Анализ состояния и повышение надежности противофильтрационных  устройств мелиоративных сооружений  РД

Мурад Мусаев

Анализ состояния и повышение надежности противофильтрационных устройств мелиоративных сооружений РД

Целью исследования является разработка и научное обоснование новых и совершенствование существующих конструкций противофильтрационных устройств мелиоративных сооружений на основе комплексных экспериментально- теоретических исследований. Магистерская работа выполнена путем осуществления экспериментальных, теоретических и натурных исследований противофильтрационных устройств на каналах/

Водное хозяйство

Дипломы

Вуз: Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)

ID: 5f48e0f6cd3d3e0001780569

UUID: ea5c0c00-cb49-0138-2352-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 97

12.34

Мурад Мусаев

Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)

-1

Комментировать 1

Рецензировать 0

Скачать - 2,4 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования РФ ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет» Факультет _ Магистерской подготовки Кафедра ___Мелиорации, землеустройства и кадастров______ Направление 20.04.02. – Природообустройство и водопользование Допустить к защите Зам.заведующего кафедрой МЗ и К ______________Зербалиев А.М. (подпись, дата) (фамилия, инициалы) МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ НА ТЕМУ: «Анализ состояния и повышение надежности противофильтрационных устройств мелиоративных сооружений РД» Магистрант ____________________________ Мусаев М.Х. Научный руководитель д.т.н., проф. уч.степень , звание (подпись, дата) Нормоконтролер . ст.преподаватель уч.степень , звание (подпись, дата) ___ Баламирзоев А.Г фамилия, инициалы Шабанова С.Г. фамилия, инициалы Махачкала 2020 3

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ и ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Дагестанский государственный технический университет» УТВЕРЖДАЮ Зам.заведующего кафедрой МЗиК ____________Айдамиров Д.С. (подпись, дата) Студенту (фамилия, инициа лы) ЗАДАНИЕ на магистерскую диссертацию Мусаеву Мураду Хейруллаховичу (фамилия, имя, отчество) Тема диссертации: «Анализ состояния и п овышение надежности противофильтрационных устройств мелиоративных сооружений РД » утверждена приказом ректора по университету от «10» марта 2020 № 377-С 1. Исходные данные: Специальная литература по теме магистерской диссер тации и данные полученные при прохождении научно-исследовательской практики___________ 2. Научная и практическая ценность ожидаемых результатов Tеоретические результаты данной работы могут применяться при разработке методов математического моделирования, анализа и синтеза, в спектральной теории дифференциальных операторов, статистической подземной гидромеханике, дифференциальной геометрии, теории чисел и в теории дифференциальных уравнений в частных производных. Практические положения данной работы могут применяться не только в качестве первоначаль ных при оптимизации конструкции подземного контура напорного гидротехнического сооружения, но также для решения проблемы борьбы с фильтрацией из оросительных каналов. 3. Способ реализации результатов (внедрение) Результаты могут быть использованы в учебном процессе при изучении специальных дисциплин и на производстве при эксплуатации гидротехнических сооружений. 4.Перечень вопросов рассматриваемых в диссертации Введение;1.Современное состояние применения противофильтрационных устройств в конструкциях мелиоративных сооружений и методы повышения надежности 2. Результаты натурных исследований водопроницаемости и эффективности облицовок каналов юга России. 3. Расчетное обоснование рациональных конструкций противофильтрационных облицовок каналов. 4.Экономическая эффективность рекомендуемых мероприятий. Заключение. Список использованной литературы. 5.Перечень графического материала - призентация слайдов - (12сл) 6.Научныйруководительработы д.т.н., профессор Баламирзоев А.Г. уч. Степень, звание (подпись) (фамилия, инициалы) 7.Консультанты по работе __________________________________________________ уч. Степень, звание(подпись) Дата выдачи задания « 05 » Магистрант 01 (фамилия, инициалы) 2020г. ( Мусаев М.Х. ) (подпись) (фамилия, инициа лы) Примечание. Задание оформляется в двух экземп лярах; один выдаетс я студенту, второй хранится на кафедре. 4

Календарный план подготовки и написания диссертации №п/п 1 Этапы работы 2 Составление задания и календарного плана выполне ния диссертации Изучение специальной литературы по теме диссертации 3 Написание введения и 1 главы (в первой редакции) 4 Написание 2 главы (в первой редакции) 5 6 Отчёт (1.-я проверка) перед кафедрой о проделанной работе Написание 3 и 4 глав (в первой редакции) 7 Написание 5 и 6 глав (в первой редакции) 8 9 Отчёт (2-я проверка) перед кафедрой о проделанной работе Написание 1 и 2 глав (во второй редакции) 10 Написание 3 и 4 глав (во второй редакции) 11 Написание 5 и 6 глав (во второй редакции) 12 Сдача диссертационной работы на кафедру 13 Изготовление иллюстративного диссертации Защита диссертации 14 материала Сроки 25.02.2020 29.03.2020 20.04.2020 25.05.2020 к защите 15.06 -30.06.2020 Руководитель М Д_______________________________ 5

ОГЛАВЛЕНИЕ 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 31. 3.2. 3.3. ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………. 5 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В КОНСТРУКЦИЯХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ …………….. 9 Современное состояние мелиоративного комплекса Республики Дагестан……………………………………………. 9 Применение противофильтрационных устройств на оросительных каналах и анализ их недостатков ………………. 11 Анализ и оценка эффективности противофильтрационных устройств облицованных каналов ……………………………… 15 Обзор работ в области оценки надежности противофильтрационных устройств на оросительных каналах и гидротехнических сооружениях ……………………………… 27 Выводы по главе 1………………………………………………. 34 ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ РД……………... …………………… Методика проведения натурных исследований фильтрационных потерь через облицовки……………………… Результаты натурных обследований нарушений противофильтрационных облицовок при эксплуатации оросительных каналов…………………………………………… Статистический анализ натурных данных работоспособности об лицовок на действующих каналах …………………………... Натурные наблюдения неустановившейся фильтрации через повреждения бетонопленочной облицовки ……………………. Пример оценки эффективности применения противофильтрационного покрытия при реконструкции магистрального канала ………………………………………….. Выводы по главе 2………………………………………………. ГЛАВА 3. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ ……………………………………… Выбор рациональных конструкций ПФУ при реконструкции каналов в земляном русле ………………………………………. Выбор типа противофильтрационной защиты конструкции ПФЗ при реконструкции каналов в облицовке ………………… Разработанные и рекомендуемые рациональные конструкции противофильтрационных облицовок на каналах ……………… 36 36 42 43 48 54 72 71 71 74 77 6

Повышение противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов ……………………………… Рекомендуемые конструкции дренажных устройств облицовок каналов ……………………………………………………………. Обоснование оптимального уровня надежности противофильтрационных облицовок каналов ………………….. Методика расчета водопроницаемости бетонопленочных противофильтрационных облицовок каналов …………………. Выводы по главе 3…………………………………………………………………………………………. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ МЕРОПРИЯТИЙ………………………………… 4. 4.1 . 4.2 . 4.3 . Оценка экономической эффективности от проведения противофильтрационных мероприятий на оросительных каналах…………………………………………………… Методика расчета экономической эффективности внедрения новой техники и технологии 84 87 89 96 119 105 105 110 Оценка эколого-экономического эффекта 114 противофильтра-ционной защиты накопителей промышленных отходов……. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………… 116 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………….. 117 7

ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. В водохозяйственном комплексе страны общие потери воды при транспортировке достигают 8 км3/год, более половины которых приходится на фильтрацию из оросительных каналов. Это вызывает подъем уровня грунтовых вод в приканальной зоне, подтопление прилегающих населенных пунктов, вторичное заболачивание и засоление земель. Только на территории Северо-Кавказского и Южного Федеральных округов имеется более 60 крупных каналов комплексного и мелиоративного назначения, а протяжённость каналов составляет 23 тыс.км. (протяженность КОРа 1-я очередь — 90 км (до Махачкалы), 2-я очередь — 140 км (до Избербаша) Пропускная способность 20 куб. м/с. ). При этом из общей протяжённости каналов лишь 30 % имеют противофильтрационные покрытия. В соответствии с "Водной стратегией России на период до 2020 г." предполагается вдвое уменьшить удельные потери при транспортировке за счет реконструкции систем водоподачи и устройства облицовки каналов. В ближайшие годы (2015-2020 гг.) в соответствии ФЦП «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов, как национального достояния России» предусматриваются широкомасштабные работы по реконструкции и строительству первой и четвертой очередей Большого Ставропольского, канала им.Октябрьской революции и Саратовского каналов, где на участках в земляном русле будут выполнены противофильтрационные покрытия. В связи с этим в современных условиях особую актуальность приобретает проблема борьбы с фильтрацией из оросительных каналов. При эксплуатации различных водоемов вследствие фильтрации и фильтрационных деформаций наблюдается более 30-40 % аварий и разрушений грунтовых плотин, а также возможны подтопления нижерасположенных поселков вследствии локального трещинообразования или повреждения противофильтрационных устройств в теле и основании плотины. Для предотвращения загрязнений грунтовых вод от фильтрата отвалов и накопителей отходов используются различные компоновочно конструктивные решения противофильтрационной и дренажной защиты (экраны, стенки, завесы, дренажи). Анализ существующих типов противофильтрационных устройств свидетельствует, что во многих случаях они характеризуются малой эффективностью, что обусловлено несовершенством их конструкций, вероятностью трещинообразования или повреждения в процессе строительства и эксплуатации. Решение этих проблем невозможно без применения современных конструкций различных противофильтрационных устройств (ПФУ) в виде облицовок, экранов, противофильтрационных стенок и завес. 8

Для борьбы с фильтрацией из каналов, водоемов и накопителей отходов в последние 30-35 лет достаточно широкое применение нашли традиционные конструкции противофильтрационных устройств — бетонные, железобетонные, асфальтобетонные, грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Практика их применения показала, что наиболее эффективными из них являются грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Однако, они характеризуются недостаточной эксплуатационной надежностью вследствие частой повреждаемости тонкого пленочного элемента. За рубежом (США, Чехия, Италия, Германия, Израиль, Египет, Франция, Португалия и др.) в отличие от России находят широкое применение геомембраны, представляющие собой полимерный рулонный материал из полиэтилена, бутилкаучука, битумно-полимерных композиций толщиной от 1 до 3 мм. Такие материалы по сравнению с пленочными, имеющими толщину до 0,2-0,3 мм, характеризуются большей долговечностью, значительным сопротивлением прокалыванию, высокой гибкостью, деформационной способностью и про- тивофильтрационной эффективностью. Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и научное обоснование новых и совершенствование существующих конструкций противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений на основе комплексных экспериментальнотеоретических исследований. Для достижения цели решались следующие задачи: - обобщить данные по оценке противофильтрационной эффективности и эксплуатационной надежности грунтопленочных и бетонопленочных покрытий на каналах, водоемах и накопителях; - развить теорию водопроницаемости противофильтрационных конструкций и на ее основе разработать методику оценки эффективности облицовок оросительных каналов; провести расчетную оценку противофильтрационной эффективности бетонопленочной облицовки с геомембраной; провести оценку влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе; Предметом исследований являются противофильтрационные устройства на каналах, водоемах и накопителях промышленных отходов. Теоретической и методологической основой работы послужили теоретические и экспериментальные, лабораторные и натурные исследо вания, включающие следующие методы: -фильтрационных расчетов, основанные на использовании способов фрагментов, фильтрационных сопротивлений и теории функции комплексного переменного; -математической статистики и теории вероятности для статистической оценки полученных результатов натурных наблюдений; 9

-физического моделирования задач фильтрации на эксперименталь ных установках; -натурных исследований водопроницаемости облицовок каналов. Основные положения, выносимые на защиту: -результаты теоретических исследований водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок ряда каналов юга России; -методика расчета водопроницаемости бетонопленочных и бетонных противофильтрационных облицовок каналов с применением пленочных мате риалов и геомембран и определения технического КПД облицованных кана лов; -методика обоснования выбора рациональных противофиль-трационных облицовок, позволяющая определять оптимальные значения их коэффициен тов фильтрации, удовлетворяющие требованиям экономичности; Научная новизна заключается в следующем: Разработана методика расчета водопроницаемости и получены аналитические зависимости для основных типов бетонопленочных облицовок каналов, позволяющие определять потери воды на фильтрацию из облицованных каналов и осуществлять их технико-экономическое сравнение. На основе использования целевой функции затрат и риска повреждений противофильтрационного элемента установлен оптимальный уро вень эффективности облицовок с пленочным экраном и геомембраной и разработан алгоритм выбора целесообразного типа облицовок. Разработан способ повышения противофильтрационной эффектив ности бетонопленочных облицовок на действующих каналах за счёт инъекции подплитного пространства цементно-песчано-зольным составом. Практическая значимость работы: Предложены новые и усовершенствованные конструкции и способы повышения эффективности противофильтрационных облицовок и экранов каналов и накопителей. Получены количественные оценки водопроницаемости основных типов противофильтрационных облицовок каналов и рекомендуемые допускае мые значения их осредненных коэффициентов фильтрации, характеризующие оптимальный уровень надежности облицовок. Апробация результатов. Результаты исследований автора по теме диссертации докладывались на 2 научно-технических конференциях, в том числе на научно-технической конференции ДГТУ «Проблемы строительства и инженерной экологии» (Махачкала, 2017). Основные положения диссертации отражены в двух статьях. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 123 страниц. Материал диссертации содержит 36 т аблиц, 28 рисунков. Список литературы состоит из 58 наименований, в том числе 2 иностранных авторов. 10

ГЛАВА 1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В КОНСТРУКЦИЯХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ 1.1. Современное состояние мелиоративного комплекса Республики Дагестан Орошение и мелиорация всегда имели и имеют огромное значение для обеспечения продовольственной безопасности любого государства мира и являются основным стержнем сельскохозяйственного производства. Во многих странах мира орошение земель – важнейший фактор интенсификации сельскохозяйственного производства, который с ростом численности населения и уменьшением площади пахотных земель в расчете на душу населения будет становиться все более значимым. Республика Дагестан является одним из крупных исторически сложившихся регионов орошаемого земледелия. К орошаемому земледелию всегда относились как бесценному достоянию, принимая активное участие в строительстве крупных магистральных каналов, таких как КОР, им. Дзержинского, Самур-Дербентский, Ахты-Какинский и многих других. Например, канал им. Октябрьской революции был народной стройкой, сооружался в течение двух лет и пущен в эксплуатацию в 1923 году (8 августа). В развитии промышленного комплекса республики мелиорация всегда играла и играет очень важную роль. Мелиорируемые земли и сегодня, бесспорно, являются основой земледелия в республике, обеспечивая более 70 % всей продукции растениеводства. На орошаемых землях производятся 100 % овощей и риса; 73 % зерновых культур; более 90 % кормов; около 60 % плодов, винограда и др. сельскохозяйственных культур. За последние 12…13 лет под влиянием социальных и экономических изменений в России катастрофически снизилась эффективность сельского хозяйства и оказалась почти в полном упадке мелиоративная отрасль страны, с которой связывались надежды на создание устойчивой базы гарантированного производства сельскохозяйственной продукции. В целом по России, к сожалению, за последнее десятилетие сохранность мелиорируемых земель значительно ухудшилась. На начало 1991 г. в России использовались 6,2 млн. га орошаемых земель. Из них за 10 с небольшим лет из сельскохозяйственного оборота по разным причинам выбыли 1,8 млн. га орошаемых земель. В нашей республике за этот период не утерян ни один гектар орошаемых земель из тех, которые были созданы за годы расцвета мелиорации – с 70-х до начала 90-х гг. В настоящее время в Дагестане орошается около 400 га земель, что составляет 12 % от всех сельхозугодий. Из почти 3,4 млн. га. сельскохозяйственных угодий республика располагает значительным 11

ирригационным фондом, составляющим около 1,0 млн. га., то есть потенциально может иметь около 1 млн. га орошаемых земель. Богата республика и водными ресурсами: здесь имеется 4374 реки, относящихся к бассейну Каспийского моря. Общая протяженность речной сети составляет 18347 км. Наиболее крупными водными артериями являются на севере Дагестана реки Терек - одна из многоводных рек, в центральной части республики – Сулак, на юге – Самур. В республике имеются искусственные водные и гидротехнические сооружения. Протяженность межхозяйственных каналов сегодня составляет 4543 км, количество гидротехнических сооружений – 2,5 тыс. шт., коллекторно-дренажной сети – 2,0 тыс. км, есть 22 водохранилища и 36 электрифицированных насосных станций. Однако, располагая достаточными водным и мелиоративным потенциалом, для гарантированного обеспечения сельхозтоваропроизводителя и населения поливной водой необходимо преодолеть ряд проблем. Большая часть гидротехнических сооружений, мелиоративная сеть, насосные станции, в основном построенные в 50-70 годы прошлого столетия, на фоне всеобщего падения экономики и рыночных реформ из-за отсутствия средств для их ремонта постепенно стареют и не могут работать на полную мощность. Существующие оросительная и коллекторно-дренажная сети из-за отсутствия своевременных ремонтных работ находятся в критическом состоянии. Заиленность каналов и коллекторов такова, что их коэффициент полезного действия составляет 0,5. В результате резного сокращения финансирования службы эксплуатации гидротехнических сооружений объем земляных работ по ремонту и очистке оросительной сети снизился более чем в 10 раз. Почти все водопроводящие каналы оборудованы в земляном русле, отсюда и большие потери воды на фильтрацию. Только 3 % каналов имеют бетонную облицовку. Слабо развита коллекторно-дренажная сеть, только 30 % площади земель имеют закрытые дренажи, отсюда и заболачиваемость земель. Основные магистральные каналы, такие как Дельтовый, Старотеречный, Таловский, им. Дзержинского, Самур-Дербентский, суммарный водозабор которых по республике превышает более 50 %, заилены и не пропускают необходимый объем воды. Крупные гидротехнические сооружения - Каргакалинский, Капайский гидроузлы в Кизлярской зоне; Акташский и Ярыксувский акведуки; туннельная часть Самур-Дербентского канала; водозаборные сооружения Верхне-Хасавюртовского, Акташского, Тальминского каналов; дюкеры на каналах КОР и Тальма требуют срочного ремонта и работают в предельном режиме. 12

На предельно изношенном оборудовании работают крупные насосные станции 1 и 2-го подъема воды на канале КОР и «Алихан». Требуют замены электромонтажного и механического оборудования практически все имеющиеся насосные станции. В современных экономических условиях хозяйствам, производителям сельхозпродукции и другим землепо льзователям государство не выделяет средства на приобретение поливной и другой мелиоративной техники, позволяющей предотвращать избыточное увлажнение почвы при поливе. Сегодня, когда стоимость, например, дождевальной машины «Фрегат» превышает 1 млн. руб., водопотребители не в состоянии приобретать и содержать не только дорогостоящую поливную технику, но даже небольшие насосные установки средней и малой мощности из-за высоких и постоянно растущих цен на энергоносители. Воздействие этих факторов вынуждает сельхозпроизводителей проводить поверхностные, так называемые «дикие», поливы напуском воды по широким полосам или бороздам. Такой способ полива подходит не для всех земель и возможен на ровной спланированной местности с достаточно глубоким залеганием грунтовых вод и при соблюдении ряда других ограничений. При этом происходит переувлажнение почвы, перерасход воды, не соблюдаются нормы поливов. В итоге значительная часть площади орошаемых земель из-за чрезмерного увлажнения постепенно ухудшается, происходит засоление почв, их деградация, естественно снижается продуктивность мелиорируемых земель. Таким образом, площадь хороших земель ежегодно становится все меньше, переходя в разряд неудовлетворительных по мелиоративному состоянию, (примерно на 2 тыс. га в год). Ежегодно около 35…40 тыс. га орошаемых земель не используется на селе по различным причинам, в основном из-за несостоятельности землепроизводителей, т акже под воз действием негативных организационно-хозяйственных факторов, из-за ухудшения материальнотехнического состояния, недостатка финансовых средств и массы других причин. Для предотвращения дальнейшего ухудшения состояния мелиоративного комплекса республики и орошаемых земель необходимо эту проблему рассматривать в масштабах всей страны, чтобы федеральное правительство уделяло больше внимания проблемам сельского хозяйства, и в частности орошаемому земледелию. Необходимо оснастить производителя сельхозпродукции и водохозяйственные организации современной техникой для выполнения строительных, эксплуатационных и поливных работ. Требуется проведение в больших объемах работ, связанных с реконструкцией мелиоративных систем, для обеспечения пропуска 13

необходимого количества воды, понижения уровня и отвода грунтовых вод профильтрационных и других мероприятий, своевременно и на должном уровне выполнять работы, связанные с эксплуатацией систем и поддержанием их в рабочем состоянии. 1.2. Применение противофильтрационных устройств на оросительных каналах и анализ их недостатков Для борьбы с потерями на фильтрацию оросительных каналов известны способы уменьшения водопроницаемости грунта ложа каналов и методы борьбы с потерями путем устройства противофильтрационных покрытий [144]. Пр именяют способ снижения фильтрационных свойств грунтового массива при взрывах, в результате чего в каналах образуется уплотненная зона, играющая роль противофильтрационного экрана. В дальнейшем для снижения фильтр ации в каналах был р азработан мето д подводных взрывов с использованием горизонтальных удлиненных зарядов [44]. В процессе эксплуатации таких каналов будет про исходить разуплотнение и разрушение уплотненной зоны, которое со временем достигнет всей толщи и приведет к частичной или полной потере противофильтрационного эффекта уплотненного экрана. Для борьбы с фильтрацией из каналов в последние 30-35лет широ кое применение нашли противофильтрационные устройства в виде покрытий или одежд бетонных, железобетонных, асфальтобетонных, грунтопленочных и бетонопленочных, которые отличаются как большей эффективностью, так и долговечностью, анализ которых дан в работах [19,31,46]. Основные конструктивные типы противофильтрационных устройств на оросительных каналах: — бетонные и железобетонные облицовки по своей прочности, долговечности и технологии производства работ имеют о пределенные преимущества перед другими типами покрытий. Однако они имеют и недостатки: сложность работ, влияние изменения темпер атур на растрескивание по крытия; наиболее слабым звеном их являются швы, способы герметизации которых оказываются неэффективны, особенно швы с горячими битумными мастиками, долговечность которых не превышает 5-10 лет; экраны из асфальтобетона обладают высокой водонепроницаемостью и морозоустойчивостью. Работы по устройству таких покрытий могут быть полностью механизированы. Толщина асфальтобетонных покрытий составляет 5-8 с м. К недостаткам их мо жно 14

отнести то, что в летний период они размягчаются и легко пробиваются растительностью. Противофильтрационные экраны из полимерных пленочных материалов нашли наибольшее пр именение на оросительных каналах. Основные конструктивные типы их включают пленочный противофильтрационный элемент, подстилающий грунтовый слой и защитное покрытие из грунта, монолитного бетона и сборных железобетонных плит [19,50,51]. Противофильтрационный элемент выполняется из полиэтиленовых, поливинил- хлоридных пленок толщиной 0,2-0,4 мм. В зависимости от вида защитного покрытия экраны с применением полимерных пленок разделяют на четыре основных типа: бетонопленочные, грунтопленочные, поверхностные и комбинированные: - бетонопленочные облицовки нашли наибольшее применение на средних и малых оросительных каналах; - грунтопленочные экраны используются для различного рода водоёмов и крупных оросительных каналов. Толщину защитно го слоя грунта назначают не менее 0,5 м из ус ловия не повреждаемости пленки строительными механиз мами. В бетонопленочных облицовках в качестве покрытия по пленке применяют: железобетонные плиты; монолитный бетон при механизированной укладке; монолитный бетон или железобетон при укладке вручную на отдельных участках при небольших объемах работ; комбинированное покрытие из монолитного бетона - по дну и сборных железобетонных плит - на откосах. Достоинством бетонопленочных облицовок можно считать возможность широкой индустриализации строительства, создание с их помощью благоприятных ус ловий .для эксплуатации каналов. Однако, нес мотря на довольно широкое использование в во дохозяйственном строительстве грунто- пленочных экрано в и бетонопленочных облицовок, они имеют о пределенные недостатки, ограничивающие область их применения и требующие их совершенствования. Как известно, ряд конструкций грунтопленочных экранов включает защитный и подстилающий слои из несвязных (песчаных) грунтов [17]. Данные конструкции наиболее целесообразны для плотин из грунтовых материалов и при определенных условиях - для каналов и водоемов, когда в их ло же залегают грунты, не удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к плёночным экранам [28], и ко гда в районе строительства в достаточном количестве имеются песчаные грунты, которые можно использовать в качестве местных материалов. К недостаткам бетонопленочных облицовок следует отнести, прежде всего, высокую стоимость устройства защитного покрытия. Наряду с этим, 15

монолитное бетонное или сборное железобетонное покрытие в них, по существу, не ис пользуется по своему прямому назначению — как противофильтрационная конструкция [46], укладка бетона и особенно сборных плит по плёнке приводит в большинстве случаев к ее повреждаемости (укладка з ащитных прокладок из пергамина, толи и других материало в снижает по вреждаемость, но отнюдь не ликвидирует ее), а это, в свою очередь, — к невозможности оперативного контроля целостности пленочного противофильтрационного элемента и его ремонта. Несовершенством применяемых ко нструкций бетонопленочных облицовок на оросительных каналах в условиях резких колебаний уровня грунтовых вод или быстром снижении уровня воды в сооружении являетс я отсутствие в составе их конструкции дренажных выводов, что приводит в этих условиях, как пр авило, к воздействию избыточного давления на одежду и соответственно к выпору плит и нарушению це лостности покрытия. Нельзя не отметить и тот факт, что до последнего времени у нас в стране, кроме тонких пленоч ных материалов из полиэтилена низкой плотности (ПЫЛ) и поливинилхлор ида (ПВХ), другие полимерные материалы, например, в виде листов на основе синтетических каучуков (бутилкаучука, этилен- пропиленового каучука) то лщиной 1-3 мм вообще не применялись, хотя зарубежный опыт строительства облицовок на оросительных каналах и водоёмах [14, 17,22-25] убедительно доказывает целесообразность их применения для создания противофильтрационных экранов. Традиционные конструкции полимерных экранов и облицовок (грунтопленочные, бетонопленочные) имеют ряд недостатков, которые обуславливают их недостаточную эффективность: во-первых, из-за использования в качестве противофильтрационного элемента то нкой полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм, во-вторых, из-за высоких требований к подстилающему основанию и защитному по крытию, что на практике не всегда осуществимо, и, в-третьих, вследствие невысокой деформационной способности совмещенной конструкции «пленоч ный экран — защитное покрытие», сдерживаемой в результате сцепления пленки с защитным покрытием. Недостаточная надежность и эффективность пленочных экранов и облицовок в значительной степени определяется также несовершенством технологии их строительства, а именно высокой вероятностью повреждаемости плёнки при надвижке грунта защитно го слоя и укладке защитного бетонного покрытия, особенно из сборных железобетонных плит, возможностью недовара или пережога свариваемых швов, и затрудненностью контроля качества укладки пленки под слоем грунта или бетона. 16

В целом проведенный краткий обзор в области надежности противофильтрационных устройств, свидетельствует о недостаточной проработке отдельных вопросов теории и практических расчетов фильтрации как применительно к каналам, грунтовым плотинам, так и к накопителям промышленных отходов. За рубежом, в отличие от России, находят широкое применение геомембраны, представляющие собой полимерный рулонный материал из полиэтилена, бутилкаучука, битумно-полимерных композиций толщиной от 1 до 3 мм. Такие материалы по сравнению с пленочными, имеющими толщину до 0,5 мм, характеризуются большей долговечностью, значительным сопротивлением прокалыванию, высокой гибкостью и деформационной способностью. В настоящее время за рубежом для плотин, накопителей и каналов в качестве противофильтрационного элемента экрана ис пользуется в основном геомембрана ПЭВП производства компании SOLMAX Internat ional Inc. (Канада), экс клюзивным представителем которой на российском рынке является ООО «Гидрокор». В 2002 г. проведена сертификация серийного производства геомембран SOLMAX по системе Госстроя России. Компания «Гидрокор» впервые на российском рынке внедрила широкий спектр новых листовых полимерных материалов толщиной от 0,5 до 2,5 мм, применение которых позволило решить множество проблем, возникающих при реконструкции и строительстве различных объектов и сооружений. Была разработана методика проектирования противофильтрационных устройств с применением по лимерной геомембраны. Мето дика применима для гидротехнических сооружений (плотин, дамб, промышленных бассейнов, каналов), хвостохранилищ, свалок промышленных и бытовых отходов, других сооружений. В соответствии с методикой оптимальная конструкция противофильтрационного экрана выбирается с учетом: условий эксплуатации объекта; велич ины гидравлического напора, состава и свойств складируемых твердых и жидких отходов; данных инженер ногеологических, гидрогеологических, топографических изысканий; климатических условий района строительства. По этой мето дике на современном уровне выполнен целый ряд крупных проектов, в том числе: сооружение бессточной системы водоснабжения и шламонакопителей Красноярского алюминиевого завода; хранилища отходов Красноярского завода цветных металло в; шламонакопителя Ач инского глиноземного комбината пло щадью более 140 гектаров; полигона для захоронения и складирования токсичных промышленных отходов ООО «ПО Киришинефтеоргсинтез» и др. 17

В качестве противофильтрационного элемента экр ана используется в основном геомембрана ПЭВП, которая не подвержена гниению, воздействию кислот, щелочей, ультрафиолетовому облучению. Срок службы геомембраны не менее 80 лет. В к ачестве защиты геомембран от механических по вреждений используется геотекстиль высокой плотности. Технические характер истики геомембраны позволяют применять ее в различных областях промышленного и гражданского строительства, в геотехнике и инжиниринге окружающей среды. Также широко применяются современные высококачественные геотекстильные материалы как европейских (например, Secutex, Terrfix — «СAUE», Германия), так и российских производителей (например, «Дорнит»), Основные области применения: защита гидроизоляционных мембран; разделительный слой при контакте материалов, способных вступать в реакцию (напр имер, битум или полистирол с ПВХ); армогрунтовые конструкции; - дренажные конструкции [6]. Применение геосинтетиков в мировой практике изоляции природоохранных объектов наблюдается с середины 80-х годов. Особенно активно современные технологии, связанные с захоронением отходов на полигонах, продвигаются в Германии, где ежегодно выпускаются новые эффективные строительные материалы. Пр именение геосинтетиков для гидроизоляции полигонов также широко практикуется в США, Чехии, Италии. Хорошие результаты показали практические решения с использованием геосинтетиков, реализованные при организации одного из полигонов в Германии. Для его обустройства использованы новые геосинтетические материалы. Гидроизоляция основания выполнена с помощью материала Бентофикс, заменителя природной глины, и устраиваемой поверх него мембраны Карбофол. Далее уложен нетканый геотекстильный материал Секутекс, защищающий мембрану от механических повреждений, а затем дренажный слой из гальки. Поверх этой изолирующей конструкции размещаются слои твердых бытовых отходов. Рекультивация объекта выполнена следующим образом: на слой отходов отсыпается выравнивающий слой грунта, затем последовательно укладываютс я дренажный материал Секудрен, изолирующая система с защитным слоем Бентофикс-Карбофол-Секутекс и снова дренажное покрытие из Секудрена, на который насыпается слой плодородной почвы. Такой конструктивный подход позволил создать систему изоляции с общей толщиной в 2 раза меньше по сравнению с традиционной, увеличить полезный объем полигона более чем на 2,5 м /м", свести до минимума использование природного строительного материала, получить существенный экономический эффект за счет снижения тр анспортных затрат и затрат на монтаж материала. 18

Основным недостатком всех сведений о применении геосинтетиков является отсутствие устано вленных в натурных ус ловиях данных о их водопроницаемости и повреждаемости. 1.3. Анализ и оценка эффективности противофильтрационных устройств облицованных каналов Применение противофильтрационных облицовок рекомендуется в том случае, когда ожидаемые фильтрационные потери больше допустимых потерь и фильтрация из канала сопровождается подъемом уровня грунтовых вод, вызывающих подтопление и з асоление орошаемых земе ль [19-22]. Противофильтрационные облицовки должны обеспечивать снижение уровней грунтовых вод ниже поверхности земли на величину критической глубины в зависимости от типа грунтов. Предельная величина подъема уровней грунтовых вод относительно поверхности земли должна составлять для несвязных (песчаных) грунтов 1,0 м, для суглинистых — 3,0 м, для глинистых — 5,0 м [19]. Согласно работе [39] C.B. Васильева и H.H. Веригина, фильтрация из каналов с облицовкой при соблюдении неравенства (1.1) про исходит с неполным заполнением пор зоны аэрации под облицовкой (так наз ываемая капельная фильтрация) и, наоборот, когда неравенство не выполняется, промачивание грунтов зоны аэрации происходит с полным заполнением пор: , (1.1) где k — коэффициент фильтр ации грунта основания; — осредненный коэффициент фильтрации облицовки; - глубина наполнения канала; - толщина облицовки по дну канала; — высота капиллярного вакуума грунта, принимаемая равной =(0,5-0,7) hk , где hk полная высота капиллярного поднятия воды. Для определения потерь на фильтрацию из канала с экраном (облицовкой) [39] используется расчетная схема, приведенная на рисунке 1.1. Фильтрация из канала предполагается удовлетворяющей условию (1.1), т.е. происходит с неполным заполнением пор зоны аэрации по д облицовкой. В соответствии с принятой расчетной схемой общий фильтрационный расход из канала с экраном (облицовкой) будет , (1.2) где - расход фильтрации через дно канала; - расход фильтрации через откос канала. Определяя расход через дно и откосы канала, H.H. Веригин и C. B. Васильев получили зависимость для расчета установившейся свободной фильтрации из облицованного канала в виде 19

, (1. 3) где b - ширина канала по дну; - толщина облицовки соответственно на откосах; - коэффициент заложения откосов. Рисунок 1.1— Расчетная схема свободной фильтрации из облицованного канала Как показали многочисленные натур ные исследования, проведённые Волгогипроводхозом, Средазгипроводхлопком, УкрНИИГиМом, Укргипро- водхозом, ЮжНИР1ГиМом и другими организациями [16,19,31], противофильтрационные облицовки оросительных каналов, в том числе даже с пленочными экранами, не могут рассматриваться как водопроницаемые. В то й или иной степени, через них происходят определенные фильтрационные утечки воды. Это вызвано вероятностью появления различных дефектов и повреждений в противофильтрационной облицовке как в процессе строительства, так и при эксплуатации оросительных каналов. Для оценки противофильтрационной эффективности облицовок и расчёта потерь на фильтрацию из облицованных каналов используют универсальную хар актеристику их водопроницаемости - осредненный коэффициент фильтрации облицовки, величина которого зависит от параметров канала и облицовки, свойств облицовки (водопроницаемости материала защитного покрытия и поврежденности облицовки) и грунтовых условий основания[16]. 20

где Qобл - фильтрационный расход через облицовку на площади F0 ; q0 единичный фильтрационный расход через отдельные дефекты и повреждения облицовки. При отсутствии данных натурных исследований фильтрационных потерь из каналов, с той или иной степенью точности их можно определить по расчётным теоретическим формулам [86]. При отсутствии данных натурных исследований фильтрационных потерь из каналов, с той или иной степенью точности, их можно определить по расчётным теоретическим формулам. Для анализа используем известные зависимости, применяемые для расчета фильтрации из облицованных каналов: М.С. Вызго [45], P.M. Горбачева [50], С.Ф. Аверьянова [16], И. В. Кононова [28],. Я.А. Пустыльникова [59], А.Г. Алимова [20] и др. Рассмотрим наиболее известные зависимости, применяемые для расчёта фильтрации из облицованных каналов. Формула М.С. Вызго [45], которая практически соответствует зависимости (1.3), имеет вид В случае отсутствия подпора удельный фильтрационный расход из экранированного канала может быть определен по формуле В.П. Недриги [37]: Для расчета фильтрационного расхода из канала, имею щего постоянную толщину экрана, А.Т. Морозовым [36] предложена формула: 21

- градиент напора, создаваемый капиллярными силами, принимается равным 1,1 - 1,2. Формула С.Г. Хлебникова [44] для расчета фильтрационных потерь из экранированных каналов имеет вид: На основании лабораторных исследований формула (1.8) была в дальнейшем уточнена и приобрела следующий вид: где hр - отрицательное давление (разрежение) под экраном. Формула Ф.И. Пикалова [26] представлена так: где hV — вакуум в основании облицовки, равный высоте капиллярного поднятия грунта. Формула A.A. Угинчуса [18] после уточнения данных из работы [50] приобрела вид Фильтрационный расход из облицованного канала может быть рассчитан по формуле С.Ф. Аверьянова [16]: 22

где В = b + 2mh0 - ширина канала по урезу воды; А - коэффициент, определяемый в зависимости от отношения B/h0 и m. Видоизмененная формула A.A. Угинчуса [18] имеет вид Формула И.В. Кононова [19] где Δh — превышение уровня воды в канале над уровнем грунтовых вод. Понижение уровня грунтовых вод Δh', достигаемое за счет облицовки, находят по зависимости P.M. Горбачева [50]: Н.Я. Пустыльниковым [59] предложена следующая формула, учитывающая отрицательное давление по д экраном: где ; М - коэффициент снижения фильтрационного расхода за счет капиллярного рассасывания, здесь N — эмпирический коэффициент, равный 12м2/3 . В работе [50] пр и выводе формулы фильтрационного расхода из облицованного канала учитывалось изменение отр ицательного давления по периметру канала. Расчетная зависимость была получена в с ледующем виде: 23

где γ — удельный вес воды; ω 1- влажность грунта основания с учето м защемленного воздуха; ω 0- влажность грунта, соответствующая связанной воде; ω - замеренная влажность грунта по д облицовкой (экраном). А.Г. Алимо в и др. [20] предложили фор мулу для о пределения коэффициента фильтрации монолитного бетонного покрытия: Фильтрационный расход на 1 м канала, м3/сут, можно о пределить по следующей фор муле: Для расчета фильтрационных потерь известно также уравнение Боувера [53], которое учитывает движение в ненасыщенной среде: Основными очагами фильтр ации являются мелкие трещины в железобетонных плитах, образовавшиеся в результате нарушения правил погрузки, перевозки, разгрузки; недостаточная плотность швов, имеющаяся, как правило, в углах плит и окнах для монтажных петель; низкое качество стыковки полотнищ, повреждение пленки при монтаже плит. Для оценки точности рассмотренных расчетных формул при определении фильтр ационных потерь из облицованных каналов были выполнены расчёты для трех случаев (см. таблицу 1.1). При расчетах принято: коэффициент фильтрации облицовки (экрана) =10-6 см/с, заложение откосов m0 =2,0, грунты основания с коэффициентом фильтрации k=10-2 см/с, высотой капиллярного поднятия hK = 0,2 м и с коэффициентом фильтрации к = 10-3 см/с и hK =1,0 м. Влажность грунта основания задавалась значениями: при k=10-2 см/с – ω1= 0,350, ω 0 = 0,035, ω = 0,280; пр и k = 10-3см/с – ω1 =0,375, ω 0 = 0,200, ω = 0,310. Остальные данные и полученные результаты приведены в таблице 1.1. 24

Анализ фильтрационных потерь, рассчитанных по формулам различных авторов не учитывающих разрежение под облицовкой, показывает, что наиболее близкие результаты получены по формулам Н.Н. Веригина и C.B. Васильева, М.С. Вызго и А.Т. Морозова. Расхождение между ними не превышает 1 %. Расчеты по формуле А.А. Угинчуса и по формуле В.П. Недриги [26], дают отклонение до 3 % в сторону снижения. Формулы С.Ф. Аверьянова и А.Г. Алимова дают завышенные з начения в 35 раз, вследствие чего отклонение превышает 70 %, что не позволяет их рекомендовать для практического использования. По-видимому, большое значения фильтрационных потерь, полученных по формуле С.Ф. Аверьянова объясняется тем, что под экраном здесь предполагается фильтрация с полным насыщением, когда в действительности под малопроницаемыми облицовками, как правило, наблюдается неполное влагонасыщение. Отличие результатов по формуле А.Г. Алимова связано с тем, что она разработана применительно к монолитным бетонным об лицовкам и, следовательно, не применима в данном случае для расчета других типов облицовок, например, бетонопленочных, характер изующихся меньшей степенью водопроницаемости. Из группы формул, учитывающих разрежение под облицовкой, наиболее близкие результаты дают фор мулы Ф.И. Пикалова, С.Г. Хлебнико ва, P.M. Горбачева и Боувера. Однако применение формулы P.M. Горбачева ограничивается необходимостью таких исходных данных, как влажность грунта основания под облицовкой, получение которых во многих случаях возможно лишь специально поставленными опытами. Формула Я.А. Пустыльникова весьма громоздка в использовании и, кроме того, по сравнению с другими зависимостями дает заниженные результаты. Следует также отметить, что формулы, не уч итывающие разрежение под облицовкой, дают заниженные значения фильтр ационных потерь по сравнению с результатами, уч итывающими разрежение. При этом, расхождение между з начениями потерь снижается с увеличением размеров каналов с 12-60 % для мелких, до 3-20 % для крупных и средних каналов. Причем, это расхождение минимально при наличии в основании облицовки сильнопроницаемых песчаных грунтов, характеризующихся слабыми капиллярными свойствами, что в наибольшей степени отвечает условиям применения противофильтрационных облицовок. Полученные результаты свидетельствуют, что в случае сильнопроницаемых грунтов основания влияние разрежения вакуума под 25

облицовкой крупных и средних канало в на потери воды на фильтрацию несущественно. Влияние наблюдается на малых каналах при слабопроницаемых связных грунтах основания с ярко выраженными капиллярными свойствами. Здесь не учет капиллярности грунтов и влияния разрежения под облицовкой приводит к занижению величин потерь в 2-2,5 раза. Анализ существующих мето дов расчета фильтрации из каналов с противофильтрационными покрытиями свидетельствует о необходимости их совершенствования и разработки новых зависимостей, учитывающих особенности их водопроницаемости и дающих более точные результаты. 26

h0=1.0 м b=2,0 м δ 0 =0,06 м h0=3.0 м b=6,0 м δ 0 =0,06 м h0=5.0 м b=15,0 м δ 0 =0,15 м 0,065 0,559 0,776 0,061 0,066 0,066 0,067 0,548 0,564 0,564 0,566 0,763 0,784 0,784 Боувера (1.23) Р.М. Горбачева (1.16) Я. А.Пустыльникова (1.17) С.Г. Хлебникова (1.8) Ф.И. Пикалова (1.10) А.Г. Алимова и др. (1-21) А.Т. Морозова (1.7) С.Ф. Аверьянова (1.13) М.С. Вызго (1.5) Н.Н. Веригина, С.В. Васильева (1.3) Формула В.П. Недриги (1.6) Исходные данные для расчёта А.А. Угинчуса (1.14) Таблица 1.1 - Анализ фильтрационных потерь из облицованных каналов, рассчитанных по формулам различных авторов Удельные оильтрационные потери, м2 /сут. Формулы, не учитывающие р азрежение под облицовкой Формулы, учитывающие разрежение под облицовкой 0,787 Примечание: числитель - для грунта основания при k= 10-2 см/с и hk = 0,02 м; знаменатель - для грунта основания при k=10-3 см/с и hk = 1,0 м. 27

1.4. Обзор работ в области оценки надежности противофильтрационных устройств на оросительных каналах и гидротехнических сооруже ниях Применение противофильтрационных мероприятий на оросительных каналах и в ко нструкциях гидротехнических сооружений будет экономически и технически оправданным только в случае обеспечения их высокой надёжности при эксплуатации. Под надежностью противофильтрационных мероприятий будем понимать их способность сохранять в нормальных условиях экс плуатации в течение прогнозируемого срока службы свои проти- вофильтрационные свойства. Общие вопросы надежности каналов, мелиоративных систем и гидротехнических сооружений изло жены в работах Ц.Е. Мир цхулавы [30], К.А. Алиева [19], В.Н. Щедрина [35], A.B. Ко лганова [39], JI.H. Р ассказова [36], И.И. Науменко [33] и др. Вопросы надежности противофильтрационных облицовок и экранов на оросительных каналах и в грунтовых плотинах разрабатывались А.Г. Алимовым [20], В.Д. Глебовым [48], Ю.М. Косиченко [10-12], В.А. Беловым [28], И.М. Елшиным [54], И.Е. Кричевским [40], В.П. Недригой [39], В.Н. Жиленко вым [7]. А.Г. Баламирзоевым [27], С.А.Поляковым [58], В.Б. Резником [36], С.М. Васильевым [38,39]. В работах P.A. Айрапетян [17] пр именительно к крупным грунтовым плотинам и в книге С.А. Кремеза [49] для малых водохранилищ приводятся некоторые примеры их ненадежно й работы. В работах E.H. Беллендир и др. [30], а также в работах Д.В. Стефанишина [47] рассматриваются вопросы оценки надежности грунтовых плотин, приводятся примеры решения ряда вероятностных задач фильтрации и консолидации. Причинами ненадежности (нарушение гер метичности) противофильт- рационных облицовок и экранов являются [16]: конструктивные дефекты, вызванные несовершенством конструкций облицовок (защитных покрытий, прокладок, подстилающего основания и др.); технологические дефекты, обусловленные нарушением принятой технологии и контроля качества строительства (некачественная герметизация швов; неправильный уход за свежеуложенным бетоном; трещины и дефекты сборных плит, образованные при их транспортировке и монтаже; укладка плит на пленку без з ащитных прокладок и непредусмотренный сдвиг их по пленке; отсыпка защитного слоя грунта на пленку при малой его толщине; некачественное соединение пленки — пропуски, недовары, пережоги и др.); эксплуатацио нные дефекты, вызванные нарушениями правил эксплуатации и из носом облицовок, 28

температурно-усадочными напряжениями в бетоне и старением плёночного материала вследствие протекания в полимере физикохимических процессов, разуплотнением швов-стыков облицовки, просадочными явлениями и морозным пучением грунтов основания. Как следствие всех вышеперечисленных причин - возможность появления в процессе строительства и эксплуатации р азличных нарушений, дефектов и повреждений. Ю.М. Косиченко сформулированы следующие ус ловия качества и надежности противофильтрационных облицовок с пленочными экранами Отсюда надежность облицовки с пленочным экраном будет характеризоваться вероятностью не превышения заданного допускаемого значения коэффициента фи льтрации облицовки kобл.доп или допускаемого значения поврежденности пленочного экрана Пдоп. И.В. Кононовым предложен критерий качества противофильтрационных одежд на основе зависимостей С.Ф. Авер ьянова для расчета подпёртой фильтрации из необлицованных каналов. Полученный критерий не в полной мере учитывает такие особенности облицовок пленочными экранами, как нео днородность их конструкции (противофильтрационное устройство + защитное покрытие) и дискретность повреждений. В связи с этим он не дает достаточно точной и объективной оценки их качества и надежности. В области изучения старения и долговечности пленочных экранов в натурных ус ловиях исследования проводились И.М. Елшиным [14], А.Р. Гвенетадзе [47], а на основе термофлуктуационной теории С.Н. Жур кова — В.Д. Глебовым и др. [48]. Анализируя эти исследования, можно сказать о том, что длительность проведенных натурных наблюдений на сегодняшний день ещё не позволяет объективно оценивать предельный срок службы плёночных экранов, а расчетные методы дают завышенные значения долговечности (более 100 лет). Проведенный обзор в области надежности противофильтрационных мероприятий, несмотря на большой прогресс общей теории надежности, свидетельствует еще о недостаточной проработке этих во просов как применительно к каналам, водоемам, накопителям так и грунтовым плотинам. Важно наряду с расчетными методами необходимо проведение натурных наблюдений на действующих объектах с нако плением статистических данных об отказах: нарушением сплошности и герметичности противофильтрационных устройств, деформациями облицовок и защитных по крытий, старением и износом материалов противофильтрационных элементо в. 29

Выводы по главе Рассмотрено современное состояние применения противофильтрационных устройств для борьбы с потерями на фильтрацию из оросительных каналов, из анализа которого следует, что малоэффективные мероприятия - кольматация, уплотнение, солонцевание и другие, сейчас практически не используются, в то время, как более эффективные и до лговечные бетонные, железобетонные, грунтопленочные и бетонопленочные облицовки находят достаточно широкое применение. Выявлены основные преимущества и недостатки различных противофильтрационных мероприятий. Приведены основные конструктивные схемы противофильтрационных устройств в грунтовых плотинах и накопителях промышленных отходов, в том числе грунтовые ядра и цементационные завесы, традиционные конструкции пленочных экранов и противофильтрационные стенки в грунте. Анализ зависимостей для расчета фильтрации из облицованных каналов показал, что из группы формул, не учитывающих р азрежение под облицовкой, наиболее близкие результаты дают формулы H.H. Вер игина и C.B. Васильева, М.С. Вызго и А.Т. Морозова, а среди формул, учитывающих разрежение, - формулы Ф.И. Пикалова, С.Г. Хлебнико ва и Боувера. Среди методов расчета фильтрации через грунтовые плотины в последнее время получили признание мето ды для расчета пространственной фильтрации, учитывающие анизотропность плотин и неустановившийся характер фильтрации, которые основаны на гидравлическом подходе (метод К.Н. Анахаева) и численном решении задач методом конечных элементов (метод JI.H. Рассказова). Проведенный обзор работ в области надежности противофильтрационных устройств на оросительных каналах и в гидротехнических сооружениях свидетельствует о недостаточной проработке этих во просов, где наряду с расчетными методами необходимо проведение натур ных наблюдений на действующих объектах. В целом решение проблемы повышения эффективности и надежности противофильтрационных устройств в конструкциях ГТС невозможно без применения в них рациональных конструкций ПФУ, выполненных с использованием новых материалов по современным технологиям. 30

ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ РД 2.1. Методика проведения натурных исследований фильтрационных потерь через облицовки Фильтрационные потери из каналов устанавливаются путем натурных исследований. Впервые ГрузНИИГиМом в 1931-1934 гг. был предложен точечный фильтромер, в 1949-1958 гг. в США был испытан аналогичный по принципу фильтромер и получил положительную о ценку. В 1956-1958 гг. ЮжНИИГиМом был разработан способ определения фильтрационных потерь с помощью труб, который в дальнейшем был доработан В.И. О льгаренко [14]. Мето д точечных фильтромеров получил развитие в исследованиях ГрузНИИГиМа, САНИИРИ, Укр ВОДГЕО, Укргипроводхоза, он усовершенствовался под руководством П.Д. Глебова, В.А. Казакова, И.С. Теплицкого, В.М. Насберга и А.И. Хер хулидзе, Г.В. Абелишвили, А.Ф. Киенчука, А.Д. Петраша и др. Для определения потерь воды из каналов используются следующие методы: гидрометрический, балансовый, расчетный, метод точечных фильтромеров, объемный (или способ изолированных отсеков). Из перечисленных мето дов наиболее точным является объемный метод. Использование объемного и гидрометрического методов не всегда является возможным. Объемный метод невозможно применять при круглогодичной работе канала, когда остановка канала и устройство перемычек влечёт за собой неоправданные затраты, а также при замерах на каналах оросительных систем и множеством точек водовыделов. Гидрометрический способ определения потерь из оросительных каналов из-за малой его точности неприемлем для каналов с противофильтрационными облицовками. Для изучения фильтрационных потерь через противофильтрационные облицовки в ус ловиях постоянной работы каналов в течение оросительного сезона, наиболее целесообразно использовать широко апробированный и достаточно точный способ измерения фильтрационного расхода с помощью \точечных фильтромеров. Данный способ заключается в определении скорости фильтрации в отдельных точках облицо ванного русла канала с по мощью специальных приборов — фильтромеров. Вся трасса канала разбивается на ряд характер ных участков с типовыми гидрогеологическими условиями и идентичным качеством строительства противофильтрационной облицовки. Количество створов на каждом участке назначается, исходя из его протяженности. При этом в пределах каждого участка створы наблюдений следует р азмещать на характерных сечениях канал а: в выемке, полувыемке-полунасыпи и насыпи. 31

Для получения осредненных значений фильтр ационных потерь через облицовку подбираются участки, как с хорошо замоноличенными швами в сборной облицовке на откосах и качественно выполненным монолитным дном, так и с явно выраженными нарушениями и дефектами облицовки. Расстояние между приборами в каждом створе выбирается из расчёта установки 8-10 фильтромеров по периметру канала. Установка фильтромеров на поверхность облицовки может производиться, как по осушенному руслу канала до пус ка воды в него, так и в текущую воду. В последнем случае должны быть использованы фильтромеры специальной конструкции, позволяющие гер метично закреплять их к поверхности облицовки под водой. Для исследования фильтрации через облицовку на Ш-ей очереди БСК использовались фильтромеры конструкции Укргипроводхоза (рисунок 2.1), состоящие из металлической коробки размером 35x17,5 с м или 10x20x7,5 см. К стакану приварен штуцер, на который надевается резиновый шланг, подсоединенный вторым концом к резиновой грелке. Фильтромеры крепились к поверхности облицовки до пуска воды в канал цементным раствором высокой марки, которым заполняется пространство между коробкой и фильтромерным стаканом. Большие фильтромеры устанавливались на плиты по откосам, монолитный бето н по дну, а малые фильтромеры — на трещины в плитах и разрушенные швы облицовки. На рисунке 2.2 представлены фильтромеры после их установки на дноканала и в створе наблюдений в рабочем положении. В качестве резервуара для воды использовались медицинские грелки ёмкостью 1,5-2,0 л, которые устанавливались нес колько ниже (на 0,3-0,5 м) урез а воды и закреплялис ь при помощи тросика на откосе канала. а) б) а - установка фильтромеров на облицовку; б - схема фильтромера; 1 - металлическая короб ка; 2 - стакан; 3 - крышка; 4 - штуцер; 5 - шланг; 6 - грелка Рисунок 2.1 - Фильтромер конструкции Укргипроводхоза 32

Такое положение резиновых грелок, с одной стороны, обеспечивает создание в них давления равного полному напору в канале за счет эластичности их стенок и, с другой стороны, исключает перегрев на солнце и гарантирует их сохранность. После установки фильтромеров в створе канала производится проверка их на гер метичность и в случае необходимости осуществляетс я вторичное цементирование. При выполнении исследований грелку заполняют водой на 70-80 % ее емкости и подсоединяют к фильтромерному стакану. З амеры оставшегося объёма воды в грелке производятся дважды в день с помощью мерных сосудов (мензурок) и результаты наблюдений заносятся в полевой журнал. Измерения в каждой точке проводились не менее чем в трёхкратной повторности, а в отдельных случаях в десятикратной и более. В качестве р асчетных показателей во допроницаемости облицовки в каждой точке установки фильтромеров определялись коэффициенты фильтрации и удельные фильтрационные потери с 1 м~ облицовки. Скорость фильтрации в точках определялась по данным фильтрационных измерений, пользуясь следующей формулой где V — скорость фильтрации, см/с; W - объём профильтровавшейся воды, см3; Т— продолжительность наблюдений, с; ω ф — площадь фильтромерного стакана, см2. Коэффициент фильтрации вычислялся по зависимости где К- коэффициент фильтрации, см/с; δ 0 - толщина облицовки, см; h0 глубина воды в канале, см. После определения средних коэффициентов фильтрации в отдельных точках облицовки вычисляются осредненные их значения по створам как 33

средневзвешенные величины элементо в облицовки (на правом и левом откосах, по дну канала). Пр и этом в каждом створе учитываются результаты замеров в точках, расположенных, как на облицовке без видимых нарушений, так и на трещинах и р азрушенных швах (см. рисунок 2.2). Осредненный коэффициент фильтрации облицовки в створе рассчитывается по формуле где - осредненный коэффициент фильтрации облицовки; Kотк.л, Kотк.п, Kдн - осредненные коэффициенты фильтрации элементов облицовки канала соответственно на левом, правом откосе и по дну; вл, вп, в - ширина облицовки под водой соответственно на левом, правом откосе и по дну. Для оценки эффективности бетонопленочной облицовки КОРа было выбрано 9 характерных створа (ПК 5+50, ПК 20, ПК 54, ПК 252, ПК 69, ПК 191+50, ПК 193, ПК 254+50, ПК 268), где было установлено 82 фильтромера [12]. Расположение и хар актеристика створов наблюдений представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 - Характеристика створов наблюдений на КОР № уч-ка Длина участка, км № створа Пикет Характеристика сечения канала I 1,8 I ПК 5+50 полувыемка- полунасыпь II III 2,4 8,9 II III ПК 20 ПК 54 насыпь полувыемка- полунасыпь V ПК 69 полувыемка- полунасыпь VI VII IV VIII IX ПК 191+50 ПК 193 ПК 252 ПК 254+50 ПК 268 насыпь насыпь выемка выемка выемка IV 6,3 V 13,2 Σ = 27,1 Кроме КОРа были проведены измерения фильтрационных потерь через бетонопленочную облицовку на межхозяйственном распределителе Бг-Р-7 Багаевско-Садковской ОС. Характеристика створов БГ-Р-7 представлена в таблице 2.2. На канале было разбито два створа на ПК 139 и ПК 188 и установлено 9 фильтромеров. При установке под воду на 34

глубину 1,6-1,8 м использовались разработанные Ищенко А.В. и Ю.М. Косиченко фильтромеры [1], состоящие из металлического стакана, цилиндра с поршнем и штанги (А.с № 1148927). Фильтромер состоит из металличес кого стакана, цилиндра с поршнем и штанги, которая позволяет осуществлять установку его под воду на глубину до 5 м. (рисунок 2.3). Таблица 2.2 - Характер истика створов наблюдений на канале Бг-Р-7 № участка Длина № створа Пикет Характеристика сечения участка, км канала I II 11,3 11,3 Σ = 22,6 I II ПК 139+00 ПК 188+00 выемка насыпь Данный способ и фильтромеры специальной конструкции для установки под воду были апробированы на распределительном канале БгР-7 Багаевско-Садковской ОС и на БСК-3. Предварительно перед установкой фильтромера металличес кий цилиндр зарядного устройства заполняется цементным раствором, а после, удерживая за штангу, переносится и опускается на дно или откос канала в заранее выбранную точку. Надавливая ручку, поршень вытесняет цементный раствор в пространство между металличес ким стаканом и диафрагмой. Застывая, цементный раствор обеспечивает герметичное сцепление с облицовкой. Зарядное устройство выкручивается, а фильтромерный стакан остается прикреплённым к об лицовке. К нему подсоединено расходомерное устройство. В выбранном створе в зависимости от необходимой точности получения результатов устанавливается от 5 до 15 фильтромеров. 35

а - процесс монтажа; б - в разобранном виде; в - рабочее положение: 1 - точечный фильтромер в виде металлического стакана; 2 - корпус; 3 - расходомерное устройство; 4 - резиновый питающий шлан г; 5 - штуцер; 6 - отверстия для выпуска воздуха; 7 - руч ка; 8 - штанга; 9 - поршень; 10 - цилиндр; 11 - наконечник; 12 - наружн ая резьба с отверстиями; 13 - цилиндрический насадок с внутренней резьбой; 14 - диафрагма; 15 металлический стержень; 16 - цементный раствор высокой марки; 17 - клеящее вещество Рисунок 2.3 - Фильтромер конструкции ЮжНИИГиМ для измерения фильтрационных потерь через облицовку канала без его остановки на глубине 3-5 м (A.c. № 1148927) Известны, что другие методы измерения фильтрационных потерь через облицовки, такие как мето д ультразвукового контроля водопроницаемости бетона ГТС, акустический метод контроля с использованием акустического измерительного комплекса УК-30 М1 [20]. Локализация места возможного нарушения покрытия и, соответственно, возникновения очага фильтрации может быть установлена с помощью оптоволоконного кабеля. При этом достоверность данных полученных этими современными методами проверяется по данным полученных методами точечных фильтромеров или изолированных отсеков. 2.2. Результаты натурных обследований нарушений противофильтрационных облицовок при эксплуатации оросительных каналов Вопросам исследования поврежденности бетонных и бетонопленочных защитных покрытий оросительных каналов посвящены работы А.Г. Алимова [20], P.M. Горбачева [30], A.B. Ищенко [44], Ю.М. Косиченко [10], В .А. Олехновича [43] ,С.А. Полякова [18], С.Н. Полубедова [19] др. В результате обс ледований состояния бетонопленочного защитного покрытия на ряде канало в Багаевско-Садковской ОС, БСК (2,3,4-й очередей) установлено, что в процессе строительства и эксплуатации наблюдаетс я трещи нообразование защитного покрытия каналов (рис. 2.4,а), пр и этом наиболее распространены нитяные трещины (50-55 %), затем трещины шириной раскрытия 1-2 мм (25-27%), 2-4мм (12-15%), 46мм (5-6%) и трещины шириной раскрытия 6-8 мм (2-3%). При обследовании ряда канало в (БСК-3, БСК- 2, Бг-Р-7, Бг-Р-5, Бг-Р-8) автором установлена средняя поврежденность пленочного экрана облицо вок (рис. 2.4,6) в пределах 0,011-0,045%), а р аспределение по размерам повреждений пленочного элемента на БСК-3 (рис. 2.4,в): 1-2мм - 56%; 2-3мм - 38%; 35мм - 6%. 36

а) - по размерам трещин в защитном бетонном покрытии; б) - по поврежденности пленочного экрана (%); в) - по размерам повреждений пленочного экрана. Рисунок 2.4 - Графики распределения трещин в защитном покрытии и поврежденности пленочного экрана бетонопленочных облицовок каналов Результаты данных обследований по повреждаемости пленочных экранов согласуются с данными А.Ф. Зоценко. По данным Укргипроводхоза (А.Ф. Зоценко) на канале Р-2-2 Каховской ОС распределение поврежденности пленочного экрана изменялось от 0,010 до 0,036%) и в среднем составило на 1м" -7 повреждений диаметром от 1 до 10мм. Впервые контроль качества строительства грунтопленочного экрана применили (Союзгипроводхоз) на Тортгульском водохранилище в 1969 г. В 1972 г. этот метод использовали при контроле грунтопленочного экрана Куйбышевского обводнительно-оросительного канала. В 1980-1984гг. Союзгипроводхоз совместно с СевНИИГиМом [22]. Следует отметить, что распределение и размеры повреждений и дефектов пленочного экрана под бетонным покрытием могут быть установлены мето дом электропрофилирования, который был опробован на канале РЧ-2 в зоне Северо-Крымского канала [86]. В р яде случаев для обнаружения повреждений применяется выборочный контроль путем снятия плит облицовки с последующей их установкой. 37

2.3. Статистический анализ натурных данных работоспособности облицовок на действующих каналах Основными характеристиками работоспособности противофильтрационных облицовок оросительных каналов являются показатель водопроницаемости, вероятность безотказной работы, степень отказа. Показателем водопроницаемости облицовки может служить осредненный коэффициент фильтрации облицовки [16]. Для определения закона распределения значений коэффициентов фильтрации и установления основных статистических характеристик, проведем соответствующую обработку данных натурных исследований фильтрационных потерь через облицовки оросительных каналов. При систематизации значений коэффициентов фильтрации противофильтрационных покрытий использованы данные, приведенные в работе Ю.М. Косиченко [19]. В табл. 2.7 пр иведены основные показатели противофильтрационной надежности бетонопленочных облицовок оросительных канало в. Зависимости для определения показателей надежности на основе натурных данных могут быть представлены в виде: а) функции водопроницаемости где работоспособности облицовки по показателю допускаемое значение коэффициента фильтрации для соответствующего типа облицовки; — фактическое значение осреднен- ного коэффициента фильтрации облицовки. б) вероятности безотказной работы облицовки повреждаемости плёночного прот ивофилътрационного элемента по где Пдоп., П — допускаемая и фактическая повреждаемость пленочного элемента; 38

в) вероятности безотказной работы облицовки по характеристике водопроницаемости г) степени отказа противофильтрационной облицовки Анализируя представленные в табл. 2.7 показатели противофильтрационной надежности бетонопленочных облицовок оросительных каналов, следует отметить высокую эксплуатационную надежность сборномонолитной бетонопленочной облицовки Красногвардейской и Азовской ветки СКК и Северо-Крымского канала, для которых функция работоспособности и вероятность безотказной работы облицовки составляют соответственно 0,75 и 0,69. В то же время на ряде объектов наблюдается отказ противофильтрационной облицовки, среди которых магистральный канал Большой Волгоградской ОС, Каршинский магистральный канал (голо вная часть), Межхозяйственный распределитель Бг-Р-7 Багаевско-Садковской ОС и др. Для установления зако на распределения случ айной велич ины значений коэффициентов фильтрации бетонопленочных противофильтрационных облицовок оросительных каналов примем гипотезу о нормальном законе распределения, при этом располагая значения коэффициентов фильтрации в вариационный ряд в порядке возрастания (таблица 2.7). 39

Таблица 2.7 - Показатели противофильтрационной надежности бетонопленочных облицовок оросительных каналов Наименование канала Тип облицо вки Коэффициент ф ильтрации облицовки К'обл 10-6 см/с Функция работоспособности облицовки φ (К'обл) 10-6 см/с Вероятность безотказной р аботы Р Степень отказа θ Примечание 1 2 3 4 5 6 7 КОР сборно- монолитная 2,6 -1,6 - 2,6 Каршинский м агистральный канал (головная часть) сборномонолитная, монолитная 3,41 7,91 -2,41 -7,41 - 6,55 Канал ЛКХ-1 Про хладненско й ОС КБ АССР монолитная 1,48 -0,98 - 2,96 Канал ЮР-18-1 в Го лодной степи сборно- монолитная 0,44 0,56 0,56 - Большой Ставропольский канал ( III очередь) сборно- монолитная 1,81 -0,81 - 1,81 Северо-Крымский канал (СКК) сборно- монолитная 0,31 0,69 0,69 - Канал I-X-I Кислово дской ОС Вол гоградской об ласти сборная О -1 -1,83 - 2,22 Канал ВС-8- Х-1 и ВС-8- Х-3 Багаевс коСадковской ОС Росто вской области сборная 36 -34,5 - 24 Межхозяйственный р аспределите ль Бг- Р7 Багаевско-Садковской ОС сборная 5,8 -4,3 - 3,87 Красногвардейская и Азо вская ветки СКК сборно- монолитная 0,25 0,75 0,75 - Черноморская ветка СКК Магистральный канал Городищенской ОС Во лгоградско й области монолитная 0,41 0,09 0,18 - сборная 2,25 -0,75 - 1,5 Большая сте пень о тказа обусловлена высокой поврежденностью пленочного э крана 40

Следует отметить, что при составлении вариационного ряда пренебрегаем значением коэффициента фильтр ации канало в ВС-8-Х-1 и ВС-8-Х-3 Багаевско-Садковской ОС, как выпадающим числом, так как оно приближается к з начению коэффициентов фильтрации каналов в земляном русле, являетс я не типич ным для бетонопленочного противофильтрационного покрытия и свидетельствует об аварийной ситуации. Про верку гипотезы осуществляем по критерию согласия Шапиро-Уилка, который используется при малом объеме выборки и является более мощным чем другие критерии. Критерий согласия Шапиро-Уилка вычисляем по зависимости где где an-i+1 - значения для i= 1,2...k, которые берутся из специальных таблиц , причем если п - четное ч исло, то k = n/2; если п - нечетное ч исло, k = (n2).2. Выполняя расчёт по вышеприведенным зависимостям, найдем Критерий Шапиро-Уилка, вычисленный по зависимости, будет равен: Так как расчётное значение критерия Шапиро-Уилка превышает критическое при уровне значимости α = 0,05, то эмпирическое распределение соответствует нормальному закону распределения. Зависимости функции распределения и плотности вероятности случайной величины в этом случае будут иметь вид: где а и σ2 - соответственно математическое ожидание и дисперсия случай 41

ной величины х. Вычислив характеристики а = 2,5. 10-6 , σ2 =5,6.10-12 и σ =2,37. 10-6 , получим следующие выражения функции распределения и плотности вероятности значений коэффициентов фильтрации бето нопленочных противофильтрационных облицовок оросительных каналов: На основе данных водопроницаемости противофильтрационных облицовок оросительных каналов найдем расчетные значения КПД ряда облицованных каналов, по которым различными организациями получены необходимые натурные данные . Результаты расчета КПД некоторых облицованных каналов и показатели их противофильтрационной надежности приведены в табл. 2.8. Анализ этих данных показ ывает, что высокий КПД облицованных каналов обеспечивается при отсутствии степени отказа и наличии вероятности безотказной работы облицовки или экрана в пределах 0,36-0,69. При этом КПД каналов изменяется от 0,995 до 0,999. Исключение в данном случае составляет лишь один объект - Кулундинский магистральный канал, имеющий КПД 0,994 при степени отказа противофильтрационного экрана 1,42. Однако необходимо учесть, что в данном случае расчет коэффициента полезного действия выполнялся не для всего канала, а для облицованного участка канала нез начительной длины. По данным Ю.М. Косиченко, КПД всего канала составляет 0,976 и уже не являетс я достаточно высоким. При наличии степени отказа значения КПД канала колеблются в пределах 0,8830,984. Причем наименьшее з начение КПД, равное 0,883, имеет канал ВС-8-Х- 1, у которого степень отказа облицовки равна 24. Столь низкий КПД, как правило, характерен для каналов в земляном русле, что свидетельствует о неэффективной работе противофильтрационной облицовки, обусловленной ее ненадежностью. По данным В.А. Духовного и среднестатистическим данным. 42

КОР Примечание: 1) БП - бетонопленочная облицовка; Г П - грунтопленочный экран. 2) * - протяженность участ ка канала__в_облицовке; ** облицованных участ ков канала 3) - высокий КПД; -низкий К ПД КПД КПД магистральных каналов составляет 0,70-0,90. Таким образом, следует отметить, что при отсутствии степени отказа противофильтрационной облицовки и достаточно высокой вероятности безотказной работы (при Р > 0,36) КПД облицованных каналов практически приближается к единице и превышает КПД каналов в земляном русле на 10-30 % , что позволяет 43

сэкономить значительные объемы водных ресурсов и сохранить благоприятное экологическое состояние земель в приканальной зоне. 2.5. Натурные наблюдения неустановившейся фильтрации через повреждения бетонопленочной облицовки Натурные исследования неустановившейся фильтрации проводились на канале БСК-3 с бетонопленочной облицовкой в начальный период наполнения канала с ис пользованием точечных фильтромеров (таблица 2.9). Таблица 2.9 - Измерение значения коэффициентов фильтрации через трещины в швах сборных плит, расположенных на откосах канала (см/с) за оросительный период Дата про Глубина ПК 5+50 ведения воды в фильтзаме кана ромер №2 в ров ле, м нижней части откоса 12.04 14.04 15.04 06.06 07.06 08.06 09.06 10.06 21.07 22.07 23.07 0,51,5 2,03,0 . 2,65 10-6 . 7,09 10-6 . 8,07 10-6 . 6,62 10-6 . 6,3 7 10-6 . 3,56 10-6 . 4,46 10-6 . 3,90 10-6 . 8,87 10-7 . 9,02 10-7 — ПК 20 фильтфильтфильтромер № 6 в ромер № 1 в ромер №3 в нижней верхней нижней части части части откоса откоса откоса . . 5,29 10-5 1,23 10-5 . . 2,69 10-5 1,71 10-5 . . 1,85 10-5 2,00 10-5 . — 1,13 10-5 . — 6,32 10-5 . — 1,74 10-5 . — 1,64 10-5 . — 3,94 10-5 5,025-10"6 1,66.10-6 3,40-10"6 1,73.10-6 2,66-10"6 4,67.10-6 . 3,12 10-6 . 3,87 10-6 . 1,97 10-6 . 2,50 10-6 . 8,18 10-6 . 3,74 10-6 — . -6 6,94 10 . 2,24 10-6 . 2,25 10-6 . 1,64 10-6 фильтромер №5 в верхней части откоса . 1,25 10-5 . 1,74 10-5 — — . -5 4,00 10 . 1,09 10-5 — — . -6 4,86 10 . 2,40 10-6 . 4,96 10-6 фильтромер № 6 в нижней части от коса . 2,56 10-6 . 1,86- 10-6 . 3,93 10-6 . 2,20 10-6 . 2,57 10-6 . 2,50 10-6 — . -6 6,71 10 . 5,35 10-7 . 2,28 10-7 . 5,02 10-7 Точечные фильтромеры устанавливалис ь на трещины шириной δ 0= 1 мм и длиной lшв- 100 мм в швах сборных железобетонных плит НПК. Замеры проводились в течение оросительного сезона. В результате многократных наблюдений было выявлено, что при наполнении канала фильтрационные потери постепенно снижаются и стабилизируются во времени. Как с ледует из таблицы 2.9, н а каждом фильтромере при малых глубинах фильтр ационные расходы на 1-2 порядка выше, чем пр и больших глубинах. На фильтромере № 1 (ПК 20), 44

установленном в верхней части откоса, потери в конце оросительного сезона уменьшились по сравнению со значениями потерь в начале сезона в 26 раз. Такая же картина наблюдалась при измерениях в течение оросительного сезона и на всех остальных фильтромерах. В табл.2.10 пр иведены результаты измерения фильтрационных потерь через различные элементы бетонопленочной облицовки при разных глубинах. Таблица 2.10 - Значения коэффициентов фильтрации через различные элементы бетонопленочной облицовки при разных глубинах в канале Створы наблюдений Увеличение Средний коэффициент фильтрации фильтрации в облицовки, см/с при малых среднем по при больших створам глубинах 2,0-3,0 м глубинах 0,5-1,5 м через сборные железобетонные плиты НПК без трещин ПК 5+50 2,61.10-6 2,29.10-6 0,87 . -6 . -5 ПК 54 1,08 10 5,36 10 49,63 . -6 . -5 ПК 252 8,80 10 5,29 10 6,01 через трещины в швах сборных плит ПК 5+50 1,80.10-6 1,45.10-5 8,05 . -6 . -5 ПК 20 2,29 10 1,14 10 4,98 через монолитную бето нопленочную облицовку по дну ПК 5+50 1,51.10-7 1,22.10-6 8,08 . -6 . -5 ПК 54 3,16 10 2,18 10 6,89 . -5 . -5 ПК 252 3,08 10 2,97 10 0,96 При малых глубинах фильтрация из канала, в среднем, в 4-8 раз выше, чем при больших глубинах. Это дает основание утверждать, что при периодической работе каналов с противофильтрационными облицовками в течение оросительного сезона потери на фильтрацию из них по абсолютному значению могут в несколько раз превышать потери при постоянной круглогодичной их работе. Отмеченное обстоятельство, в конечном счете, снижает эксплуатационную эффективность противофильтрационных облицовок и КПД каналов, что следует учитывать специальными расчетами при проектировании в зависимости от предполагаемого режима канала. На основании выполненных расчетов и наблюдений для повышения эффективности противофильтрационных облицовок и КПД крупных 45

каналов можно рекомендовать длительные непрерывные периоды их эксплуатации. 2.5. Пример оценки эффективности применения противофильтрационного покрытия при реконструкции Донского магистрального канала В настоящее время институто м «Южводпроект» разрабатывается проект реконструкции одного из самых крупных магистральных каналов в России - Донского магистрального канала (ДМК). Пер вая очередь реконструкции ДМК проводится на уч астке канала от перегораживающего сооружения на ПК 45 до концевого сооружения (Садковского сброса) на ПК 115 общей протяжённостью 70 км. Схема ДМК с комплексом гидротехнических сооружений и наблюдательными скважинами приведена на рис. 2.6. В результате реконструкции I очереди ДМК предусматривается увеличение пропускной способности с 80 до 110 м3/с. На участке реконструкции по предложению ФГНУ «РосНИИПМ» предлагается конструкция бетонопленочной облицовки повышенной водонепроницаемости (см. рисунок 3.6). Для оценки эффективности применения противофильтрационного покрытия рассмотрим пример расчета потерь воды на фильтрацию и КПД на участке реконструкции ДМК для варианта в земляном русле и варианта канала с противофильтрационной облицовкой. Таблица 2.14 - Натурные данные эффективности различных типов противофильтрационных облицовок каналов Украины Канал Тип облицовки Серогозский МК Земляное русло Главный Каховский МК, Р-2 Каховской ОС Р-1, Р-1-1, Р-5-1, Р-5-2, Р-8 Каховской ОС Грунтопленочный экран Сборный железобетон на пленке то лщиной 0,2 мм в два слоя Отдельные участки Се Монолитный веро-Крымского МК железобетон толщиной 12-15 см Фильтрационные КПД потери, м3/сут. на 1 м2 0,76 0.024 0,95 0,041 0,94 0,02 0,97 46

Сакский канал, Распределители С КК, Приазовский 2-Мк, 2-1К Серогозской ОС Волгоградский МК Монолитный железобетон на пленке толщино й 0,2 мм Бетонопленочная сборномонолитная облицовка Монолитный бетон Р-5, Р-9 Каховской ОС Монолитный бетон, уложенный комплексом «Рахко» 0,013 0,98 0,026 0,96 0,046 0,93 0,00925 0,99 В соответствии с данными инженерно-геологических и гидрогеологических условий в верхней части гео логического раздела по трассе ДМК представлены суглинки мощностью 15-20 м со средним значением коэффициентов фильтрации от 0,175 до 1,13 м/сут., а в нижней части - неогеновые образования ергенинской свиты, которые представлены преимущественно песками мощностью до 50 м. Уровни грунтовых вод на приканальных терр иториях при неработающем канале вс крываются на глубинах от 1-2 до 8-10 м и глубже. При заполнении канала водой в течение 5-6 мес яцев вследствие питания грунтовых вод из канала происходит подъем и ко лебание УГВ, которые в годовом цикле достигают 3-4 м. Рисунок 2.6 - Схема ДМК с ГТС и размещением с кважин для опытно-фильтрационных работ 47

Однако достаточно высокий уровень грунтовых вод, который установился на приканальной территории на участке ДМК от 45 до 115 км, даже в пер иод остановки канала в осенне-зимний пер иод, по-видимому, объясняется тем, что за период эксплуатации канала (около 50 лет), вследствие фильтрации из ДМК произошло значительное пополнение грунтовых вод при слабом оттоке их и общий подъем УГВ. При этом, как показывают проведенные наблюдения «Южводпроекта», после остановки канала на 15.12.2004 г. уровень воды в канале оставался на 1 м выше дна канала. Очевидно, такие условия фильтрации в условиях подпора обусловлены общим подъемом УГВ на приканальной территории, и они приводят к снижению потерь на фильтрацию. Рассматривая процесс фильтрации на до лговременный период, необходимо отметить, что в случае снижения потерь на фильтрацию из русла канала будет происходить постепенно понижение УГВ. После понижения УГВ на глубину более 8-10 м от поверхности земли условия фильтрации изменятся, и характер фильтрации из канала изменится: перейдет из подпертого в свободный. При свободном характере фильтрации потери из канала будут рез ко увеличиваться в несколько раз по сравнению с подпертым характером. В этих условиях для исключения вероятных больших потерь на фильтрацию из ДМЬС в дальнейшем целесообразно устройство противофильтрационных облицовок, особенно на участках с высоким коэффициентом фильтрации грунта основания (более 0,20 м/сут.). Расчетная схема подпертой фильтрации из канала приведена на рис. 2.7. 48

Исходные данные для р асчета на уч астке кана ла от 57 до 70 км (СКВ. 2) следующие: глубина воды в канале h0 = 5 м; шир ина канала по урезу воды ВК=b + 2т • h0 = 27+2•4•5 = 67 м; ширина канала по дну b = 27 м; глубина от уровня воды до подошвы первого слоя Нк= 15 м; мощность второго слоя грунта т2 = 50 м; мощность естественного уровня грунтовых вод до подошвы первого слоя h1=11 м; коэффициент фильтрации первого слоя основания (суглинка); k1=0,20 м/сут.; коэффициент фильтрации второго слоя основания (песка) k2 = 1,0м/сут.; критическая глубина грунтовых вод, при которой испарение Е = 0, Z0= 4,0 м; интенсивность испарения с поверхности земли Еп = 0,0033 м/сут. Для наблюдения за уровнем грунтовых вод по правой стороне Донского магистрального канала (с м. рисунок 2.8) в пределах первой очереди реконструкции канала выбраны три контрольных створа (створ № 1 ПК 485, створ № 2 ПК 523, створ № 3 ПК 533). 49

Рисунок 2.8. Схема расположения наблюдательных скважин на участке ПК 485-ПК 533 ДМК Створы выбраны в наиболее характер ных участках, в каждом створе две скважины располагаются в пределах канала до проходящей рядом шоссейной дороги, и одна скважина - за дорогой. Бригада бурильщиков под руководством автора и главно го гидрогеолога Южводпроекта выполнила работы по устройству 9 наблюдательных скважин. По пьезометрам в течение 6 месяцев были осуществлены наблюдения з а колебаниями уровней грунтовых вод. Бурение скважин диаметром 230 мм было произведено буровой установкой с одновременной обсадкой трубами Д = 200 мм и длиной 6,0 м до проектной глубины (рисунок 2.9а). По дстилающие грунты в приканальной зоне - высокопластичные суглинки. В пройденную скважину устанавливалс я пьезометр. Пьезометр представляет собой трубу Д = 108 мм, состоящую из глухой надфильтровой части, рабочей части фильтра и отстойника, закрытого снизу деревянной или металлической пробкой. Фильтр представляет собой трубу Д = 108 мм длиной 1м с круглыми отверстиями Д = 12 мм, расположенными в шахматном порядке. 50

Рисунок 2.9а. Процесс очистки скважины от грунта при помощи обсадной трубы Расстояние между центрами отверстий в горизонтальном ряду -21мм, в вертикальном ряду - 26 мм. Число отверстий на 1 п. м. - 360 шт, что обеспечивает скважность до 40%, достаточную для наблюдения за скважиной. Перфорированная часть трубы (фильтр) обматывалась фильтрующей тканью. После установки фильтра в скважины обсадные трубы извлекались с одновременной обсыпкой затрубного пространства гравием. Гравийная обсыпка доводилась до глубины 2 м от по верхности земли. Далее затрубное пространство до поверхности земли тщательно тампонировалось пластичной глиной. Была произведена прокачка скважин до полного осветления воды. Устье скважин № 1,3,4,5,6,7,8,9 было забетонировано в виде отмостки 1,0x1,Ом. Верх трубы закрывался крышкой, на которой был надписан номер пьезометра. После окончания работ по организации пьезометрической сети для наблюдений за режимом фильтрации грунтовых вод в приканальной зоне Донского магистрального канала, все с кважины - пьезометры были переданы по акту дирекции ДМК для обеспечения сохранности и проведения режимных наблюдений. Конструкция наблюдательных пьезометрических скважин выбрана с учетом геологического строения, толщи основания, гидрогеологических ус ловий и водопроницаемости грунтов и глубины залегания грунтовых вод. Пьезометрическая труба соединялась с водоприемником с дневной поверхностью и выполняла роль колодца, используемого для измерения уровня воды в пьезометре. Оголовок опускных пьезометров представлял собой отрезок (длиной 0,3-0,4м) пьезометрической трубы, выступающей 51

над дневной поверхностью сооружения и закрытый сверху выкрашенной в желтый цвет закручивающейся съемной металличес кой крышкой, что по всей видимости обеспечило их сохранность. В период полного опорожнения канала наблюдался уровень стояния воды, равный 0,5 м, что свидетельствовало о наличии подпертой фильтрации (рис. 2.9б). Рисунок 2.9б. Общий вид ДМК при опорожнении канала По результатам наблюдений получены данные замеров уровня грунтовых вод по наблюдательным скважинам (табл. 2.15 а), размещенным по правой стороне Донского магистрального канала. Анализируя данные наблюдений, можно сделать вывод, что в среднем по всем скважинам при полном опорожнении воды в канале по сравнению с наполненным каналом до максимального уровня наблюдается снижение уровня грунтовых вод на 2.5 м. 52

Таблица 2.15а - Данные замеров уровня грунтовых вод по наблюдательным скважинам Донского магистрального канала № скважины Данные замеров уровня грунтовых вод н а дату наблюдений 10.09.06 г. 25.10.06 г. 2.11.06 г. 24.11.06 г. 8.12.06 г. отм. Расстояние от отметки Расстояние от Расстояние от Расстояние от Расстояние от поверхности от от отметки от отметки от отметки 'от отметки УГВ земли поверхности поверхности поверхности поверхности поверхности УГВ УГВ УГВ УГВ земли, м земли, м земли, м земли, м земли, м СКВ.№ 1/ 27,7 СКВ.№ 2/ 27,3 СКВ.№ 3/27,3 Глубина воды в канале, м СКВ.№ 4/ 27,4 СКВ.№ 5/ 27,0 СКВ.№ 6/ 27,0 Глубина воды в канале, м СКВ.№ 1127,0 СКВ.№ 8/ 26,4 СКВ.№ 9/ 26,3 Глубина воды в канале, м 2,20 3,00 3,44 4,0м 25.50 24.30 23.86 27.41 2,18 3,00 3,43 4,0 25.52 24.30 23.87 27.41 4,03 3,85 3,90 1,0 23.67 23.45 23.40 24.41 4,68 4,68 4,70 0,5 23.02 22.44 22.60 23.91 4,68 4,93 4,75 1.0 23.02 22.37 22.55 24.41 1,95 1,00 7,20 4,0 25.45 26.9 26.28 27.40 2,00 9,5 7,15 4,0 25.40 26.95 26.29 27.40 3,60 1,125 1,180 1.0 23.80 25.88 25.82 24.40 4,28 1,805 1,76 0,5 23.12 25.20 25.24 23.90 3,40 1,895 1,85 0,5 24.0 25.105 25.15 23.9 1,70 1,98 3,80 4,0 25.30 24.42 22.50 27.41 1,80 2,00 3,82 4,0 25.20 24.40 22.48 27.41 3,35 3,01 4,26 1,0 23.65 23.39 22.04 24.41 4,00 4,01 4,58 0,5 23.0 22.99 21.72 23.91 4,18 4,09 4,70 1,2 22.82 22.31 21.6 24.61 53

Определим подпертую фильтрацию из канала в земляном русле в полуограниченном пласте в двухслойном основании по формуле А.Я. Олейника [42]: qk - односторонний удельный расход на фильтрацию из канала, м /сут.; средняя проводимость водоносной толщи для двухслойного основания, м/сут.; ΔL - сопротивление, обусловленное гидродинамическим несовершенством канала, м; 0, ς0 -поправочные коэффициенты. Аналогичные расчеты по фильтрационным потерям проведены для всех участков I очереди реконструкции ДМК, которые приведены в таблице 2.15б. Таблица 2.15б - Результаты расчетов фильтрационных потерь на I очереди реконструкции ДМК Участки канала, км 45-52 52-57 57-70 70-85 85-95 95-102 102-115 Номер наблюдател. скважины Глубина УГВ, м 1 оф 6 оф 2оф 5 оф 3 оф 4 оф 7 оф 2,1 0,6 2,4 0,0 0,5 0,4 0,6 Потери на фильтрацию, Коэффициен •103 м3/сут. т фильтрации, до после м/сут. реконструкц реконструк ии ции 0,175 7,9 3,5 0,800 8,1 2,5 0,195 16,7 6,5 1,045 24,2 7,5 0,600 13,7 5,0 0,935 11,3 3,5 1,130 15,3 4,8 Qф.общ= 97200 33300 54

В соответствии с данными расчетов общие потери на фильтр ацию для условий подпертой фильтрации ДМК в земляном русле на участке 45114 км составляют Qф.общ = 97200 м3 /сут., а для варианта ДМК в облицовке после реконструкции составят = 33300 м3 /сут. Тогда коэффициент эффективности применения противофильтрационной облицовки при реконструкции ДМК для условий подпертой фильтрации будет равен отношению этих потерь: Однако, как отмечалось ранее, в дальнейшем после реконструкции через 5-10 лет уро вень грунтовых вод в приканальной зоне упадет практически до бытового, вследствие чего изменится характер фильтрации - вместо подпертой будет наблюдаться свободная фильтрация. Учитывая эти обстоятельства, коэффициент эффективности применения противофильтрационной облицовки резко возрастет до значения Таким образом, эффективность применения облицовки при реконструкции ДМК по снижению потерь на фильтрацию в условиях подпора грунтовых вод (современное состояние канала) оцениваетс я почти в 3 р аза, а для условий свободной фильтрации (перс пективное состояние канала через 5-10 лет) - возрастает более, чем в 100 раз. Проведенные расчеты I очереди реконструкции ДМК показали, что после устройства противофильтрационной облицовки его технический КПД с учетом потерь на фильтрацию и испарение возрастет до значения 0,994. 55

Выводы по главе 1. Проведен анализ расчетного технического КПД и коэффициента эффективности д ля облицованных каналов, в том числе Канал им. Октябрьской Революции (КОР), БСК-3, Бг-Р-7, а также анализ эксплуатацио нного КПД ряда крупных каналов Северного Кавказа, Украины и Средней Азии. 2. Разработана методика натурных измерений фильтрации из облицованных каналов с помощью точечных фильтромеров, в том числе без остановки канала. Предло жен и апробирован фильтромер специальной конструкции (защищен авторским свидетельством), позволяющий осуществить надежную его установку под воду на глубину до 3-5 м. 3. Проведен анализ эффективности облицовок на действующих каналах по обобщенным натур ным данным фильтрационных потерь, осреднённых коэффициентов фильтрации и коэффициентов эффективности облицовок. Установлено, что коэффициент эффективности для бетонопленочных облицовок в среднем изменяется от 18 до 25, а в отдельных случаях повышаетс я до 40 и более. При этом высокие значения КПД для ряда каналов, достигающие значений 0,980-0,995 обусловлены в первую очередь высокой эффективностью и качеством устройства, ухода и ремонта противофильтрационных облицовок. 56

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ 3.1. Выбор рациональных конструкций ПФУ при реконструкции каналов в земляном русле Выбор конструкции противофильтрационных защит при реконструкции канало в в земляном русле до лжен проводиться с учетом грунтовых условий в основании, гидрогеологических условий в зоне влияния канала, типа канала и обес печения требуемого по нормам КПД [19]. Рекомендуемые конструкции включают только наиболее эффективные типы облицовок, которые характер изуются необходимой надежностью и долговечностью и обеспечивают достаточно высокие КПД, удовлетворяющие требованиям СНиП. К числу таких ко нструкций облицовок относятся следующие их типы: бетонные монолитные, железобетонные сборные, сборно-монолитные с применением плит НИК, бетонопленочные сборные, сборно- монолитные, облицовкиповышенной надежности, с инъекцией по д плитами облицовки цементным раствором и комбинированные. Так как выбор типа облицовки в значительной степени зависит от грунтового основания учитываются три типа основания устойчивые (непросадочные и непучинистые с максимальной величиной деформации (просадки) основания до 0,2 м), среднеустойчивые (слабопросадочные и слабопучинистые с максимальной величиной просадки 0,4м) и неусто йчивые (просадочные и пуч инистые с максимальной величиной просадки более 0,4 м). Все рекомендуемые конструкции облицовок обеспечивают достаточно высокие значения КПД от 0,94-0,96 до 0,98-0,99, что удовлетворяет требованиям СНиП 2.06.0 3-85, согласно которым КПД магистральных и распределительных каналовразличных порядков должно быть не менее 0,90-0,93, а также учитывает в перс пективе возможное повышение требований по КПД до значений 0,96-0,99. При это м следует отметить, что наиболее высокие КПД (0,98-0,99) обеспечивают новые конструкции облицовок - бето нопленочные конструкции облицовок с листовым и полимерным противофильтрационным элементом из бутилкаучука и битумно-полимерных матер иалов толщиной не менее 1,02,0 мм и с инъекцией цементным раствором подплитного пространства между пленочным элементов и плитойоблицовки, которая проводится в начальный период эксплуатации канала (через 3-6 месяцев) [18]. Бетонные монолитные облицовки рекомендуют для внутрихозяйственной сети на устойчивых основаниях при обеспечении 57

надежной герметизации швов вулканизирующимимастиками из тиокола марки КМ-0,5, КБ-05, гер метика УТ-50 и ли крестообразными гибкими уплотнителями типа «Кон- стоп» [19]. Бетонные сборные облицовки не реко мендуются к применению з а счет высокой их водопроницаемости через швы и быстрой разгерметизации выполненных швов из-за слабой адгезии материала герметика к бетону плит. Железобетонные сборные и сборно-монолитные облицовки рекомендуются из плит НПК размером 6x1x0,06; 6x1,5x0,06 и 6x2x0,06 м также на устойчивых основаниях для каналов межхозяйственной сети. Бетонопленочные сборные и сборно-монолитные облицовки с применением плит Н ПК и пленоч ных элементо в из полиэтиленовой стабилизированной пленки толщиной 0,2-0,4 мм с защитнойпрокладкой из рубероида рекомендуются в среднеустойчивых грунтах основания на каналах межхозяйственной и внутрихозяйственной сети. Бетонопленочные облицовки повышенной надежности с применением листовых полимерных материалов не менее 1,0-2,0 мм и защитных прокладок из геотекстиля, а также бетоно пленочные облицовки с последующим проведением в начальный период эксплуатации инъекции цементным раствором подплитного пространства реко мендуются для неустойчивых оснований на магистральных каналах и каналах межхозяйственной сети. Комбинированные облицовки, включающие грунтопленочные покрытия с бетонопленочной облицовкой вверхней части откосов в зоне волнового воздействия и воздействия ледового покрытия (при круглогодичной эксплуатации кана ла) рекомендуются в неустойчивых основаниях на крупных магистральныхканалах. Грунтопленочные экраны с защитным покрытием из грунта в виду опасности оползания защитного слоя и разрушения его в зоне волнобоя не рекомендуется к. применению пр и реконструкции канало в. Их применение допускается при специальномобосновании и обязательном устройстве крепления защитного слоя в пределах частого колебания уровней воды в каналах. При соответствующем обосновании на каналах меж хозяйственной сети могут быть также рекомендованы к применению асфальтобетонные облицовки, которые обладаютвысокой водонепроницаемостью и морозостойкостью. Для предотвращения их по вреждения растительностью, необходимо предусматривать в основании обработку гербицидами. Алгоритм выбора конструкции облицовок противофильтрационных защит при реконструкции оросительных каналов в земляном русле представлен на рисунке 3.1. Выбор типаоблицовок при реконструкции 58

каналов в земляном русле производится с учетом исходных данных, включающих следующее: грунтовое основание, гидрогеологические условия, в том числе положение уровней грунтовых вод (УГВ), тип каналов (его функциональное назначение - межхозяйственные, хозяйственные, магистральные), а также фильтрационные потери. Выполняют оценку потерь оросительнойводы на фильтрацию, учитывая показатели физико-механических характеристик грунтового основания. В соответствии с рекомендациями в таблице 3.1 принимают численные значения осредненного коэффициента фильтрации облицовки (k' обл) и коэффициента полезного действия (η - КПД) канала с учетом типа облицовки и типа швов, характеристик герметиков. При этом учитываются условия эксплуатации канало в, изменение скорости течения воды в руслах, обеспечение условийне заиляемости и не з арастаемости русел канала, а также возможность изменения уклона дна. Затем рассматриваются основные конструктивные типы облицовок с учето м производственных возможностей производительности близлежащих заводов пообеспечению конструируемых объектов материалами и элементами заводского изготовления. Рисунок 3.1- Алгоритм выбора облицовок при реконструкции каналов ОС в земляном русле 59

Осуществляется технико-экономическое сравнение вар иантов, рекомендуемых к применению конструкций облицовок, по их стоимостным показателям. Окончательное решение по выбору конструкции облицовки при реконструкции оросительного канала в земляном русле принимается с учетомконкретных условий объекта реконструкции и вышеизложенных технико-экономических показателей и критериев. 3.2. Выбор типа противофильтрационной защиты при реконструкции каналов в облицовке Рекомендуемые типы противофильтрационных защит при реконструкции канало в в облицовке в зависимости от степени повреждения облицовки и типа основания приведены в таблице 3.1. Так, при высокой степени повреждения существующей облицовки канала в процессе его длительной эксплуатации, составляющей более 50 %, предусматривается полная замена облицовки. На устойчивых и среднеустойчивых основаниях целесообразно применение бетонопленочных сборных и сборномонолитных облицовок как на каналах межхозяйственных, так и внутрихозяйственной сети. В этом с лучае КПД каналов после реконструкции будет обеспечиваться в пределах 0,96-0,98. На неустойч ивых (просадочных) грунтах рекомендуются бетонопленочные облицовки повышенной надежности конструкции ФГНУ « РосНИИПМ», включающие з ащитное бето нное покрытие, противофильтрационный элемент из листового полимерного материала толщиной 1,0-2,0 мм и з ащитные прокладки из геотекстиля марки Typaz SF или Polyfelt TS 30. В условиях неустойчивых грунтов также весьма эффективно применение бетоно пленочных облицовок с последующейинъекцией цементным раствором после замочки или начально го периода эксплуатации канала. Пр именение этих ко нструкций облицовок при реконструкции канала обеспечит КПД до 0,98-0,99. При средней степени повреждения облицовки (от 10 до 50 %) целесообразно выполнение новой облицовки по существующей. В качестве но вой облицовки рекомендуется асфальтополимербетонные и бетонные монолитные облицовки, характеризующиеся хорошим сцеплением с существующим покрытием после предварительной его обработки, КПД каналов с облицовкой после реконструкции достигнет значений 0,96-0,98. Для облицовок с относительно незначительной поврежденностью от 10 до 20 % рекомендуется частичная замена облицовки по участкам с ремонтом незначительных повреждений. Частичная заменаоблицовок в этом случае осуществляется вышеприведенными традиционными конструкциями, а на неустойчивых основаниях - бето нопленочными сборно-монолитными 60

облицовками или бето нопленочными облицовками с последующей инъекцией по д плитами цементным раствором, что позволит обеспечить КПД до 0,98-0,99. При низкой степени повреждаемости облицовки менее 10 % реконструкция осуществляется путем частичной замены противофильтрационных покрытий или ремонтом обнаруженных повреждений с максимальным сохранением существующей облицовки. 61

Таблица 3.1 - Рекомендуемые типы противофильтрационных защит при реконструкции канало в в облицовке и области их применения Степень повреждения облицовки Высокая - с повреждением облицовки более 50% Вариант реконструкци и облицовки Тип основания Полная замена облицов ки Устойчивые и среднеустойчивые Неустойчивые Средняя - с Выполнение новой повреждением облицовки по облицовки: от 10 до существующей; 50 %; Устойчивые и среднеустойчивые от 10 до 20% Неустойчивые Частичная замена облицовки по участкам с ремонтом незначительных повреждений Низкая - с Устойчивые, Частичная замена повреждением среднеустойчиоблицовки с ремонтом облицовки менее 10 повреждений; вые, неустойчивые % Ремонт повреждений облицовки (заделка тре щин, швов, стыков) Область применения КПД канала с облицовкой после реконструкции Бетонопленочные сборные; Каналы 0,96-0,98 Бетонопленочные сборно- межхозяйственной и монолитные; внутрихозяйственной сети; 0,98-0,99 Бетонопленочные повышенной надежности; Магистральные Бетонопленочные с каналы и кан алы внутрихозяйственной инъекцией под плитами сети АсфальтополимербетонКаналы 0,96-0,98 ные; межхозяйственной и Бетонные монолитные; внутрихозяйственной сети Рекомендуемые типы облицовок Бетонопленочные сборномонолитные; Бетонопленочные с инъекцией под плитами Тип облицовки принимается аналогично существующей 0,98-0,99 То же 0,96-0,99 Тип облицовки не изменяется 62

Алгоритм выбора облицовок при реконструкции покрытий каналов представлен на рисунке 3.2. Он включает следующие этапы: выбор исходных данных, в том числе определение типа канала, типа основания по устойчивости, оценку степени повреждения облицовки, определение критериев – η, , τ0, Пэ, принятия варианта реконструкции, оценку ус ловий эксплуатации, выбор типов облицовки согласно рекомендациям в таблице 3 и технико-экономическое сравнение вар иантов. Выделим особо, что в первом блоке алгоритма при выборе исходных данных учитывают характер истики грунтов основания, конкретные гидрогеологические условия, положение уровней грунтовых вод (УГВ), назначение, типоразмеры и фильтрационные потери каналов. Отметим, что в период реконструкции облицовок каналов главной особенностью является использование современных полимерных высокопрочных герметиков и мастик, а также бетонопленочных противофильтрационных покрытий и листовых полимер ных материалов, прошедших специаль-ный (выборочный) контроль при приемке и в процессе выполнения технологических ремонтно-восстановительных работ в период реконструкции покрытий каналов. Рисунок - 3.2 - Алгоритм выбора облицовок при реконструкции облицованных каналов 63

Как показывают результаты натур ных исследований, эффективными и надежными противофильтрационными покрытиями являются асфальтобетонные, сборные железобетонные, грунтопленочные и бето нопленочные покрытия оросительных каналов. Имея такие противофильтрационные покрытия, облицовки каналов в зависимости от фактического технического состояния, их функционально го назначения и степени разрушения могут быть рекомендованы экспертной комиссией к ремонтно-восстановительным работам. 3.3. Разработанные и рекомендуемые рациональные конструкции противофильтрационных облицовок на каналах Наиболее эффективными типами противофильтрационных устройств на оросительных каналах, как показывают результаты натурных исследований, являются комбинированные облицовки с пленочными экранами — бетонопленочные и грунтопленочные [26,46]. Удельный вес использования монолитного бетона в строительстве противофильтрационных облицовок занимает от общего объема до 65-70 %. Сборные железобетонные плиты и монолитный бетон, обладая относительно высокой водонепроницаемостью (марка В4-В6 с -8 -9 коэффициентом водопроницаемости 10 -10 см/с), не ис пользуются по своему прямому назначению — как противофильтрационный элемент. В бетонопленочных облицовках они применяются лишь как защитные покрытия, что приводит к существенному удорожанию всей конструкции противофильтрационной облицовки. Опыт проектирования и строительства Главного Каховского магистрального канала (ГКМК) с видетельствует о целесообразности применения для противофильтрационной защиты крупных канало в комбинированных облицовок [16]. Защита состоит из бетонопленочной облицовки в верхней части откоса непосредственно в зоне волновых воздействий и грунтопленочного экрана — по дну и остальной части откоса с устройством пригрузки из уплотнённого суглинка. По нашему мнению, для создания комбинированных облицовок крупных канало в представляет интерес применение листовых полимерных материалов на основе бутилкаучука или полиолефинов толщиной 1-2 мм. С этой целью нами предлагается конструкция комбинированной облицовки, состоящая из бутилкаучуково го покрытия (геомембраны) на дне и части откоса канала и бето нопленочной облицовки в зоне волнового и ледового воздействия (рисунок 3.3) [16]. Применение данной комбинированной облицовки позволит снизить стоимость строительства противофильтрационной защиты, сократить сроки строительства, уменьшить шероховатость русла и увелич ить его пропускную способность. 64

1 - листовой полимерный материал (геомембрана); 2 - полиэтиленовая плёнка; 3 - сборные плиты НПК; 4 - шов соединения Рисунок 3.3 - Комбинированная облицовка с использованием листового полимерного материала(гео мембраны) В качестве листовых полимерных материалов для создания комбинированных облицовок могут быть использованы материалы на основе бутил- каучука с толщиной 1-2 мм, и битумно-полимерных композиций с армирующей основой толщиной 3 мм. Кроме того, для этой цели могут использоваться геомембраны из полиэтилена высокой и низкой плотности толщиной 1,52,5 мм. Для противофильтрационной защиты крупных каналов могут применяться и другие комбинированные конструкции облицовок [46], схемы которых представлены на р исунке 3.4. а — с защитным грунтовым покрытием; б - с защитным покрытием из бетона на откосах; 1 — бутилкаучуков ая пленка 1- 2 мм; 2 - суглинок; 3 - гравий; 4 — бетон; 5 - стеклоткань; 6 - песок; 7 - полиэтиленовая пленка 0,2 мм Рисунок 3.4 - Конструкции комбинированных облицовок На рисунке 3.4,а приведена конструкция комбинированной облицовки представляющая собой противофильтрационный экран из бутилкаучукового 65

материала, уложенного по периметру канала на сло й песка t = 5-10 см, поверх которого отсыпают суглинок. По откосу толщина слоя равна 0,2 м, а по дну - 0,5 м. Для лучшей з ащиты полимерного экрана на откосах предусматривается крепление из гравия толщиной t =0,3 м. Суглинок, уложенный по бутилкаучуково му материалу, одновременно предохраняет его от повреждений при отсыпке гравийно-галечного слоя. На откосе бутилкаучук з аделывается в траншейки монолитным бетоном или пригружается гравием в смес и с галечником. Устройство облицовки такого типа поз волит уменьшить стоимость и сроки строительства, а также обеспечит надежную защиту противо- фильтрационного устройства. Конструкция комбинированной облицовки (см. рис. 3.4,б) представляет собой покрытие из бетона уложенно го по откосах канала на полиэтиленовую пленку t = 0,2 мм, защищенную с верху и снизу стекловолокнистой тканью. При деформациях бетона ткань предохраняет пленку от разрывов, в результате чего сохраняется целостность пленки и ее долговечность. По дну канала укладывается листовой полимерный материал, соединяемый с помощью клеящей мастики с пленкой, уложенной по откосам. Конструкция обеспечивает надежное крепление откосов, сохранность противофильтрационного экрана, максимальную пропускную способность канала. Для противофильтрационной защиты крупных магистральных каналов с расходом более 50 м /с рекомендуется конструкция облицовки повышенной надежности (рисунок 3.5) [16]. 1 - бетонное монолитное или сборное покрытие толщиной 10-15 см или 6 см; 2 - защитные прокладки из геотекстиля; 3 - противофильтрационный элемент из листового полимерного материала толщи ной 1-2 мм; 4 - нагорная канава Рисунок 3.5 - Конструкция противофильтрационной облицовки повышенной надежности Данная конструкция состоит из бетонного или железобетонного покрытия из монолитного бетона или сборных плит НПК толщино й 10-15 см или 6 см, защитных про кладок из геотекстиля толщиной 0,5-1 мм, противофильтрационного элемента из листового полимерного материала толщиной 1-2 мм, обладающего необходимой прочностью и высокой сопротивляемостью к прокалыванию и пор ывам. В качестве противофильтрационного материала могут быть использованы листовые полимерные материалы на основе полиэтилена низкой и высокой плотности толщиной 1,0-2,5мм, производимые фирмой GSЕ Liniq Technology 66

(Германия), на основе бутилкаучука - толщиной 1,5-2,0мм, производимые фирмами «Таурус»(Венгрии), « Мицубиси»(Япония), армированный полимерный материал «Гипалон»(США) то лщиной 0,5-1 мм, битумнополимерный материал «Теранап Т.Р.»(Франция) толщиной 4 мм [86]. В качестве защитных прокладок может использоваться геотекстиль «Дорнит»(Россия), который представляет собой нетканый материал, из бесконечных полипропиленовых или полиэфирных волокон, что обеспечивает его высокие физико-механические свойства (в ч астности изотропность), а также стойкость к различным химическим соединениям (щелочам, кислотам). Это материал не по двержен гниению, воздействию грибков и плесени, прорастанию корней. Используется в качестве защитного слоя синтетических изоляционных экранов, препятствует повреждению гидроизоляции из-за неровностей грунта, отводит фунтовые во ды и предотвращает во дную эрозию откосов в случае понижения уровня воды в водохранилище или канале. За рубежом геотекстиль выпускается во многих странах (Германии, Франции, США и др.). Так, например, австрийская фирма "Полифелт - с маркой Typar SF производства фирмы Du Pont De Nemours Nonwove ns (Люксембург). Геотекстиль, выпускаемый отечественными предприятиями, по ассортименту, номенклатуре и областям применения, а также по качеству не уступает импортному. В России ОАО "Комитекс" вырабатывает широкую гамму геотекстиля под условным названием Гео ком. Аналогом зарубежного геотекстиля от "Полифелт" и Тураг может быть Геотекс производства "Сибур- Геотекстиль", ОАО "Туймазинская текстильная фабрика" представляет иглопробивное полотно Техпол и т.д. Рассмотренная конструкция противофильтрационной облицовки на рисунке 3.6 была рекомендована для устройства при реконструкции Донского МК на I очереди от 45 до 115 км, где по проекту предусмотрено увеличение пропускной способности с 80 до 110 м /с. Предлагаемая ко нструкция облицовки обладает повышенной водонепроницаемостью (осреднённый коэффициент фильтрации об лицовки составит не более 0,1.10-8 см/с) и высокой долговечностью до 75-100 лет. Приблизительно в 70% случаев гео мембраны выполняются из ПВХ, а в 30% - из гибкого полиэтилена р азличной плотности, гипалона, полипропилена или полиэтилена высокой плотности. Геомембраны из ПВХ лучше ис пользовать в комбинации с геотекстилем, обладающим противопрокольными и дренирующими характеристиками и присоединенным к ПВХ во время изготовления композитного покрытия (геокомпозит). Для повышения водонепроницаемости облицовки в процессе эксплуатации (через 3-5 лет пос ле строительства) могут быть выполнены дополнительные противофильтрационные мероприятия в виде инъекции 67

цементным раствором в подплитное пространство. Такие мероприятия положительно себя зарекомендовали на III очереди БСК [121]. Для повышения эксплуатационной надежности и эффективности противофильтрационной защиты канало в автором совместно с Ю.М. Косиченко разработана конструкция комбинированной облицовки с бетонопленочным покрытием из сборных плит НПК на откосах и монолитного бетона без пленки по дну (рисунок 3.6) [7]. а - устройство компенсатора деформаций в виде складок п ленки; б - сработка пленочной складки при нагнетании инъекционного раствора и выход раствора через контрольное отверстие; 1 - монолитный бетон; 2 - железобетонные плиты; 3 - пленочный экран; 4 защитная прокладка; 5 - место проклейки; 6 - компенсатор в виде складки пленки; 7 затвердевающий состав из цементно-песчаной смеси; 8 - инъекционный раствор; 9 отверстие для контроля в ыхода раствора; 10 - упоры в виде бетонных кубиков; 11 цементный раствор Рисунок 3.6 - Противофильтрационная облицовка канала с инъекцией подплитного пространства (по A.c. № 1281626) Одновременно с укладкой монолитного бетона по дну в него заделывают плёнку на 20-30 см и выполняют компенсатор деформаций в виде вертикальных складок плёнки. Затем между мо нолитной и сборной частями облицовки устанавливают бето нные кубики, пространство между которыми заполняется цементным раствором. После предварительного наполнения канала водой происходит просадка грунта под плитами в местах сопряжения откосов с дном, куда и нагнетают через отверстия цементнопесчаный раствор до начала появления его из контрольного отверстия. При этом компенсатор деформаций расправляется и облегает по контуру образовавшуюся воронку под плитами. Защитная прокладка 4, пр иклеенная к нижней части плиты 5, позволяет компенсатору деформаций скользить, не соприкасаясь с шероховатой поверхностью бетонных плит. Цементнопесчаная смесь приготавливаетс я в соотношении 1:3 по массе, что обеспечивает достаточную подвижность раствора, позволяет экономить цемент при выполнении инъекционных работ. Предлагаемый с пособ позволяет уменьшить расхо д дефицитного плёночного материала за счёт исключения укладки пленочного экрана по дну. 68

За счет заделки пленки в монолитный бето н и проведение инъекции подплитного пространства существенно повышается эффективность сборной части облицовки на откосах канала и особенно в наиболее слабом уз ле - зоне сопряжения дна с откосом канала. В работе [9] предложена облегченная конструкция противофильтрационной облицовки с торкретцементным защитным покрытием (рисунок 3.7). По дну канала устр аивается грунтовая подушка в два слоя: первый слой отсыпается после укладки по дну и откосам пленочного экрана, а второй — после устройства защитного торкретцементного покрытия канала. По подготовленному дну и откосам канала р аскладывают противофильтрационный экран 1 из стабилизированной полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм и закрепляют на бортах канала металлическими шпильками 3. После этого по дну канала отсыпают первый защитный слой грунта 4 на откосы канала укладывают армирующий слой стекловаты 2 толщино й 5-7 см в свободном состоянии с таким расчетом, чтобы в сжатом виде его толщина равнялась 1-1,5 см. 1 - противофильтрационный экран; 2 - стекловата; 3 - металлические шпильки; 4 - слой грунта; 5 - торкретцементная смесь; 6 - верхний слой грунта Рисунок 3.7 - Противофильтрационная облицовка каналов с торкретцементным защитным покрытием Для устройства швов перед нанесением торкретцементной смеси на армирующий слой стекловаты поперек откоса канала укладывают через 1,52,0 м деревянные бруски сечением 3-12 см и длиной 5-6 м, которая принимается в каждом конкретном случае р авной длине откоса. На армирующий слой стекловаты 2 , начиная с нижней части откоса, послойно наносят торкретце- ментную смесь 5 с равномерным утолщением слоя от 3 см в верхней части откоса и до 5-10 см - в нижней. Через 20-30 мин. после окончания торкретирования деревянные бруски извлекают и переставляют на новые участки по ходу строительства облицовки. Таким образом, деформационные швы устраиваются без их герметизации. Выполнив облицовку откосов, на первый защитный слой грунта по дну канала отсыпают второй защитный с лой 6, толщина каждо го из двух слоев принимается 0,4-0,5 м с таким расчётом, чтобы общая толщина грунтовой 69

подушки была доведена до проектной отметки после устройства защитного торкретцементного покрытия канала. Грунто вую подушку р азравнивают бульдозерами в 2-3 прохода, уплотняют катками, что предотвращает сползание торкретцементной смеси с откосов. Преимущества предлагаемого способа заключаются в следующем: обеспечивается отличная трамбовка наносимого материла за счет высокой скорости подачи материала из сопла (до 30 м/с); материал по даваемый на поверхность увлажняется только на выходе из сопла, что обеспечивает технологию сухого торкретирования; большая дальность и высота подачи до 300 м и до 100 м соответственно; небольшие размеры торкрет установок типа SSB; возможность использования дешевых материалов, таких как цемент+песок. Для повышения качества торкретцементной смеси, а именно для увеличения пластичности смеси и трещиностойкости в нее вво дят комплексные добавки. Применение предлагаемой ко нструкции противофильтрационной облицовки канала глубиной до 3 м по сравнению с бетонопленочной облицовкой обеспечивает с нижение стоимости строительства и снижение расхода металла в 2-3 раза. Для укладки железобетонных плит н а откосы каналов применяют, как правило, стреловые краны со стропами различной длины [16]. В том с лучае если опорная поверхность плиты строго параллельна по верхности откоса, то плита коснётся поверхности откоса сразу всей своей плоскостью, что не вызовет повреждение пленки. Если же опорная поверхность плиты не параллельна повер хности откоса (наиболее р аспространенный случай), то при опускании плита может коснуться пленки либо своей нижней (рисунок 3.8,а), либо верхней (рисунок 3.8,б) кромкой. В этом случае положение плиты при касании плёнки будет влиять на ее возможное повреждение. Проведенный анализ схем укладки железобетонных плит на поверхность откосов при строительстве комбинированной облицовки показывает, что: — лучшие условия соприкосновения и полного опирания железобетонной плиты на откос канала создается в том случае, когда плита касается поверхности откоса верхней кро мкой, так как появляющаяся сила Fk помогает силам трения Ртр препятствовать сползанию плиты по откосу; - худшие ус ловия возникают, когда плита касается поверхности откоса нижней кромкой. 70

а - повреждение пленки нижней кромкой плиты; б - повреждение пленки верхней кромкой плиты: 1- плиты облицовки; 2 - пленочное полотнище Рисунок 3.8 - Схема укладки плит облицовки на откос Для повышения противофильтрационной эффективности облицовок автором предложен ряд способов и технологий строительства. Предложенная технология обеспечивает целостность пленочного полотнища и непроницаемость деформационного шва. 3.4. Повышение противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов Для бетонопленочных облицовок крупных каналов в сложных инженерно — геологических ус ловиях в качестве ремонтноэксплуатационного мероприятия используется операция по нагнетанию цементного раствора в подплитное пространство между плитой и пленкой [14]. Это объясняется тем, что даже тщательная отделка откосов не обеспечивает полного и равномерного опирания плит по всей поверхности. Нарушение расчетных условий работы плит приводит к образованию трещин в облицовке при длительной эксплуатации. Конструктивный прием нагнетания цементного раствора в зону между плитой и пленкой обеспечивает р асчётные условия работы плит, а также кольматацию мелких порывов или точеч ных отверстий в пленке. В результате повышается водонепроницаемость и надёжность облицовки. Обследование полостей за облицовкой производилось через отверстия, пробуренные в плитах перфораторами (в настоящее время существуют современными способы - емкостный, георадар). Статистическая обработка показала, что наибольшее отставание наблюдается в нижнем ряду отверстий. Среднее значение в верхнем, среднем и нижнем р ядах соответственно 4,88, 3,47 и Г, 9 см. Объем 1м3 цементнозольного теста с заданными характер истиками, отнесенный к массе цемента Vц.з.т./Ц равен 1,12 м3/кг. Таким образом, расход цемента на 1м3 раствора равен 1/1,12=0,895кг, а золы 0,895 • 0,5=447кг. 71

Водоцементное отношение равно Хц.з •Kн.г.ц.з.= 1,78•0,45, где - Kн.г.ц.з коэффициент нормальной густоты цементно-зольного теста. Расход воды на 1м3 равен 613 кг. Инъекция раствора под плиты должна выполняться ориентировочно под давлением не выше 0,1 МПа. В первую очередь производится нагнетание раствора в зону соприкасания облицовки дна и откосов, затем инъектируетс я первый горизонтальный ряд плит на откосе. Через 6 часов после схватывания инъекционного раствора производят инъектирование следующего ряда и т.д. [14]. Инъектирование раствора в каждое отверстие производится до тех пор, пока в отверстии смежной (в ряду) плиты начнет появляться устойчивый выход раствора и произойдет намокание швов в зоне третьей плиты, считая инъекционную плиту з а первую. Пр и назначении составов инъекционных цементно-песчано-зольных растворов следует уч итывать среднестатистическую ширину подплитного пространства. При малой по движности растворов в уз кой полости заплитно го пространства, несмотря на возможность нагнетания с месей, могут возникнуть сверхдопустимые давления, приводящие к разрушению плит облицовки. В это й связи, кроме условий перекачиваемости, должны быть приняты ограничения на подвижность смеси [14]. В подплитное пространство через отверстия в плитах впрыскивать мелкодисперсное облако водоотталкивающей с меси, которая покрывает внутреннюю по верхность железобетонных плит. З атем в эти же отверстия посредством установки через растворопроводный шланг 6 вводится инъектирующий состав 4. Водоотталкивающая с месь обволакивает внутреннюю повер хность железобетонных плит, вследствие чего при последующей о перации нагнетания инъектирующего состава не происходит обезвоживание состава и уменьшение его пластичности, преждевременное схватывание и закупоривание пространства между плитой и основанием. Способ повышения водонепроницаемости облицовки с помощью инъекции применялся на III очереди БСК [10]. Пр и замене ч асти цемента золой - унос экономический эффект за счет экономии цемента достигает 0,19 руб на 1м2 площади инъекции. Противофильтрационный эффект от проведения инъекционных мероприятий сводится к уменьшению потер ь воды через сборную железобетонную облицовку до уровня монолитной. Было рассчитано, что при общей площади инъекции 500 тыс. м" на III очереди БСК экономится 16107 тыс. м3 воды в год. Расходы на орошение 1 га земли в объединении Ставропольводстрой составляли 6000 м3/год, а чистый доход с 1 га орошаемой земли 400 рублей в год (1073,84 тыс. руб). При осредненной стоимости воды 0,02 руб за 1м3 ежегодно экономилось за счет сокращения фильтрационных потерь 322 тыс. руб (в ценах 1985г.). Эффективность 72

проведения инъекции на БСК-3 определялась по степени снижения водопроницаемости облицовки [148]. Для подтверждения эффективности иньектирования автором была исследована водопроницаемость облицовки до и после проведения инъекции подплитного пространства методом точечных фильтромеров и методом изолированных отсеков. Результаты проведенных исследований на БСК-3 (таблица 3.2.) показывают, что в среднем инъектирование с нижает водопроницаемость бетонопленочной облицовки в 4-50 раз и зависит от качества выполнения этой oпeрации. Таблица 3.2 - Значения коэффициентов фильтрации облицовки до и после проведения инъекции подплитного пространства облицовки на БСК3 Метод точечных фильтромеров Метод изолированных отсеков Створы Коэффициент фильтрации, см/с Отсеки ПК 54 ПК 0-ПК 12 ПК 252 — Коэффициент фильтрации, см/с — Примечание. В числителе приводятся значения коэффициента фи льтрации облицовки до проведения инъекции, в знаменателе - после проведения инъекц ии. Следует отметить, что на последнем участке канала (ПК 25 2) инъекция была выполнена некачественно и поэтому эффективность здесь может быть повышена за счет повторного проведения инъекции с более качественным выполнением работ. Для условий Сибири, на магистральном канале Абаканс кой ОС, где в основании залегают гравийно-галечниковые грунты, был разработан способ повышения противофильтрационной эффективности бетонных облицовок (рис. 3.11) [12]. 73

а - магистральный кан ал Абаканской ОС; б - с хема заполнения подплитного пространства: 1 - грунтовое основание; 2 - железобетонн ая плита; 3 - арматура; 4 - подплитное. пространство; 5 - торкрет-бетон Рисунок 3.11 - Способ создания противофильтрационного покрытия каналов (по A.c. № 1569367) На гравийно-щебеночное основание по всему периметру канала 1 укладывают железобетонные плиты 2 с з агнутым к основанию каждым третьим выпуском арматуры 3. В подплитное пространство (пустоты) 4 подается под давлением торкрет-бетон 5. После заполнения пустот 4 между основанием 1 и плитами 2 укладывают с ледующий р яд плит по пер иметру канала с загнутым каждым третьим выпуском арматуры, сваривают между собой остальные выпуски соседних плит и запо лняют подплитное пространство цемент- но-песчаной (в соотношении 1:2,5) смесью через зазор между гравийно- щебеноч ным основанием и плитами со стороны фронта работ. Заполнение подплитного пространства вязкопластичным заполнителем возможно однокамерной торкрет-машиной, например ЦПШК1, под давлением не более 10 кПа. Т акое давление рассчитано на стандартные размеры железобетонных плит 3,0x2,0x0,1 м. Пр и этом шир ина щели между плитой и основанием о пределяется шириной сопла торкрет-машины и составляет 20-30 мм. В настоящее время существует множество торкрет установок (шприцмашин) различных фирм, например: SSВ (Чехия), ТТS (Чехия), СОВ-5 (Беларусь). Торкрет установки используются при строительстве водных сооружений, посредством укрепления, возведения плотин, опорных конструкций, откосов берегов и т.д. 3.5. Рекомендуемые конструкции дренажных устройств облицовок каналов Для обеспечения надежности работы противофильтрационных облицовок в условиях высокого стояния уровня грунтовых вод разработаны 74

дрени рующе-разгрузочные устройства для бетонопленочных облицовок, которые позволяют предупредить выпор плит и по вреждение защитных покрытий пленочных экранов избыточным фильтрационным давлением пр и быстрой сработке уровня воды в канале [2-6,109]. Предложенные конструкции дренирующе-разгрузочных устройств бетонопленочных облицовок включают варианты дренирования бетонопленочных облицовок с выпускными клапанами (рисунок 3.12,а,б) [2,5] или отверстиями в нижней части откоса (рис. 3.12,в) [3]. а - клапан из двух переме щающихся одна относительно другой полосок резины по A.c. № 1413180; б-клапан конусной формы по A.c. № 1477818; в - с в ыпускными отверстиями в плите по A.c. № 1430447: 1 - железобетонн ая плита; 2 - клапан; 3 - сетка; 4 - стеклоткань; 5 - решетка; 6 - напорные грунтовые воды Рисунок 3.12 - Дренирующие устройства бетонопленочных облицовок с клапанами, расположенными в плитах Конструкции устройств для дренирования плит облицовки в виде клапана (рис. 3.12,а) [2] из двух перемещающихся одна относительно другой полосок резины, образующих ко нус, к вершине которого прикреплён стержень, заделанный в грунт основания и размещенный в отверстиях плит между фильтрами и клапана конус ной формы (рис. 3.12,б) [5] с перфорацией и резиновым поплавком внутри. Конструкции устройств с отверстиями в нижней части откоса (рис. 3,12,в) состоят из выпускных клапанов, которые работают в одностороннем режиме: пр и снижении воды в канале - грунтовые воды через водовыпускные отверстия сбрасываются в канал. Но если канал р аботает полным сечением, обратные клапаны обеспечивают герметичность облицовки и препятствуют утечкам воды. Для выявления условий работы защитного покрытия при изменяющемся режиме уровня воды в канале определяют влияние этого режима на по ложение депрессионной поверхности под покрытием на основании расчета неустановившейся фильтрации в песчаном слое между покрытием и основанием канала. В с лучае, когда напор в канале стано вится выше давления грунтового потока, клапан по д действием гидростатического давления воды плотно прижимается к передней перфорированной стенке жесткого элемента, предотвращая фильтрацию воды из канала. Жесткие 75

элементы целесообразно изготавливать секциями, принимая длину каждой секции 1,5-2,0 м соответственно ширине применяемых сборных плит. На рис. 3.13,а показан-общий вид дренажного устройства, приведенного на рисунке 3.13,б [6], который внедрен на участках с высоким стоянием грунтовых вод БСК-3 (ПК 268, ПК 252) и Александровского распределителя. а - общий вид устройства дренажно-разгрузочиого устройства на канале; б - в виде жесткого элемента коробчатой формы по A.c. № 1138448; в - в в иде пленочного перфорированного элемента, размещенного в п лите облицовки по A.c. № 1328423: 1 железобетонные плиты НПК; 2 - защитная прокладка из толщ 3 - полиэтиленовая пленка; 4 - траншейка, заполненная крупнозернистым материалом; 5 - гравийная засыпка; 6 жесткий элемент с перфорированными стенками; 7 - клапан в виде пластин ы с выступ ами; 8 - обратный фильтр; 9 - напорные грунтовые воды; 10 - перфорация в пленочном полотнище; 11 - впускные и в ыпускные отверстия в плите; 12 - соединение двух плит облицовки. Рисунок 3.13 - Дренажные устройства бетонопленочных облицовок Нами также предложена конструкция дренажного устройства, выполненного непосредственно в самой плите облицовки (рис. 3.13,в) [4]. Исследования работоспособности дренажных устройств выполнялись на БСК-3 (ПК 268, ПК 252), где ежегодно производилась замена вспученных плит в результате выпора грунтовыми водами. На этом же участке расположена насосная станция, при включении которой происходит мгновенное снижение уровня воды в канале. Для проверки работоспособности в деформационном шве выше рас положения выпускного отверстия дренажного устройства было выполнено отверстие, через которое осуществлялось нагнетание красящего вещества. . Красящее вещество проникало через заднюю и переднюю перфорированную стенку коробчатого элемента дренажного устройства в выпускное отверстие в плитах, и пр и поступлении в канал, окрашивало воду, когда уровень воды в. канале был минимальным. В том случае, когда уровень воды в канале соответствовал проектной глубине, клапан плотно перекрывал перфорированную заднюю стенку и не пропускал окрашенную во ду. Таким образом, указанные результаты наблюдений свидетельствуют о необходимой герметичности дренажного устройства и об отсутствии утечек из канала через него в случае превышения уровня воды в канале над уро внем грунтовых вод. 76

На основании проведенных расчетных и теоретических исследований установлены следующие основные технико-эксплуатационные показатели дренажно-разгрузочных устройств (табл. 3.3). Таблица 3.3 - Технико-экономические характер истики дренажно-разгрузочных устройств облицовок каналов № Характеристики Ед. изм Значения показателей м3/сут. 4,0-5,0 Радиус влияния, м 20 Расстояние между дренажными устройствами м 20-40 1. Расход дренажного устройства (для фунтов приканальной зоны в виде песков, супесей) 2. 3. Фрагмент дренажного устройства для оценки герметичности работы клапана, в с лучае отсутствия грунтовых вод и давления во ды на него при условии работы канала, был испытан на напорной фильтрационной колонке при различных напорах. Установлено, что при глубине во ды в канале бо лее 0,5 м клапанный эффект обеспечивает полную герметичность за счет плотного прижатия гибкого пленочного полотнища к жёсткому основанию. Конструкции дренирующе-разгрузочных устройств могут эффективно использоваться как на оросительных и осушительных с истемах, так и для дренирования противофильтрационных защит верховых откосов плотин. В настоящее время прочность противофильтрационных защит верховых откосов плотин обеспечивается за счет использовании геомембраны из ПВХ с системой дренажа за ней [18]. Пр и проектировании новых плотин система дренажа позволяет снизить расчетное противодавление. В период эксплуатации системы дренажа откоса преимущества ее с вязаны со следующими ас пектами: с истема дренирования верхового откоса предотвращает скапливание во ды за водопроницаемой облицовкой. Воды, выходящие из сооружения по строительным и деформационным швам, непрерывно удаляются. Применяемая для этих целей дренированная геомембрана типа Карпи прекращает рост противодавления [18]. 3.6. Обоснование оптимального уровня надежности противофильтрационных облицовок каналов Из всех типов облицовок на каналах наиболее эффективными являются бетонопленочные и грунтопленочные конструкции. 77

Однако и эти типы облицовок в ряде случаев не обладают необходимой противофильтрационной эффективностью, что приводит к значительным потерям на фильтрацию, подъему уровня грунтовых вод на прилегающих территориях и, как следствие, ухудшению мелиор ативного состояния орошаемых земель. Пр имерами могут служить противофильтрационные облицовки на каналах Верхне-Сальской ОС Ростовской области (ВС-8-Х-1, ВС-8-Х-3) с осредненным коэффициентом фильтрации облицовки Кобл=(28,843,2) 10-6см/с; и Ко6л= 13,4 10-6 см/с, отдельные участки на Каршинском МК (ПК425-626)- и III очереди БСК (ПК 247- 425) с К' обл = 1,17 10-5см/с, Южный Голодностепский канал с К' обл =(16,9-31,8) 10-6 см/с, каналы в Голодной степи (ЮР-17, ЮР-16) с К' обл =( 12,8-41,8) 10-6 см/с, некоторые каналы Румынии с К' обл =32,5 10-6 см/с. Фильтрационные потери в этих каналах насто лько значительны, что практически приближаются к потерям в земляном необлицованном русле. Таким образом, существующие конструкции противофильтрационных облицовок, в том числе с пленочными экранами, имеют даже для одних и тех же типов различную эффективность и эксплуатацио нную надежность, что обусловливаетс я целым рядом факторов. Среди основных факторов, влияющих на надежность облицовок, следует выделить: конструктивные, технологические и эксплуатационные. Можно обеспечить высокую эффективность и надежность облицовки за счёт использования усиленной конструкции с применением высоконадёжных полимерных материалов при высокой первоначальной стоимости и, наоборот, при малой стоимости облицовки, как правило, достигается невысокая эффективность и надежность облицовки. В связи с этим представляется целесообразным нахождение рационального варианта облицовки с требуемым оптимальным уровнем надежности, обеспечивающим минимум затрат и учитывающим гидрогеологические условия трассы канала, мелиоративные и экологические требования. Под надежностью противофильтрационных облицовок будем понимать способность сохранять облицовкой в нормальных условиях эксплуатации в течение прогнозируемого срока службы свои противофильтрационные качества на требуемом уровне, с допустимой степенью повреждаемости отдельных ее элементов [82,123]. В соответствии с анализом причин отказов противофильтрационных облицовок с пленочными экранами их надежность должна оцениваться по трем основным показателям: а) техническому - осредненному коэффициенту фильтрации облицовки К' обл; б) технологическому поврежденности пленочного противофильтрационного элемента в пер иод строительства П; 78

в) эксплуатационному - долговечности (сроку службы) пленочного экрана и защитного покрытия τ0. Основные условия надежности работы противофильтрационных облицовок в соответствии с предлагаемыми тремя показателями надежности — техническому, технологическому и экс плуатационному - можно записать в виде следующих соотношений: где k' облдоп- допускаемое значение осредненного коэффициента фильтрации облицовки; Ппэ,Ппэдоп- поврежденность пленочного элемента облицовки соответственно при строительстве и эксплуатации и до пускаемое (предельное) значение; Пз.п, Пзп.доп - комплексный показатель нарушений и дефектов в защитном покрытии облицовки соответственно при эксплуатации и его допускаемое з начение; τ0- долговечность (срок службы) противофильтрационной облицовки, учитывающая как противофильтрационный пленочный элемент, так и защитное покрытие; τпр предельный срок службы облицовки, устанавливаемый из опыта эксплуатации и в зависимости от класса капитальности канала. Согласно условиям (3.1) надежность работы облицовки в процессе эксплуатации будет обеспечиваться при не превышении осредненного коэффициента фильтрации облицовки, степени поврежденности защитного покрытия и пленочного противофильтрационного элемента их до пускаемым значениям, а также когда долговечность (срок службы) облицовки будет не менее предельного значения. Оптимальный уровень надежности противофильтрационных облицовок определяется из условия минимизации суммы затрат и риска, связанного с возможными повреждениями противофильтрационного элемента. При этом вычисляется целевая функция, которая в общем с лучае включает первоначальную стоимость облицовки, вероятность отдельных повреждений пленочного экрана и защитно го покрытия, а также ущерб, вызванный повреждениями экрана и защитного покрытия за срок службы облицовки τ0 [82,86]: при ограничениях: n> 0, τ0 > 0, С0> 0, i где С0f - первоначальная стоимость облицовки варианта f; - вероятность отдельных повреждений пленочного экрана i в срок эксплуатации j для 79

варианта облицовки f; - вероятность разрушений и деформаций защитного покрытия i в срок эксплуатации j для варианта облицовки f; Уijf ущерб, вызванный повреждением i в срок эксплуатации j для варианта облицовки f; п - число повреждений пленочного экрана; τ0— общий срок службы облицовки; к- число деформаций и разрушений защитного покрытия i в срок эксплуатации j для варианта облицовки f. В общем случае ущерб от повреждений пленочного экрана и ущерб от деформаций и разрушений защитного покрытия определяется по формулам: где — ущерб от недополучения сельскохозяйственной продукции вследствие потерь воды через повреждения экрана защитного покрытия или возможный чистый доход от орошения дополнительной площади, сэкономленной водой от снижения потерь на фильтрацию; - ущерб от недополучения сельскохозяйственной продукции вследствие подтопления и засоления прилегающих терр иторий или з атраты на строительство и эксплуатацию приканального дренажа. Выполненные расчеты оптимальных значений осредненных коэффициентов фильтрации бетонопленочных облицовок и анализ натур ных данных показали, что наиболее вероятные интервалы их допускаемых значений находятся в пределах (рис. 3.14):  монолитные бетонопленочные - (0,1-0,3) 10-6см/с;  сборно-монолитные бетонопленочные - (0,3-0,5) ) 10-6см/с;  сборные бетонопленочные - (0,5-1,0) 10-6 см/с;  бетонопленочные повышенной надежности с геомембранами -(0,51,0) 10-8см/с. 1 — сборных; 2 — сборно-монолитных; 3 - монолитных; 4 - бетонопленочных повышенной надежности с геомембранами Рисунок 3.14- Выбор оптимальных значений коэффициентов фильтрации бетонопленочных облицовок. 80

Как следует из проведенных расчетов, наименьшими значениями осредненных коэффициентов фильтрации при оптимальном уровне надежности должны обладать бетонопленочные облицовки с применением геомембран, которые и можно считать в настоящее время самыми эффективными с точки зрения уменьшения потерь на фильтр ацию. Так, при их расчетном коэффициенте фильтрации, равном 0,1 10-8см/с, они обеспечивают снижение потерь на фильтрацию с традиционными бетонопленочными облицовками минимум в 30-150 раз. Соблюдение допускаемых значений осредненных коэффициентов фильтрации облицовок обеспечит противофильтрационную эффективность и позволит довести КПД оросительных каналов до значений 0,97-0,99. Применение об лицовок для противофильтрационной защиты оросительных каналов позволяет успешно решать проблему предотвращения фильтрационйых потерь, подтопления и засоления прилегающих земель. При этом использование противофильтрационных облицовок будет экономически и технически оправдано при обеспечении их высокой эффективности, эксплуатацио нной надежности и долговечности. Для определения основного показателя противофильтрационной эффективности экрана (облицовки) - осредненного коэффициента фильтрации, в зависимости от его долговечности и параметров экрана и повреждений пленочного элемента предлагается следующая зависимость[116]: где k - коэффициент фильтр ации матер иала защитного покрытия; δ 0 толщина з ащитного покрытия; — средний радиус условных отверстий пленочного экрана, равномерно распределенных по площади; τ0 предельный срок службы экрана (облицо вки); Р — вероятность безотказной работы; vП - средняя интенсивность повреждений; Пдоп - допускаемая повреждаемость пленочного экрана; σП — средне- квадратические отклонения повреждаемости пленочного экрана. Осредненный коэффициент фильтрации облицовки k' обл служит основным показателем ее водопроницаемости и определяется по расчетным зависимостям или по данным натурных исследований. В п.3.7.4 приведены расчетные зависимости для определения осредненных коэффициентов фильтрации бетонных и бетонопленочных облицовок. Для обоснованной оценки показателя надежности kобл целесообразнее всего использовать натурные данные. По результатам проведенных натур ных исследований фильтр ации из ряда облицованных каналов, а также по результатам обобщения и статистической обработки имеющихся натур ных данных более чем по 50 81

каналам в стр ане и за рубежом получены реальные осредненные коэффициенты фильтрации различных типов облицовок и экранов [86]. Проведенные исследования для большей достоверности выполнялись двумя методами - методом изолированных отсеков (совместно с экспедицией Севкавгидроводхоза) и методом точечных фильтромеров по методике Укргипроводхоза. Результаты статистической обработки натурных данных приведены в работе [86]. Другим показателем надежности облицовок с пленочными экранами является повреждаемость пленочного элемента П, образуемая главным образом в период' строительства. Для определения расчетной повреждаемости пленочного экрана бетонопленочных облицовок при наличии отверстий (проколов) в экране может быть использована формула где П = ω повр/F0 - относительная поврежденность пленочного элемента; ωповр - общая площадь повреждений на площади облицовки F0; α - расчетный параметр; - среднестатистическое значение радиуса отверстия (прокола); k - коэффициент фильтрации грунта основания Согласно выполненным расчетам вероятность появления. повреждений при строительстве пленочных экранов составляет Р = 0,95, т.е. можно предположить, что из 100 сооружаемых объектов только на пяти не имеется повреждений плёночного экрана. Статистический анализ натур ных данных показал, что наиболее вероятный интервал повреждаемости пленочных экранов для удовлетворительного качества при современном уровне строительства соответствует 0,01-0,1%. Определение показателей н адежности k' обл и П рассмотрено в нормативном документе «Инструкция по расчетам водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок каналов» [116]. Что касается долговечности (срока службы) облицовки, то здесь целесообразно использовать формулу, полученную Ю.М. Косиченко [119], позволяющую рассчитывать срок службы облицовки с заданной надежностью: где - средняя частота выбросов за средний 82

уровень допускаемой поврежденности облицовки; N0 - число нарушений и повреждений, превышающее до пускаемое значение за время эксплуатации τ0; Р - вероятность безотказной работы облицовки (рекомендуется принимать не менее 0,95); Пдоп, -соответственно допускаемое и среднее эксплуатационное значение поврежденности облицовки; σп — среднеквадратическое отклонение поврежденности. Данная зависимость позволяет определить срок службы облицовки и оценить надежность противофильтрационных облицовок в процессе эксплуатации каналов. Для чего срок службы сопоставляют с предельным значением в зависимости от класса капитальности канала (для III-IV класс а 40 лет, I-II класса - 50 лет и более). Определение осредненного коэффициента k' обл проводится по участкам канала с использованием результатов реальных данных обследований параметров повреждений облицовки. Так, например, на III очереди Большого Ставропольского канала было установлено пять характерных уч астков протяженностью от 1,8 до 6,3 км. Для расчета осредненного коэффициента фи льтрации облицовок автором получены формулы для следующих с лучаев: сборных и монолитных бетонопленочных облицовок для гладких и шеро ховатых трещин в бето нном покрытии при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости, а также для закольматированных трещин, для щелей и отверстий в пленочном экране. Проведенные расчеты значений осредненного коэффициента фильтрации сборно-монолитной бетонопленочной облицовки на III очереди Большого Ставропольского канала и сопоставление с данными натур ных исследований мето дом изолированных отсеков показали удовлетворительную сходимость. Натурное з начение осредненного коэффициента фильтрации облицовки на уч астке ПК 1 2-ПК 16,5 составило 2,28.10-6 см/с, а расчетное - 3,0.10-6 см/с при отклонении от натуры δ% =31,5%. Следует отметить, что распределение и размеры повреждений и дефектов пленочного экрана под бетонным покрытием могут быть установлены методом электропрофилирования, который был опробован на канале РЧ-2 в зо не Северо-Крымского канала [86]. В р яде случаев для обнаружения повреждений применяется выборочный контроль путем с нятия плит облицовки с последующей их установкой. Накопленный о пыт эксплуатации пленочных экранов в течение 10-16 лет, а также результаты экспериментальных исследований изменения физико-механических свойств пленки позволил прогнозировать срок их службы в пределах 25-40 лет в з ависимости от климатической зоны, а для 83

бетонопле- ночных облицовок, согласно данным И.М. Елшина и А.Р. Гвенетадзе, — более 40 лет (табл. 3.4). Анализ отечественных и зарубежных исследований (таблица 3.4) позволяет заключить, что срок службы традиционных конструкций бетонопленоч- ных облицовок с применением полиэтиленовой пленки составляет 40-50 лет, а пр и использовании геомембран - увеличится до 100 лет и более. 84

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕКОМЕН-ДУЕМЫХ МЕРОПРИЯТИЙ 4.1. Оценка экономической эффективности от проведения противофильтрационных мероприятий на оросительных каналах Экономический эффект от внедрения рекомендаций при проектировании и строительстве каналов и водоемов включает приведенные затраты с учетом чистого дохода от реализации сельскохозяйственной про дукции на единицу дополнительно используемой воды, сэкономленной от потерь на фильтрации, и вследствие возможного ущерба от подтопле- ния, засоления и заболачивания прилегающей территории [46]. Расчет экономического эффекта, Э, руб., рекомендуется выполнять по формуле: Э(З1 З2 )LК ЧД1 ЧД2 где З1 С1 Eн K1 – приведенные затраты по варианту оросительный канал с пленочным экраном, руб. на 1 п. м; З2 С2 Eн K2 – приведенные затраты по варианту оросительный канал с экраном из геомембраны (бентоматов), руб. на 1 п. м; С1 и K1 – себестоимость и удельные капитальные вложения по варианту оросительного канала с плечным экраном, руб. на 1 п. м; С2 и K2 – себестоимость и удельные капитальные вложения по варианту канала с экраном из геомембраны (бентоматов), руб. на 1 п. м; Eн – нормативный коэффициент эффективности (0,15); Lк – длина канала, км; ЧД1 – чистый доход от реализации сельскохозяйственной продукции дополнительно используемой воды, сэкономленной от потерь на фильтрацию, руб.; ЧД2 – чистый доход от реализации сельскохозяйственной продукции вследствие предупреждения возможного ущерба от подтопления и засоления прилегающей территории, руб. 85

Дополнительная площадь орошения сэкономленной водой, Fор , га, от снижения фильтрационных потерь из канала/водоема определяется по формуле: где W SLк Tор – объем воды, сбереженной от снижения потерь на фильтрацию в течение оросительного периода, м 3; S – фильтрационные потери с 1 км канала с пленочным экраном, м 3/с; Tор – период оросительного сезона (6–7 мес.); η – КПД канала; M – средневзвешенная оросительная норма сельскохозяйственных культур, м3/га. Чистый доход, ЧД1, руб., получаемый от орошения дополнительной площади, находится следующим образом: , где ЧДс.ор – чистый доход от реализации сельскохозяйственной продукции на 1 га с орошением, руб.; ЧДб.ор – чистый доход от реализации сельскохозяйственной продукции на 1 га без орошения, руб.; Чистый доход, ЧД2, руб., получаемый вследствие исключения ущерба от подтопления и засоления приканальной территории, определяется по зависимости: где ЧДб.под. – чистый доход от реализации сельскохозяйственной продукции на 1 га без подтопления и засоления территории, руб.; ЧД с.под. – чистый доход от реализации сельскохозяйственной продукции на 1 га подтопленной и засоленной территории, руб.; F под. – площадь подтопления, заболачивания или засоления, га. Технико-экономическая эффективность назначаемого противофильтрационного мероприятия должна обосновываться многовариантными 86

расчетами эффективности всех альтернативных мероприятий на базе уста- новленного критерия экономической эффективности с учетом организаци- онных, технических и технологических возможностей их проведения [42]. За основу сравнения вариантов противофильтрационных мероприя- тий принимается критерий экономической, r , эффективности в виде [42]: где T – ожидаемый срок службы оросительной системы с момента начала строительства; Dt ,Сt , Kt – вычисленные для рассматриваемого объекта и выбранного противофильтрационного мероприятия положительный результат, теку- щие издержки и капитальные затраты в году t ; Eп – норматив приведения разновременных затрат (E Положительный эффект противофильтрационных мероприятий складывается из трех основных факторов: - экономии оросительной воды; - улучшение мелиоративного состояния орошаемых земель; - повышения коэффициента земельного использования (КЗИ) систе- мы за счет уменьшения поперечного сечения и спрямления русла каналов, облицованных неразмываемыми покрытиями [42]. Количественная оценка эффекта от экономии оросительной воды определяется сферой ее непосредственного использования. Сэкономленная вода может быть сохранена в источнике для повышения экономической устойчивости водоема, передана другой отрасли – потребителю, направле- на на создание новых или повышение водообеспеченности действующих оросительных систем. Два последних случая являются наиболее распространенными, для них экономический эффект, DЭВ , руб., определяется в виде: 87

где  – объем сэкономленной оросительной воды на рассматриваемом объекте в результате действия выбранного противофильтрационного ме- роприятия; λ ЭВ – сложившаяся для региона удельная эффективность 1 м 3 воды. В случае разработки регионального оптимального плана развития и размещения орошения λЭВ является двойной оценкой водных ресурсов. В общем случае λЭВ меняется во времени, однако если изменение поддается прогнозу, ее следует принять постоянной во времени, соответствующей базовому году. Начало отсчета эффекта соответствует моменту начала функционирования системы. Положительное изменение мелиоративного состояния земель может быть выражено количественно, через затраты на сопоставимые альтернативные варианты. Для рассматриваемого эффективного варианта, альтернативным (водоеме), противофильтрационным является устройство мероприятиям противофильтрационного на канале экрана из геомембран (бентоматов). Его сопоставимость выполняется при соблюдении следующего требования: ухудшение мелиоративного состояния земель на вновь вводимых системах недопустимо, а реконструкция существующих оросительных систем должна обеспечить полное восстановление плодородия орошаемых земель [42]. Эффект повышения КЗИ, DЗИ, вычисляется в виде: где λЗИ – удельная оценка эффективности 1 га земли; S – дополнительная площадь, введенная в сельскохозяйственный оборот за счет противофильтрационных мероприятий, га. Величина S существенно зависит от конкретных рельефных и геологических условий и определяется в процессе конкретного проектирования. Начало исчисления эффекта соответствует началу функционирования системы. 88

Текущие издержки Сt по уходу за облицованными каналами определяются, в основном, затратами на текущий ремонт и обслуживание противофильтрационных экранов геомембран. Следует также учитывать поло жительный эффект противофильтрационных покрытий от сокращения час - ти текущих затрат на очистку каналов от сорной растительности и наносов. Количественные удельные показатели текущих затрат на 1 км длины каналов определяются по аналогам. В случае их отсутствия следует использо вать нормативные показатели эксплуатационных затрат [42, 44]. Выделе- ние динамики изменения текущих затрат в течение периода T целесообразно, если имеется прогноз возможного усовершенствования (механизации) способов ухода за противофильтрационными экранами. Капитальные затраты состоят из части капитальных вложений в строительство противофильтрационных экранов и затрат на периодическое их восстановление. Капитальные затраты на противофильтрационные мероприятия в период строительства и реконструкции исчисляются на основе среднестатистических удельных показателей затрат на создание 1 м2 поверхности про- тивофильтрационного экрана и их сроки службы. Чтобы корректно отразить экономическую значимость фактора времени принимается, что на протяжении всего расчетного срока строительства (реконструкции) и функционирования системы в течение T лет экраны, имеющие срок службы меньший, чем T , по мере выхода из строя периодически восстанавливаются с теми же капитальными затратами, что и при строительстве. Если восстановление отдельных объектов по продолжительности выходит за рамки межполивного периода, то к затратам на очередное восстановление экрана добавляются затраты на создание временного компенсирующего водотока. Если компенсировать водоподачу нельзя, то к капитальным затратам суммируется ущерб от сокращения производства сельскохозяйст- венной продукции, вызванного прекращением 89

поливов. Сумма капиталь- ных затрат и ущербов ставится в соответствие тем годам, в которые планируется восстановление [42]. Устанавливаемый порядок распределения инвестиций Kt в течение расчетного периода T исключает необходимость учитывать начисления на реновацию и капитальный ремонт. При технико-экономическом обосновании противофильтрационных мероприятий следует принимать во внимание ограниченность всех видов лимитируемых ресурсов, Ограниченность необходимых воспроизводимых для ресурсов реализации (например, проекта. трудовых) оценивается исходя из нормативного или директивного срока строительства (реконст- рукции) для рассматриваемого объекта. 4.2. Методика расчета экономической эффективности внедрения новой техники и технологии Постоянное совершенствование техники и технологии сопровождается значительными дополнительными капитальными вложениями. Внедрение новой техники и технологии, рационализаторских предложений, оргтехмероприятий будет оправдано лишь тогда, когда оно ведет к снижению себестоимости продукции, повышению производительности труда, улучшению условий труда, повышению качества продукции (экономия у потребителей). Дополнительные капитальные вложения, направленные на повышение совершенствования техники и технологии, должны быть возмещены экономией затрат на производство. За базу сравнения должны приниматься образцы отечественной техники или зарубежной, если на нее имеется документация. На основании данных методических указаний разработаны «Методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятий, направленных на ускорение НТПК в нефтяной промышленности». 90

РД-39-01/06-0001-89 Основными показателями, которыми пользуются при определении экономической эффективности от внедрения новой техники, служат: 1) капитальные вложения, необходимые для внедрения новой техники; 2) себестоимость продукции (затраты на ее производство и реализацию); 3)срок окупаемости дополнительных капитальных вложений и коэффициент их эффективности; 4) приведенные затраты; 5) производительность труда. Помимо основных показателей при выборе экономически наиболее эффективных вариантов внедрения новой техники технологии используются вспомогательные натуральные показатели – удельный расход топлива, энергии, сырья, материалов, количество высвобождаемых рабочих, коэффициент использования оборудования и т.д. Также рассматриваются социально-экономические результаты внедрения новой техники (улучшение условий труда и т.д.). Экономический эффект от мероприятия за условный год: Эt=Рt – Зt где Эt – экономический эффект за расчетный период; Рt – выручка от реализации продукции в году по ценам, установленным в централизованном или договорном порядке; Зt – стоимостная оценка затрат на осуществление мероприятия за условный год. Понятие «капитальные вложения» подразумевают все единовременные затраты, связанные с приобретением, созданием и ростом производственных фондов предприятия. Величину капитальных вложений можно определить среднегодовой стоимостью производственных фондов, которыми располагает предприятие. 91

Основной показатель эффективности внедрения новой техники – годовой экономический эффект, определение которого основывается на сопоставлении приведенных затрат по заменяемой (базовой) и внедряемой технике. Экономический эффект от внедрения новой техники показывает целесообразность внедрения и определения за условный год, то есть в день со дня внедрения и далее календарный год. Если в последующем увеличиваются объемы внедрения или внедрение переносится на ряд родственных предприятий, то данная методика разрешает произвести пересчет по вновь достигнутому объему внедрения и, соответственно, получить новый экономический эффект, доплатить авторам за новый объем. Годовой экономический эффект представляет собой суммарную экономию всех производственных ресурсов (живого труда, общественного труда, капитальных вложений), которую получит народное хозяйство в результате производства и использования новой техники, которая в конечном счете выражается в увеличении национального дохода. Приведенные затраты представляют собой сумму себестоимости и нормативной прибыли: З = С΄+ Ен´К, где З – приведенные затраты, руб.; С΄ – себестоимость единицы продукции (работ), руб.; Ен – нормативный коэффициент капитальных вложений, =0.15; К – удельные капитальные вложения в производственные фонды. Экономия (годовой экономический эффект) рассчитывается: Э =(З1΄-З2΄)´Q2, где З1΄ – затраты на единицу продукции до внедрения (приведенные); З2΄ – затраты на единицу продукции после внедрения; Q2 – добыча (годовой объем продукции) после внедрения. 92

Расчет экономии от внедрения новой техники при изменении объема производства (Q 2): Э = [(С1΄+ЕН ´ К1΄)-(С2΄+ЕН ´ К2΄)]´Q2, где С1΄,С2΄ – себестоимость единицы продукции до и после внедрения новой техники; К1΄,К2΄ – удельные кап. вложения до и после внедрения новой техники. Расчет экономического эффекта от внедрения автоматизации производства: Э =(С1- С2)- ЕН ´ ΔК. Годовой экономический эффект от применения новой технологии, обеспечивающий увеличение добычи и повышение нефтеотдачи, определяется по формуле: Э = (С1΄+ЕН´К1΄)´Q1 + Н´ΔQ – (С2΄+ЕН´К2΄)´Q2, где Н – специальный норматив удельных приведенных затрат на 1 тонну прироста продукции. В тех случаях, когда внедрение новой техники требует дополнительных кап. вложений, обеспечивая при этом равный по сравнению с базовым вариантом объем продукции, применяется формула: Э = (С1΄- С2΄)´Q2 - ЕН´ΔК, где ΔК – дополнительные кап. вложения. Ен = капитальных 0,15 - нормативный коэффициент эффективности вложений. Срок окупаемости: Т =ΔК/ΔС, где ΔК – дополнительные капитальные вложения; ΔС = (С1΄- С2΄)*Q2. 93

4.3. Оценка эколого-экономического эффекта противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов Возможный ущерб окружающей среде при эксплуатации накопителей промышленных отходов складывается из ущерба от подтопления прилегающих и изъятия из сельскохозяйственного оборота прилегающих к ним территорий, а также загрязнения подземных вод фильтрующимися из накопителей стоками. Оценка эколого-экономического эффекта позволяет разработать варианты противофильтрационной защиты, отвечающие с одной стороны, требо- ваниям рационального использования материально-технических и энергети- ческих ресурсов, а с другой - соответствующие задачам охраны природы и защиты подземных вод от загрязнения. Оценка ущерба сельскохозяйственному производству при подтоплении и изъятии земель из сельскохозяйственного производства проводится по формуле га; где Sиз — площадь земель, изъятых из сельскохозяйственного оборота, ЧД — дифференцированный чистый доход в расчёте на 1 га. 94

Рисунок 4.1. Сравнительные технико-экономические показатели устройств каналов в облицовке и в земляном русле(для разных типоразмеров каналов, расчет на 1 км) Рисунок 4.2 - Сравнительные технико-экономические показатели строительства каналов в облицовке и в земляном русле (для разных типоразмеров каналов, расчет на 1000 га) ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основании проведенных автором теоретических экспериментальных и натурных исследований разработан и обоснован комплекс технических решений, связанных с выбором рациональных конструкций противо-фильрационных устройств гидротехнических сооружений. Основные результаты состоят в следующем: 1. На основании рассматриваемой области противофильтрационных аналитического установлено, устройств в обзора что виде исследований существующие облицовок, в типы экранов, 95

противофильтрационных стенок, завес и ядер в ряде случаев недостаточно эффективны, вероятностью что обусловлено несовершенством трещинообразования или их повреждения конструкций, в процессе строительства и эксплуатации. 2. Предложена гидравлическая модель водопроницаемости бетонопленочных облицовок каналов в гидравлической постановке с учетом различных гидравлических сопротивлений при движении фильтрационного потока через свободный х:од "трещина - подплитное пространство — повреждение экрана - грунтовое основание". Модель учитывает случайный характер их распределения по площади облицовки как для редких событий по закону Пуассона. 3. Анализ отечественных и зарубежных исследований позволяет заключить, что срок службы традиционных конструкций бетоноплёночных облицовок с, применением полиэтиленовой пленки составляет до 50 лет, а при использовании геомембран увеличится до 100 лет и более. 4. Для оценки эксплуатационной надежности противофильтрационных устройств в грунтовых плотинах и дамбах предложена методика расчёта фильтрационной прочности грунтовых плотин с малопроницаемым ядром и противофильтрационной завесой в основании, которая позволяет рассчитывать необходимые характеристики фильтрационного потока и проверить основные условия фильтрационной прочности грунта их тела и основания. 96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. A.c. 1532645. СССР, Е 02 в 1/02. Устройство для измерения фильтра- ционных потерь./ Ищенко A.B., Галицкий P.P., Косиченко Ю.М., Рыбалкин В.А (СССР).- № 4398887/23-15;Заявлено 28.03.88; Опубл. 30.12.89, Бюл. №48. 2. Аверьянов С.Ф. Фильтрация из каналов и ее влияние на режим грун- товых вод. - М.: Колос, 1982. - 237 с. 3. Айрапетян P.A. Проектирование каменно-земляных плотин. Л.: Энергия, 1975.-375 с. 4. Арефьев Н.В. Неустановившиеся режимы в бьефах и каналах/в кн. Использование водной энергии: Учебник для вузов/ Под ред. Ю.С.Васильева- 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат,1995. 608с.: ил. (8разд.) 5. Алиев К.А. Резервы экономии оросительной воды на Украине// Ме- лиорация и водное хозяйство, 1989. - № 8. - С. 29-30. 6. Алимов А.Г. Ультразвуковой контроль водонепроницаемости бетона мелиоративных гидротехнических сооружений в процессе эксплуатации. Гидротехническое строительство. 2009. № 4. - С. 23-28. 7. Аликин В.Г. Фильтрационный расчет комбинированного дренажа в неоднородных основаниях плотин из грунтовых материалов.// Конструкции грунтовых плотин и методы их возведения: сб. науч. тр./ ВНИИ ВОДГЕО. - М., 1987. - С. 34-35. 8. Алтунин B.C., Бородин В.А., Ганчиков В.Г., Косиченко Ю.М./ Защит- ные покрытия оросительных каналов. Под. ред. B.C. Алтунина.-М.: Агропромиздат, 1987, 1988.-160с.: ил. 9. Анахаев К.Н. Совершенствование конструкций, методов расчетного обоснования и проектирования противофильтрационных устройств грунтовых плотин // автореф. дис...д-ра. техн. наук. — М., 1997. -53 с. 10. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Фильтрационные расчеты гидротех- нических сооружений. М.: Госстройиздат, 1955. - 456 с. 97

11. Баламирзоев А.Г. Развитие теории и методов прогнозирования суффозионных деформаций при фильтрации в трещиноватых основаниях гидротехнических сооружений// автореф. дис. д-ра. техн. наук. - М., 2006. - 32с. 12. БеловВ.А. Научное обоснование мелиорации малых водоемов и их инженерной защиты// автореф. дис. д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2001.45с. 13. Бойчаров Ю.У., Косиченко Ю.М., Сергеев Б.И. Применение пленоч- ных противофильтрационных экранов для ремонтных работ Большого Став-ропольского канала //Гидротехническое строительство, 1981. - № 6. С. 40-43. 14. Бондаренко В.Л., Гутенев В.В., Ищенко A.B., Бандурин В.А. Оценки экологической безопасности шламонакопителей при воздействии на геоло-гическую среду// Проблемы региональной экологии.- 2005. - № 5.С. 94-103. 15. Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е. О форме ареалов загрязнения подземных вод при фильтрации из удлиненного бассейна// Тр. ВНИИ ВОДГЕО, вып. 70 "Научные исследования в области инженерной гидрологии" М., 1977. 16. Бочевер Ф.М., Лапшин H.H., Орадовская А.Е. Защита подземных вод от загрязнения. М.: Наука, 1979. - 254 с. 17. Васильев С.М. Повышение экологической безопасности способов орошения для формирования устойчивых агроландшафтов в аридной зоне// автореф. дис. д-ра. техн. наук. - Волгоград, 2006, - 35с. 18. Вед ерников В.В. Теория фильтрации и ее применение в области ир- ригации и дренажа. М. - Л.: Госстройиздат, 1939. — 248с. 19. Веригин Н,Н. Потери на фильтрацию и подпор грунтовых вод в каналах и водохранилищах СССР// Прогноз подтопления и проектирования мероприятий по его предотвращению: Сб. научн. тр. ВНИИ ВОДГЕО. М., 1986. - С. 5-8. 98

42. Вызго М.С. Гидравлический расчет фильтрации из каналов и противофильтрационного слоя / АН Каз. ССР. - Алма-Ата, 1959.— 38с. 44. Глебов В.Д. Противофильтрационные конструкции грунтовых гид- ротехнических сооружений //Гидротехническое строительство. 1985. — № 1. - С. 17-20. 45. Гольдин A.JT, Рассказов JI.H. Проектирование грунтовых плотин. /Учебное пособие М.: Изд-во АСВ/ 2001.- 384с. 46. Горбачев P.M. Натурные определения фильтрации из каналов, экра- нированных бетонопленочной облицовкой// Средазгипроводхлопок. — Ташкент, 1974. - Вып. 5. - С. 108 - 113. 47. Жиленков В.Н. О некоторых возможностях уменьшения фильтра- ционных утечек через глинистые экраны золоотвалов и хвостохранилищ. — Труды координационных совещаний по гидротехнике /ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. - Л., 1977. Вып. 113. - С. 7989. 48. Ищенко A.B. Безопасность противофильтрационных защит различных типов гидротехнических сооружений/ Материалы международной научно-практической конференции «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». Часть II. - М.: МГУП. - 2007. - С. 54-60. 49. Кондратьев В.Ф. Фильтрационный расчет дамб обвалования хвостохранилищ, возводимых на отвалах /В.Ф. Кондратьев, И.В. Захарченко // Строительство водонапорных сооружений из грунтовых материалов: тр. / ВОДГЕО. - М.: ВОДГЕО, 1983. - С.49-52. 50.Косиченко Ю.М., Ищенко A.B., Абуханов А.З. Прогноз подтопления левобережной Юмагузинского надпойменной террасы водохранилища// нижнего Мероприятия бьефа плотины антропогенных ландшафтов./ НГМА. — Новочеркасск, 2001. - Т. 15: Экологические аспекты природопользования. - С. 135-145. 51. Недрига В.П. Инженерная защита подземных вод от загрязнения про- мышленными стоками. - М.: Стройиздат, 1976.— 95 с. 99

52.Пониматкин П.У., Хейфец В.Б. Сооружение противофильтрационной завесы траншейным способом// Гидротехническое строительство, 1963, №6.-С. 10-13. 53. СНиП 2.06.03-85.Мелиоративные системы и сооружения ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 60с. 54. Чугаев P.P. Земляные гидротехнические сооружения. JL: Энергия, 1967.- 460 с. 55. Шкура В.Н. Об актуальных вопросах мелиораций водных объектов // В сб. «Гидротехническое строительство» НГМА, Новочеркасск, 2003, -С. 38. 56. Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М., Миронов В.И., Ищенко A.B. и др. Выбор эффективной и надежной противофильтрационной защиты русел открытых каналов при реконструкции оросительных систем (рекомендации)//ФГНУ «РосНИИПМ» - Ростов-н/д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2008. - 68 с. 57. Blimd Н., - Inspection galleries in earth and rockfill dams. Water Power and dam Construction, 1982. Vol. 34, No 4. P. 25-31. 58. Camboa J., Benassini A. behaviour of Netzhaulcoyotl dam during construction. - PASCE. - "Journal of the Soil Mechanics and Foudation Division", 1967, Vol. 93, № 4, P. 211-229. 100

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв

12.34

Мурад Мусаев

Практические положения данной работы могут применяться в качестве первоначальных при оптимизации конструкции подземного контура гидротехнического сооружения.