автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности грунтовых плотин в условиях потенциального заиления дренажа

На правах рукописи

ЛОПАТИНА Маргарита Геннадьевна

повышение эксплуатационной надежности грунтовых плотин в условиях потенциального заиления дренажа

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

- 3 ДЕК 2

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

003487029

Работа выполнена

в Открытом акционерном обществе ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева»

научный руководитель

доктор технических наук, старший научный сотрудник Солъский Станислав Викторович

официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Даишев Шамиль Талгатович ООО «НЕФТЕГАЗГЕОДЕЗИЯ» (г. Санкт-Петербург)

кандидат технических наук Загрядский Иван Игоревич ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» (г. Санкт-Петербург)

ведущая организация

ОАО «Ленгидропроект»

Защита состоится «

а

» декабря 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 512.001.01 в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» (195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., д. 21, ауд. 406 - 407)

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

Автореферат разослан « Г? » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Т.В. Иванова

общая характеристика работы

Актуальность работы. Заиление дренажа объектов промышлен-но-гражданского строительства (механическое, биологическое и химическое, а также возможные их сочетания) приводят к ряду негативных последствий: повышению уровней грунтовых вод и подтоплению оснований сооружений и прилегающих к ним территорий. Особую опасность представляет собой заиление и кольматаж придренной зоны и дренажной инфраструктуры напорных грунтовых гидротехнических сооружений, последствия аварий на которых могут носить катастрофический характер.

Вопросами генезиса железо-марганцевых отложений, развития процессов заиления элементов дренажа и разработкой методов борьбы с заилением занимались такие ученые как Алексеев B.C., Гинц A.B., Голь-дина Т.М., Гордиенко С.Г., Гусакова И.Н., Даишев Ш.Т., Добрецов В.Б., Жиленков В.Н., Зайдельман Ф.Р., МасловБ.С., Морозов Э.А., Мураш-ко А.И., Коммунар Г.М., Плотников H.A., Самофалов Д.П., Сольский С.В., Сотников В.И., Терский В.П., Фисенко В.Ф., Штыков В.И., Эггельсманн Р., Халлберг Р., Мартинелл Р. и др.

Несмотря на значительный объем проведенных ранее исследований на сегодняшний день проблема защиты дренажа от заиления является недостаточно изученной, поэтому разработка подходов к повышению эксплуатационной надежности грунтовых плотин в условиях потенциального заиления дренажа является актуальной.

Цель диссертации заключается в разработке решений, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности грунтовых плотин в условиях потенциального заиления их элементов, включая рекомендации по ведению соответствующего эксплуатационного мониторинга.

Основные задачи исследования:

оценка влияния на работу фунтовых плотин прогрессирующего марганцевого заиления, проведение натурных исследований по уточнению характера и динамики марганцевого кольматажа в различных элементах грунтовых плотин;

разработка основных принципов конструирования элементов грунтовых плотин и на их основе конструкций, эффективных в условиях потенциального заиления;

исследование в лабораторных условиях фильтрационных свойств грунтов тела и обратного фильтра плотин, подвергнувшихся кольматажу, а также физико-механических свойств кольматанта (марганцевых отложений), исследование на физических моделях условий формирования марганцевых отложений;

разработка Методики эксплуатационного мониторинга дренажа и Методики прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, элементы которых подвержены заилению.

Научная новизна:

1. Разработаны принципы конструирования дренажей грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления, на их основе предложено около 20 эффективных конструкций (в т.ч. защищенных приоритетами и патентом) и разработана их классификация.

2.Разработана Методика эксплуатационного мониторинга дренажных систем, подверженных заилению.

3.Разработана Методика прогнозной оценки влияния процесса заиления на эксплуатационную надежность грунтовых плотин.

4.Разработана систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам их локализации.

5. Определено влияние хемогенного марганцевого кольматажа на водопроницаемость грунтов тела плотины и обратного фильтра дренажа, также получены физико-механические характеристики кольматирующих отложений.

Практическая ценность и реализация работы

на две конструкции дренажей, эффективных в условиях потенциального заиления, поданы заявки на изобретение «Система кислородной завесы для защиты дренажа» № 2009131796 с приоритетом от 21.08.2009 г. и на полезную модель «Самопромывной дренаж периодического действия» № 2009137439 с приоритетом от 09.10.2009 г. с решением о выдаче патента от 26.10.2009 г.;

предложенные технические решения позволяют повысить эксплуатационную надежность грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления их дренажных элементов;

результаты работы внедрены на «Боткинской ГЭС», в ГУП «Лен-водхоз» (г. Санкт-Петербург), в ООО «НПК Проектводстрой» (г. Санкт-Петербург), используются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплинам «Инженерная мелиорация» и «Эксплуатация и безопасное обслуживание гидротехнических сооружений объектов промышленности и энергетики».

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались экспериментальные методы - гидрометрические, гидрохимические; методы физического и численного моделирования; стандартные методы определения физико-механических характеристик; методы математической статистики.

Достоверность результатов подтверждается использованием экспериментального и лабораторного оборудования, имеющего метрологическое обеспечение, выполнением численного моделирования фильтрационных процессов и устойчивости грунтовых плотин на сертифицированных специализированных программных комплексах PLAX FLOW и PLAXIS, соответствием данных натурных наблюдений и расчетов.

Личный вклад автора состоит в обобщении материалов исследований по кольматажу дренажей в отечественной и мировой практике, участии в постановке задачи, разработке методики и программ натурных и лабораторных исследований и экспериментов, численном моделировании фильтрационных процессов на программном комплексе PLAX FLOW, непосредственном участии в проведении и обработке результатов натурных и лабораторных исследований и экспериментов, обосновании основных принципов проектирования дренажных элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления, разработке на их основе эффективных конструкций и их классификации.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» и ОАО «Боткинская ГЭС», принимавшим участие в проведении натурных и экспериментальных исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на 7-ой Международной выставке и конференции «AQUATERRA» г. Санкт-Петербург (2004 г.); научно-технической конференции РАО «ЕЭС России» г. Санкт-Петербург (2005 г.); на научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» г. Санкт-Петербург (2008 г.); XVI научно-практической конференция изыскателей Гидропроекта «Оптимизация управления качеством изысканий в условиях расширяющейся международной интеграции» г. Звенигород (2009 г.); Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» Московский государственный университет природообустройства (2009 г.); результаты работы неоднократно докладывались на секциях Ученого совета ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»; Технических советах «Боткинской ГЭС», ГУП «Ленводхоз», ООО «НПК Проектводстрой».

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Классификация конструкций дренажей грунтовых плотин, разработанных в соответствии с предложенными принципами проектирования сооружений, работающих в условиях потенциального заиления.

2. Методика эксплуатационного мониторинга дренажных систем, подверженных заилению.

3. Методика прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, дренажные элементы которых подвержены заилению.

4. Выявление и систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам их локализации.

5. Результаты лабораторных исследований влияния хемогенного марганцевого кольматажа на водопроницаемость грунтов тела плотины и обратного фильтра дренажа, физико-механических свойств марганцевых отложений.

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 6 печатных работ, из них 1 в сборнике, рекомендуемом ВАК, получен приоритет на изобретение и приоритет с решением о выдаче патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (204 наименования); содержит 136 страниц основного текста, в том числе 43 рисунка и 18 таблиц.

содержание работы

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

Первая глава посвящена исследованию современного состояния проблемы защиты дренажных элементов сооружений от хемогенного кольматажа железистыми и марганцевыми соединениями. Отмечается, что подземные и поверхностные воды, содержащие повышенные концентрации ионов марганца и железа, достаточно часто встречаются как на территории Российской Федерации, так и в ряде других стран. Так в настоящее время имеются сведения о кольматаже нерастворимыми хемогенны-ми соединениями элементов систем водоподготовки и вертикальных дренажей систем водопонижения и защиты территорий от подтопления. Известны осложнения в работе гидротехнических сооружений в результате хемогенного железистого и марганцевого кольматажа на территории Российской Федерации на Саратовской, Боткинской и Нижегородской ГЭС (рис. 1), системе защитных сооружений Куйбышевского водохранилища, на ряде сооружений ГРЭС и др., а также на ряде зарубежных объектов, например, на гидроузле возле г. Бремена (Германия) и системе защитных сооружений Каховского водохранилища и др.

Мероприятия по предотвращению образования и ликвидации хе-могенных отложений железа и марганца, разрабатывались в мелиорации, водоподготовке, канализации, в практике эксплуатации вертикальных дренажей систем водоснабжения, водопонижения и гидротехнических сооружений. В главе приведены сведения о направленности и эффективности данных мероприятий и факторах, влияющих на интенсивность кольматажа.

Анализ литературных источников показал, что в области обеспечения эксплуатационной надежности грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления, в настоящее время вопросы хемогенного кольматажа исследованы не достаточно. Решению этих вопросов посвящена данная работа.

Рис. 1. Примеры проявления хемогенного кольматажа трубчатых дренажей железистыми (а) и марганцевыми (б) отложениями: а - Нижегородская ГЭС; б - Боткинская ГЭС

Во второй главе приведены сведения о проявлениях кольматажа по данным натурных обследований плотин. Интенсивный кольматаж дренажей грунтовых плотин Боткинской ГЭС обусловлен, в частности, его конструктивными особенностями и гидрогеохимическими условиями в районе расположения ГТС.

Схема дренажа грунтовых плотин Боткинской ГЭС с направлениями разгрузки марганец- и кислородсодержащих фильтрационных потоков приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема развития кольматажа дренажей грунтовых плотин: 1 - кислородсодержащие воды; 2 - маргансцсодержащис воды; 3 - дренажная прорезь в водоупорном прослое; 4 - поверхность депрессии при работающем дренаже;

5 - первичная зона кольматажа; 6 - поверхность депрессии при неработающем дренаже;

7 - зона полного кольматажа

При дренировании вод с повышенным содержанием марганца, в условиях обогащения воды кислородом, в зоне дренажных фильтров, труб и водоприемных отверстий формируются хемогенные отложения, снижающие эффективность работы дренажных устройств вплоть до выхода их из строя. К характерным ухудшениям работы можно отнести уменьшение пористости обратного фильтра, образование в нем слабоводопроницаемых конгломератов и прослоек, уменьшение сечения водопропускных и водоприемных отверстий.

Как показали наши исследования, напорные воды гравийно-галечникового горизонта основания Боткинского гидроузла, характеризуются повышенными концентрациями ионов Мп2+. Полученные данные позволили построить геохимические карты территории, определить зоны максимальных концентраций. При диапазоне концентраций в дренируемых подземных водах от 18 мг/л (плотина № 2) до 0,6 мг/л (плотина № 4) значимое заиление марганцевыми отложениями с подъемом уровней воды в смотровых колодцах и пьезометрах отмечено по всем четырем плотинам.

Результаты исследований подтвердили выделенные автором факторы, влияющие на интенсивность (А,Мп) формирования марганцевых отложений:

^мп = ДМп2+, 02, рН, ЕК V, К Д/г-ф, Ф) (1)

Их можно разделить на две группы. Это физико-химические свойства дренируемых вод (концентрации в воде ионов марганца - Мп2+ и 6

кислорода - С>2, показатель концентрации ионов водорода в воде - рН, окислительно-восстановительный потенциал ЕИ) и гидравлические параметры конструкции дренажа (скорость движения воды в трубах, V = =/ (/, /)ш|, д), степень подтопления дренажа /гп, переменный уровень воды в трубах ЛЛтр, форма водоприемных отверстий Ф). Основным и обязательным условием возможности кольматажа соединениями марганца является присутствие в воде кислорода на фоне повышенных концентраций марганца в дренируемой воде.

Натурные исследования позволили установить, что основной причиной снижения эффективности дренажных систем грунтовых плотин Боткинской ГЭС является хемогенный кольматаж марганцевыми соединениями. Степень заиления дренажных труб грунтовых плотин до начала проведения работ по гидромеханической очистке составляла от 10 до 90%. Увеличение мощности марганцевых отложений в полости дренажа происходило со скоростью до 10 см/год. После проведения очистки дренажа, падение уровней в ближних к дренажу пьезометрах, например, на плотине № 3 составило до 0,5 м (см. рис. 3).

Рис. 3. Динамика уровней в дополнительных пьезометрах, установленных вблизи обратного фильтра, до и после очистки дренажа от марганцевых отложений (плотина № 3, створы IV и V)

По результатам натурных исследований выполнена систематизация элементов дренажа в соответствии с факторами, находящимися в прямой зависимости от конструкции сооружения, зонами формирования хе-могенных отложений и их видами (рис. 4).

В качестве зон формирования отложений в дренажном обустройстве грунтовых плотин выделены следующие основные элементы: открытые (открытые русла и устья сооружений), полостные (водоприемные и транспортирующие элементы дренажных колодцев и труб) и

Дренажная система сооружения

Основные факторы формирования отложений Открытая часть Полостная часть Закрытая часть

открытые русла устья сооружений Колодцы Трубы грунтовые материалы обратного фильтра переходная зона / грунт тела плотины фильтры из геосинтетических материалов

входные / выходные отверстия отстойник стенки водоприемные отверстия и стыки водо-прово-дяшая часть

Степень аэрации Прямой контакт с атмосферой + + + + + + + — — +

Растворенный в воде кислород + + + + + + + + + +

Усиле нная аэрация (излив тонким слоем, турбулентное движение) + + + +

Гидравлические Отсутствие скоростей - - - + - - - - - -

Малые уклоны + + - - - - + - - -

Подпор стоку воды + + + + + + + +

Переменный уровень воды - - - - - + + — — —

Твердые частицы Наличие частиц фунта- ядер отложений + + + + +

Морфология марганцевых отложений Оболочки Донные Налет Донные Налет Донные Взвешенные Донные Налет Дуговые Взвешенные Донные Забереги Каскадные Кольцевые Оболочки Конкреции Оболочки Конкреции Налет

Рис. 4. Систематизация основных факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование

марганцевых отложений

закрытые (грунты придренной зоны и обратные фильтры) части. В качестве основных факторов формирования отложений выделены: степень аэрации, гидравлические параметры конструкции дренажа, наличие частиц различной крупности, способных стать ядрами марганцевых отложений.

По результатам натурных исследования установлена степень влияния заиления на работу дренажа грунтовых плотин Боткинской ГЭС и разработана методика эксплуатационного мониторинга дренажных систем, подверженных заилению. Методика включает, в частности, наблюдения за концентрациями марганца в дренажных, поверхностных и подземных водах, контроль фильтрационного режима в теле и основании сооружения, дренажного стока и гидравлических параметров дренажа, что позволяет своевременно оценить состояние грунтового сооружения и принять соответствующие меры, направленные на повышение эксплуатационной надежности ГТС.

В третьей главе приводятся результаты лабораторных исследований физико-механических свойств марганцевых отложений. Осреднен-ные нормативные характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1

Нормативные физико-механические характеристик и марганцевых отложений

Содерж. МпОобщ, % Влажность, IV, % Плотность, г/см3 Коэф. фильтр., к, м/сут Пористость, п (/, мм 0,010,05, % с„ Когсз. прочн., Ср, к-Па Угол внутр. трения, ф,° Удел, сцепл., с, МПа

Р Ра Р*

40 - 65 574 1,18 0,17 3,57* 4,60** *± = 0,27 0,96 90 2,3 0,3 31,5 0,016

Примечание: *образец в воздушно-сухом состоянии; **прокаленный образец (плотность частиц соответствует плотности пиролюзита).

Исследования показали, что содержание марганцевых соединений максимально в мелкодисперсном материале, имеющем более высокую удельную поверхность. Так количество сорбированных соединений марганца в гравийном материале первого слоя фильтра во фракции грунта <0,1 мм составляли до 42% от веса образца.

Также приводятся методики и описания применяемых в физическом моделировании приборов, представлены результаты моделирования в лабораторных условиях механизмов возникновения и развития кольма-тажа грунтов и заиления полости дренажного коллектора.

Опыты по механической суффозии марганцевой водной суспензии показали, что суффозия частиц марганцевых отложений в поры песчаного (тело плотины) и гравийного (1 слой обратного фильтра) грунтов при градиентах J<3,73 не происходит, но в галечниковом материале (2 слой обратного фильтра) происходит процесс перераспределения взвешенных частиц (осаждение), особенно при колебаниях уровня воды. В связи с этим большая часть отложений в натурных условиях концентрируется в нижней части второго слоя фильтра.

В результате лабораторных исследований фильтрационных свойств закольматированных марганцевыми отложениями образцов, проводившихся в вертикальных и горизонтальных фильтрационных приборах, установлена степень влияния кольматажа материала на его водопроницаемость и суффозионную устойчивость (рис. 5).

Установлено также, что кольматаж пор соединениями марганца ведет к значительному ухудшению фильтрационных свойств грунтов тела плотины и обратного фильтра дренажа. Например, коэффициент фильтрации при полном насыщении пор исследуемого галечникового материала (2 слой фильтра) может уменьшиться на два порядка. Динамика снижения коэффициента фильтрации гравийных и песчаных материалов по данным лабораторных исследований приведена на рис. 5. Также в ходе лабораторных испытаний установлено, что при градиентах I < 2,5 существенного выноса марганцевых отложений фильтрационным потоком из толщи галечникового материала не происходит.

Степень кольматажа пор грунта

Рис. 5. Графики зависимостей коэффициента фильтрации гравийных и песчаных материалов от степени их кольматажа

В результате лабораторных исследований также установлено, что процессы хемогенного марганцевого кольматажа в элементах грунтовых плотин развиваются достаточно быстро (начиная с первых часов) после контакта марганец- и кислородсодержащих вод. При действующих в пло-

тинах градиентах напора самоочищения закольматированных грунтов и материалов обратного фильтра произойти не может.

В главе 4 представлена методика прогнозирования влияния хемо-генного кольматажа на эксплуатационную надежность работы грунтовых плотин. Эта методика позволяет определить временной интервал возможного нарушения работоспособного состояния сооружения, что может быть использовано при планировании профилактических, ремонтных и реконструкционных работ, позволяет оптимально распределять производственные людские и финансовые ресурсы, а также контролировать изменение уровня безопасности сооружения. Полученные прогнозные показатели сравниваются с показателями нормативного состояния сооружения. Блок-схема прогноза состояния ГТС приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, подверженных заилению

Методика основана на оценке динамики изменения контролируемых показателей фильтрационного состояния грунтовых сооружений но результатам натурных исследований, а также численном моделировании фильтрационных процессов для разных стадий кольматажа.

Вначале по данным многолетних наблюдений строятся графики изменения показателей в контрольных створах сооружения, а затем получают уравнения аппроксимирующих отрезков (трендов), на основе которых прогнозируют развитие процесса во времени. Например, согласно прогноза для плотины № 2 Боткинской ГЭС к 2015 г. (при сохранении темпов кольматажа), положение поверхности депрессии может увеличиться на 0,7 - 2,4 м по сравнению с 2003 г., а для плотины № 3 на от 0,3- 1,1 м с превышением критериальных значений К1 по ряду пьезометров через промежуток времени от 10 до 20 лет.

Численное моделирование позволяет определить положение поверхности депрессии для разных стадий кольматажа. В работе эта задача решалась автором на специализированном программном комплексе Р1ахИош. В моделях плотин Боткинской ГЭС использовались полученные автором физико-механические характеристики закольматированных грунтов тела и обратного фильтра.

Для прогнозных положений поверхности депрессии, соответствующих максимальному развитию процессов кольматажа, выполнены расчеты статической устойчивости. В результате установлено, что при прогнозируемых отметках депрессионной поверхности нарушения общей устойчивости грунтовых плотин Боткинской ГЭС не произойдет, но при этом фунтовые воды подтопят прилегающие территории и фильтрационный поток выйдет в зону промерзания низового откоса плотины, что недопустимо. Также определено, что для ряда расчетных сечений будет наблюдаться оплывание грунтов низового откоса в зоне выклинивания потока.

При прогнозировании изменения состояния грунтового сооружения необходимо учитывать, что динамика заиления дренажных трактов может контролироваться и прогнозироваться по данным натурных наблюдений. При этом водопропускная способность полостных элементов дренажа может быть достаточно эффективно восстановлена, например, гидравлическим способом. Наиболее опасным представляется кольматаж обратных фильтров и водоприемных отверстий, являющийся практически необратимым. Сохранение работоспособности данных элементов является первоочередной задачей при разработке режимов эксплуатации плотин.

В пятой главе представлены результаты исследований по разработке конструкций грунтовых плотин, обеспечивающих надежную работу ГТС в условиях потенциального заиления дренажа. Основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин представлены на рис. 7. Выделено два основных направления решения проблемы: активное и пассивное. 12

Принципы конструирования элементов грунтовых плотин

Активные

Пассивные

Разделение марганецсодержащнх и кислородсодержащих _дренируемы! вод_

Создание специальных противо-фильтрационных устройств

Пошшение пьезометрических уровней напорных горизонтов

Сохранение естественных противоф и льтради он кых элементов основания

Подавление, перераспределение тока марганецсодержаших вод барражпьгаи системами

Специальное дренирование марганецсодержащих вод со сбросом по отдельному тракту

Кислородное осаждение марганца в толще грунта вне зоны дренажа

Создание анаэробных

условий работы дренажных устройств

Устройство гадрозамков

Подтопление дренажа

Создание специальных

самопромывных конструкций дренажа

Конструкции самопромывного дренажа, использующего для промывки воду с верхнего бьефа

Конструкции самопромывного дренажа, использующего для промывки воду с нижнего бьефа

Дренажа с уклоном, обеспечивающим промывные скорости потока

Конструкции самопромывного дренажа, использующего для промывки эффект периодического шлюзования

Конструкции самопромывного дренажа, использующего для промывки сезонные колебания уровня де-прессионной поверхности

Создание запасных объемов на заиление_

Создание дублирующих дренажных систем, поставленных в режим «ожидания»

Создание очертаний грунтовых I TC, рассчитываемых с учетом наращивания профиля в процессе увеличения заиленного объема

Создание дренажей и их элементов с зацаеным габаритом объема заиления

Цнклпчное восстановление эффективности

Создание дренажных конструкций, позволяющих производить очистку высокотехно-логичсскими методами

Конструкции дренажа сборно-разборного (кассетного) типа

Рис. 7. Основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин, эффективных в условиях марганцевого

кольматажа

Активные решения направлены на создание режимов работы, исключающих возможность протекания процессов окисления в элементах дренажного обустройства плотин.

Пассивные решения направлены на продление срока службы гидротехнических сооружений путем создания в дренажных конструкциях резервных и дополнительных объемов, аккумулирующих марганцевые отложения или путем периодического удаления отложений из полостных элементов системы.

На базе этих принципов автором разработано около 20 вариантов дренажных конструкций, эффективных в условиях хемогенного марганцевого кольматажа, и предложена их классификация. В главе приведены сведения об этих конструкциях и методах, а также примеры их реализации на конкретных объектах.

Накопленный нами опыт показывает, что необходимо уже на стадии изысканий и проектирования грунтовых ГТС на территориях с сильно минерализованными грунтовыми водами учитывать потенциальные проблемы хемогенного заиления и принимать адекватные меры еще до их проявления. Только при этом условии возможен выбор наиболее оптимального варианта конструкции плотины без увеличения в дальнейшем затрат на эксплуатацию.

Несмотря на то, что процессы кольматажа дренажей нерастворимыми соединениями марганца мало изучены, литературные источники указывают на аналогичность физических и химических процессов, происходящих при наличии в воде избыточного количества ионов железа. Следовательно, разработанные рекомендации по конструированию дренажей грунтовых гидротехнических сооружений, работающих в условиях дренирования вод с высоким содержанием марганца, могут быть успешно применены при работе дренажей в условиях опасности заохривания. Ряд предложенных конструкций может также быть использован для предотвращения или ликвидации последствий механического кольматажа дренажа, разумеется, при условии устранения причин заиления.

заключение

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. В диссертационной работе рассмотрены вопросы обеспечения эксплуатационной надежности грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления дренажа. Особое внимание уделено ранее мало исследовавшимся проблемам хемогенного кольматажа дренажных элементов.

2. Выполнен анализ и обобщение существующих методов предотвращения и борьбы с хемогенным заилением в гидротехнике и при решении водохозяйственных задач.

3. Получены качественные и количественные характеристики состояния грунтовых плотин в условиях прогрессирующего хемогенного кольматажа, уточнены факторы, влияющие на интенсивность заиления, разработана систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам их локализации.

4. Разработана отсутствующая в настоящее время методика проведения эксплуатационного мониторинга дренажа грунтовых плотин, подверженных потенциальному заилению.

5. В лабораторных условиях установлено, что хемогенный марганцевый кольматаж ведет к значительному ухудшению фильтрационных свойств грунтов придренной зоны и обратного фильтра дренажа, определены численные величины уменьшения водопроницаемости закольмати-рованных грунтов и физико-механические свойства марганцевых отложений различной морфологии. Физическое моделирование процессов кольматажа грунтов показало, что механическая суффозия частиц марганцевых отложений в поры песчаного и гравийного грунтов не происходит, а в галечниковом грунте возможна, также определено, что самоочистка фильтра дренажа при действующих градиентах напора невозможна.

6. Численное моделирование фильтрационных потоков в зависимости от степени развития хемогенного кольматажа различных элементов грунтовых плотин позволило определить влияние кольматажа на характеристики потока и прогнозировать динамику поверхности депрессии. Установлено, что при максимальных прогнозируемых отметках депрес-сионной поверхности нарушения общей устойчивости грунтовых плотин Боткинской ГЭС не происходит, но при этом развиваются неблагоприятные водопроявления на низовом откосе и в основании плотины, не обеспечивается фильтрационная прочность грунтов.

7. Разработана методика прогнозной оценки состояния гидротехнических сооружений с учетом динамики заиления элементов грунтовых плотин, основанная на определении методами математической статистики и численного моделирования характеристик фильтрационного потока в зависимости от степени развития кольматажа элементов грунтовых плотин. На базе прогнозных величин оценивается изменение во времени статической устойчивости и фильтрационной прочности.

8. Разработаны основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального марганцевого кольматажа. Предложенные принципы определяются созданием режимов работы, предотвращающих или минимизирующих процессы окисления в дренируемых водах и образование нерастворимых хемогенных

соединений, а также обеспечивающих работоспособность дренажей. Приведенные проектные решения могут применяться также и при других видах кольматажа.

9. В соответствии с предложенными принципами проектирования разработано около 20 конструктивных решений, эффективных в условиях потенциального заиления (в т.ч. защищенных приоритетами и патентом) и выполнена классификация предложенных конструкций, включающая их характеристику, условия применения и качественную оценку эффективности их действия.

основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. A.B. Гинц, И.Н. Гусакова, М.Г.Лопатина, В.Ф. Фисенко. Проблема хемогенного заиления дренажа грунтовых плотин Боткинской ГЭС // Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии. Тезисы докладов научно-технической конференции. С-Пб.: Издательство ОАО «ВНИИГ им. Веденеева». 2005. С. 171-172.

2. Лопатина М.Г. Оценка влияния марганцевого загрязнения на фильтрационные свойства грунтового материала тела и обратного фильтра плотины № 2 Боткинской ГЭС // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Т. 246. 2007. С. 30-38.

3. Лопатина М.Г. Разработка принципов дренажного обустройства грунтовых плотин в условиях хемогенного заиления // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Т. 252. 2008. С.40-49.

4. Воробьева H.H., Лопатина М.Г., Кубетов C.B. Проектирование реконструкции вертикального дренажа водосливной плотины Камской ГЭС // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Т. 254. СПб. 2009. С. 107112.

5. Сольский C.B., Лопатина М.Г. Конструкции элементов дренажа, обеспечивающих надежную работу грунтовых ГТС в условиях потенциального марганцевого заиления // Гидротехническое строительство. № 6. 2009. С. 15-21.

6. Лопатина М.Г., Терский В.П. Тепловое поле земляной плотины Боткинской ГЭС как индикатор эффективности работы дренажа // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Т. 255. СПб. 2009. С. 62-68.

7. Заявка на изобретение № 2009131796 «Система кислородной завесы для защиты дренажа» от 21.08.2009 г.

8. Заявка на полезную модель № 2009137439 «Самопромывной дренаж периодического действия» с приоритетом от 09.10.2009 г. с решением о выдаче патента от 26.10.2009 г.

Типография ООО «Наша Марка» 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21. Объем 1,0 п.л. Тираж 100. Заказ 11.

Введение.

Глава 1. Кольматаж элементов грунтовых плотин марганцевыми и железистыми соединениями.

1.1. Оценка актуальности влияния хемогенного кольматажа на эксплуатационную надежность грунтовых плотин.

1.1.1. Характеристика территорий, на которых потенциально возможен хемогенный кольматаж элементов гидротехнических сооружений.

1.1.2. Примеры осложнений в работе гидротехнических сооружений в результате хемогенного кольматажа их элементов марганцем и железом.

1.2. Современное состояние изученности проблемы заиления элементов грунтовых плотин марганцевыми отложениями.

1.2.1. Общие сведения об источниках поступления марганца в природные воды.

1.2.2. Общие сведения о формировании железистых и марганцевых отложений.

1.2.3. Морфология образования марганцевых отложений.

1.3. Мероприятия по предотвращению и ликвидации последствий хемогенного заиления дренажей.'.

1.3.1. Мероприятия по защите мелиоративных дренажных систем от заохривания.

1.3.2. Методы восстановления эффективности вертикального дренажа.

1.3.3. Методы обезжелезивания и деманганации в водоподготовке.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Натурные исследования состояния грунтовых плотин Боткинской ГЭС, эксплуатируемых в условиях прогрессирующего заиления дренажей.

2.1. Характеристика гидротехнических сооружений.

2.1.1. Общие данные.

2.1.2. Конструкция грунтовых плотин и их дренажное обустройство.

2.2. Гидрохимические условия в районе размещения гидроузла.

2.3. Результаты натурных наблюдений.

2.3.1. Конструктивные причины заиления дренажей.

2.3.2. Объемы заиления элементов дренажа.

2.4. Систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам локализации.

2.5. Факторы, влияющие на интенсивность хемогенного кольматажа элементов грунтовых плотин.

2.6. Методика проведения мониторинга дренажа, подверженного заилению. 54 Выводы по главе 2.

Глава 3. Лабораторные исследования марганцевого кольматажа на фильтрационные свойства грунтов.

3.1. Результаты определений физико-механических характеристик марганцевых отложений.

3.1.1. Взвешенные отложения из дренажного коллектора плотины № 2.

3.1.2. Отложения со дна подводящей дренажной трубы колодца СК-2 плотины №2.

3.1.3. Отложения из устья временного водоотвода из СК-3 плотины № 2.

3.1.4. Отложения из отстойника колодца СК-5 плотины № 2.

3.1.5. Физико-механические характеристики марганцевых отложений, находящихся в различном агрегатном состоянии.

3.2. Исследование свойств грунтов, закольматированных хемогенными соединениями марганца.

3.2.1. Исследование свойств закольматированного 1-го слоя обратного фильтра.

3.2.2. Исследование свойств закольматированного прослоя по контакту песков тела плотины и 1-го слоя обратного фильтра.

3.2.3. Исследование свойств закольматированного 2-го слоя обратного фильтра.

3.3. Моделирование условий возникновения и развития кольматажа грунтов марганцевыми отложениями.

3.3.1. Наблюдение естественной деманганации воды при аэрации проб подземных вод воздухом.'.

3.3.2. Исследование механической суффозии «марганцевой суспензии» в поры песчаного грунта тела плотины N° 2.

3.3.3. Исследование механической суффозии «марганцевой суспензии» в поры гравийного материала 1 слоя обратного фильтра.

3.3.4. Исследование механической суффозии «марганцевой суспензии» в поры галечникового материала 2 слоя обратного фильтра в условиях переменного направления подачи воды.■.

3.4. Результаты исследования влияния марганцевого кольматажа на фильтрационные свойства грунтов.

3.4.1. Исследование влияния марганцевого кольматажа на пески тела плотины и материалы обратного фильтра в вертикальном фильтрационном приборе

3.4.2. Исследование влияния марганцевого кольматажа галечникового грунта слоя обратного фильтра в горизонтальном фильтрационном лотке.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Прогноз эксплуатационного состояния грунтовых плотин в условиях потенциального марганцевого заиления.

4.1. Методика прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, элементы которых подвержены заилению.

4.2. Пример прогнозной оценки состояния грунтовых плотин Боткинской ГЭС, работающих в условиях заиления.

4.2.1. Контролируемые показатели и технические средства контроля.

4.2.2. Анализ динамики контролируемых показателей по данным визуальных и натурных наблюдений.

4.2.3. Прогноз эксплуатационного состояния грунтовых плотин.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка конструкций элементов грунтовых плотин, обеспечивающих надежную работу ГТС в условиях потенциального заиления.

5.1. Основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального кольматажа.

5.2. Разработка и классификация дренажных конструкций, эффективных в условиях заиления.

Выводы по главе 5.

Результаты натурных наблюдений, проводимых на Боткинской ГЭС, свидетельствуют о том, что в 1995 — 2006 г.г. наблюдался устойчивый подъем депрессионной поверхности в теле грунтовых плотин № 1 — 4 Боткинской ГЭС. Было выяснено, что нарушение фильтрационного режима грунтовых сооружений обусловлено снижением эффективности работы дренажной системы из-за ее кольматажа марганцевыми отложениями. Полевые исследования выявили наличие марганцевых отложений во всех без исключения элементах дренажной системы: дренажный коллектор (полость коллектора, дренажные отверстия, стыки труб), смотровые колодцы, I и II слои обратного фильтра, песок тела плотины в придренной зоне.

Осложнения работы дренажных систем при протекании схожих процессов формирования железистых отложений имеются на таких объектах как Нижегородская ГЭС, Саратовская ГЭС, станции каскада Выгских ГЭС в Карелии, Щекинская ГРЭС и др.

То, что заиление дренажной системы Боткинской ГЭС происходит в основном за счет формирования марганцевых отложений, было впервые установлено в 1998 г., т.е. через 32 года после пуска станции в постоянную эксплуатацию. До этого предполагалось, что причина заиления - механическая суффозия частиц тела плотины и основания, вызванная нарушениями в строительстве дренажа.

В литературе имеются сведения о кольматаже нерастворимыми соединениями марганца элементов систем водоподготовки и вертикальных дренажей систем водопонижения и защиты территорий от подтопления. Данных о кольматаже дренажей грунтовых сооружений марганцевыми отложениями, кроме Боткинской ГЭС, обнаружено не было. При этом высокое содержание марганца в поверхностных и подземных водах характерно для таких территорий Российской Федерации, как Коми, Карелия, Поволжье, Урал, Сибирь, Дальний Восток. Известно, что такие территории есть и в Грузии, Украине, Финляндии, Швеции, Германии и в ряде других стран.

Сложность определения действительных причин снижения эффективности дренажных устройств вызвана трудностью исследования их состояния путем непосредственного обследования полостей дренажа (непроходные диаметры, возможность наличия газов, наличие затопленных участков, возможность внезапного прорыва массивов отложений с образованием гидродинамического потока и т.д.), отбора ненарушенных образцов обратного фильтра с отложившимися в его порах кольматирующими веществами, сочетанием нескольких видов кольматажа (механический, биологический, химический и др.)

Вопросы образования железо-марганцевых конкреций в природных условиях исследовались Вернадским В.И., Добрецовым В.Б., Сотниковым В.И. и многими другими [14, 23, 24, 33, 60, 65, 144, 156, 158, 186 и др.]. Влияние различных видов кольматажа на дренажные системы широко изучалось в работах Даишева Ш.Т., Жиленкова В.Н., Зай-дельмана Ф.Р., Маслова Б.С., Мурашко А.И., Фисенко В.И., Штыкова В.И., Эггельсманна Р. и др. [99, 106, 112, 127, 129, 130, 173, 174, 185 и др.]. В водоснабжении исследовались проблемы обезжелезиванияи деманганации при использовании и переработке вод, содержащих избыточное количество ионов железа и марганца. Это работы таких институтов, как «Водоканалпроект», «ВОДГЕО», Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, Дальневосточный госуниверситет путей сообщения, «Гипроводхоз», нашедшие отражение в монографиях и статьях, а также в действующих в настоящее время нормативных документах [17, 26, 86, 116, 121, 122, 125, 128, 139-141, 149, 150, 165, 177, 193, 198 и др.]. Исследования влияния химического кольматажа (в т.ч. нерастворимыми соединениями железа и марганца) на работу скважин вертикального дренажа проводились Алексеевым B.C., Коммунаром Г.М., Морозовым Э.А., Плотниковым Н.А. и др. [4-9, 78, 79, 105, 111, 118 и др.].

Исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, направлены на изучение факторов формирования марганцевых отложений в элементах грунтовых плотин, анализ работы дренажных устройств в условиях кольматажа нерастворимыми марганцевыми соединениями и разработку технических решений по дренажному обустройству грунтовых плотин, эффективному в условиях повышенного содержания ионов марганца в дренируемых водах.

Диссертационная работа является результатом многолетних (в период с 2004 г. по 2009 г.) исследований автора по изучению состояния элементов дренажных устройств, фильтрационного режима грунтовых плотин, научного объяснения происходящих процессов, определения состояния конструкций грунтовых сооружений Боткинской ГЭС, обоснования технических решений по ремонтным работам и реконструкциям. Исследования проводились в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» с участием З.Г. Васильевой, А.В. Гинца, Т.М. Гольдиной, С.Г. Гордиенко, И.Н. Гусаковой, С.В. Сольского, В.П. Терского и др. Активное содействие в проведении работ оказывала группа наблюдений за гидротехническими сооружениями и химлаборатория ОАО «Боткинская ГЭС»'. [35-38, 54, 91, 92,94-96, 154, 155, 173, 174]

Актуальность работы

Заиление дренажа объектов промышленно-гражданского строительства (механическое, биологическое и химическое, а также возможные их сочетания) приводят к ряду негативных последствий: повышению уровней грунтовых вод и подтоплению оснований сооружений и прилегающих к ним территорий. Особую опасность представляет собой заиление и кольматаж придренной зоны и дренажной инфраструктуры напорных грунтовых гидротехнических сооружений, последствия аварий на которых могут носить катастрофический характер.

Одним из важнейших элементов обеспечения безопасности ГТС являются фильтрационные процессы, протекающие в теле и основании грунтовых сооружений. Нарушения проектного фильтрационного режима могут быть вызваны снижением эффективности работы дренажных систем в результате их кольматажа. Марганцевые огложения формируются во всех элементах дренажа, ухудшая работу одних и необратимо выводя из строя другие. Так крупномасштабное заиление дренажа грунтовых плотин Филиала ОАО «Рус-Гидро» - «Боткинская ГЭС», детально исследованное автором, было вызвано марганцевыми отложениями и чуть было не привело к полному выходу дренажа из строя.

Несмотря на значительный объем проведенных ранее исследований на сегодняшний день решение проблемы защиты от заиления дренажа является недостаточно проработанным. В связи с тем, что грунтовые гидротехнические сооружения как в России, так и за рубежом, зачастую работают в условиях наличия вод с повышенным содержанием ионов марганца и железа, разработка подходов к обеспечению эксплуатационной надежности грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального кольматажа, представляется своевременной и актуальной.

Цель и задачи работы

Цель работы заключается в разработке решений, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности грунтовых плотин в условиях потенциального заиления их элементов, включая рекомендации по ведению соответствующего эксплуатационного мониторинга.

Основные задачи исследования:

- оценка влияния на работу грунтовых плотин прогрессирующего марганцевого заиления, проведение натурных исследований по уточнению характера и динамики марганцевого кольматажа в различных элементах грунтовых плотин;

- разработка основных принципов конструирования элементов грунтовых плотин и на их основе конструкций, эффективных в условиях потенциального заиления;

- исследование в лабораторных условиях фильтрационных свойств грунтов тела и обратного фильтра плотин, подвергнувшихся колыматажу, а также физико-механических свойств кольматанта (марганцевых отложений), исследование на физических моделях условий формирования марганцевых отложений;

- разработка Методики эксплуатационного мониторинга дренажа и Методики прогнозной оценки состояния грунтовых плотин, элементы которых подвержены заилению. Методы исследовании

При решении поставленных задач использовались методы:

- гидрометрические: ежегодные разносезонные полевые исследования характеристик фильтрационного потока в теле и основании грунтовых плотин Боткинской ГЭС, в т.ч. уровни грунтовых вод, дренажные расходы, уровни воды в дренажных колодцах, качественные и количественные характеристики отложений;

- гидрохимические: характеристики поверхностных, грунтовых и дренажных вод;

- методы физического моделирования: фильтрационные процессы;

- методы численного моделирования: фильтрационные процессы и устойчивость сооружений;

- стандартные методы определения физико-механических характеристик марганцевых отложений, а также грунтов плотин и материалов обратного фильтра дренажа, как за-кольматированных, так и не затронутых процессами марганцевого кольматажа;

- методы математической статистики: обработка данных натурных наблюдений за период работы гидроузла Боткинской ГЭС 1968 — 2009 г.г. и прогноз состояния сооружений по данным натурных наблюдений;

- анализ используемых в различных отраслях методов предотвращения и подавления процессов образования марганцевых и железистых отложений, способов восстановления закольматированных полостных и грунтовых элементов.

Достоверность результатов подтверждается использованием экспериментального и лабораторного оборудования, имеющего метрологическое обеспечение, выполнением численного моделирования фильтрационных процессов и устойчивости грунтовых плотин на сертифицированных специализированных программных комплексах PLAX FLOW и PLAX1S, соответствием данных натурных наблюдений и расчетов.

Личный вклад автора состоит в обобщении материалов исследований по кольма-тажу дренажей в отечественной и мировой практике, участии в постановке задачи, разработке методики и программ натурных и лабораторных исследований и экспериментов, численном моделировании фильтрационных процессов на программном комплексе PLAX FLOW, непосредственном участии в проведении и обработке результатов натурных и лабораторных исследований и экспериментов, обосновании основных принципов проектирования дренажных элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления, разработке на их основе эффективных конструкций и их классификации. Практическан ценность и реализация работы

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные технические решения позволяют повысить эксплуатационную надежность грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления, за счет предотвращения или минимизации кольматажа их дренажных элементов.

На две конструкции дренажей, эффективных в условиях потенциального заиления, поданы заявки на изобретение «Система кислородной завесы для защиты дренажа» №2009131796 с приоритетом от 21.08.2009 г. и на полезную модель «Самопромывной дренаж периодического действия» № 2009137439 с приоритетом от 09.10.2009 г. с решением о выдаче патента от 26.10.2009 г. '

Результаты работы реализованы филиалом ОАО «РусГидро» - «Боткинская ГЭС» при эксплуатации, осуществлении мониторинга, обеспечении работоспособности дренажа, прогнозах и оценке состояния грунтовых плотин. Результаты работы внедрены в производственной практике ГУП «Ленводхоз» при разработке эксплуатационной документации, а также при выборе решений при проектировании очистки водопроводящих ГТС от заиления. Разработки автора используются в проектной и изыскательской деятельности ООО «НПК Проектводстрой». Основные выводы и положения диссертационной работьь использованы в учебном процессе при чтении курса лекций и ведении семинарских занятий по дисциплине: «Инженерная мелиорация» в Санкт-Петербургском Государственном Университете водных коммуникации, при чтении лекций в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» по курсу «Эксплуатация и безопасное обслуживание гидротехнических сооружений объектов промышленности и энергетики» на курсах повышения квалификации специалистов, а также при чтении лекций в Петербургском энергетическом институте повышения квалификации по эксплуатации и безопасности ГТС.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на 7-ой Международной выставке и конференции «AQUATERRA» г. Санкт-Петербург (2004 г.); научно-технической конференции РАО «ЕЭС России» г. Санкт-Петербург (2005 г.); на научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» г. Санкт-Петербург (2008 г.); XVI научно-практической конференция изыскателей Гидропроекта «Оптимизация управления качеством изысканий в условиях расширяющейся международной интеграции» г. Звенигород (2009 г.); Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» Московский государственный университет природообустройства (2009 г.); результаты работы неоднократно докладывались на секциях Ученого совета ОАО «ВПИ-ИГ им. Б.Е. Веденеева»; Технических советах «Боткинской ГЭС», ГУП «Ленводхоз», ООО «НПК Проектводстрой».

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 2-х приложений.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. В диссертационной работе рассмотрены вопросы обеспечения эксплуатационной надежности грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального заиления дренажа. Особое внимание уделено ранее мало исследовавшимся проблемам хемогенного кольматажа дренажных элементов.

2. Выполнен анализ и обобщение существующих методов предотвращения и борьбы с хемогенным заилением-в гидротехнике и при решении водохозяйственных задач.

3. Получены качественные и количественные характеристики состояния грунтовых плотин в условиях прогрессирующего хемогенного кольматажа, уточнены факторы, влияющие на интенсивность заиления, разработана систематизация факторов влияния конструкции дренажных систем на формирование марганцевых отложений и видов отложений по зонам их локализации.

4. Разработана отсутствующая в настоящее время методика проведения эксплуатационного мониторинга дренажа грунтовых плотин, подверженных потенциальному заилению.

5. В лабораторных условиях установлено, что хемогенный марганцевый кольматаж ведет к значительному ухудшению фильтрационных свойств грунтов придренной зоны и обратного фильтра дренажа, определены численные величины уменьшения водопроницаемости закольматированных грунтов и физико-механические свойства марганцевых отложений различной морфологии. Физическое моделирование процессов кольматажа грунтов показало, что механическая суффозия частиц марганцевых отложений в поры песчаного и гравийного грунтов не происходит, а в галечниковом грунте возможна, также определено, что самоочистка фильтра дренажа при действующих градиентах напора невозможна.

6. Численное моделирование фильтрационных потоков в зависимости от степени развития хемогенного кольматажа различных элементов грунтовых плотин позволило определить влияние кольматажа на характеристики потока и прогнозировать динамику поверхности депрессии. Установлено, что при максимальных прогнозируемых отметках депрессионной поверхности нарушения общей устойчивости грунтовых плотин Боткинской ГЭС не происходит, но при этом развиваются неблагоприятные водопроявления на низовом откосе и в основании плотины, не обеспечивается фильтрационная прочность грунтов.

7. Разработана методика прогнозной оценки состояния гидротехнических сооружений с учетом динамики заиления элементов грунтовых плотин, основанная на определении методами математической статистики и численного моделирования характеристик фильтрационного потока в зависимости от степени развития кольматажа элементов грунтовых плотин. На базе прогнозных величин оценивается изменение во времени статической устойчивости и фильтрационной прочности.

8. Разработаны основные принципы конструирования элементов грунтовых плотин, работающих в условиях потенциального марганцевого кольматажа. Предложенные принципы определяются созданием режимов работы, предотвращающих или минимизирующих процессы окисления в дренируемых водах и образование нерастворимых хемогенных соединений, а также обеспечивающих работоспособность дренажей. Приведенные проектные решения могут применяться также и при других видах кольматажа.

9. В соответствии с предложенными принципами проектирования разработано около 20 конструктивных решений, эффективных в условиях потенциального заиления (в т.ч. защищенных приоритетами и патентом) и выполнена классификация предложенных конструкций, включающая их характеристику, условия применения и качественную оценку эффективности их действия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Авалиани Г. А. Марганец, М. — Госгеолиздат, 1953.

2. Администрация Саратовской области. Доклад о состоянии окружающей природной среды Саратовской области. Комитет охраны окружающей среды и природопользования области. 2008.

3. Аксенов А.А. О рудном процессе в верхней зоне шельфа. М.: Наука, 1972.

4. Алексеев B.C., Гребенников В.Т. Восстановление дебита водозаборных скважин. М.: Агропромиздат 1987. 283 с.

5. Алексеев B.C., Гребенников В.Т., Андреев К.Н., Волоховский Г.А. Руководство по применению реагентных методов восстановления производительности скважин. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1977.

6. Алексеев B.C., Коммунар Г.М., Тесля В.Г. и др. Опыт внутрипластовой очистки подземных вод от железа. Ж. Водоснабжение и санитарная техника, № 5, 1989, с. 14 15.

7. Алексеев B.C., Коммунар Г.М., Янбуллатова Ф.К. Расчеты установок обезжелезивания подземных вод в водонапорных пластах. //Водоснабжение и санитарная техника. -1984. N4.

8. Алексеев B.C., Ткаченко В.П., Коммунар Г.М. Исследования гидравлических характеристик и парамеров кольматажа дренажных скважин большого диаметра. Инженерная защита территорий. Сборник научных трудов. М.: ВНИИ «ВОДГЕО», с. 65. 1982.

9. Алексеев М. И., Дзюбо В. В. Исследование технологии очистки подземных вод и разработка индивидуального водоочистного оборудования// Известия вузов. Строительство. № 10, 1998, с. 88-93.

10. Алехин В.И., Панов Б.С., Ишуткина А.А. Донецкий государственный технический университет. Вернадский о геохимической истории марганца в осадочных толщах.

11. Ануфриев В.Н., Гуринович А.Д. Термореагентный метод очистки водозаборных скважин. Мелиорация и водное хозяйство 1992. N7-8 с.32-34.

12. Аравин В.И., Носова О.Н. Натурные исследования фильтрации. Энергия. Ленинградское отделение. 1969. 256 с.

13. Астахова Н.В., Саттарова В.В. Геохимия железомарганцевых образований центральной части Охотского моря // Вулканология и сейсмология. 2005. № 3. С. 29-33.

14. Астахова Н.В., Саттарова В.В. Железомарганцевые образования центральной части Охотского моря // Геология морей и океанов. Тез. докл. XV Международной школы морской геологии. М., 2003. С. 66-67.

15. Бакшеев Е.А. Исследования работы защитных сооружений от затопления и подтопления территорий водохранилищами днепровского каскада. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Спец. 05.23.07. Киев. 1974.

16. Балябин В. Ф. Комплексная целевая программа «Обь»/ Бассейновый программно-целевой подход к управлению устойчивым водопользованием: Докл. Междунар. науч. практ. сем. — Тюмень, 1997. - С. 25 — 41.

17. Бслопольский JL М., Никифорова Л. О. Влияние ионов железа и марганца на процессы биохимической очистки сточных вод // Вода и экология. —2001. № 2. — С. 28-32.

18. Бочаров В.Л., Бугреева М.Н., Строгонова Л.Н., Шкляр М.И. Сравнительная гидрогеохимическая характеристика поверхностных и подземных вод Воронежского водохранилища. Вестник ВГУ. Серия: Геология. №1, 2004 г.

19. Бурцев И.Н., Остащенко Б.А. и др. Минерально-сырьевые ресурсы Европейского Северо-Востока (геология, прогноз, анализ, освоение).- Сыктывкар, 1997.

20. Быховер Н. А. Экономика минерального сырья, М., 1971.

21. Векслер А.Б., Фисенко В.Ф. Нарушения крепления нижнего бьефа Воткинской ГЭС, возникшие в процессе эксплуатации. Гидротехническое строительств. 1997, №2. С. 3336.

22. Вернадский В.И. Биосфера. — Л.: Науч. хим. тех. изд-во, 1926.

23. Вернадский В.И. Геохимическая энергия жизни в биосфере//Избр.соч. М. Т.5., 1960.

24. Водные ресурсы Республики Карелия и пути их использования для питьевого водоснабжения. Опыт карельско-финляндского сотрудничества. Ред. Н. Филатов, А. Лит-виненко, А. Сяркиоя, Р. Порттикиви, Т. Регеранд. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2006. -263 с.

25. Водоподготовка. Справочник для профессионалов. Под ред. Беликова С.Е. 2007 г. 241 с.

26. Волоховский Г.А. Эксплуатация и ремонт систем сельскохозяйственного водоснабжения. М.: «Россельхозиздат»- 1982. 224с.28.29,30,31