автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Защита днищ судоходных шлюзов с использованием геосинтетических материалов

На правах рукописи

4856710

ПИСЬМЕНСКИЙ Владимир Владимирович

ЗАЩИТА ДНИЩ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта,

судовождение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-6 0Н7 2011

Москва - 2011

4856710

Работа выполнена в Московской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Костюков Виктор Дорофеевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Правдивей Юрий Петрович кандидат технических наук, профессор Малаханов Вячеслав Васильевич

Ведущая организация - ФГУ «Российский речной регистр» г. Москва

Защита состоится «31» октября 2011 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 223.006.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская наб., д.Д кор. 1., каб. 336.

С авторефератом можно ознакомиться на сайте Высшей аттестационной комиссии - www.vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «26» сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационно] кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Судоходные шлюзы являются важным звеном в цепи многочисленных гидротехнических сооружений внутренних водных путей Российской Федерации. Они необходимы для бесперебойной работы воднотранспортных соединений.

Многие из действующих гидротехнических сооружений внутренних водных путей России, в т.ч. судоходные шлюзы, к настоящему моменту времени нуждаются в капитальном ремонте или реконструкции, либо же необходимо строительство новых сооружений.

Нормальная работа гидротехнического сооружения и недопущение наступления предельных состояний в т.ч. выполняется при обеспечении фильтрационной прочности основания, определяемой при решении фильтрационной задачи и параметров фильтрации. В месте выхода фильтрационного потока выполняются обратные фильтры из природных минеральных материалов, что представляется весьма трудно и затратно в районах, где наблюдается дефицит надлежащего качества и размеров по фракциям требуемых строительных материалов.

Учитывая вышесказанное, можно отметить, что в настоящее время активно используются геосинтетические материалы (ГМ), которые частично заменяют дорогостоящие песчаные и гравийно-щебеночные материалы обратных фильтров - для повышения надежности сооружений.

Устройство в конструкции обратного фильтра одного слоя геосинтетического материала заменяет отсыпку слоя толщиной не менее 20 - 30 см из среднесортированного песка.

Геосинтетический материал гарантирует отсутствие перемешивания различных грунтов на контакте между собой, задерживает частицы грунта или другие частицы, которые под действием гидродинамических сил потока жидкости могут проходить через него.

Применение геосинтетических материалов в конструкции обратного фильтра призвано надежно защитить основание сооружения от суффозионных процессов, а следовательно и от деформации.

Стоимость, трудоемкость, продолжительность возведения конструкции в значительной степени определяют эффективность всего строительства, капитального ремонта или реконструкции. Следовательно, поиск оптимальных конструкций, выбор материалов и методов расчета параметров обратных фильтров являются наиболее важными задачами, как в техническом, так и экономическом плане. Решение этих задач осуществляется во взаимной увязке.

Научная задача

Настоящая диссертационная работа посвящена вопросу разработки новой методики расчета параметров обратных фильтров в основании судоходного шлюза с использованием геосинтетических материалов.

Цели и задачи исследования

Основными целями диссертационной работы являются:

- разработка новой методики расчета параметров обратных

фильтров с использованием геосинтетических материалов;

4

- разработка «инструмента», упрощающего определение удельного расхода фильтрации при решении фильтрационной задачи.

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:

- проведён сбор и анализ данных об отечественных и зарубежных геосинтетических материалах;

- на основании сбора и анализа данных по существующим методикам расчета параметров обратных фильтров найдено решение по расчету параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов;

- разработана методика подбора обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов - теоретическая часть;

- выполнены экспериментальные исследования, проведен ряд экспериментов по определению осредненного коэффициента фильтрации системы грунт - геотекстиль - грунт;

- построены номограммы для определения удельного расхода фильтрации.

Объект исследования

В качестве объекта исследований был выбран судоходный шлюз на нескальном основании, представленном песчаными грунтами. В качестве объекта, на примере которого выполнялись расчеты, был выбран Пермский шлюз.

Предмет исследования

При выборе предмета исследования учитывались следующие факторы:

- широкое распространение геосинтетических материалов в мире и на территории Российской Федерации;

- принципиальная и практическая возможность применения геосинтетических материалов практически во всех отраслях строительного комплекса;

- возможность принять за основу существующие методики расчета параметров обратных фильтров.

Предметом исследования был выбран обратный фильтр в основании камеры судоходного шлюза.

Методы исследования

Теоретические исследования с экспериментальной проверкой результатов являлись основными методами достижения поставленных в настоящей работе целей и задач.

Научная новизна работы

Разработана новая методика расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов.

Построены номограммы, позволяющие достаточно быстро определять удельный фильтрационный расход, проходящий через основание сооружения и обратный фильтр в зависимости от типа грунтов, и действующих напоров.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость настоящей работы выражается в том, что разработанная методика позволяет не дополнять геосинтетическим материалом рассчитываемую конструкцию, а учитывать его характери-

стики непосредственно в самих расчетах и рассматривать его как составляющий элемент сооружения.

Практическая значимость

Разработанная методика позволяет достаточно полно и обосновано определить эффективные параметры слоев фильтра с учетом физико-механических и фильтрационных свойств применяемого геосинтетического материала, что значительно позволяет упростить его выбор. В свою очередь это позволяет сократить объемы фильтра по песча-но-гравийным материалам.

Достоверность полученных результатов

Экспериментальные исследования подтвердили данные, полученные в результате теоретических исследований и разработки теоретической части диссертационной работы. Расхождение в значении величины удельного расхода фильтрации, полученного теоретическим и экспериментальным путем, составляет около 5,0%.

Научные положения, выносимые на защиту

- итоги анализа существующих методик расчета параметров обратных фильтров;

- новая методика расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов - теоретическая часть;

- результаты экспериментальных исследований;

- номограммы для определения удельного расхода фильтрации.

Личный вклад автора в получении научных результатов

Автором проведена работа по изучению основных существующих методик расчета параметров обратных фильтров, проведён сбор и анализ данных об отечественных и зарубежных геосинтетических материалах, найдено решение по расчету параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов и разработана новая методика, выполнены экспериментальные исследования и построены номограммы для определения удельного расхода фильтрации.

Апробация диссертации

Основные положения и установленный эффект разработанной методики доложены на прошедшей в г. Санкт-Петербурге в 2010 г. первой международной научно-технической конференции «Геосинтетические материалы в промышленном и гидротехническом строительстве».

Публикации основных положений работы

По материалам диссертационной работы имеется 7 публикаций, в т. ч. 1 в журнале, входящем в перечень ВАК.

Реализация результатов работы

Разработанная методика предназначена для инженерного персонала при выполнении фильтрационных расчетов в проектных и строительных организациях вне зависимости от их профильной ориентации.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 230 страницах машинописного текста, содержит 71 таблицу, 27 рисунков, 15 приложений, 63 формулы, библиография включает 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе описано назначение обратных фильтров, принципы их работы, основные требования к зерновому составу и устройству обратных фильтров. Выполнен анализ методик для расчета параметров фильтров, сформулированы цель и задачи исследования.

На основе анализа литературных источников и изучения реальной ситуации были определены основные причины возникновения дефектов как непосредственно самих грунтов основания гидротехнических сооружений, судоходных шлюзов в частности, так и конструкций обратных фильтров: гидродинамическое давление воды, суффозия, кольматаж.

В настоящее время существуют различные методики в т.ч. методики ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и В/о «Союзводпроект» для расчета параметров обратных фильтров, предназначенных для защиты сооружения от негативных процессов, приведенных выше. Общая толщина фильтра зависит от физико-механических и фильтрационных свойств грунтов.

Проанализировав существующие методики можно отметить, что параметры обратных фильтров, выполняемых из песчано-щебеночных материалов, определяются на основании кривых гранулометрического состава карьерных грунтов и их физико-механических характеристик. В этой связи очень важно точно определить каждый участвующий в расчете параметр грунта обратного фильтра и основания, в т.ч. диаметр пор, диаметр частиц, подлежащих

выносу и т.д. Например, в случае если диаметр пор в грунте будет

9

рассчитан неправильно, то это может привести к кольматажу и повышению фильтрационного противодавления.

Существующие нормативные документы и методики не учитывают в расчетах параметров обратных фильтров характеристики геосинтетических материалов. Соответственно в настоящей работе определяется возможность, учитывая фильтрационные характеристики геосинтетических материалов, получения значения удельного фильтрационного расхода не хуже, чем при расчете его параметров по существующим методикам.

Второй раздел посвящен изучению и анализу информации по геосинтетическим материалам.

В данном разделе рассмотрены основные характеристики, функции и области применения геосинтетических материалов, основные физико-механические, гидравлические и другие их свойства, а также рассмотрена классификация геосинтетических материалов.

Основными функциями геосинтетических материалов являются: фильтрация, сепарация, дренаж, защита, армирование, гидроизоляция.

К основным свойствам можно отнести: физические; механические, ползучесть; устойчивость к негативным воздействиям; гидравлические

Толщина ГМ, в среднем, не более Змм, прочность на разрыв достигает 500 тонн, максимальное удлинение материала достигает 15 %, среднее значение эффективного диаметра пор составляет около 100 микрометров), срок их службы составляет не менее 25-30 лет.

В настоящей работе рассматривались следующие марки геосинтетических материалов: Террам, Бидим, МакДрейн, Мистра, Слав-рос, Полифельт.

Третий раздел посвящен анализу существующих методик расчета параметров обратных фильтров на числовом примере и теоретическим исследованиям - разработке новой методики расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов.

В настоящем разделе рассмотрена существующая методика расчета параметров обратных фильтров для защиты несвязных грунтов оснований при известных характеристиках грунтов, предназначенных для укладки в обратный фильтр.

Итогом расчета является определение количества слоев обратного фильтра их толщины и определение удельного расхода фильтрации. Слои фильтра выполняются при этом только из песчано-щебеночных материалов.

После определения количества слоев фильтра и их параметров определяется осредненный коэффициент фильтрации по формуле (1):

где: Кмакс и Кми„ - максимальный и минимальный коэффициенты фильтрации (м/с), рассчитываемые по формулам (2) и (3).

КсР - у1Кмакс Кмин

(1)

^макс

Т1+Т2+-+Т1-

(2)

к _ Ti+Ta+-+Tj

МИН ~ Tl Т2 Tj (Jj

Кх'ПёГ1"""*!^

где Ki, K2, Kj - коэффициенты фильтрации слоев обратного фильтра (м/с);

Ть Та, Ti- толщина слоев обратного фильтра (м).

Исходя из полученного значения по формуле (1), определяется удельный фильтрационный расход по формуле H.H. Павловского (4).

q = Т~,(м2/с) (4)

7Ь'О

где Кср - осредненный коэффициент фильтрации (м/с);

Т - полная глубина водопроницаемого основания, в том числе слои обратного фильтра (м);

Н - напор (м);

п - поправочный коэффициент;

В - ширина фильтровой подготовки (м).

Новая методика выглядит следующим образом: по существующим методикам определяются параметры обратного фильтра и удельный фильтрационный расход, затем в конструкцию, а соответственно и в расчетную часть, вводятся физические и фильтрационные характеристики геосинтетических материалов различных производителей и марок. Методом последовательных приближений уменьшается толщина слоев песчаных и щебеночных материалов до получения значения фильтрационного расхода идентичного исходному, предварительно пересчитывается минимальный (Кмин), максимальный (Кмакс) и осредненный (Кср) коэффициенты фильтрации по формулам (3), (2) и (1) соответственно.

При этом ставится задача максимально уменьшить общую толщину фильтра - следовательно его объем по природным минеральным материалам.

Результатом подбора фильтра с использованием геосинтетического материала является график зависимости:

q = П х Кср (t+Ati) (t + At,), (5)

где q - удельный фильтрационный расход, м2/с; t - мощность слоя грунта основания, м; Atj - толщина i-ro слоя обратного фильтра, м; Кср (t+Ati) - осредненный коэффициент фильтрации для различной толщины слоя обратного фильтра;

П=(Н/пхВ) - const для конкретного расчета из формулы H.H. Павловского (4).

Конструкция обротного фильтро, выполненного из песчоно-щевеночных материалов

Конструкция овоатного фильтра, выполненного из песмоно-щеБеночных материалов с использованием геосинтетииеских материалов

*Г \ j» Л"

Крепление ж,б. плитами

Щебеночный грант Тц=0,4м

Среднезернистыи

песок I сзп=0,3м

Мелкозернистый

песок Тмзп=1,0м

Крепление ж.Б, плитами

Щебеночный грант Тц=0,2м

Геосинтетическии материал

Среднезернистыи

песок Тсзп=0,2м

Геосинтетическии материал

Мелкозернистый

песок Тмзп=1,0м

//////

Рисунок 2 - Конструкции обратных фильтров

13

Рисунок 3 - Сводный график зависимости удельного расхода фильтрации от толщины слоев обратного фильтра для различных ГМ

Рассматривая в расчетах геосинтетические материалы разных марок и производителей можно выстроить на графике оптимизационный ряд, с помощью которого можно выбрать экономически выгодный вариант конструкции фильтра и решения фильтрационной задачи, примеры приведены выше на рисунках 2 и 3.

В четвертом разделе излагаются результаты экспериментального исследования, приводятся основные технико-экономические показатели и решение по упрощению определения удельного расхода фильтрации.

Лабораторные исследования выполнялись на песчаных грунтах и проводились на базе грунтовой лаборатории ОАО «Гипроречтранс» на приборе «КФ-01».

,000471

.00025 I

100230

I"1 0,00018

0,000180

о.сооттг

0,0004

—»—ФильтрТеггат N«/700 при Тсзп--0,25м и Тщ-0,25м --•-ФильтрТеггат N«/1300 при Топ=0,25м и Тщ=0,3м

Фильтр Теггат N«/2000^« Тс1п=0,25м и Тщ=0,35м •——ФильтрТеггат N«/3000^ Тол=0,25м и Тщ=0,35м -♦—ФильтрТеггат М\Л/4000 при Тсзп=0,35м и Тщ=0,35м -•-ФильтрТеггат N1« 1В1 приТсзп=0.2м и Тщ=0,2м —'—Фильтр Бидим при Тсзп=0,25м и Тщ-О.ЗОм

0,0007 0,0006 0,0005

0,0003

0,0002 }

н

0,0001 4

1,7 Т+И,м

По полученным экспериментальным данным рассчитывается осредненный коэффициент фильтрации по формуле (6):

IV

к10 =-, (м/с) (6)

1и Го^-г-ЮО ^ '

где W - объем воды (см3); Т0 - время в секундах;

8 - площадь поперечного сечения трубки, (см2); г = 0,7 + 0,ЗТ - поправочный коэффициент на температуру воды.

После чего коэффициент фильтрации пересчитывается на условия натуры по формуле (7), для последующего пересчета удельного расхода фильтрации:

Кф.нат. =-~————^-, (М/С) (7)

-гТПз +•

где: КфЬ Кф2,... Кфп - коэффициенты фильтрации, полученные экспериментальным путем (м/с);

пц, ш2,... шп - толщины слоев грунта, при пересчете данных на условия натуры (м).

На рисунке 4 приводится результат экспериментальных исследований на примере геосинтетического материала Теггат 1В1. График отображает: экспериментальные точки; теоретическую кривую; исходная кривая без учета геосинтетического материала.

На рисунке 4 видно, что при пропуске удельного расхода фильтрации равного 0,0006 м2/с по традиционной методике - потребуется устройство фильтра толщиной 0,7 м., а при использовании в конструкции фильтра геосинтетического материала Теггат 1В1 общую толщину фильтра можно сократить практически до 0,4 м.

—^-Кривая фильтра с Теггат 1В1 при Тсзп=0,2м и Тщ=0,2 ■ Экспериментальные точки лриТсзп=0,2м и Тщ=0,2м А Экспериментальные точки при Тсзп-0,25ми Тщг0,35м

Рисунок 4 - График зависимости удельного расхода фильтрации от толщины слоев обратного фильтра с ГМ Теггат 1В1

В настоящей работе разработан «инструмент», в виде номограммы, упрощающей определение удельного фильтрационного расхода.

Номограммы разработаны для применения при следующих условиях:

- основание сооружения сложено мелкозернистыми песками с коэффициентами фильтрации, попадающими в интервал от 0,000023 до 0,00012м/с;

- напор на сооружение входит в интервал от 2,0 до 10,0 м;

- мощность слоя грунта основания составляет от 1,0 до 5,5 м;

Зависимость расхода фплырацпп от толщины груш основания п слоев обратного фильтра с ГМ Тенат Ш Ш1

-*-При напоре Н=2,0м <-*-При напоре Н=3,65м

—При напоре Н=6,0м ——При напоре Н=8,0м

Рисунок 5 - Зависимость удельного расхода фильтрации от толщины грунта основания и слоев обратного фильтра с ГМ Теггат 1В1

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящей диссертационной работе поставлена и решена важная научно-техническая проблема по защите днищ судоходных шлюзов с использованием геосинтетических материалов.

В результате проведенных работ можно отметить следующее:

1. Решена научная и практическая задача расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов с учетом определения параметров фильтрационного потока, в частности удельного фильтрационного расхода.

2. Проведен анализ существующих методик расчета параметров обратных фильтров, выполняемых из природных минеральных материалов.

3. На основании исследований разработана новая методика расчета параметров обратного фильтра с использованием геосинтетических материалов.

4. Методика разработана при учете использования в конструкции фильтра геосинтетических материалов следующих марок: Теггат, Бидим, МасБгет, Мистра, Славрос, Полифельт. При выполнении исследований учитывалось влияние фильтрационных свойств геосинтетических материалов на конструкцию фильтра в целом.

5. На основании новой методики, проведения экспериментальных исследований и их анализа построены графики зависимости удельного расхода фильтрации от толщины слоев обратного фильтра для каждого из рассмотренных в настоящей работе геосинтетических материалов, а также номограммы для упрощения определения удельного фильтрационного расхода.

6. Использование в конструкции обратного фильтра геосинтетических материалов позволяет снизить объемы песчано-щебеночных материалов до 40%.

7. Снижение объемов дорогостоящих материалов и производства работ ведут к уменьшению общей трудоемкости и стоимости работ.

8. Значения удельных фильтрационных расходов устанавливаются подбором в пределах расчетных параметров обратного фильт-

ра для конкретного сооружения, что обеспечивает надежную работу всей конструкции.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Письменский В.В. Обоснование методики расчета параметров обратного фильтра в основании судоходного шлюза с конструктивными элементами, выполненными из нетканых геосинтетических материалов/ Ментюков В.П., Письменский В.В. // Речной транспорт (XXI век). - 2010. - №4. - С.70-73;

2. Письменский В.В. Методика подбора параметров обратного фильтра с конструктивными элементами, выполненными из нетканых синтетических материалов, для защиты суффозионного основания судоходного шлюза/Письменский В.В. // Гидротехника - 2011. - №2. - С.63-65;

3. Письменский В.В. Выбор оптимальной толщины обратного фильтра с использованием геосинтетического материала в основании судоходного шлюза / Письменский В.В. // Геосинтетические материалы в промышленном и гидротехническом строительстве: Материалы научной конференции (2010г., г.Санкт-Петербург) [под редакцией д.т.н., проф. Н.И. Ватина, к.т.н. О.И.Гладпггейна]. - Санкт-Петербург, 2011.;

4. Письменский В.В. Применение геосинтетических материалов в современном гидротехническом строительстве / Письменский В.В. // XXX Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГАВТ: секция Водные пути и порты. Материалы научной конференции (9 апреля 2008г., г. Москва).

- М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. - С. 6-9;

19

5. Письменский В.В. Обоснование методики расчета параметров обратного фильтра в основании судоходного шлюза с конструктивными элементами, выполненными из нетканых геосинтетических материалов / Ментюков В.П., Письменский В.В. // XXXI - XXXII Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГАВТ: секция Водные пути и порты. Материалы научной конференции (2009-2010г., г.Москва). - М.: Альтаир-МГАВТ, 2010.-С.7;

6. Письменский В.В. Основные предпосылки к разработке методики расчета параметров обратного фильтра в основании судоходного шлюза с конструктивными элементами, выполненными из нетканых геосинтетических материалов / Письменский В.В.// XXXI -XXXII Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГАВТ: секция Водные пути и порты. Материалы научной конференции (2009-20Юг., г.Москва). -М.: Альтаир-МГАВТ, 2010. - С.63.

7. Письменский В.В. Основные предпосылки к разработке методики расчета параметров обратного фильтра в основании судоходного шлюза с конструктивными элементами, выполненными из нетканых геосинтетических материалов/ Письменский В.В.//Международная научно-практическая конференция «Водный транспорт России: Инновационный путь развития». Материалы научной конференции Том 2,380 с (6-7 октября 2010 года г. Санкт-Петербург Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций). - С. 29-34.

Определения, обозначения и сокращения. введение:.

1 Анализ существующих методик расчета параметров обратных фильтров

1.1 Процесс суффозии4.;.

1.2 Назначение обратных фильтров.

1.3 Рекомендуемые нормами методики подбора обратных фильтров из; песчано-щебёночных материалов.:.

0:ИПодбор обратныхфильтровдляоснованийизсвязных грунтов'(по методике ВНИИГ им. Б:Е; Веденеева).:.:.

ГЗ^'Иодборюбратных фильтровздля оснований из несвязных грунтов (по методике ВНИИГ им^ Б.Е. Веденеева):.

1.3.3 Подбор обратных фильтров для основанийшз несвязных; грунтов, когда карьерные характеристики грунтов заданы (по методике В/о «Союзводпроект»).1. 21;

1.3.4. Методика подбора гранулометрического;состава фильтровой подготовки под каменные и железобетонные крепления оснований из, несвязного грунта, когда гранулометрический состав фильтра не известен и его надо подобрать (ВНИИГ им. Б;Е. Веденеева).

1.3.5 Методика подбора гранулометрического состава фильтровой подготовки для защиты основанийшз связного грунта, когда гранулометрический состав фильтра не задан (методика В/о «Союзводпроект», согласно рекомендаций по проектированию П 92-80 ВНИИГ и ВСН 47-71).

1.3.6 Методика подбора гранулометрического состава фильтровой подготовки для защиты оснований из связного грунта, когда гранулометрический состав фильтра известен. (Методика В/о

Союзводпроект», согласно рекомендаций по проектированию П 92

ВНИИГ и ВСН 47-71).

2 Общие сведения о геосинтетических материалах.

2.1 Общие сведения.

2.2 Основные функции геосинтетических материалов.

2.3 Классификация геосинтетических материалов.

2.4 Сырье для изготовления геосинтетических материалов.

2.5 Свойства геосинтетических материалов.

2.5.1 Физические свойства.

2.5.2 Механические свойства.

2.5.3 Ползучесть.

2.5.4 Устойчивость к негативным воздействиям.

2.5.5 Гидравлические свойства.

2.5.6 Эффективный диаметр пор.

3 Расчетное обоснование методики подбора параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов.

3.1 Исходные данные.

3.2 Расчет параметров обратных фильтров для оснований из несвязных грунтов, когда заданы карьерные характеристики (по методике В/о «Союзводпроект»). Числовой пример.

3.3 Предложение новой методики расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов и ее обоснование на примере геосинтетического материала «Теггаш 1В1».

4 Лабораторные исследования.

4. 1 Цель лабораторных исследований.

4.2 Методика исследований.

4.3 Результаты испытаний.

4.4 Подтверждение теоретической составляющей опытным путем.

4.5 Разработка «инструмента», упрощающего определение расхода фильтрационного потока при решении фильтрационной задачи.

4.6 Технико-экономические показатели параметров обратных фильтров

Актуальность работы.

Судоходные шлюзы являются важным звеном в цепи многочисленных гидротехнических сооружений внутренних водных путей Российской Федерации. Они необходимы для. бесперебойной работы воднотранспортных соединений.

Многие из действующих гидротехнических сооружений внутренних водных путей России, в т.ч. судоходные шлюзы, к настоящему моменту времени нуждаются в капитальном^ ремонте или1 реконструкции; либо же необходимо строительство новых сооружений.

Нормальная работа гидротехнического сооружения, и недопущение наступления предельных состояний в т.ч. выполняется при обеспечении фильтрационной прочности основания,' определяемой при решении фильтрационной, задачи и параметров фильтрации. В месте выхода фильтрационного потока'выполняются обратные фильтры из природных; минеральных материалов, что представляется весьма, трудно и затратно* в районах; где наблюдается дефицит надлежащего качества и размеров по фракциям, требуемых строительных материалов.'

Учитывая вышесказанное, можно отметить, что в настоящее время активно используются-геосинтетические материалы (ГМкоторые частично заменяют дорогостоящие песчаные и гравийно-щебеночные материалы обратных фильтров - для повышения надежности сооружений.

Устройство в конструкции обратного фильтра одного слоя геосинтетического материала заменяет отсыпку слоя толщиной не менее 20 - 30 см из среднесортированного песка.

Геосинтетический материал гарантирует отсутствие перемешивания различных грунтов на контакте между собой, задерживает частицы грунта или другие частицы, которые под действием гидродинамических сил потока жидкости могут проходить через него.

Использование геосинтетических материалов в конструкции обратного фильтра призвано надежно защитить основание сооружения от суффозион-ных процессов, а следовательно и от деформации.

Стоимость, трудоемкость, продолжительность возведения конструкции в значительной степени определяют эффективность всего строительства, капитального ремонта-илиг реконструкции. Следовательно, поиск оптимальных конструкций, выбор материалов и методов расчета параметров обратных фильтров являются наиболее важными задачами, как в техническом, так и экономическом плане. Решение этих задач осуществляется во взаимной увязке.

Научная задача

Настоящая диссертационная работа посвящена вопросу разработки новой. методики расчета параметров обратных фильтров в основании судоходного шлюза с использованием• геосинтетических материалов.

Цели изадачи исследования

Основными целями диссертационной работы являются: разработка новой методики расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов; разработка «инструмента», упрощающего определение удельного расхода фильтрации при решении фильтрационной задачи.

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:

- проведён сбор и анализ данных об отечественных и зарубежных геосинтетических материалах;

- на основании сбора и анализа данных по существующим методикам расчета параметров обратных фильтров найдено решение по расчету параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов; разработана методика подбора обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов — теоретическая часть; выполнены экспериментальные исследования, проведен ряд экспериментов по определению осредненного коэффициента фильтрации системы грунт - геотекстиль - грунт; построены номограммы для определения удельного расхода фильтрации. .

Объект исследования

В качестве объекта исследований был выбран судоходный шлюз на нескальном основании; представленном песчаными грунтами. В качестве объекта, на примере которого выполнялись расчеты, был выбран Пермский шлюз.

Предмет исследования

При выборе предмета исследования учитывались следующие факторы: широкое распространение reo синтетических материалов в мире и на территории Российской-': Федерации; принципиальная' и практическая возможность применения геосинтетических материалов практически во всех отраслях строительного комплекса; возможность принять за основу существующие методики расчета параметров обратных фильтров.

Предметом исследования был выбран обратный* фильтр в основании камеры судоходного шлюза.

Методы исследования

Теоретические исследования; с экспериментальной проверкой результатов являлись основными методами достижения поставленных в настоящей работе целей и задач.

Научная новизна работы

Разработана новая методика расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов.

Построены номограммы, позволяющие достаточно быстро определять удельный фильтрационный расход, проходящий через основание сооружения и обратный фильтр в зависимости от типа грунтов, и действующих напоров.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость настоящей работы выражается в том, что разработанная методика позволяет не дополнять геосинтетическим материалом рассчитываемую конструкцию, а учитывать его характеристики непосредственно в самих расчетах и рассматривать его как составляющий элемент сооружения.

Практическая значимость

Разработанная методика позволяет достаточно полно, и обосновано определить эффективные параметры слоев фильтра с учетом физико-механических и фильтрационных свойств применяемого-геосинтетического материала, что значительно позволяет упростить его выбор. В свою, очередь это позволяет сократить объемы фильтра по песчано-гравийным материалам.

Достоверность полученных результатов

Экспериментальные исследования подтвердили данные, полученные в. результате теоретических исследований и разработки теоретической части-диссертационной работы. Расхождение в значении величины удельного расхода фильтрации, полученного* теоретическим, и экспериментальным путем, составляет около 5,0%.

Научные положения, выносимые на защиту

- итоги анализа существующих методик расчета параметров обратных фильтров;

- новая методика расчета параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов - теоретическая часть;

- результаты экспериментальных исследований;

- номограммы для определения удельного расхода фильтрации.

Личный вклад автора в получении научных результатов

Автором проведена работа по изучению основных существующих методик расчета параметров обратных фильтров, проведён сбор и анализ данных об отечественных и зарубежных геосинтетических материалах, найдено решение по расчету параметров обратных фильтров с использованием геосинтетических материалов и разработана новая методика, выполнены экспериментальные исследования и построены номограммы для определения удельного расхода фильтрации.

Апробация диссертации

Основные положения и установленный эффект разработанной методики доложены на прошедшей в.г. Санкт-Петербурге в 2010 г. первой международной научно-технической конференции «Геосинтетические материалы в промышленном и гидротехническом строительстве».

Публикации основных положений работы

По материалам диссертационной работы имеется 7 публикаций, в т. ч. 1 в журнале, входящем в перечень ВАК.

Реализация результатов работы

Разработанная методика предназначена для инженерного персонала при выполнении фильтрационных расчетов в проектных и строительных организациях вне зависимости от их профильной ориентации.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 230 страницах машинописного текста, содержит 71 таблицу, 27 рисунков, 15 приложений, 63 формулы, библиография включает 110 наименований.