Производство ремонтных работ при досыпке тела грунтовых низконапорных плотин Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 627.8.03

ПРОИЗВОДСТВО РЕМОНТНЫХ РАБОТ ПРИ ДОСЫПКЕ ТЕЛА ГРУНТОВЫХ НИЗКОНАПОРНЫХ ПЛОТИН

© 2014 г. В.Н. Шкура, Е.В. Васильева

Шкура Виктор Николаевич - канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Мелиорация земель», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. (8635)22-21-70.

Васильева Елена Викторовна - аспирант, кафедра «Мелиорация земель», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. E-mail: karalenka5@yandex.ru

Shkura Viktor Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, professor, department «Land Reclamation». Novocherkassk State Land Reclamation Academy. Ph. (8635)22-21-70.

Vasilieva Elena Viktorovna - post-graduate student, department «Land Reclamation». Novocherkassk State Land Reclamation Academy. E-mail: karalenka5@yandex.ru

Предложена технология ремонта грунтовых водоподпорных сооружений грунтосмесями улучшенного качества с использованием и без грунтосмесительной установки.

Ключевые слова: технология; досыпка; грунтосмесь; высевка; цемент; зола; плотина; ремонтно-строительные операции; грунтосмесительная установка; факторы; план эксперимента; регрессионное уравнение.

In article the technology of repair of soil water retaining constructions soil mixture the improved quality with use and without soil mixture installation is offered.

Keywords: technology; dribble feed; soil mixture; sift; cement; fly ash; dam; construction and repair operations; soil mixture installation; factors plan of the experiment; the regression equation.

При создании балочных прудов и водоёмов предусматривается строительство водоподпорных сооружений. Среди них более 80 % составляют грунтовые плотины и дамбы, значительная часть которых относится к средне- и низконапорным [1].

По данным Росприроднадзора и Ростехнадзора продолжительность эксплуатации этих сооружений составляет 30 - 50 лет, средний процент износа более 50 %, их аварийность превысила среднемировой показатель более чем в два раза, ежегодно на них происходит 50 - 60 аварий, ущерб от которых исчисляется миллиардами рублей [2].

К числу основных причин аварий и разрушений грунтовых водоподпорных сооружений следует отнести несвоевременное устранение дефектов (просадок гребня, размывов, обрушений и оползаний откосов, трещин, фильтрационных ходов и др.) и некачественное выполнение ремонтно-восстановительных работ, из-за использования низкоэффективных технологий. Ведь применяемые в настоящее время технологии ремонтно-восстановительных работ предусматривают досыпку тела плотин и восстановление обрушенных откосов производить грунтом того же состава, что и тело сооружения, а заделку трещин, фильтрационных ходов, нор и других подобных дефектов осуществлять им же или суглинком, глиной, смесью суглинка (глины) с навозом, мешками с грунтом и т.п. Но со временем, из-за низкой прочности, водо- и морозостойкости досыпанных и восстановленных элементов плотин (дамб), их защитные свойства (прочностные, проти-

вофильтрационные, теплоизоляционные и др.) будут утрачены и дефекты появятся вновь.

Ниже предложены технологии ремонтно-строительных работ по восстановлению грунтовых плотин и дамб путём их досыпки до требуемых отметок грун-тосмесями, улучшенными высевкой и золой, способствующими образованию высокопрочной и водостойкой камневидной структуры в восстановленных элементах (откосах, гребне), обладающими повышенной сопротивляемостью к дефектообразованию [3].

Необходимость досыпки (наращивания) гребня и откосов плотины возникает в случае потребности в увеличении высоты плотины или при просадке её тела ниже проектных отметок.

Для приготовления грунтосмеси рекомендуется использовать грунтосмесительную установку типа, например, ДС-50 с дополнительным бункером для золы (рис. 1). Перечень ремонтно-строительных операций по досыпке гребня и откосов плотины до требуемых (увеличенных, проектных) отметок приведён в табл. 1.

При пологих откосах плотин (m = 4^6) смешивание высевки с грунтом (рис. 2), а затем с цементом и золой (рис. 3) может производиться и на месте проведения работ - откосе или гребне. Для этого грунт на откосе измельчают, подвозят и равномерно распределяют по нему высевку, перемешивают фрезой, по принятым дозировкам вносят цемент и золу, вновь перемешивают, увлажняют до оптимальной влажности и уплотняют.

Рис. 1. Технологическая схема модернизированной грунто-смесительной установки ДС-50: 1 - бункер цемента; 2 - бункер золы; 3 - цистерна с насосными установками; 4 - бункера грунта и заполнителей; 5 - транспортёр; 6 - смесительный агрегат

Рис. 2. Схема перемешивания высевки с грунтом на откосе специальной фрезой: 1 - плотина; 2 - верховой откос; 3 - грунт; 4 - высевка; 5 - фреза; 6 - измельчённая и перемешанная фрезой смесь высевки с грунтом

2

1

Рис. 3. Схема перемешивания цемента и золы с высевкой и грунтом: 1 - плотина; 2 - верховой откос; 3 - смесь высевки с грунтом; 4 - цемент, зола; 5 - фреза; 6 - перемешанная фрезой смесь высевки и грунта с цементом и золой

Таблица 1

Перечень ремонтно-восстановительных операций по досыпке гребня и откосов плотины до проектных отметок

2

1

№ операции Ремонтно-строительные операции Средства механизации

1. Рыхление проезжего участка гребня в виде покрытия из гравийно-песчаной смеси Навесной или прицепной рыхлитель на базе гусеничного трактора

2. Разработка на гребне и перемещение гравийно-песчаной смеси во временные отвалы Бульдозер или грейдер

3. Планировка верха (гребня, части откосов) плотины, боронование Грейдер, бульдозер + бороны

4. Доувлажнение грунта верхней части плотины до оптимальной влажности Автоцистерна или поливочная машина

5. Вскрыша карьера Бульдозер или скрепер

6. Доувлажнение грунта в карьере до оптимальной влажности Поливочная машина, автоцистерна

7. Разработка грунта в карьере и транспортирование его к грунтосмесительной установке Скрепер, экскаватор и автосамосвалы, тракторные тележки

8. Доставка цемента, золы и высевки к месту приготовления грунтосмеси (к установке) Автоцементовоз, автосамосвалы, тракторные тележки

9. Приготовление в грунтосмесительной установке грунтосмеси из грунтоцемента с добавлением золы и высевки Грунтосмесительная установка

10. Доставка приготовленной грунтосмеси и укладка её слоями на гребень и частично откосы Автосамосвалы, бульдозер или грейдер

11. Послойное разравнивание и уплотнение грунтосмеси оптимальной влажности до проектной плотности Бульдозер, грейдер, каток или вальцовая трамбовка

12. Устройство «корыта» под покрытие Грейдер (прицепной или автогрейдер)

13. Отсыпка в «корыто» гравийно-песчаной смеси (или устройство покрытия из другого материала) Автосамосвал, бульдозер

14. Разравнивание и уплотнение гравийно-песчаной смеси с приданием проезжей части плотины выпуклой двухскатной формы Грейдер, каток

15. Рекультивация карьера Бульдозер или скрепер

Для определения прочностных свойств затвердевшей грунтосмеси были проведены экспериментальные исследования, позволяющие с помощью математических моделей, изменяя входные параметры, оценивать качество грунтосмеси.

В основу решения был положен двухфакторный [4] симплекс - суммируемый план типа правильного шестиугольника. В качестве двух варьируемых факторов были выбраны: расход цемента - Ц, % от массы грунтосмеси; расход (количество) грунта - ГР, % от массы грунтосмеси.

Расход цемента и количество грунта в плане эксперимента варьировались, соответственно от 3,0 до 15 % и от 40 до 85 %, что соответствует результатам предварительных исследований и априорной информации о рациональном дозировании вышеуказанных компонентов грунтосмеси [5].

Для приготовления грунтовых смесей использовались материалы (компоненты) со следующими показателями: Новороссийский портландцемент марки 400; грунт - лёгкий слабоводопроницаемый суглинок; высевка - отход камнедробления известняка фракции 0 - 5 мм с модулем крупности Мкр = 2,98; зола-унос сухого отбора с электрофильтров Новочеркасской ГРЭС. Условия кодирования и варьирования факторов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Кодирование и варьирование факторов

Графический план эксперимента представлен на рис. 4.

Фактор Код xt Основной уровень Хо, % Интервал варьирования AХi Нижний уровень, «-» Верхний уровень, «+»

Цемент Xi 9,0 6,0 3,0 15,0

Грунт Х2 62,5 22,5 40,0 85,0

гр, %

85.0

62.5

40,0

2,0 15,0

Рис. 4. План эксперимента на шестиугольнике

Из рисунка видно, что точки принятого плана эксперимента имеют координаты вершин правильного шестиугольника, построенного в пределах варьирования факторов ± 1 в кодированной форме. План удобен тем, что переход от кодированных значений факторов к натуральным и наоборот можно осуществить графически по соответственным осям. По результатам семи опытов (шесть вершин и центр шестиугольника) вычислялись неизвестные коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:

у к = ь 0 + ЬХ1 + Ь 2 Х 2 + ЬцХ 2 + Ь 22 X 2 + Ь12 XIX 2,

1 4

где Ь0 = (0у)-2?=1(н»; Ь = -0у); Ь1} =-(уу);

3

2 5

bii =- (iiy) +TZf=i(»>) - (0 y).

3 6

(1)

Матрица и результаты эксперимента приведены в табл. 3.

Таблица 3

Реализация плана эксперимента

Номер опыта План Х12 Х22 Х1 Х2 Факторы Прочность через 28 сут и полного водонасыщения

Xi Х2 Х1(Ц) Х2(Гр) yR Л

1 0 0 0 0 0 9,0 62,5 13,21 13,21

2 -1 0 1 0 0 3,0 62,5 5,49 5,11

3 1 0 1 0 0 15,0 62,5 14,53 14,91

4 -0,5 0,87 0,25 0,75 -0,43 6,0 85,0 6,25 6,62

5 0,5 0,87 0,25 0,75 0,43 12,0 85,0 12,62 12,23

6 -0,5 -0,87 0,25 0,75 0,43 6,0 40,0 10,58 10,96

7 0,5 -0,87 0,25 0,75 -0,43 12,0 40,0 15,51 15,15

2 ХУ1 14,69 -6,28 31,26 33,72 0,62 - - 78,19 -

По формулам (1) были подсчитаны коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:

b о = 78,19 - (31,26 + 33,72) = 13,21; b = -

14,69

3

= 4,90 ;

у R = 13,21 + 4,90 Х1 - 2,09 Х 2 - 3,2 X 2 --1,56X 2 + 0,83X1X 2.

(2)

Ьм b0 bi bii bij

Tt 1,0 0,577 1,224 1,155

Ti 'Sav 0,387 0,223 0,474 0,447

t' Ti'S3v 0,682 0,393 0,835 0,787

Примечание: Т - расчётные коэффициенты для оценки ошибок коэффициентов регрессии; Г - критерий Стьюдента, г =1,761 [4].

Таблица 5

Регрессионный анализ модели

ЬМ Начальная модель Ькр Конечная модель iJy b iJ (iJy)

b0 13,21 0,682 13,21 78,19 1032,89

b1 4,9 0,393 4,9 14,69 71,98

b2 -2,09 0,393 -2,09 -6,28 13,13

bu -3,2 0,835 -3,2 31,26 -100,03

b22 -1,56 0,835 -1,56 33,72 -52,61

b 12 0,83 0,787 0,83 0,62 0,52

Ж на = (УУ) - № мод + Ж У = 966,59 - 966,18 = 0,41; - дисперсия неадекватности £ ^а :

0,41

-6 28 4

Ь 2 = —^— = -2,09 ; Ь12 = ~ (0,62) = 0,83;

Ьц = -(31,26) + -2^=1 (31,26 + 33,72) - (78,19) = -3,20 ; 3 6

ь 22 = 2(33,72) + 5 2=1 (31,26 + 33,72) - (78,19) = -1,56. 36

Для прочности образцов через 28 сут твердения и полного водонасыщения получено регрессионное уравнение вида:

2 = SS н S на _ "

f

на

- критерий Фишера:

7 - 6

= 0,41;

Fa =-

S 2

0,41

: = 2,73 ;

Регрессионный анализ модели (2) произведём после определения ошибки эксперимента и расчёта ошибок коэффициентов уравнения. С учётом 3-кратной повторности опытов дисперсия воспроизводимости и ошибка эксперимента по воспроизводимости составит: £ 2у = 0,15, £ эу = л[£ТУ = 0,387 (табл. 4, 5).

Таблица 4

Расчет ошибок коэффициентов

£ 2, 0,15 Fa = 2,73 < Fт = 4,62.

Таким образом, можно допустить, что модель (2) с риском а = 0,05 адекватно описывает результаты эксперимента.

Инварианты кривой второго порядка составят:

- сумма коэффициентов при квадратичных членах:

£ = Ьц + Ь- = -3,20 -1,56 = -4,76;

- определитель, составленный из коэффициентов при старших членах:

5 =

Ьц 0,5b,

0,5b Ь 2

12

-3,2 0,415 0,415 -1,56

= 4,82 :

- определитель третьего порядка, составленный их всех коэффициентов:

Д =

0,5b,

12 0,5bj 12 b 22 0,5b 2

b11 0,5b

0,5bj 0,5b 2 b0

-3,2 0,415 2,45 0,415 -1,56 -1,05 2,45 -1,05 13,21

= 74,42.

Сумма квадратов Ж

££ = Ж мод + Ж эу = 966,18.

Средний результат каждого опыта возводим в квадрат и эти величины суммируем:

(уу) = 174,50 + 30,14 + 211,12 + 39,06 +159,26 + +111,94 + 240,56 = 966,59.

Проводим проверку адекватности модели при риске а = 0,05 и числе степеней свободы ^а =7 - 6 = 1 и^ = N (п - 1) = 14. Сумма квадратов ££на:

Коэффициенты канонической формы вычисляем через инварианты: с £

Я.12 = -±Ар—8 = -2,38 + 0,92; ^ = -1,46; = -3,30; ' 2 V 4

с = Д = 74,42 = 15,44.

5 4,82

С учётом вычисленных коэффициентов каноническая форма уравнения (2) примет вид:

_2 _2

-1,46Х2 - 3,30Х2 +15,44 = К28,

а полуоси эллипсов определятся следующим образом:

a = /15,44 - R 28 . b = /15,44 - R 28

1,46

3,3

Геометрический образ модели уК (К28) изображен на рис. 5.

ГР, %

85,0

62,5

40,0

Х2

/V/ / / У

1 ifxУ 1 г(7 X

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 Ц, %

Рис. 5. Геометрический образ модели уК прочности грунтобетона через 28 сут твердения и полного водонасыщения

Ниже в табл. 6 представлены результаты сравнительных испытаний образцов цилиндров после 28 сут твердения и 50 циклов замораживания - оттаивания. Определены пределы прочности образцов при сжатии Кмор и коэффициенты морозостойкости, подтвердившие соответствие грунтосмесей с высевкой критериям морозостойкости (Кмор / К28 > 0,95) [5].

Как следует из приведённых в таблице данных, наличие в составе грунтосмеси высевки не только обеспечивает повышение прочности на 30 - 40 %, но и даёт существенный прирост водо- и морозостойкости (на 20 - 30 %), что предотвратит или существенно снизит фильтрационные просачивания воды через тело водоподпорных сооружений, так как высокопрочный и морозостойкий грунтобетон, будучи уложенным на откос (при восстановлении обрушенных откосов) и гребень (при досыпке и наращивании до или сверх проектных отметок), надёжно защитит тело плотин (дамб) от просадки, размыва, выпучивания, суффозии и других деформаций.

Таблица 6

Результаты испытаний стандартных образцов

Дозировка компонентов, % от массы грунтосмеси Прочность, МПа Коэффициент

Цемент Грунт Высевка Зола Через 28 сут и полного водонасыщения, К28 После 50 циклов замораж.-оттаив., Кмор морозостойкости,

12 55 30 3 15,31 14,85 0,97

12 85 0 3 11,70 9,24 0,79

10 55 30 5 14,30 13,73 0,96

10 85 0 5 10,57 8,14 0,77

8 55 30 7 12,72 12,21 0,96

8 85 0 7 8,85 6,55 0,74

0

Анализ математической модели и её графического представления (рис. 5) позволяет сделать следующие выводы:

1. Прочность затвердевшей через 28 сут грунто-смеси (грунтобетона) повышается при уменьшении количества грунта в составе грунтосмеси и увеличении расхода цемента и высевки.

2. Дозировка цемента и высевки в высокопрочных (13 - 15 МПа) грунтобетонах должна быть, соответственно, не менее 8,0 - 10,0 % и не менее 25 - 30 % от массы грунтосмеси.

3. Уменьшение дозировки цемента в равнопрочных грунтобетонах следует компенсировать увеличением расхода высевки в составе грунтосмеси. Одинаковыми прочностными свойствами обладают затвердевшие грунтосмеси с нижеприведёнными расходами компонентов (цемента, грунта, высевки, золы), %

Ц = 9,0, ГР = 46 - 48, Выс = 37 - 39, З = 6,0;

Ц = 10,5, ГР = 63 - 65, Выс = 20 - 22, З = 4,5;

Ц = 12,0, ГР = 69 - 71, Выс = 14 - 16, З = 3,0 и т.д.

4. Использование высевки и золы-уноса для экономного расхода цемента в равнопрочных грунтобетонах в количестве, соответственно, 20 - 40 % и 4 - 6 % от массы грунтосмеси следует считать оптимальным.

5. Уменьшение количества высевки ниже 20 % и увеличение дозировки золы свыше 6 % не обеспечивают затвердевшей грунтосмеси высокой прочности без увеличения расхода цемента.

Поступила в редакцию

Заключение

Ремонт грунтовых плотин (дамб) грунтовыми смесями, улучшенными высевкой и золой, обеспечит восстановленным (отремонтированным) откосам и гребню сооружений высокие показатели прочности (до 13 - 15 МПа) и водостойкости, повышая тем самым эффективность и качество проведённых ремонт-но-восстановительных работ и повышенную сопротивляемость элементов сооружений к дефектообразо-ванию.

Литература

1. Шкура В.Н., Мордвинцев М.М. Мелиорация вод и водных объектов. Терминология и классификация. Новочеркасск, 1999. 34 с.

2. Ачкасов Г.П., Иванов Е.С. Технология и организация ремонта мелиоративных гидротехнических сооружений. М., 1984. 174 с.

3. Патент 2419705, РФ. Способ устранения дефектов в дамбах из однородного грунта / Е.В. Васильева, В.М. Федоров. 0публ.27.05.2011 // Б.И. 2011. № 15.

4. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М., 1981. 262 с.

5. Горелышев Н.В., Гурячкова И.Л., Пинус Э.Р. Материалы и изделия для строительства дорог. М., 1986. 287 с.

18 ноября 2013 г.