Эксплуатационная надежность судоходного канала

Соколов В. Т., капитан 2-го ранга, профессор Института последипломного образования специалистов морречфлота Украины, почетный работник морречфлота Украины

 

Эксплуатационная надежность судоходного канала

The article deals with the questions of seaway canal operational reliability as a hydraulic structure served with assigned probability to ensure accident-free traffic of design vessels. The paper considers the bottom “stiffening” effect and vessel traffic intensity in the canal on probability increase of accident. The table of probabilistic variables which is reliability performance measure of any navigable canal with known traffic intensity and soil type in the shipping route is offered for practical use.
The article is addressed to the water transport workers who engineer and operate the shipping canals.

 

 

Главным показателем работы любой системы является ее надежность. В системе перевозок водным транспортом одним из основных критериев надежности является навигационная безопасность. Публикуемый материал — авторская методика для практического использования, как проектировщиками, так и эксплуатационниками, при оценке уровня навигационной безопасности (опасности) судоходного канала как гидротехнического сооружения.

В основу данной работы положена методика учета и устранения влияния «жесткости» грунта судоходной прорези на вероятность безопасного прохода судов по каналу и интенсивности движения судов в данном канале. В первом случае это явление неоднозначности влияния грунта судоходной прорези на последствия его соприкосновения с корпусом судна при выходе плавобъекта из расчетной (заданной) полосы движения. К примеру, при илистом грунте нарушение условий плавания приводит фактически только к взмучиванию водной среды, а вот скальный грунт приводит к тяжелым последствиям: повреждению винто-рулевой группы или корпуса судна. Во втором — различная интенсивность движения судов в канале, которая ставит эти каналы в неравные положения относительно ожидаемого количества аварийных происшествий. Даже на обывательском уровне известно, что чем интенсивнее движение, тем больше аварийных происшествий. К сожалению, этим явлениям не уделено должного внимания в руководящем нормативном документе, каким является РД 31.31.47-88 (нормы проектирования морских каналов ). Практики-эксплуатационники с этими явлениями сталкиваются постоянно и, не имея соответствующих критериев безопасности, увеличивают пропускную способность каналов интуитивно, на свой страх и риск. Руководящие инстанции рассматривают количество аварийных происшествий как факт, не связывая происходящее с интенсивностью судопотока.

Вышеназванные явления в излагаемом материале рассматриваются с позиций вероятности, поскольку в основе РД 31.31.47-88 заложена вероятностная модель.

Судоходный канал, как всякое гидротехническое сооружение, характеризуется показателем эксплуатационной надежности. Этот показатель находится в прямой зависимости от габаритов судоходной прорези и интенсивности ее эксплуатации.

Если габариты судоходной прорези, рассчитанные по Нормам проектирования морских каналов (РД 31.31.47-88), имеют вероятность безопасности прохода одного расчетного судна, Р(В₁) = 0,98 [1], то с увеличением числа проходов судов вероятность аварийного происшествия на канале увеличивается. Показатель безаварийности падает, эксплуатационная надежность канала уменьшается. Показатель величины этой надежности определяется по формуле [2, 3]

P(АП₁) = 1 – [ Р(В₁)^N ] (1)

Р(ЭН) = Р(В₁)^N = 0,98^N

где Р(АП₁) = 0,02 — нормативная вероятность аварийного происшествия при разовом проходе расчетного судна; Р(В₁) = 1 – (А₁) = 1 – 0,02 = 0,98; N — количество проходов расчетных судов; Р(ЭН) — вероятностная величина эксплуатационной надежности канала.

Для наглядности по формулам, подставив соответствующие величины, рассчитаем таблицу 1:

Р(АП) = 1 – [1 – 0,02]^N (2)

или

Р(АП) = 1 – Р(ЭН)^N = 1 – 0,98^N (3)

 

Табл. 1

N	1	4	8	12	16	24	30	40	50	80	200
Р(ЭН)	0.98	0,92	0,85	0,78	0,72	0,62	0,54	0,45	0,36	0,20	0,018
Р(АП)	0,02	0,08	0,15	0,22	0,28	0,38	0,46	0,55	0,64	0,80	0,982

 

Данную модель расчетов можно уточнить, если ввести показатели грунтовой ситуации на судоходной прорези. В таблице 2 приводятся уточненные коэффициенты (f_гр) трения корпуса судна о грунт.

 

Табл. 2

Вид грунта	Коэф-т трения, f гр.	Показатель навиг. безопасности, n	P(ЭНгр)	Р(АПгр)
1	2	3	4	5
Скала	0,80	1,0	0,980	0,020
Гравий, булыжник, каменная плита	0,50	1,6	0,988	0,012
Песок	0,40	2,0	0,990	0,010
Глина с песком	0,35	2,3	0,991	0,009
Ил	0,30	2,7	0,992	0,008
Жидкий ил	0,15	5,3	0,996	0,004

 

Для определения величин эксплуатационной надежности канала, соответствующих определенным видам грунта судоходной прорези, построим шкалу пропорционального соответствия коэффициентов трения f_гр величинам вероятностей аварийного происшествия при единичном проходе расчетного судна каналом, Р(А_гр), рис 1. Началом этой шкалы будет нормативная вероятность аварийного происшествия Р(А₁) = 0,02, совмещенная с f = 0,80 — коэффициентом скального грунта. Окончание шкалы соответствует коэффициенту жидкого грунта, величина которого f → 0; при этом вероятность аварийного происшествия также бесконечно мала, Р(АП) . С построенной шкалы снимаем промежуточные величины Р(АП_гр) и Р(ЭН_гр), соответствующие коэффициентам трения различных видов грунтов. Данные величины размещаем в таблице 2.

 

 

Рис. 1. Шкала взаимозависимых величии Р(В₁) и Р(А₁)

 

Графические построения можно заменить расчетными формулами вида

Р  (4)

Р(ЭН_гр) =1 – 0,025 f_гр (5)

Например, эксплуатационная надежность канала с судоходной прорезью в песке, у которого f_гр = 0,40, определяется по формуле (4)

Р(ЭН_гр) = 1 – , (см. таблицу 2, столб. 4),

или упрощенной, по формуле (5)

Р(ЭН_гр) = 1 – (0,025 ∙ 0,40) = 0,990.

Получив с помощью коэффициента f_гр различные величины эксплуатационной надежности судоходных каналов, мы можем определять и сравнивать навигационные показатели безопасности плавания судов по каналам с различными видами грунтов

n (6)

или

n = = (7)

Эти показатели отражены в таблице 2, столб. 3.

В таблице 1 были представлены Р(ЭН) и Р(АП) для скального грунта:

• Р(ЭН) = Р(В₁) — вероятность единичного безаварийного прохода расчетным судном канала;
• Р(АП) = Р(А₁) — вероятность одного аварийного происшествия при единичном проходе этим судном канала.

На основании вышеизложенного мы можем составить таблицу 3, где отражены Р(ЭН) и Р(АП) для любого грунта и любой интенсивности движения расчетных судов.

 

Табл. 3. Величины эксплуатационной надежности каналов Р(ЭН) и вероятностей аварийных происшествий Р(А)

Вид грунта	Расчет форм.	Интенсивность движения судов
		1	4	8	12	16	24	30	40	50	60	80	90	100	200
Скала fгр = 0,8	Р(ЭН)	0,98	0,92	0,85	0,78	0,72	0,62	0,54	0,45	0,36	0.30	0,20	0,16	0,13	0,02
	Р(АП)	0,02	0,08	0,15	0,22	0,28	0,38	0,46	0,55	0,64	0,70	0,80	0,84	0,87	0,98
Гр. булыж. плита f = 0,50	Р(ЭН)	0,988	0,95	0,91	0,86	0,82	0,75	0,70	0,62	0,55	0,48	0,38	0,34	0,30	0,09
	Р(АП)	0,012	0,05	0,09	0,14	0,18	0,25	0,30	0,38	0,45	0,52	0,62	0,66	0,70	0,91
Песок f = 0,40	Р(ЭН)	0,990	0,96	0,92	0,89	0,85	0,79	0,74	0,67	0,60	0,55	0,45	0,40	0,37	0,13
	Р(АП)	0,010	0,04	0,08	0,11	0,15	0,21	0,26	0,33	0,40	0,45	0,55	0,60	0,63	0,87
Глина с песком f = 0,35	Р(ЭН)	0,991	0,96	0,93	0,90	0,86	0,80	0,76	0,70	0,64	0,58	0,48	0,44	0,40	0,16
	Р(АП)	0,009	0,04	0,07	0,10	0,14	0,20	0,24	0,30	0,36	0,42	0,52	0,56	0,60	0,84
Ил f = 0,30	Р(ЭН)	0,992	0,97	0,94	0,91	0,88	0,82	0,79	0,72	0,67	0,62	0,53	0,48	0,45	0,20
	Р(АП)	0,008	0,03	0,06	0,09	0,12	0,13	0,21	0,28	0,37	0,38	0,47	0,52	0,55	0,80
Жидкий ил f = 0,15	Р(ЭН)	0,996	0,98	0,97	0,95	0,94	0,91	0,89	0,85	0,82	0,79	0,73	0,70	0,67	0,45
	Р(АП)	0,004	0,02	0,03	0,05	0,06	0,09	0,11	0,15	0,18	0,21	0,27	0,30	0,33	0,55

 

Как видно из таблицы 3, эксплуатационная надежность канала как гидротехнического сооружения имеет различные величины, уменьшающиеся с увеличением интенсивности движения судов. Поскольку главным показателем судоходного канала является его эксплуатация без аварий, а надежность — свойство сохранять свои эксплуатационные показатели, то появляется практическая необходимость приводить показанное в таблице 3 разнообразие вероятностных величин к нормативной вероятностной величине, равной Р(ЭН) = 0,98.

Новую ширину канала, соответствующую нормативной, определим по формуле [1, 3]

 ( 8 )

где (b_m(0,98) = b_n – B_c ) — нормативная маневровая полоса судна, м; b_n — нормативная существующая навигационная ширина канала, м; В_с — ширина расчетного судна, м.

Пример. Грунт канальной прорези — песок, f_гр = 0,40; В_с = 20 м; b_n = 100 м; N = 50 ед.  = 0,60. Определить необходимую навигационную ширину канала.

Решение: b_m(0,98) = 100 м – 20 м = 80 м;  =

b_n = b_m+ B_c = 145 м + 20 м = 165 м.

Обобщая изложенный в статье материал, необходимо подчеркнуть, что при наличии усиливающегося сегодня экономического прессинга на безопасность судоходства необходимо особенно четко соблюдать критерии, обеспечивающие безопасное движение судов и обозначенные проектировщиками. Понятие «эксплуатационная надежность судоходного канала» только тогда будет соответствовать условиям безопасности, когда движение судна будет происходить строго в заданной вероятностной полосе, ширина которой учитывает и «жесткость» откосов, и интенсивность судопотока (см. таблицу 3). Когда габариты судоходной прорези будут приведены к вероятностной величине безопасности, заложенной в нормативном документе (сегодня это Р = 98%), тогда и навигационная аварийность, по нашему мнению, уменьшится.

 

 

Литература

1. Журавицкий Г. Д., Соколов В. Т., Краснова М. А. Вероятностные методы в задачах проектирования и эксплуатации морских каналов. М.:1998. 191 с. Деп. в В/О Мортехинформреклама, 01.07.88, № 881 — МФ.

2. Венцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 976 с.

3. Соколов В. Т. Акватории порта и навигационная безопасность плавания судов. Одесса: Астропринт, 2006. 160 с.