автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Обоснование рациональных конструкций противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений

На правах рукописи

ИЩЕНКО Александр Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность: 05.23.07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 3 СЕН 2010

Санкт-Петербург 2010

004608448

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Арефьев Николай Викторович ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

доктор технических наук Сельский Станислав Викторович ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

доктор технических наук, профессор Штыков Валерий Иванович ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация

ГНУ «Поволжский НИИ эколого-мелиоративных технологий»

Защита состоится 2010 г. в 10 часов

на заседании диссертационного совета ДМ 512.001.01 в ОАО «ВНИИГ им. Б.Ё. Веденеева» (Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21)

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева».

Автореферат разослан « О » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, -

старший научный сотрудник *7 //Т-В. Иванова

7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Существующие типы противофильтра-ционных устройств гидротехнических сооружений в виде облицовок каналов, экранов, противофильтрационных стенок, завес и ядер в ряде случаев недостаточно эффективны, что обусловлено несовершенством их конструкций, вероятностью трещинообразования или повреждения в процессе строительства и эксплуатации. В частности, в настоящее время в России объем потерь воды при транспортировке воды по каналам комплексного и мелиоративного назначения, составляет окало 8 км3/год. В соответствии с «Водной стратегией России на период до 2020 г.» предполагается вдвое уменьшить удельные потери при транспортировке за счет реконструкции систем водоподачи, устройства облицовки каналов, реконструкции оросительных систем.

Решение этих проблем невозможно без применения современных конструкций различных противофильтрационных устройств (ПФУ) в виде облицовок, экранов, противофильтрационных стенок и завес.

В связи с изложенным повышение эксплуатационной надежности ПФУ в конструкциях ГТС, которому посвящена настоящая работа, является актуальным.

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»;

фундаментальных и приоритетных исследований развития АПК РФ по заданию 03.02.02.03 «Разработать научно обоснованные мероприятия по безопасному функционированию и предотвращению загрязнения грунтовых вод и водотоков из накопителей сельскохозяйственных и промышленных отходов».

Степень разработанности проблемы в научной литературе. Общетеоретические, методологические и научно-практические исследования эффективности и надежности каналов, накопителей, их ПФУ и дренажа представлены в трудах отечественных и зарубежных специалистов: С.Ф. Аверьянова, А.Г. Алимова, К.Н. Анахаева, В.И. Аравина, Н.В. Арефьева, В.Н. Бухарцева, В.В. Ведерникова, H.H. Веригина, А.Л. Гольдина, В.Д. Глебова, В.Н. Жиленкова, И.М. Ёлшина, Ю.М. Косиченко, И.Е. Кричевского, Г.М. Ломизе, Ю.П. Ляпичева, Ц.Е. Мирцхулавы, В.П. Недриги, С.Н. Нумерова, H.H. Павловского, Л.Н. Рассказова, Д.В. Стефа-нишина, C.B. Сольского, О.М. Финагенова, P.P. Чугаева, В.И. Штыкова, В.Ф. Ван Асбека, Д. Брауна, Н. Дэскулеску, М. Хики, Г. Васкетги, А. Скуеро, Б. Джонса, Ф. Форхгеймера и др.

Для борьбы с фильтрацией из каналов и накопителей отходов в последние 30 - 35лет достаточно широкое применение нашли традиционные конструкции противофильтрационных устройств - бетонные, железобетонные, асфальтобетонные, грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Практика их применения показала, что наиболее эффективными из них являются грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Однако, они характеризуются недостаточной эксплуатационной надежностью вследствие частой повреждаемости тонкого пленочного элемента.

За рубежом (США, Чехия, Италия, Германия, Израиль, Египет, Франция, Португалия и др.) в отличие от России находят широкое применение геомембраны, представляющие собой полимерный рулонный материал из полиэтилена, бугилкаучука, битумно-полимерных композиций толщиной от 1 до 3 мм. Такие материалы по сравнению с плёночными, имеющими толщину до 0,2 - 0,3 мм, характеризуются большей долговечностью, значительным сопротивлением прокалыванию, высокой гибкостью и деформационной способностью.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и научное обоснование новых и совершенствование существующих конструкций противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений на основе комплексных экспериментально-теоретических исследований.

Для достижения цели решались следующие задачи: обобщить данные по оценке противофильтрационной эффективности и эксплуатационной надежности грунтопленочных и бетонопленоч-ных покрытий на каналах, водоемах и накопителях;

провести натурные исследования водопроницаемости и противофильтрационной эффективности бетонопленочных облицовок каналов и уточнить КПД действующих облицованных каналов;

развить теорию водопроницаемости противофильтрационных кон-стру и на ее основе разработать методику оценки эффективности облицовок оросительных каналов;

провести расчетную оценку противофильтрационной эффективности бетонопленочной облицовки с геомембраной;

выполнить исследования по обоснованию типов дренажа накопителей ПО и усовершенствовать методы их фильтрационного расчета;

разработать практические рекомендации по повышению эффективности ПФУ оросительных каналов, водоемов и накопителей ПО;

провести оценку влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе;

усовершенствовать существующие и разработать новые рациональные конструкции элементов противофильтрационных облицовок, экранов и дренажных устройств каналов, водоёмов и накопителей ПО.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования явились крупные каналы Ростовской области (ДМК, Бг-Р-7, Бг-Р-8) и Ставропольского края (БСК-3, БСК-4) и др.; золоотвалы (Новочеркасской, 2

Невинномысской, Несветай ГРЭС), шламоотвалы Новочеркасских (электродного, магнитного, синтетических продуктов) заводов; Юмагузинское водохранилище, водохранилище «Ростовское море» и др.

Предметом исследований являются противофильтрационные устройства на каналах, водоемах и накопителях промышленных отходов.

Выполненные исследования относятся к п.4 и п.6 Паспорта специальности 05.23.07- Гидротехническое строительство.

Теоретической и методологической основой работы послужили теоретические и экспериментальные, лабораторные и натурные исследования, включающие следующие методы:

фильтрационных расчетов, основанные на использовании способов фрагментов, фильтрационных сопротивлений и теории функции комплексного переменного;

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

физического моделирования задач фильтрации на экспериментальных установках;

натурных исследований водопроницаемости облицовок каналов. Основные положения, выносимые па защиту: результаты натурных исследований водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок ряда каналов юга России;

методика расчета водопроницаемости бетонопленочных и бетонных противофильтрационных облицовок каналов с применением пленочных материалов и геомембран и определения технического КПД облицованных каналов;

методика обоснования выбора рациональных противофильтрационных облицовок, позволяющая определять осредненные значения их коэффициентов фильтрации, удовлетворяющие требованиям экономичности;

результаты экспериментальных исследований по определению рациональной схемы противофильтрационной и дренажной защиты накопителей ПО;

конструктивные решения рациональных противофильтрационных облицовок каналов, дренажных устройств, инженерной защиты грунтовых вод от фильтрата из накопителей ПО, новизна которых защищена 15 авторскими свидетельствами и патентами;

методы фильтрационного расчета накопителей ПО с противофиль-трационными устройствами и оценки противофильтрационных свойств экранов при наличии нарушений сплошности в пленочном и в трунтовом противофильтрационном элементе;

методика оценки влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе;

рекомендации по повышению эксплуатационной надёжности противофильтрационных защит на каналах и накопителях отходов.

Научная новизпа заключается в следующем:

1. Разработаны и обоснованы новые и усовершенствованные конструкции бетоноплёночных облицовок каналов с применением защитных прокладок из геотекстиля и прогивофильтрационного элемента из геомембраны и грунтоплёночных экранов водоёмов и накопителей с применением геомембран. По ряду предложенных решений получены патенты и авторские свидетельства.

2. Разработана методика расчета водопроницаемости и получены аналитические зависимости для основных типов бетонопленочных облицовок каналов, позволяющие определять потери воды на фильтрацию из облицованных каналов и осуществлять их технико-экономическое сравнение.

3. На основе использования целевой функции затрат и риска повреждений противофильтрационного элемента установлен оптимальный уровень эффективности облицовок с плёночным экраном и геомембраной и разработан алгоритм выбора оптимального типа облицовок.

4. Разработан способ повышения противофильтрационной эффективности бетоноплёночных облицовок на действующих каналах за счёт инъекции подплитного пространства цеменгно-песчано-зольным составом.

5. Предложены конструкции дренирующе-разгрузочных устройств для облицовок, которые позволяют повысить их устойчивость за счёт предупреждения выпора плит при быстрой сработке уровня воды в канале.

6. Обобщены результаты натурных исследований по количественной оценке осредненных значений коэффициентов фильтрации противо-фильтрационных облицовок на действующих каналах.

7. Получены расчетные зависимости для определения параметров фильтрующего элемента в конструкции противофильтрационной стенки накопителей отходов и проведена теоретическая оценка противофильтрационной эффективности пленочных экранов рациональных и комбинированных конструкций и грунтовых экранов с учетом кольматации трещин.

8. Получены результаты экспериментальных исследований эффективности противофильтрационных устройств и накопителей ПО в условиях воздействия грунтового потока.

9. Дана оценка влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе.

Личный вклад.

Диссертационная работа является результатом более чем 20-летних (1986 - 2009 гг.) исследований автора, выполненных в отделе ITC ЮжНИИГиМа, на кафедре ГТС и в лаборатории моделирования фильтрационных процессов при кафедре гидравлики и инженерной гидрологии HTM А. Постановка задач исследований, их решение теоретическими и экспериментальными методами, анализ и обобщение полученных результатов осуществлены лично автором. 4

Автор принимал непосредственное участие в полевых исследованиях на каналах БСК-3, БСК-4, ДМК, АзМК, Бг-Р-7, Бг-Р-8, Юмагузин-ском водохранилище, регулирующем водохранилище «Ростовское море», накопителях промышленных отходов и золоотвалах Новочеркасской ГРЭС, Невинномысской ГРЭС, Несветай ГРЭС и др. В проведении некоторых экспериментальных и теоретических исследований принимали участие аспиранты Т.А. Капустина, А.Ф. Апальков, Е.О. Скляренко, которые под руководством автора защитили кандидатские диссертации. При постановке ряда задач, рассмотренных в настоящей работе, и подготовке диссертации автор получил ценные советы и научные консультации от ведущих учёных НГМА, РосНИИПМ, КБГСХА, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» и МГУП.

Практическая значимость работы:

1. Предложены новые и усовершенствованные конструкции и способы повышения эффективности противофильтрационных облицовок и экранов каналов и накопителей.

2. Получены количественные оценки водопроницаемости основных типов противофильтрационных облицовок каналов и рекомендуемые допускаемые значения их осредненных коэффициентов фильтрации, характеризующие оптимальный уровень надёжности облицовок.

3. Разработаны практические рекомендации по повышению эффективности и надежности бетонопленочных облицовок крупных каналов, в том числе, включены в нормативные документы.

4. Результаты исследований апробированы и внедрены в течение 1986 - 2008 гг. на 16 мелиоративных и гидротехнических объектах (каналах, плотинах и накопителях промышленных отходов).

5. Применение разработок автора способствует повышению экологической устойчивости природных систем.

6. Суммарный фактический и ожидаемый экономический эффект составил около 40,0 млн руб в ценах 2001 - 2008 гг.

Апробация результатов. Результаты исследований автора по теме диссертации докладывались на 15 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на научно-технической конференции ЮРГТУ (НПИ) «Проблемы строительства и инженерной экологии» (Новочеркасск, 2000), конференции, посвященной 100-легию 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 У А АН (Киев, 2004), в СПбГПУ и ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Санкт-Петербург, 2004,2009, 2010), на научно-практическом семинаре в РосНИИПМ «Обеспечение безопасности ГТС мелиоративного назначения» (Новочеркасск, 2006), на научно-практическом семинаре «Безопасность гидротехнических сооружений» в

5

МГУП (г. Москва, 2007), на Международной научно-практической конференции «Строительство-2008-2010» РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2008-2010), на научно-практической конференции «Инновационные технологии повышения эффективности мелиоративных систем и безопасности гидротехнических сооружений» ПНИИЭМТ (г. Волгоград, 2010) и др.

Основные положения диссертации отражены в двух монографиях: «Повышение эффективности и надёжности противофильтрационных облицовок оросительных каналов» и «Обеспечение фильтрационной безопасности и эффективности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений» общим объемом 28,3 п.л.; а также в научных статьях и изобретениях объемом более 42 п.л., в том числе автора 25 п.л.

Общий объем публикаций автора составил 53,3 п.л.

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.

Достоверность результатов подтверждается результатами экспериментальных и натурных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 350 страниц. Материал диссертации содержит 36 таблиц, 64 рисунков и 4 приложения. Список литературы состоит из 227 наименований, в том числе 29 - иностранных авторов.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 74 научные работы, из них в изданиях, рекомендованных ВАК - 12; монографий, учебных пособий и нормативно-методических изданий - 7, авторских свидетельств на изобретения и патентов - 15.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность работы, ее научная новизна и практическая ценность, формулируются цель и задачи исследований, выносимые на защиту положения.

Глава 1 посвящена исследованию современного состояния проблемы повышения эксплуатационной надёжности ПФУ (облицовок, экранов, противофильтрационных стенок, завес и ядер) в конструкциях существующих и строящихся ГТС. Выявлены основные преимущества и недостатки различных противофильтрационных мероприятий.

Выполненный обзор научно-технической литературы в области ПФУ ГТС показал, что повышение их эксплуатационной надежности невозможно без применения рациональных конструкций, современных материалов и технологий. 6

В главе 2 представлены результаты натурных исследований по количественной оценке нарушений, повреждений и водопроницаемости противофильтрационных облицовок на действующих каналах.

Под руководством автора в течение 1986 - 2008 гг. 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.

В результате обследований состояния бетонопленочного защитного покрытия на ряде каналов Багаевско-Садковской ОС, БСК (2,3,4-й очередей) установлено, что в процессе строительства и эксплуатации наблюдается трещинообразование защитного покрытия каналов (рис. 1,а), при этом наиболее распространены нитяные трещины (50-55 %), затем трещины шириной раскрытия 1 - 2 мм (25 - 27%), 2 - 4 мм (12 - 15%), 4 - 6 мм (5 - 6%) и трещины шириной раскрытия 6 - 8 мм (2 - 3%).

......... ................ ■И-Ы-Г--

^ЯНРНЯНВН Шт

■ _

до 1мм 1-2мм

4-бмм 6-Smm

диаметр повреждений

1-2мм 2-Змм 3-5мм 5-8мы. 9Л0мм

Рис. 1. Графики распределения трещин в защитном покрытии и повреждённости плёночного экрана бетоиоплёночяых облицовок каналов: а - по размерам трещин в

защитном бетонном покрытая; б-по поврежденности плёночного экрана (%); в - по размерам повреждений пленочного экрана

При обследовании ряда каналов (БСК-3, БСК-2, Бг-Р-7, Бг-Р-5, Бг-Р-8) автором установлена средняя повреждённость плёночного экрана облицовок (рис. 1,6) в пределах 0,011-0,045%, а распределение по размерам повреждений плёночного элемента на БСК-3 (рис. 1,в): 1 - 2мм - 56%; 2 -3 мм - 38%; 3-5мм - 6%. По данным Укргипроводхоза (А.Ф. Зоценко) на

7

канале Р-2-2 Каховской ОС распределение повреждённости плёночного экрана изменялось от 0,010 до 0,036% и в среднем составило на 1 м2 -7 повреждений диаметром от 1 до 10 мм.

Анализ натурных данных фильтрационных потерь и осредненных коэффициентов фильтрации бетоноплёночных облицовок (табл. 1) для ряда каналов (ЛКХ-1, ЮР-18-1, БСК-3) показал, что они не превышали допускаемые значения к!^ - по «Руководству» Союзводпроекта ВТР-П-7-75 и СНиП 2.06.03-85.

Таблица 1

Натурные данные фильтрационных потерь из каналов и значений осредненных коэффициентов фильтрации и эффективности бетоноплёночных облицовок

Наименование канала Тип облицовки Фильтрационные потери, л/(сут.-м2) Коэффициент фильтрации ОблИЦОВКИ А'обл, 10"6 см/с Эффективность облицовки Г|э

Магистральный канал Большой Волгоградской ОС б\п, сб/м 54140 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 Багаев-ско- Садковской ОС Ростовской обл. б/п, сб 2,75-39,83 2,94-8,66 ид

Куйбышевский об-воднительно-ороси-тельный 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-, ЗХ-11, 4Х-1,2Х-8,1Х-6 Кисловской ОС б/м 25-84 4,6-14,6 2,6

Примечание: б/п - бетоноплёночная облицовка; сб/м - сборно-монолитная облицовка; м - монолитная облицовка; ж/б—пл—железобетонная пленочная облицовка.

Для таких каналов, как МК БВОС, КМК, Бг-Р-7, они оказались выше допустимых значений, что объясняется невысоким качеством их строительства и условиями эксплуатации.

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).

В главе 3 представлены разработанные автором рациональные конструкции противофилирационных облицовок с геомембранами для каналов, теоретическая модель их водопроницаемости и методика оценки водопроницаемости и эффективности различных конструкций облицовок.

Для выбора наиболее целесообразного типа облицовок при строительстве и реконструкции каналов предлагается алгоритм (рис. 2), который включает следующие этапы: определение исходных данных, в том числе тип канала, тип основания по устойчивости, выбор различных вариантов облицовок, технико-экономическое сравнение вариантов облицовок по целевой функции, включающий все затраты и ущербы от снижения эффективности и надёжности облицовки и определение наиболее целесообразного типа облицовки, исходя из минимума функции.

Для противофилырационной защиты крупных каналов (с расходом более 50 м3/с), предложена облицовка повышенной надёжности (рис. 3). 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, противо-фильтрационного элемента из геомембраны толщиной 1,0—2,0 мм.

Рис. 2. Алгоритм выбора противофильтращюнных облицовок при строительстве и реконструкции каналов

Она обладает повышенной водонепроницаемостью (с осреднен-ным коэффициентом фильтрации облицовки не более 10"8 см/с) и высокой долговечностью (до 75 - 100 лет).

Рис. 3. Облицовка каналов повышенной надёжности: 1 - покрытие; 2 - геотекстиль; 3 - геомембрана; 4 - канавка для отвода дождевых и талых вод

С целью повышения водонепроницаемости эксплуатируемых бе-тоноплёночных облицовок (через 3-5 лет после строительства) предлагается использовать усовершенствованный способ инъектирования под-плитного пространства цементно-песчано-зольным составом (рис. 4).

Рис. 4. Способ повышения водонепроницаемости бетоноплёночных облицовок каналов (по Ас. № 1281626 и № 1477819): 1 - плита; 2 - монолитная облицовка; 3 - полотнище; 4 - раствор; 5 - бетонный кубик с отверстием; 6 - шланг для подачи раствора; 7 -склейка; 8 - штукатурная станция; 9 - труба-инъектор; 10 - отверстие

Автором разработаны дренирующе-разгрузочные устройства доя облицовок (рис. 5), которые позволяют повысить их эффективность за счет предупреждения выпора плит при быстрой сработке уровня воды в канале.

Разработанные рациональные конструкции облицовок и их дренирующих устройств, внедрены в проект на первой очереди реконструкции ДМК и при эксплуатации третьей очереди БСК.

Для оценки оптимального уровня эффективности противофильт-рационных облицовок автором предлагается целевая функция, основанная на минимизации суммы затрат и риска, связанного с возможными повреждениями противофильтрационного элемента.

Рис. 5. Дренирукнце-разгрузочные устройства облицовок каналов:

а-клапан конусной формы по A.c. № 1477818; б — с выпускными отверстиями в плите по A.c. № 1430447: 1 - железобетонная плита; 2 - клапан; 3 - сетка;

4 - стеклоткань; 5 - решетка; 6 - напорные грунтовые воды

Целевая функция в общем случае включает первоначальную стоимость облицовки, вероятность отдельных повреждений пленочного экрана и защитного покрытия, а также ущерб, вызванный повреждениями экрана и защитного покрытия за срок службы облицовки т0:

С, =vJcof+f±P3Kiyhf + ±f]Р^,УгХ 0)

(. i=i ¡=i ' J

при ограничениях:

п> О *о>° С0> 0 ieI jej feF

> ! > > 5 >

где Cof - первоначальная стоимость облицовки варианта /; Рзэ^ - вероятность отдельных повреждений плёночного экрана / в срок эксплуатации J для варианта облицовки /; РзаЩш ~ вероятность разрушений и деформаций защитного покрытия i в срок эксплуатации j для варианта облицовки f; Ууу - ущерб, вызванный повреждением i в срок эксплуатации j для варианта облицовки /; п - число повреждений плёночного экрана; т0 - общий срок службы облицовки; к - число деформаций и разрушений защитного покрытия / в срок эксплуатации j для варианта облицовки /.

Проведенные расчеты осредненных коэффициентов фильтрации облицовок позволили установить оптимальные интервалы значений ко-

эффициентов фильтрации различных типов бетонопленочных облицовок (рис. 6).

Как следует из проведенных расчётов, наименьшими значениями осредненных коэффициентов фильтрации при оптимальном уровне эффективности должны обладать бетонопленочные облицовки с применением геомембран, которые и следует считать в настоящее время самыми эффективными с точки зрения уменьшения потерь воды на фильтрацию.

Рис. 6. Выбор оптимальных значений коэффициентов фильтрации бетонопленочных облицовок: 1 - сборных; 2 - сборно-монолитных; 3 - монолитных;

4 - повышенной надежности с геомембранами

Так, при расчетном коэффициенте фильтрации бетопленочных облицовок повышенной надежности с геомембранами, равном (0,5 - 1,0)10"8 см/с, они обеспечивают снижение потерь на фильтрацию по сравнению с традиционными бетоноплёночными облицовками минимум в 30 - 150 раз.

Соблюдение указанных значений осредненных коэффициентов фильтрации облицовок обеспечит высокую их противофильтрационную эффективность и КПД оросительных каналов до значений 0,97 - 0,99.

Так как в процессе строительства бетонопленочных облицовок как традиционных с пленочным элементом, так и с геомембраной возможны механические повреждения противофильтрационного элемента при его укладке или устройстве защитных покрытий для оценки их эффективности разработана гидравлическая модель водопроницаемости. Особенностью расчета водопроницаемости бетоноплёночных облицовок является то, что движение фильтрационного потока через них проходит не сплошным фронтом, а лишь локально в очагах, вызванных наличием повреждений и дефектов как в противофильтрационном элементе (пленке, геомембране), так и бетонном защитном покрытии. В качестве основных расчетных форм нарушений сплошности защитных бетонных покрытий принимаются узкие сквозные прямоугольные трещины с гладкими или шероховатыми стенками, разрушенные швы значительной ширины пря-

моугольной формы. Расчетными формами нарушений пленочных экранов принимаются: прямолинейные протяженные щели (повреждения), а для геомембран - круглые отверстия небольшого диаметра (проколы). Повреждения противофильтрационного элемента под защитным покрытием устанавливаются методом электропрофилирования.

При расчете водопроницаемости противофильтрационных облицовок, включающих защитное бетонное покрытие и противофильтрацион-ный элемент, используются следующие допущения:

1) движение фильтрационного потока считается установившимся и подчиняющимся закону Дарси и может носить плоский и пространственный характер в зависимости от вида повреждений и их расположения;

2) повреждения противофильтрационного элемента (экрана из плёнки или геомембраны) имеют случайный характер и подчиняются пуассонов-скому закону распределения для редких событий по площади облицовки ;

3) фильтрация через нарушения защитного покрытая и повреждения пленочного экрана носит локальный характер.

Для оценки водопроницаемости бетоноплёночных облицовок примем следующую расчетную фильтрационную схему (рис. 7): под действием напора воды происходит движение фильтрационного потока через трещины и разрушенные швы в бетонном покрытии, а также через сам бетон в пространство между облицовкой и пленкой и далее по свободным ходам фильтрации между подошвой бетонной облицовки и пленкой к повреждениям экрана, которые, как правило образуются из-за неравномерной просадки грунта основания.

Рис. 7. Расчетная схема водопроницаемости бетонопленочной облицовки: 1 - бетонное покрытие; 2 - пленочный экран; 3 - трещины в бетонном покрытии; 4- разрушенные швы; 5 - повреждения в пленке или геомембране; б - свободные ходы фильтрации в подплитном пространстве; 7 - область фильтрации в грунте основания под облицовкой; 8 - кривые свободной поверхности (депрессии)

При этом между бетонной облицовкой и пленочным экраном под трещинами облицовки и в местах повреждений пленочного экрана устанавливается некоторый остаточный напор Их.

Фильтрационные потери через бетонопленочную облицовку определяем как суммы локальных расходов через отдельные повреждения и дефекты защитного бетонного покрытия (трещины, разрушенные швы), бетон облицовки и через повреждения пленочного экрана.

Учтём в рассматриваемой модели облицовки вероятностный характер повреждения противофильтрационного элемента в виде пленочного экрана или геомембраны. Считая, что повреждения противофильтрационного элемента происходят случайно и являются достаточно редким событием на площади экрана примем его распределение подчиняющиеся закону Пуассона:

отсюда после преобразований и логарифмирования число повреждений противофильтрационого элемента на площади Рй будет равно

щ^р^Ы^-, (3)

Рт\

где V - средняя частота повреждений экрана (элемента) на площади /о; т - количество событий (повреждений); Р — вероятность того, что на площади ^о произойдет т событий.

Для определения осредненного коэффициента фильтрации облицовки с учетом случайного характера повреждений противофильтрационного элемен-та в виде плёночного экрана получена следующая формула

= пкж+н^ (й0 + 50)^АгзЬ(1/л/а^Т) Рт\ ■

Расчетная зависимость коэффициента фильтрации бетоноплё-ночной облицовки для условий осесимметричного характера движения потока при наличии малых отверстий (проколов) в противофильтрацион-ном элементе в виде геомембраны с учетом случайного распределения повреждений имеет вид

,, = ¿ШК+ЫЬ ьШ. (5)

' (Л0 + 50)^0Аг3Ь(1/л/^Т) Ли! '

где ¿о - коэффициент фильтрации грунта основания; Ьх- напор в месте повреждения пленочного экрана; Нк - капиллярный вакуум грунта основания; 1Щ ~ среднестатистическая длина повреждения экрана в виде ще-

лей; ао - расчетный параметр, определяемый в зависимости от табулированной функции ^(а0).

С учетом средней поврежденности геомембраны после соответствующих преобразований получаем

к' -

"обл _

пквпь0(\+нК)

г0п{Ъ, +50)Аг5Ь(1/л/а0 -1) Рт\ '

(6)

— со„

пов.ед.

— ~ п - средняя поврежденность геомембраны; юпов ед-

Л)

площадь единичного повреждения; п - общее количество повреждений, а0- параметр, определяемый из уравнения вида -^(ао) = —-;

(К+Нк)

г0 — среднестатистическое значение радиуса отверстия (прокола).

С другой стороны, данную задачу водопроницаемости бетонопле-ночной облицовки можно рассматривать с гидравлической точки зрения как систему различных гидравлических сопротивлений при движении фильтрационного потока через различные нарушения облицовки (рис. 8).

/'Л:-•■■.-■.>-У Г.'Л.

'.'•'•' 'Я'--•'^ "■>[

Рис. 8. Расчетная схема единичного свободного хода фильтрации через бетонопленочную облицовку: 1 - бетонное покрытие; 2 - пленочный экран, 3 - трещины в бетоне;

4 - ходы фильтрации; 5 — повреждения экрана

Модель водопроницаемости в гидравлической постановке для установившегося движения потока по свободному ходу фильтрации в под-плитном пространстве представляет собой - свободный ход потока по трещинам, подплитному пространству через повреждение экрана в грунтовое основание.

Расчетная схема водопроницаемости облицовки через систему гидравлических сопротивлений свободного хода фильтрации «трещина-подплитное пространство — повреждение экрана — грунтовое основание» позволяет составить гидравлическое уравнение движения фильтрационного потока и найти все потери напора. При этом примем следующие допущения: трещина облицовки является сквозной и не закольматиро-ванной, свободный ход фильтрации в подплитном пространстве криволинейный, взаимовлияние других трещин и свободных ходов фильтрации учитывается коэффициентом влияния кт, пленочный экран за счет давления фильтрационного потока в подплитном пространстве плотно прилегает к грунтовому основанию.

Кроме того, считаем, что движение фильтрационного потока по свободному ходу является установившимся напорным ламинарным или турбулентным. При ламинарном движении средняя скорость подчиняется закону Дарси.

Для решения данной задачи используем уравнение Бернулли аналогично известному решению В.Н. Жиленкова для клиновидной трещины. При этом рассматриваем единичный типовой фрагмент облицовки, включающий трещину, свободный ход в подплитном пространстве между нижней поверхностью плиты облицовки и экраном и повреждение в плёночном экране (см. рис. 8). За расчетные сечения выбираем сечение 11 по уровню воды в канале и сечение 2-2 в основании экрана в пределах области фильтрации через повреждение экрана на значительной глубине, где движение потока будет плавноизменяющимся.

Границы типового фрагмента 1-1' принимаются условно непроницаемыми. Для общности решения предполагается, что общий фильтрационный расход через облицовку будет равен сумме локальных расходов через систему трещин, который в свою очередь будет равен сумме расходов через систему отдельных повреждений пленочного экрана (геомембраны).

Применяя уравнение Бернулли к расчетному сечению потока 1-1 и выходному сечению потока в основании плёночного экрана под его повреждением 2-2 относительно плоскости сравнения 0-0, можно получить зависимость для определения пьезометрического напора по границе раздела пленки и подстилающего основания в следующем виде:

где У\.\ - средняя скорость потока в сечении 1-1; Уг-г - средняя скорость потока в сечении 2-2; а - коэффициент Кориолиса; /ц 2 - потери напора при движении потока между сечениями 1-1 и 2-2.

Потери напора при движении фильтрационного потока по свободному ходу определим как сумму местных потерь и потерь по длине 16

v2 V2 h V1

U —Г р I Г ход I 1 ^

Цвх 2Я 00 2g 1V 4Srp 2g

i v2 v2 h v2 (8)

+ X д | Г д , 1 "och f OCH

мд4бид 2g 2g'

где Спов, Свых - гидравлические сопротивления соответственно на вход, поворот и выход из свободного хода фильтрации; Яос„-

коэффициенты гидравлического трения в трещине, в свободном ходе подплитного пространства и при фильтрации в грунтовом основании; hrp - глубина сквозной трещины, соответствующая толщине облицовки (/¡тр =50); 1х - длина криволинейного свободного хода в подплитном пространстве; 5-^, 6Х0Д - ширина раскрытия трещины и ширина свободного хода в подплитном пространстве; /гос„- глубина грунтового основания до расчетного сечения 2-2 (Лосн ~ ßx); V^y^V^ - средние скорости движения потока на участках трещины, свободного хода подплитного пространства и грунтового основания; Вт - ширина зоны растекания фильтрационного потока в основании на бесконечность, определяется по формуле

ка Arch(l/y¡a0-l) '

или приближенно из соотношения = Р(й0 + 50 +НК),

где р = 0,2 +1,5 - коэффициент растекания фильтрационного потока в

зависимости от свойств грунта.

Коэффициенты гидравлического трения определяются по формулам Г.М. Ломизе.

Используя зависимости для удельного расхода через трещину и через повреждения пленочного экрана, найдем формулу для определения пьезометрического напора:

п =—--, .. -. (9)

гб3трАг51г(1/7ао-1) + 12(х50^71

С учетом зависимости потерь напора на выход из свободного хода фильтрации в основание получим расчетную зависимость для коэффициента сопротивления, учитывающую влияние грунтового основания:

где / - градиент напора в трещине, принимаемый в первом приближении, равным / = 1, во втором приближении - I = (/г0+50 -й,)/(80 +/,);

ц - динамическая вязкость воды.

Переходя от единичного типового фрагмента, включающего трещину, свободный ход и повреждение в экране, к системе трещин на площади облицовки Я,, используем уравнение неразрывности потока, пренебрегая в виду малости водопроницаемостью через бетон облицовки, в следующем виде

Щ "4

2 — ^пов.пл.' (] 1)

1=1 /=1

где ^ - удельный расход через каждую (-тую трещину облицовки;

#пов пл ~ удельный расход через каждое 1-тое повреждение пленочного

экрана; щ, щ -количество трещин и количество повреждений в экране.

Общий расход фильтрационного потока через облицовку на площади с учетом случайного распределения трещин и повреждений плёнки по закону Пуассона найдем по формулам:

для экрана из пленки с повреждениями в виде щелей

(у яд,,,

для экрана из геомембраны с повреждениями в виде отверстий-проколов

<Эо6п =4

/=1

~обл

= 1Ж =4

1п ; (12) Ли! * 7

Ли!

где -напор для единичной системы свободного хода фильтрации,

определяемый по формулам (7) и (8) с учетом коэффициента взаимовлияния системы свободных ходов

В табл. 4 для условий исходных данных БСК-3 приведено сравнение расчётных и натурных данных осредненного коэффициента фильтрации облицовки А^6л и коэффициента эффективности облицовки т]э для традиционной бетонопленочной облицовки с экраном из полиэтиленовой плёнки толщиной 0,2 мм, выполненной на III очереди БСК.

Таблица 4

Сравнение расчетных и натурных данных водопроницаемости и эффективности бетонопленочных облицовок на III очереди Большого Ставропольского канала

№ участка Пи- Расчетные данные облицовки с плёночным экраном Натурные Отклонение расчетных данных Расчетные данные облицовки с экраном из геомембраны

кеты к"' обл » бобл ' Л данные Кь от натурных К' лобл ' ^обл п

см/с м3/с е,% см/с м3/с

I 0-13 1,26-10* 0,0102 75,2 1,55-10"" -18,7 0,81-10"9 0,65-10"' 1,18-Ю4

II 13-37 0,62-10* 0,0092 153,9 0,73-10* -15,1 0,44-10"9 0,66-10"4 2,15-104

III 37-76 0,57-10* 0,0138 166,7 0,77-10"6 -26,0 0,56-10"9 1,14-Ю"4 2,02-Ю"4

IV 162225 3,11-10* 0,1215 30,6 2,41-10* +29,1 1,41-10® 5,51-Ю"4 0,67-1С4

V 247525 1,58-10"5 0,1293 60,3 1,17-Ю"5 +35,0 1,57-10'9 1,28-10"3 0,61-10*

1ЧРЮ=71'0 %«=9900

Примечание. Для V участка канала по натурным данным коэффициент фильтрации облицовки превышает значения других участков в 5-15 раз, что объясняется низким качеством строительства облицовки на этом участке.

Осредненный коэффициент фильтрации бетонопленочной облицовки рассчитывался с учетом вероятностного характера повреждения противофильтрационного элемента в виде пленочного экрана или геомембраны. Осредненный коэффициент фильтрации вычислялся по участкам: для пленочного экрана - по формуле (4), для геомембраны - по формуле (5).

Коэффициент эффективности облицовки определялся как отношение фильтрационного расхода из канала в земляном русле к потерям на фильтрацию из канала в облицовке. Натурные данные осредненных коэффициентов фильтрации облицовки на БСК-3 принимались по 5 участкам общей длиной 27,1 км на основании проведенных замеров методом точечных фильтромеров, которые устанавливались на облицовку в створе наблюдений в количестве до 10 - 15 приборов. Для исследования фильтрации через облицовку использовались фильтромеры, разработанные автором.

Анализ расчётных и натурных данных для облицовки с пленочным экраном позволяет сделать заключение об их удовлетворительной сходимости для принятых параметров повреждений облицовки и экрана.

Отклонение расчетных данных К'аЪп от натурных для рассмотренных 5 участков составляет от -26,0 до +35,0%. Коэффициент эффектив-

19

ности облицовки по участкам изменяется от 30,6 до 166,7 , а его средневзвешенное значение равно г|3с =71,0. Сравнение расчетных данных К'обп и 1% для облицовки с экраном из геомембраны с аналогичными данными для облицовки с пленочным экраном свидетельствует о существенном снижении Х'об1 практически на три порядка и повышении коэффициента эффективности г|, более чем на два порядка.

На основании разработанных теоретических моделей получены расчетные формулы для оценки водопроницаемости и эффективности основных типов противофильтрационных облицовок каналов (сборных, монолитных, сборно-монолитных бетонопленочных, бетонных и железобетонных), которые вошли в ряд нормативно-методических документов и справочников.

В главе 4 представлены усовершенствованные автором конструкции противофильтрационных экранов водоёмов и накопителях промышленных отходов и результаты экспериментальных исследований эффективности противофильтрационных и дренажных защит накопителей промышленных отходов в условиях воздействия грунтового потока.

В диссертации приведены основные показатели противофильтра-ционной надёжности грунтоплёночных экранов, водоёмов и различного рода хранилищ и накопителей отходов.

Проведенный анализ натурных данных противофильтрационной надёжности грунтоплёночных экранов водоёмов и накопителей показал, что для экранов из традиционной полиэтиленовой плёнки толщиной 0,2 -0,3 мм вполне вероятны повреждения как в период строительства, так и эксплуатации. Применение в конструкциях экранов геомембран из различных полимеров толщиной от 1,0 до 2,5 мм гарантированно обеспечит их высокий противофильтрационный эффект (на два-три порядка выше, чем для традиционной пленки) и практически полностью исключит фильтрационные утечки и загрязнение грунтовых вод.

Нами предложены рациональные конструкции комбинированных грунтоплёночных экранов (рис. 10), а также экранов повышенной водонепроницаемости, эффективность которых обеспечивается за счет использования кольматирования, сорбирования и «самозалечивания» отсыпанного поверх экрана слоя малопроницаемого грунта.

Для оценки противофильтрационной эффективности рациональных конструкций грунтоплёночных экранов рассмотрены расчетные схемы их водопроницаемости.

Расчетные формулы для конструкции экрана с защитным и подстилающим слоями из малопроницаемых грунтов получены на основе решения гидромеханической задачи методами конформных отображений и фрагментов. При этом учитывалось влияние слоя отложений промышленных отходов мощностью 50 с коэффициентом фильтрации кот.

При решении задачи предполагалось, что движение фильтрационного потока - установившееся и подчиняется закону Дарси, область фильтрации в защитном и подстилающем слоях является однородной с коэффициентами фильтрации соответственно к\ и к2, при этом соотношение коэффициентов фильтрации грунтовых слоев может быть к\ > к2, а их значения отличаются не более чем в 10 раз.

•.о .\*о : • о;

////////////¿¿¿¿. \о \ о\ - о .-.-о;, о

/// /// Ж

УУУ УУУ /УУ УУУ

д

тш тш "УО, УУУ УУ УУУ УУУ УУУ

Рис. 10. Схемы рациональных конструкций противофильтрационных экранов водоемов и накопителей: а, б-двухслойные комбинированные с дренажным слоем; в - однослойный грунтовый с кольматирукяцим слоем; г — однослойный грунтовый с сорбирующим слоем; д - однослойный грунтовый с самозалечивающим слоем: 1,4- защитный и подстилающий слои грунта; 2-уплотненный слой глинистого грунта; 3 -геомембрана; 5 - защитные прокладки; 6 - дренажный слой; 7 - кольматирующий слой из мелкозернистого песка; 8 - сорбирующий слой; 9 — самозалечивающий слой из бентонитовых глин

Область фильтрации с безнапорным потоком в подэкрановом основании заменяется напорным, соответствующим ширине зоны растекания потока на бесконечности I.

В результате решения данной задачи совместно с Е.О. Скляренко получена следующая общая формула действующего напора в сечении по линии щели в виде:

Я =Я—Агс!

1

йп(пт/21)

1п

165'

пт

АдгсЫ

1

зт(лт/2/)

(13)

где Я- напор (Я = й0 +50 + 5), м; /г0 - глубина воды в накопителе, м; 5о - толщина слоя отложений промышленных отходов, м; 8 — толщина защитного слоя экрана, м; 5'-приведённая толщина защитного слоя с

учетом отложений промотходов, вычисляемая как 8' - 5 + 50 —— > м; т

"'они

— ширина повреждения (щели) в плёночном элементе, м; / -ширина зоны растекания фильтрационного потока под экраном, определяемая как м; (3 - коэффициент, принимаемый по данным экспериментов Н.Г. Бугая (1978); \ - высота капиллярного поднятия для грунта основания, м; ¿1 - коэффициент фильтрации защитного слоя; к2 - коэффициент фильтрации грунта основания; котх - коэффициент фильтрации слоя отложений промотходов.

Эффективность конструкции экрана с защитным и подстилающим слоями из глинистого грунта в отношении снижения фильтрационных потерь через дефекты или повреждения в противофильтрационном элементе по сравнению с аналогичным экраном с песчаными слоями при А, = к2, 5' = 5, и I >25' выразится следующей зависимостью:

„ к\ ( 6457 ^ /, (^1285,5,1 Э«—1п / 1п 12 , (14)

к Ця/иГ)! I. (™у

где к!, к?1 - коэффициенты водопроницаемости через щель для первой и второй конструкции экрана соответственно.

Согласно выполненным расчетам, применение комбинированных конструкций снижает фильтрацию через возможные повреждения по сравнению с традиционной конструкцией более чем в 50 раз.

В работе также рассмотрены вопросы оценки противофильтраци-онной эффективности грунтовых экранов накопителей промышленных отходов с учетом «самозалечивания» трещин.

Используя коэффициент эффективности грунтового экрана П1 = Чэ/(я'э + 1тг) > где <7Э- удельный расход через грунтовый экран без трещин; д'э - то же при наличии сквозных трещин (щелей), но без их учета; дТР - удельный расход через трещину. Определяем коэффициент эффективности экрана с кольматирующим слоем по формуле

1Ъ =-7тЬ~ при дэ=кэЕ*^Ь.(1-т). (15)

Яэ Ятр э

Эффективность фунтового экрана с закольматированными трещинами по отношению к экрану с полыми незакольматиров энными трещинами находим через отношение коэффициентов их эффективности:

Э = л2/Л. -

На основании проведённых расчетов установлено, что прогавофильт-рационная эффективность грунтового экрана с закольматированными трещинами по сравнению с незакольматированными повышается на порядок. 22

Автором также разработан способ повышения эксплуатационной надёжности облицовки, которая обеспечивается дополнительной укладкой "самозалечивающего" слоя, например, из слоя цементно-песчано-зольной смеси, бентонитовой глины и др. (по A.c. № 1213118).

В результате провёденных экспериментальных исследований обоснована эксплуатационная надёжность рационального варианта инженерной защиты грунтовых вод от попадания загрязненного фильтрата из накопителей отходов (рис. 11), включающего направляющую проти-вофильтрационную стенку, горизонтальный перехватывающий дренаж и собирательную вертикальную скважину (приточный колодец).

Экспериментально установлено, что при разбивке площади котлована на зоны, фильтрационный поток необходимо перехватывать в первую очередь из IV зоны (рис. 11), которая характеризуется наиболее высокими выходными градиентами напоров, а соответственно и наиболее высокой концентрацией выноса вредных веществ. Эффективность комбинированного варианта противофильтрационной защиты по перехвату загрязненных грунтовых вод в сравнении с линейным рядом скважин достигает 40-50 %, а снижение затрат (за счет уменьшения количества скважин) обеспечивается на порядок.

I Чистый грунтовый поток 4м Загрязненный грутовый поток

Рис. 11. Схемы исследований эффективности противофильтрационных направляющих стенок с перехватывающим горизонтальным трубчатым дренажем: 1 - накопитель; 2 - направляющие стенки; 3 - вертикальная скважина; 4 - трубчатый дренаж; В,— ширина загрязнённого потока, А — точка раздела чистого потока с загрязнённым

Автором были исследованы фильтрационные характеристики загрязнённого грунтового потока при возможных авариях ПФЗ и их влияние на грунтовые воды из группы шламонакопителей АО «Новочеркас-

23

екая ГРЭС» и АО «Новочеркасский завод синтетических продуктов» и золоотвалов ОАО «Невинномысской ГРЭС» и Несветай ГРЭС.

Для защиты грунтовых вод от загрязнения, вследствие фильтрации из накопителей, за грунтовой дамбой автором предложена сплошная непроницаемая стенка вокруг накопителя, доведенная до водоупора с дре-нажно-разгрузочными окнами (патент № 2301862). Получены расчетные формулы, для вариантов размещения окон по высоте противофильтраци-онной стенки и обоснована эксплуатационная надёжность защиты грунтовых вод от загрязнения на первом этапе, при внезапной аварии экрана или ПФУ дамбы накопителя.

Разработана методика расчета надежности рациональных элементов противофильтрационных устройств в теле дамб (экраны, ядра, диафрагмы, стенки и цементационные завесы) для определения характеристик фильтрационного потока и проверки основных условий фильтрационной прочности грунта тела и основания грунтовой дамбы.

Выполнена оценка влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе.

Разработан алгоритм и компьютерная программа расчёта подтопления нижнего бьефа водохранилищ с использованием формулы Дюпюи и уравнения неравномерного плавноизменяющегося движения грунтовых вод (в диссертации приведён расчет на примере Юмагузинского водохранилища), которая может использоваться для решения подобных схем.

Для предотвращения потерь воды на фильтрацию из водохранилища «Ростовское море» на балке Камышеваха, с грунтопленочным экраном в работе предложена новая методика проверки целостности пленочного покрытия с применением эхолота Fish Finder 240 фирмы Garmin. В результате сканирования были определены возможные участки повреждения плёночного экрана.

Наблюдения, за водохранилищем в 2005 - 2008 гг. выявили значительные потери на фильтрацию, что может угрожать безопасности эксплуатации плотины. В связи с этим были разработаны мероприятия по ремонту пленочного экрана без опорожнения водохранилища.

В главе 5 предложен комплекс мероприятий и практических рекомендаций по повышению эксплуатационной надёжности противофильтрационных защит на каналах, водохранилищах и накопителях промышленных отходов, а также дана оценка технико-экономических показателей применения облицовок повышенной надёжности на каналах.

Изложены критерии выбора конструкции ПФЗ оросительных каналов, виды и технология ремонтно-восстановительных работ для каналов с бетонопленочными облицовками из сборных железобетонных плит, из монолитного бетона, асфальтобетона и контроль качества выполнения

операций по этим видам работ. Для оценки экономической эффективности применения бетонопленочных облицовок с геомембраной получены сравнительные технико-экономические показатели устройства различных вариантов каналов в расчете на 1 км (рис.12).

Рис. 12. Сравнительные технико-экономические показатели каналов в облицовке и в земляном русле (для разных типоразмеров)

Расчеты показывают, что стоимость строительства каналов с бето-нопленочной облицовкой повышенной надёжности с геомембраной толщиной 1-2 мм по сравнению с традиционной бетонопленочной облицовкой с полиэтиленовой пленкой толщиной 0,2 мм выше в среднем в два раза, а по сравнению с каналами в земляном русле с учётом необходимости создания дренажа для предотвращения подъёма уровня грунтовых вод ниже в 1,4 - 1,7 раза.

Однако, бетонопленочные облицовки повышенной надежности обеспечивают наиболее высокий КПД каналов до 0,99 при сроке их службы до 100 лег и более.

В то же время, КПД каналов с традиционной бетонопленочной облицовкой составляет 0,95 при сроке их эксплуатации до 50 лет.

С учетом чистого дохода от орошения дополнительной площади сэкономленной от потерь на фильтрацию воды и увеличения срока эксплуатации каналов экономический эффект от применения бетонопленочной облицовки повышенной надежности составит 15 - 20% от стоимости 1 км канала.

В таблице 5 приведены рекомендуемые конструкции бетоноплё-ночных облицовок при строительстве и реконструкции крупных каналов, которые обеспечивают высокий их КПД в пределах 0,96 - 0,99 и срок службы до 50 лет и более.

Таблица 5

Рекомендуемые конструкции бетонопленочных облицовок при строительстве и реконструкции крупных каналов_

Тип облицовки Тип основания Осредненный коэффициент фильтрации облицовки К0 6л, см/с КПД канала Срок службы, лет

Бетоноплёночные сборные из плит НПК Среднеустойчи-вые (слабопроса-дочные, слабопу-чинистые) Япр = 0,2-0,4м (0,5-1,0)х10"6 0,95-0,96 35-45

Бетоноплёночные сборно-монолитные с плитами НПК на откосах Тоже (0,3-0,5)х10"6 0,96-0,97 40-50

Бетоноплёночные сборно-монолитные с инъекцией цементным раствором в подплит-ное пространство Тоже (0,1-0,3)х10"6 0,97-0,98 Более 50 лет

Бетоноплёночные повышенной надёжности с применением геомембран Неустойчивые (просадочные, пучинистые) ДФ> 0,4 (0,5-1,0)х10"8 0,98-0,99 100 лет и более

В данной главе предложены варианты экранов для накопителей отходов, противофильтрационных направляющих стенок в грунте, способы залужения полигонов ПО, разработана структурная схема оперативного контроля технического состояния и анализа нештатных ситуаций для грунтовых дамб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных автором теоретических экспериментальных и натурных исследований разработан и обоснован комплекс технических решений, связанных с выбором рациональных конструкций противофильрационных устройств гидротехнических сооружений.

Основные результаты состоят в следующем:

1. На основании аналитического обзора исследований в рассматриваемой области установлено, что существующие типы противофильт-рационных устройств в виде облицовок каналов, экранов, противофильт-рационных стенок, завес и ядер в ряде случаев недостаточно эффективны, что обусловлено несовершенством их конструкций, вероятностью трещинообразования или повреждения в процессе строительства и эксплуатации.

2. Проведены обширные натурные исследования ряда каналов Ростовской области и Ставропольского края. Анализ полученных данных позволил оценить потери на фильтрацию, КПД, параметры водопроницаемости и трещиноватости облицовок каналов.

3. На основе использования целевой функции затрат и риска повреждений противофильтрационного элемента установлен уровень эффективности облицовок с пленочным экраном и геомембраной и разработан алгоритм выбора оптимального типа облицовок.

4. Для каналов, водоемов и накопителей промышленных отходов предложены новые, а также усовершенствованные конструкции проти-вофильтрационных облицовок и экранов повышенной надёжности с применением геомембран толщиной 1,0 - 2,5 мм, обладающих высокой сопротивляемостью прокалыванию и обеспечивающих наибольший проти-вофильтрационный эффект.

5. С целью повышения водонепроницаемости эксплуатируемых бетонопленочных облицовок каналов усовершенствован способ инъекти-рования подплитного пространства цементно-песчано-зольным составом, который позволяет обеспечить снижение коэффициента фильтрации облицовки до 10 раз.

6. Автором разработаны дренирующе-разгрузочные устройства для облицовок каналов на участках с высоким уровнем стояния грунтовых вод, которые позволяют предупредить выпор плит при резком сбросе воды в канале.

7. Предложена гидравлическая модель водопроницаемости бетонопленочных облицовок каналов в гидравлической постановке с учетом различных гидравлических сопротивлений при движении фильтрационного потока через свободный ход "трещина - подплитное пространство -повреждение экрана - грунтовое основание". Модель учитывает случайный характер их распределения по площади облицовки как для редких событий по закону Пуассона.

Разработана методика расчета водопроницаемости и технической эффективности основных типов противофильтрационных облицовок каналов (бетонопленочных и бетонных), основанная на определении осред-ненного коэффициента фильтрации облицовки.

8.Сравнение расчётных данных для облицовки с экраном из гео-мембраны^е натурными данными бетоноплёночной облицовки с пленочным экраном на канале БСК-3 свидетельствует о существенном снижении осредненного коэффициента фильтрации облицовки практически на три порядка и повышении коэффициента эффективности более чем на два порядка.

Анализ отечественных и зарубежных исследований позволяет заключить, что срок службы традиционных конструкций бетоноплёночных облицовок с применением полиэтиленовой пленки до 50 лет, а при использовании геомембран увеличится до 100 лет и более.

9. Разработан способ расчета фильтрации из накопителя промышленных отходов с грунтовой плотиной, горизонтальным дренажем и окнами из фильтрующего материала в противофильтрационной стенке и рассмотрены расчеты по оценке противофильтрационной эффективности пленочных и грунтовых экранов накопителей промышленных отходов.

10. Проведены экспериментальные исследования эффективности применения дренажной и противофильтрационной защиты для котлована с золоотходами на примере Новочеркасской ГРЭС, на основании которых предложен комбинированный вариант, включающий направляющие про-тивофильтрационные стенки и перехватывающий горизонтальный дренаж.

И. Разработана методика оценки влияния противофильтрацион-ных устройств на подтопление территорий в нижнем бьефе водохранилищ. Разработанная методика использована в проекте Юмагузинского водохранилища при оценке эффективности противофильтрационных устройств в теле и основании каменно-земляной плотины для различных неблагоприятных случаев.

12. Для оценки эксплуатационной надежности противофильтрационных устройств в грунтовых плотинах и дамбах предложена методика расчёта фильтрационной прочности грунтовых плотин с малопроницаемым ядром и противофильтрационной завесой в основании, которая позволяет рассчитывать необходимые характеристики фильтрационного потока и проверить основные условия фильтрационной прочности грунта их тела и основания.

13. Разработан комплекс мероприятий и практических рекомендаций по повышению эффективности и надёжности противофильтрационных устройств на каналах, водоемах и накопителях отходов, проведению наблюдений на грунтовых плотинах и дамбах с ПФУ для оценки нештатных ситуаций и выявления возможных нарушений их работоспособности, экономический эффект от внедрения в производство составил около 40,0 млн руб.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Научные работы, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах (по перечню ВАК РФ)

1 .Ищенко, A.B. Исследования эффективного варианта защиты от загрязнения грунтового потока золошлаковыми отходами Новочеркасской ГРЭС/ Ю.М. Косиченко, А.З. Абуханов, A.B. Ищенко и др.// Изв. вуз. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2001. -№ 2. - С. 96 - 100.

2. Ищенко, A.B. Прогноз влияния Юмагузинского водохранилища на подтопление населённых пунктов в речной долине/ Ю.М. Косиченко,

B.JI. Бондаренко, А.З. Абуханов, A.B. Ищенко и др.// Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки - 2003. - № 4. С. 62 - 67.

3. Ищенко, A.B., Скляренко Е.О. Исследование взаимодействия чистого грунтового потока и загрязненного фильтрата из золоотвала // Изв. вузов Сев.- Кавк. регион. Техн. науки - 2005. - № 4. - С. 116-117.

4. Ищенко, A.B., Вишневский В.В. Расчеты и исследования аварийных ситуаций противофильтрационных устройств каменно-земляной плотины// Водное хоз - во России: Проблемы, технологии, управление. -Екатеринбург, 2005. - Т. 7. - № 4. - С. 415 -428.

5. Ищенко, A.B. Анализ потерь на фильтрацию и КПД крупных облицованных каналов // Водное хоз - во России: Проблемы, технологии, управление. - Екатеринбург, 2006. - № 1. - С. 53 - 61

6. Ищенко, A.B. О фильтрационном расчёте земляных плотин с ядром/ К.Н. Анахаев, Б.Х. Амшоков, A.B. Ищенко // Гидротехническое слр - во. - 2006. - № 5. - С. 26 - 34.

7. Ищенко, A.B. Фильтрационный расчёт земляной плотины с комбинированным дренажем / К.Н. Анахаев, P.A. Ляхевич, A.B. Ищенко// Гидротехническое стр - во.- 2006. - № 1. - С. 35 - 38.

8. Ищенко, A.B. Теоретическая модель водопроницаемости бето-ноплёночного противофильтрационного покрытия канала // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2007. - № 1. - С.93 - 98.

9. Ищенко, A.B., Скляренко Е. О. Конструктивные схемы проти-вофильтрационной защиты накопителей отходов и фильтрационные расчёты их эффективности // Гидротехническое стр - во. - 2007 . - № 3. -

C. 21 - 25.

10. Ищенко, A.B., Скляренко Е.О. Оценка эффективности проти-вофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов с использованием плёночных и фунтовых экранов // Водное хозяйство России: Проблемы, технологии, управление. - 2007 г. - № 1. - С. 18 -38.

11.Ищенко, A.B. Оценка фильтрационной прочности грунтовой плагины с прогивофильтрационными устройствами в основании/ A.B. Ищенко, М.Ю. Косиченко, В.В. Вишневский // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2009. Т. 255. - 8с.

12. Ищенко, A.B. Гидравлическая модель водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок крупных каналов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2010. Т. 258. - 11с.

2. Авторские свидетельства и патенты на изобретения

13. А. с. 1148927 СССР, Е 02 В 1/02 Устройство для измерения фильтрационных потерь через облицовку водоема/ A.B. Ищенко, Ю.М. Косиченко (СССР).-№ 3668638/29-15; Заявл. 02.12.83. Опубл. 07.04.85. Бюл. № 13.

14. А. с. 1298293 СССР, Е 02 В 3/12. Способ создания сборной облицовки откосов гидротехнических сооружений/ A.B. Ищенко, Ю.М. Косиченко, Р.Р. Галицкий, А.Н. Облогин (СССР).- № 3908358/29-15; Заявл. 11.06.85. Опубл. 23.03.87. Бюл. № 11.

15. А. с. 1477818 СССР, Е 02 ВЗ/12 Устройство для дренирования бетоноплёночной облицовки/ A.B. Ищенко, И.Н. Салженшшна, Р.Р. Галицкий, Л.Т. Куковская (СССР). - № 4291172/30-15; Заявл. 30.06.87. 0публ.07.05.89. Бюл. № 17.

16. А. с. 1138448 СССР, Е 02 В 3/12, Е 02 В 3/16 Бетонопленочная одежда откосов гидротехнических сооружений/ Ю. М. Косиченко, A.B. Ищенко, Ю.А. Максимов (СССР). - № 3641017/29-15; Заявлено 12.09.83. Опубл. 07.02.85. Бюл. № 5.

17. А. с. 1430447 СССР, Е 02 В 3/16. Дренирующая облицовка оросительных и осушительных каналов / Ищенко А. В., Евстратов H.A., Ко-сенко Т.С., Марчук В.М. (СССР). - №4137996/29-15; Заявлено 22.10.86, Опубл. 15.10.88, Бюл. № 38.

18. А. с. 1518439 СССР, Е 02 В 3/16 Способ создания прошво-фильтрационной облицовки/ А. В. Ищенко, H.A. Евстратов, Т.С. Косен-ко, Б.О. Кривошлыков (СССР). - № 4381573/23-15; Заявлено 23.02.88. Опубл. 30.10.89. Бюл. № 40.

19. A.c. 1281626 СССР, Е 02 В 3/16 Способ создания противо-филырационной облицовки канала/ Ю.М. Косиченко, A.B. Ищенко (СССР). - № 3954196/29-15; Заявлено 26.06.85. Опубл. 07.01.87. Бюл.№ 1.

20. А. с. 1640058 СССР, В 65 F 5/00. Устройство для захоронения токсичных отходов/ В.Б. Ковшевацкий, H.A. Евстратов, A.B. Ищенко, И.Т. Лысенко (СССР).- № 4682203/13; Заявл. 18.04.89. 0публ.07.04.91. Бюл. № 13.

21. А. с. 1618818 AI СССР, Е 02 В 3/16 Способ контроля целостности облицовки в вертикальных полостях/ А. В. Ищенко, H.A. Евстратов, И.Т. Лысенко, Б.О. Кривошлыков (СССР).- № 4617325/15;3аявлен0 17.10.88.0публ. 07.01.91.Бюл. № 1.

22. Пат. RU 2301862 С2. Российская Федерация. МПК Е023/16 Способ создания противофильтрационных завес с фильтрующими окнами/ A.B. Ищенко, Ю.М. Косиченко, Е.О. Скляренко, В.Д. Пилипенко// Б.И. 2006. № 18.

23. Пат. RU 2290472 С2. Российская Федерация. МПК Е02В7/06. Грунтовая плотина на проницаемом основании ограниченной мощности/ К.Н.Анахаев, P.A. Ляхевич, К.А. Гегиев, Б.Х. Амшоков, A.B. Ищенко// Б.И. 2006. № 36.

24. Пат. RU 2293455 С2. Российская Федерация. МПК А01В79/02(2006.01), А01В 79/00(2006.01). Способ залужения золоотва-лов/ Ищенко А.В, Иванова Н.А, Турина И.В, Бирюков В.В, Скляренко Е.О.// Б.И. 2007. № 5.

3. Монографии, учебные пособия, нормативно-методические издапия

25. Ищенко, A.B. Повышение эффективности и надежности проти-вофильтрационных облицовок оросительных каналов: монография// Изв.вуз. Сев.- Кавк. регион. Техн. науки. 2006. - 211с.

26. Ищенко, A.B. Обеспечение фильтрационной безопасности и эффективности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений: монография. - Ростов - н/Д: СКНЦ ВШ, 2007. - 256 с.

27. Ищенко, A.B. Гидравлика. Основы моделирования движения грунтовых вод методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА): учеб. пособие. - Новочеркасск: НГМА, 2006. - 99 с.

28. Ищенко, A.B. Гидрометрия. Гидрометрические сооружения, устройства и средства измерения: учеб. пособ. для студ. спец. 290400 «Гидротехническое строительство» - Новочеркасск: НГМА, 2008 - 90с.

29. Ищенко, A.B. Инструкция по расчету водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок каналов/ Ю.М. Ко-сиченко, В.А. Бородин, A.B. Ищенко. - М.: Союзгипроводхоз, ЮжНИИ-ГиМ; 1984.-95с.

30. Ищенко, A.B. Методика обоснования и выбора противофильтрационных мероприятий и дренажных защит на каналах / Ю. М. Косиченко,

A.B. Ищенко, В.А. Бородин. -М.: ЮжНИИГиМ., НИМИ, 1986. - 112 с.

31. Ищенко, A.B. Выбор эффективной и надежной противофильт-рационной защиты русел открытых каналов при реконструкции оросительных систем (рекомендации) / В.Н. Щедрин, Ю.М. Косиченко, В.И. Миронов, A.B. Ищенко и др. / ФГНУ «РосНИИПМ»- Ростов-н/д: СКНЦ ВШ, 2008.-68 с.

4. Научные работы в других изданиях

32. Ищенко, A.B., Ильченко Е.И. Опыт применения дренажно-разгрузочных устройств облицовок каналов и оценка их эффективности// Мелиорация антропогенных ландшафтов: сб. науч. тр. /НГМА. - Новочеркасск, 2002. - Т. 17: Рациональное использование земельных и водных ресурсов Юга России. - С. 135 - 147 .

33. Ищенко, A.B. Оценки экологической безопасности шламона-копителей при воздействии на геологическую среду / В.Л. Бондаренко,

B.В. Гутенев, A.B. Ищенко и др. // Проблемы региональной экологаи. -2005. -№ 5. -С. 94 -103.

34. Ищенко, A.B. Решение задач установившейся фильтрации в ломаном ядре грунтовой плотины методом электрогидродинамических аналогий и на персональном компьютере // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2006. - Прил. № 8. - С. 88 -95.

35. Ищенко, A.B. Дренажные устройства, обеспечивающие безопасность защитных покрытий каналов и грунтовых плотин// Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2006. - Прил. № 5. - С. 100 -106

36. Ищенко, A.B. Оптимальный уровень надёжности против о-фильтрационных облицовок оросительных каналов // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. ст. ФГНУ «РосНИИПМ». -Новочеркасск. 2006. - Вып. 36. - С. 82 - 89.

37. Ищенко, A.B. Расчёт фильтрационной безопасности грунтовых плотин с использованием пакета прикладных программ / A.B. Ищенко,

B.В. Вишневский, М.Ю. Косиченко // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. ст. ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск. 2006. - Вып. 36. - С. 89 - 96.

38. Ищенко, A.B. Прогноз возможного загрязнения реки Кундрю-чья при наращивании дамб золоотвала .Несветай ГРЭС / A.B. Ищенко, М.Ю. Косиченко, Т.В. Шевченко // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. ст. ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск.

2006. - Вып. 36. - С. 183 -189.

39. Ищенко, A.B. Оценка безопасности регулирующего водохранилища (Ростовского моря) / Ю.М. Косиченко, Л.С. Полякова, A.B. Ищенко // Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны: сб.ст./ Академия проблем водохозяйственных наук России; Вып.б /НГМА.- Новочеркасск. 2007- С. 107—112

40. Ищенко, A.B. Безопасность прогивофильтрационных защит различных типов гидротехнических сооружений// Материалы Международной науч. практ. конф. «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». Часть II.- М.: МГУП,

2007. С. 54-60.

41. Ищенко, A.B. Оценка вероятности сценариев аварий с разрушением напорного фронта проектируемой секции золошлакоотвала/ Ю.М. Косиченко, A.B. Ищенко и др. // Чрезвычайные ситуации. Промышленная и экологическая безопасность. 2008. № 1. С. 78 - 87.

42. Ищенко, A.B. Оценка технического состояния водохранилища «Ростовское море» / A.B. Ищенко, Д.В. Кашарин и др. // Гидротехническое строительство: Материалы регион, науч.-техн. конф. «Гидротехника, гидравлика и гидроэкология», 2009 г. НГМА. - Новочеркасск. Вып. 2. -

C. 73-83.

Типография ООО «Наша Марка» 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21. Объем 2,0 пл. Тираж 100. Заказ 27.

/

Президиум ВАК Микобрнауки России (решение от <^2/ч^/ ■ Ш^фХ р7 у

решил выдать диплом ДСКТбРА

наук

Начальник отдела

71 11-5/112

ФГОУ впо

«Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

На промах рукописи

ИЩЕНКО Александр Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность: 05.23.07 - «Гидротехническое строительство»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новочеркасск 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................7

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В КОНСТРУКЦИЯХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ.................................................................................16

1.1 .Применение противофильтрационных устройств на оросительных каналах и анализ их недостатков......................................16

1.2.Основные схемы конструкций противофильтрационных устройств на водоемах, грунтовых плотинах и накопителях промышленных отходов...........................................................................22

1.3.Анализ и оценка эффективности противофильтрационных устройств облицованных каналов...............................................26

1.4.Анализ методов расчета фильтрации и эффективности противофильтрационных устройств в водоемах, грунтовых плотинах и

накопителях отходов...........................................................35

1.5.Обзор работ в области оценки надежности противофильтрационных4 устройств на оросительных каналах и гидротехнических

сооружениях.....................................................................43

Выводы по главе................................................................46

ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ ЮГА РОССИИ........................................................................47

2.1.Методика проведения натурных исследований фильтрационных потерь через облицовки..............................................47

2.2.Результаты натурных обследований нарушений противофильтрационных облицовок при эксплуатации оросительных каналов...54

2.3.Результаты исследований фильтрационных потерь из облицованных каналов............................................................... ...56

2.4.Статистический анализ натурных данных работоспособности об-

лицовок на действующих каналах..........................................61

2.5.Натурные наблюдения неустановившейся фильтрации через повреждения бетонопленочной облицовки..................................69

2.6.Анализ эффективности облицовок и КПД крупных каналов.. ...71

2.7.Пример оценки эффективности применения противофильтра-ционного покрытия при реконструкции Донского магистрального

канала.............................................................................78

Выводы по главе.................................................................87

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ....................................................................................89

3.1.Выбор рациональных конструкций ПФУ при реконструкции каналов в земляном русле....................................................89

3.2.Выбор типа противофильтрационной защиты конструкции ПФЗ при реконструкции каналов в облицовке................................,93

3.3.Разработанные и рекомендуемые рациональные конструкции противофильтрационных облицовок на каналах.......................97

3.4.Повышение противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов.......................................................108

3.5.Рекомендуемые конструкции дренажных устройств облицовок

каналов..........................................................................112

3.6.Обоснование оптимального уровня надежности

противофильтрационных облицовок каналов...........................116

3.7.Методика расчета водопроницаемости бетонопленочных

противофильтрационных облицовок каналов.................'.".........124

3.7.1.Основные стадии и фазы фильтрации из каналов с противофильтрационными покрытиями............................. —124

3.7.2.Основные виды возможных повреждений и нарушений противофильтрационных облицовок.....................................127

3.7.3.Теоретическая модель водопроницаемости бетонопленочного противофильтрационного покрытия канала...........................

3.7.4.Расчет водопроницаемости основных типов противофильтра-ционных облицовок каналов...............................................Л39

3.7.5.Модель водопроницаемости бетонопленочной облицовки повышенной надежности с экраном из геомембраны в гидравлической постановке.............................................................142

3.7.6.Расчет неустановившейся напорно-безнапорной фильтрации

через повреждение бетонопленочной облицовки......................148

Выводы по главе..............................................................153

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ И КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ НА ВОДОЕМАХ И НАКОПИТЕЛЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ.............155

4.1. Анализ натурных данных эффективности и надежности

противофильтрационных экранов водоемов и накопителей отходов................................................"..........................155

4.2.Рациональные конструкции противофильтрационных экранов водоемов и накопителей промышленных отходов с применением

пленки и геомембран.........................................................159

4.3.Оценка эффективности противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов с пленочными противо-

фильтрационными экранами................................................163

4.4.Противофильтрационная эффективность грунтовых экранов накопителей промышленных отходов с учетом самозалечивания

трещин...................................................................,.......170

4.5 .Рациональные схемы противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов....................................174

4.6.Фильтрационный расчет фильтрующего элемента в противофильтрационной стенке. —.....................................177

4.7.Расчет фильтрации из накопителя промышленных отходов с грунтовой дамбой, горизонтальным дренажом и фильтрующим

элементом в противофильтрационной стенке...........................180

4.8.Экспериментальные исследования противофильтрационных и дренажных защит накопителей промышленных отходов........... Л 85

4.8.1.Исследование эффективного варианта защиты грунтовых вод от загрязнения отходами золоотвала.....................................Л 85

4.8.2.Модельные фильтрационные исследования для группы шламонакопителей АО «НчГРЭС, АО «НЗСП» и золоотвалов Несветай ГРЭС............................................... Л 92

4.8.3.Пример оценки эффективности противофильтрационной защиты полигона твердых промышленных отходов Новочеркасской

ГРЭС.............................................................................201

4.9.Методика оценки подтопления территорий в нижнем бьефе водохранилищ с учетом влияния противофильтрационных

устройств........................................................................,208

4.9.1. Общие положения при оценке фильтрационной прочности грунтовых плотин водохранилищ с противофильтрационными устройствами.......................................................................208

4.9.2.Оценка фильтрационной прочности грунтовых плотин водохранилищ с противофильтрационными устройствами в теле и основании.......................................................................213

4.9.3.Результаты расчета фильтрационной прочности грунтовой плотины с противофильтрационными устройствами..................219

4.9.4.Моделирование и расчеты влияния фильтрации из вышерасположенного водохранилища и подпора грунтовых вод за'счет противофильтрационной завесы в основании грунтовой плотины нижерасположенного водохранилища на подтопление населенных

пунктов........................................................................ ..223

Выводы по главе..............................................................241

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАЩИТ КАНАЛАХ, ВОДОЕМАХ И НАКОПИТЕЛЯХ ОТХОДОВ............ ...244

5.1. Рекомендации по повышению эксплуатационной надежности противофильтрационных облицовок каналов..........................244

5.2. Рекомендации по повышению эксплуатационной надежности противофильтрационных защит водоемов и накопителей промышленных отходов......................................................247

5.3. Оперативный контроль технического состояния грунтовой плотины по условиям фильтрационной прочности с использованием данных наблюдений..........................................................251

5.4. Сравнительные технико-экономические показатели устройства противофильтрационной защиты при реконструкции каналов......253

5.5. Оценка эколого-экономического эффекта противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов....................258

5.6. Внедрение и апробация результатов исследований..............264

Выводы по главе .........................................................268

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................269

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................272

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................297

Приложение А. Акты внедрения...............................................297

Приложение Б.

Б-1) Результаты исследования эффективных схем противофильтрационных устройств в теле и основании грунтовых плотин.........................................323

Б-2) Результаты исследования подтопления населенных пунктов в нижнем

бьефе плотины Юмагузинского водохранилища.........................................326

Б-3) Результаты расчета влияния Юмагузинского водохранилища на подтопление нижнего бъефа.........................................................................328

Приложение В.

ß-iyПример расчета эффективности грунтового экрана с кольматирующим

слоем при наличии трещин.................................................................336

В-2) Результаты модельных исследований эффективности компоновочно-конструктивных вариантов перехвата загрязненного грунтового потока из

накопителей промышленных отходов......................................................... 338

Приложение Г. Метрологическая аттестация приборов, использованных при проведении исследований.........................................................................343

Актуальность проблемы» В водохозяйственном комплексе страны обо

щие потери воды при транспортировке достигают 8 км /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.

Только на территории Южного и Северо-Кавказского Федеральных округов имеется более 60 крупных каналов комплексного и мелиоративного назначения, а протяжённость каналов составляет 23 тыс.км. При этом из общей протяжённости каналов лишь 30 % имеют противофильтрационные покрытия. В соответствии с "Водной стратегией России на период до 2020 г." предполагается вдвое уменьшить удельные потери при транспортировке за счет реконструкции систем водоподачи и устройства облицовки каналов.

В ближайшие годы (2010-2015 гг.) в соответствии ФЦП «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов, как национального достояния России» 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.

В связи с этим в современных условиях особую актуальность приобретает проблема борьбы с фильтрацией из оросительных каналов.

При эксплуатации различных водоемов вследствие фильтрации и фильтрационных деформаций наблюдается более 30-40 % аварий и разрушений грунтовых плотин, а также возможны подтопления нижерасположенных поселков вследствии локального трещинообразования или повреждения противофильтрационных устройств в теле и основании плотины.

Для предотвращения загрязнений грунтовых вод от фильтрата отвалов и накопителей отходов используются различные компоновочно-конструктивные решения противофильтрационной и дренажной защиты (экраны, стенки, заве-

сы, дренажи).

Анализ существующих типов противофильтрационных устройств свидетельствует, что во многих случаях они характеризуются малой эффективностью, что обусловлено несовершенством их конструкций, вероятностью тре-щинообразования или повреждения в процессе строительства и эксплуатации.

Решение этих проблем невозможно без применения современных конструкций различных противофильтрационных устройств (ПФУ) в виде облицовок, экранов, противофильтрационных стенок и завес.

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»;

- фундаментальных и приоритетных исследований развития АПК РФ по заданию 03.02.02.03 «Разработать научно обоснованные мероприятия по безопасному функционированию и предотвращению загрязнения грунтовых вод и водотоков из накопителей сельскохозяйственных и промышленных отходов».

Степень разработанности проблемы в научной литературе. Общетеоретические, методологические и научно-практические исследования эффективности и надежности каналов, водоемов, накопителей, дамб и грунтовых плотин, их ПФУ и дренажа представлены в трудах отечественных и зарубежных специалистов: С.Ф. Аверьянова, А.Г. Алимова, К.Н. Анахаева, В.И. Ара-вина, Н.В. Арефьева, В.Н. Бухарцева, В.В. Ведерникова, H.H. Веригина, A.JT. Гольдина, В.Д. Глебова, В.Н. Жиленкова, И.М. Елшина, Ю.М. Косиченко, И.Е. Кричевского, Г.М. Ломизе, Ю.П. Ляпичева, Ц.Е. Мирцхулавы, В.П. Недриги, С.Н. Нумерова, H.H. Павловского, Л.Н. Рассказова, Д.В. Стефанишина, C.B. Сольского, О.М. Финагенова, P.P. Чугаева, В.И. Штыкова, В.Ф. Ван Асбека, Д. Брауна, Н. Дэскулеску, М. Хики, Г. Васкетти, А. Скуеро, Б. Джонса, Ф. Форх-геймера и др.

Для борьбы с фильтрацией из каналов, водоемов и накопителей отходов в последние 30-35 лет достаточно широкое применение нашли традиционные конструкции противофильтрационных устройств - бетонные, железобетонные, асфальтобетонные, грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Практика их применения показала, что наиболее эффективными из них являются грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Однако, они характеризуются недостаточной эксплуатационной надежностью вследствие частой повреждаемости тонкого пленочного элемента.

За рубежом (США, Чехия, Италия, Германия, Израиль, Египет, Франция, Португалия и др.) в отличие от России находят широкое применение геомембраны, представляющие собой полимерный рулонный материал из полиэтилена, бутилкаучука, битумно-полимерных композиций толщиной от 1 до 3 мм. Такие материалы по сравнению с пленочными, имеющими толщину до 0,2-0,3 мм, характеризуются большей долговечностью, значительным сопротивлением прокалыванию, высокой гибкостью, деформационной способностью и про-тивофильтрационной эффективностью.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и научное обоснование новых и совершенствование существующих конструкций противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений на основе комплексных экспериментально-теоретических исследований.

Для достижения цели решались следующие задачи: -обобщить данные по оценке противофильтрационной эффективно- сти и эксплуатационной надежности грунтопленочных и бетонопленоч-ных покрытий на каналах, водоемах и накопителях;

- провести натурные исследования водопроницаемости и противофильтрационной эффективности бетонопленочных облицовок каналов и уточнить КПД действующих облицованных каналов;

-развить теорию водопроницаемости противофильтрационных конструкций и на ее основе разработать методику оценки эффективности об-

лицовок оросительных каналов;

- провести расчетную оценку противофильтрационной эффективности бетонопленочной облицовки с геомембраной;

-усовершенствовать существующие и разработать новые рациональные конструкции элементов противофильтрационных облицовок, экранов и дренажных устройств каналов, водоемов и накопителей ПО;

- выполнить исследования по обоснованию типов дренажа накопителей ПО и усовершенствовать методы их фильтрационного расчета;

-провести оценку влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе;

- разработать практические рекомендации по повышению эффективности ПФУ оросительных каналов, водоемов и накопителей ПО.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования явились крупные каналы Ростовской области (ДМК, Бг-Р-7, Бг-Р-8) и Ставропольского края (БСК-3, БСК-4) и др.; золоотвалы (Новочеркасской, Невинно-мысской, Несветайской ГРЭС), шламоотвалы Новочеркасских (электродного, магнитного, синтетических продуктов) заводов; Юмагузинское водохранилище, водохранилище "Ростовское море" и др.

Предметом исследований являются противофильтрационные устройства на каналах, водоемах и накопителях промышленных отходов.

Выполненные исследования относятся к п.4 и п.6 Паспорта специальности 05.23.07- Гидротехническое строительство.

Теоретической и методологической основой работы послужили теоретические и экспериментальные, лабораторные и натурные исследования, включающие следующие методы:

-фильтрационных расчетов, основанные на использовании способов фрагментов, фильтрационных сопротивлений и теории функции комплексного