CC BY
24
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 626.212
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ БЕТОНОПЛЕНОЧНОГО ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ КАНАЛА
© 2007 г.
На основании натурных исследований [1] в том числе автора настоящей работы на III очереди Большого Ставропольского канала (БСК) [2] установлено, что противофильтрационные облицовки с пленочными экранами являются в той или иной степени водопроницаемыми. Их водопроницаемость обусловливается наличием повреждений и дефектов в пленочном экране, которые образуются в процессе строительства и эксплуатации облицовок при устройстве защитных покрытий из бетона или грунта и вследствие недопустимых деформаций экрана.
Рассмотрим теоретическую модель водопроницаемости бетонопленочной облицовки, которая нашла широкое применение на оросительных каналах. Особенностью фильтрации через бето-нопленочную облицовку является то, что она наблюдается лишь локально в очагах, вызванных наличием повреждений и дефектов как в защитном бетонном покрытии, так и в противофиль-трационном элементе в виде пленочного экрана.
С точки зрения водопроницаемости конструкция бетонопленочной облицовки представляет собой сложную неоднородную систему, состоящую
А.В. Ищенко
из разнородных по свойствам материалов: защитного покрытия и собственно противофильтраци-онного элемента (полимерной пленки).
Для оценки водопроницаемости бетонопле-ночных облицовок примем расчетную фильтрационную схему (рисунок). Под действием напора воды происходит движение фильтрационного потока через трещины и разрушенные швы в бетонном покрытии, а также через сам бетон в пространство между облицовкой и пленкой и далее по свободным ходам фильтрации между подошвой бетонной облицовки и пленкой, которые, как правило, образуются из-за неравномерной просадки грунта основания, к повреждениям в пленочном экране. При этом между бетонной облицовкой и пленочным экраном под трещинами облицовки и в местах повреждений пленочного экрана устанавливается некоторый остаточный напор hw1_2.
Для расчета водопроницаемости бетонопле-ночного покрытия воспользуемся следующими допущениями: коэффициент фильтрации грунтового основания кгр значительно выше коэффициента водопроницаемости бетона кб (кгр>кб); пленочный
Расчетная схема водопроницаемости бетонопленочной облицовки: 1 — бетонное покрытие; 2 — пленочный экран; 3 — трещины в бетонном покрытии; 4 — повреждения в пленке; 5 — свободные ходы фильтрации в подплитном пространстве
экран плотно прилегает к грунтовому основанию по всей поверхности.
Движение фильтрационного потока будем считать установившимся и подчиняющимся закону Дарси. Обозначим через А0 глубину воды над бетонным покрытием, § 0— толщина бетонной облицовки.
Фильтрационные потери через бетонопленоч-ную облицовку определяем как сумму локальных расходов через отдельные повреждения и дефекты защитного бетонного покрытия (трещины, разрушенные швы), бетон облицовки или через повреждения пленочного экрана:
ßnfiir Ёс
Ё ?б = Ё<
повр. пл'
(1)
где 0обл — фильтрационный расход через облицовку на площади F0; дтр, #шв — единичные расходы соответственно через отдельные трещины и разрушенные швы облицовки; #повр пл — единичный расход через отдельные повреждения пленоч-ногоэкрана; п1, п2, п3 — общее число трещин, разрушенных швов в бетонном покрытии; п — число повреждений пленочного экрана.
Из уравнения (1) с учетом известных зависимостей для трещин в бетоне облицовки и повреждений в пленке [3] запишем в случае наличия гладких трещин, полуразрушенных швов и щелей в пленке следующее равенство с учетом капиллярных свойств грунта основания:
Pg h + 8р - К v 8з
Е§3р • l т
12ц 8 (=1
+К1Ш К +8° - К £ 8Шв • b • l п
+KÄ
и0 i=1 + 80 - К
"з ,
щ
= пК1Ё
(К + H )i д
1 Arsh I l
-v/a -1
где §тр — ширина раскрытия трещины; 1 тр — длина трещины; р — плотность воды; ц — кинематическая вязкость воды; Н1 — пьезометрический напор в месте повреждения пленки; Нк — капиллярный вакуум грунта.
Заменим суммы на число повреждений с учетом осредненных параметров (§, 1)
Pg • ho + 80 - h 12Ц 80
" • 8тр • l тр +
А
+ho "з (щ + ho) К + 880 - К = пК1 " + Hk^.
8 Arsh | Yi-
va-1
Определим пьезометрический напор Н устанавливающийся между облицовкой и основанием в местах повреждения пленки. В частном случае, когда имеются только трещины,
+ 80 - h 80
" 8тр • 1тр +
+К
•^А^А"з • h0 • (( + к) =
"3пК1 (( + Hk )
Arsh I I
Vä-T
откуда после преобразований получим А( + §о)-Б • Нк
К =
A + Б
A = [pg"8тр1 тр + 12цКб"зК, (щ + h0 )] Arsh I );
Б = 12ц§0 • п3 • п • К1 • 1щ ; Нк = (0,3-0,5) ,
где Ак — высота капиллярного поднятия воды в грунте.
Для сборных бетонопленочных облицовок из тонких плит, пренебрегая малыми величинами, расчет можно производить по следующим приближенным формулам:
К =
A (К + 80
(2)
А + Б '
А = р£П1§3тр 1тр АпН ^ ^;
Б = 12ц§0 • п3 • п • К1 • 1щ.
Если учесть, что при редком расположении повреждений в пленке напор в повреждении А1
близок к полному напору Н = Н0 + §0 , то приближенно можно считать
Н « ¿0 + §0.
Тогда расход через облицовку на площади F0 будет равен
0обл
"зпК1 (( + 80 + Hk )щ
Arsh I 1
"4/0-1
(з)
С учетом полученных выше приближенных формул (2), (3) окончательная зависимость для сборной части бетонопленочной облицовки примет вид
8
к/ =
К гЛт,
n3nK1 (( + 80 + Hk) 801щ
( +8о )Fo Arsh I
здесь а — параметр, определяемый из уравнения вида [3]
m =
m
H
= F («),
покрытие не учитывается, что идет в запас расчета.
В этом случае расход через щели пленочного экрана при фильтрации на бесконечность составит
К п(( + Hk)
Arsh I 1
л/а -1
F (а) =
Arsh I I
arccos
I т/Ö-I
- ^ J
TT J
S dS
л/а
arcsin^— —;-
п о VO—1 S2 +1
Функция / (а) по результатам расчетов на
ЭВМ табулирования [3].
Расчетная зависимость коэффициента фильтрации бетонопленочной облицовки при наличии отверстий в пленочном экране
К/ _ и п • К • г0 •(( +80 + нк)
Arsh I 1
где n = ■
nF
-v/a -1
общее количество повреждений;
юповед _ 0 — площадь единичного повреждения;
г 0 — среднестатистический радиус повреждения.
С учетом средней поврежденности после соответствующих преобразований получаем
/ пВД (( + Нк)
Л обл _
(ho +§о)ArSh ( )'
Исходя из условия равномерного распределения отверстий по площади экрана, имеем
П _ /0 ,
т _ Юпов. общ т _ п / т _ П •
пов.ед , тпов. общ П • Г0 , пов. ед ^ .
Среднестатистический размер для равномерно распределенных отверстий при тпов. ед _ пг02 составит
r о =
^пов. ед _ /П ' F0
л/ПП •
п V п • и
При расчете водопроницаемости сборной бе-тонопленочной облицовки расход через защитное
где F(а)=
2r о
(ho + Hk
функция, определяемая
по [3].
Для расчета водопроницаемости противофиль-трационных облицовок на персональном компьютере составлена блок-схема при использовании следующих исходных данных: К1 — коэффициент фильтрации для подстилающего грунта основания, который принимался в зависимости от рода грунта (песок, суглинок, глина) с соответствующим значением; 10-2; 10-4; 10-6 см/с, Нй — глубина воды в канале, задавалась равной 1 3, 5 м; 80 — толщина облицовки, сборной— 0,06 м; монолитной бетонной — 0,15 м.
В табл. 1 приведены результаты расчета осред-ненного коэффициента фильтрации через бето-нопленочную облицовку. Анализ данных показывает, что для песчаных грунтов наблюдается высокая водопроницаемость бетонопленочной облицовки с осредненным коэффициентом фильтрации К/оЪл > 110-6 см/с, что не допустимо, так как приведет к большим фильтрационным потерям через облицовку. Для супесей и суглинков водопроницаемость облицовки вполне допустимая, а осредненный коэффициент фильтрации К/обл< 110-6 см/с.
В табл. 2 даны диапазоны коэффициентов фильтрации сборных и монолитных бетонных облицовок в зависимости от грунтов основания. В соответствии с этими данными водопроницаемость облицовок для песчаных грунтов при по-врежденности 0,1 и 0,01 % получается высокой и, следовательно, недопустимой. Для других типов грунтов (супеси, суглинки) водопроницаемость облицовок может считаться вполне допустимой.
Выводы
1. Предлагается определять фильтрационные потери через бетонопленочную облицовку как сумму локальных расходов через отдельные повреждения и дефекты защитного бетонного покрытия (трещины, разрушенные швы), через бетон облицовки и через повреждения пленочного экрана.
2. Коэффициенты фильтрации сборных и монолитных бетонных облицовок при поврежденности облицовки 0,1—0,001 % для подстилающих грунтов основания, кроме супеси, суглинки превышают допустимые.
к
X
та
о В<
а та в я
о
ь
о в
в в
а *
В
о
о Е<
о в
V:
п << 3 к д о я о П) о СГ я о о я Грунт подстилающего основания
о о р Коэффициент фильтрации грунта подстилающего основания см/с
о о о о о о о о о о о о Расчетная поврежденность пленочного экрана в долях от единицы
о о о о ЧО ЧО ЧО ЧО чр чр чр чр о о о о о о о о Ъ\ Н- ЬО чо 4^ ^ чр р о р о о Я о р о о о н- и) н- и) н-* н-» О К) <1 у« 1—* о о о о о "о я ш ЙЕН £ в 2 Е § а Н Й Ё К Я Ы 1 3 § 2 ° « о и е-е-я я я гь Я н е-я тЗ ё Я я о о> Й я я н ° я со 2 я 5 ^ я Й о" Й Й йа Ч рз ы Й Я Л я Е X н я я о м ы рз £ Я н я о п о
о о о о Ъ\ Ъ\ н- н- Ю Ю чо ЧО о о о о о о о о ьо чо ¿л ьо чр Н- чр о о о о р о о о Ю "оо Ь "чо ^ ^ 00 (О <1 ^ чр о о о о о О)
о о о о Ь ьо Ь ьо ьо ьо ьо ьо о о о о о о о о ЬО V Н- и) 4^ 00 ьо 00 ьо к-* оо о о о о о "чо ю о ° р р и) — и) ь- О и) ^ ООО о "о я ш § е Н В 2 е я а Н НЁ Я Я Я Ц §
о о о о Ъ ьо ьо ьо и> и> Ц) о о о о о о о о V "чо ЬО "чо <1 4^ «-л н^ Ь-' чр 00 о о о о р о о р> ЬО Ь 00 ю ^ оо о чо о о о о о О)
о о о о V V V о о о о о о о о о о о 1— 1— 4^ 4^ О О О О О о "чо ю и> о ° р р ЧО и) чо 00 и) О К) ^ ООО о "о 1 » Н £ в Р Е § а Н Й Ё к Я ы й О Я 2 3 -
о о о о 4^ 4^ 00 ^ ^ ^ 00 О О О О о о о о Ь "о "ю 00 00 ю оо о чр 4-*. о о о о р о о р> ЬО "о "ьо 00 — О 4^ ^ О ЬО 00 о о о о о О)
о о о о Ъ Ь Н- ЬО ^О ^О ЬО у« у« н-' О О О О о о о о Ъ\ Ъ\ "н- и) 0\ Н- Ы и) и) н- ьо о о о о р о о р> '<1 "ю 00 и) и) 4^ «-Л О К) о о о о о "о я ш § е н 9 В 2 е я а Н НЁ а я я 1 ^ § 2 °
о о о о 4^ 4^ 4^ ^ ^ ^ о о о о о о о о Н- V "к- 4^ чо о ^ ОО <1 р о о о о р о о р> н— "ьо а\ ю а. 00 чр ЬО р о о о о о О)
-В
ге
и ^
в-
Н
£
■в
р
о л ге
н р
в
о За о а ■о о
х =
а
к ге 3 о
Я
о\ ге н о я о а ь
ге Я
о л
X
о 5<
о
о\ =
в о
И
н
ш ?
к
ш
с '¿00с "пхапн эгтээытхэх нопгэй ттэ£пя9пу[-о(1э9ээ '90ЕА9 кпшэээец ££9с-1с£0 /\ISSI
Таблица 2
Определение коэффициентов фильтрации различных типов защитного покрытия в зависимости от расчетной поврежденности
пленочного экрана и коэффициентов фильтрации грунта основания
Грунт подстилающего основания Коэффициент фильтрации грунта основания, см/с Расчетная поврежденность пленочного экрана, % Коэффициент фильтрации облицовки (см/с) для защитного покрытия
Сборные плиты НПК толщиной 6 см Монолитное бетонное покрытие толщиной 15 см
Песок 10"2 ОД 0,01 (2,14-3,46)-10"5 (5,73-8,85)-10"6 (2,12-2,83)-10"5 (6,00-8,73)-10"6
10"3 0,1 0,01 (2.16-3.69И0-6 (5,78-9,13)-10"7 (2.12-3.19)-10"6 (5,91-9,93)-10"7
Супесь 10"4 0,1 0,01 (2,19-4,12)-10"7 (0,58-1,11)-10"7 (2,13-3,55)-10"7 (0,58-1,11)-10"7
ю-5 0,1 0,01 (2,23-4,61)-10"8 (0,59-1,15)-10"8 (1,98-3,91)-10"8 (0,53-1,43)-10"8
Суглинок 10"6 0,1 0,01 (0,23-0,51)-10"8 (0,60-1,26)-10"9 (0,18-0,44)-10"8 (0,47-1,70)-10"9
ю-7 0,1 0,01 (0,61-1,39)-Ю"10 (0,24-0,55)-10"9 (0,32-2,30)-Ю"10 (0,19-0,49)-10"9
Примечание. П=0,1-0,01 % — соответствует удовлетворительному качеству. Допустимые значения К^о6г[ приведены под чертой.
3. Предложена формула для определения расхода через щели в пленочном экране бетонопленочной облицовки при фильтрации на бесконечность.
4. На основании расчета по полученным теоретическим зависимостям составлены таблицы расчетных значений коэффициентов фильтрации, позволяющие осуществлять выбор противофильтрационных экранов и облицовок с заранее заданными свойствами в зависимости от грунтовых условий, назначения сооружений и допускаемой их водопроницаемости.
Литература
1. Косиченко Ю. М., Ищенко А. В. К оценке неустановившейся фильтрации через противофильтрацион-
ные облицовки каналов //Изв. СКНЦВШ. Техн. науки. 1986. №1. С. 5.
2. Противофильтрационная эффективность бетонопленочной облицовки Большого Ставропольского канала /Ю.М. Косиченко Ю. М., Ю.А. Максимов, А.И. Рябыкин, А.В. Ищенко //Мелиоративное и водохозяйственное строительство с применением полимерных материалов /ВНПО «Союзводполимер». Елгава, 1985. С. 8.
3. Косиченко Ю.М., Бородин В.А., Ищенко A.B. Инструкция по расчету водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок каналов /Союзгипроводхоз; ЮжНИИГиМ. М., 1984.
Новочеркасская государственная мелиоративная академия
20 ноября 2006 г.
УДК 626.862:631.626
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ, ПРОБЛЕМЫ И ПОТРЕБНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЗАКРЫТОГО ДРЕНАЖА В ЗОНЕ ОРОШЕНИЯ
© 2007 г. В.И. Миронов, Г.А. Сенчуков, A.B. Лещенко, В.А. Дедогрюк, A.B. Миронов,
В.В. Каратунов
Площадь сельскохозяйственных земель в России, которые нуждаются в орошении, составляет 71,5 млн га. Однако даже при интенсивном развитии мелиорации в период 1966—1990 гг. фонд орошаемых земель к 1990 г. фактически составлял лишь 6,2 млн га. В годы реформирования сельского хозяйства по причине резкого снижения финансирования, износа части оросительных систем фонд орошаемых земель от 6,2 млн га сократился до 4,7 млн га. Издавна в стране орошение и дренаж теснейшим образом были связаны между собой технически и технологически. Известно, что функционально дренаж необходим не только для снижения уровней грунтовых вод (УГВ) на орошаемых землях и подтопленных территориях, но для промывки и исключения вторичного засоления земель сельскохозяйственного назначения.
В 1951 — 1952 гг. одновременно с вводом в эксплуатацию Цимлянского водохранилища на Дону началось широкое применение орошения. Но с развитием орошаемого земледелия в Ростовской области, также как и во всей стране в целом, произошло с годами резкое повышение уровней грунтовых вод (УГВ), ухудшение мелиоративного состояния земель (рис. 1). Анализируя положение дел в динамике, мы видим, что до 1991 г. происходило менее интенсивное наращивание земель, находящихся в неудовлетворительном мелиоративном состоянии. Более интенсивно этот процесс стал происходить в последние 10—15 лет (рис. 2) по причине негативного отно-
шения к использованию орошаемых земель хозяйствами различных форм собственности.
Дренаж всегда защищал почвы от негативных последствий орошения, которые возникали в результате нарушений поливного режима, образовавшихся дефектов и разрушениях в конструкциях сооружений, систем и дефектов, допущенных при проектировании. По ряду этих причин начинались и разрастались процессы вторичного засоления орошаемых земель и заболачивания почв, которые со временем охватывали значительные площади и прилегающие территории. Для улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель проводились мероприятия по строительству и реконструкции нового и действующего дренажа, повышению эффективности его работы.
В дореформенный период на Северном Кавказе было уложено около 20,6 тыс. км дренажа различных конструкций, из которых почти 70 % составлял закрытый горизонтальный дренаж из пластмассовых (полимерных) труб: полиэтилена, поливинилхлорида, стеклопластиковый и другой.
Ранее дренаж строили раздельным полумеханизированным способом из асбестоцементных труб, но с приходом в строительную практику полимерных материалов, начиная с 70—80-х гг., стал применяться траншейный, а затем узкотраншейные способы строительства закрытого горизонтального дренажа (ЗГД). Лишь небольшая часть дренажа была уложена бестраншейным способом.
