автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Обоснование влияния фильтрационных факторов на вероятность аварийных ситуаций потенциально опасных участков каналов

кандидата технических наук
Бакланова, Дарья Викторовна
город
Новочеркасск
год
2014
специальность ВАК РФ
05.23.07
цена
450 рублей
Диссертация по строительству на тему «Обоснование влияния фильтрационных факторов на вероятность аварийных ситуаций потенциально опасных участков каналов»

Автореферат диссертации по теме "Обоснование влияния фильтрационных факторов на вероятность аварийных ситуаций потенциально опасных участков каналов"

На правах рукописи

БАКЛАНОВА ДАРЬЯ ВИКТОРОВНА

ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ВЕРОЯТНОСТЬ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ УЧАСТКОВ КАНАЛОВ

Специальность 05.23.07 — Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7П1Д

005545056 " ' "

Новочеркасск 2014

005545056

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГБНУ «РосНИИПМ»)

Научный руководитель: Косиченко Юрий Михайлович

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ

Официальные оппоненты: Розанов Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Гидротехнических сооружений» ГНЦ РФ ОАО «Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО»

Атабиев Исхак Жафарович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костикова»

Защита состоится 24 марта 2014 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, ауд. 201/1, тел./факс 8(499) 976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства и на сайте университета по адресу: Ьйр://т5иее.ги/т<1ех.рЬр?тос1и1е=ра§е5&1с1=131

Автореферат разослан января 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор

В. Л. Снежко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно Водной стратегии Российской Федерации на 2010 - 2020 гг. ставится задача комплексного и рационального использования водных ресурсов. В связи с этим появилась необходимость в интенсификации водного хозяйства, которое призвано решать проблемы дефицита водных ресурсов, а также обеспечения объектов народного хозяйства и населения водой требуемого качества, что осуществляется в значительной степени с помощью крупных магистральных каналов.

Наиболее густо крупные магистральные каналы расположены на юге страны, где необходимо разумное потребление водных ресурсов с целью улучшения водообеспечения населения, промышленных предприятий и сельского хозяйства. На территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов зарегистрировано более 60 крупных каналов с общей протяженностью 23 тыс. км.

К крупным магистральным каналам оросительных систем на юге страны относятся Большой Ставропольский канал, Донской, Нижне-Донской, Верхне-Сальский, Пролетарский, Багаевский, Азовский, Право-Егорлыкский, Невин-номысский, Терско-Кумский и другие магистральные каналы. Многие из них используются комплексно для целей водоснабжения, орошения, обводнения, энергетики, рыбного хозяйства и рекреации. В настоящее время их техническое состояние значительно ухудшилось, в связи с чем, потенциально опасными признаны 12 магистральных каналов, с общей протяженностью 1400 км.

Так как некоторые участки каналов представляют собой потенциальную опасность и пребывают в неудовлетворительном техническом состоянии, то важной проблемой является безаварийная эксплуатация магистральных каналов и гидротехнических сооружений расположенных на них.

Целью исследовании является разработка расчетно-теоретического обоснования влияния фильтрационных факторов на вероятность возникновения аварийных ситуаций потенциально опасных участков каналов.

Для достижения цели исследований были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть и проанализировать опыт эксплуатации крупных магистральных каналов России и зарубежья и установить причины возникновения отказов и аварий на каналах;

- разработать методику расчетно-теоретической оценки риска возникновения аварийной ситуации на наиболее опасных участках крупных каналов от фильтрационных деформаций;

- получить зависимости для определения удельных фильтрационных расходов, действующих градиентов напоров в теле и основании дамбы канала с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала;

- выполнить оценку достоверности результатов по методике автора в сравнении с методом ЭГДА и методом эквивалентного профиля Е. А. Замарина;

- провести натурные исследования по оценке современного технического состояния крупных магистральных каналов юга России, и выполнить наблюдения за формированием депрессионной кривой и уровнем грунтовых вод в их дамбах;

- определить вероятность возникновения аварийных ситуаций на потенциально опасных участках действующих магистральных каналов;

- разработать инженерно-технические мероприятия по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов;

- провести оценку экономического эффекта от применения мероприятий по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках Донского магистрального канала.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые разработана методика для оценки риска разрушения потенциально опасных участков магистральных каналов в насыпи и на косогоре вследствие фильтрационных воздействий;

- получены усовершенствованные расчетные зависимости для определения удельных фильтрационных расходов через тело и основание дамбы канала в насыпи и на косогоре, учитывающие дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала;

- предложены расчетные зависимости для определения фильтрационной прочности грунта дамбы для различных расчетных схем канала;

- выполнен анализ натурных исследований и выявленных деформаций и отказов в работе грунтовых дамб крупных магистральных каналов юга России.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- составлена схема сценариев возможных аварийных ситуаций на крупных каналах, возникающих вследствие фильтрационных, гидравлических и оползневых процессов;

- систематизированы аварии и деформации на каналах России и зарубежья;

- на основе анализа эксплуатации действующих крупных магистральных каналов предложены рекомендуемые мероприятия по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках магистральных каналов;

- предложена конструкция противофильтрационной диафрагмы для устранения фильтрации через тело дамб каналов высотой до 10 м, а также способ заделки очага фильтрационных деформаций в размываемых руслах каналов;

- разработаны рекомендации по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов.

Методы исследований. В процессе проведения исследований применялись теоретические, экспериментальные и натурные методы.

В качестве теоретических методов были использованы методы теории надежности и теории фильтрации. Экспериментальные исследования выполнены методом электрогидродинамических аналогий, при этом осуществлялось моделирование задач плоской фильтрации. Натурные исследования проводились согласно общепринятым методикам.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований по расчетному обоснованию вероятности разрушения потенциально опасных участков крупных каналов от фильтрационных воздействий;

- расчетные формулы для определения фильтрационных расходов через тело и основание дамб каналов, а также зависимости для определения фильтрационной прочности грунта дамб для четырех расчетных схем.

- результаты натурных обследований каналов на потенциально опасных участках в насыпи и на косогоре;

- новое устройство по противофильтрационной защите дамб каналов из грунтовых материалов;

- новый способ заделки очага фильтрационных деформаций в размываемых руслах каналов.

Достоверность исследований подтверждается сопоставлением полученных результатов с данными, полученными по экспериментальным исследованиям и методикам других авторов. А также тем, что натурные исследования проведены с использованием современных аттестованных приборов и оборудования. Полученные результаты обработаны с применением ПЭВМ.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на научно-практических конференциях «Разработка мероприятий по повышению эксплуатационной надежности и безопасности ГТС, техническое перевооружение и модернизация ГТС средствами водоучета и автоматизации водо-распределения и водоотведения на мелиоративных системах» ФГБНУ «РосНИ-ИПМ» (г. Новочеркасск 29.10.2010 г.), «Эксплуатационный мониторинг технического состояния и современные методы обследования ГТС мелиоративного назначения» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск 24.12.2010 г.), «Техническое состояние и уровень безопасности мелиоративных каналов и гидротехнических

сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск 21.10.2011 г.), 94-я конференция профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова (Новочеркасск, 28.05.2012 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного обустройства технопри-родных систем» ФГБОУ ВПО МГУП (г. Москва 16-18 апреля 2013 г.), «Эксплуатационная надежность и безопасность каналов и гидротехнических сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск 17.05.2013 г.).

Внедрение результатов. На основании разработанной методики оценки риска разрушения потенциально опасных участков магистральных каналов в насыпи и на косогоре вследствие фильтрационных воздействий проведены расчеты вероятности аварийных ситуаций на Донском и Пролетарском магистральных каналах и разработаны рекомендации по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналах, которые внедрены в ФГБУ «Управление «Ростовмелиоводхоз».

Публикации. По основным результатам работы опубликовано 8 печатных работ, из них 4 в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников (136 наименований) и приложений. Общий объем диссертационной работы 144 страницы печатного текста, включая 39 рисунков и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, поставлена цель и основные задачи исследований, сформулирована научная новизна и достоверность, а также методы исследований, обоснована практическая ценность работы, приведены результаты внедрения и апробации основных результатов диссертационной работы.

В первой главе рассмотрен зарубежный и отечественный опыт эксплуатации крупных магистральных каналов, в том числе на участках в насыпи и на косогоре. Автором выделены сценарии аварийных ситуаций и основные факторы, влияющие на возникновение отказов и аварий на каналах. Также в этой главе приведена наиболее полная классификация каналов и сводные данные по крупным магистральным каналам юга России.

Вопросы безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений рассматривались в работах В. С. Алтунина, К. Н. Анахаева, Е. Н. Белендира, В. А. Белова, В. А. Волосухина, В. Н. Жиленкова, И. Н. Иващенко, А. В. Ищенко, Г. М. Каганова, Ю. М. Косиченко, Ц. Е. Мирцхулавы,

Н. Н. Павловского, А. М. Прудовского, В. П. Недриги, Н. Н. Розанова, Н. С. Розанова, И. С. Румянцева, С. В. Сольского, Д. В. Стефанишина, О. М. Финагенова, Р. Р. Чугаева и других. Из зарубежных исследователей этим направлением занимались: Fell R., Harford D., Allen Hugh, Laffite R.

Однако большинство исследователей занимались разработкой математических моделей развития прорана и оценкой влияния фильтрационных факторов на работу грунтовых плотин, основываясь на статистических и экспериментальных данных. Применительно к каналам, проходящим в насыпи и косогоре, которые также представляют собой напорный фронт, таких исследований не проводилось, в связи с этим, а также вследствие длительного срока эксплуатации многих магистральных каналов (30-50 лет) необходимо обоснование влияния фильтрационных факторов на безопасность эксплуатации каналов, особенно на потенциально опасных участках, для чего требуется разработка методики расчета риска аварий на таких участках.

Во второй главе рассматриваются теоретические исследования по расчетному обоснованию вероятности разрушения потенциально опасных участков крупных каналов от фильтрационных воздействий.

К потенциально опасным участкам крупных каналов можно отнести участки в насыпи, на косогоре и в неустойчивых грунтах (просадочных, карсто-во-суффозионных), так как при эксплуатации крупных каналов на таких участках часто возникают различные негативные процессы, связанные с прорывом дамб, значительными размывами их русел, оползнями и т.д.

На участках каналов в насыпи и на косогоре уровень воды в канале значительно превышает отметки прилегающей территории, в результате чего в дамбе канала могут образовываться опасные фильтрационные деформации в виде сосредоточенных ходов фильтрации, суффозии или выпора в зоне выхода фильтрационных вод на низовой откос или основание дамбы. Эти нежелательные явления приводят к нарушению безопасности работы каналов и к невозможности их дальнейшей эксплуатации.

Поэтому расчет фильтрации через дамбу канала и оценка вероятности ее разрушения вследствие фильтрационных воздействий представляет важную задачу при проектировании и эксплуатации каналов.

Для определения риска аварии крупного магистрального канала была рассмотрена расчетная схема для наиболее опасного участка в насыпи (рисунок 1).

Вся область фильтрации была разделена на область фильтрации через дно и основание дамбы канала с удельным фильтрационным расходом qa и область фильтрации через тело дамбы с удельным расходом qT.

Рисунок 1 - Расчетная схема крупного магистрального канала в насыпи:

1 - кривая депрессии; 2 - вероятный сосредоточенный ход фильтрации в дамбе канала; 3 - вероятные зоны местных фильтрационных деформаций; 4 - линия разделения фильтрационного потока

При решении данной задачи были использованы известные решения для однородных грунтовых плотин по методу эквивалентного профиля, полученных ддя случая водонепроницаемости основания.

В отличие от этих решений применительно к каналам в насыпи найдены расчетные формулы для водопроницаемого основания дамбы канала. При этом учитывалось дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала, которое обусловлено значительной мощностью грунта между дном канала и основанием дамбы высотой (Я - /го).

Удельный расход фильтрационного потока через тело дамбы канала определяется по формуле дополненной автором фильтрационным сопротивлением под дном канала в насыпи:

<7т - кт

Н2 -

2{Ьр -/я2Л,) + Мк Л£к=(Я-Аь)-Ф„

Ъ

2 . 4(Я-Ао)

ф = —-^ при

1 К К-Ы2 и 2 (Я-Ао)

<0,5,

(1) (2) (3)

где <7Т - удельный расход фильтрационного потока через тело дамбы канала, м2/сут; Н - действующий напор, м; Кт - коэффициент фильтрации грунта насыпи канала, м/сут; т2 - коэффициент заложения низового откоса; А£к - дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала, м; Ф1 - фильтрационное сопротивление в безразмерной форме; Ь - ширина канала по дну, м.

Высота выхода депрессионной кривой на низовой откос:

(4)

т2

где Ьр - ширина эквивалентного профиля дамбы канала по основанию, м.

Ьр=/3-И0+Ь, (5)

2 тх +1

, Ь = т1 -с/н-Ьгр +т2(Н + с1), (7)

где р - коэффициент, зависящий от величины коэффициента заложения верхового откоса; — глубина воды в канале, м; т1 — коэффициент заложения верхового откоса; с/ - превышение гребня дамбы над уровнем воды в канале, м; Ьгр - ширина дамбы по гребню, м; I - длина участка дамбы от уреза воды до

сопряжения низового откоса с нижерасположенной территорией, м.

Условие образования общих фильтрационных деформаций грунта тела дамбы канала (например, в виде сосредоточенных фильтрационных ходов) согласно СП 23.13330.2011 и СП 39.13330.2012 запишем следующим образом:

(8)

Уп

где т - действующий средний градиент напора в теле дамбы канала;

критический средний градиент напора в теле дамбы канала; уп - коэффициент надежности, принимаемый в зависимости от класса.

Действующий средний градиент напора по Р. Р. Чугаеву будет равен:

/г =_Ц__(9)

е*'-т ¿ + 0,4 Я' ™

Удельный фильтрационный расход в основании дамбы канала с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала слоя мощностью (Я - /г0)пр составит:

2

Ф] = —h

71

<7о=К0.Т--, (Ю)

(Н-И0)—^--Ф\ +0,88T + Z,o

LQ=bIVHH+d)-{ml+m2), (И)

4(H-h0) Kpl (12)

ж-в!2 Кт

где К0 - коэффициент фильтрации грунта основания дамбы канала, м/сут; Т -мощность водопроницаемого основания, м; Lq - условная ширина дамбы по основанию, м; Ф^ - дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала.

Общий удельный фильтрационный расход из канала в насыпи составит:

q = 2{qT+q0). (13)

Условие образования общих фильтрационных деформаций основания выглядит следующим образом:

/° >—j° (14)

У п

где 7°, т - действующий средний градиент напора в основании дамбы канала; т — критический средний градиент напора в основании дамбы канала. Действующий средний градиент напора в основании находим по формуле: /о__е__п5)

(Я-Аь).-~Ф',+0,88Т + А)

К-р

Условие образования местных фильтрационных деформаций грунта тела дамбы при выходе потока на низовой откос (например, в виде суффозии и выпора) запишем как:

(16)

I и

Максимальный местный градиент напора при выходе потока на низовой откос можно определить по следующей формуле:

г 2 2<7т

Н -~-{Ь-тг-hi -Дхвых)

К-ж

"max Дх

Jl, = J--. (17)

ВЫХ

где Лхвых - расстояние по оси ОХ при выходе фильтрационного потока на низовой откос, принимаемое равным (0,05 -0,10)2,, м.

Оценка риска разрушения дамбы канала от фильтрационных воздействий определяется по формуле:

Лг=—^--(18)

Н д

где уп - коэффициент надежности; Лн - нормативный риск, определяемый в зависимости от класса сооружения для основного вида нагрузок, 1/год.

Риск разрушения дамбы канала вследствие фильтрационных процессов можно установить через гарантированный коэффициент надежности, который определяется по формуле В. Г. Зотеева:

т

Лг,т ~~ т ,Т

КУ* =-=-(19)

т, = а, • г.,, т, . ~а, , (20)

■'сг.т -'сг,т " '«(.т •'<>!/,т а' 4 '

где aJ т, а^ — среднеквадратическое отклонение соответственно критического и среднего градиентов; (а — коэффициент Стьюдента.

Оценка риска разрушения основания дамбы канала вследствие общих фильтрационных деформаций определяется по формулам:

я./° 7°

Кя о =15-—• <22>

■'еи.т У ея + ТП 0

Ш

Общий риск разрушения дамбы канала составит сумму рисков разрушения тела и основания дамбы канала:

А = АТ+Л0, (23)

Если значение общего риска разрушения дамбы канала, превысит значение нормативного риска, то это свидетельствует о большой вероятности возникновения аварийной ситуации.

Пример расчета риска разрушения дамбы канала, проложенного в насыпи, по предложенной выше методике и полученным формулам приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета фильтрационных характеристик и риска

разрушения дамбы магистрального канала на участке в насыпи

Исходные данные и определяемые величины Результаты расчетов

Исходные данные к расчетному случаю: # = 30 м, щ =2, т2 =1, с1 = 0,5 м, Ь^ =4м, Т = 20 м, Кт = 1 м/сут, К0 = 0,6 м/сут, Но = 6 м, Ъ = 10 м, у„ = 1,2

Удельные фильтрационные расходы, м2/сут <7т Ю Ч

9,23 2,88 24,2

Высота выхода кривой депрессии на низовой откос , м 14,7

Критические средние градиенты -'сг,т У0 -

0,75 1,0 -

Действующие средние градиенты /т -

0,240 -

Максимальный местный градиент напора У* "'щах 2,65

Риск разрушения тела и основания дамбы канала, хЮ"4 1/год Дт ¿О Л

5,23 1,49 6,72

Нормативный риск Ли для II класса сооружений, х 10"4 Угод 5,0

Анализ результатов расчета свидетельствует о том, что в дамбе канала будут образовываться общие фильтрационные деформации в виде сосредоточенных ходов фильтрации. Риск разрушения дамбы канала превышает нормативный, что свидетельствует о большой вероятности возникновения аварийной ситуации.

Аналогичные зависимости были найдены для расчетных схем канала в насыпи с горизонтальным трубчатым дренажем, канала в насыпи с облицовкой, канала на косогоре. Оценка риска разрушения дамбы канала, вследствие фильтрационных воздействий для всех расчетных схем проводится также как и для канала в насыпи.

Для оценки достоверности результатов, полученных по предложенной методике, в диссертации было выполнено сопоставление результатов расчета для дамбы канала в насыпи с экспериментами методом ЭГДА и методом эквивалентного профиля для грунтовых плотин Е. А. Замарина.

Сопоставление результатов расчета по методике автора с результатами, полученными по методу ЭГДА (при одинаковых коэффициентах фильтрации в теле и основании дамбы канала) показало близкие значения с расхождением в пределах 2,48-5,12 %, что свидетельствует об их достоверности и возможности применения предлагаемой методики на практике.

Не смотря на полученные достаточно сходимые результаты расчетов по методам автора и Е. А. Замарина имеются существенные расхождения между значениями удельного фильтрационного расхода через тело канала в насыпи по методу автора с результатами расчета по методу Е. А. Замарина. Так, по предложенной методике автора = 3,62 м2/сут, а по методике Е. А. Замарина qт = 4,54 м2/сут, т. е. удельные расходы отличаются на 25,4 %, что объясняется учетом в первом случае дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала мощностью (Я-Л0) = 10м. Общие расходы через тело и основание отличаются на 22,4 %, а градиенты напора - на 56, 3 %.

Таким образом, представленный анализ расчетов свидетельствует о том, что использование для расчета дамб каналов в насыпи известных методик расчета фильтрации в грунтовых плотинах при высоте насыпи больше 5 м, дает значительное отклонение до 20-50 %. Ввиду этого автор считает возможным применение методов расчета фильтрации плотин для каналов в невысоких насыпях до 5 м, а в насыпях свыше 5м — методику автора по уточненным формулам, изложенным выше.

В третьей главе приведены результаты, проведенных автором натурных исследований по оценке современного технического состояния Донского и Пролетарского магистральных каналов.

Задачей натурных исследований являлась оценка фактического технического состояния крупных каналов юга России, определение повреждений их русел, положения депрессионной кривой и уровней грунтовых вод. Кроме того, в результате исследований необходимо было проанализировать и обобщить имеющиеся данные наблюдений, полученные как автором работы, так и другими организациями.

Анализ результатов натурных исследований (таблица 2) показал, что за период эксплуатации Донского магистрального канала дамбы оплыли, наблюдаются оползни, просадки и заиление ложа каналов, зарастание откосов растительностью до уреза воды, на некоторых участках разрушены плиты облицовки. На протяжении 4 км, в районе х. Комаров, наблюдается выклинивание фильтрационных вод в основании дамбы, как показали материалы изысканий, за счет погребенного под дамбами растительного грунта. Суммарная протяженность участков, требующих устройства противофильтрационной защиты, составляет около 8 км.

В целом техническое состояние Донского магистрального канала можно оценить как не вполне удовлетворительное, в связи с тем, что грунты дамб канала на некоторых участках разуплотнились, а под действием грунтовых вод происходит оплывание откосов.

Таблица 2 - Натурные данные нарушений и деформаций на каналах

Канал Расход, факт./ проект. м3/с кпд канала факт./ проект. Обнаруженные дефекты и деформации Данные наблюдений Год наблюдений

ДМК 201/250 0,82/ 0,89 - выклинивание фильтрационных вод в основании дамбы; - разрушение плит облицовки; - оплывы дамб на 2-х участках; Ю. М. Косиченко Д. В. Бакланова 2005 2011-2013

ПМК 54 0,80/ 0,85 - фильтрация, связанная с наличием карстовых пород в основании канала; - зарастание водной растительностью; - заиление дна канала; - деформации поперечного профиля канала; - разрушение плит облицовки; Д. В. Бакланова 2011-2013

На Пролетарском магистральном канале зафиксированы многочисленные размывы берегов канала, зарастание русла канала водной растительностью, деформации откосов канала, разрушение и зарастание плит облицовки на некоторых участках, фильтрационные процессы, связанные с наличием карстовых пород у н. п. Наумовка на ПК 1520-1549, а также размывы и интенсивное заиление канала у ст. Буденовская на ПК 1622-1634. От ПК 1520 до Ж 1549 канал заилен на 0,6-1,16 м, кроме того на ПК 1530 и ПК 1542 дамбы канала осели на 10-18 см и 2-11 см соответственно.

По результатам проведенных обследований установлены значительные нарушения и деформации связанные с проявлением оползневых процессов (ДМК, БСК-1), разрушением и деформациями покрытий каналов на некоторых участках (ПМК, БСК-1), в связи с чем, возможно увеличение расхода фильтрационного потока, действующих средних градиентов напора в теле и основании дамб каналов в насыпи, что грозит аварийной ситуацией.

Размывы откосов и деформации поперечного сечения каналов (ДМК, ПМК, БСК-1) приводят к возникновению отказов в работе каналов, т. е. к уменьшению или прекращению подачи требуемых расходов водопользователям.

Кроме того, в настоящее время фактический КПД каналов значительно снизился, что свидетельствует об ухудшении их технического состояния, и необходимости проведения капитальных ремонтов с устройством современных противофильтрационных облицовок и устройств.

На Донском магистральном канале в пределах первой очереди реконструкции канала были выбраны три контрольных створа (створ №1 ПК 485, створ №2 ПК 523, створ № 3 ПК 533), где в течение 6 месяцев автором совместно с сотрудниками института были осуществлены наблюдения за колебаниями уровней грунтовых вод и положением кривой депрессии в опытных скважинах (рисунок 2).

Сгаор Сгаор Спор

№1 ха №3

шм85 пк?23 пк 533

1 ) 0

LI.kMJJ.LU 1,1,!,1

ШЧ'1 1 Донской магистральный кэнап | ИМИ

Перегораживающее сооружение ч — * екк №1 ч , скв.№2 1 —< i гН ч Л ) СКВ.№4 ) скв .№5 —€ г--( 1 скв .N»7 » скв№8

шоссейная дорога

СКВ.№3 —1 1 СКВ.Хоб < ! —, 1 скв.Ж9

Рисунок 2 — Схема расположения по каналу трех створов и 9 наблюдательных скважин вдоль Донского магистрального канала

Конструкция наблюдательных пьезометрических скважин выбрана с учетом гидрогеологического строения, гидрогеологических условий водопроницаемости грунтов и глубины залегания грунтовых вод. Замеры уровней грунтовых вод проводились от верха трубы.

Результаты наблюдений за изменением уровня грунтовых вод в приканальной зоне Донского магистрального канала заносились в ведомость замеров уровня грунтовых вод по наблюдательным скважинам, которая представлена в таблице 3.

Анализируя данные таблицы 3 можно сделать вывод, что в среднем по всем скважинам при полном опорожнении воды в канале, по сравнению с наполненным каналом до максимального уровня, наблюдается снижение уровня грунтовых вод на 2,5 м.

Таблица 3 - Ведомость замеров уровня грунтовых вод по наблюдательным

скважинам, размещенным по правой стороне Донского _магистрального канала________

у Дата замеров

№ / 10.09.12 г. | 25.10.12 г. 2.11.12г. 24.11.12 г. 8.12.1 2 г.

СКВ./ / отм. / пов. / земли отм. пов. земли, м отм. УГВ отм. пов. земли, м отм. УГВ отм. пов. земли, м отм. УГВ отм. пов. земли, м отм. УГВ отм. пов. земли, м отм. УГВ

скв.№ 1/ 27,7 220 25,50 218 25,52 403 23,67 468 23,02 468 23,02

скв.№ V 27,:3 300 24,30 300 24,30 385 23,45 468 22,44 493 22,37

скв.№ 3/ 27,3 344 23,86 343 23,87 390 23,40 470 22,60 475 22,55

глубина воды в канале, м 4,0 27,41 4,0 27,41 1,0 24,41 0,5 23,91 1,0 24,41

скв.№ 4/ 27,4 195 25,45 200 25,40 360 23,80 428 23,12 340 24,00

скв.№ 5/ 27,0 10,0 24,45 9,5 24,35 112,5 23,40 180,5 22,70 189,5 23,20

скв.№ 6/ 27,0 72,0 23.30 71,5 23 ДО 118,0 23,20 176 22,40 185 23,00

глубина воды в канале, м 4,0 27,40 4,0 27,40 1,0 24,40 0,5 23,90 0,5 23,90

скв.№ 7/ 27,0 170 25,30 180 25,20 335 23,65 400 23,0 418 22,82

скв.№ 8/ 26,4 198 24,42 200 24,40 301 23,39 401 22,99 409 22,31

скв.№ 9/ 26,3 380 22,50 382 22,48 426 22,04 458 21,72 470 21,60

глубина воды в канале, м 4,0 27,41 4,0 27,41 1,0 24,41 0,5 23,91 1Д 24,61

При полном наполнении канала и уровне воды 27,40 м, уровни грунтовых вод в период наблюдений 10.09.12 г. залегают достаточно близко от поверхности на глубине 2,0-2,7 м.

При снижении уровня воды в канале на 24.11.12 г. на 3,5 м при отметке 23,91 м кривая депрессии существенно выполаживается, а при полном опорожнении канала наблюдается обратный приток грунтовых вод в канал, о чем свидетельствует оставшийся слой воды в канале глубиной до 0,5 м, в результате этого возникают неблагоприятные явления, связанные с оплыванием откосов, потерей их устойчивости и отложением слоя сжиженного грунта на дне канала.

Это обстоятельство обуславливает необходимость реконструкции участка канала с устройством противофильтрационных покрытий и отводом грунтовых вод в канал.

По предложенной во второй главе методике, автором были выполнены расчеты фильтрации и оценка риска разрушения потенциально опасных участков в насыпи Донского и Пролетарского магистральных каналов.

На основании выполненных расчетов можно заключить следующее: для всех расчетных случаев риск разрушения дамбы Донского магистрального канала по средним градиентам не превышает нормативного значения принятого Ав=5 10"41/год.

Однако на всех рассматриваемых участках, кроме ПК 555-565 (55-56 км), не выполняется условие местной фильтрационной прочности грунта при выходе фильтрационного потока на приканальную территорию. Это свидетельствует о возможности локальных разрушений грунта в виде суффозии или выпора.

Для Пролетарского магистрального канала результаты расчетов показали, что для всех расчетных случаев риск аварии дамб канала также не превышает нормативного значения. Однако возможны разрушения грунта дамб при выходе фильтрационного потока на низовой откос при высоте насыпи дамб от 3 до 8 м.

В четверной главе рассматриваются основные мероприятия предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов, изложенные в рекомендациях, разработанных с участием автора, кроме того предложены новые технические решения по противофильтрационной защите дамб каналов.

На основании обобщения опыта эксплуатации магистральных каналов юга России автором предлагаются мероприятия по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов в земляном русле, которые включают: режимные наблюдения за фильтрацией и работой приканального дренажа на потенциально опасных участках, регулярный наружный осмотр искусственных насыпей, контроль за оседанием грунта тела и основания дамб канала, систематические наблюдения за состоянием грунта за дамбой и зондировка опасного участка металлическим щупом, очистка канала от растительности и наносов, исключение деформаций русла канала связанных с развитием кар-стово-суффозионных процессов, заделка трещин с использованием конструкций из геомембран и габионных матов, ликвидацию просадок дамб на потенциально опасных участках посредством уширения насыпей, отвода воды с нагорной стороны насыпи, восстановление проектных отметок дамб, возведение поддерживающего сооружения, устранение фильтрационных деформаций (мокрых пятен, суффозии, выпора) при выходе фильтрационного потока на низовой откос путем устройства противофильтрационных покрытий и т.д.

Расчет экономического эффекта от внедрения результатов исследований основывался на расчете приведенных затрат по внедряемому мероприятию и базовому варианту, а также на определении чистого дохода от орошения дополнительной площади при внедренном мероприятии.

Разработанные рекомендации и предлагаемый комплекс мероприятий по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов внедрены ФГБУ «Управление «Ростовмелиоводхоз» на Донском магистральном канале в Ростовской области.

Кроме того, автором предложена конструкция противофильтрационной диафрагмы для дамб каналов высотой до Юм (заявка на изобретение №2013115788 от 08.04.2013 г.).

Противофильтрационная диафрагма (рисунок 3) состоит из плит двух типов, соединенных между собой посредством полуцилиндрических выступов и каналов. Плиты помещаются в траншею на гребне дамбы на глубину необходимую для отсечения фильтрационного потока, при этом по контуру противофильтрационной диафрагмы выполняется обратный фильтр из нетканого геотекстиля для предотвращения выноса фунта фильтрационным потоком.

водоподпорного сооружения: 1 - водоподпорное сооружение; 2 - траншея; 3 - противофильтрационная диафрагма; 7 - отверстия, защищенные геотекстилем; 9 - продольная цилиндрическая полость; 10 - очаг фильтрационных деформаций; 11 - начальное положение кривой депрессии; 12 - конечное положение кривой депрессии после устройства противофильтрационной облицовки

Предлагаемая противофильтрационная диафрагма позволит устранить фильтрацию через тело водоподпорного сооружения, выполнение противо-фильтрационной диафрагмы из плит, изготовленных из отходов полиолефинов, позволит удешевить конструкцию за счет вторичной переработки отходов полимеров, наличие в плитах продольных цилиндрических полостей позволит производить наблюдения за уровнем грунтовых вод в теле водоподпорного сооружения.

На основании анализа причин возникновения аварий на каналах автором предложен способ заделки очага фильтрационных деформаций в дамбе канала, который может быть использован при проведении аварийно-восстановительных работ под водой посредством заделки фильтрационных ходов в размываемых руслах каналов (рисунок 4) (заявка на изобретение № 2013149777 от 06.11.2013 г.).

Рисунок 4 - Укладка габионно-геомембранной конструкции и заделка очага фильтрационных деформаций: 1 - арматурные каркасы с габионами; 2 - аллюминевая проволока; 3 — геотекстиль; 4 - водонепроницаемая геомембрана; 5 - металлическая скоба; 6 - подъемный кран; 7 - свободный фильтрационный ход

Предлагаемый способ заделки очага фильтрационных деформаций в дамбе канала без его опорожнения повышает качество укладки, производительности и водонепроницаемости за счёт использования габионно-геомембранной конструкции защитного покрытия.

Габионно-геомембранная конструкция собирается следующим образом. Габионы размещают в решетчатые арматурные каркасы (заранее изготовленные по размерам 4x3x0,3 м, весом 37 кг), к которым по всему периметру проволокой через 1,0-1,5 метра прикрепляется тканный геотекстиль, после чего укладывается полотнище водонепроницаемой геомебраны и производится крепление всей конструкции с двух сторон с помощью металлических скоб.

После этого готовая габионно-геомембранная конструкция погружается под воду на откос с помощью подъемного крана на предварительно установленное по результатам промерных работ место расположения входной части свободного фильтрационного хода в дамбе канала.

Преимуществом предлагаемого способа заделки очага фильтрационных деформаций в дамбе канала является быстрота и простота производства работ, локализация фильтрационного хода и полная водонепроницаемость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе опыта эксплуатации каналов России и зарубежья автором определены основные причины и факторы, влияющие на возникновение аварий и отказов. Составлена схема сценариев возможных аварийных ситуаций на магистральных каналах, возникающих вследствие гидравлических, фильтрационных и оползневых процессов.

2. Разработана методика для расчетно-теоретической оценки риска возникновения аварийной ситуации на наиболее опасных участках крупных каналов в насыпи и на косогоре вследствие фильтрационных деформаций, включающая определение удельных фильтрационных расходов, действующих средних и выходных градиентов напоров, а также риска разрушения дамбы канала.

3. Получены зависимости (1)-(3) и (10)-(12) для определения фильтрационных расходов в дамбе канала и ее основании с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала для четырех расчетных случаев, а также зависимости (15) и (17) для определения градиентов напора.

4. Выполнена оценка достоверности результатов по методике, предложенной автором, в сравнении с методом эквивалентного профиля Е. А. Замарина и экспериментальным методом электромоделирования. При сопоставлении результатов по методике автора и методу ЭГДА получены близкие результаты с расхождением в пределах 2,48-5,12 %, что свидетельствует об их

достоверности и возможности применения предлагаемой методики на практике. При использовании метода Е. А. Замарина для дамб в насыпи более 5-10 м отклонения могут достигать до 40 %. На основании проведенных расчетов по различным методам автор рекомендует использовать для расчета дамб каналов в насыпи предложенную методику при высоте насыпи более 5 м, а при высоте насыпи до 5 м - известные методики расчета фильтрации для грунтовых плотин.

5. По результатам проведённых натурных исследований магистральных каналов, а также обобщения ранее полученных натурных данных других авторов проведено уточнение имеющихся деформаций поперечного сечения русел. Результаты натурных исследований показали неудовлетворительное техническое состояние дамб каналов. Натурные наблюдения за формированием кривой депрессии и уровнем грунтовых вод на Донском магистральном канале подтвердили наличие обратного притока грунтовых вод в канал, при полном его опорожнении, в результате чего происходит оплывание откосов дамб под действием фильтрационных сил и потеря их статической устойчивости с отложением по дну канала слоя сжиженного грунта. В связи с этим, при проведении реконструкции данного участка канала рекомендуется выполнение противо-фильтрационных покрытий с отводом грунтовых вод в канал.

6. Выполненные расчеты риска аварий для участков в насыпи Донского и Пролетарского магистральных каналов показали, что риск разрушения дамб каналов составил соответственно Д=1,535 10"4-;-1,798 10"4 и Л =1,628 10"3-^ 1,966-10'3, что не превышает нормативных значений, однако, на некоторых участках возможны локальные разрушения грунта при выходе фильтрационного потока на низовой откос.

7. Для практического использования предложен комплекс мероприятий по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках в насыпи и на косогоре. Разработана противофильтрационная диафрагма для дамб каналов высотой до 10 м. Предлагаемое устройство позволит повысить эксплуатационную надежность дамб каналов, при низкой строительной стоимости самой диафрагмы.

Кроме того, предложен способ заделки очага фильтрационных деформаций в дамбах каналов, который позволяет оперативно ликвидировать их за счёт использования габионно-геомембранной конструкции.

8. Проведена оценка экономического эффекта от применения мероприятий по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасном участке Донского магистрального канала.

Ожидаемый экономический эффект от использования в эксплуатации комплекса внедряемых мероприятий составит 4,34 млн. руб.

Результаты научных исследований опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ

1 Косиченко, Ю. М., Бакланова, Д. В. Расчет фильтрации через дамбу канала в насыпи и оценка риска аварийных ситуаций / Ю. М. Косиченко, Д. В. Бакланова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2012.-№ 4. - С.77-81.

2 Бакланова, Д. В. Расчетное обоснование вероятности разрушения потенциально опасных участков крупного канала от фильтрационных воздействий / Д. В. Бакланова // Природообустройство. - 2013. - № 2. - С.43-48.

3 Тищенко, А. И., Бакланова, Д. В. Применение размерностно-регрессионного метода к определению фильтрационных характеристик земляных дамб [Электронный ресурс] / А. И. Тшценко, Д. В. Бакланова // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон, периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон, журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2012. - №4(08). - 10 с. - Режим доступа: http://www.rosшipmsm.ru/archive?n=131&id=140.

4 Косиченко, Ю. М., Бакланова, Д. В. Определение вероятного риска аварии крупного канала вследствие фильтрационных деформаций [Электронный ресурс] / Ю. М. Косиченко, Д. В. Бакланова // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон, периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон, журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2012. — № 1(05). - 12 с. - Режим доступа: httEГ.//www■rosniipmsm■ш/archive?n=82&.id=94■

Работы, опубликованные в других изданиях:

5 Бакланова, Д. В. Факторы, влияющие на возникновение аварийных ситуаций на крупных каналах [Электронный ресурс] / Д. В. Бакланова // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон, периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. — Электрон, журн. — Новочеркасск: РосНИИПМ, 2011. - № 3(03). - 9 с. - Режим доступа: http://www.rosniipmsm.ru/arch ¡уе?п=37&1с!=41.

6 Бакланова, Д. В. Возможные сценарии аварийных ситуаций на каналах / Д. В. Бакланова //Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб ст. ФГНУ «РосНИИПМ» / под ред. В. Н. Щедрина. - Новочеркасск: ООО «Геликон», 2010. - Вып. 44. - С. 81-87.

7 Бакланова, Д. В. Методы устройства перемычек и ликвидации проранов / Д. В. Бакланова //Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб ст. ФГНУ «РосНИИПМ» / под ред. В. Н. Щедрина. - Новочеркасск:

ООО «Геликон», 2010. - Вып. 44. - С. 118-123.

8 Бакланова, Д. В. Расчет фильтрации через дамбу канала на косогоре и оценка риска возникновения аварийной ситуации / Д. В. Бакланова // Материалы международной научно-практической конференции «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства в России» (Костяковские чтения). — М.: Изд. ВНИИА, 2013. - С. 478.

Подписано к печати 22.01.2014. Формат 60*84/16. Усл.-печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № 955.

Отпечатано в издательском центре ФГБОУ ВПО МГЛУ: 127550, Москва, Тимирязевская, 58

Текст работы Бакланова, Дарья Викторовна, диссертация по теме Гидротехническое строительство

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МЕЛИОРАЦИИ» (ФГБНУ «РОСНИИПМ»)

На правах рукописи

04201456281

БАКЛАНОВА ДАРЬЯ ВИКТОРОВНА

ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ВЕРОЯТНОСТЬ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ УЧАСТКОВ КАНАЛОВ

Специальность - 05.23.07 - Гидротехническое строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Косиченко Ю. М.

Новочеркасск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

с.

Введение.................................................................................................... 4

1 Состояние исследований по оценке влияния фильтрации из каналов на условия их эксплуатации....................................... 8

1.1 Понятия безопасности и риска аварии гидротехнических сооружений.............................................................................. 8

1.2 Сценарии аварийных ситуаций и основные факторы, влияющие на возникновение отказов и аварий на крупных каналах............................................................................................... 9

1.3 Опыт эксплуатации крупных каналов............................................ 12

1.4 Обзор существующих работ в области оценки безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений.............................. 18

1.5 Направления дальнейших исследований, обоснование их цели

и задач........................................................................... 27

Выводы по главе................................................................ 28

2 Результаты теоретических исследований по расчетному обоснованию вероятности разрушения потенциально опасных участков крупных каналов от фильтрационных воздействий..... 30

2.1 Потенциально опасные участки крупных каналов..................... 30

2.2 Допущения и предпосылки, принятые при расчетах фильтрации и оценке риска аварий на каналах......................... 35

2.3 Расчет фильтрации через дамбу канала в насыпи и оценка

риска возникновения аварийной ситуации.................................. 36

2.4 Расчет фильтрации через дамбу канала в насыпи с

горизонтальным трубчатым дренажем и оценка риска ' возникновения аварийной ситуации....................................... 43

2.5 Расчет фильтрации через дамбу канала в насыпи с облицовкой

и оценка риска возникновения аварийной ситуации................... 45

2.6 Расчет фильтрации через дамбу канала на косогоре и оценка риска возникновения аварийной ситуации.................................. 47

2.7 Сопоставление результатов расчета для дамбы канала в насыпи

с известными методами.................................................................... 50

Выводы по главе.......................................................................... 57

3 Натурные исследования по оценке современного технического состояния магистральных каналов юга России и образованию различных деформаций их русел......................................... 58

3.1 Общая характеристика объектов исследований........................ 58

3.2 Методика проведения натурных исследований.......................... 64

3.3 Результаты натурных исследований...................................... 67

3.4 Натурные наблюдения за формированием кривой депрессии по опытным скважинам на Донском магистральном канале............ 75

3.5 Оценка риска разрушения потенциально опасных участков

Донского и Пролетарского магистральных каналов..................... 84

Выводы по главе........................................................................... 91

4 Разработка мероприятий по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов...................................................................................................... 93

4.1 Рекомендуемые мероприятия по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов (по опыту эксплуатации каналов юга России).... 93

4.2 Новые технические решения по противофильтрационной

защите дамб каналов........................................................................ 101

4.3 Способ заделки очага фильтрационных деформаций в дамбе канала................................................................................................ 106

4.4 Расчет экономической эффективности от использования мероприятий по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов................ 108

Выводы по главе...................................................................... 111

Основные выводы............................................................................ 113

Список использованных источников............................................ 115

Приложения............................................................................. 129

Приложение А - Сводные данные по техническому состоянию магистральных каналов Краснодарского, Ставропольского краев,

Ростовской и Астраханской областей.................................................... 130

Приложение Б - Примеры построения гидродинамической сетки.... 136 Приложение В - Рабочие характеристики и копия свидетельства о

поверке электронного тахеометра «TOPCON»GPT-105N.................... 138

Приложение Г - Акт внедрения результатов НИР................................ 141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Согласно Водной стратегии Российской Федерации на 2010- 2020 гг. ставится задача комплексного и рационального использования водных ресурсов [20]. В связи с этим появилась необходимость в интенсификации водного хозяйства, которое призвано решать проблемы дефицита водных ресурсов, а также обеспечения объектов народного хозяйства и населения водой требуемого качества, что осуществляется в значительной степени с помощью крупных магистральных каналов [21].

Наиболее густо крупные магистральные каналы расположены на юге страны, где необходимо разумное потребление водных ресурсов с целью улучшения водообеспечения населения, промышленных предприятий и сельского хозяйства [58]. На территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов зарегистрировано более 60 крупных каналов с общей протяженностью 23 тыс. км [29].

К крупным магистральным каналам оросительных систем на юге страны относятся Большой Ставропольский канал, Донской, Нижне-Донской, Верхне-Сальский, Пролетарский, Багаевский, Азовский, Право-Егорлыкский, Невинно-мысский, Терско-Кумский и другие магистральные каналы. Многие из них используются комплексно для целей водоснабжения, орошения, обводнения, энергетики, рыбного хозяйства и рекреации. В настоящее время их техническое состояние значительно ухудшилось, в связи с чем, потенциально опасными признаны 12 магистральных каналов, с общей протяженностью 1400 км [92].

Так как некоторые участки каналов представляют собой потенциальную опасность и пребывают в неудовлетворительном техническом состоянии, то важной проблемой является безаварийная эксплуатация магистральных каналов и гидротехнических сооружений расположенных на них.

Целью исследований является разработка расчетно-теоретического обоснования влияния фильтрационных факторов на вероятность возникновения аварийных ситуаций потенциально опасных участков каналов.

Для достижения цели исследований были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть и проанализировать опыт эксплуатации крупных магистральных каналов России и зарубежья и установить причины возникновения отказов и аварий на каналах;

- разработать методику расчетно-теоретической оценки риска возникновения аварийной ситуации на наиболее опасных участках крупных каналов от фильтрационных деформаций;

- получить зависимости для определения удельных фильтрационных расходов, действующих градиентов напоров в теле и основании дамбы канала с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала;

- выполнить оценку достоверности результатов по методике автора в сравнении с методом ЭГДА и методом эквивалентного профиля Е. А. Замарина;

- провести натурные исследования по оценке современного технического состояния крупных магистральных каналов юга России и выполнить наблюдения за формированием депрессионной кривой и уровнем грунтовых вод в их дамбах;

- определить вероятность возникновения аварийных ситуаций на потенциально опасных участках действующих магистральных каналов;

- разработать инженерно-технические мероприятия по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов;

- провести оценку экономического эффекта от применения мероприятий по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках Донского магистрального канала.

Методы исследований. В процессе проведения исследований применялись теоретические, экспериментальные и натурные методы.

В качестве теоретических методов были использованы методы теории надежности и теории фильтрации. Экспериментальные исследования выполнены методом электрогидродинамических аналогий, при этом осуществлялось физическое моделирование задач плоской фильтрации. Натурные исследования проводились согласно общепринятым методикам.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые разработана методика для оценки риска разрушения потенциально опасных участков магистральных каналов в насыпи и на косогоре вследствие фильтрационных воздействий;

- получены усовершенствованные расчетные зависимости для определения удельных фильтрационных расходов через тело и основание дамбы канала в насыпи и на косогоре, учитывающие дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала;

- предложены расчетные зависимости для определения фильтрационной прочности грунта дамб для различных расчетных схем канала;

- выполнен анализ натурных исследований и выявленных деформаций и отказов в работе грунтовых дамб крупных магистральных каналов юга России.

Достоверность исследований подтверждается сопоставлением полученных результатов с данными, полученными по экспериментальным исследованиям и методикам других авторов. А также тем, что натурные исследования проведены с использованием современных аттестованных приборов и оборудования. Полученные результаты обработаны с применением ПЭВМ.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- составлена схема сценариев возможных аварийных ситуаций на крупных каналах, возникающих вследствие фильтрационных, гидравлических и оползневых процессов;

- систематизированы аварии и деформации на каналах России и зарубежья;

- на основе анализа эксплуатации действующих крупных магистральных каналов предложены рекомендуемые мероприятия по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках магистральных каналов;

- предложена конструкция противофильтрационной диафрагмы для устранения фильтрации через тело дамб каналов высотой до 10 м, а также способ заделки очага фильтрационных деформаций в размываемых руслах каналов;

- разработаны рекомендации по предупреждению и устранению аварийных ситуаций на потенциально опасных участках каналов.

Внедрение результатов. На основании разработанной методики оценки риска разрушения потенциально опасных участков магистральных каналов в насыпи и на косогоре вследствие фильтрационных воздействий проведены расчеты вероятности аварийных ситуаций на Донском и Пролетарском магистральных каналах, которые внедрены в ФГБУ «Управление «Ростовмелиоводхоз».

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на научно-практических конференциях «Разработка мероприятий по повышению эксплуатационной надежности и безопасности гидротехнических сооружений, техническое перевооружение и модернизация гидротехнических сооружений средствами водоучета и автоматизации водораспределения и водоотве-дения на мелиоративных системах» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск 29.10.2010 г.), «Эксплуатационный мониторинг технического состояния и современные методы обследования гидротехнических сооружений мелиоративного назначения» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск 24.12.2010 г.), «Техническое состояние и уровень безопасности мелиоративных каналов и гидротехнических сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск 21.10.2011 г.), 94-й конференции профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова (г. Новочеркасск, 28.05.2012 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного обустройства технопри-родных систем» ФГБОУ ВПО МГУП (г. Москва 16-18 апреля 2013 г.), «Эксплуатационная надежность и безопасность каналов и гидротехнических сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск 17.05.2013 г.).

Публикации. По основным результатам работы опубликовано 8 печатных работ, из них 4 в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников (136 наименований) и приложений. Общий объем диссертационной работы 144 страницы печатного текста, включая 39 рисунков и 26 таблиц.

1 СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ИЗ КАНАЛОВ НА УСЛОВИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1 Понятия безопасности и риска аварии гидротехнических сооружений

Под безопасностью гидротехнических сооружений (ГТС) понимают свойство гидротехнических сооружений, позволяющее обеспечивать защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов [77].

К характеристикам безопасности гидротехнических сооружений относятся критерии безопасности гидротехнического сооружения, показатели состояния гидротехнического сооружения и окружающей среды, характеризующие пределы и уровень его безопасности [100].

Под критериями безопасности гидротехнического сооружения понимают предельные значения количественных и качественных показателей состояния гидротехнического сооружения и условий его эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии гидротехнического сооружения и утвержденные в установленном порядке федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный надзор за безопасностью гидротехнических сооружений [77].

Риском аварии на гидротехническом сооружении называют показатели вероятностей возникновения аварий и их ожидаемых последствий для жизни и здоровья людей, собственности и окружающей среды.

Оценка риска аварий на гидротехническом сооружении это исследование условий возникновения аварий на гидротехническом сооружении, включающее: идентификацию опасностей возможных их источников, а также исследование возможных аварий и механизмов их возникновения и развития на основе моделирования различных сценариев аварий [100]. При этом допустимым уровнем риска аварии считается значение риска аварии гидротехнического сооружения, установленное нормативными документами [77].

1.2 Сценарии аварийных ситуаций и основные факторы, влияющие на возникновение отказов и аварий на крупных каналах

Каналом называется устроенное в грунте гидротехническое сооружение в виде искусственного русла правильной формы с безнапорным течением воды, предназначенное для целей орошения, осушения, обводнения, гидроэнергетики, судоходства, лесосплава и т. д. [84].

Классификация каналов в наиболее полном виде дана А. А. Королевым [52] и А. А. Угинчусом [107]. Кроме того, расширенная классификация каналов приведена в ряде работ Н. П. Розанова [25], Ю. А. Ибад-Заде [39, 40], В. С. Лапшен-кова [63], Е. К. Рабковой [88, 89], Ю. М. Косиченко [56] и др. [49].

Каналы бывают открытые, когда устраиваются в грунте в выемке, насыпи или полувыемке-полунасыпи, и закрытые, когда используются трубопроводы. Трубопроводы могут быть уложены на поверхность земли, а также расположены в выемке и засыпаны грунтом.

По назначению каналы подразделяют на следующие виды:

- оросительные,

- осушительные;

- обводнительные;

- энергетические;

- судоходные;

- подводящие или отводящие;

- лесосплавные;

- водопроводные;

- рыбоходные;

- водосбросные;

- комплексные.

По способу подачи воды каналы подразделяют на самотечные и машинные, в которых вода из источника поступает в канал с помощью насосных станций.

По топографическим условиям трассирования каналы проходят в выемке, насыпи, полувыемке-полунасыпи.

По роду материала, из которого выполнены дно и откосы открытых каналов и стенки закрытых каналов, каналы подразделяют на:

- земляные;

- фашинно-хворостяные;

- деревянные;

- каменные;

- бетонные;

- железобетонные;

- металлические.

По форме поперечного сечения каналы бывают полигональные, прямоугольные, трапецеидальные, параболические, ложбинообразные. На стадии проектирования каналов форма поперечного сечения выбирается в зависимости от инженерно-геологических условий, положения уровня грунтовых вод, а также требуемых размеров канала.

В зависимости от характеров уклона дна каналы могут быть с прямым уклоном, с обратным уклоном и с горизонтальным дном.

Необлицованные каналы это каналы, которые не имеют защитных одежд и проходят в земляных руслах.

Облицованные каналы это каналы, которые имеют защитные одежды. Применение облицовок уменьшает фильтрационные потери воды из канала, исключает размывы русла канала от воздействия ветровых волн. Каналы с защитными п