Анализ инженерных решений по снижению фильтрационных потерь воды из каналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 626.823.4:502.7

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати

АНАЛИЗ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ ВОДЫ ИЗ КАНАЛОВ

Игликов А.А.

Маликтайулы М.

Часть забираемой из источника воды при прохождении по оросительным каналам теряется на фильтрацию через дно и откосы каналов, на испарение с водной поверхности, на утечку при авариях и неисправностях в системе. Эти потери, если не вести борьбу с ними, могут достигать 50…60% количества воды, поступающего из источника орошения. Это приводит к сокращению площади орошаемых земель; повышает уровень грунтовых вод, тем самым способствуя заболачиванию и засолению почвы, при просадочных грунтах - к деформациям канала и разрушению сооружений, в горных условиях - к опасным обрушениям и селям; снижению КПД системы, следовательно, увеличению водозабора, размеров головного сооружения и площади поперечного сечения каналов; увеличивают строительные и эксплуатационные затраты.

Различают две стадии фильтрации: свободную и с подпором (рисунок). При несвободной фильтрации с подпором фильтрационный поток из канала соприкасается с грунтовым потоком и подпирается им [1].

1 - начальный уровень грунтовых вод; 2 - граница растекания; 3 - фронт движения зоны промачивания; 4 - капельный поток.

Виды фильтрации воды из каналов

Потери воды вследствие фильтрации в необлицованных каналах могут быть значительными. Опытом эксплуатации установлено, что в энергетических необлицованных каналах с расходом воды от 30 до 100м3/с и при наличии грунтов средней проницаемости фильтрационные потери на 1км длины канала могут составлять 0,2-0,5% от расчетного расхода. Поэтому с потерями воды из каналов ведут систематическую борьбу.

Для борьбы с фильтрационными потерями на оросительных системах применяют целый комплекс мероприятий, а именно:

- эксплуатационные мероприятия: круглосуточный полив без сброса воды из каналов и на полях; непрерывная работа каналов или тактами в таком сочетании, при котором суммарные потери воды наименьшие; своевременный ремонт и очистка каналов от наносов и сорной растительности; работа каналов без излишней форсировки расходов и без больших подпоров. При правильной организации водопользования, недопущений потерь воды на полях и введении круглосуточных поливов (T=t) КПД системы зависит от потерь воды в одновременно работающих каналах;

- строительные мероприятия: максимальное сокращение длины каналов; устройство каналов, поперечное сечение и продольный профиль которых дают минимальные потери воды; уменьшение коэффициента фильтрации грунта ложа и каналов; устройство антифильтрационных одежд и водонепроницаемых экранов, закрытых и лотковых оросительных сетей;

- противофильтрационные мероприятия применяют для уменьшения потерь воды на фильтрацию из оросительных каналов, когда КПД оросительной системы оказывается ниже заданного или каналы проходят в грунтах с высоким коэффициентом фильтрации (более 0,1 м/сут). Для борьбы с фильтрацией воды из каналов служат: противофильтрационные одежды каналов из монолитного бетона, железобетонных плит, асфальтобетона, камня, глины; водонепроницаемые экраны под каналами из полимерных пленок (пленочно-грунтовые, бетонно-пленочные и др.), глины и суглинка, бентонитовых глин и др.; уменьшение коэффициента фильтрации путем естественной и искусственной кольматации канала, глубокого и мелкого уплотнения грунта, нефтевания, солонцевания, оглеения и механического диспергирования грунта и т.п. Противофильтрационные мероприятия выбирают в зависимости от сочетания гидрогеологических условий, протяженности канала, фильтрационных свойств грунта, величины требуемого снижения потерь и наличия местных материалов;

- бетонные и железобетонные одежды наиболее широко применяют для борьбы с потерями воды на фильтрацию из каналов всех размеров, предохранения русла от размыва и зарастания;

- основание облицовки должно быть достаточно устойчивым и надежным. В зависимости от гидрогеологических условий его подготавливают путем замачивания присадочных и неплотных грунтов, уплотнения насыпных и материковых грунтов, планирования откосов и дна, устройства специальных подготовок и дренажа, обработки грунтов гербицидами;

- сборные железобетонные плиты применяют в однослойных и многослойных противофильтрационных одеждах, если применение сборного железобетона целесообразно по данным технико-экономических обоснований; если требуется облицовка повышенной долговечности; при строительстве в безводных районах с высокими температурами, где устройство качественных облицовок из монолитного бетона трудно; при наличии баз строительной индустрии и для ликвидации сезонности строительства; при строительстве в труднодоступных и малоосвоенных районах;

- при устройстве экранов из полимерных пленок целесообразно в качестве защитного слоя использовать грунт или железобетонные плиты, которые укладывают по водонепроницаемой пленке. Многослойные одежды с гидроизоляционным слоем применяют на ответственных участках канала, где не допускается увлажнение грунтов, и одновременно требуются повышенные запасы устойчивости и прочности. В качестве материала для заполнения швов используют битумную мастику, герметик на основе жидких тиоколов, герметик на эпоксидно-тиоколовой основе, применение которого обеспечивает водонепроницаемость швов и необходимую эластичность стыков для бетонных и железобетонных плит;

- одежды из битумных материалов делают в виде поверхностной облицовки каналов и скрытых экранов. Поверхностные облицовки устраивают в виде сплошного покрытия на дно и откосы канала слоем асфальтобетона (толщиной 3…8см), нагретого до 140°С, с последующим уплотнением его до объемной массы 2,2 т/м3;

- экраны из полимерных пленок толщиной 0,2…0,6мм применяют в грунтах, в которых необходимо выполнять противофильтрационные мероприятия. Пленочные экраны устраивают только закрытыми по траншейной, периметрической и комбинированной схемам. Траншейную схему применяют в связных и песчаных грунтах; периметрическую - при укладке экрана на откосы в любом грунте, причем на щебенистых грунтах пленку укладывают на подготовку из мелкозернистого грунта; комбинированную схему используют для крупных каналов, где волны могут разрушать откосы.

Эффективность данных мероприятий в разных условиях различна и определяется, с одной стороны, комплексом природных условий, с другой - техническими особенностями самих мероприятий.

К настоящему времени накоплен большой опыт проектирования, строительства и эксплуатации облицованных каналов, сети трубопроводов и лотков. Значительно меньше опыт применения экранов и других более дешевых видов мероприятий. Однако в Казахстане опыт применения всех противофильтрационных мероприятий все еще очень мал.

На сегодняшний день в Казахстане на оросительных каналах в основном применяются бетонные и бетоноплёночные защитные покрытия, удельный вес которых составляет более 50% от всей протяжённости сети каналов. В качестве мероприятий по снижению фильтрационных потерь наибольшее распространение получили облицовки из монолитного и сборного железобетона с различной конструкцией деформационных швов. Наряду с уменьшением фильтрационных потерь воды из канала они позволяют защитить слабые грунты от размыва и тем самым повысить скорость течения и сократить живое сечение канала. В сравнении с другими видами покрытий они имеют большой срок службы, большую надежность и эффективность [2-4].

Бетонные и железобетонные облицовки являются самыми дорогими типами одежды каналов. Поэтому особое внимание следует уделять технико-экономическому обоснованию их применения.

Облицовка каналов из бетона или железобетона обычно устраивается на участках с коэффициентом фильтрации более 0,5 м/сутки практически на любых грунтах. Нежелательно применять бетонные облицовки на пучинистых и просадочных грунтах, на участках каналов с резкими колебаниями уровня воды, а также на участках каналов с выходом напорных грунтовых вод на откос канала.

Армированные (железобетонные) покрытия применяются в тех случаях, когда наряду с противофильтрационными свойствами, необходимо устройство прочного трещиностойкого крепления канала. Необходимо отметить, что во всех случаях использование монолитного бетона экономически выгоднее, чем сборного железобетона.

Анализ облицовок построенных каналов позволил установить, что для бетонных и железобетонных облицовок, как правило, предусматривается гидротехнический бетон, имеющий следующие параметры: RB 15...30 МПа (класс бетона В12,5-В25) F=100...200, W=4...8, осадка конуса (ОК) 3-10 см, объем эмульгированного воздуха до 4-6%.

При проектировании облицовок необходимо учитывать различные свойства бетона: прочность, морозостойкость, водонепроницаемость. При этом определяющим фактором являются обеспечение требуемой прочности с учетом технологии производства работ. Необходимая прочность бетонной облицовки определяется исходя из величины изгибающего момента и может быть достигнута либо при увеличении толщины облицовки, либо при применении бетонов более высоких классов. Поэтому при проектировании бетонных облицовок требуется решение технико-экономической задачи с целью определения ее оптимальных размеров. Для каналов с расходом до 50м3/с толщину облицовки из условия прочности рекомендуется принимать равной 8-10 см при бетоне В7,5, для более крупных каналов на основе технико-экономического анализа были определены оптимальные классы бетона при различной толщине облицовок каналов, значения которых приведены в таблице 1.

Для обеспечения долговечности бетонных покрытий каналов существенное значение имеет назначение класса бетона по морозостойкости. Для достижения сроков службы бетонных облицовок не менее 30 лет морозостойкость бетона должна быть F= 200-300. Такая морозостойкость может быть обеспечена при классе бетона по прочности на сжатие В12,5-15.

Для бетонных и железобетонных облицовок рекомендуется бетон с коэффициентом фильтрации Кф - (3...5) 10-5 см/с, этому вполне соответствует класс бетона по водонепроницаемости W-4, соответствующий при использовании бетону класса В12,5.

Таблица 1 Оптимальные классы бетонных облицовок

Однако согласно натурным испытаниям, фильтрация воды через бетонные облицовки не зависит от фактического класса бетона по водопроницаемости и составляет не более 5% общих фильтрационных потерь. Основной же объем потерь приходится на деформационно-осадочные швы и трещины. Таким образом, для уменьшения фильтрации в бетонных облицовках существенное внимание следует уделять вопросам уменьшения деформационных швов. Образование трещин зависит от способов укладки бетона и ухода за ним после укладки до приобретения проектной прочности, расстояния между швами, температурного режима твердеющего бетона и других факторов. Механизированная укладка бетонной смеси способствует повышению качества бетона в одежде каналов. Трещинообразование в бетоне в этом случае сокращается на 17-22% по сравнению с бетоном ручной укладки. Армирование монолитного бетона сеткой также позволяет снизить протяженность трещин на 20-25%. Безвлажный метод ухода за бетоном с применением пленкообразующих материалов обеспечивает лучшие условия для формирования бетона с проектной прочностью. Выбор рационального расстояния между деформационными швами также позволяет уменьшить трещинообразование. В каналах с глубиной наполнения до 1 м и толщиной облицовки 8 см расстояние между швами не должно превышать 4,0 м.

Для успешной работы всей облицовки большое значение имеет выбор типа уплотнения с учетом его эксплуатационных данных. В настоящее время разработано множество конструкций уплотнения швов бетонных и железобетонных облицовок.

В качестве мастик и герметика для заполнения деформационных швов в настоящее время широко применяют различного рода соединения на основе битума и полимерных материалов, в том числе битумные, битумно-полимерные, тиоколовые, полиизобутиленовые, эпоксидные и др. Их обязательными свойствами должны быть хорошая адгезия к бетону и сохранение эластичности в течение длительного времени и в различных условиях эксплуатации канала. В таблице 2 приведены натурные данные о противофильтрационных свойствах облицовок с заделкой швов различными герметиками. фильтрация армированный железобетонный облицовка

Согласно данным таблицы 2 бетонные покрытия позволяют существенно уменьшить фильтрационные потери из каналов, при этом наиболее эффективны облицовки со швами, герметизированными полимерными материалами и мастиками.

Таблица 2 Противофильтрационные свойства бетонных облицовок

Основными преимуществами асфальтобетона [2, 3] для использования его в качестве противофильтрационных покрытий гидротехнических сооружений являются: высокая степень водонепроницаемости (коэффициент фильтрации асфальтобетона 10-7…10-9 см/с); пластичность, позволяющая применять его при деформируемых и просадочных основаниях без устройства температурных и осадочных швов; возможность изменения свойств материала в достаточно широком диапазоне путем изменения его состава; возможность применения для приготовления и укладки асфальтобетона обычных асфальтосмесительных установок и дорожных машин. Асфальтобетон может применяться как в монолитном, так и в сборном исполнении.

Стоимость асфальтобетонных облицовок ниже стоимости железобетонных в аналогичных условиях на 30-40%. Улучшение технических показателей асфальтобетонных покрытий возможно путем введения в конструкцию дополнительных элементов, в частности, армирования металлической сеткой, синтетическими материалами, или введения в битумное вяжущее синтетического каучука-латекса в количестве 3-4% к битумному вяжущему.

Эти мероприятия позволяют обеспечить отсутствие трещин при температуре до -50°С и оплывание покрытий при температуре до +70°С.

По опыту строительства для приготовления асфальтобетона рекомендуется применять естественный песок (круглый), водостойкий гравий (желательно кубической формы), разделенный как минимум на четыре фракции. Максимальная крупность гравия зависит от толщины покрытия и ограничивается 16 мм. В качестве наполнителя можно использовать минеральный порошок или портландцемент. Битум должен иметь плотность 60-80 единиц по периметру, его содержание в смеси 6-7% для монолитных экранов и 10-11% для сборных элементов.

Конструкция асфальтобетонных покрытий зависит от физико-механических свойств основания и требования к облицовке. Собственно асфальтобетонная облицовка представляет собой однослойное или многослойное покрытие из водопроницаемого гидротехнического асфальтобетона (коэффициент пористости 3%), укладываемого непосредственно на грунт основания или подготовку (выравнивающий или дренажный слой) толщиной 10-15 см. Толщина однослойного покрытия составляет 6-7 см, а для многослойного определяется расчетом. Для закрытия всех пор и защиты асфальтобетонного покрытия от действия ультрафиолетовых лучей на его поверхность наносится тонкий слой битумной мастики (примерно 5 мм), а затем посыпается песком.

На каналах, строящихся в предгорных участках рек, в результате разрушающегося воздействия песчано-галечниковых наносов происходит истирание бетонных облицовок, что не обеспечивает их долговечность.

Для защиты таких каналов созданы [3, 4] износостойкие защитные облицовки на основе полимеров, позволяющих увеличить технологичность строительства и уменьшить стоимость в сравнении с такими традиционными материалами, как отбеленный чугун, котельная сталь, естественный камень. Основные показатели физико-механических свойств полимерных бетонов приведены в таблице 3.

Как следует из таблицы 3, стойкость к износу полимерных бетонов в сравнении с обычным бетоном класса В25 выше в 10-15 раз.

Износостойкие облицовки рекомендуется устраивать из бетонополимерных плит, получаемых из обычных железобетонных плит в результате вакуумной пропитки стиролом (расход стирола 4,5-5% от объема плиты). Плиты укладываются на подготовку из мелкозернистого бетона класса В25 с образованием швов шириной 6 см. Для заполнения швов применяется полимербетон, который изготавливается в обычных бетоносмесителях путем добавления к бетону смолы ФАЭД-20 в количестве, равном 10% массы сухих составляющих смесей. Для улучшения сцепления полимербетона на боковых поверхностях бетонополимерных плит устраиваются V-образные пазы, благодаря чему образуется шпоночное соединение, препятствующее взаимному перемещению плит. Монолитность облицовки повышается и в результате сварки выпусков арматуры смежных плит.

Таблица 3 Физико-механические свойства полимерных бетонов

При выборе защитных противофильтрационных покрытий на оросительных каналах решающее значение имеет обоснование наиболее эффективных и экономичных конструкций применительно к конкретной трассе канала с учетом грунтовых, гидрогеологических и климатических условий. Для осуществления задач существенного улучшения эксплуатационных качеств защитных покрытий и возрастающие объемы строительства требуют постоянного увеличение расхода органических и минеральных материалов. В связи с этим особую актуальность приобретает расширение ресурсов органических вяжущих и минеральных материалов за счет использования различных отходов промышленности и местного сырья.

Использование промышленных отходов важно по ряду причин. Это обеспечивает производство богатым источником дешевого и, наряду с тем, уже подготовленного сырья, приводит к экономии капитальных вложений, предназначенных для строительства предприятий, перерабатывающих сырье, повышению их рентабельности, высвобождение значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнения окружающей среды. Поскольку объем промышленных отходов постоянно возрастает, одной из важнейших задач является последовательное повышение уровня их использования.

На основании вышеизложенного следует, что для создания различных вариантов защитных покрытий необходимо, прежде всего, иметь достоверные данные об их противофильтрационной эффективности и надежности в процессе эксплуатации, разработать методику расчетов по обоснованию параметров и выбору типа облицовок, комплексно разработать новые высокоэффективные и не дефицитные составы материалов противофильтрационных облицовок оросительных каналов. В связи с этим требуется разработка экспериментально-теоретических методов оценки водопроницаемости защитных покрытий оросительных каналов в условиях длительной их эксплуатации, основанных на фундаментальных работах в области фильтрации.

Литература

1. Зощенко А.Ф. Противофильтрационная эффективность облицовок каналов // Мелиорация и водное хозяйство. - М., 1988. - №5. - С. 25-27.

2. Шамантаев А.А. и др. Противофильтрационное покрытие на основе нефтебитумозных пород // Мелиорация и водное хозяйство. - М., 1988. - №12. - С. 21-22.

3. Сенников М.Н., Попов Ю.А. Облицовка каналов оросительных систем асфальтополимербетонными матами. //Актуальные вопросы проектирования, строительства и эксплуатации гидромелиоративных систем: сб.науч.тр. ДГМСИ. -Джамбул, 1991. -С.39-40.

4. Сенников М.Н. Инженерное обеспечение эксплуатационной надежности гидромелиоративных систем. Монография, - Тараз, 2004, 309 с.

Размещено на Allbest.ru