Крепление откосов грунтовых водоподпорных сооружений каменной наброской ленточного типа

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРЕПЛЕНИЕ ОТКОСОВ ГРУНТОВЫХ ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ КАМЕННОЙ НАБРОСКОЙ ЛЕНТОЧНОГО ТИПА

В.М. ЛАРЬКОВ, В.В. ЛАРЬКОВ

Аннотация

В статье дано конструктивное, расчетно-методическое и технико-экономическое обоснование крепления откосов грунтовых водоподпорных сооружений, подверженных воздействию водного потока. Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований предложенной конструкции. На примере реального объекта - строительства инженерной защиты польдерной системы в пойме р. Горынь - показана возможность эффективного практического использования объемно-пространственных конструкций для создания гидротехнических сооружений. Представленные в данной статье материалы являются продолжением работы [11].

The article presents constructive, calculating-methodical and technical-economic basing of strengthening slopes of ground water-support constructions, subject to the force of flowing water. We have presented results of experimental-theoretical research into suggested construction. On the example of a real object - engineering protection of polder system in the flood-lands of the river Goryn - we have shown possibility of efficient practical use of three-dimensional constructions for creating hydro-technical objects. The data presented in the article are a continuation of the work [11].

Введение

Акватория водного объекта, прилегающая к откосам плотин и дамб, к склонам речной долины, в которой формируется поток со значительными транзитными расходами и скоростями, относится к русловому типу со всеми характерными русловыми процессами.

На этих участках продольные волновые и транзитные течения являются основными факторами, влияющими на интенсивность деформации и формирования профиля откоса сооружения и русла водотока.

Процессы водной абразии откосов и переформирования береговой линии до полной ее стабилизации могут происходить в течение продолжительного периода и нередко приводят к деформации тела сооружения, созданию техногенной обстановки на водном объекте и прилегающей территории.

Цель исследований - предложить конструктивное и методологическое обоснование ресурсосберегающего устройства крепления из каменной наброски ленточного типа в качестве альтернативы бетонному креплению для защиты откосов грунтовых водоподпорных сооружений, берегов и склонов от гидродинамического воздействия потока.

В опубликованной работе [11] приведены аналитические материалы о конструкциях и условиях применения крепления различных типов крепления и защиты откосов грунтовых сооружений от волнового воздействия.

Указано, что в гидротехнической практике для упреждения водной абразии напорных откосов грунтовых сооружений, берегов рек и каналов применяют различные профили откосов и различные типы их защиты и крепления.

Наиболее широко применяют крепления из бетона и железобетона бетона, каменной наброски и отмостки, асфальтобетона, габионное и биологическое крепления [2, с. 211-222]; [3, с. 34-36]; [4, с. 318-355, 676-689]; [5, с. 72-78]; [8, с. 141-160 и др.]. Отмечено, что по гидромеханическому принципу, применяемые системы защиты откосов можно выделить в следующие основные группы: пассивного действия; механической защиты; гидродинамического (реактивного) действия; комбинированного действия.

Согласно результатам экспериментально-теоретических исследований [11] установлено, что одним из наиболее эффективных методов защиты откосов является комбинированный гидродинамический метод взаимодействия потока и конструкции.

В качестве альтернативных вариантов был рассмотрен ряд новых технических решений, а также известные простейшие типы - боны и полузапруды [4, с. 676-689]; [5, с. 72-78 и др.].

В данной работе приведены результаты исследований одного из наиболее экономичных типов защиты берегов прудов и водохранилищ, откосов плотин и оградительных дамб - объемно-пространственное каменное набросное крепление ленточного типа.

Методы исследования. При изучении эффективности и обоснования конструктивных параметров предлагаемого типа крепления использованы общепринятые экспериментально-теоретические методы гидравлики и гидромеханики, приборы и оборудование, применяемые в экспериментальной практике.

Экспериментальные исследования основаны на физическом моделировании откосов грунтовых сооружений, защитного устройства и гидродинамических процессов с использованием размываемой модели. Оценка эффективности и определение параметрических характеристик защитного устройства осуществлялась на основе результатов исследований водной абразии по критерию относительной устойчивости откоса размыву:

з_m = m_ус / m₀, (1)

где m_ус - коэффициент заложения волноустойчивого откоса, защищенного каменной призмой ленточного типа; m₀ - коэффициент заложения волноустойчивого откоса без крепления и защиты.

Исследования проводились на базе лаборатории «Использования и охраны водных ресурсов», лаборатории ГТС МСФ УО БГСХА [11].

Основная часть

Волнозащитная каменно-набросная призма. Предлагаемый тип крепления является разновидностью крепления откосов каменной наброской. Отличительная его особенность состоит в том, что оно выполняется не сплошной одеждой, а в виде ленточно-ромбовидной призмы, по аналогии крепления «в клетку» [2]. По технологии производства работ и конструктивному признаку призма относится к каменно-набросной конструкции.

Работоспособность каменной призмы как защитного устройства зависит от эффективности взаимодействия волнового и транзитного потока с устройством, т.е. от интенсивности гашения динамического воздействия на грунтовое сооружение. Гашение водной энергии происходит в результате соударения волны с призмой от влияния сил сопротивления при проникновении потока в тело устройства и растекания и изменения направления потока в плане при набегании на наклонные косорасположенные призмы. Кроме того, процесс взаимодействия сопровождается инфильтрацией части волнового расхода в каменную призму. При откате волны фильтрационный поток дренируется по наклонной ленточной призме в нижний бьеф, освобождая тем самым пористую часть призмы для приема воды следующей волны.

Методика расчета крепления откосов. Надежность и эффективность крепления откосов ленточного типа следует рассматривать в режиме одновременного на него воздействия транзитного потока (угонной скорости) и ветровой волны.

При методическом обосновании крепления необходимо определить:

- гидродинамическую эффективность такого устройства;

- гидравлические характеристики конструкции;

- геометрические параметры крепления;

- состав каменной наброски.

Геометрическую форму и конструкцию крепления принимают на основе результатов методических опытов по изучению эффективности или работоспособности данного типа крепления. Эти материалы изложены в [11].

Лента клетки представляет собой каменную призму, состоящую из двух каменно-набросных частей, выполненных в виде трапеций: 1 - верховую волнобойную и 2 - низовую дренажную.

Верховая трапеция возводится выше поверхности откоса на высоту C_в.

Низовая трапеция заглубляется ниже поверхности откоса на глубину С_н и возводится в траншее по слою антисуффозионной подготовки 3, выполненной из фильтрующего материала - иглопробивного геотекстиля.

Рис. 1. Конструкция волнозащитной призмы: 1 - верховая волнобойная призма; 2 - низовая дренирующая призма; 3 - антисуффозионная подготовка из иглопробивного геотекстиля.

Определение гидромеханической эффективности защитного устройства. Гидромеханическая эффективность является основной характеристикой целесообразного практического применения предложенного каменно-набросного крепления ленточного типа.

В качестве определяющего критерия, или критерия эффективности, был принят относительный коэффициент устойчивости откоса.

Для определения значений коэффициентов заложения m₀ и m_ус были проведены системные методические лабораторные опыты.

Исследования проводились при различной глубине потока, при различных параметрах волны и каменной призмы (рис. 2).

Рис. 2. Гидродинамическая модель волнозащитной каменной призмы.

Экспериментальные исследования показали, что эффективность каменной призмы можно обеспечить при неполной аккумуляции волнового потока каменной призмой. Часть волнового расхода после гашения кинетической энергии волны и трансформации эпюры скоростей направляется обратным током навстречу очередной волне и тем самым уменьшает динамическое ее воздействие на откос. Результаты этих исследований обработаны в виде зависимости m_уст/ m₀ = f (C_B/h_B) и представлены на графике (рис. 3). Этот график наглядно отображает гидромеханическую эффективность волнозащитной призмы, т.е. показывает влияние геометрических параметров (C_в) призмы на динамику формирования волноусточивого профиля грунтового откоса (m_уст) в зависимости от параметра волны (h_в) и водно-физических свойств (m₀) грунта-заполнителя карты откоса.

Рис. 3. График m_уст/ m₀ = f (C_B/h_B).

Определение водоприемно-отводящей способности призмы крепления. Экспериментальные данные показали, что эффективность каменной призмы можно обеспечить при неполной аккумуляции волнового потока каменной призмой. Часть этого расхода после гашения энергии волны и трансформации эпюры скоростей следует соответственным путем направить обратным током навстречу очередной волне и тем самым уменьшить ее физическое воздействие на откос.

Qпр = Qв = Qф. (2)

Гидравлическую способность призмы можно выразить формулой ленточного каменного дренажа:

Q_ф = щпр • К • I^х (3)

или по формуле неразрывности потока:

Qф = щпр • Vпр, (4)

где щпр - площадь рабочего сечения (объема) призмы; Kф - коэффициент фильтрации; I - градиент или гидравлический уклон призмы; х - показатель степени, характеризующий режим движения фильтрационного потока, для турбулентного режима х = 0,5 [4].

Для каменной наброски можно рекомендовать [2] значение Кф = 0,05-0,1 м/с.

С некоторым приближением среднюю скорость фильтрации можно определить по формуле Шези в следующем обобщенном виде [8]:

(5)

где С₀ - обобщенный коэффициент Шези, зависящий от размеров камней, их формы и структуры укладки; р - порозность (пустотность) наброски; D - диаметр камня, приведенного к шару, в см; J - гидравлический градиент.

Величину коэффициента С0 рекомендуется определять по формуле:

(6)

Волновой расход (прибойный) Qпр. можно выразить через удельный объем наиболее динамичной зоны волны Wв и период волны (рис. 1):

Qвол = W'в ? ф, (7)

где W'в - расчетная площадь (эпюра) волны; ф - период волны, с.

Учитывая степень достоверности гидрологических данных, форму и параметры призмы и волны можно принять:

(8)

(9)

Согласно [3; 6] принимать в расчетах

Определение геометрических параметров призмы. Основным геометрическим параметром волнозащитного является рабочий его объем щпр, который использовался для определения физических параметров призмы.

Решая совместно (8) и (9), имеем:

(10)

(11)

(12)

Используя зависимость (12), определяем параметры нижней призмы каменной наброски, в частности ее возможное заглубление Сн (рис. 1).

Практические рекомендации по определению состава каменной призмы. Призма выполняется из несортированного камня. Для такого типа крепления определяют два характерных диаметра фракций: наименьший, т.е. устойчивый внутрислойному перемещению при воздействии прибойной волны, Дм, и расчетный или наибольший, приведенный к шару диаметром Дб, который создает пространственную опорную решетку всего крепления.

При этом несортированная наброска должна иметь следующий фракционный состав: фракция Дб должна составлять не менее 50%; фракция Дб = Дм должна составлять 25%, фракция Дб < Дм не более 25% всей массы.

В результате проведенных опытов установлено, что на эффективность и фракционный состав волнозащитной призмы существенное влияние оказывает направление фронта волны. В случае косого подхода размеры камня рекомендуется определять по методике расчета крепления судоходных каналов. По этой методике наименьший расчетный диаметр рекомендуется определять [2] по формуле:

(13)

где с - гидравлический коэффициент сопротивления, принимаемый 0,2; mп - полость волны 1%-й обеспеченности, принимаемая для водоемов равной 7; св и ск - соответственно плотность воды и камня.

Максимальный расчетный диаметр камня определяют по формуле:

(14)

Минимальную высоту каменной призмы рекомендуется принимать не менее 3 Дм.

Применение противоволновой защиты из каменной набросной призмы позволило существенно уменьшить материальные и энергетические затраты на возведение уникального водозащитного объекта на Полесье.

Заключение

1. Каменное набросное крепление ленточного типа относится к объемно-пространственным многофункционального действия конструкциям, рекомендуемым в качестве эффективной защиты откосов грунтовых сооружений от гидродинамического воздействия потока.

2. Для определения рациональной формы и параметров ленточного крепления предложено научно-методическое и расчетно-пространственное его обоснование.

3. Практическая реализация данной инновационной технологии, как и любого нового технического решения, требует грамотного проекта производства работ.

Литература

1. ТКП 45-3.04-8-2005 (02250). Мелиоративные системы и сооружения. Минск: Минсктиппроект, 2006. С. 28-31.

2. Гидротехнические сооружения: справочник проектировщика / под ред. В.П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983. 543 с.

3. Ляпин, А.В. Опыт проектирования габионных берегоукрепительных сооружений / А.В. Ляпин, Н.М. Кошкин // Водохозяйственное строительство. 2007. №5, С. 34-36.

4. Гришин, М.М. Гидротехнические сооружения. М., 1962. С. 565-583.

5. Williams, R.G. Wave refraction and diffraction in a caustic region: a numerical solution and experimental validation / R.G. Williams, J. Darbyshire, P. Holms // Proceedings Institution of Civil Engineers. 1980. Port 2. Р. 72-78.

6. Шарп, Д. Гидравлическое моделирование / Д. Шарп. (пер. с англ.), М.: Мир, 1984. 280 с.

7. Кожевников, М.П. Гидравлика ветровых волн / М.П. Кожевников. М.: Энергия, 1972. 258 с.

8. Васильченко, Г.В. Воздействие потока на мелиоративные и водохозяйственные сооружения. Минск: Ураджай, 1985. 174 с.

9. Ларьков, В.М. Моделирование размыва русла за водосбросными сооружениями с учетом критерия размывающей способности потока Водное хозяйство и гидротехническое строительство. 1986. Вып. 15. С. 73-78.

10. Ларьков, В.М. Моделирование и исследование гидротехнических сооружений, гидравлических и русловых процессов / В.М. Ларьков, В.В. Ларьков // Гидротехнические сооружения: лабораторный практикум. Горки: БГСХА, 2007. С. 4-19.

11. Ларьков, В.М. Защита грунтовых сооружений от воздействия волн и транзитного потока каменной наброской ленточного типа / В.М. Ларьков, В.В. Ларьков // Вестник БГСХА. 2009. №4. С. 145-151.

Размещено на Allbest.ru