автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование мобильных водонаполняемых дамб для противопаводковой защиты в условиях дельты реки Меконг (Вьетнам)

На правах рукописи

ТХАЙ ТХИ КИМ тьи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОБИЛЬНЫХ ВОДОНАПОЛНЯЕМЫХ ДАМБ ДЛЯ ПРОТИВОПАВОДКОВОЙ ЗАЩИТЫ В УСЛОВИЯХ ДЕЛЬТЫ РЕКИ МЕКОНГ (ВЬЕТНАМ)

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» (ФГБОУ ВПО ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Кашарин Денис Владимирович

Колосов Михаил Александрович,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», профессор кафедры Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики.

Самофалов Дмитрий Петрович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», старший научный сотрудник-консультант отдела «Основания, грунтовые и подземные сооружения».

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Защита состоится «25» декабря 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», по адресу 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Открытая сеть, студия 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте http://www.mgsu.ru.

Автореферат разослан « » КОЛ^рА/ 2014 г.

Ученый секретарь Бестужева Александра

диссертационного совета <у / Станиславовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Дельта Меконг - самая обширная дельта во Вьетнаме с площадью 40 ООО км2. Она расположена вблизи Южно-Китайского океана, имеет густую систему рек и каналов, в связи с этим подвержена постоянной угрозе затопления при поступлении воды из верхнего бьефа реки Меконг, повышении уровня океана, выпадении осадков в сезон дождей. Паводок обычно происходит с июня по ноябрь, при этом площадь затопленных территорий составляет от 1,2 до 1,8 млн. га с глубинами воды от 0,5 до 3 м.

Для противопаводковой защиты в дельте Меконг была построена система дамб общей протяженностью 13000 км. В основном они однородные из местных грунтов с недостаточной устойчивостью основания, сложенного аллювиальными отложениями, включающими илы, глины, плывучие пески и суглинки. Поэтому при прохождении паводка происходит просадка и разрушение дамб обвалования. Также строительство постоянных непереливных грунтовых дамб может вызвать негативное воздействие как на экосистему, так и на экономическое и социальное положение населения на территории дельты. В связи с этим автором предлагается применение временных, сезонно действующих сооружений, к которым относятся мобильные водонаполняемые дамбы.

Достоинством таких сооружений является их высокая мобильность, сравнительно невысокая стоимость, быстрота монтажа и демонтажа, низкие трудозатраты и малое воздействие на окружающую среду. Однако существующие конструкции мобильных водонаполняемых дамб без закрепления к жесткому основанию не обеспечивают достаточной устойчивости и надежной эксплуатации сооружений инженерной защиты. Поэтому актуальной задачей является разработка новых технических решений мобильных водонаполняемых дамб, обеспечивающих противопаводковую защиту дельты р. Меконг, а также ее устойчивое развитие и экологическую безопасность.

Целью работы является научное обоснование и разработка нового технического решения мобильных водонаполняемых дамб, а также методики расчета их параметров, для обеспечения мероприятий по противопаводковой защите сельхозугодий, предприятий и населенных мест в период катастрофических паводков с наименьшим негативным воздействием на экосистему дельты р. Меконг.

Для достижения постановленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- проведение анализа существующих сооружений инженерной защиты от затопления территорий и методов их научного обоснования;

- выполнение численного моделирования одно- и двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб для определения их параметров при различных характеристиках основания и гидравлических условиях работы;

- проведение экспериментальных исследований на физической модели одно- и двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб при изменении внутреннего давления и глубины воды в верхнем бьефе (ВБ), наклона и коэффициента трения основания;

- создание нового технического решения мобильных водонаполняемых дамб, оказывающих наименьшее воздействие на экологическое состояние природной среды и обеспечивающих достаточную надежность при эксплуатации (заявка на патент РФ № 2013141645);

- разработка научно-обоснованной методики расчета параметров мобильных водонаполняемых дамб;

- создание технологических схем по изготовлению и возведению мобильных водонаполняемых дамб;

- разработка рекомендаций по проектированию, строительству и эксплуатации мобильных водонаполняемых дамб для противопаводковой защиты дельты р. Меконг.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. По результатам численного моделирования получены многофакторные зависимости перемещения одно- и двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб при изменении следующих факторов: внутреннего давления; глубины воды в верхнем бьефе; наклона основания и коэффициента трения их поверхности.

2. Определены условия обеспечения устойчивости одно - и двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб по результатам численного моделирования и экспериментальных исследований на физических моделях, с учетом этих условий создано новое техническое решение мобильных водонаполняемых дамб, обладающих большей надежностью в эксплуатации по сравнению с существующими конструкциями.

3. Разработана методика и алгоритм расчета параметров мобильных водонаполняемых дамб для создания противопаводковой защиты от затопления населенных мест и предприятий в дельте р. Меконг.

Практическая значимость работы заключается в совершенствовании и разработке нового технического решения мобильной водонаполняемой дамбы и методики расчета ее параметров в диапазоне напоров от 0,5 до 3 м. С учетом результатов исследований и полученных эмпирических зависимостей автором разработаны рекомендации «Обоснование параметров системы мобильных водонаполняемых дамб для противопаводковых мероприятий по защите дельты р. Меконг».

Методы исследований. Исследования мобильных водонаполняемых дамб проведены с использованием программы Апвув, позволяющей выполнить их численное моделирование методом конечных элементов с учетом гидравлических условий их работы.

Физические эксперименты проводились в гидравлическом лотке на физических моделях, при этом определялись параметры мобильных водонаполняемых дамб.

Достоверность проведенных исследований подтверждается достаточной степенью сходимости результатов численного моделирования и экспериментальных исследований, проведенных с применением поверенной аппаратуры и обработанных с помощью современных статистических методов.

Личный вклад автора состоит в самостоятельном проведении численного моделирования, лабораторных исследований и анализе их результатов, составлении выводов и заключений.

Внедрение результатов исследований: разработанные рекомендации по проектированию, строительству, эксплуатации мобильных водонаполняемых дамб внедрены и используются в «Южный научно-исследовательский водохозяйственный институт» (г. Хошимин, Вьетнам).

Апробация работы: результаты диссертационной работы были представлены на: 61-й научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск, 2012г.; VII Международной научно-практической конференции «Технологии очистки воды - «ТЕХНОВОД-2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.; Всероссийской научной конференции «Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз», г. Краснодар, 2013 г.; XII Международном научно-практическом симпозиуме «Чистая вода России», г.Екатеринбург, 2013г.; XXXIIIВсероссийской конференции по проблемам науки и технологий г. Миасс, 2013 г.; на заседании кафедры Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды ЮРГПУ (НПИ), 2014 г.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований для оценки устойчивости мобильных водонаполняемых дамб.

2. Методика расчета параметров мобильных водонаполняемых дамб с использованием полученных автором эмпирических зависимостей.

3. Новое техническое решение мобильной водонаполняемой дамбы, обеспечивающее большую надежность работы по сравнению с существующими двухкамерными мобильными водонаполняемыми дамбами.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, 17 таблиц и включает 141 наименование литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, представлены цель и задачи исследований, которые необходимо было решить для достижения поставленной цели, отмечена научная новизна, практическая значимость, достоверность результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен аналитический обзор и проведен анализ расчетных положений по существующим конструкциям мобильных дамб для противопаводковой защиты территорий населенных мест и предприятий. В результате анализа были выбраны водонаполняемые дамбы, водоподпорный элемент которых представляет собой цилиндрические наполняемые оболочки из

композитных материалов, обеспечивающие противопаводковую защиту при напоре до 3 м.

Расчетные положения по определению параметров мягких и гибких цилиндрических оболочек представлены в трудах С.А. Алексеева, Е.С. Кузнецова, В.А. Киселева, K.M. Хуберяна, А.Л. Можевитинова, А.Г. Воробьева, В.Э. Магулы, В.И. Друзя, В.Д. Кулагина, В.Р. Хаусора, С.Д. Киоринга, В.В. Филиппео и др.

Различные математические модели для расчета параметров водонаполняемой дамбы предложили: Анвар (1967); Харрисон (1970, 1971); Парбери (1976, 1978); Алван (1979); Алшами (1983); Николаз и Рангашами (1983); Намиас (1985); Абд Алшабер (1997); Плаут и Сухерман (1997) и Мееок Ким (2003).

В России расчетом формообразования водонаполняемых дамб занимались такие ученые, как Н.П. Розанов, О.Г. Затворницкий, Б.И. Сергеев, В.А. Волосухин и др. Профессором Б.И. Сергеевым в 1969 г. был предложен графоаналитический метод определения поперечного очертания оболочки, согласно которому радиус кривизны оболочки определяется по следующей зависимости:

где а' и Ъ' - коэффициенты, величина которых постоянна в пределах рассматриваемого участка, а' = (-р^)/2Г; Ь' = Р/Т\ Т - погонное усилие в оболочке, Н/м; Г = (2Ps„yrЯ + pgЯ2)/4, Н/м; р - плотность воды, р = 1 ООО кг/м3; g - ускорение свободного падения, ^ = 9,81 м/с2; Р,иуг - внутреннее давление

оболочки, Па; Я- высота оболочки, м.

Американским ученым Намиасом был предложен в 1985 г. аналитический метод для определения параметров поперечного сечения мобильных водонаполняемых дамб, который впоследствии был усовершенствован в 1997 г. Плаутом и Сухерманом. Ими были приняты следующие допущения: дамба устанавливается на жестком и горизонтальном основании; является нерастяжимой и невесомой; заполняется несжимаемой жидкостью. Принятая нами расчетная схема приведена на рис. 1, а.

V*

Рис. 1. Поперечное сечение водонаполняемой дамбы: а - расчетная схема водонаполняемой дамбы; б - начальная форма с эпюрами распределения внутреннего и внешнего давления в АЫБУБ без учета взвешивающего фильтрационного давления

Расчеты формы мобильных водонаполняемых дамб проводились с применением модуля эллиптического интеграла к, точное значение которого можно определить из уравнения

2[К(*)-Е(*)]/,Д„ = 1, (2)

где К(&) и E(fc) - соответственно полные эллиптические интегралы первого и второго рода; рт- относительное внутреннее давление на дно дамбы,

Pw=Pm/(P8'L)'L-периметр дамбы, м.

В 2003 г. корейский ученый Мееок Ким уточнил формулу для определения относительного прилегания водонаполняемой дамбы Ь:

1 .Л. к2 л Аг4(ЗЛ-10)1 .

w = -р,„к {1 +------\ + Ь, (3)

2 ( 32 64 J W

где b - относительное прилегание, Ъ = В / L; w - относительная ширина дамбы; w = W / L ;W- ширина дамбы, м; В - прилегание дамбы, м.

С целью уточнения расчетных положений, автором были построены зависимости относительных величин ширины w и прилегания дамбы к основанию Ь, а также отношения прилегания и ширины Ы w от относительного давления на основании дамбы рт.

В результате анализа выявлено, что начиная с относительного давления pm~i0,9 все зависимости относительной ширины и высоты мобильной

водонаполняемой дамбы в пределах допустимых погрешностей дают сходимые результаты за исключением зависимостей, полученных Плаутом и Сухерманом. В связи с этим можно с приемлемой погрешностью применять графоаналитический метод при определении начальной формы безмоментных водонаполняемых дамб. Однако предыдущие исследователи не получили зависимости для определения перемещения дамб при различных гидравлических условиях работы, внутренних давлениях и характеристиках основания, что является существенным при оценке их устойчивости к сдвигу и опрокидыванию. Поэтому автором принято решение с помощью численного моделирования найти зависимости для определения перемещения мобильных водонаполняемых дамб.

Во второй главе приведены описания численного моделирования мобильных водонаполняемых дамб при различных гидравлических условиях работы.

Для обеспечения надежной работы водонаполняемых дамб, необходимо определить влияние глубины воды в ВБ на перемещение оболочки. С помощью программы ANSYSvlS.O, основанной на использовании метода конечных элементов, автором выполнен расчет перемещения оболочки в зависимости от глубины воды в ВБ. При решении поставленных задач выполнялись следующие этапы: создание геометрической модели оболочки; построение конечно-элементной модели; задание граничных условий; получение результатов численного моделирования.

Для моделирования оболочки использовался конечный элемент SHELL 181, для которого были заданы следующие характеристики: толщина 0,0004 м;

плотность 300 кг/м3; коэффициент Пуассона v = 0,45; модуль Юнга Е= 1,7-109 Па (данные характеристики приведены для армированного полиэтилена).

Для моделирования основания использовался конечный элемент SOLID 185. Контакт между оболочкой и основанием был задан с помощью TARGET 170-«целевая поверхность», являющаяся основанием, и CONTA174-«контакткая поверхность», представляющая собой оболочку. Так как оболочка не закреплена, граничное условие осуществляется ограничением перемещений основания по всем направлениям. Внутреннее и гидростатическое давления, действующие со стороны ВБ оболочки, были заданы с помощью Functions в ANSYS (рис.1, б).

Автором были проведены 5 серий расчетов по перемещению оболочки при различных глубинах воды в ВБ и коэффициентах трения. План численного моделирования представлен в табл. 1. Расчеты проводились для однокамерных водонаполняемых дамб с периметром L, находящимся в диапазоне от 0,2 до 0,6 м с шагом изменения 0,05 м, высотой от 0,06 до 0,16 м и внутренним давлением, которое изменялось от 0,2 до 2 кПа. Двухкамерные водонаполняемые дамбы имеют внешний периметр от 0,4 до 0,8 м, внутренний периметр 1внут от 0,3 до 0,5 м, внутреннее давление от 0,2 до 3 кПа и высоту от 0,08 до 0,16 м. Четыре серии расчетов проводились при коэффициенте трения основания / = 0,3, а пятая серия - в диапазоне коэффициентов трения от 0,1 до 0,9 с шагом 0,1.

Таблица 1

План проведения численного моделирования мобильных _ _водонаполняемых дамб_

№ сер.

Угол наклона основания

Однокамерная дамба

№ сер.

Двухкамерная дамба

7. — 11ачялыия форма оболочки I', "" Л сформируема* форма

пво.|ГН|КИ <П1> Лп»У*)

Л - Начальная форма оболом»

Н Деформируема« форма

оболочки(по ЛпяуО

а = 0°

а = 3°...10° Да = 2°

/Г \ обо

_ 11нчх1Ы1ая <1>орча оболочки — Дсф«>рмнрусма« ||н>рма оболочки (по Лпьук)

_ Начмымн форма оболочки ~ Деформируема» (|м>рма oflo И1ЧКИ (IIO Лп>) >)

В результате расчета автором получена следующая зависимость относительного перемещения е от относительной глубины воды в ВБ /¡„б и отношения прилегания к высоте оболочки в/н(рис. 2, а):

е = (4)

где £ = Д/1, Д - абсолютное перемещение оболочки (рис. 3 а); И1[&=Ил6/ Ь, /г„б - глубина воды в ВБ; аи1\, q - коэффициенты, зависящие от относительного

прилегания к высоте оболочки в/н, определяемые по предложенным автором эмпирическим зависимостям с достоверностью аппроксимации К2 =0,97...0,98 : а, = 4,4749-(Я/Я)2-13,148-(В/Я)+ 11,692;

Ьх =-1,4399 (5/ Я)2 + 3,3409 • (В / Я) - 2,1768;

с, = 0,195 • (В / Я)2 - 0,3968 • (Я / Я) + 0,2085.

Оболочка, находящаяся на основании с наклоном меньше 5°, под действием гидростатического давления воды в ВБ перемещается, как и в случае горизонтального основания только в нижний бьеф (НБ). При наклоне а > 5° оболочка сначала перемещается в сторону ВБ за счет своего веса при отсутствии воды в нем, а при его поднятии она стабилизируется и перемещается в сторону НБ. На рис. 2 представлены результаты расчетов перемещения оболочки в АпвуБ при наклонах а= 1°, 3°, 5°, 7° и 10°. Зависимость перемещения оболочки от глубины воды в ВБ при В/Н = 1,2 и различных уклонах можно представить в следующем виде (рис. 2, б):

где а2,Ь2, с2 - коэффициенты, зависящие от наклона основания, определяются соответственно по предложенным автором эмпирическим зависимостям с достоверностью аппроксимации Я2 =0,82...0,99:

я, = -0,0109 а2 + 0,2309• а + 2,5696,

Ь2 =-0,0012 « -0,0687 а-0,2455, с2 = -0,0002 ■ а2 + 0,0069• а + 0,0092 .

б Е

1.2

Рис. 2. Результаты численного моделирования однокамерной дамбы на горизонтальном и наклонном основаниях: а-график зависимости перемещения однокамерной дамбы от глубины воды в ВБ при различных значениях отношений прилегания к высоте в / я; б - график зависимости относительного перемещения

дамбы е от уклона основания

Результаты численного моделирования двухкамерной дамбы на горизонтальном и наклонном основаниях представлены на рис. 3.

/ /

/ / / / /

—Л.// - 0.3 -Ш- I «.'»-11 в/и -1.:

■»//- и -»в/И- 1.5

Рис. 3. Результаты численного моделирования двухкамерной дамбы на горизонтальном и наклонном основаниях: а - график зависимости угла вращения оболочки р от отношения Ав6 / Н и отношения в / Я ; б - график зависимости угла вращения двухкамерной дамбы, находящейся на наклонном основании от глубины воды в ВБ при В / Я = 1,2 Также автором проведены расчеты перемещения мобильной водонаполняемой дамбы в зависимости от коэффициента трения между ее оболочкой и основанием. Значение перемещения оболочки существенно увеличивается при уменьшении коэффициента трения/от 0,3 до 0,1 (рис. 4).

и и § и

15

§ и

В В

3 I

§ I

0,0218

0,0216

0,0214

0,0212

0,021 I 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Коэффициент трения / Рис. 4. Зависимость относительного перемещения е от коэффициента трения между оболочкой и основанием/ при В / Я = 1,2

С помощью программы АКБУБ были определены скорость, направление и расход фильтрационного потока под основанием дамбы. Полученные результаты позволяют определить фильтрационную устойчивость основания мобильных водонаполняемых дамб.

По результатам численного моделирования были определены многофакторные зависимости (4) и (5) перемещения одно- и двухкамерных водонаполняемых дамб под действием гидростатического давления, которые позволяют оценить условия их устойчивости. Для оценки достоверности полученных зависимостей, а также для выявления критериев устойчивости мобильных водонаполняемых дамб необходимо проведение экспериментальных исследований на физических моделях.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований на физической модели водонаполняемой дамбы масштабом 1:25. Опыты проводились в лаборатории кафедры «Тепловые электрические станции и

ю

теплотехника» ЮРГПУ (НПИ). Лоток имеет длину 1,6 м, ширину 0,1 м и высоту 0,26 м. Схема экспериментальной установки показана на рис. 5.

Рис . 5. Схема экспериментальной установки: 1 - гидравлический лоток; 2, 11 - подводящие трубопроводы; 3,4, 5 - задвижки; 6 - напорный бак; 7 - трубопровод для сброса воды из бака 6; 8 - регулирующий щит-гаситель энергии; 9 - шпитценмасштаб; 10 - оболочка; 11 - гибкий напорный трубопровод; 12 - трубопровод для сброса воды из оболочки; 13 - наклонный щит; 14-манометр; 15 - основание лотка

Автором были проведены 4 серии опытов на физических моделях. План проведения экспериментальных исследований представлен в табл. 2.

Таблица 2

Экспериментальные исследования физических моделей мобильных водонаполняемых дамб

№ Угол наклона основания Однокамерная дамба № Двухкамерная дамба

Ь = 0,3...0,6 м; ДЬ = 0,05 м Р,„ = 0,2...2 кПа; Д Р»„ = 0,2 кПа Ь = 0,3...0,8 м; ДЬ = 0,05 м; Ь,нут = 0,15...0,5 м; Рв„ = 0,2...3 кПа; Д Рвн = 0,5 кПа

1 а = 0° Ой 3 СР ^

*

а = 3°...10°

1 Да = 2° о 4

И!.. -чиЛИтДЫг л ...

В ходе экспериментальных исследований выявлено, что очертание оболочки изменяется в зависимости от внутреннего давления и глубины воды в ВБ и характеризуется отношением ее прилегания к высоте В / Н. При увеличении внутреннего давления в оболочке, отношение прилегания к ее высоте

уменьшается. Изменение отношения В / Н в зависимости от рвиут представлено на рис. 6.

2 1.6

1.2

В'И 0.8 0.4

о

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Ршп

Рис. 6. График зависимости отношения В IН от относительного внутреннего давления оболочки />„нут к ее периметру

По результатам статистической обработки получена следующая формула с достоверностью аппроксимации Я2 = 0,75:

ВIН = -0,328 • 1п(/?111уг) + 0,3848. (6)

Результаты исследований показали, что устойчивость, критерием которой является соотношение А / Я, двухкамерной дамбы больше, чем однокамерной

на 7... 18 % при В / Я соответственно 0,2...2,5. Графическая зависимость Л^ / Я

от отношения В / Я представлена на рис. 7.

Рис.7. График зависимости А / Н от отношения В / Н

В результате статистической обработки получены следующие зависимости Л,р / Н от отношения ВI Н для одно- и двухкамерной дамбы с достоверностью

аппроксимации соответственно Я2 = 0,79 и Лг = 0,71:

й,р / Я = -0,0045 ■ (5 / Я)2 + 0,1655 • (А / Я) + 0,5878; (7)

Л^/Я =0,0187 (5/Я)2 +0,137 (5/Я)+ 0,6588. (8)

Результаты численного и экспериментального исследования имеют удовлетворительную сходимость, максимальное расхождение составляет 19,2 %.

В случае применения двухкамерной водонаполняемой дамбы на горизонтальном основании не обеспечивается достаточная устойчивость на сдвиг

Д*

•>ч-< * Л н »♦»*

- -♦

♦

при глубине воды в ВБ А,б/#£0,68... 1, В/Н в диапазоне от 0,5 до 2,5 и коэффициенте трения менее или равном 0,3. В связи с этим необходима разработка нового технического решения мобильной водонаполняемой дамбы, обеспечивающей устойчивость при коэффициенте трения менее 0,3.

В четвёртой главе представлено новое техническое решение мобильной водонаполняемой дамбы, которая обладает большой устойчивостью на сдвиг по сравнению с двухкамерной водонаполняемой дамбой с незакрепленным основанием, а также технология ее возведения.

Разработанная конструкция (заявка на изобретение РФ № 2013141645) состоит из одной или нескольких секций 1. Каждая секция включает в себя две внутренние водонаполняемые оболочки 2, гибкие связи 3 для соединения секций между собой. В случае необходимости между секциями может устанавливаться водосброс в виде водослива практического профиля 4 с гибким отводящим лотком 5, его параболическая форма поддерживается с помощью водонаполняемых оболочек 6. Анкеры 7, перемещаемые мембраной 8, вдавливаются в грунт, чем обеспечивают устойчивость секций 1 за счет увеличения сцепления между дамбой и основанием (рис. 8).

Дамба может изготавливаться из таких композитных материалов, как ЫА 940, иЫ1БОЬ 950 с толщиной 0,78 мм, прочностью на разрыв 76 кН/м.

Автором выполнены расчеты перемещения незакрепленных двухкамерных водонаполняемых дамб для натурных условий и разработанных конструкций с одинаковыми параметрами при различных относительных глубинах воды в ВБ для подтверждения их повышения устойчивости. В результате обработки полученных результатов численного моделирования разработанной конструкции получена следующая зависимость относительного перемещения е от относительной глубины воды в ВБ А,, и отношения прилегания к высоте оболочки В/Н:

е = ог3 ■ Ляв + Ь3 • А,6 + с3, (9)

где а}, Ь}, с3 - коэффициенты, зависящие от относительного прилегания к высоте оболочки В1Н, определяемые по следующим эмпирическим зависимостям с достоверностью аппроксимации Л2 =0,89:

а3 =0,1834А,2 - 0,2342Л,С +0,3625, (10)

й3 = —0,2683Л,д + 0,4781Л>6 -0,2289, (11)

с3 = 0,0802Л;2 - 0,1826А,6 + 0,1083. (12)

Для данной конструкции играет очень важную роль система анкеров, так как они обеспечивают устойчивость дамбы. Их количество анкеров определяется по следующей зависимости:

п, =шах(и,у ;п„); (13)

где \у, - соответственно количество анкеров, обеспечивающее устойчивость системы на вырыв и сдвиг: лау = - G) / (>wl - Ga); =(FM -Fj/F^,; G - вес водонаполняемой оболочк, Н; G, - вес системы анкеров, G, =w,.Gl|) Н; G,, - вес одного анкера, G,, = р0 • g ■ л • d] • Л, / 4, Н; и, - количество анкеров, шт.; уг - удельный вес анкера, Н/м3; d, - диаметр анкера, м; А, - длина анкера, м; W^ - сила фильтрационного давления, Н; F^y - сила трения, препятствующая вырыву системы анкера, Н, = пл ■ Fw,; F^yA - сила трения, препятствующая вырыву одного анкера, Н, FTf y l = tg<p • S„ ■ Рг; ф - угол внутреннего трения грунта; 5, - площадь поверхности анкера, на которую действует сила трения, £„ = я• • A„ .м2; Рг - активное горизонтальное давление грунта, Рт = уг -А, ти; ут — удельный вес грунта, Н / м3; тн - коэффициент нормативного бокового давления грунта, т„ =tg2(45°-q>/2); F^ - сдвигающая сила, Н, F№=0,5 p g B L hl6; Fc -сила трения, препятствующая сдвигу анкера, Н, Fc = (G - ■ (tgcp + /0„); /ов - коэффициент трения между оболочкой и грунтом; Ftp* ~ сила Давления грунта, действующая на систему анкеров, Н, F^ = и, • F ,; F^, - сила давления грунта, действующая на один анкер, Н,

За счет применения анкеров в основании новая конструкция имеет устойчивость по относительному перемещению е на 50...60% больше по сравнению с незакрепленной двухкамерной водонаполняемой мобильной дамбой при увеличении относительной глубины воды в ВБ h,6 от 0,06 до 0,15, а также может использоваться при коэффициенте трения грунта менее 0,3. Она может обеспечить отвод потока воды в пониженные участки рельефа или другие водные объекты за счет гибкого отводящего лотка, что позволяет не допустить затопление в нижнем бьефе.

В пятой главе разработана методика расчета, проектирования, строительства и эксплуатации мобильных водонаполняемых дамб (рис. 9).

Исходными данными являются: характеристики материала, минимальные периметр и внутреннее давление. Коэффициент трения принимается в зависимости от характеристик естественных грунтов основания. В результате расчета определяем необходимые параметры мобильных водонаполняемых дамб, обеспечивающих устойчивость ее к сдвигу и опрокидыванию.

Рис. 9. Блок-схема расчета параметров мобильных водонаполняемых дамб

Созданная методика по расчету параметров мобильных водонаполняемых дамб позволила разработать рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации данных конструкций, обеспечивающих защиту территорий населенных мест и предприятий от затопления при глубинах воды до 3 м в условиях дельты реки Меконг (Вьетнам).

Общие выводы

1. На основании анализа существующих технических решений противопаводковой защиты дельты реки Меконг обоснована возможность применения мобильных водонаполняемых сооружений, обеспечивающих защиту от затопления до 3 м в условиях слабых грунтов.

2. Автором получены многофакторные зависимости перемещения от: внутреннего давления, глубины воды в верхнем бьефе, наклона основания в диапазоне от 3 до 10° и коэффициента трения от 0,1 до 0,9 по результатам численного моделирования одно- и двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб, позволяющие оценить их устойчивость.

3. Сравнительный анализ численного моделирования и экспериментального исследования физических моделей мобильных водонаполняемых дамб показал достаточную степень сходимости их результатов при максимальной погрешности менее 22 % для однокамерных и 20 % для двухкамерных конструкций.

4. По результатам проведенных автором экспериментальных исследований, определены условия устойчивости незакрепленных одно- и двухкамерных

15

мобильных водонаполняемых дамб по соотношению hK? / Я, которое для двухкамерных дамб больше на 7... 18 %, чем для однокамерных при В /Я соответственно равном 0,2...2,5.

5. Устойчивость двухкамерной мобильной водонаполняемой дамбы не обеспечивается при и В/Н соответственно в диапазоне от 0,5 до 2,5 в случае горизонтального основания и коэффициента трения менее или равном 0,3. В связи с этим необходима разработка нового технического решения мобильной водонаполняемой дамбы, позволяющей обеспечить её устойчивость.

6. В результате проведенных исследований разработаны требования, на основе которых создано новое техническое решение конструкций мобильных водонаполняемых дамб (заявка на изобретение РФ № 2013141645) для защиты территорий населенных мест и предприятий от затопления при глубине до 3 м в условиях слабых грунтов с коэффициентом трения меньше 0,3.

7. Сравнение результатов расчета относительных перемещений разработанных конструкций мобильных водонаполняемых дамб с существующей незакрепленной двухкамерной конструкцией показало, что их устойчивость увеличивается на 50...60 % для относительных глубин воды в ВБ от 0,06 до 0,15. Автором получена эмпирическая зависимость относительных перемещений дамб е от относительных глубин воды в ВБ.

8. Автором разработаны методика и алгоритм определения параметров мобильных водонаполняемых дамб, а также технология их возведения, вошедшие в рекомендации «Обоснование параметров системы мобильных водонаполняемых дамб для противопаводковых мероприятий по защите дельты р. Меконг».

9. В результате технико-экономических расчетов разработанных конструкций, автором доказана их экономическая и эколого-социапьная эффективность, при этом капиталовложение при их строительстве на 42 % меньше чем, для традиционных грунтовых дамб.

Публикации. Результаты исследований изложены в трех научных статьях в журналах рекомендованных ВАК.

1. Кашарин Д.В., Тхай Тхи Ким Тьи. Повышение устойчивости оснований мобильных дамб для инженерной защиты зданий от затопления // Инженерно-строительный журнал. - 2013. - № 4. - С. 51-59.

2. Тхай Тхи Ким Тьи. Обоснование параметров мобильных дамб для противопаводковой защиты в условиях дельты реки Меконг // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. - 2014. - Т. 272. - С. 87-94.

3. Тхай Тхи Ким Тьи. Совершенствование и научное обоснование конструкций мобильных защитных дамб // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. -2014. -№ 3 (15).

Формат 60x90/16. Заказ 1684. Тираж 100 экз. Усл.-печ.л. 1,0. Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов. Опечатано в ООО «ФЭД+», Москва, Ленинский пр., д. 42, тел. (495)774-26-96

ч

U-1 иьъ?

2014356640