Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние облегченных гидротехнических сооружений 21
1.1. Воздействие гидротехнических сооружений на водные экосистемы 21
1.2. Применение облегченных гидротехнических сооружений в отечественном и зарубежном водохозяйственном строительстве 30
1.3. Причины аварий мембранно-вантовых плотин 62
1.4. Современное состояние теоретических и экспериментальных работ в области облегченных гидротехнических конструкций 76
1.5. Проблема надежности работы облегченных гидротехнических сооружений 84
1.6. Проблемы проектирования, технологии возведения, эксплуатации, экологоэкономических показателей облегченных гидросооружений 87
Цели и задачи работы 90
2. Разработка комплекса элементов конструкций облегченных гидротехнических сооружений и создание технологической схемы применения их в водохозяйственном строительстве 94
Разработка и усовершенствование технических решений облегченных гидротехнических сооружений 94
1. Водоподпорные сооружения 98
2. Регулирующие облегченные гидротехнические сооружения
3. Сопрягающие конструкции с применением полимерных материалов 112
4. Водопроводящие грунтополимерные устройства 113
5. Укрепляющие грунтополимерные конструкции 114
6. Отверждаемые грунтополимерные конструкции 116
Разработка подпорно-аэрационных сооружений 117
Разработка водохозяйственных технологических схем с применением облегченных конструкций 120
5. Основные методические положения при постановке экспериментальных исследований 123
3. Результаты экспериментальных исследований облегченных гидротехнических конструкций 133
1. Гидравлические исследования незамкнутых облегченных конструкций 133
2. Облегченные конструкции плотин с водовыпускными устройствами 153
3. Результаты экспериментальных исследований облегченных ГТС на водоподпорной стенке 178
4. Результаты лабораторных и натурных исследований подпорно-аэрационных регулирующих конструкций 188
5. Результаты экспериментальных исследований грунтона-полняемых конструкций 196
6. Результаты экспериментальных исследований грунтоарми-
рованных конструкций 214
4. Основные методы научно-обоснованного расчета, проектирования облегченных гидросооружений
1. Методика расчета мембранно-вантовых плотин 229
2. Основы расчета грунтонаполняемых оболочек 266
3. Основные методические положения расчета грунтоармиро-ванных элементов конструкций 275
4. Методики расчета береговой анкерной опоры и гидродинамического давления на основание облегченного гидросооружения 291
5. Оценка надежности функционирования облегченье гидротехнических сооружений 294
1. Общие понятия и показатели надежности работы облегченных гидротехнических сооружений 294
2. Основные факторы, влияющие на эксплуатационную надежность облегченных гидросооружений 301
3 Комплекс мероприятий по повышению эффективности и надежности работы облегченных гидросооружений 308
6. Технология и организация строительного производства облегченных гидросооружений 315
1. Основные понятия технологии и организации строительного производства облегченных гидросооружений 315
2. Производство строительных и монтажных работ мембран-нр-вантовой и гидровантовой плотин на железобетонном основании 322
3. Производство строительных и монтажных работ облегченной русловой плотины с водовыпускным устройством 330
4. Производство строительно-монтажных работ мембранно-вантовой плотины ПММ-Д-30/2 (20/2) 338
5. Технология демонтажных работ облегченных гидросооружений 357
7. Натурные исследования работы облегченных русловых плотин 361
7. Технико-экономическое обоснование применения облегченных гидросооружений 367
1. Общее положение по расчету технико-экономического обоснования применения облегченных гидросооружений... 367
2. Расчет годового экономического эффекта от внедрения облегченной русловой плотины на р. Тузлов к-за им. В.И. Ленина Аксайского района
3. Расчет годового экономического эффекта «Многоразовое использование гидровантовых плотин» 374
4. Расчет годового экономического эффекта от внедрения плотины по а.с. №1700113 «Водосливная плотина Кашари-ных».. 385
5. Расчет годового экономического эффекта от внедрения гидровантовых плотин в Воронежской области 388
6. Расчет экономической эффективности подпорно-аэрационного сооружения 390
Выводы и предложения 395
Список использованных источников 398
- Современное состояние теоретических и экспериментальных работ в области облегченных гидротехнических конструкций
- Результаты экспериментальных исследований облегченных ГТС на водоподпорной стенке
- Основные методические положения расчета грунтоармиро-ванных элементов конструкций
- Производство строительных и монтажных работ мембран-нр-вантовой и гидровантовой плотин на железобетонном основании
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности сельского хозяйства, улучшение экологической обстановки в зоне действия гидромелиоративных систем требует создания новых экологически чистых прогрессивных мелиоративных систем и гидротехнических конструкций, которые предусматривают минимальное антропогенное воздействие на окружающий ландшафт, что связано с совершенствованием облегченных гидротехнических сооружений из полимерных материалов и методов научного обоснования, проектирования и технологии их возведения. Облегченные гидротехнические сооружения - это конструкции, состоящие из замкнутых и незамкнутых (или их сочетаний) оболочек, выполняемых из высокопрочных полимерных материалов (например, резино-тканевых, резино-кордовых и т.п.), воспринимающих нагрузки от воды или иных материалов. Конструкции плотин из брезента известны еще с XIX столетия. В водохозяйственном и мелиоративном строительстве облегченные гидротехнические сооружения получили широкое распространение в середине 60-х годов. Здесь, как ни в какой другой области, оказались востребованными такие достоинства этих конструкций, как высокая степень сборности (разборности), малогабарит-ность в сложенном виде, хорошая транспортабельность, возможность возведения в кратчайшие сроки, простота и удобство в эксплуатации, невысокая стоимость по сравнению с традиционными гидротехническими устройствами способствовали внедрению в качестве подпорных сооружений на малых реках, каналах оросительной и сбросной сети. В России первая водонапол-няемая плотина из брезента с гидроизоляцинным покрытием Я=0,5ми шириной 5 м была построена под руководством К.И.Страхова в 1963 году, а под руководством Б.И.Сергеева из прорезиненного капронового текстиля Н = 1,0 м и шириной 16,0 м - 1966 году. Первая мембранно-вантовая плотина была построена в 70 годах под руководством Б.И.Сергеева и В.Л. Бонда-
ренко. Эти сооружения применялись как временные сезонно-действующие конструкции создающие подпор до 2,0 м и шириной до 30,0 м, поэтому возникла необходимость разработки технических решений облегченных гидротехнических сооружений для создания подпоров до 5,0 м с неограниченным пролетом. Характерной особенностью работы облегченных гидротехнических сооружений является изменение их геометрических параметров с различным положением уровней воды в бьефах, наличие сложных гидравлических условий работы всего сооружения в целом. Несмотря на накопленный опыт возведения облегченных гидротехнических конструкций, разработки методов их расчётного обоснования, оказалось, что многие из этих вопросов требуют серьезных доработок для широкого использования новых технических решений данного типа сооружений водохозяйственными организациями.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии со следующими важнейшими научно-исследовательскими программами:
координационного плана ГКНТ СМ СССР (1976-1980гг. -по заданию 08.04. проблемы 0.52.02) 0.52.08.04 «Разработать и внедрить облегченные гидротехнические сооружения из прорезиненных тканей и полимерных материалов»;
отраслевой научно-технической проблемы Минводхоза СССР (1981-1985гг.- по заданию 03.03.) 0.04.01.03.03 «Разработать и внедрить облегченные водосбросные, подпорно-регулирующие, водопропускные сооружения, конструкции флютбетов и сопрягающих устоев и методы их расчета»;
отраслевого Комитета Российской Федерации по водному хозяйству (1990-1995гг. - по программе «Вода России»). «Схемы улучшения состояния малых рек» Задание П.2 «Методы и технические средства регулирования качества воды в водоисточниках». Этап Б. ЗЗН «Разработать и внедрить конст-
рукции, сооружения, их элементы и типовые схемы в бассейнах малых рек с учетом экологических требований»;
отраслевого плана мероприятий по Департаменту мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения Минсельхозпрода РФ 22.007.93-95 «Разработать и внедрить технологию устройства грунтоармированных сооружений» (1995-1996гг.);
«Каталог элементов гидротехнических сооружений, повышающих надежность оросительных систем» (1996г.);
«Прогноз и анализ современного состояния оросительных систем Ростовской области» (1995-1996гг.);
«Разработка конструктивных элементов подпорно-аэрационных сооружений для интенсифицирования процессов самоочищения оросительно-сбросных систем» (1997г.);
«Разработать технические решения по реконструкции и средства эксплуатации осушительных и осушительно-увлажнительных систем, обеспечивающих повышение их надежности» (1996-1998 гг.);
«Разработать «Альбом типовых решений подпорно-аэрационных регулирующих сооружений (ПАРС) для малых водотоков и каналов» (1998 г.);
"Разработка документов на создание контрольно - информационных карт по воздействию гидротехнических сооружений и объектов сельскохозяйственного водоснабжения на водные ресурсы мелиорируемых земель» (1998-1999гг.);
«Внедрение мобильных водопереливных гидротехнических сооружений и реконструкция очистных сооружений, повышающих техническую эффективность работы оросительной системы» (1998-1999 гг.);
«Разработать научно-техническую документацию по использованию экологически чистых прогрессивных гидромелиоративных систем в при-роднохозяйственном комплексе» (1999 г.).
Разработка методов научного обоснования новых технических решений конструкций и элементов облегченных гидротехнических сооружений, учитывающих результаты теоретических, лабораторных и натурных исследований последних, условий их работы, приводящих к решению вопросов назначения их конструктивных размеров и выбору оптимальных диапазонов использования, является решением важной народнохозяйственной проблемы, новым достижением в области научного обоснования возводимых облегченных гидротехнических сооружений в водохозяйственном и мелиоративном строительстве, в ускорении научно-технического прогресса и социально-экологического решения задач экосистемного подхода к водным объектам.
Целью исследования является разработка научных, технологических и организационных технических решений облегченных гидротехнических сооружений в водохозяйственном и мелиоративном строительстве.
В соответствии с этой целью были поставлены и решены следующие задачи исследований:
изучить состояние, организационные и технологические факторы изготовления и технологии производства, условий работы облегченных гидротехнических сооружений с целью повышения эффективности и перспективы их использования;
разработать и усовершенствовать конструкции и элементы облегченных гидротехнических сооружений с учетом многообразия и специфических условий их работы;
разработать научно обоснованные методы расчета параметров предложенных технических решений облегченных гидротехнических сооружений и определить диапазоны их использования, а также дать оценку надежности их работы;
- создать научно-техническую документацию по проектированию, строительству и эксплуатации разработанных технических решений облегченных гидротехнических сооружений.
Объекты исследований. Комплексные исследования проводились автором в период с 1976-1999 гг. в научно-исследовательской лаборатории и объектах водохозяйственного строительства в Ростовской, Курской, Воронежской, Ульяновской и других областях, Ставропольском крае, Татарской и Якутской АССР.
Методология исследований. Экспериментальные и натурные исследования для проверки теоретических положений выполнены с применением современной тензометрической аппаратуры. Обработка экспериментальных данных осуществлена методами математической статистики.
Научная новизна исследований. Сделан значительный вклад в решение проблем эффективности использования облегченных гидротехнических сооружений на основе совершенствования технических решений, технологических процессов возведения и изготовления с учетом специфических особенностей их работы.
Выявлены закономерности поведения водоподпорных оболочек в зависимости от уровней воды в бьефе, условий закреплений, использования устройства на водоподпорных стенках и водовыпускных устройствах; построена имитационная математическая модель и получены зависимости, позволившие предложить научно-обоснованные методы расчета разработанных технических решений облегченных гидротехнических сооружений, диапазоны и область их применения, а также комплекс мероприятий по повышению их надежности.
Разработаны типовые технические решения, технические условия по изготовлению элементов разработанных облегченных гидротехнических конструкций, решены вопросы технологии и организации их возведения.
На защиту выносятся:
новые и усовершенствованные технические решения облегченных гидротехнических сооружений и перспективы их применения при решении различных водохозяйственных задач;
результаты теоретических, экспериментальных и натурных исследований, позволившие разработать научно-обоснованные методы расчета во-доподпорных, грунтонаполняемых и грунтоармированных элементов разработанных облегченных гидротехнических сооружений;
результаты экспериментальных и натурных исследований, позволивших разработать технические условия на изготовление элементов конструкций и организационно-технологические процессы производства работ при строительстве облегченных гидротехнических сооружений.
Достоверность результатов исследований подтверждена:
большим объемом экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных условиях при исследовании облегченных гидротехнических сооружений;
достаточным объемом расчетных данных, полученных при оптимизации моделей на ПЭВМ;
идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований параметров разработанных гидротехнических сооружений с данными натурных исследований.
Практическая ценность. Предлагаемые в диссертации методы научного обоснования, проектирования, технологии возведения облегченных ПС и их элементов вошли составными частями в двенадцать научно-технических документов, утвержденных научно-техническими советами проектных институтов, облводхозов, министерствами водного хозяйства РСФСР и сельского хозяйства и продовольствия РФ, в том числе два альбома типовых проектных решений: «Типовые проектные решения по облег-
ченным русловым плотинам», «Мягкие водосливные плотины для малых водотоков» и альбом «Технические решения подпорно-аэрационных регулирующих сооружений (ПАРС)», "Рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации облегченных плотин с водовыпускными устройствами", "Каталог элементов ГТС для обеспечения надежности работы оросительной системы", "Руководство по контролю за проектированием и эксплуатацией облегченных плотин с водовыпускными окнами для малых и средних рек", "Научно-обоснованные рекомендации по проектированию подпорно-аэрационных регулирующих сооружений".
Опытно-производственная проверка и внедрение разработанных конструкций облегченных гидротехнических сооружений проводились в различных регионах России: Ростовской, Курской, Рязанской, Ульяновской, Воронежской и др. областях, Ставропольском крае, Якутской (Республика Саха) и Татарской (Татарстан) АССР. Внедрено шесть конструкций по авторским свидетельствам (№643583, №905356, №1093751, №1100361, №178009, №1130657) и три конструкции по патенту №2141552. Общий экономический эффект от внедрения составил около 5,2млн. руб., из них доля, приходящаяся на научно-исследовательскую организацию, составляет свыше 50%. Ведомственные испытания мембранно-вантовых плотин проведены в Ростовской и Воронежской областях, а подпорно-аэрационных регулирующих сооружений в Ростовской области.
Личный вклад автора. Диссертация является результатом многолетних исследований автора, которые проводились в гидротехнической лаборатории Южного научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации.
Постановка проблемы, целей и задач, обоснование методики проведения экспериментальных исследований по определению эмпирических параметров и математических зависимостей для научно-обоснованных методов
расчёта, проектирования, технологии возведения и надёжности функционирования облегченных гидросооружений, заключения и предложения производству в диссертационной работе выполнялись лично автором.
В решении ряда конструкторских и теоретических исследований участ-воваї канд. техн. наук Кашарин В.И Внедрение результатов научно-обоснованных методов проектирования, строительства и эксплуатации облегченных гидротехнических сооружений осуществлялось под непосредственным руководством автора коллективом сотрудников: Ильдеровой Е.С., Дури-ньш А.И., Литвиновой Н.В., Несвит В.П., Мусакаевым А.А., Осиловой Г.И., Артамоновой И.А., Пащак В.И. Общая доля автора в научно - исследовательских работах, результаты которых вынесены на защиту, составила более 80%.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: научно-технических конференциях проводимых НИМИ, ЮжНИИГиМом, Южгипроводхозом в 1975-1993 годах (Новочеркасск); Республиканской конференции по теории мягких оболочек и их применении в народном хозяйстве (г. Краснодар, 1979 г.), Республиканской научно-технической конференции «Повышение эффективности использования мелиорируемых земель» (Ровно, 1984 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Рациональное использование и охрана водных ресурсов малых рек» (Таллин, 1985 г.), научно-технических советах проектных институтов -«Севкавгипроводхоз», «Южгипроводхоз», «ЦЧО Гипроводхоз» (Воронежское и Курское отделения), НТС Департамента «Ростовмелиоводхоз», НТС В/О «Союзводпроект», НТС Минводхоза РСФСР, НТС Курского и Ростовского облисполкомов, Областной выставке - конференции «В защиту Донской природы» (г. Ростов -на - Дону, 1993 г.), Всероссийской конференции посвященной 100-летию со дня рождения К.П. Шумаковой «Проблемы сохранения окружающей среды при эксплуатации гидромелиоративных систем» (Новочеркасск, 1996 г.), заседании секции «Эксплуатации гидромелиоративных
систем Отделения земледелия, мелиорации и лесного хозяйства гидромелиоративных систем в современных условиях» (Новочеркасск, 1997—1998 г.г.)
За разработку, выполнение исследований и внедрение в производство облегчённых русловых плотин, затворов автор награждён тремя медалями ВДНХ СССР.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 печатных работ, включающих - монографию, 12 нормативных документов, 13 авторских свидетельств на изобретения и патент.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и предложений производству, списка использованной литературы. Работа изложена на 625 страницах машинописного текста и имеет 30 таблиц, 180 рисунков и 200 страниц приложений. Список использованных источников содержит 325 наименований.
Современное состояние теоретических и экспериментальных работ в области облегченных гидротехнических конструкций
Анализ результатов обследований, проведенных Южгипроводхо-зом в 1976 г., а также натурных обследований мягких плотин, выполнявшихся автором и В.И.Кашариным на протяжении ряда лет, показывает, что выход из строя отдельных элементов их конструкции и сооружений в целом, как правило, менее всего связан со старением полимерных материалов /127/. Чаще всего он вызван принципиальными ошибками, допущенными при разработке, изготовлении, исследованиях конструкций. В некоторых случаях — просчетами при проектировании, существенными отступлениями от проектов в процессе строительства, а также недостаточно высокой культурой эксплуатации правильно запроектированных и построенных сооружений.
Уже на второй-третий год эксплуатации мембранных плотин типа ПММ-А, ПММ-Б, ПММ-В, построенных в Татарской АССР, на некоторых из них произошли аварии, вызванные следующими факторами.
Резинотканевые части рекомендуется демонтировать после окончания поливного сезона. Оставшиеся основание и узел крепления создают небольшой подпор. В период весеннего половодья подпор существенно увеличивается, что иногда приводит к подмыву бетонного основания и нарушению его устойчивости. В ряде случаев после установки резинотканевых частей плотины сооружение разрушалось. В качестве основной причины аварий здесь следует указать на занижение размеров железобетонных частей оснований (глубины заложения зуба или флют-бета в целом) при проектировании с целью показания экономичности.
Другая причина аварий — выход из строя одного из болтовых соединений узла крепления русловой части. При этом нарушалась целостность сооружения, установка нового болта была очень трудоемка в потоке воды. Позднее были разработаны съемные болтовые соединения.
Нормальная работа сооружения не обеспечивалась также из-за несоблюдения последовательности монтажа элементов резинотканевых частей плотины. Согласно ТУ Уфимского завода резинотехнический изделий, в процессе строительства к узлу крепления вначале монтируется гибкая рисберма, затем гибкий понур и мембрана (ПММ-А). Нарушение этой последовательности приводило к возникновению фильтрационного тока воды через узел крепления и подмыву основания железобетонного или бетонного зуба.
Особой причиной была вызвана авария вантовой плотины для прямоугольного русла ПММ-А-20/2, крепление которой осуществлялось с помощью 2400 болтовых соединений. Ежегодно в конце сезона плотину демонтировали с целью сохранения вантовой фермы и резинотканевых частей, которым обеспечивались смазка и содержание в крытом помещении, а весной монтировали вновь. Сооружение потеряло устойчивость в результате отклонений от проекта вследствие неоднократного монтажа-демонтажа (в частности, изменения схемы крепления ванты-подбора к береговым анкерным опорам). Одной из причин снижения надежности работы мембранных плотин был преждевременный износ резинотканевых полотнищ (срок службы их 8-Ю лет согласно техническому паспорту) в результате демонтажа их с помощью трактора (заиление гибкого понура потребовало дополнительного усилия для его снятия). Срок службы плотин в этом случае не превышал 2-3 лет.
При эксплуатации мембранно-вантовой плотины на р.Стярле Аз-накаевского района (Татарская АССР) произошло разрушение резинотканевых частей из-за превышения напора (около 3 м,при проектном 2 м). Для восстановления подпорного сооружения было принято решение построить гидровантовую плотину на грунтонаполняемом флютбете (по разработкам В.И.Кашарина и Т.П.Кашариной), так как за железобетонным зубом образовались размывы. Резинотканевые части плотины были отремонтированы и укреплены вантовой сеткой. Ширина перекрываемого пролета составляла 20м.
Как показал опыт, особую опасность представляет вибрация мягких гидротехнических сооружений, которая возрастает с увеличением кинетичности потока, что ведет к преждевременному износу резинотканевых частей.
Мембранно-вантовые плотины типа ПММ-Д получили наиболее широкое применение при создании водоподпора на малых реках, однако аварийных ситуаций на них возникает больше всего. Дело в том, что мембрана, флютбет и крепление вантовой фермы плотины ПММ-Д образуют единую конструкцию (см. рис. 1.23) и для обеспечения ее надежности требуется точный расчет работы всего сооружения в целом. Кроме того, при проведении монтажных работ очень важно правильно закрепить ванту-подбор на береговых анкерных опорах, так как при увеличении уровня воды в верхнем бьефе (например, в результате ливня) высота плотины также увеличивается. При этом возникает опасность отрыва понура и рисбермы от основания, что ведет к полной потере устойчивости сооружения. Параметры прилегания мембраны к основанию ХпР, необходимо определять заранее и на их основе строить номограмму эксплуатационной характеристики сооружения. Соответствующий расчет рассматривается ниже.
Для плотин типа ПММ-Д важнейшим вопросом является определение длины понурной части сооружения. Так как Уфимский завод РТИ выпускал резинотканевые части только определенных размеров (табл. 1.4), они не всегда удовлетворяли различным грунтовым условиям.
Результаты экспериментальных исследований облегченных ГТС на водоподпорной стенке
Имеющая свои специфические свойства и задачи теория мягких оболочек была выделена как отдельное теоретическое направление на VI Всероссийской конференции по теории оболочек и плотин в 1966 году. Успешному ее развитию способствовали: теория гибких нитей, рассмотренная в рботах Л.Эйлера, Ж.Л.Лагранжа, Навье /242-251/, П.Усова, Резаля, Л.Ф.Николаи, Н.Н.Микитинского, А.И.Дукельского, С.А.Цаплина, А.П.Коробова, Р.И.Мацелинского, В.К.Качурина /62-65, 94, ПО, 114/, Э.Н.Кузнецова /159/ и др. /271, 273/; теория капиллярности, освещенная в работах К.Ф.Гауса /72/, Т. Юнга, У.Томпсона (Кельвина) и др. /65, 268, 273/, и теория гибких стержней в работах Л.Эйлера, Я.Бернулли, А.Н.Крылова, В.П.Манжаловского, Ю.С.Сикорского, А.М.Журавского, Е.П.Попова, В.И.Федосьева, Л.Е.Андреевой и др. /210, 268, 293/.
Гибкую оболочку под гидростатической нагрузкой рассматривали еще в XIX в. применительно к теории капиллярности и теории невесомых гибких нитей. Сведя к квадратурам и графически, В.И.Стрельчевский проинтегрировал в 1927 г. уравнение весомой оболочки газового баллона воздушных кораблей и показал, что основные параметры весомой оболочки выражаются в эллиптических интегралах /110/. С.А.Бернштейн исследует в 1935 году гибкое кольцо /40, 41/, а Е.С.Кузнецов получил решение в эллиптических интегралах для невесомого гибкого полотнища под гидростатической нагрузкой /159/.
Наиболее полное решение широкого круга гидростатических задач невесомой оболочки определено В.А.Киселевым /138/ и К.М.Хуберяном /252-253/. На дальнейший расчет первых схем мягких оболочек гидросооружений оказала задача расчета прочности обвязок пучковых плотов, которая рассматривалась в работах А.Н.Лебедева /169, 170/, А.Г.Воробьева / 67-69/, А.П.Можевитинова /188-190/ и др.
В начале 60-70 годов вышли первые работы, посвященные расчету мягких цилиндрических оболочек гидротехнических конструкций. Расчет водонаполненной оболочки, закрепленной на одной образующей и работающей как подпорное сооружение, т.е. без перелива через гребень сооружения, и влияния нижнего бьефа, расссмотрен А.Л.Можевитиновым /190/. Подобные задачи рассмотрены в работах А.Г.Воробьева /68, 69/, К.И.Страхова /256/, X.И.Бурга /302/, Ю.Калиса /303/ и Х.Б.Харрисона /304/, которые расматривали воздухонаполненную оболочку. В работах Х.О.Анвара /301/, И.П.Петрова /214/, Б.И.Сергеева /245, 253/, О.Г.Затворницкого /92/, Б.И.Петракова /212, 213/, С.М.Проскурникова и др. рассмотрены наполняемые оболочки, работающие с переливом через гребень сооружения.
Современное состояние теории мягких оболочек определяется работами С.А.Алексеева, в которых изложены основы теории, сформулированы основные задачи и приведены принципиальные схемы их решения. Развитию общей и технической теории мягких оболочек различных областей народного хозяйства способствовали труды Алексеева С.А., Блинова Ю.И., Волосухина В.А. /68, 65, 63/, Григорьева А.С, Гулина Б.В., Друзь Б.И. /88/, Ермолова В.В. /90/, Ильгамова М.А., Кулагина В.Д., Кисилева В.А. /138/, Магула В.Ээ /175/, Отто Ф. /210/, Петракова Б.И. /213/, Покровского Г.И. /215/, Рахутина B.C., Риделя В.В. /268/, Сергеева Б.И. /246/, Степановича Г.Я., Тростель Р. /273/, Усюкина В.И., Хуберяна К.И. /284/, Черных К.Ф. и др. /65/. Сотрудниками ЦНИИЛесосплава С.М.Проскурниковым /223/, Фарбертовой В.Д., Александровым Ю.П. /4, 5/, Ю.П.Борисовцом /51, 50/, Е.А.Островским и др. проводятся теоретические и экспериментальные исследования оболочек гибких экранов для лесосплавных плотин. Методика и способы расчета мягких конструкций гидротехнических сооружений с 1975 года непрерывно совершенствуется учениками профессора, д.т.н Сергеева Б.И. Аналитический и графоаналитический методы расчета невесомых оболочек предложен И.А.Петровым /214/, а графоаналитический метод расчета весомых оболочек разработан А.П.Назаровым /197/. Исследованием применения оболочек для создания лиманов занимается Г.А.Штоколов /290/, расчетами водопроводящих конструкций наполняемого и мембранного типов Н.Е.Калашников /103/, В.М.Федоров, Вик.М.Федоров /276-278/. Методика статического расчета оболочек, работающих при различных условиях нагружения, расположенных на наклонной плоскости, работающих в качестве глубинных затворов рассмотрена в работах Б.И.Сергеева /250-252/. Основы расчета тканевых сооружений мелиоративных систем с учетом геометрической и физической нелинейности в условиях двуосного и одноосного напряженного состояния несущего элемента рассмотрены в работах В.А.Волосухина /62, 65/. В работах В.И.Кашарина рассмотрены вопросы напряженно-деформированного состояния мягкой оболочки, методика аналитического исследования поведения незамкнутых оболочек в зависимости от изменения условий закрепления оболочек или изменения уровней воды в бьефах /110, 109/. Исследованиями фильтрации под гибкими флютбетами занимаются Б.И.Сергеев /247/, Ю.М.Косиченко /153, 154, 247/, Ю.П.Борисовец, И.А.Петров, Г.А.Штоколов, В.Н.Бурдинский /55, 56/, Т.В.Клодина /157/, М.Т.Нужин, Н.Б.Ильинский /206/, Е.Г.Шешуков и др. /268/. Разработкой и исследованием конструкций подпорно-регулирующих сооружений, регуляторов, полуавтоматов занимаются многие ученые, в том числе Я.В.Бочкарев /54, 53/, Ш.С.Бобохидзе, П.И.Коваленко /139/, Р.Самадов /240/, Э.Э.Маковский /180/, Б.И.Сергеев /251, 252/, Г.В.Соболин, Ю.А.Свистунов /292/, А.В.Крошнев /155/, Р.Хамадов, В.С.Лапшенков /236/, Х.Лийв /171, 172/, Щедрин В.Н. /93, 291, 292/ и многие другие. Практически впервые о проведенных исследованиях мягких оболочек опубликованы Х.С.Анваром /301/ в 1967 г., который изучал форму водо- и воздухонаполненных замкнутых оболочек, их пропускную способность, вибрацию и меры борьбы с нею.
Основные методические положения расчета грунтоармиро-ванных элементов конструкций
Технологический прогресс в строительстве невозможен без новых технических решений, использования новых строительных материалов, в том числе полимерных, современных механизированных комплексов машин и механизмов, а также совершенных технологий. В зависимости от класса и в соответствии с действующими нормативными документами определяют состав, объем изыскательных и проектных работ, устанавливают коэффициенты запаса прочности и устойчивости, назначают расчетные расходы, выбирают вид и качество материалов и механизмы, используемые при строительстве /76, 77, 257-263/. От постановки и организации вопросов проектирования и строительства определяется срок службы сооружения, поэтому важно правильно составить весь технологический процесс. В задачу проектирования облегченных гидротехнических сооружений, которые относятся к IV классу капитальности согласно СНиП 2.06.01.86 /264/, входит правильный выбор конструктивного решения и целесообразность их применения в конкретных условиях. Одним из важнейших направлений в проектировании должна быть типизация проектных решений на базе унификации объемно-планировочных, конструкторских и технологических решений, узлов, конструкций и изделий. По типовым проектам должно осуществляться строительство повторяющихся основных и вспомогательных сооружений, которые имеют одни и те же технологические решения, одновременно с этим решают вопросы организации и технологии строительных работ, определяют комплекс машин и механизмов. Технология строительного производства является наукой о методах выполнения строительных процессов, конструкций, обеспечивающих обработку строительных материалов, физико-механических свойств, геометрических размеров и т.д. с целью получения готового объекта заданного качества /172, 178/, Следует обращать внимание и на технику безопасности условий труда при выполнении земляных, монтажных и других работ, обеспечить их механизацию.
Гидротехническое строительство одно из наиболее сложных отраслей капитального строительства, что объясняется индивидуальностью и редко повторимостью конструктивных компановочных решений гидротехнических сооружений, большими объемами работ, сконцентрированных на ограниченных по размерам площадках и высокими интенсивностями их выполнения.
Современное строительное производство основано на применении широкого комплекса средств механизации, которые обеспечивают экономию трудовых ресурсов, сокращает сроки строительства, улучшает условия труда. Различают три стадии механизации строительства: частичную, комплексную и автоматизацию. Частичная механизация включает наиболее тяжелые операции и процессы. Комплексная механизация — производственные и транспортные процессы выполняются комплексом машин и механизмов, взаимно увязанных по производительности и основным параметрам. Автоматизация является высшим этапом машинного производства, где все производственные операции и процессы выполняют с помощью машин и приборов. Для возведения облегченных гидросооружений наиболее приемлема комплексная механизация.
При выборе типа и числа землеройно-транспортных механизмов, срока выполнения, стоимости и трудовых затрат необходимо знать объем земляных и монтажных работ. В проекте организации строительства решаются следующие вопросы: — продолжительность строительства всего комплекса; — схемы механизации возведения сооружения; — мероприятия по технике безопасности; — технико-экономическое обоснование принятых решений; — сетевой или календарный график работ подготовительного периода; — сводную ведомость объемов основных строительных и монтажных работ; — чертежи и схемы основных видов строительных работ; — транспортные схемы с указанием средневзвешенных расстояний перевозок строительных материалов и закладных частей; — пояснительную записку с обоснованием принятых решений и необходимыми расчетами. Обычно рассматривается несколько вариантов проектных решений производства работ приведенных затрат по формуле: CL+EHK - min где С- — себестоимость строительно-монтажных работ по і -му варианту; Ен = 0,12ч-0,15 нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений в строительство; K L - капитальные вложения в основные фонды и вложения в оборотные средства строительной организации по і -му варианту. При внедрении новых конструктивных решений в производство следует определять экономическую эффективность его по сравнению с ранее запроектированным, при этом учитывается срок окупаемости и удобства эксплуатации. С возрастающими антропогенными нагрузками на водные экосистемы, следует учитывать и социально-экономические показатели эффективности, которые определяют уровень достижения социальных результатов. Поэтому для широкого внедрения в практику водохозяйственного строительства облегченных гидросооружений необходимо решить следующие вопросы: — на основании результатов обобщения накопленного опыта проектирования, строительства, эксплуатации, ведомственных испытаний разработать и усовершенствовать технологические карты и схемы производства строительных, монтажно-демонтажных работ; — создать на основе теоретических, экспериментальных и натурных исследований нормативно-техническую документацию по разработанным конструкциям; — обосновать технико-экономическую и социально-экологическую эффективность их применения.
Производство строительных и монтажных работ мембран-нр-вантовой и гидровантовой плотин на железобетонном основании
При моделировании гидротехнических сооружений большое значение уделяется экспериментальному исследованию коэффициентов расхода, скорости, бокового и вертикального сжатия потока, условий сопряжения бьефов, работы гасителей энергии, характеристик турбулентности в зоне гидравлического прыжка и т.п. Изучая гидравлические явления, мы сталкиваемся со сложными системами, которые оказывают влияние на множество разнообразных факторов /42, 44, 171/.
Моделирование мягких конструкций гидротехнических сооружений является одним из эффективных методов исследования сооружений, облегчающих и уточняющих их расчет и конструирование. Основной целью гидравлических исследований является исследование поведения различных типов облегченных конструкций под изменением действующих нагрузок (уровней верхнего и нижнего бьефов), определение основных параметров работы сооружения (пропускной способности, коэффициента скорости и т.д.) при различных режимах работы разработанных конструкций, необходимых для построения эксплуатационных характеристик данного сооружения. Расчеты пропускной способности облегченных гидротехнических конструкций, распределение осредненных местных и мгновенных скоростей и давлений, режимов сопряжения бьефов переливающегося через сооружения потока, гашение энергии в нижнем бьефе, нами производились по общепринятым зависимостям. При рассмотрении вопросов распределения скоростей и давлений, аэрации потока, зависящих от характера течения на данном участке, нижний бьеф разделялся на три характерных типа: I — участок резко изменяющегося течения. Деформация потока происходит в результате нарушения плавности течения за счет открытия водовыпускных и водовпускных отверстий, при образовании гидравлического прыжка и свободного падения или отброса струи. Здесь трудно определить всю динамику взаимодействия потока и длина участка будет зависеть от конструктивного решения и проходящих расходов. Эта зона наиболее аэрируема вследствие возмущения свободной поверхности плохообтекаемых элементов конструкции и при захвате воздуха вальцом гидравлического прыжка; II — участок, в пределах которого имеется ядро постоянных скоростей и происходит трансформация эпюры скоростей от начальной в выходном сечении до характерной для развитого турбулентного течения. Длина этого участка будет различной для каждой конкретной конструкции; III — участок неравномерного плавно изменяющегося течения. Пульсационные гидродинамические нагрузки и аэрация возникают при большой энергии потока и значительных скоростях, поэтому проводились исследования и замер осредненных и мгновенных (актуальных) скоростей. Компоненты мгновенной (актуальной) скорости Ux , Uy и Uz или давления Рх , Ру , Pz в данный момент в некоторой точке турбулентного потока равны: ЇЇ- U±U и Р± р где U, Р — компоненты местной осредненной скорости и давления; UP — пульсационные составляющие мгновенной скорости и давления. При проведении исследований использовались микровертушки и точечные датчики. Гидравлические исследования проводились в гидротехнической лаборатории ЮжНИИГиМ в стеклянном гидравлическом лотке с размерами рабочей части 1,0x1,2x12 м (рис.2.10). Гидравлический лоток имеет замкнутую систему водоснабжения и установлен на металлических фермах 2 и башмаках 3 на бетонный пол лаборатории. Из напорного бака емкостью 50 м3 вода подается в водоприемник 4, который разделен перегородкой 5 на две камеры, по трубопроводу 6 с приваренным к нему гасителем кинетической энергии потока 7.
Вода через мерный треугольный водослив (регистр, № 99-87) 9 попадает в выходную камеру лотка, в который установлены успокоительные решетки 10, которые сглаживают колебание уровня воды в водоприемнике, а излишки воды сбрасываются при помощи водосливной воронки 8. В конце лотка установлены шандоры 11, которыми регулируются изменения уровня воды в нижнем бьефе. Использованная вода отводится при помощи бетонного лотка 12 в резервуар емкостью 250 м3, из которого вода насосами перекачивается в напорный бак. Регулирование расходов воды осуществлядлось при помощи задвижек на напорных трубопроводах и водосливной воронкой. Удельные расходы устанавливались ступенями по 0,01 м2/с от 0,02 до 0,14 м2/с.
Моделирование материалов велось по максимальному натяжению, т.е. по критерию Фруда /42-44, 171/. Модели выполнялись из резинотканевых материалов, а вантовая система - из стальных канатиков с такими же компонентами, что и в натурных условиях. Моделирование гидравлических явлений проводилось по общим принципам теории подобия с учетом сил тяжести.
