close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Высоконадежные конструкции противофильтрационных экранов прудов-накопителей и оросительных каналов с использованием геокомпозитов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
БАЕВ ОЛЕГ АНДРЕЕВИЧ
ВЫСОКОНАДЕЖНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭКРАНОВ
ПРУДОВ-НАКОПИТЕЛЕЙ И ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОКОМПОЗИТОВ
05.23.07 – Гидротехническое строительство
Автореферат
Диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2015
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном
учреждении «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГБНУ «РосНИИПМ»)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
Косиченко Юрий Михайлович
Официальные оппоненты: Сольский Станислав Викторович
доктор технических наук, заведующий отделом
«Основания, грунтовые и подземные сооружения», Акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники
имени Б. Е. Веденеева»
Кашарин Денис Владимирович
кандидат технических наук, доцент, профессор
кафедры «Водное хозяйство, инженерные сети и
защита окружающей среды» ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический
университет (НПИ) имени М. И. Платова»
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное научное
учреждение
«Всероссийский
научноисследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова»
Защита состоится «17» ноября 2015 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.03, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. № 9, «Открытая сеть» МГСУ
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» и на сайте http://www.mgsu.ru
Автореферат разослан «___» октября 2015 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Бестужева
Александра Станиславовна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. На протяжении последних 60 лет в
области мелиорации одной из основных проблем являются большие потери воды из-за низкого технического уровня и значительной степени износа оросительной сети, достигающие в целом по России до 4,8 км3/год. При этом до
80-90 % этих потерь происходит вследствие фильтрации из оросительных каналов. Так, в современных условиях коэффициент полезного действия (КПД) оросительных каналов составляет 0,75-0,80, что свидетельствует о имеющихся потерях только в транспортирующей магистральной и распределительной сети в
пределах 20-25 %.
Согласно Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года для сокращения потерь воды в водопроводящих элементах водохозяйственных систем мелиоративного комплекса требуется реконструкция и модернизация систем водоподачи, восстановление и устройство облицовок каналов.
Начиная с середины ХХ века по настоящее время, достаточно остро стоят
проблемы негативного влияния различных накопителей отходов (прудовнакопителей, хвостохранилищ, шламохранилищ и других), а также каналов
оросительных систем, выполненных в земляном русле, на окружающую природную среду, в частности на грунтовые воды. Накопители отходов являются
опасными источниками загрязнения окружающей среды. Особенно те из них,
которые не оборудованы противофильтрационными экранами (ПФЭ).
Одним из путей повышения противофильтрационной эффективности и
срока службы конструкций ПФЭ накопителей и оросительных каналов является
применение геокомпозитных материалов (ГКМ). Именно это последнее поколение материалов обеспечивает высокую надежность конструкций ПФЭ, что
особенно важно для каналов на опасных участках в насыпи, косогорах, и где
проявляются карстово-суффозионные и просадочные процессы, а также для накопителей жидких и токсичных отходов, поскольку любые утечки из них, даже
самые незначительные, приводят к загрязнению грунтовых вод и подтоплению
территорий.
Степень разработанности темы исследований. Изучением противофильтрационных экранов из пленочных материалов толщиной 0,2 мм в период
1950-1990 гг. занимались многие отечественные ученые (И. Е. Кричевский,
В. Д. Глебов, И. М. Елшин, Ю. М. Косиченко, В. В. Сокольская, В. П. Лысенко,
А. А. Миронов,
Н. А. Кильдишев,
В. А. Белов,
А. В. Ищенко,
Л. Е. Чернышевская, С. Н. Ворошнов, А. Г. Алимов и другие).
В США еще с 1946 г., а в Европе в конце 1950-х начали проводиться исследования и натурные эксперименты по использованию более надежных покрытий из полимерных геомембран толщиной 1,0-2,0 мм при строительстве и
реконструкции каналов и плотин (A. M. Scuero, G. L. Wasketti, R. T. Chuch,
C. E. Staff, R. E. Rowe, W. I. Brachman и др.). В России такие покрытия из геомембран стали разрабатываться и применяться только с 1995 г.
(О. И. Гладштейн,
С. В. Сольский,
В. Г. Радченко,
Е. О. Скляренко,
М. А. Чернов, О. Ю. Лупачев, А. В. Прямицкий). Однако до настоящего време-
4
ни исследования по применению геокомпозитных материалов для противофильтрационных целей проводились ограниченно в качестве поисковых работ.
Цель работы заключается в разработке и исследовании высоконадежных
конструкций ПФЭ прудов-накопителей и оросительных каналов с использованием геокомпозитов, которые представляют собой сочетание двух-трех геосинтетических материалов и за счет этого позволяют обеспечить более высокую их
эффективность и надежность.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
- изучить и проанализировать отечественный и зарубежный опыт применения геосинтетических материалов (ГСМ) на прудах-накопителях и оросительных каналах;
- проанализировать и усовершенствовать классификацию ГСМ применительно к ПФЭ;
- разработать высоконадежные конструкции ПФЭ из ГКМ для прудовнакопителей и оросительных каналов;
- провести лабораторные исследования процесса регенерации и гидратации геокомпозитных бентонитовых матов;
- разработать теоретическую и компьютерную модель процесса фильтрации через малые отверстия в полимерных экранах;
- провести натурные исследования современных ПФЭ с использованием
геосинтетических и геокомпозитных материалов;
- разработать критерии технической эффективности и эксплуатационной
надежности геомембран и бентонитовых матов в конструкциях ПФЭ;
- разработать рекомендации по применению высоконадежных конструкций ПФЭ из ГКМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- дано обоснование целесообразности применения ГКМ в конструкциях
ПФЭ прудов-накопителей и оросительных каналов;
- разработаны новые высоконадежные комбинированные и самозалечивающиеся конструкции ПФЭ с использованием геокомпозитов, новизна ряда
которых подтверждена патентами и положительными решениями на изобретения Российской Федерации;
- изучен процесс самозалечивания и гидратации геокомпозитных бентонитовых матов при повреждаемости;
- на основании проведенных теоретических и лабораторных исследований
получены новые зависимости для определения расхода и осредненного коэффициента фильтрации через малые повреждения-проколы в геомембране для
условий осесимметричного движения фильтрационного потока;
- проведено компьютерное моделирование процесса фильтрации через
малые повреждения в геомембране для осесимметричного и плоского течения,
результаты которого сопоставлены с теоретическими и эмпирическими зависимостями;
- дано расчетное обоснование применения защитных прокладок из геотекстиля в конструкциях ПФЭ из геомембран;
- разработаны критерии технической эффективности и эксплуатационной
надежности ГКМ в конструкциях ПФЭ.
5
Теоретическую и практическую значимость работы составляют:
- разработанные высоконадежные конструкции ПФЭ с использованием
геокомпозитов;
- теоретически обоснованные основные зависимости для оценки водопроницаемости ПФЭ из полимерных геомембран;
- проведенная теоретическая оценка эксплуатационной надежности противофильтрационных экранов из геокомпозитов с использованием диагностических показателей на основе метода Байеса;
- предложенные и уточненные показатели технической эффективности и
эксплуатационной надежности геомембран и геокомпозитов в конструкциях
экранов;
- разработанные рекомендации по применению высоконадежных конструкций ПФЭ из ГКМ для прудов-накопителей и каналов.
Методология и методы диссертационного исследования. Методология
представленной работы заключается в разработке и исследовании высоконадежных конструкций противофильтрационных экранов с использованием материалов нового поколения – геокомпозитов.
При проведении исследований использовались лабораторные, теоретические и натурные методы. Лабораторные исследования проводились на масштабной физической модели в фильтрационном лотке с соблюдением критерия моделирования. При проведении теоретических исследований использовались методы
теории фильтрации (метод конформных отображений) и теории надежности (метод Байеса). Натурные исследования проводились на действующем (Донском магистральном канале) и строящемся (пруд-накопитель жидких отходов в г. Тихорецк) объектах.
Положения, выносимые на защиту:
- разработанные новые высоконадежные конструкции ПФЭ с использованием ГКМ, включающих совместно два и более различных ГСМ (геомембрану,
геотекстиль, геосетку, георешетку, бентоматы), обеспечивающие наиболее высокие показатели водонепроницаемости, прочности, сопротивляемости прокалыванию и долговечности;
- результаты экспериментальных и теоретических исследований по обоснованию применения ГКМ в конструкциях ПФЭ для прудов-накопителей жидких отходов и оросительных каналов с целью повышения их надежности и
безопасности;
- результаты исследований процесса самозалечивания полимерных ПФЭ с
использованием бентонита;
- расчетные зависимости для оценки водопроницаемости ПФЭ с использованием геомембран при наличии в них случайных малых повреждений в виде
проколов;
- количественная оценка эксплуатационной надежности высоконадежных
конструкций ПФЭ, включающих геомембрану и один-два слоя защитных прокладок из геотекстиля, основанная на методе Байеса;
- рекомендации по применению высоконадежных конструкций ПФЭ из
геокомпозитных материалов.
6
Степень достоверности исследований подтверждается экспериментальными исследованиями, которые проводились с использованием современных
приборов и оборудования, обработкой полученных данных с применением ЭВМ,
сопоставлением результатов компьютерного и физического моделирования, а
также с данными, полученным по формулам других авторов.
Внедрение результатов. Одна из конструкций ПФЭ была включена в
проект реконструкции пруда «Казенный» в г. Шахты Ростовской области, а
разработанные рекомендации внедрены в ФГБУ «Управление «Ростовмелиоводхоз» при проведении реконструкции участка Донского магистрального канала на 103-105 км с ожидаемым экономическим эффектом 5,4 млн руб.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на 12 научно-практических конференциях,
в том числе на международных научно-практических конференциях «Строительство 2012», «Строительство 2014», ФГБОУ ВПО «РГСУ» (г. Ростов-на-Дону,
2012, 2014 гг.); научно-практической конференции «Эксплуатационная надежность и безопасность гидротехнических сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ»
(г. Новочеркасск, 17 мая 2013 г.); XVII «Агропромышленном форуме Юга России» (г. Ростов-на-Дону, 25-28 февраля 2014 г.); международной научнопрактической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России» (ФГБОУ ВПО РГАУ МСХА им. К. А. Тимирязева, г. Москва,
22 мая 2014 г.); международной научно-практической конференции молодых
ученых и специалистов «Актуальные научные исследования в области мелиорации» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск, 26 сентября 2014 г.); международной научной конференции «Innovation 2014» (Ташкент, 23 сентября 2014 г.).
За разработку высоконадежных конструкций противофильтрационных
облицовок и экранов из геосинтетических материалов на каналах и водоемах
автор, в составе творческого коллектива ФГБНУ «РосНИИПМ», удостоен серебряной медали на Всероссийской агропромышленной выставке «Золотая
осень» (г. Москва, 9-12 октября 2013 г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 27 печатных работ, в
том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,
рекомендованных ВАК РФ, монография и 4 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,
заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем
работы составляет 210 страниц машинописного текста, включая 63 рисунка,
28 таблиц, список литературы из 190 наименований, в том числе 20 иностранных источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность темы диссертации, поставлена цель
и основные задачи исследований, которые необходимо было решить для достижения поставленной цели, сформулирована научная новизна, теоретическая и
практическая значимость, а также методы исследований и достоверность, при-
7
ведены результаты внедрения и апробации основных результатов диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен обзор отечественной и зарубежной литературы
по вопросам применении ГСМ в конструкциях противофильтрационных экранов прудов-накопителей и оросительных каналов. При этом отмечается, что для
повышения надежности, долговечности и противофильтрационной эффективности необходимо применение высоконадежных конструкций ПФЭ с использованием современных ГКМ.
Проведенный анализ исследований ПФЭ из ГСМ свидетельствует о том,
что в России они проводились по вопросам повреждаемости, долговечности и
водопроницаемости, но в основном, для пленочных экранов. В связи с этим в
дальнейшем требуется проведение аналогичных исследований, но для геокомпозитных материалов, а также проведение комплекса экспериментальнотеоретических исследований, подтверждающих их эффективность применения
для ПФЭ и долговечность.
Автором была предложена усовершенствованная классификация ГСМ
для ПФЭ и дренажных систем, которая включает в себя классификацию по версии IGS – Международного Геосинтетического общества, стандарта
ISO 10318:2005 и другие классификации. В разработанной классификации ГСМ
подразделяются на 2 группы, с последующим их подробным делением на подгруппы по выполняемым функциям.
Во второй главе представлены разработанные высоконадежные конструкции ПФЭ с использованием геокомпозитных и геосинтетических материалов. Систематизированы и обоснованы требования, предъявляемые к таким материалам, конструкциям экранов и отдельным конструктивным элементам.
На основании проведенных исследований и изучения отечественного и
зарубежного опыта применения ГСМ в гидротехническом строительстве, автором совместно с Ю. М. Косиченко разработан ряд новых высоконадежных конструкций ПФЭ с применением ГКМ.
К высоконадежным конструкциям ПФЭ следует относить конструкции,
включающие элементы из геосинтетических и геокомпозитных материалов, обладающие повышенными физико-механическими характеристиками, водонепроницаемостью (противофильтрационный эффект с осредненным коэффициентом фильтрации экрана не более 10 8 см/с), деформационной способностью и
гибкостью, с прогнозным сроком службы таких экранов от 50 до 100 лет.
В связи с этим автором разработаны новые высоконадежные конструкции
противофильтрационных экранов на основе различных ГКМ (рисунок 1) и комбинированные конструкции экранов (рисунок 2).
Такие конструкции экранов включают в себя два-три и более различных
отдельных функциональных элементов из ГСМ.
Применение высоконадежных комбинированных конструкций на оросительных каналах и водоемах позволяет экономить водные ресурсы на 20-30 %
за счет исключения фильтрации, а также создавать более благоприятную экологическую обстановку на прудах-накопителях.
8
а)
б)
в)
г)
а – с полимерным закрепителем поверхности и геокомпозитом (БМ + ГМ);
б – с защитным покрытием из бетона и геокомпозитом (ГТ + ГМ + ГТ); в – с геокомпозитом
(БМ + ГС) и защитным покрытием из габионов; г – с защитным покрытием из георешетки и
геокомпозитом (ГМ + ГТ); 1 – защитное покрытие; 2 – геомембрана (ГМ); 3 – бентомат (БМ);
4 – полимерный закрепитель грунта; 5 – подстилающий слой; 6 – геотекстиль (ГТ); 7 – геосетка (ГС); 8 – георешетка (ГР)
Рисунок 1 – Разработанные конструкции ПФЭ с использованием
геокомпозитов
а)
б)
а – с геомембраной и армирующим слоем; б – с геомембраной и бентонитом;
1 – полимерная геомембрана; 2 – тканый геотекстиль; 3 – нетканый геотекстиль; 4 – грунтовое
естественное основание; 5 – защитное покрытие; 6 – геосетка; 7 – бентонитовый порошок
Рисунок 2 – Комбинированные конструкции противофильтрационных экранов
Кроме того, в главе приведены условия применения ПФЭ в сложных инженерных условиях, предложены новые технические решения по созданию
ПФЭ при малой и средней деформируемости основания, инфильтрации и подпоре грунтовыми водами.
На рисунке 3 представлены варианты разработанных автором самозалечивающихся конструкций ПФЭ с использованием бентонита и других ГСМ, на
вторую конструкцию получено положительное решение на изобретение РФ (заявка на изобретение РФ № 2013153860). Наряду с этим, в диссертации приведены и другие варианты самозалечивающихся экранов, в частности противофильтрационные покрытия с бентонитовым жгутом (патент РФ № 2542760) и с бентоматами на просадочных грунтах (патент РФ № 2523499).
9
а)
б)
а – с геокомпозитом (бентомат) и защитным покрытием из каменной наброски;
б – с геокомпозитом (геомембрана + термоскрепленный геотекстиль) и защитным покрытием
из грунта
Рисунок 3 – Самозалечивающиеся конструкции противофильтрационных
экранов с использованием бентонита
Применение разработанных самозалечивающихся ПФЭ оросительных каналов и прудов-накопителей позволит исключить трудоемкий процесс контроля
повреждений, их раскопки и ремонта, а также обеспечить герметичность экрана
в случае механических повреждений.
Данные конструкции обладают свойством регенерации образованных повреждений за счет увеличения в объеме бентонита в составе бентонитовых матов
при их увлажнении в процессе эксплуатации сооружений.
Для проведения ремонтных работ с участием автора также разработан способ заделки очага фильтрационных деформаций с использованием габионногеомембранной конструкции (патент на изобретение РФ № 2562487).
В третьей главе приведены результаты проведенных автором лабораторных исследований процесса гидратации и регенерации геокомпозитов, а также
физическое моделирование процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране на фильтрационном лотке.
Задачей лабораторных экспериментов являлось исследование процесса регенерации (самозалечивания) повреждений в полимерных экранах (с геомембраной) бентонитовым порошком и определение величины гидратации
Ca-бентонита под геомембраной без защитного покрытия, а также оценка водопроницаемости полимерных экранов при наличии малых повреждений на
фильтрационном лотке.
По результатам лабораторных исследований гидратации и регенерации
геокомпозитов, была установлена эффективность самозалечивания повреждений (в виде малых отверстий) в геомембране, которая свидетельствует о том,
что, чем больше отверстие в геомембране ( d  10 мм), тем эффективнее происходит регенерация в виде выходов бентонита наружу. При наличии малых отверстий ( d  1,0  5,0 мм) эффективность снижается, но в подэкрановом основании (под геомембраной) образуется вязкий гель из бентонита, препятствующий
дальнейшей фильтрации жидкости, обеспечивая герметичность конструкции.
10
Для физического моделирования процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране использовался фильтрационный лоток, заполненный
песком, имеющий размеры 1,4 × 1,4 × 0,47 м. Физическая модель противофильтрационного экрана из полимерной геомембраны с защитным покрытием и
подстилающем слоем была выполнена из геомембраны (пленки) толщиной
δм = 0,2 мм при принятом линейном масштабе на модели l  5 , что соответствует толщине геомембраны в натуре  н  1,0 мм. Применение тонкой геомембраны (пленки) обеспечивало плотное прилегание экрана к подстилающему основанию под действием нагрузки от защитного слоя толщиной  0 . Толщина
защитного слоя в натуре принималась в пределах  0 н  0,50  1,0 м, и соответственно, на модели  0 м  0,10  0,20 м.
При проведении лабораторных исследований использовалась теория планирования эксперимента.
После математической обработки, общая зависимость фильтрационного
расхода от указанных факторов получилась следующего вида:
q 0  f (h0 ,  0 , r0 , k1 , k 2 ) ,
(1)
где h0 – глубина воды,  0 – толщина защитного покрытия, r0 – радиус малого
отверстия в геомембране; k1 ,k 2 – коэффициенты фильтрации, соответственно,
грунта защитного слоя и подстилающего основания.
С целью сокращения числа факторов, представим зависимость в безразмерном виде:
У   ( x1 , x2 , x3 ) ,
(2)
q

r
k
где У  0 2 ; x1  0 ; x2  0 ; x3  1 .
h0
h0
k2
k 2 h0
По результатам проведенного физического масштабного моделирования
на фильтрационном лотке автором была получена эмпирическая формула в виде полинома для безразмерных параметров:
q0

r
 k
k
 0,0239  0,0044( 0 )  0,0091( 0 )  0,00158( 1 )  0,00157( 0 )( 1 ) . (3)
2
k 2 h0
h0
h0
k2
h0 k 2
В четвертой главе представлены теоретические исследования водопроницаемости противофильтрационных экранов с использованием геосинтетических материалов.
Изучение водопроницаемости ПФЭ является важной задачей для оценки
их эффективности и определения потерь на фильтрацию из каналов и водоемов.
При этом под нарушенной сплошностью экранов будем понимать наличие в
основном ее элементе – экране из геомембраны сквозных повреждений в виде
проколов. Рассмотрим решение задачи фильтрации через малое отверстие в полимерном экране из геомембраны с защитным слоем в грунтовое основание неограниченной мощности (рисунок 4).
11
I – 1-й фрагмент области фильтрации; II – 2-й фрагмент области фильтрации;
1 – полимерный экран; 2 – отверстие (прокол); 3 – защитный слой грунта; 4 – подэкрановое
основание
Рисунок 4 – Физическая область фильтрации через отверстие в
полимерном экране
Движение фильтрационного потока для данной расчетной схемы является
осесимметричным, которое может быть представлено как частный случай пространственного течения относительно оси симметрии 0Z. При этом в радиальных сечениях движение потока по существу будет плоским, для исследования
которого в теории фильтрации широко используется метод конформных отображений.
Приближенное решение данной задачи состоит сначала в рассмотрении
плоской задачи с последующим установлением связи с осесимметричной задачей с помощью p -аналитических функций комплексного переменного.
Метод приведения осесимметричной фильтрации к плоской, основан на
применении интегральных преобразований:
r
dξ
~
 r , z     ξ, z  2
,
(4)
r  ξ2
0
r
dξ
~
ψr , z    ψξ , z  2
,
(5)
r  ξ2
0
где ~r, z  , ~r, z  – функции потенциала скорости и расхода осесимметричного потока;  r, z  ,  r, z  – потенциальная функция и функция расхода плоского потока.
Функция осесимметричного потока:
~ ζ   ~r , z   iψ
~ r, z  ,
ω
(6)
является p -аналитической функцией комплексного переменного ζ  r  iz с
характеристикой p = r , которую поэтому называют r -аналитической, а функ-
12
ция плоского потока:
ωζ    ξ, z   iψξ, z  ,
(7)
является аналитической функцией комплексного переменного ζ  ξ  iz .
Функция осесимметричного потока (6) и плоского потока (7) связаны соответственно следующей системой дифференциальных уравнений:
~ ~
~
~ 1 ψ
1 ψ
 
,
 
;
(8)
r r z z
r r
 ψ 
ψ

,

.
(9)
ξ z z
ξ
Согласно П. Я. Полубариновой-Кочиной, при решении плоской задачи
граничные условия должны измениться. Используя обратные интегральные
преобразования (4), (5) перевода функций осесимметричного течения в плоское, получены граничные значения потенциальной функции и функции тока
для данной задачи.
Ввиду сложности решения задачи для заданной расчетной схемы (см. рисунок 4), разделим всю область фильтрации на два фрагмента по плоскости полимерного экрана 6-0-6΄. Тогда 1-й фрагмент будет относиться к области
фильтрации с напорным движением в пределах защитного слоя, а 2-й фрагмент
к области фильтрации в подэкрановом основании с напорно-безнапорным движением фильтрационного потока.
Граничные условия для расчетной схемы приняты следующими: напор по
верхней границе защитного слоя равен Н 1  h0   0 , а по его нижней границе в
пределах отверстия 1-0-1΄ Н 1  h1 , где h1 – остаточный пьезометрический напор
на границе фрагментов в сечении 1-1. Тогда действующий напор в 1-м фрагменте составит Н  H 1  H 2  h0   0  h1 , а во 2-м фрагменте Н 1  h1  H к , где
Нк – капиллярный вакуум грунта основания экрана. При этом во 2-м фрагменте
образуются кривые свободной поверхности 4-5 и 4΄-5΄, где движение фильтрационного потока становится безнапорным с радиусом растекания непосредственно под экраном R1 и на бесконечности R∞.
После проведения ряда преобразований и упрощений в соавторстве с
Ю. М. Косиченко получена уточненная формула для определения фильтрационного расхода через единичное отверстие в геомембране:
2 2 k1 r0 (h0   0  h1 )
q0 
,
(10)
ln(8 0 / r0 )
где h1 – пьезометрический напор в отверстии экрана.
Решение задачи для 2-го фрагмента также осуществляется методом конформных отображений, но с использованием годографа скорости.
Зависимость для определения фильтрационного расхода через отверстие
экрана в этом случае будет:
2 2 k 2 r0 ( Н к  h1 )
q0 
,
(11)
Аrch(1 /   1)
где α – параметр, определяемый методом последовательных приближений.
13
Для определения пьезометрического напора в отверстии экрана h1 по
уравнению неразрывности потока приравниваем фильтрационные расходы в
1-м и 2-м фрагментах по (10) и (11), откуда получим:
2 (h0   0 ) Arch(1 /   1)  Н к ln(8 0 / r0 )
h1 
,
(12)
2Arch(1 /   1)  ln(8 0 / r0 )
где   k1 / k 2 .
Радиус растекания фильтрационного потока под экраном R1 определяется
по уравнению:
q 1 Arch(1 /  )
R1  2 0 
d  r0 .
(13)
 k 2 0 (1   )(   )
Для компьютерного моделирования процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране использовался программный комплекс «Comsol
Multiphysics». При этом определение граничных условий модели выполнялось в
среде программирования «Mathcad».
Моделирование проводилось с помощью основного дифференциального
уравнения Лапласа для условий установившейся фильтрации. Решение дифференциального уравнения осуществляется численным методом с использованием
метода конечных элементов. Схема моделирования фильтрации через малое отверстие в ПФЭ из полимерной геомембраны принималось соответствующей
рисунку 4. Граничные условия также соответствовали теоретической задаче.
Картина пространственной осесимметричной фильтрации через малое отверстие
в полимерной геомембране (рисунок 5, а), представляет собой куполообразное
растекание потока под экраном. На рисунке 5, б, представлена гидродинамическая сетка для плоской модели фильтрации через отверстие в геомембране.
а – пространственная осесимметричная фильтрация через отверстие; б – гидродинамическая
сетка фильтрации через отверстие
Рисунок 5 – Картина фильтрации через малое отверстие в геомембране
14
По результатам компьютерного моделирования был изучен процесс
фильтрации через малые единичные отверстия, а полученные результаты
фильтрационного расхода были сопоставлены с наиболее точной теоретической
формулой (10) и формулами других авторов.
Для анализа результатов, а также с целью их практического использования,
автором проведены расчеты по полученным формулам и построены соответст и ковующие графики изменения осредненного коэффициента фильтрации k ПФЭ
эффициента эффективности К ЭФ геомембранной конструкции ПФЭ.
На основе обобщения отечественного и зарубежного опыта применения и
проведенных исследований эффективности ПФЭ с применением полимерных
геомембран и бентоматов нами предлагаются критерии технической эффективности и эксплуатационной надежности ПФЭ оросительных каналов, водоемов и
накопителей с использованием современных ГСМ (геомембран и геотекстилей):
- по водонепроницаемости экранов с применением геомембран:
′ ≤ k ГМ.ДОП
′
k ГМ
;
(14)
- по прочности геомембраны:
 ГМ   ГМ.ДОП ;
(15)
- по относительному удлинению геомембраны:
 ГМ   ГМ.ДОП ;
(16)
В левой части этих соотношений приведены осредненные показатели по
данным исследований, а в правой – их допускаемые значения. В диссертации
также даны критерии эффективности и надежности ПФЭ из бентонитовых матов.
Для получения расчетной оценки эксплуатационной надежности различных конструкций противофильтрационных экранов, в том числе высоконадежных конструкций из геокомпозитных материалов, используем известную в теории надежности формулу Байеса.
Из формулы Байеса расчетная формула для оценки вероятности диагноза
(состояния) различных конструкций полимерных экранов в зависимости от априорного диагноза диагностических признаков K 1 и K 2 получит следующий вид:
P D j   PK1 D j P K 2 D j 
P D j K1 K 2  
;
PD1 P K1 D1 P K 2 D1   P D2 PK1 D2 PK 2 D2  

 PD3 PK1 D3 PK 2 D3   PD4 P K1 D4 P K 2 D4 
,
(17)
где j  1...4
При этом рассмотрим следующие их диагнозы (состояния): D1 – отказы
вследствие образования сквозных механических повреждений экрана; D2 – отказы при деформации основания экрана; D3 – отказы вследствие старения полимерного материала; D4 – нормальное (безотказное) состояние экрана.
В процессе эксплуатации проверяются два диагностических признака:
K 1 – показатель водонепроницаемости экрана (осредненный коэффициент
фильтрации); K 2 – деформации основания экрана.
15
Расчетную оценку надежности современных конструкций экранов выполним для следующих конструкций экранов: тип 1 – традиционный пленочный из полиэтиленовой пленки толщиной 0,2-0,4 мм; тип 2 – из геомембраны
толщиной 1,0 мм; тип 3 – из геомембраны и одним слоем защитной прокладки
из геотекстиля сверху с плотностью 450 г/м2; тип 4 – из геомембраны с двумя
слоями геотекстиля плотностью 450 г/м2 сверху и снизу. Последние две конструкции отнесены к высоконадежным из ГКМ.
При определении вероятности каждого диагноза P D j  учитывались
имеющиеся статистические данные повреждаемости пленочных ПФЭ за период
наблюдений с 1971 по 2011 годы. Результаты расчетов по формуле (17) представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты оценки эксплуатационной надежности различных
конструкций противофильтрационных экранов с учетом их
диагностических признаков и состояний
Dj
D1
D2
D3
D4
Тип
экрана
Тип 1
Тип 2
Тип 3
Тип 4
Тип 1
Тип 2
Тип 3
Тип 4
Тип 1
Тип 2
Тип 3
Тип 4
Тип 1
Тип 2
Тип 3
Тип 4
Вероятность признаков и априорных состояний
P( K 1 / D j )
P( K 2 / D j )
P( D j )
0,80
0,30
0,25
0,20
0,70
0,30
0,20
0,15
0,80
0,35
0,30
0,05
0,02
0,05
0,04
0,05
0,70
0,20
0,20
0,15
0,60
0,25
0,15
0,10
0,70
0,25
0,15
0,00
0,02
0,03
0,05
0,05
0,535  10 2
0,381  10 3
0,106  10 3
0,027  10 3
0,375  10 2
0,2  10 3
0,025  10 3
0,075  10 3
0,075  10 2
0,05  10 3
0,013  10 3
0,003  10 3
0,9901
0,9994
0,9998
0,9999
Вероятность появления
диагноза (состояния)
P( D j / K1 K 2 )
0,723
0,0125
0,00266
0,000324
0,380
0,00975
0,000375
0,000045
0,101
0,00284
0,000282
0
0,158
0,600
0,800
0,9999
Проведенные расчеты вероятности появления диагнозов различных конструкций экранов, свидетельствуют о том, что при наличии признаков K 1 и K 2
наиболее вероятным является диагноз D1 – образование сквозных повреждений
в пленочном экране с вероятностью 0,723. Для высоконадежных конструкций
экранов с защитными прокладками из геотекстиля, вероятность нормального
(работоспособного) состояния экрана D4 составляет от 0,80 м и более, а для экрана из геомембраны с двумя слоями геотекстиля вероятность этого состояния
возрастает до 0,9999.
16
Выполненное обоснование применения защитных прокладок из геотекстиля показало, что применение в конструкциях ПФЭ прокладок из геотекстиля
плотностью 450 г/м2 целесообразно с точки зрения защиты геомембраны от механических повреждений при минимальном размере максимальной фракции
грунта в защитном и подстилающем слое, превышающем 7,5-18,75 мм, в зависимости от толщины выпускаемой геомембраны (от 1,0 до 2,5 мм).
В пятой главе приведены результаты проведенных автором натурных
исследований ПФЭ с использованием геокомпозитов на накопителе отходов в
г. Тихорецке и Донском магистральном канале в Ростовской области. Даны
предложения по устройству надежного ПФЭ с применением ГКМ на грунтовой
плотине.
Для внедрения в производство с участием автора составлены «Рекомендации по применению геосинтетических материалов для противофильтрационных экранов каналов, водоемов и накопителей».
При выполнении диссертационного исследования автором были также
разработаны рекомендации по применению геокомпозитных материалов, включающих рекомендации по применению высоконадежных конструкций ПФЭ,
рекомендации по укладке и соединению геокомпозитов. Предложены новые
технические решения для раскладки, соединения и крепления ПФЭ из ГСМ и
ГКМ, выполнена оценка экономической эффективности от применения высоконадежной конструкции ПФЭ с применением геокомпозитов на одном из участков Донского магистрального канала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 Анализ современного состояния в области применения полимерных и
геосинтетических материалов для противофильтрационных экранов прудовнакопителей и оросительных каналов показал, что ранее широко использовавшиеся для этих целей полимерные пленки толщиной 0,2-0,4 мм не удовлетворяют требованиям по надежности и противофильтрационной эффективности, а
конструкции облицовок и экранов из них морально устарели. В связи с этим
применение в настоящее время геосинтетических материалов и, прежде всего,
геомембран толщиной 1,0-3,0 мм способствует прогрессу в этой области. Однако использование геомембран в ряде случаев не обеспечивает наиболее высокие показатели надежности и герметичности конструкций экранов. С этой целью перспективно применение геокомпозитов, практически полностью исключающих повреждения противофильтрационного элемента экрана, а, следовательно, потери на фильтрацию и предотвращающих загрязнение грунтовых вод.
2 На основе изучения существующих классификаций геосинтетических материалов, применяемых в строительстве, автором предложена усовершенствованная классификация геосинтетических материалов, применяемых в гидротехническом строительстве для противофильтрационных и дренажных систем, учитывающая все типы геокомпозитных материалов.
3 Автором разработан ряд высоконадежных конструкций противофильтрационных экранов из геокомпозитов, включающих противофильтрационный элемент из геомембраны, один или два слоя защитных прокладок из геотекстиля,
17
бентоматы, бентоматополимерный экран, бентоматовый матрас с дренирующим
устройством, самозалечивающиеся экраны и другие технические решения, новизна которых подтверждена 4 патентами и 3 положительными решениями на
изобретения РФ.
4 В результате теоретического решения задачи фильтрации через малые повреждения (проколы) экрана из геомембраны методом конформных отображений с использованием р-аналитических функций комплексного переменного, получены расчетные формулы для фильтрационного расхода через малое отверстие
и осредненного коэффициента фильтрации экрана для случаев учета проницаемости защитного слоя и подстилающего основания при k2/k1 < 10 и наличия
сильнопроницаемого подстилающего слоя при k2/k1 > 10, которые сопоставлены
с формулами других авторов, результатами исследований на физической модели
в фильтрационном лотке и на компьютерной модели.
5 Предложены критерии технической эффективности и эксплуатационной
надежности противофильтрационных экранов с использованием геомембран,
геокомпозитов и бентоматов, включающие требуемые условия по водонепроницаемости, прочности и относительному удлинению геомембраны, эффективности защитных прокладок, степени залечивания повреждений в бентоматах и сроку службы. Условия по водонепроницаемости и сроку службы экрана из геомембраны предлагаются в виде соотношений: kГМ  kГМ.ДОП и  ГМ   ГМ.НОР , где рекомендуемые нормативные значения принимаются kГМ.ДОП  108  10 10 см/с,
 ГМ.НОР  50  100 лет.
6 Выполненная расчетная оценка эксплуатационной надежности высоконадежных конструкций противофильтрационных экранов из геомембраны с геотекстилем по формуле Байеса показала их наиболее высокую вероятность безотказной работы, достигающую с двумя слоями защитных прокладок значения
P  0,9999 . В то же время другие конструкции экранов без защитных покрытий
имеют аналогичный показатель не более P  0,60 .
7 На основании проведенных лабораторных исследований гидратации и регенерации геокомпозитов (бентомата) установлена эффективность самозалечивания малых повреждений в геомембране бентонитом и с помощью применения
теории планирования эксперимента на фильтрационном лотке, получена эмпирическая зависимость фильтрационного расхода через малое отверстие.
8 Проведены натурные исследования по оценке состояния противофильтрационных экранов из геокомпозитов на пруде-накопителе в г. Тихорецке и на
Донском магистральном канале, которые выявили некоторые особенности при
их устройстве и эксплуатации.
9 Разработаны рекомендации по применению высоконадежных конструкций
противофильтрационных экранов из геокомпозитов, которые включают требования к геокомпозитным материалам, условия применения основных конструкций
экранов и особенности их эксплуатации.
10 Проведена оценка экономической эффективности применения высоконадежной конструкции экрана из геокомпозита на участке ПК 1030-1050 Донского
магистрального канала с ожидаемым экономическим эффектом 5,4 млн руб.
18
11 Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в исследовании
новых геокомпозитных материалов, отличающихся более высокой надежностью,
технологичностью и относительно невысокой стоимостью, и разработке на их
основе конструкций противофильтрационных экранов с заданными свойствами.
По теме диссертационного исследования опубликованы следующие работы:
Статьи в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки
1 Косиченко, Ю. М. Математическое и физическое моделирование фильтрации через малые повреждения противофильтрационных устройств из полимерных
геомембран / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев // Известия ВНИИГ им.
Б. Е. Веденеева. – 2014. – Т. 274. – С. 60-74.
2 Баев, О. А. Применение планирования эксперимента для изучения водопроницаемости экрана из геомембраны / О. А. Баев // Природообустройство. –
2014. – № 3. – С. 46-51.
3 Косиченко, Ю. М. Теоретическая оценка водопроницаемости противофильтрационной облицовки нарушенной сплошности / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион.
Серия: Технические науки. – 2014. – № 3 (178). – С. 68-74.
4 Косиченко, Ю. М. Высоконадежные конструкции противофильтрационных
покрытий каналов и водоемов, критерии их эффективности и надежности /
Ю. М. Косиченко, О. А. Баев // Гидротехническое строительство. – 2014. – № 8. –
С. 18-25.
5 Баев, О. А. Противофильтрационные покрытия с применением бентонитовых матов для накопителей жидких отходов / О. А. Баев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед.
ин-т проблем мелиорации. – Электрон. журн. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2013.
– № 3 (11). – 10 с. – Режим доступа: http://rosniipm-sm.ru/archive?n=188&id=199.
6 Ищенко, А. В. Анализ существующих методик испытаний физикомеханических свойств бентонитовых матов / А. В. Ищенко, О. А. Баев // Научный
журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос.
науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. – Электрон. журн. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2013. – № 2(10). – 10 с. – Режим доступа: http://rosniipm-sm.ru/archive?n=171&id=184.
7 Баев, О. А. Изучение особенностей конструкций противофильтрационных
экранов каналов и прудов-накопителей / О. А. Баев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т
проблем мелиорации. – Электрон. журн. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. –
№ 3 (15). – 16 с. – Режим доступа: http://rosniipm-sm.ru/archive?n=273&id=283.
8 Косиченко, Ю. М. Обоснование применения защитных прокладок из геотекстиля и оценка водопроницаемости противофильтрационных покрытий из геомембран / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев // Вестник МГСУ. 2015. – № 3. – С. 48-58.
9 Косиченко, Ю. М. Современные методы борьбы с фильтрацией на оросительных системах / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев, А. В. Ищенко // Инженерный
вестник Дона: электрон. науч. журнал / Северо-Кавказский научный центр высшей
школы Южного федерального университета. – Электрон. журн. – Ростов-на-Дону:
Ростовское региональное отделение Российской Инженерной Академии, 2014. –
№ 3. – 12 с. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/ IVD_91_kosichenko.pdf_55f9154bc5.pdf.
19
10 Косиченко, Ю. М. Расчетная оценка надежности конструкций противофильтрационных экранов из геокомпозитов / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев// Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. – 2015. – Т. 275. – С. 68-77.
11 Баев, О. А. Моделирование процесса водопроницаемости противофильтрационных экранов из геомембран / О. А. Баев // Инженерный вестник Дона: электрон. науч. журнал / Северо-Кавказский научный центр высшей школы Южного
федерального университета. – Электрон. журн. – Ростов-на-Дону: Ростовское региональное отделение Российской Инженерной Академии, 2015. – № 1 (ч.2). –
13 с. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/Baev.pdf_8785ee344d.pdf.
Патенты на изобретения РФ
12 Пат. 2523499 Российская Федерация, МПК E02B 3/16. Способ создания противофильтрационного покрытия с бентоматами на просадочных грунтах
/ Ищенко А. В., Косиченко Ю. М., Скляренко Е. О., Баев О. А. заявитель и патентообладатель Новочеркасская госуд. мелиор. акад. – № 2012128393/13; заявл.
05.07.2012; опубл. 20.07.2014, Бюл. № 20. – 6 с.: ил. 2.
13 Пат. 2542760 Российская Федерация, МПК E02B 3/16. Противофильтрационное покрытие с бентонитовым жгутом / Ищенко А. В., Косиченко Ю. М., Скляренко Е. О. Баев О. А.; заявитель и патентообладатель Новочеркасская госуд. мелиор.
акад. – № 2013112420/13; заявл. 19.03.2013; опубл. 27.02.2015, Бюл. № 6. – 5 с.: ил. 2.
14 Пат. 2553579 Российская Федерация, МПК E02B 3/16. Способ выполнения
бентоматополимерного экрана на просадочных грунтах / Ищенко А. В., Косиченко Ю. М., Баев О. А., Макарова Л. Н.; заявитель и патентообладатель Донской госуд. аграр. универ. – № 2013101079/13; заявл. 09.07.2013; опубл. 20.06.2015,
Бюл. № 17. – 5 с.: ил 1.
15 Пат. 2555450 Российская Федерация, МПК E02B 3/16. Способ создания противофильтрационного покрытия на накопителях жидких отходов / Щедрин В. Н.,
Косиченко Ю. М., Ищенко А. В., Баев О. А.; заявитель и патентообладатель ООО
«ЮжНИИГиМ». – № 2013144167/13; заявл. 01.10.2013; опубл. 10.07.2015, Бюл.
№ 19. – 6 с.: ил.1.
Научные работы, опубликованные в других изданиях
16 Косиченко, Ю. М. Противофильтрационный покрытия из геосинтетических
материалов: монография / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев. Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. – 239 с.
17 Косиченко, Ю. М. Рекомендации по применению геосинтетических материалов для противофильтрационных экранов каналов, водоемов и накопителей /
Ю. М. Косиченко, О. А. Баев // Новочеркасск, 2014. – 64 с. – Деп. в ВИНИТИ
12.01.15, № 1-В2015.
18 Ищенко, А. В. Экраны накопителей промышленных и бытовых отходов с современными геосинтетическими материалами / А. В. Ищенко, О. А. Баев // Строительство 2012: материалы Междунар. научно-практ. конф. / ФГБОУ ВПО РГСУ. –
Ростов н/Д., 2012. – С. 72-74.
19 Ищенко, А. В. Комбинированные противофильтрационные покрытия из
геосинтетических материалов / А. В. Ищенко, О. А. Баев // Строительство 2014.
Проблемы и перспективы развития современных инженерно-экологических систем: материалы Международной научно-практической конференции. – Ростов н/Д:
Рост. гос. строит. ун-т, 2014. – С. 257-260.
20 Баев, О. А. Зарубежный и отечественный опыт применения бентонитовых
матов в противофильтрационных экранах оросительных каналов и накопителей /
20
О. А. Баев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр./
ФГБНУ «РосНИИПМ». – Вып. 54. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. – С. 6-14.
21 Баев, О. А. Основные виды и свойства геосинтетических материалов и геокомпозитов для противофильтрационных экранов накопителей и каналов /
О. А. Баев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч.
тр. / ФГБНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск: Геликон, 2013. – Вып. 51. – С. 34-42.
22 Баев, О. А. Изучение процесса регенерации повреждений в противофильтрационных экранах из геокомпозитных материалов / О. А. Баев // Пути повышения
эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГБНУ «РосНИИПМ». –
Вып. 54. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. – С. 14-19.
23 Косиченко, Ю. М. Классификация геосинтетических материалов и их применение для противофильтрационных устройств / Ю. М. Косиченко, О. А. Баев //
Актуальные вопросы гидротехники и мелиорации на юге России: сборник научных
трудов / Новочерк. гос. мелиор. акад. – Новочеркасск: Лик, 2013. – С. 108-116.
24 Баев, О. А. Самозалечивающиеся противофильтрационные экраны каналов
и прудов-накопителей / О. А. Баев // Материалы межд. научно-практ. конференции
«Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России», ФГБОУ ВПО
МГУП. – Москва, 2015. – С. 74-76.
25 Баев, О. А. Mathematical model of water permeability for geomemrane screens
from geosynthetics / О. A. Baev // Innovation – 2014. Илмий маколамар туплами /
Янги аср авлоди. – Ташкент, 2014. – Б. 261-263.
26 Кильдишев, Н. А. Некоторые вопросы исследований и строительства полимерных противофильтрационных экранов водохозяйственного значения /
Н. А. Кильдишев, О. А. Баев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. / ФГБНУ «РосНИИПМ». – Вып. 58. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. – С. 11-16.
27 Скляренко Е. О.Анализ водопроницаемости противофильтрационных экранов
в программном комплексе «Comsol multiphysics» / Е. О. Скляренко, О. А. Баев // Северо-Кавказский научный центр высшей школы Южного федерального университета. – Электрон. журн. – Ростов-на-Дону: Ростовское региональное отделение
Российской Инженерной Академии, 2015. – № 3. – 11 с. – Режим доступа:
http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3104.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа