CC BY
26
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА CIVIL ENGINEERING BUILDING AND ARCHITECTURE
УДК 626.12 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-107-111
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ БЕТОННЫХ ОБЛИЦОВОК ПРИ НАЛИЧИИ ТРЕЩИН
© 2018 г. Ю.М. Косиченко1, Е.Г. Угроватова2
1Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, г. Новочеркасск, Россия, 2Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
DETERMINATION OF THE FILTRATION RESISTANCE OF CONCRETE FIBERS WHILE AVAILABLE IN CREARS
Yu.M. Kosichenko1, E.G. Ugrovatova2
1Russian scientific research institute ofproblems of amelioration, Novocherkassk, Russia, 2Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Косиченко Юрий Михайлович - д-р техн. наук, профессор, гл. науч. сотрудник, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Угроватова Евгения Геннадьевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Kosichenko Yury Mikhaylovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Chief Researcher, Russian Scientific Research Institute of Problems of Amelioration, Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Ugrovatova Evgeniya Gennadyevna - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, department «Water Management, Utilities and Environmental Protection», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Рассматривается определение фильтрационных сопротивлений бетонных и бетоноплёночных облицовок. Приведены основные формулы по определению фильтрационных сопротивлений данных облицовок, расчётные формулы фильтрационных сопротивлений с учётом трещин с гладкими и шероховатыми стенками. Также представлены формулы по определению фильтрационных сопротивлений бетоноплёночных облицовок при наличии повреждений в полимерном экране. Рассмотрен пример расчёта бетоноплёночной облицовки по полученным авторами формулам. Анализ результатов показал, что с увеличением размера повреждения полимерного экрана облицовки значение фильтрационного сопротивления облицовки уменьшается. Расчётные значения, полученные по формулам авторов, совпадают с натурными данными.
Ключевые слова: фильтрационное сопротивление; облицовка канала; трещины в облицовках.
The definition of the filter resistances of concrete and concrete cladding. The basic formulas for determining the filtration resistances of these claddings are given, the calculation formulas of the filter resistances taking into account cracks with smooth and rough walls. Also presented are formulas for determining the filter resistances of concrete-coated liners in the presence of damages in the polymer screen. An example of the calculation of a concrete cladding according to the formulas obtained by the authors is considered. Analysis of the results showed that as the size of the damage to the polymer screen of the lining increases, the value of the filtration resistance of the lining decreases. The calculated values obtained by the formulas of the authors coincide with the natural data.
Keywords: filtration resistance; canal lining; cracks in facing.
107
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Метод фильтрационных сопротивлений используется для расчёта мелиоративного дренажа, скважин, берегового дренажа водохранилищ и каналов гидротехнических сооружений [1 - 8].
Для расчёта фильтрационных сопротивлений экранов и облицовок этот метод применялся в работах учёных: Н.Н. Веригина [5], В.М. Ше-стакова [9], Ю.М. Косиченко [10], Л.Е. Чернышевской [8], А.В. Ищенко [11].
Анализ ранее проведенных исследований показывает, что фильтрационное сопротивление Фобл будет зависеть от типа облицовки, её основных параметров и повреждений облицовки.
Рассмотрим определение фильтрационных сопротивлений для двух основных типов облицовок - бетонных и бетоноплёночных.
Бетонные облицовки каналов выполняют две функции - защиту русла канала от размыва и предотвращение или снижение фильтрации из канала. При этом противофильтрационная функция часто обеспечивается в неполной мере из-за появления в процессе эксплуатации большого количества трещин в верхней части откосов в зоне уреза воды и в нижней в местах примыкания плит на откосах с монолитным бетонным дном [8, 11].
Расчётная схема канала с бетонной облицовкой представлена на рис. 1.
k of
У
' h0 \\\ 3
Рис. 1. Схема к определению фильтрационного сопротивления бетонной облицовки: 1 - продольные трещины; 2 - швы; 3 - очаги фильтрации через облицовку
/ Fig. 1. Scheme for determining the filtration resistance of concrete lining: 1 - longitudinal cracks; 2 - seams; 3 - foci of filtration through the cladding
Кроме того, серьёзной проблемой в бетонных облицовках является разгерметизация швов вследствие деформаций основания, снижения адгезии герметика к бетону и разрушения их цементно-песчаного заполнителя [12].
Для определения фильтрационного сопротивления бетонной облицовки используем формулу удельного расхода с учётом безразмерного сопротивления облицовки, f, [13] в виде
k (H-h) f '
(1)
где д - удельный фильтрационный расход через облицовку, м2/сут.; к - коэффициент фильтрации
грунта основания, м/сут.; Н - напор на облицовке, м; к - напор по подошве облицовки, м; / - фильтрационное сопротивление облицовки.
Согласно расчётной схеме (см. рис. 1), Н = Н + 50 и Н = 0, что будет справедливо при к
условии ——> 100 , из (1) получим зависимость
ко бл
для определения сопротивления облицовки / с учётом количества трещин, в том числе разрушенных швов:
foбл
k (hp +5q)
Чтр ■n
(2)
где Н0 - глубина воды в канале, м; 50 - толщина облицовки, м; д^ - удельный фильтрационный
расход через единичную трещину, м2/сут; п -количество трещин с учётом разрушенных швов по периметру сечения канала.
Применительно к трещинам бетонных облицовок известны следующие формулы удельного расхода, полученные Г.М. Ломизе [14]: - для трещин с гладкими стенками:
ч тр = (Ув/12Ц • 5тр I;
тр-
(3)
для трещин с шероховатыми стенками:
дтр = (Yb/12Ц) ■ S3,111 / 1 + 6( е /5
тр'
■'тр
(4)
где I = (Н) + 50 )/50 - градиент фильтрации в трещине; 5тр - ширина раскрытия трещины, м; Ув - плотность воды, кг/м3; ц - динамический коэффициент вязкости; е - высота выступа шероховатости стенок трещин, м.
Полное размерное фильтрационное сопротивление бетонной облицовки с учётом трещин найдём как произведение сопротивления / на принятую единицу линейного размера Вк :
Фобл = fобл ' Вк ' (5)
где Вк - ширина канала по урезу воды, м; Вк = Ь + 2т0 к0
Далее с учётом зависимости для определения ^бл (2), а также зависимостей для (3),
(4) и для Фобл (5) найдём расчётные формулы фильтрационных сопротивлений бетонной облицовки с учётом трещин:
- с гладкими стенками:
Фобл
k 5q ■ Вк (Y/12^) ■ 53тр ■ n
2
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
с шероховатыми стенками:
к- 5П • В„
/обл
- n
(6)
Чщ =
гс-к ( h0 + 50 ) l• n(16-So /гс-га) '
(7)
обл (у/12ц)-5Тр • и{1/[1 + 6(е/5Тр)1,5]}
Следует отметить, что полученные формулы фильтрационных сопротивлений справедливы для условий ламинарного режима течения фильтрационного потока в трещинах [14], что будет наиболее характерно для трещин в бетонных облицовках каналов, когда число Рейнольд-са Яе < Яе-кр, где Яе =^тр8тр / V - скорость
фильтрации в трещине м/с; v - кинематическая вязкость жидкости.
Рассмотрим определение фильтрационных сопротивлений бетоноплёночных облицовок при наличии повреждений в полимерном экране. Бетоноплёночные облицовки представляют собой комбинированную конструкцию, в которой бетонное покрытие в виде бетонных плит или монолитного бетона играет роль защитного покрытия, а полимерный экран выполняет роль противофильтрационного элемента [12].
Таким образом, водопроницаемость конструкции облицовки будет происходить главным образом при наличии повреждений в полимерном экране. В качестве основных видов повреждений для плёночных противофильтрационных экранов из полиэтиленовой плёнки обычно принимаются щели или отверстия [12].
Тогда безразмерное фильтрационное сопротивление бетоноплёночной облицовки можно определить аналогично зависимости (1) с учётом удельного фильтрационного расхода через единичное повреждение плёночного экрана:
к (ко + 50 )
где дпов. „л - удельный расход через единичное повреждение плёночного экрана, например, в виде протяжённых щелей [15]; п - количество повреждений плёночного экрана по периметру сечения канала.
Используя теоретические решения Ю.М. Косиченко, полученные ранее [15 - 17], можно найти фильтрационные сопротивления / для различных случаев.
Приведём известные формулы фильтрационного расхода через облицовку с плёночным экраном (бетоноплёночные и грунтоплёночные облицовки) [15]:
- формула Ю.М. Косиченко [15] при наличии повреждений в виде непрерывных щелей в защитном слое неограниченной ширины:
- формула В.П. Недриги [18] при наличии щелей с защитным слоем ограниченной ширины:
Чщ =■
2гс- к ( h0 + S0)
arch
rch( 2гс - S0/l) 1 - cos(гс - m /l)
(8)
- формула Ю.М. Косиченко [15] при наличии щелей с учётом влияния основания неограниченной мощности:
Чщ =
гс-ki( hp + Sp - hl) l-n(16-S0 /гс-m) '
где
hi =-
o( h0 + S0 )агЛ I ch
гс - T , гс - m
2 -1
g - агЛ I ch
гс-T
гс - m
IT
(9)
ln(16S0 /гс-m)
о = кх/к2; т - ширина щели в плёночном экране, м; I - ширина фрагмента области фильтрации, м; Т - мощность подстилающего грунтового основания; М - остаточный пьезометрический напор между облицовкой и основанием в щели плёночного экрана, м; к1 - коэффициент фильтрации защитного покрытия, м/сут/; к2 -коэффициент фильтрации грунта основания под экраном, м/сут.
Используя формулы (7) и (8) для облицовок с плёночными экранами и зависимости для определения фильтрационного сопротивления / (6) и Фобл (5), найдём расчётные формулы фильтрационных сопротивлений данных типов облицовок при наличии повреждений в плёночном экране в виде протяжённых щелей:
- при к2 /к1 >10:
Фобл = (Вк / я- п) • Ь(1650 / я- т ), (10)
- при к2 / к1 <10: (к0 + 50)Вк• 1и(1650 /я-т)
Фобл
гс-m(h0 + S0 -h1)
где к1 - остаточный пьезометрический напор, определяемый по формуле (9).
Следует отметить, что рассмотренные случаи не исчерпывают всех возможных повреждений и расчётных схем, например, в виде коротких щелей, круглых отверстий и других вариантов, представленных в работе [16], используя
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
которые, могут быть получены аналогичным образом расчётные формулы фильтрационных сопротивлений для этих случаев.
Рассмотрим пример расчёта бетоноплё-ночной облицовки по полученным выше формулам (12) - (14).
Исходные данные для расчёта: Вк =25,0м, h0 = 3,0м, 80 = 0,10 м, Т=10,0 м, l = 1,0м, n = 10, m = 0,001, 0,01, 0,1.
Результаты расчётов фильтрационных сопротивлений облицовки для случаев к2 / к >10 и к2 / к1 <10 представлены в табл. 1.
Таблица 1 / Table 1 Результаты расчётов фильтрационного сопротивления бетоноплёночной облицовки и сравнения с натурными данными / The results of calculation of the filtration resistance of a concrete cladding and comparison with actual data
m Расчётные случаи Натурные данные Л.Е. Чернышевской, Фобл, м
к2 / к1> 10 к2 / к1< 10
Фобл, м ^бл , м Фобл*, м
0,001 4,96 2,94 96,1 80 - 92
0,01 3,13 2,98 88,2
0,1 1,30 3,05 80,5
*Примечание: расчётные параметры h1 и Фобл получены при к2 / £i=30
Анализ результатов расчётов Фобл показывает, что как для случая к2 / к1 >10, так и для к2/ к1 <10 с увеличением размера повреждения полимерного экрана облицовки значения фильтрационного сопротивления облицовки в целом уменьшаются, что соответствует физическим представлениям метода фильтрационных сопротивлений [4, 7, 9].
Сравнение с натурными данными фильтрационных сопротивлений, полученных Л.Е. Чернышевской [8] для монолитной железобетонной облицовки толщиной 0,08 - 0,05 м с плёночным экраном, свидетельствуют, что расчётные данные для случая к2 / к1 <10 близки указанным натурным данным, что также подтверждает их правильность.
Полученные результаты могут использоваться для определения критериев эксплуатационной надёжности и эффективности каналов с облицовками [19].
Заключение
1. Получены расчётные формулы для определения фильтрационных сопротивлений в бетонной и бетоноплёночной облицовке при наличии трещин.
2. Для иллюстрации приведён пример расчёта фильтрационных сопротивлений бето-
ноплёночной облицовки по формулам, полученным авторами.
3. Проведено сравнение расчётных значений фильтрационных сопротивлений с натурными данными, которые свидетельствуют о близком совпадении результатов, а следовательно, о справедливости расчётных формул.
Литература
1. Мурашко А.И., Сапожников Е.Г. Защита дренажа от
заиления. Минск: Ураджай, 1987. 168 с.
2. Духовный В.А., Баклушин М.Б., Томин Е.Д., Серебренни-
ков Ф.В. Горизонтальный дренаж орошаемых земель. М.: Колос, 1979. 255 с.
3. Справочное руководство гидрогеолога / под ред. В.М. Максимова, Т.1, Л.: Недра, 1967. 592 с.
4. Олейник А.Я. Геогидродинамика дренажа: Киев: Наукова думка, 1981. 283 с.
5. Веригин Н.Н. Вопросы геогидродинамики, актуальные зоны влияния каналов и водохранилищ // Прогноз подтопления и проектирование мероприятий по его предотвращению. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1986. С. 81 - 89.
6. Косиченко Ю.М. Каналы переброски стока России. Новочеркасск: НГМА. 2004. 470 с.
7. Косиченко Ю.М., Угроватова Е.Г. Сравнительный анализ применения высонадежных облицовок для снижения потерь на фильтрацию из каналов // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия, Вып. № 2 (58) / 2015. Новочеркасск, 2015 с.
8. Чернышевская Л.Е. Создание водосберегающих конструкций каналов оросительных систем: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: Киев, 2003. 33 с.
9. Шестаков В.М. Теоретические основы оценки подпора водопонижения и дренажа. М.: Изд-во МГУ, 1965. 233 с.
10. Косиченко Ю.М. Экологические аспекты фильтрации из каналов / Гидротехническое строительство. 1991. № 5. 21 с.
11. Ищенко А.В. Обеспечение фильтрационной безопасности и эффективности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений: монография. Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2007. 256 с.
12. Алтунин В.С., Бородин В.А. [и др.]. Защитные покрытия оросительных каналов. М.: Агропромиздат, 1998. 160 с.
13. Косиченко Ю.М., Угроватова Е.Г., Баев О.А. Обоснование расчетных зависимостей фильтрационных сопротивлений конструкций облицовок каналов // Изв. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2015. Т. 278. С. 35 - 46.
14. Ломизе Г.М. Фильтрация в трещиноватых породах. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1951. 127 с.
15. Косиченко Ю.М., Бородин В.А., Ищенко А.В. Инструкция по расчету водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок каналов. М.; Новочеркасск: Союзводпроект, Союзгипроводхоз, ЮжНИИ-ГиМ, 1984. 95 с.
16. Косиченко Ю.М., Баев О.А. Теоретическая оценка водопроницаемости противофильтрационной облицовки нарушенной сплошности // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 3. С. 68 - 74.
17. Косиченко Ю.М. Расчёт противофильтрационной эффективности облицовок с плёночными экранами // Гидротехническое строительство. 1983. № 12. С. 33 - 38.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
18. Недрига В.П. О водопроницаемости противофильтраци-онных плёночных экранов искусственных водоёмов // Труды ВНИИ ВОД! ЕО. Инженерная гидрология, М.: 1976. Вып. 52. С. 22 - 26.
19. Косиченко Ю.М. Вопросы безопасности и эксплуатационной надёжности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения // Природообустройство, 2008. № 3. С. 67 - 71.
References
1. Murashko A.I., Sapozhnikov E.G. Zashchita drenazha ot zaileniya [Protection of drainage from silting]. Minsk: Uradzhai, 1987,
168 p.
2. Dukhovnyi V.A., Baklushin M.B., Tomin E.D., Serebrennikov F.V. Gorizontal'nyi drenazh oroshaemykh zemel' [Horizontal drainage of irrigated lands]. Moscow: Kolos, 1979, 255 p.
3. Maksimov V.M. Spravochnoe rukovodstvo gidrogeologa [Reference guide hydrogeologist]. Leningrad: Nedra, 1967, 592 p.
4. Oleinik A.Ya. Geogidrodinamika drenazha [Geohydrodynamics of drainage]. Kiev: Naukova dumka, 1981, 283 p.
5. Verigin N.N. [Questions of geohydrodynamics, the actual zones of influence of canals and reservoirs]. Sb. "Prognozpodtopleniya i proektirovanie meropriyatii po ego predotvrashcheniyu "[Sb. "Forecast of flooding and designing measures to prevent it"]. Moscow:VNII VODGEO, 1986, pp. 81 - 89. (In Russ.)
6. Kosichenko Yu.M. Kanaly perebroski stoka Rossii [Channels of the transfer of the flow of Russia]. Novocherkassk: NGMA, 2004, 470 p.
7. Kosichenko Yu.M., Ugrovatova E.G. Sravnitel'nyi analiz primeneniya vysonadezhnykh oblitsovok dlya snizheniya poter' na fil'tratsiyu iz kanalov [Comparative analysis of the use of high-security lining to reduce losses for filtration from channels]. Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. No. 2 (58), 2015. (In Russ.)
8. Chernyshevskaya L.E. Sozdanie vodosberegayushchikh konstruktsii kanalov orositel'nykh system. Avtoref. Diss. Dr. tekhn. nauk [Creation of water-saving constructions of channels of irrigation systems: author's abstract. dis. ... Dr. techn. Sciences]. Kiev, 2003, 33 p.
9. Shestakov V.M. Teoreticheskie osnovy otsenki podpora vodoponizheniya i drenazha [Theoretical basis for assessing the support of water loss and drainage]. M.: Publ. MGU, 1965, 233 p.
10. Kosichenko Yu.M. Ekologicheskie aspekty fil'tratsii iz kanalov [Ecological aspects of the filtration from canals]. Gidrotekhnich-eskoe stroitel'stvo, 1991, no. 5, 21 p. (In Russ.)
11. Ishchenko A.V. Obespechenie fil'tratsionnoi bezopasnosti i effektivnosti protivofil'tratsionnykh ustroistv gidrotekhnicheskikh sooruzhenii [Provision of filtration safety and efficiency of anti-filtration devices of hydraulic structures]. Rostov-na-Donu: Publ. SKNTs VSh, 2007, 256 p.
12. Altunin V.S., Borodin V.A. et al. Zashchitnyepokrytiya orositel'nykh kanalov [Protective coating of irrigation canals]. Moscow: Agropromizdat, 1998, 160 p.
13. Kosichenko Yu.M., Ugrovatova E.G., Baev O.A. Obosnovanie raschetnykh zavisimostei fil'tratsionnykh soprotivlenii konstruktsii oblitsovok kanalov [Substantiation of the calculated dependences of the filtration resistances of channel liner designs]. Izvestiya VNIIG im. B.E. Vedeneeva, 2015, Vol. 278, pp. 35 - 46. (In Russ.)
14. Lomize G.M. Fil'tratsiya v treshchinovatykh porodakh [Filtering in Fractured Rocks]. Moscow - Leningrad: Gosenergoizdat, 1951, 127 p.
15. Kosichenko Yu.M., Borodin V.A., Ishchenko A.V. Instruktsiya po raschetu vodopronitsaemosti i effektivnosti protivofil'tratsionnykh oblitsovok kanalov [Instruction on the calculation of water permeability and efficiency of anti-filtration channel linings.] Moskow- Novocherkassk: Soyuzvodproekt, Soyuzgiprovodkhoz, YuzhNIIGiM, 1984, 95 p.
16. Kosichenko Yu.M., Baev O.A. Teoreticheskaya otsenka vodopronitsaemosti protivofil'tratsionnoi oblitsovki narushennoi splosh-nosti [Theoretical assessment of water permeability of the anti-filtration facing of broken continuity. Izv, vuzov. Sev.-Kav. Region. Tekhn, nauki, 2014, no. 3, pp. 68 - 74. (In Russ.)
17. Kosichenko Yu.M. Raschet protivofil'tratsionnoi effektivnosti oblitsovok s plenochnymi ekranami [Calculation of the antifiltration efficiency of claddings with film screens]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo, 1983, no. 12, pp. 33 - 38. (In Russ.)
18. Nedriga V.P. [On water permeability of anti-filtration film screens of artificial reservoirs]. Trudy VNII VODGEO. Inzhenernaya gidrologiya [Proceedings of VNII VODGEO. Engineering Hydrology]. Moscow, 1976, ussue 52, pp. 22 - 26.
19. Kosichenko Yu.M. Voprosy bezopasnosti i ekspluatatsionnoi nadezhnosti gidrotekhnicheskikh sooruzhenii meliorativnogo naznacheniya [Questions of safety and operational reliability of hydraulic structures for reclamation]. Prirodoobustroistvo, 2008, no. 3, pp. 67 - 71. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Received 10 июля 2018 г. / July 10, 2018
