунта были незначительны: от тележек с ручным приводом (типа рикши) гужевого транспорта, небольшого количества легких автомобилей и грузовых транспортов грузоподъемностью до 5 т. С развитием города увеличивались и транспортные нагрузки, которые привели к местному разрушению трубопроводов, проходящих под дорогами и проездами. Кроме того, самостоятельное жилищное обустройство путем стихийной застройки, иногда прямо на трасе, с неизбежностью обусловило появление автодорог вблизи возникших жилищ, что привело к повышенным механическим нагрузкам на канализационные трубопроводы, вследствие чего в них образовались трещины и изломы.

12

Трещины являются прежде всего теми путями, по которым может проникать влага, вызывающая коррозию арматуры. При этом коррозия арматуры обусловливает уменьшение рабочей площади стержней. Еще более опасным является сопровождающее процесс коррозии арматуры увеличение ее объема. В зоне усиленного образования коррозии она расширяет трещины, разрывает защитный слой бетона в новых областях и этим усиливает начавшиеся разрушительные процессы. Эти факторы могут оказать существенное влияние на долговечность конструкций, что может привести к преждевременному выходу их из строя [6, 17, 18, 55, 56, 90, 94, 98, 104]. Это особенно важно для железобетонных трубопроводов транспортирующих сточные воды, характеризуемые повышенной агрессивностью по отношению к арматуре и бетону [31].

Опыт эксплуатации железобетонных конструкций показывает, что при ограниченной ширине раскрытия (до 0,3 мм) трещины не опасны и не вызывают снижения долговечности конструкций [15, 94, 103]. Однако ширина трещин может увеличиваться с течением времени. Особенно, когда речь идет о многократно повторяющихся нагрузках. Исследованиями советских и зарубежных специалистов установлено, что при таких нагрузках происходит местные нарушения сцепления арматуры с бетоном, в результате чего раскрытие трещин увеличивается [51, 57]. Специально поставленные опыты показали, что при ширине трещин 0,3 мм коррозия арматуры начиналась уже через полгода [7, 103].

Опасность появляется тогда, когда трещины неуправляемы, появляются стихийно, что приводит к нерасчетному перераспределению усилий в сечении, непредвиденной перегрузке арматуры и сжатого бетона за счет выхода из работы бетона с трещиной. Если такая возможность образования трещин не предусмотрена расчетом или создается иллюзия чрезмерной способности бетона нести растягивающие усилия, то неизбежно со временем произойдет неуправляемая, невыгодная для конструкции перегруппировка

13

внутренних усилий, структура бетона будет нарушена, надежность и долговечность конструкции снижется [8, 30, 49, 51].

Канализационные трубопроводы во многих районах г. Дакка имеют существенные повреждения, вызванные различными причинами, что привело во многих местах к образованию болотистых участков в черте города. Незначительные в начальной стадии трещины и изломы стали зарастать корнями различных растений, интенсивность распространения которых исключительно велика не только из-за высокопитательной среды канализационных стоков, но и благоприятных для этого условий тропического климата.

Важно отметить, что механически разрушенные участки канализационной сети (провалы, колесные колеи и др.), как правило, засыпаются населением различным мусором: бытовым, строительным, наносным (в сезон обильных дождей). Засыпание канав мусором производится не только (и не столько) из-за отсутствия системы мусороудаления, сколько с целью засыпать образующуюся заболотистость сточными водами, которые все время прибывают. Болота со временем зарастают, укрепляются и распространяется зловоние. В результате действия комплекса факторов произошли засорения больших участков трубопроводов наружной канализационной сети г. Дакка, что обусловило выход из строя почти всей системы.

В настоящее время значительная часть городских сточных вод отводится по открытым каналам с земляным полотном (рис. 1.1.1), вода из которых постепенно фильтруется в грунт. В дневное время суток испарения с поверхности сточной жидкости загрязняют воздушное пространство в городе, способствуя формированию весьма напряженной санитарно-эпидемиологической обстановки в городе.

В сухой сезон болотца частично высыхают, в периоды межсезонных ливней потоки воды смывают отложения с поверхности земли по улицам в

14

водоемы и в реку, в сезон дождей болотца постепенно приобретают некоторое равновесное состояние, зеркала поверхности (рис. 1.1.2).

Рис. 1.1.1. Отведение сточных вод по канавам антропогенного образования.

-г, шири

-Г" j ttiiiniiffV' Я 1

т В' :-К «л. i

1 вм?2ё^^Л|

¦1

• ;«*

'¦е?г. •*

Щ ' ¦ i ***^ -1 ¦ ¦¦

¦ • •

Рис. 1.1.2. Заболоченность стоками канализации и атмосферными осадками в

сезон дождей.

15

Эксплуатационные мероприятия по поддержанию в надлежащем техническом состоянии канализационной системы выполняются в Бангладеш исключительно не регулярно. Например, долго не ремонтируемый разбитый люк колодца вскоре засыпается различным мусором от бытового до строительного. Устранение повреждений аварийного характера производится со значительным сдвигом во времени, при этом качество выполненных работ совсем не исключает повторение в этом же месте аналогичной аварии (рис. 1.1.3).

Рис. 1.1.3. Сплошное разрушение канализационного коллектора с последующим завалом мусором.

Недостатком эксплуатируемой канализационной системы г. Дакка является ее малая управляемость и низкий уровень ее надежности,

16

вследствие чего систематически происходят выбросы загрязнений на поверхность.

Кроме того, важнейшим недостатком в эксплуатации канализационной сети г. Дакка является низкие подготовка и исполнительная дисциплина персонала, ответственного за устранение аварий и повреждений.

Подавляющее большинство трубопроводов канализационной сети г. Дакка имеют на сегодняшний день значительный износ, так как были построены и введены в эксплуатацию десятки лет назад, без учета требований надежности. Это позволяет утверждать, что трубопроводы канализационной сети являются потенциальными источниками геоэкологической опасности, содержащими значимые факторы экологического риска, поскольку их явные отказы оказывают резко негативное воздействие на основные компоненты окружающей среды.

Теория надежности и вероятностные модели были и остаются главным инструментом оценки и анализа экологической безопасности канализационной системы [3, 5, 19, 27, 29, 58, 68, 76, 81]. Показатели надежности трубопроводов канализационной сети города опираются на современный аппарат теории вероятности и математической статистики [3, 11, 21, 22, 37, 39, 45, 61, 67, 68], которые в настоящее время в Бангладеш недостаточно изучены, что сдерживает разработку и реализацию мероприятий по оздоровлению геоэкологической обстановки.

§ 1.2. Вероятностно-статистические закономерности работы наружной канализационной сети в эксплуатационных условиях.

Система наружной канализационной сети представляет собой комплекс элементов, включающий разветвленную сеть подземных трубопроводов и коллекторов, оборудованных колодцами и другими сооружениями и

17

Список литературы