Введение к работе
Официальные оппоненты
доктор технических наук, профессор
Арефьев Николай Викторович
ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет»
доктор технических наук
Солъский Станислав Викторович ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»
доктор технических наук, профессор
Штыков Валерий Иванович
ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный
университет путей сообщения»
Ведущая организация
ГНУ «Поволжский НИИ эколого-мелиоративных технологий»
Защита состоится 2010 г. в 10 часов
на заседании диссертационного совета ДМ 512.001.01 в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21)
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева».
Автореферат разослан « » 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета кандидат технических наук,
старший научный сотрудник Т.В. Иванова
Актуальность проблемы. Существующие типы противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений в виде облицовок каналов, экранов, противофильтрационных стенок, завес и ядер в ряде случаев недостаточно эффективны, что обусловлено несовершенством их конструкций, вероятностью трещинообразования или повреждения в процессе строительства и эксплуатации. В частности, в настоящее время в России объем потерь воды при транспортировке воды по каналам комплексного и мелиоративного назначения, составляет около 8 км3/год. В соответствии с «Водной стратегией России на период до 2020 г.» предполагается вдвое уменьшить удельные потери при транспортировке за счет реконструкции систем водоподачи, устройства облицовки каналов, реконструкции оросительных систем.
Решение этих проблем невозможно без применения современных конструкций различных противофильтрационных устройств (ПФУ) в виде облицовок, экранов, противофильтрационных стенок и завес.
В связи с изложенным повышение эксплуатационной надежности ПФУ в конструкциях ГТС, которому посвящена настоящая работа, является актуальным.
Работа выполнена в соответствии с важнейшими научно-исследовательскими программами:
ГКНТ СМ СССР по заданию 0.85.06.03.05Н1 «Разработать рекомендации по противофильтрационным, берегоукрепительным и дренажным мероприятиям на крупных каналах»;
фундаментальных и приоритетных исследований развития АПК РФ по заданию 03.02.02.03 «Разработать научно обоснованные мероприятия по безопасному функционированию и предотвращению загрязнения грунтовых вод и водотоков из накопителей сельскохозяйственных и промышленных отходов».
Степень разработанности проблемы в научной литературе. Общетеоретические, методологические и научно-практические исследования эффективности и надежности каналов, накопителей, их ПФУ и дренажа представлены в трудах отечественных и зарубежных специалистов: С.Ф. Аверьянова, А.Г. Алимова, К.Н. Анахаева, В.И. Аравина, Н.В. Арефьева, В.Н. Бухарцева, В.В. Ведерникова, Н.Н. Веригина, А.Л. Гольдина, В.Д. Глебова, В.Н. Жиленкова, И.М. Ёлшина, Ю.М. Косиченко, И.Е. Кричевского, Г.М. Ломизе, Ю.П. Ляпичева, Ц.Е. Мирцхулавы, В.П. Недриги, С.Н. Нумерова, Н.Н. Павловского, Л.Н. Рассказова, Д.В. Стефа-нишина, СВ. Сольского, О.М. Финагенова, P.P. Чугаева, В.И. Штыкова, В.Ф. Ван Асбека, Д. Брауна, Н. Дэскулеску, М. Хики, Г. Васкетти, А. Скуеро, Б. Джонса, Ф. Форхгеймера и др.
Для борьбы с фильтрацией из каналов и накопителей отходов в последние 30 - 35лет достаточно широкое применение нашли традиционные конструкции противофильтрационных устройств - бетонные, железобетонные, асфальтобетонные, грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Практика их применения показала, что наиболее эффективными из них являются грунтопленочные и бетонопленочные покрытия. Однако, они характеризуются недостаточной эксплуатационной надежностью вследствие частой повреждаемости тонкого пленочного элемента.
За рубежом (США, Чехия, Италия, Германия, Израиль, Египет, Франция, Португалия и др.) в отличие от России находят широкое применение геомембраны, представляющие собой полимерный рулонный материал из полиэтилена, бутилкаучука, битумно-полимерных композиций толщиной от 1 до 3 мм. Такие материалы по сравнению с плёночными, имеющими толщину до 0,2 - 0,3 мм, характеризуются большей долговечностью, значительным сопротивлением прокалыванию, высокой гибкостью и деформационной способностью.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и научное обоснование новых и совершенствование существующих конструкций противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений на основе комплексных экспериментально-теоретических исследований.
Для достижения цели решались следующие задачи:
обобщить данные по оценке противофильтрационной эффективности и эксплуатационной надежности грунтопленочных и бетонопленоч-ных покрытий на каналах, водоемах и накопителях;
провести натурные исследования водопроницаемости и противофильтрационной эффективности бетонопленочных облицовок каналов и уточнить КПД действующих облицованных каналов;
развить теорию водопроницаемости противофильтрационных кон-стру и на ее основе разработать методику оценки эффективности облицовок оросительных каналов;
провести расчетную оценку противофильтрационной эффективности бетонопленочной облицовки с геомембраной;
выполнить исследования по обоснованию типов дренажа накопителей ПО и усовершенствовать методы их фильтрационного расчета;
разработать практические рекомендации по повышению эффективности ПФУ оросительных каналов, водоемов и накопителей ПО;
провести оценку влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе;
усовершенствовать существующие и разработать новые рациональные конструкции элементов противофильтрационных облицовок, экранов и дренажных устройств каналов, водоёмов и накопителей ПО.
Объект и предмет исследований. Объектом исследования явились крупные каналы Ростовской области (ДМК, Бг-Р-7, Бг-Р-8) и Ставропольского края (БСК-3, БСК-4) и др.; золоотвалы (Новочеркасской, 2
Невинномысской, Несветай ГРЭС), шламоотвалы Новочеркасских (электродного, магнитного, синтетических продуктов) заводов; Юмагузинское водохранилище, водохранилище «Ростовское море» и др.
Предметом исследований являются противофильтрационные устройства на каналах, водоемах и накопителях промышленных отходов.
Выполненные исследования относятся к п. 4 и п. 6 Паспорта специальности 05.23.07 - Гидротехническое строительство.
Теоретической и методологической основой работы послужили теоретические и экспериментальные, лабораторные и натурные исследования, включающие следующие методы:
фильтрационных расчетов, основанные на использовании способов фрагментов, фильтрационных сопротивлений и теории функции комплексного переменного;
математической статистики и теории вероятности для статистической оценки полученных результатов натурных наблюдений;
физического моделирования задач фильтрации на экспериментальных установках;
натурных исследований водопроницаемости облицовок каналов.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты натурных исследований водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок ряда каналов юга России;
методика расчета водопроницаемости бетонопленочных и бетонных противофильтрационных облицовок каналов с применением пленочных материалов и геомембран и определения технического КПД облицованных каналов;
методика обоснования выбора рациональных противофильтрационных облицовок, позволяющая определять осредненные значения их коэффициентов фильтрации, удовлетворяющие требованиям экономичности;
результаты экспериментальных исследований по определению рациональной схемы противофильтрационной и дренажной защиты накопителей ПО;
конструктивные решения рациональных противофильтрационных облицовок каналов, дренажных устройств, инженерной защиты грунтовых вод от фильтрата из накопителей ПО, новизна которых защищена 15 авторскими свидетельствами и патентами;
методы фильтрационного расчета накопителей ПО с противофиль-трационными устройствами и оценки противофильтрационных свойств экранов при наличии нарушений сплошности в пленочном и в грунтовом противофильтрационном элементе;
методика оценки влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе;
рекомендации по повышению эксплуатационной надёжности противофильтрационных защит на каналах и накопителях отходов.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Разработаны и обоснованы новые и усовершенствованные конструкции бетоноплёночных облицовок каналов с применением защитных прокладок из геотекстиля и противофильтрационного элемента из геомембраны и грунтоплёночных экранов водоёмов и накопителей с применением геомембран. По ряду предложенных решений получены патенты и авторские свидетельства.
-
Разработана методика расчета водопроницаемости и получены аналитические зависимости для основных типов бетоноплёночных облицовок каналов, позволяющие определять потери воды на фильтрацию из облицованных каналов и осуществлять их технико-экономическое сравнение.
-
На основе использования целевой функции затрат и риска повреждений противофильтрационного элемента установлен оптимальный уровень эффективности облицовок с плёночным экраном и геомембраной и разработан алгоритм выбора оптимального типа облицовок.
-
Разработан способ повышения противофильтрационной эффективности бетоноплёночных облицовок на действующих каналах за счёт инъекции подплитного пространства цементно-песчано-зольным составом.
-
Предложены конструкции дренирующе-разгрузочных устройств для облицовок, которые позволяют повысить их устойчивость за счёт предупреждения выпора плит при быстрой сработке уровня воды в канале.
-
Обобщены результаты натурных исследований по количественной оценке осредненных значений коэффициентов фильтрации противо-фильтрационных облицовок на действующих каналах.
-
Получены расчетные зависимости для определения параметров фильтрующего элемента в конструкции противофильтрационной стенки накопителей отходов и проведена теоретическая оценка противофильтрационной эффективности пленочных экранов рациональных и комбинированных конструкций и грунтовых экранов с учетом кольматации трещин.
-
Получены результаты экспериментальных исследований эффективности противофильтрационных устройств и накопителей ПО в условиях воздействия грунтового потока.
-
Дана оценка влияния фильтрации из водохранилищ на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе.
Личный вклад.
Диссертационная работа является результатом более чем 20-летних (1986 - 2009 гг.) исследований автора, выполненных в отделе ГТС ЮжНИИГиМа, на кафедре ГТС и в лаборатории моделирования фильтрационных процессов при кафедре гидравлики и инженерной гидрологии НГМА. Постановка задач исследований, их решение теоретическими и экспериментальными методами, анализ и обобщение полученных результатов осуществлены лично автором. 4
Автор принимал непосредственное участие в полевых исследованиях на каналах БСК-3, БСК-4, ДМК, АзМК, Бг-Р-7, Бг-Р-8, Юмагузин-ском водохранилище, регулирующем водохранилище «Ростовское море», накопителях промышленных отходов и золоотвалах Новочеркасской ГРЭС, Невинномысской ГРЭС, Несветай ГРЭС и др. В проведении некоторых экспериментальных и теоретических исследований принимали участие аспиранты Т.А. Капустина, А.Ф. Апальков, Е.О. Скляренко, которые под руководством автора защитили кандидатские диссертации. При постановке ряда задач, рассмотренных в настоящей работе, и подготовке диссертации автор получил ценные советы и научные консультации от ведущих учёных НГМА, РосНИИПМ, КБГСХА, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» и МГУП.
Практическая значимость работы:
-
Предложены новые и усовершенствованные конструкции и способы повышения эффективности противофильтрационных облицовок и экранов каналов и накопителей.
-
Получены количественные оценки водопроницаемости основных типов противофильтрационных облицовок каналов и рекомендуемые допускаемые значения их осредненных коэффициентов фильтрации, характеризующие оптимальный уровень надёжности облицовок.
-
Разработаны практические рекомендации по повышению эффективности и надежности бетоноплёночных облицовок крупных каналов, в том числе, включены в нормативные документы.
-
Результаты исследований апробированы и внедрены в течение 1986 - 2008 гг. на 16 мелиоративных и гидротехнических объектах (каналах, плотинах и накопителях промышленных отходов).
-
Применение разработок автора способствует повышению экологической устойчивости природных систем.
-
Суммарный фактический и ожидаемый экономический эффект составил около 40,0 млн руб в ценах 2001 - 2008 гг.
Апробация результатов. Результаты исследований автора по теме диссертации докладывались на 15 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на научно-технической конференции ЮРГТУ (НПИ) «Проблемы строительства и инженерной экологии» (Новочеркасск, 2000), конференции, посвященной 100-летию профессора М.М. Скибы (Новочеркасск, 2002), межвузовской научно-практической конференции НГМА «Проблемы гидрологии и гидротехники» (Новочеркасск, 2002), международных научно-практических конференциях в Институте гидротехники и мелиорации УААН (Киев, 2004), в СПбГПУ и ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Санкт-Петербург, 2004, 2009, 2010), на научно-практическом семинаре в РосНИИПМ «Обеспечение безопасности ГТС мелиоративного назначения» (Новочеркасск, 2006), на научно-практическом семинаре «Безопасность гидротехнических сооружений» в
В главе 2 представлены результаты натурных исследований по количественной оценке нарушений, повреждений и водопроницаемости противофильтрационных облицовок на действующих каналах.
Под руководством автора в течение 1986 - 2008 гг. были проведены обширные исследования ряда каналов Ростовской области и Ставропольского края (БСК-3, БСК-4, ДМК, Бг-Р-7, Бг-Р-8, Бг-Р-5, МР-2.2) по определению потерь на фильтрацию, КПД, параметров водопроницаемости и трещиноватости облицовок.
В результате обследований состояния бетонопленочного защитного покрытия на ряде каналов Багаевско-Садковской ОС, БСК (2,3,4-й очередей) установлено, что в процессе строительства и эксплуатации наблюдается трещинообразование защитного покрытия каналов (рис. 1,а), при этом наиболее распространены нитяные трещины (50-55 %), затем трещины шириной раскрытия 1-2 мм (25 - 27%), 2-4 мм (12 - 15%), 4-6 мм (5 - 6%) и трещины шириной раскрытия 6-8 мм (2 - 3%).
до 1мм | 1-2мм | 2-4мм | 4-бмм | в
Б0 50 40 о J 30
f:
о
S Ё
При обследовании ряда каналов (БСК-3, БСК-2, Бг-Р-7, Бг-Р-5, Бг-Р-8) автором установлена средняя повреждённость плёночного экрана облицовок (рис. 1,6) в пределах 0,011-0,045%, а распределение по размерам повреждений плёночного элемента на БСК-3 (рис. 1,в): 1 - 2мм - 56%; 2 -3 мм - 38%; 3-5мм - 6%. По данным Укргипроводхоза (А.Ф. Зоценко) на
МГУП (г. Москва, 2007), на Международной научно-практической конференции «Строительство-2008-2010» РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2008-2010), на научно-практической конференции «Инновационные технологии повышения эффективности мелиоративных систем и безопасности гидротехнических сооружений» ПНИИЭМТ (г. Волгоград, 2010) и др.
Основные положения диссертации отражены в двух монографиях: «Повышение эффективности и надёжности противофильтрационных облицовок оросительных каналов» и «Обеспечение фильтрационной безопасности и эффективности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений» общим объемом 28,3 п.л.; а также в научных статьях и изобретениях объемом более 42 п.л., в том числе автора 25 п.л.
Общий объем публикаций автора составил 53,3 п.л.
Достоверность научных результатов. Основные положения, выводы и рекомендации научно обоснованы с позиций теории фильтрации, теории вероятности и математической статистики. Лабораторные исследования проводились по общеизвестным методикам с использованием стандартного оборудования. Приборы, применяемые при проведении натурных и лабораторных исследований, поверены и аттестованы в метрологическом центре.
Достоверность результатов подтверждается результатами экспериментальных и натурных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 350 страниц. Материал диссертации содержит 36 таблиц, 64 рисунков и 4 приложения. Список литературы состоит из 227 наименований, в том числе 29 - иностранных авторов.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 74 научные работы, из них в изданиях, рекомендованных ВАК - 12; монографий, учебных пособий и нормативно-методических изданий - 7, авторских свидетельств на изобретения и патентов - 15.
