Повышение эффективности и надежности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Повышение эффективности и надежности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время в России по данным Министерства природных ресурсов зарегистрировано около 65 тыс. гидротехнических сооружений (ГТС), в том числе 35 тыс. безнапорных и

30 тыс. водоподпорных. Наибольшее количество безнапорных ГТС, к которым, прежде всего, относятся каналы мелиоративного и комплексного назначения, находится в ведении Министерства сельского хозяйства.

Общая протяжённость магистральных и межхозяйственных каналов, находящихся в федеральной собственности, по данным Мелиоративного кадастра, составляет 29 тыс. км, а распределительных и внутрихозяйственных оросительных каналов других форм собственности - порядка 300 тыс. км. На территории Южного Федерального округа (ЮФО) имеется около 25 крупных каналов комплексного и мелиоративного назначения, а протяжённость каналов составляет более 2300 км. При этом из общей протяжённости каналов лишь 30% имеют противофильтрационные покрытия. В водохозяйственном комплексе страны общие потери воды при транспортировке достигают 8 км³/год, более половины которых приходится на фильтрацию из оросительных каналов. Это вызывает подъем уровня грунтовых вод в приканальной зоне, подтопление прилегающих населенных пунктов, вторичное заболачивание и засоление земель.

В связи с этим в современных условиях особую актуальность приобретает проблема борьбы с фильтрацией из оросительных каналов. С этой целью требуется проведение комплексных исследований по обобщению эксплуатационных показателей существующих конструктивных решений и противофильтрационных мероприятий каналов и разработке мер по обеспечению повышения их эффективности и надёжности. Только в ближайшие годы (2008-2015 гг.) в соответствии ФЦП «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов, как национального достояния России на 2006-2010 годы» предусматриваются широкомасштабные работы по реконструкции и строительству первой и четвертой очередей Большого Ставропольского, Донского магистрального и Саратовского каналов, где на участках в земляном русле будут выполнены противофильтрационные покрытия.

Среди водоподпорных гидротехнических сооружений более 80% составляют грунтовые плотины. В государственной собственности находится 7500 сооружений, из которых более 800 сооружений - плотины водохранилищных гидроузлов, 1875 - накопители жидких отходов. Из общего числа гидротехнических сооружений, поднадзорных Росприроднадзору и Ростехнадзору, продекларированы и включены в Российский регистр ГТС около 8 тыс. сооружений. Срок эксплуатации большинства ГТС составляет от 20 до 50 лет, а сооружений мелиоративного назначения - 40 лет; средний процент износа водоподпорных ГТС 50%, а их аварийность превысила среднемировой показатель в 2,5 раза; ежегодно на них происходит до 60 аварий, ущерб от которых составляет до 10 млрд руб.

Как свидетельствует мировой опыт плотиностроения, вследствие фильтрации и фильтрационных деформаций наблюдается более 30-40% аварий и разрушений грунтовых плотин. Отсюда в соответствии с требованиями Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» возникает задача обеспечения фильтрационной безопасности и надёжности водоподпорных ГТС и разработки методик их расчётного обоснования.

Настоящая работа выполнена в соответствии с важнейшими научно-исследовательскими программами ГКНТ СМ СССР по заданию 0.85.06.03.05Н1 «Разработать рекомендации по противофильтрационным, берегоукрепительным и дренажным мероприятиям на крупных каналах», а также научной программы фундаментальных и приоритетных исследований развития АПК РФ по заданиям: 03.02.02.02 «Разработать научно-обоснованные мероприятия по безопасному функционированию земляных плотин на малых реках, прудах и водохранилищах» и 03.02.02.03 «Разработать научно-обоснованные мероприятия по безопасному функционированию и предотвращению загрязнения грунтовых вод и водотоков из накопителей сельскохозяйственных и промышленных отходов».

Цель и задачи исследования. Целью работы является экспериментальное и теоретическое обоснование повышения эффективности и надежности противофильтрационных устройств каналов, накопителей отходов и грунтовых водоподпорных сооружений.

В работе решались следующие задачи:

- на основе анализа существующих конструктивных решений противофильтрационных устройств (ПФУ) каналов, грунтовых плотин и накопителей отходов, известных методов оценки их эффективности и надёжности усовершенствовать используемые и разработать новые высокоэффективные их конструкции;

- усовершенствовать и развить теорию водопроницаемости противофильтрационных конструкций и на ее основе разработать методику оценки эффективности и надёжности облицовок оросительных каналов;

- исследовать водопроницаемость и противофильтрационную эффективность бетоноплёночных облицовок и уточнить КПД действующих облицованных каналов;

- разработать методику расчёта фильтрационной безопасности грунтовых плотин с ядром и противофильтрационной завесой в основании и способ расчёта фильтрации в основании грунтовой плотины с ПФУ в виде цементационной завесы с учетом трещинообразования в ней;

- разработать методы фильтрационного расчёта ядер грунтовых плотин ломаного очертания;

- провести анализ возможных нештатных ситуаций и разработать методику оценки уровня фильтрационной безопасности применительно к каменно-земляной плотине Юмагузинского гидроузла;

- выполнить исследования по обоснованию эффективных типов противофильтрационных устройств и дренажных защит накопителей промышленных отходов и усовершенствовать методы их фильтрационного расчёта;

- разработать практические рекомендации по повышению эффективности и надёжности противофильтрационных устройств оросительных каналов и водоподпорных грунтовых сооружений.

Объект и предмет исследований. Крупные каналы Ростовской области, Ставропольского края; золоотвалы ГРЭС (г. Новочеркасска, Невинномысска, г. Белая Калитва), шламоотвалы Новочеркасских (электродного, магнитного, синтетических продуктов) заводов; грунтовые плотины на Юмагузинском водохранилище, водохранилище ?Ростовское море? и др.

Методы исследований. В процессе выполнения работы в течение 1984-2008г.г. были выполнены теоретические и экспериментальные, лабораторные и натурные исследования. При проведении исследований применялись различные методы, среди которых:

- гидравлические, используемые для расчётов водопроницаемости и фильтрации, основанные на законе Дарси, метод фрагментов и методфильтрационных сопротивлений, позволяющие находить необходимые параметры фильтрационного потока с достаточной точностью;

- гидромеханические, основанные на применении метода конформных отображений, используемого для решения плоских задач теории фильтрации;

- методы математической статистики и теории вероятности для статистической оценки полученных результатов натурных наблюдений;

- методы компьютерного моделирования фильтрационных процессов в системе вычислений Mathcad и программного комплекса FemLab 3.0;

- методы физического моделирования задач фильтрации на установках ЭГДА и фильтрационных лотках;

- методы проведения натурных исследований с помощью точечных фильтромеров и изолированных отсеков.

На защиту выносятся:

- конструктивные решения высокоэффективных противофильтрационных облицовок каналов и их дренажных устройств, противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов с фильтрующе-собирающими окнами в противофильтрационной стенке, противофильтрационного устройства грунтовых плотин в виде зуба плавного очертания, новизна которых защищена 25 авторскими свидетельствами и патентами;

- методика обоснования выбора оптимального уровня надёжности противофильтрационных облицовок, позволяющая определять осреднённые значения коэффициентов фильтрации облицовок, удовлетворяющие требованиям эффективности, надёжности и экономичности;

-результаты натурных исследований водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок на 3-ей очереди Большого Ставропольского канала (БСК-3), распределительном канале Багаево-Садковской ОС Ростовской области (Бг-Р-7) и разработанные новые конструкции фильтромеров, позволяющие проводить их установку под водой на глубине 3-5 м;

- результаты экспериментальных исследований по определению рациональной схемы противофильтрационной и дренажной защиты котлована золоотходов Новочеркасской ГРЭС;

- методика расчёта водопроницаемости, эффективности и надёжности бетоноплёночных и бетонных противофильтрационных облицовок каналов и определение технического КПД облицованных каналов;

- методика расчёта фильтрации и фильтрационной безопасности грунтовой плотины с ПФУ в теле и основании с учетом трещинообразования в противофильтрационной завесе;

- новые методы фильтрационного расчёта грунтовых плотин с трапецеидальным ядром, трубчатым дренажом и основных типов ядер ломаного очертания грунтовых плотин и методика построения гидродинамической сетки с использованием компьютерного моделирования;

- методы фильтрационного расчёта накопителей промышленных отходов с ПФУ и оценки эффективности противофильтрационных экранов при наличии различных повреждений в плёночном и грунтовом противофильтрационном элементе;

- рекомендации по повышению эффективности и надёжности противофильтрационных защит на каналах и накопителях отходов, по проведению наблюдений на грунтовых плотинах с ПФУ для оценки негативных ситуаций и нарушений их работоспособности.

Научную новизну работы составляют:

- наиболее общие теоретические модели водопроницаемости бетоноплёночного покрытия канала через различные трещины и повреждения при установившемся движении фильтрационного потока и модель неустановившейся напорно-безнапорной фильтрации через повреждения бетоноплёночной облицовки;

- расчёты водопроницаемости и новые аналитические зависимости для бетоноплёночных и бетонных облицовок каналов, позволяющие определять потери воды на фильтрацию из облицованных каналов;

- результаты натурных исследований по количественной оценке осреднённых значений коэффициентов фильтрации противофильтрационных облицовок на действующих каналах;

- расчётные зависимости для определения параметров фильтрующе-сорбирующего элемента в конструкции противофильтрационной стенки вокруг накопителей отходов и теоретическая оценка противофильтрационной эффективности плёночных экранов рациональных и комбинированных конструкций и грунтовых экранов с учётом кольматации трещин;

- результаты экспериментальных исследований эффективности противофильтрационных и дренажных защит накопителей промышленных отходов в условиях воздействия грунтового потока;

- методика оценки уровня фильтрационной безопасности грунтовой плотины с ядром и завесой в основании и методика расчёта фильтрации в основании грунтовой плотины с учётом водопроницаемости цементационной завесы при трещинообразовании;

- оценка влияния эффективности противофильтрационных устройств грунтовых плотин на динамику подъёма уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе водохранилища;

- новый способ фильтрационного расчёта грунтовой плотины с ядром и расчётные зависимости для основных типов ядер ломаного очертания.

Личный вклад. Диссертационная работа является результатом более чем 20-летних исследований автора, выполненных в отделе гидротехнических сооружений ЮЖНИИГиМа и на кафедре гидротехнических сооружений и в лаборатории моделирования фильтрационных процессов при кафедре гидравлики и инженерной гидрологии НГМА. Постановка задач исследований, их решение теоретическими и экспериментальными методами, анализ и обобщение полученных результатов осуществлены лично автором. В проведении некоторых экспериментальных и теоретических исследований принимали участие аспиранты Т.А. Капустина, Е.О. Скляренко, В.В. Вишневский и А.Ф. Апальков, подготовившие и защитившие диссертации под руководством автора. Общая доля автора в научно-исследовательских работах, результаты которых вынесены на защиту, составила более 70%.

При постановке ряда задач, рассмотренных в настоящей работе, и подготовке диссертации автор получил ценные советы и научные консультации от докторов технических наук, профессоров Ю.М. Косиченко и К.Н. Анахаева.

Практическую ценность работы составляют:

- усовершенствованные типы и способы строительства противофильтрационных устройств ГТС (водопроводящих и водоподпорных), обеспечивающие безопасность и надёжность их функционирования;

- количественные оценки водопроницаемости основных типов противофильтрационных облицовок каналов и рекомендуемые допускаемые значения их осреднённых коэффициентов фильтрации, характеризующие оптимальный уровень надёжности облицовок;

- установленные в результате анализа фактические значения коэффициентов полезного действия каналов с противофильтрационными покрытиями в России и ближнем зарубежье;

- алгоритм расчёта и пакет прикладных программ для расчёта фильтрации и фильтрационной безопасности грунтовых плотин;

- результаты анализа нештатных ситуаций в теле, основании, на низовом откосе, в левобережном и правобережном примыканиях каменно-земляной плотины Юмагузинского гидроузла;

- количественная оценка уровня безопасности каменно-земляной плотины на примере водохранилища Юмагузинского гидроузла для условий его полного заполнения;

- структурная схема оперативного контроля технического состояния каменно-земляной плотины с использованием данных натурных наблюдений.

Апробация результатов. Результаты исследований автора по теме диссертации докладывались на 15 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на научно-технической конференции Северо-Кавказского научного Центра Высшей школы «Повышение технического уровня оросительных систем на Северном Кавказе» (г. Новочеркасск, 1984, 1985), региональной научно-практической конференции «Совершенствование проектирования, строительства и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных систем Северного Кавказа» (г. Новочеркасск, 1985), научно-технической конференции ЮРГТУ (НПИ) «Проблемы строительства и инженерной экологии» (Новочеркасск, 2000), конференции, посвящённой 100-летию профессора М.М. Скибы (Новочеркасск, 2002), межвузовской научно-практической конференции НГМА «Проблемы гидрологии и гидротехники» (Новочеркасск, 2002),международных научно-практических конференциях в Институте гидротехники и мелиорации УААН (Киев, 2004), в СПбГПУ и ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Санкт-Петербург, 2004), на научно-практическом семинаре в РосНИИПМ «Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения» (Новочеркасск, 2006), на научно-практическом семинаре «Безопасность гидротехнических сооружений» в МГУП (г. Москва, 2007), на Международной научно-практической конференции «Строительство-2008» РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2008) и др.

Основные положения диссертации отражены в двух монографиях «Повышение эффективности и надежности противофильтрационных облицовок оросительных каналов» и «Обеспечение фильтрационной безопасности и эффективности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений» общим объемом 19 п.л.; а также в научных статьях и изобретенииях автора объемом более 42 п.л., из которых автору принадлежит 25 п.л.

Внедрение результатов исследований осуществлено на 16 объектах, в том числе на Большом Ставропольском канале (3-я очередь), Донском магистральном канале (1-я очередь реконструкции), Азовском магистральном канале, Юмагузинском гидроузле (каменно-земляная плотина), Новочеркасской ГРЭС (котлован золоотходов и полигон твёрдых бытовых отходов), Несветай ГРЭС (котлован золоотходов), Невинномысской ГРЭС (шламонакопители), регулирующем водохранилище (Ростовское море) и др. Суммарный фактический и ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 40 млн. рублей. По результатам исследований для более широкого внедрения при непосредственном участии автора разработаны нормативно-методические документы: ?Инструкция по расчёту водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок каналов?; ?Методика обоснования и выбора противофильтрационных мероприятий и дренажных защит каналов?; ?Выбор эффективной и надежной противофильтрационной защиты русел открытых каналов при реконструкции оросительных систем?.

Достоверность научных результатов. Основные положения, выводы и рекомендации научно обоснованы с позиций теории фильтрации, теории вероятности и математической статистики. Лабораторные исследования проводились по общеизвестным методикам, с использованием стандартного оборудования. Приборы, применяемые при проведении натурных и лабораторных исследований, поверены и аттестованы в метрологическом центре. Использованные автором в процессе выполнения работы методы инженерно-геологических и гидрогеологических исследований позволили получить данные, соответствующие требованиям СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства». Достоверность результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований методом ЭГДА, натурными исследованиями на БСК-3 и Бг-Р-7, проведением статистической обработки современными методами с применением ПЭВМ, сопоставлением экспериментальных и расчётных данных с результатами других авторов, и удовлетворительной сходимостью со значениями по предлагаемым автором зависимостям.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объём работы составляет 495 страниц, в том числе текста 266 страниц.

Материал диссертации содержит 66 таблиц, 120 рисунков и 5 приложений. Список литературы состоит из 234 наименований, в том числе 24 - иностранных авторов.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 80 научных работ, из них в изданиях, рекомендованных ВАК - 14; монографий, учебных пособий и нормативно-методических изданий - 7, авторских свидетельств и патентов - 25.

Содержание работы

водопроницаемость противофильтрационный облицовка оросительный

Во введении приведены основные результаты анализа современного состояния применения противофильтрационных устройств на оросительных каналах и в конструкциях гидротехнических сооружений и методов оценки их эффективности и надежности, обоснована актуальность темы диссертационного исследования и дана общая характеристика работы, сформулированы цель, задачи исследований, раскрыта новизна научных положений выносимых на защиту и предложены направления их практического применения.

В первой главе сделан обзор и анализ литературных источников по вопросам теоретических и экспериментальных исследований водопроницаемости противофильтрационных облицовок и конструкций.

Разработкой методов расчёта фильтрации, надёжности и безопасности каналов, плотин, накопителей, их противофильтрационных устройств и дренажа занимались многие отечественные учёные: С.Ф. Аверьянов, А.Г. Алимов, К.Н. Анахаев, В.И. Аравин, А.Г. Баламирзоев, В.В. Ведерников, Н.Н. Веригин, В.А. Волосухин, В.Д. Глебов, В.Н. Жиленков, И.М. Ллшин, Е.А. Замарин, В.Г. Зотеев, И.Н. Иващенко, Е.С. Калустян, Ю.М. Косиченко, И.Е. Кричевский, Г.М. Ломизе, Ю.П. Ляпичев, Ц.Е. Мирцхулава, В.В. Малаханов, М.П. Малышев, И.И. Науменко, В.П. Недрига, С.Н. Нумеров, Н.Н. Павловский, Г.И. Покровский, Л.Н. Рассказов, В.Б. Резник, Н.Н. Розанов, Д.В. Стефанишин, С.В. Сольский, О.М. Финогенов, А.М. Царев, Р.Р. Чугаев, В.И. Штыков и зарубежные ученые: Р. Дахлер, Ж. Дюпюи, Л. Казагранде, И. Козени, Г. Матта, Ф. Форхгеймер, Ф. Шаффернак и др.

В целом проведенный краткий обзор в области надёжности противофильтрационных устройств, свидетельствует о недостаточной проработке отдельных вопросов теории и практических расчетов фильтрации как применительно к каналам, грунтовым плотинам, так и накопителям промышленных отходов.

Вторая глава посвящена разработке высокоэффективных противофильтрационных устройств для различных конструкций гидротехнических сооружений. Автором разработаны конструкции комбинированных облицовок для противофильтрационной защиты (ПФЗ) крупных каналов (с расходом более 50 м³/с), один из примеров которых приведен на рис.1.

1 - покрытие; 2 - геотекстиль; 3 - геомембрана; 4 - канавка

Рисунок 1. Противофильтрационная облицовка повышенной надёжности для каналов

Данная конструкция представляет собой покрытие из бетонных и железобетонных плит толщиной 10-15 см, или сборных плит НПК толщиной 6 см, защитных прокладок из геотекстиля толщиной 0,5-1,0 мм, противофильтрационного элемента из геомембраны толщиной 1,0-2,0 мм с высокой прочностью и сопротивляемостью механическому прокалыванию.

В качестве противофильтрационного материала в предлагаемой конструкции могут быть использованы геомембраны из бутилкаучука, полиолефинов, битумно-полимерных материалов, полиэтилена и других материалов.

Рассмотренная конструкция противофильтрационной облицовки (см. рис.1) была рекомендована при реконструкции первой очереди Донского магистрального канала, на участке от 45 до 115 км. Предлагаемая конструкция облицовки обладает повышенной водонепроницаемостью (с осреднённым коэффициентом фильтрации облицовки менее 0,1·10^-6 см/с) и высокой долговечностью (до 75-100 лет).

С целью повышения водонепроницаемости эксплуатируемых бетонопллночных облицовок (через 3-5 лет после строительства) предлагается использовать усовершенствованный способ инъектирования подплитного пространства цементно-песчано-зольным составом (рис.2).

1 - плита облицовки; 2 - монолитная облицовка; 3 - полотнище; 4 - раствор; 5 - бетонный кубик с отверстием; 6 - растворопроводный шланг; 7 - место склейки пленки с плитой;

8 - штукатурная станция; 9 - труба-инъектор; 10 -контрольное отверстие

Рисунок 2. Инъектирование подплитного пространства облицовок (по А.с. № 1281626 и № 1477819)

Автором разработаны также дренирующе-разгрузочные устройства для бетоноплёночных облицовок (рис. 3), которые позволяют повысить их надежность за счет предупреждения выпора плит на участках с высоким стоянием грунтовых вод при быстрой сработке уровня воды в канале.



1 - плиты; 2 - прокладка; 3 - плёнка; 4 - траншейка; 5 - засыпка; 6 - жёсткий элемент;

7 - клапан; 8 - обратный фильтр; 9 - грунтовые воды

Рисунок 3. Дренирующе-разгрузочное устройство облицовок каналов (А.с. № 1138448)

Разработанные конструкции на рисунках 2 и 3 апробированы и внедрены на БСК-3.

Для исключения фильтрации из накопителей промышленных отходов предложены новые конструкции противофильтрационных экранов (ПФЭ) (рис. 4), которые обладают более высокой надёжностью за счёт использования эффектов кольматирования и самозалечивания.

а - грунтовый экран с кольматирующими слоями из мелкозернистого песка; б -облицовка с самозалечивающим слоем из цементно-песчано-зольного состава (А.с. № 1213118); в - пленочный экран с самозалечивающим слоем из бентонита; 1 - грунт; 2 - глина; 3 - плёнка; 4 - песчаные кольматирующие слои; 5 - цементно-песчано-зольный слой; 6 - слой бентонитовой глины; 7- геотекстиль; 8- бетонное покрытие

Рисунок 4. Схемы ПФЭ для накопителей промышленных отходов

Для обеспечения надёжности работы грунтовой плотины на проницаемом основании предлагается зуб из малопроницаемого грунта в основании выполнять с низовой гранью плавного очертания (патент № 2004131178), что снижает величину выходных градиентов напора и повышает фильтрационную прочность грунта тела плотины.

Параметры предложенных конструкций облицовок, дренажных устройств и экранов установлены по результатам опытно-производственных исследований.

В третьей главе рассматриваются теоретические модели водопроницаемости облицовок каналов и оценка их эффективности и надежности.

Автором разработана наиболее общая теоретическая модель водопроницаемости бетоноплёночной облицовки через все дефекты и повреждения облицовки, ел швов и плёночного экрана, а также свободных ходов в подплитном пространстве, основанная на учете неразрывности фильтрационного потока и всех гидравлических сопротивлений (рисунок 5).

1 - бетонное покрытие; 2 - плёночный экран; 3 - трещины в бетонном покрытии; 4- разрушенные швы; 5 - повреждения в плёнке; 6 - ходы фильтрации

Рисунок 5. Схема водопроницаемости бетоноплёночной облицовки

При расчете используются допущения: коэффициент фильтрации грунтового основания значительно больше коэффициента водопроницаемости бетона (k_{0 >>} k_бет); пленочный экран плотно прилегает к грунтовому основанию по всей поверхности, движение фильтрационного потока - установившееся.

Фильтрационные потери через бетоноплёночную облицовку определяяются как сумма локальных расходов через отдельные повреждения и дефекты защитного бетонного покрытия (трещины, разрушенные швы), бетон облицовки и через повреждения плёночного экрана:

, (1)

где - фильтрационный расход через облицовку на площади ; - единичные расходы, соответственно через отдельные трещины и разрушенные швы облицовки; q_бет - единичный расход через бетон облицовки; - единичный расход через отдельные повреждения плёночного экрана; - соответственно общее число трещин, разрушенных швов в бетонном покрытии, областей фильтрации через бетон и повреждений в пленочном экране.

Из уравнения (1) с учётом зависимостей для трещин в бетоне облицовки и повреждений в плёнке запишем следующее равенство с учётом капиллярных свойств грунта основания:

, (2)

где - плотность воды; g - ускорение свободного падения; - глубина воды; - толщина облицовки; - пьезометрический напор в месте повреждения плёночного экрана; , - ширина раскрытия и длина трещины в бетоне; , - ширина разрушенного шва и его длина; - длина щели в плёнке; - коэффициент водопроницаемости шва; - коэффициент фильтрации бетона и грунтового основания; - динамическая вязкость воды; - расчётный параметр.

Используя уравнение (2), после соответствующих преобразований определим пьезометрический напор, устанавливающийся между облицовкой и плёнкой в местах повреждения плёнки:

, (3)

где ;

; ;

- высота капиллярного поднятия воды в грунте; , - средняя ширина раскрытия и средняя длина трещины в бетоне.

Фильтрационный расход через облицовку на площади будет равен

, (4)

где h₁- пьезометрический напор, определяемый по зависимости (3);

- параметр, определяемый из уравнения вида

, (5)

- ширина повреждения в виде щели в плёночном экране;

.

Осреднённый коэффициент фильтрации облицовки вычисляется по формуле

, (6)

Рассматривая данную задачу водопроницаемости бетоноплёночной облицовки с гидравлической точки зрения, как систему различных гидравлических сопротивлений при движении фильтрационного потока через свободный ход «трещина - подплитное пространство - повреждение экрана - грунтовое основание» (рис. 6), получено гидравлическое уравнение с учётом всех потерь напора. При этом учитывались следующие допущения: трещина облицовки является сквозной и не закольматированной, свободный ход фильтрации в подплитном пространстве прямолинейный, взаимовлияние трещин и свободных ходов не учитывается, движение фильтрационного потока по свободному ходу является напорным установившимся ламинарным или турбулентным.



1 - бетонное покрытие; 2 - пленочный экран; 3 - трещины в бетоне; 4 - ходы фильтрации; 5 - повреждения экрана

Рисунок 6. Расчётная схема водопроницаемости бетоноплёночной облицовки

Применяя уравнение Бернулли к сечениям 1-1 и 2-2 (см. рисунок 6), найдём зависимость для пьезометрического напора в сечении 2-2:

, (7)

где - средние скорости в сечениях 1-1 и 2-2;

- коэффициент Кориолиса; - потери напора.

Потери напора при движении фильтрационного потока по свободному ходу будут равны

, (8)

где , , - коэффициенты местных сопротивлений на вход, поворот и выход; , - коэффициенты гидравлического трения в трещине и в подплитном пространстве; - глубина сквозной трещины (); - длина свободного хода в подплитном пространстве; , - ширина раскрытия трещины и ширина хода в подплитном пространстве; - средние скорости потока на участках трещины и подплитного пространства.

Для определения потерь напора могут быть использованы коэффициенты местных сопротивлений и такие как для трубопроводов, и коэффициенты - для условий ламинарного и турбулентного движения в трещине по зависимостям Г.М. Ломизе (1952).

Расчётная зависимость для коэффициента сопротивления , учитывающего влияние грунтового основания, получена автором в виде

, (9)

где - градиент напора в трещине, принимаемый в первом приближении , во втором приближении - .

Удельный расход фильтрационного потока через свободный ход рассматриваемой системы гидравлических сопротивлений с учётом подстановки численных значений и зависимостей для соответствующих коэффициентов рассчитывается по формуле

, (10)

где - суммарные потери напора между сечениями 1-1 и 2-2; - коэффициент местного сопротивления на выход потока в грунтовое основание; , - ширина раскрытия трещины и ширина свободного хода в подплитном пространстве; - глубина сквозной трещины (); - длина свободного хода в подплитном пространстве.

Расчёт по формуле (10) проводится методом приближений с учётом определения в двух приближениях и .

На крупных каналах представляет практический интерес оценка неустановившейся фильтрации через противофильтрационные облицовки, наблюдаемой, как правило, в начальный период эксплуатации сооружения или при периодической его работе в течение оросительного сезона. В связи с этим автором рассмотрена модель неустановившейся фильтрации через повреждение бетонопленочной облицовки (рис. 7).

а - схема движения; б - эпюра влажности; 1- зона полного насыщения,

2 - зона неполного насыщения; 3 - зона капиллярного растекания

Рисунок 7. Расчетная схема неустановившейся фильтрации из щели бетонопленочной облицовки

При этом предполагается, что в защитном слое устанавливается напорное движение фильтрационного потока, а в подстилающем основании - напорно-безнапорное движение с неполным влагонасыщением.

Скорость перемещения контура фильтрационного потока под облицовкой определяется дифференциальным уравнением вида

, (11)

где - влажность грунта в области фильтрации; - влажность грунта (отвечающая связной воде); - интенсивность инфильтрации.

Из уравнения (11) после соответствующих преобразований получим следующие расчётные формулы:

- время промачивания грунта основания

; (12)

- фильтрационный расход из щели экрана

; (13)

- ширина зоны растекания фильтрационного потока

, (14)

где - дефицит влажности грунта; - коэффициенты фильтрации грунта основания с полным и неполным насыщением; - влажность грунта на глубине у; - пьезометрический напор в месте повреждения экрана; - ширина щели.

Из анализа проведенных расчетов по зависимостям (12)-(14) для условий БСК-3 установлено, что процесс стабилизации фильтрации, наступает не раньше, чем через 300 суток. Особенно значительны фильтрационные потери в первые сутки наполнения канала, когда происходит насыщение бетона, заполнение пространства между бетоном и плёнкой и увлажнение подстилающего слоя грунта. Результаты расчёта подтверждаются натурными наблюдениями фильтрации через бетоноплёночную облицовку 3-й очереди БСК, проведёнными методом точечных фильтромеров.

На основании разработанных теоретических моделей в соавторстве получены расчётные формулы для оценки водопроницаемости и эффективности основных типов противофильтрационных облицовок каналов (сборных, монолитных, сборно-монолитных бетоноплёночных, бетонных и железобетонных), которые вошли в ряд нормативно-методических документов и справочников. В случаях, когда применение противофильтрационных облицовок не обеспечивает требуемого снижения уровня грунтовых вод, кроме облицовки предусматриваются дренажные защиты каналов (горизонтальный, вертикальный или комбинированный дренаж).

Для оценки эффективности совместного применения дренажной и противофильтрационной защит каналов при фильтрации в приканальный дренаж предлагается усовершенствованный метод расчета фильтрации в случае двухслойного грунта основания с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления облицовки, позволяющий определить отток из канала на фильтрацию и приток в дрену:

, (15)

; (16)

где q_к- односторонний отток на фильтрацию из канала;

q_д - односторонний приток в дрену; Н - расстояние от линии дренажа до уреза воды в канале (напор над дренажом);

; k_1, k₂ - коэффициенты фильтрации 1-го и 2-го слоя грунта; h_к, - глубина от уровня воды в канале до подошвы 1-го слоя; h_Д - глубина от уровня дренажа до подошвы 1-го слоя; m₂ - мощность 2-го слоя грунта; - интенсивность испарения; L - расстояние от канала до дренажа; Ф,Ф_д - фильтрационные сопротивления канала и дренажа; Фобл = фильтрационные сопротивления облицовки; - толщина бетонной облицовки.

При определении технического КПД каналов обычно учитываются только потери технические, включающие потери на фильтрацию и испарение, исключая сбросы. Анализ показывает, что технический КПД каналов в сборно-монолитной бетонопленочной облицовке при современном уровне и качестве строительства достигает значений 0,98, что так же подтверждается данными В.А. Духовного. На рисунке 8 приведены данные по техническому КПД наиболее крупных каналов юга России, Украины и Средней Азии.



Рисунок 8. Технический КПД крупных облицованных каналов

Анализ фактических данных показывает, что высокий эксплуатационный КПД наблюдается на каналах с бетоноплёночной облицовкой (БСК-3, Бг-Р-7, Каршинский) - 0,97-0,98. Наиболее высокий КПД был получен по данным детальных исследований УкрНИИГиМ на каналах с грунтоплёночными экранами (Главный Каховский, Кулундинский), а также исследований САНИИРИ на канале с бетоноплёночной облицовкой повышенной надёжности из капроновой ткани, обработанной полиизобутиленом (Караулбазарский). Здесь КПД каналов при качественном соединении полотнищ и отсутствии повреждений плёночного противофильтрационного элемента приближается к единице (0,995-0,998). Для оценки эффективности применения противофильтрационного покрытия рассмотрен пример расчёта потерь воды на фильтрацию и КПД на участке реконструкции Донского магистрального канала для варианта в земляном русле и варианта канала с противофильтрационной облицовкой повышенной надлжности. Проведённые расчёты 1-й очереди реконструкции ДМК показали, что после устройства противофильтрационной облицовки его технический КПД с учётом потерь на фильтрацию и испарение возрастёт с 0,89 до значения 0,994, а коэффициент эффективности облицовки, представляющий собой отношение удельных фильтрационных расходов из канала в земляном русле и в облицовке, составит для условий подпертой фильтрации _э= 2,92, для свободной фильтрации _э=110,8.

В четвертой главе представлены результаты натурных исследований водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок на каналах Северного Кавказа, а также результаты обобщения и анализа данных водопроницаемости облицовок на каналах России, Украины и Средней Азии.

Под руководством автора в течение 1980-1986гг. и 2003-2007гг. были проведены обширные исследования ряда каналов Ростовской области и Ставропольского края (БСК-3, БСК-4, ДМК, Бг-Р-7, Бг-Р-8, Бг-Р-5, МР-2.2) по определению потерь на фильтрацию, КПД, параметров водопроницаемости и трещиноватости облицовок. Для исследования фильтрации через облицовку на 3-й очереди БСК (БСК-3) использовались фильтромеры конструкции Укргипроводхоза. При установке под воду на глубину 1,6-1,8 м использовались разработанные автором фильтромеры (А.с. № 1148927), состоящие из металлического стакана, цилиндра с поршнем и штанги. На основании полученных натурных данных были определены фильтрационные потери и технический КПД БСК-3, осреднённые коэффициенты фильтрации облицовки по длине канала.

Обследования состояния бетоноплёночного защитного покрытия на ряде каналов Багаевско-Садковской ОС, Большого Ставропольского канала (2-,3-,4-й очередей) показали, что в процессе строительства и эксплуатации защитное покрытие каналов в той или иной степени повреждается (рис. 9).



Рисунок 9. График распределения трещин по частоте на БГ-Р-8 (Багаевский межхозяйственный распределитель; ПК 46)

По результатам обследования установлено, что наиболее распространены нитяные трещины (55,6%), затем трещины шириной раскрытия 1-4 мм (31,2%) и трещины шириной раскрытия 4-8 мм (13,2%).

При обработке натурных значений осреднённых коэффициентов фильтрации облицовок каналов использовалась составленная нами программа «STAT». Анализ натурных данных фильтрационных потерь и осреднённых коэффициентов фильтрации бетоноплёночных облицовок (таблица 1) для ряда каналов (ЛКХ-1, ЮР-18-1, БСК-3) показал, что они не превышали допускаемые значения , рекомендуемые ?Руководством? Союзводпроекта ВТР-П-7-75. Для таких каналов, как МК БВОС, КМК, Бг-Р-7, они оказались выше допустимых значений, что объясняется невысоким качеством их строительства и условиями эксплуатации.

Таблица 1. Натурные данные фильтрационных потерь из каналов и значений осреднённых коэффициентов фильтрации и коэффициентов эффективности бетонопленочных облицовок

Наименование канала	Тип облицовки	Фильтрационные потери, л/(сут.·м2)	Коэффициент фильтрации облицовки , 10-6 см/с	Эффективность облицовки
Магистральный канал Большой Волгоградской ОС	б\п, сб/м	54-140	1,50-3,70	18,2
Каршинский магистральный канал (головная часть)	б\п, б/м	84,7-127,8	2,72-4,11	22,0
	м,	29,6-161,9	2,42-13,40
Канал ЛКХ-1 Прохладненской ОС	б/п, м	5,8-6,6	1,02-1,94	25,0
Канал ЮР-18-1 в Голодной степи	б\п, сб/м	2,95-4,46	0,35-0,54	42,5
Большой Ставропольский канал (3-я очередь)	б\п, сб/м	11,3-45,3	0,61-3,00	18,2
Канал 1-Х-1 Кисловской ОС Волгоградской обл.	б/пл	16-20	2,90-3,76	20,0
Распределительный канал БГ-Р-7 Багаевско- Садковской ОС Ростовской обл.	б/п, сб	2,75-39,83	2,94-8,66	11,1
Куйбышевский обводнительно-оросительный канал	г/пл	4,06	1,67	-
Магистральный канал Заволжской ОС Волгоградской обл.	ж/б - пл, сб/м	32-100	4,5-8,3	17,0
Каналы 2Х-2-, 3Х-11, 4Х-1, 2Х-8, 1Х-6 Кисловской ОС	б/м	25-84	4,6-14,6	2,6

В среднем коэффициент эффективности применения облицовок изменялся от 18 до 25, что свидетельствовало о снижении потерь на фильтрацию по сравнению с земляным облицованным руслом до 25 раз, а в отдельных случаях - до 40 раз (ЮР-18-1).

Пятая глава посвящена исследованиям эффективности противофильтрацинной защиты (ПФЗ) накопителей промышленных отходов (ПО). Автором предложена схема противофильтрационной защиты (ПФЗ) накопителей отходов (патент № 2301862), включающая традиционную противофильтрационную стенку в грунте с фильтрующе - сорбирующим элементом (рис. 10). В качестве фильтрующе-сорбирующего материала (ФСМ) могут использоваться как природные, так и искусственные сорбенты с высокими сорбционными и фильтрационными свойствами.

Для обоснования предлагаемых схем противофильтрационной защиты накопителей отходов автором с использованием метода фрагментов получены расчётные формулы, позволяющие оценить эффективность различных вариантов.

1- фрагмент до дренажа; 2- перед дренажом; 3- за дренажом; 4-на выходе в водоток.

Рисунок 10. Расчётная схема фильтрации из накопителя промышленных отходов с противофильтрационной стенкой включающей, фильтрующе-сорбирующий элемент

Так, для расчётной схемы, приведенной на рисунке 10, получены следующие зависимости для четырёх выделенных фрагментов и фильтрующе-сорбирующего элемента:

; (17)

; (18)

; (19)

, (20)

где ,

А = ,

где Н₁ - расчетный напор (); Н₀ - глубина воды; - толщина слоя отложений промотходов; - коэффициент, учитывающий долю захвата фильтрационного потока в основании (принимаем согласно исследований А.В. Романова ); - коэффициент фильтрации грунта основания; - коэффициент фильтрации фильтрующе-сорбирующего материала; Т - мощность грунта основания; - толщина противофильтрационной стенки; - высота фильтрующе-сорбирующего элемента; - расчётная длина плотины по подошве; h₁, h_2, h₃, h_4, - высоты от водоупора до кривой депрессии в выделенных сечениях.

С целью оценки эффективности ПФЗ накопителей ПО проведен сравнительный анализ на основе гидромеханического решения задач для двух конструкций грунтопленочных экранов с защитным и подстилающим слоями. Для решения использован приближённый метод расчёта фильтрации - метод фрагментов.

Расчётные формулы пьезометрического напора в сечении по повреждению (щели) для конструкции экрана с защитным и подстилающим слоями из малопроницаемых грунтов получены автором совместно с Е.О. Скляренко в виде

(21)

или после преобразований с учетом малых размеров повреждений (щелей) на практике (при m > 0)

(22)

где Н_х - напор (); H₀ - глубина воды в накопителе; - толщина слоя отложений промотходов; - толщина защитного слоя экрана; - приведенная толщина защитного слоя с учетом отложений, вычисляемая как ; m - ширина повреждения (щели) в пленочном экране; l- ширина зоны растекания фильтрационного потока под экраном, определяемая как ;- коэффициент, принимаемый по данным экспериментов Н.Г.Бугая; h_к - высота капиллярного поднятия для грунта основания; k₁, k₂ - коэффициенты фильтрации соответственно защитного слоя и основания экрана; k₀ - коэффициент фильтрации слоя отложений промышленных отходов.

Эффективность конструкции экрана с защитными и подстилающими слоями из суглинка по сравнению с традиционным экраном, имеющим песчаные слои, в отношении снижения фильтрационных потерь через дефекты или повреждения в противофильтрационном элементе выразится следующей зависимостью:

, (23)

где k, k - коэффициенты фильтрации защитных и подстилающих слоев сравниваемых конструкций грунтопленочного экрана.

Согласно выполненным расчётам, применение комбинированной конструкции экрана с местными малопроницаемыми суглинистыми грунтами снижает фильтрацию через возможные повреждения по сравнению с традиционной конструкцией более чем в 50 раз.

Получены также зависимости для оценки противофильтрационной эффективности облицовки с ?самозалечивающим? слоем (А.с. № 1213118), рис. 4,б. Для повышения эффективности облицовки (грунтоцементной, бетонной, асфальтобетонной) сверху нее может дополнительно укладываться специальный кольматирующий слой, например из золы уноса ГРЭС. При появлении сквозных трещин в облицовке кольматирующий материал будет заполнять трещину, т.е. будет происходить её ?самозалечивание?, тем самым, исключая утечки фильтрата через трещины.

Согласно выполненным расчетам противофильтрационная эффективность экрана с закольматированными трещинами по сравнению с незакольматированными будет повышаться в 2-3 раза.

С целью изучения эффективности противофильтрационной защиты накопителей отходов методом ЭГДА, применительно к условиям Новочеркасской ГРЭС, изучалась эффективность трех вариантов ПФЗ: контурная ? стенка в грунте? (глубиной 20 м); линейный ряд вертикальных перехватывающих скважин (13 скважин через 150 м) и усовершенствованный автором комбинированный вариант ПФЗ - направляющие ?стенки в грунте ? и вертикальные перехватывающие скважины (3 скважины через 100-150м).

Эффективность комбинированного варианта ПФЗ по перехвату загрязнённых грунтовых вод в сравнении с эффективностью перехвата потока линейным рядом скважин достигает 25-30%, а снижение затрат на выполнение комбинированного варианта ПФЗ более чем в три раза (за счет уменьшения количества перехватывающих скважин, вместо 13 скважин - 3).

Автором были исследованы фильтрационные характеристики загрязненного грунтового потока при возможных авариях ПФЗ и их влияние на грунтовые воды из группы шламонакопителей АО «НчГРЭС» и АО «НЗСП» и золоотвалов ОАО «Невинномысской ГРЭС» и Несветай ГРЭС.

В шестой главе излагается расчётная оценка фильтрационной безопасности грунтовых плотин с противофильтрационными устройствами (ПФУ). Схема алгоритма расчёта фильтрационной безопасности грунтовых плотин с ПФУ дана на рисунке 11.



Рисунок 11. Схема алгоритма расчета фильтрационной безопасности грунтовых плотин

Автором разработана универсальная методика расчёта фильтрационной безопасности грунтовой плотины с ядром и противофильтрационной завесой (стенкой) в основании, которая включает определение основных фильтрационных характеристик (удельных расходов, градиентов напора, положения кривой депрессии) и проверку условий общей и местной фильтрационной прочности грунта тела и основания.

Для расчёта водопроницаемости противофильтрационной завесы в основании нарушенной сплошности (при трещинообразовании) автором предлагается новый метод, основанный на приведении дискретной завесы с трещинами к однородной сплошности с условным осреднённым коэффициентом фильтрации материала завесы (рисунок 12,а).

В расчётной модели водопроницаемости выделяется фрагмент с отдельной трещиной между условными непроницаемыми стенками 1-2 и 1?-2?, разделяющими фильтрационный поток к трещинам, и линиями равных напоров 1-1? и 2-2? (рисунок 12,б).

а - схема плотины с возможными трещинами в противофильтрационных элементах; б - схема фрагмента с трещиной в завесе (1-1, 2-2 - расчетные линии равных напоров); 1 - сквозные горизонтальные трещины в завесе; 2 - сквозные вертикальные трещины в ядре

Рисунок 12. Расчетная схема грунтовой плотины с ядром и противофильтрационной завесой в основании

При этом принимаем как допущение, что линии равных напоров 1-1 и 2-2 (рисунок 12,а) являются вертикальными с напорами и . В свою очередь расчётный фрагмент разделяется на три последовательно соединённых элемента: верхний I, внутренний II и нижний III.

В результате решения поставленной задачи получены расчётные формулы осреднённых коэффициентов фильтрации завесы в виде:

- при редко расположенных трещинах ()

; (24)

- при близко расположенных трещинах ()

, (25)

где - глубина завесы; - коэффициент фильтрации материала завесы; - коэффициент фильтрации грунта основания плотины; - общее количество возможных трещин; - расстояние от завесы до линии равного напора; - расстояние между трещинами (ширина фрагмента);

- толщина завесы.

Используя методику Р.Р. Чугаева, предложены зависимости для расчёта фильтрации в основании грунтовой плотины с завесой:

- для случая плотины с ядром и завесой в основании, доведённой до водоупора (при ):

; (26)

- для случая завесы в основании, не доведённой до водоупора,

, (27)

где - мощность слоя до водоупора; Н - напор воды; - ширина ядра по подошве плотины; - приведённая ширина завесы в основании грунтовой плотины; - ширина подошвы плотины; - приведённая глубина завесы с учётом водопроницаемости трещин; - действительная глубина завесы.

Результаты проведенного сопоставления показали, что расчётные данные по удельному расходу в основании с цементационной завесой при наличии трещин достаточно близко совпадают с экспериментальными данными, полученными методом ЭГДА. Для расчётной каменно-земляной плотины с однородным однослойным основанием расхождение составляет 5,5%, а для реальной плотины Юмагузинского гидроузла с неоднородным основанием из 5 слоев грунта - 9,6%.

Для оценки влияния фильтрации из Юмагузинского водохранилища на подтопление нижнего бъефа (рис. 13) речной долины при различных отметках его наполнения в процессе эксплуатации (УМО, НПУ, ФПУ) в условиях подпора от недостроенного Иштугановского гидроузла проведены соответствующие расчёты двумя способами - с использованием формулы Дюпюи и уравнения неравномерного плавноизменяющегося движения грунтовых вод.



Рисунок 13. Расчётная схема влияния фильтрации из Юмагузинского водохранилища на подтопление нижнего бъефа

Расчёт подтопления населённых пунктов (табл. 2) в районе Юмагузинского водохранилища был выполнен на основе разработанного алгоритма и компьютерной программы расчета. Цифры со знаком минус показывают на какой глубине (в метрах) от поверхности земли располагаются грунтовые воды, а плюсовые значения показывают величину подтопления в центре населенных пуктов. Результаты расчета сравнивались с результатами моделирования методом ЭГДА по оригинальной методике, разработанной автором. Анализ результатов расчета и моделирования методом ЭГДА свидетельствует об удовлетворительной сходимости данных.

Проведённые исследования позволили разработать общую методику исследований и расчётов подтопления нижнего бьефа водохранилищ и оценки влияния противофильтрационных устройств грунтовых плотин на общую картину движения грунтовых вод в районе водохранилища.

Таблица 2. Результаты определения подтопления населённых пунктов в нижнем бъефе Юмагузинского водохранилища

В седьмой главе рассматривается новый способ расчета земляной плотины с ядром трапецеидального сечения, предложенный совместно с К.Н. Анахаевым и Б.Х. Амшоковым (рис. 14).

Рисунок 14. Расчётная схема грунтовой плотины с трапецеидальным ядром

Для замены трапецеидального ядра эквивалентным в отношении расхода ядром постоянной толщины использована зависимость

, (28)

где - глубина воды в верхнем бьефе, к которой приравнивается также глубина воды на верховой грани ядра в связи с незначительностью потерь напора в верховом клине грунтовой плотины с ядром; h₂ - глубина воды на низовой грани ядра; и - толщины эквивалентных ядер при приведении трапецеидального ядра с заложениями верховой 1 и низовой 1 граней к прямоугольному, для случаев > 0, = 0 и = 0, > 0,

...