Введение к работе
Актуальность проблемы Одной из важных проблем современного этапа развития человечества является рациональное и эффективное использование водных ресурсов, а также защита от их вредного воздействия, чю предполагает регулирование речного стока, в том числе с созданием водохранилищ, прудов, накопителей и т д В подавляющем большинстве случаев в мире (более 85%) в качестве подпорных сооружении для них служат грутовые плотины и дамбы, значительную часть которых составляют средне - и низконапорные плотины При этом в составе последних довольно часто используются закрытые водопропускные сооружения (водоводы) Однако, как свидетельствует отечественный и зарубежный опыт плотиностроения, нередки случаи повреждений и разрушений грунтовых плотин и дамб, в том числе с тяжелыми последствиями и человеческими жертвами Следует отметить, что значительная часть указанных аварий более (30-40 %) происходит по причинам несовершенства конструкций грунтовых плотин и их противофильтрационных и дренажных устройств, а также вследствие фильтрационных деформации, возникающих в около трубной области из-за недостаточного полного учета взаимовлияния фнлырационного потока в іеле плотины и потока воды в закрытом водопропускном сооружении при различных і идравлических режимах его работы
В связи с изложенным актуальность совершенствования конструкции и методов расчетного обоснования грунтовых плотин и дамб с закрытыми водопропускными сооружениями является важной задачей, что и определяет актуальность выбранной темы диссертации
Целью работы является совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования грунтовых плотин и дамб с закрытыми водопропускными сооружениями
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
выполнить обзор отечественного и зарубежного опыта плотиностроения и дать критический анализ существующих конструкций грунтовых плотин и дамб с закрытыми водопропускными сооружениями и методов их расчетного обоснования, а также выявить наиболее характерные причины нарушений нормальной работы грунтовых плотин с водоводами,
на основе аналитических и экспериментальных исследований усовершенствовать методы расчетного обоснования грунтовых плотин с дренажным устройствами и несовершенной противофильтрационной диафраімой с учетом основных А параметров волнового воздействия на верховой откос и глубины промерзанияv грунта низового откоса плотины;
исследовать на основе аналитическою (приближенно-гидромеханического) метода построения линий равных напоров (эквипотенциален) в грушовой плоти-
4 не взаимовлияние фильтрационного потока в тепе плотины и потока воды в закрытом водопропускном сооружении при различных гадравлических режимах его работы, усовершенствовать конструкции противофильтрационных устройств и деформационных швоз и с гыков водовода, несовершенных диафраї м и др, разработать новую методику определения напоров и градиентов напора (продольных и поперечных) на поверхности и стенках водовода, а также толщины стенок бетонных водоводов в зависимости от значений действующих поперечных градиентов напора и марки бетона по водонепроницаемости,
усовершенствовать конструкции закрытых водопропускных сооружений под искусственными и естественными грунтовыми плотинами и дамбами, в том числе ливнепропускного сооружения с дренажным ковшовым оголовком под плотинами и дамбой автодорог и водоводов под селевыми завалами, предотвращающими перекрытие основной реки бассейна в составе противоселевого гидроузла,
составить рекомендации по совершенствованию конструкции и методам расчетного обоснования фунтовых плотин и дамб с закрытыми водопропускными сооружениями с учетом рационального размещения их противофильтрационных и дренажных устройств при различных эксплуатационных и гидравлических режимах работы водовода
Методы исследовании Работа выполнена на основе проведения комплексных теоретических и экспериментальных исследовании в течение 1995-2008 г г
Для решения поставленных в диссертационной работе задач применялись следующие методы
гидравлические и приближенно-гидромеханические, используемые для расчетов фильтрационного потока в теле грунтовых плотин - однородных и с несовершенной противофилырационной диафрагмой, а также для определения высоты наслонного дренажа с учетом глубины промерзания грунта низового откоса плотины,
гидравлические для расчета течения водного потока в траншейном водозаборном и водопропускном сооружениях в составе селезащитного гидроузла при напорном и безнапорном режимах работы;
по аналитическому выражению известных линейных и нелинейных (логарифмических, квадратичных и др) кривых и полей графических и табличных данных, в том числе по двум переменным,
экспериментальные, выполненные автором методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) на электропроводной бумаге по моделированию движения фильтрационного потока в грунтовой плотине с несовершенной диафрагмой, и использования опытных данных других исследователей, а также данных натурных обследований
Достоверность полученных научных результатов, основных ьыводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением с данными экспериментальных исследований по методу электрогидродинамических аналогий (ЭГДЛ), с общепризнанными (базовыми) ірафичсскнми и табличными данными действующего СНиПа 2.06 04-82 «Нагрузки и воздействия » (1989), а также использованием известных апробированных приближенно-іидромеханических и гидравлических методов исследований фильтрационного и гадравлических потоков Обработка опытных данных и сравнение их с результатами аналитических выражений осуществлялась известными математическими методами с оценкой точности полученных расчетных зависимостей Кроме этого, достоверность отдельных результатов диссертации подтверждена данными натурных обследований оползневого откоса с глубиной промороженного грунта до 0 6-0 7 м (с Залукодес, КБР, январь 2008г) и естественных плотин селевого завала (г Тырныауз КБР, май 2003г)
Научная новизна работы заключается в следующих, выносимых на защиту, положениях-
выявлены наиболее характерные причины аварий и повреждений грунтовых плотин и дамб с закрытыми водопропускными сооружениями, в частности, от фильтрационных деформаций грунта в околотрубной зоне с учетом взаимовлияния фильтрационного потока в теле плотины и потока воды в водоводе при различных гидравлических режимах его работы,
усовершенствованы методы расчетного обоснования грунтовых плотин, в том числе по определению основных параметров волнового воздействия на верховой откос и высогы наслонного дренажа с учетом возможной глубины промерзания низового откоса плотины, а также разработан новый метод фильтрационного расчета грунтовых плотин с несовершенной противофильтрационной диафрагмой,
разработаны новая методика определения, как действующих напоров, так и градиентов напора продольных - в околотрубной зоне, и поперечных - на стенках водовода, при различных гидравлических режимах работы водовода, позволяющая определять толщину стенки бетонного водовода в зависимости от действующего градиента напора и марки бетона по водонепроницаемости, а также новые конструкции противофильтрационных швов и стыков водовода, несовершенных диафрагм и способы их рационального размещения,
обоснована новая конструкция дренирующего ковшового водопропускного (ливнепропускного) сооружения под грунтовыми дамбами автодорог, обеспечивающая повышение устойчивости откосов дамбы за счет перехвата поверхностного стока и понижения уровня грунтовых вод, фильтрующих с прилегающего склона, а также усовершенствована конструкция грунтовой плотины с зубом на
б проницаемом основании ограниченной мощности, позволяющая повысить надежность работы сооружения за счет снижения выходных градиентов напора,
- разработаны новые конструкции закрытых водопропускных сооружений под естественными грунтовыми плотинами (селевыми завалами) в составе проти-воселевых гидроузлов, предотвращающие перекрытие русло основной реки селевого бассейна, как при наличии односгороннего, так и двухсторонних боковых селеносных притоков, а также компоновочно - техническое решение с траншейным водозабором и закрьпым водоводом по оздоровлению ландшафта г Тырныа-уза в условиях селевой опасности р Камык-су
Техническая новизна новых конструктивных решений, полеченных в диссертации, подтверждена также 3 патентами на изобретения
Практическая значимость работы характеризуется тем, чго полученные в диссертации результаты позволяют усовершенствовать методы расчетного обоснования грунтовых плотин, в том числе от параметров волнового воздействия, при проектировании профиля грунтовых плотин и высоты наслониого дренажа с учетом возможной глубины промерзания низового откоса плотины с возможно-стью использования их в программных продуктах ЭВМ
Предложенная методика определения напоров и градиентов напора (продольных и поперечных) дает возможность обоснованного и рационального использования в околотрубной зоне противофильтрационных защитных устройств, в том числе и новых конструктивных решений деформационных швов и стыков водовода, несовершенных диафрагм, с рекомендациями по их рациональному размещению при различных напорном и безнапорном гидравлическом режимах в водоводе Выявленные условия взаимовлияния фильтрационного потока в теле плотины и потока воды в водоводе позволяют сформулировать предложения, как по противофитьтрационной защите водоводов, так и по их эксплуатации, в зависимости от действующего гидравлического режима работы водовода Разработанный в диссертации новый метод фильтрационного расчета грунтовых плотин с несовершенной противофильтрационной диафрагмой позволяет достаточно быстро и надежно определять необходимые параметры фильтрационного потока (расход, положения и высоты высачивания депрессионной кривой) при наличии и отсутствии дренажных устройств
Новые конструкции дренирующею ковшовою водопропускного (ливнепро-пускного) сооружения и противофильтрационного зуба в проницаемом основании ограниченной мощности позволяют повысить надежность работы грунтовых плотин и дамб
Разработанные новые конструкции закрытых водопропускных сооружений под естественными грунтовыми плотинами (селевыми завалами) в составе проти-воселевых гидроузлов предотвращают перекрытие основной реки селевого бас-
сейна, как при наличии одностороннего, так и двухсторонних боковых селенос-ных притоков
Полученные в диссертации научные результаты внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО КБГСХА и используются при чтении учебных дисциплин «Гидротехнические сооружения», «Природоохранные сооружения», а также составляют основу учебно-методического пособия «Проектирование поперечного профиля грунтовых плотин» (198г), получившего гриф УМО «Для межвузовского использования» в 1998 году Кроме этого, они внедрены в рабочий проект (вариантный) «Строительство селезащитного гидроузла в русле р Ьаксан для защиты г Тырныауза oi затопления в условиях селевой опасности р. Камык-су» проектным институтом «Севкавгипроводхоз» г Штигорск, 23 10 05 і , который может предотвратить ущерб от сходов селей на сумму 546 6 млн руб
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуж-датись на различных всероссийских и республиканских научных конференциях, семинарах и совещаниях в 1996-2008 іт, в гом числе во Всероссийских конференциях (Нальчик, ВГИ, 2002 г, 2005 г), П-й и Ш-й Всероссийской конференции «Вопросы повышения эффективности строительства» (Нальчик, 2004 г., 2006г), во Всероссийской научно-практической конференции «Паводковые потоки и водные бассейны проблемы регулирования водотоков, безопасность и надежность ГТС, мониторинг водных объектов и защита водоохранных зон» (Нальчик, 22-23 марта 2007 г), на ежегодных семинарах-совещаниях кафедры «Природообустрой-ство» ФГОУ ВПО КБГСХА (Нальчик, 1998-2007 г), на совместном заседании кафедр «Гидротехнические сооружения, мелиорации и водоснабжения» и «Строительных конструкции и сооружений» КБГСХА и Отдела экологических исследований ВГИ (апрель 2008 г), а также на семинаре в Лаборатории фильтрационных исследований кафедры «Гидравлика и инженерная гидрология» ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, март 2004 г) Кроме этого, резутьтаты диссертационной работы были представлены для участия на конкурсе Национальной Экологической Премии «ЭкоМир - 2006» в номинации «Сохранение биоразнообразия и оздоровление ландшафтов», где удостоены Диплома I степени (вручена в Государственной Думе РФ, 23 05 06 г)
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом 15-ти летних научных исследований автора Постановка проблемы, формулирование задач и нахождение их теоретических и экспериментальных решений, а также приведенные в работе научные и практические результаты, их анализ и окончательные выводы выполнены автором лично В проведении отдельных экспериментов по исследованию фунтовых плотин с противофильтрационными несовершенными диафрагмами и наслошгым дренажем принимали участие Амшоков Б X и Ищенко А В
Публикации. Основные научные результаты, полученные в диссертации опубликованы в 16 работах, из которых 5 в центральной печати, в том числе и в рецензируемых журналах «Гидротехническое строительсгво>, (2004г) и «Мелиорация водного хозяйства (2007г)», получены 3 Патента на изобретения
Структура и объем работы. Основное содержание диссертации изложено на 198 страницах машинописного текста, включая 39 рисунков, 13 таблиц и і 2 страниц библиографии Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 155 наименований, в том числе 13 зарубежных, и 11 приложений
