Анализ состояния и повышение надежности противофильтрационных устройств мелиоративных сооружений РД
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В КОНСТРУКЦИЯХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ 9
1.1. Современное состояние мелиоративного комплекса
Республики Дагестан 9
1.2. Применение противофильтрационных устройств на
оросительных каналах и анализ их недостатков 11
1.3. Анализ и оценка эффективности противофильтрационных
устройств облицованных каналов 15
1.4. 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 36
2.1. Методика проведения натурных исследований
фильтрационных потерь через облицовки 36
2.2. Результаты натурных обследований нарушений
противофильтрационных облицовок при эксплуатации оросительных каналов 42
2.3. Статистический анализ натурных данных работоспособности
об лицовок на действующих каналах 43
2.4. Натурные наблюдения неустановившейся фильтрации через
повреждения бетонопленочной облицовки 48
2.5. Пример оценки эффективности применения
противофильтрационного покрытия при реконструкции магистрального канала 54
Выводы: по главе 2 72
ГЛАВА 3. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬ - НЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ 71
31. Выбор рациональных конструкций ПФУ при реконструкции каналов в земляном русле 71
3.2. Выбор типа противофильтрационной защиты конструкции
ПФЗ при реконструкции каналов в облицовке 74
3.3. Разработанные и рекомендуемые рациональные конструкции
противофильтрационных облицовок на каналах 77
3.4 Повышение противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов
3.5. Рекомендуемые конструкции дренажных устройств облицовок каналов
3.6. Обоснование оптимального уровня надежности противофильтрационных облицовок каналов
3.7. Методика расчета водопроницаемости бетонопленочных противофильтрационных облицовок каналов
Выводы по главе 3
4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
4.1. Оценка экономической эффективности от проведения противофильтрационных мероприятий на оросительных каналах
4.2. Методика расчета экономической эффективности внедрения новой техники и технологии
4.3. Оценка эколого-экономического эффекта противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В КОНСТРУКЦИЯХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ 9
1.1. Современное состояние мелиоративного комплекса
Республики Дагестан 9
1.2. Применение противофильтрационных устройств на
оросительных каналах и анализ их недостатков 11
1.3. Анализ и оценка эффективности противофильтрационных
устройств облицованных каналов 15
1.4. 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 36
2.1. Методика проведения натурных исследований
фильтрационных потерь через облицовки 36
2.2. Результаты натурных обследований нарушений
противофильтрационных облицовок при эксплуатации оросительных каналов 42
2.3. Статистический анализ натурных данных работоспособности
об лицовок на действующих каналах 43
2.4. Натурные наблюдения неустановившейся фильтрации через
повреждения бетонопленочной облицовки 48
2.5. Пример оценки эффективности применения
противофильтрационного покрытия при реконструкции магистрального канала 54
Выводы: по главе 2 72
ГЛАВА 3. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬ - НЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ 71
31. Выбор рациональных конструкций ПФУ при реконструкции каналов в земляном русле 71
3.2. Выбор типа противофильтрационной защиты конструкции
ПФЗ при реконструкции каналов в облицовке 74
3.3. Разработанные и рекомендуемые рациональные конструкции
противофильтрационных облицовок на каналах 77
3.4 Повышение противофильтрационной эффективности облицовок оросительных каналов
3.5. Рекомендуемые конструкции дренажных устройств облицовок каналов
3.6. Обоснование оптимального уровня надежности противофильтрационных облицовок каналов
3.7. Методика расчета водопроницаемости бетонопленочных противофильтрационных облицовок каналов
Выводы по главе 3
4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
4.1. Оценка экономической эффективности от проведения противофильтрационных мероприятий на оросительных каналах
4.2. Методика расчета экономической эффективности внедрения новой техники и технологии
4.3. Оценка эколого-экономического эффекта противофильтрационной защиты накопителей промышленных отходов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА
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 трещино - образования 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.
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, битумнополимерных 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 противофильтрационной эффективностью.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и научное обоснование новых и совершенствование существующих конструкций противофильтрационных устройств гид - ротехнических сооружений на основе комплексных экспериментально - теоретических 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 исследования, 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;
-физического моделирования задач фильтрации на экспериментальных 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 каналов;
-методика обоснования выбора рациональных противофильтрационных облицовок, позволяющая определять оптимальные значения их коэффициентов 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 уровень эффективности облицовок с пленочным экраном и геомембраной и разработан алго ритм выбора целесообразного типа облицовок.
Разработан способ повышения противофильтрационной эффективности 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 допускаемые 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 таблиц, 28 рисунков. Список литературы состоит из 58 наименований, в том числе 2 - иностранных авторов.
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 трещино - образования 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.
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, битумнополимерных 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 противофильтрационной эффективностью.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и научное обоснование новых и совершенствование существующих конструкций противофильтрационных устройств гид - ротехнических сооружений на основе комплексных экспериментально - теоретических 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 исследования, 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;
-физического моделирования задач фильтрации на экспериментальных 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 каналов;
-методика обоснования выбора рациональных противофильтрационных облицовок, позволяющая определять оптимальные значения их коэффициентов 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 уровень эффективности облицовок с пленочным экраном и геомембраной и разработан алго ритм выбора целесообразного типа облицовок.
Разработан способ повышения противофильтрационной эффективности 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 допускаемые 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 таблиц, 28 рисунков. Список литературы состоит из 58 наименований, в том числе 2 - иностранных авторов.
На основании проведенных автором теоретических экспериментальных и натурных исследований разработан и обоснован комплекс технических решений, связанных с выбором рациональных конструкций противофильрационных устройств гидротехнических сооружений.
Основные результаты состоят в следующем:
1. На основании аналитического обзора исследований в рассматриваемой области установлено, что существующие типы противофильтрационных устройств в виде облицовок, экранов, противофильтрационных стенок, завес и ядер в ряде случаев недостаточно эффективны, что обусловлено несовершенством их конструкций, вероятностью трещинообразования или повреждения 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 ход "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.
Основные результаты состоят в следующем:
1. На основании аналитического обзора исследований в рассматриваемой области установлено, что существующие типы противофильтрационных устройств в виде облицовок, экранов, противофильтрационных стенок, завес и ядер в ряде случаев недостаточно эффективны, что обусловлено несовершенством их конструкций, вероятностью трещинообразования или повреждения 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 ход "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.