Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих противопаводковых мероприятий и технических решений для условий дельты реки меконг. теоретические положения по их расчетному обоснованию 11
1.1. Противопаводковые мероприятия в условиях дельты реки Меконг 11
1.2. Существующие конструкции мобильных дамб 19
1.3. Анализ существующих расчетных положений по определению параметров мобильных водонаполняемых дамб 24
1.4. Оценка критерия устойчивости мобильных водонаполняемых дамб 31
1.5. Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. Создание численной модели мобильных водонаполняемых ДАМБ 37
2.1. Условия моделирования мобильных водонаполняемых дамб 37
2.2. Численное моделирование однокамерных мобильных водонаполняемых дамб 41
2.2.1. Однокамерная мобильная водонаполняемая дамба на горизонтальном основании 41
2.2.2. Однокамерная мобильная водонаполняемая дамба на наклонном основании 45
2.3. Численное моделирование двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб 49
2.3.1. Двухкамерная мобильная водонаполняемая дамба на горизонтальном основании 49
2.3.2. Двухкамерная мобильная водонаполняемая дамба на наклонном основании 51
2.4. Численное моделирование водонаполняемой дамбы при изменении трения по контактной поверхности 54
2.5. Численное моделирование мобильных водонаполняемых дамб с учетом критерия фильтрационной устойчивости 56
2.6. Выводы по главе 2 56
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования физических моделей мобильных водонаполняемыХ ДАМБ 58
3.1. Выбор экспериментальной установки и обоснование критериев подобия физической модели мобильных водонаполняемых дамб 58
3.2. Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментальных исследований 61
3.3. Оценка точности измерений при проведении экспериментальных исследований 66
3.4. Результаты экспериментальных исследований мобильных водонаполняемых дамб на физической модели 67
3.4.1. Экспериментальное исследование однокамерных мобильных водонаполняемых дамб 67
3.4.2. Экспериментальные исследования двухкамерной оболочки на физической модели 78
3.5. Выводы по главе 3 81
ГЛАВА 4 . Разработка и расчетное обоснование технического решения мобильной водонаполняемой дамбы 82
4.1. Обоснование и разработка нового технического решения 82
4.2. Расчетное обоснование параметров мобильной водонаполняемой дамбы 86
4.3. Численное моделирование разработанного технического решения мобильной водонаполняемой дамбы в ANSYS 88
4.3.1. Модель натурных конструкций двухкамерных водонаполняемых дамб 88
4.3.2. Расчет устойчивости разработанной конструкции 92
4.3.3. Расчет фильтрационной устойчивости 99
4.3.4. Расчет системы анкеров в основании разработанных конструкции 103
4.4. Выводы по главе 4 108
ГЛАВА 5. Рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации мобильных водонаполняемых дамб 109
5.1. Проектирование мобильных водонаполняемых дамб 109
5.2. Технология строительно-монтажных работ по возведению мобильных водонаполняемых дамб 111
5.3. Правила эксплуатации мобильных водонаполняемых дамб 113
5.4. Оценка экономической эффективности строительства мобильных водонаполняемых дамб 118
5.5. Выводы по главе 5 125
Заключение 126
Список литературы 128
- Существующие конструкции мобильных дамб
- Однокамерная мобильная водонаполняемая дамба на горизонтальном основании
- Оценка точности измерений при проведении экспериментальных исследований
- Модель натурных конструкций двухкамерных водонаполняемых
Существующие конструкции мобильных дамб
Грунтовые сооружения практически не могут обеспечить надежную работу по защите территорий дельты реки Меконг от затопления. Они часто разрушаются в период паводков, а также из-за строительных дефектов, конструкторских ошибок или при нарушении правил эксплуатации. В случае аварии гидротехнических сооружений (ГТС) для ликвидации ее последствий могут предусматриваться и другие конструкции, в том числе защитных сооружений. Например, для временной ликвидации последствий прорыва дамбы обвалования можно использовать местные материалы, железобетонные блоки, мешки с песком и т.п. На рисунке 1.7 приведен пример закрепления дамбы обвалования мешками с песком в Там Нонг, Донг Тхап, Вьетнам во время паводка 2011 г. (рисунок 1.7) [115].
Также на практике для ликвидации последствий прорыва дамбы можно использовать габионы. Габионные конструкции имеют такие преимущества, как относительная простота монтажа, заполнение камнями, строительными отходами и др. Недостатками этих конструкций являются отсутствие качественного заполнителя для габионов в большинстве районов и значительные затраты на их доставку (рисунок 1.8) [120]. В настоящее время для эффективной защиты населенных пунктов и предприятий от затопления применяются конструкции из композитных материалов, в том числе мобильные дамбы. Они представляют собой цилиндрические наполняемые и регулирующиеся оболочки, изготовленные из композитного материала и наполняемые воздухом, водой или воздухом и водой. Высота мобильных дамб обычно до 5 м, в некоторых случаях может достигать 10 м [81]. Ниже приведен пример мобильной дамбы, построенной в Куанг Нам, высотой 2,0 м и длиной 25 м (рисунок 1.9) [121].
Они обычно применяются для создания подпора воды, защиты территорий населенных пунктов и предприятий, а также для локализации распространения загрязняющих веществ. Достоинствами таких сооружений являются их высокая мобильность, сравнительно невысокая стоимость, быстрота монтажа и демонтажа, низкие трудозатраты и малое воздействие сооружений на окружающую среду. Для эффективного использования дамбы такого типа на практике следует провести анализ существующих конструкций.
Во Вьетнаме вопросами применения мобильных дамб занимаются ученые Южно-научно-исследовательского водохозяйственного института г. Хошимина. Первые мобильные дамбы были построены в 1997 г. в Куангнаме и до сих пор существуют только около 15 мобильных дамб [114]. Их максимальная высота составляет 4 м, длина – 140 м, толщина оболочки до 10 мм. Оболочки производятся в компании TECAPRO Министерства обороны Вьетнама, срок службы которых до 20 лет.
В зависимости от свойств материала, типа и способа наполнителя, флютбета, способа закрепления и т.п. мобильные дамбы можно разделить на различные группы, их классификация представлена на рисунке 1.10.
Один из примеров традиционных мягких наполняемых дамб приведен в японском патенте N11702/65 [84]. Дамба такого типа имеет следующие недостатки: ее установка возможна только на жестком флютбете; в случае сброса воды дамба не может полностью опускаться на основание из-за выталкивающей силы, вызванной остаточной жидкостью в оболочке. В связи с этим ил и песок не могут переноситься в нижний бьеф, что приводит к повреждению и нарушению оболочки (рисунок 1.11).
Для устранения этих недостатков, в патенте US 4 314 774 японские ученые предложили новое техническое решение, в котором к внутренней стороне оболочки прикрепляются элементы, имеющие больший удельный вес по сравнению с водой, такие как каучук или свинец (рисунок 1.12). В соответствии с данным изобретением, общий вес плотины больше, чем выталкивающие силы, вызванные остаточной жидкостью, поэтому даже при присутствии воды в нижнем бьефе, оболочка может быть полностью уложена на дно в нерабочем состоянии [80].
При переливе воды через дамбу происходит взаимодействие между нею и конструкцией, которое может вызывать вибрацию. Для уменьшения вибрации в ней устанавливают один или более трубопроводов для пропуска воды из верхнего в нижний бьеф и осуществляют регулирование глубины потока воды, протекающей через нее. Данная конструкция может устанавливаться на неподготовленном грунтовом основании. Схема установки показана на рисунке 1.14 [80].
Однокамерная мобильная водонаполняемая дамба на горизонтальном основании
В результате анализа графиков на рисунках 1.18… 1.20 выявлено, что начиная с относительного давления p 0, 9 , все зависимости относительной ширины и высоты водонаполняемой оболочки в пределах допустимых погрешностей дают сходимые результаты за исключением зависимостей, полученных Плаутом и Шухерманом. Предварительное определение формы оболочки по графоаналитическому методу Б.И. Сергеева дает наиболее точный результат при расчете безмоментной оболочки. В связи с этим, с приемлемой погрешностью, можно применять его при определении начальной формы безмоментных водонаполняемых дамб.
Оценка критерия устойчивости мобильных водонаполняемых дамб Оценка устойчивости мобильных водонаполняемых дамб усложнена тем, что их форма и размеры изменяются под действием различных сил. Чтобы определить ее параметры и оценить надежность работы, нам необходимо провести расчет устойчивости мобильных дамб.
Под действием гидростатической силы воды в ВБ и фильтрационного потока под их основанием, мобильные водонаполняемые дамбы могут потерять свою устойчивость по следующим схемам: перемещение, опрокидывание и фильтрационная деформация (рисунок 1.21).
Для любых гидротехнических сооружений необходимо провести не только расчет устойчивости на сдвиг, опрокидывание, но и расчет фильтрационной устойчивости. Для мобильных водонаполняемых дамб, устанавливающих на мягких основаниях, их фильтрационная устойчивость выполняется за счет разницы давления, пригрузки сооружений сверху и противодавления фильтрационного потока снизу. Под основанием может происходить фильтрационный выпор или суффозия в зоне выхода фильтрационного потока в нижнем бъефе (НБ) [62].
В ходе фильтрационных расчетов необходимо определить фильтрационное давление на основание сооружений; положение кривой депрессии, градиентов и скоростей фильтрационного потока; фильтрационный расход
Вопросы фильтрационного расчета мягких дамб рассматривались в работах Ю.П. Борисова, И.А. Петрова, Б.И. Сергеева, Н.Н. Павловского, Р.Р. Чугаева и др. [48, 49, 50, 59,60, 61, 69].
Определение фильтрационной устойчивости грунта под мягким флютбетом выполняется методом ЭГДА или Н.Н. Павловского, для случая плоского незаглубленного флютбета при бесконечной мощности водопроницаемого основания. При этом силу фильтрационного давления можно определить по следующей формуле:
1. В ходе анализа существующих противопаводковых мероприятий в условиях дельты реки Меконг было выявлено, что традиционные грунтовые дамбы не обладают высокой надежностью в условиях слабых грунтов. Их демонтаж или строительство новых постоянных гидротехнических сооружений оказывают трудность, и могут вызвать негативное воздействие, как на экосистему, так и на экономическое и социальное положение населения на ее территории. В связи с этим предлагается применить новую конструкцию мобильной дамбы в качестве защитного сооружения.
2. На основе анализа существующих конструкций дамб обвалования автором были выбраны водонаполняемые дамбы, водоподпорный элемент которых представляет собой цилиндрические наполняемые оболочки из композитных материалов, создающие напор до 3 м для противопаводковой защиты дельты реки Меконг в качестве временных сооружений при чрезвычайных ситуациях.
3. В результате анализа существующих расчетных положений по определению параметров водонаполняемых оболочек выявлено, что начиная с относительного давления р 0,9 все зависимости относительной ширины и мобильной водонаполняемой дамбы в пределах допустимых погрешностей дают сходимые результаты за исключением зависимостей, полученных Плаутом и Сухерманом. В связи с этим был выбран графоаналитический метод для определения их начальной формы.
4. Так как ранее исследователями не были получены зависимости по перемещению оболочки при различных гидравлических условиях работы, внутренних давлениях и характеристиках основания, что является существенным для оценки их устойчивости к сдвигу и опрокидыванию, автором принято решение с помощью численного моделирования и экспериментальных исследований определить зависимости по перемещениям оболочки
Для оценки устойчивости мобильных водонаполняемых дамб необходимо определить влияние на них различных факторов: глубины воды в ВБ и коэффициента трения основания на их деформацию. С помощью программы ANSYS v15.0, основанной на методе конечных элементов, автором выполнены расчеты перемещения одно - и двухкамерных оболочек при различных условиях работы, по результатам которых оценивается их устойчивость.
Условия моделирования мобильных водонаполняемых дамб Численное моделирование проводилось для физических моделей мобильных дамб, параметры которых были выбраны в зависимости от размеров экспериментальной установки, на которой предварительно были проведены исследования начальной формы оболочки без воздействия воды в ВБ. Их описание приведено ниже в главе 3. Решение поставленных задач в ANSYS выполнялось поэтапно: 1. Выбор типа конечных элементов
Рисунок 2.1 – Элемент SHELL181 [75] Оболочки мягкие и их основания моделировались соответственно конечными элементами SHELL 181 и SOLID 185. SHELL181 – 3D 4 - узловой оболочечный элемент с шестью степенями свободы в каждом узле: 3 осевых перемещения UX, UY, UZ и 3 поворота ROTX, ROTY, ROTZ в узловой системе координат. Изображение элемента SHELL181 представлено на рисунке. 2.1 [75].
Оценка точности измерений при проведении экспериментальных исследований
Сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных исследований показывает достаточную степень их сходимости, максимальное расхождение составляет 19,7 %. Ниже представлена схема перемещения двухкамерной водонаполняемой оболочки c периметрами внешним 0,64 м, внутренним 0,4 м в результате физических и численных исследований (рисунок 3.11). Схема перемещения двухкамерной водонаполняемой оболочки периметрами внешним 0,64 м, внутренним 0,48 м при глубине воды в ВБ Авб = 0,8 м В ходе проведения исследований была определена критическая глубина воды в ВБ Акр, при которой наблюдались потери устойчивости оболочки. Оболочки с одинаковым отношением прилегания к высоте в / н имеют одинаковое отношение и /н . Графическая зависимость А /я от отношения при диапазоне В/Н равном 0,2…2,5. В результате статистической обработки данных получены следующие зависимости и / н от отношения
С помощью формул 3.23 и 3.24 можно выбрать параметры водонаполняемой дамбы, обладающей необходимой степенью устойчивости и надежностью работы при глубине затопления в территории дельты реки Меконга до 3 м.
1. Сравнительный анализ численного моделирования и экспериментального исследования физических моделей водоподпорных оболочек подтверждает достаточную степень сходимости результатов при максимальной погрешности менее 22 % для однокамерных и 20 % для двухкамерных конструкций.
2. По результатам проведенных автором экспериментальных исследований определены условия устойчивости незакрепленных одно- и двухкамерных оболочек по соотношению Икр/Н, которое для двухкамерных оболочек больше на 7… 18 %, чем однокамерных при диапазоне В/Н равном 0,2…2,5.
3. Устойчивость двухкамерной оболочки не обеспечивается при /гвб / Н 0,68...1 и В / Н в диапазоне от 0,5 до 2,5 в случае горизонтального основания и коэффициента трения менее или равном 0,3. В связи с этим необходима разработка нового технического решения мобильной дамбы, позволяющего обеспечить ее устойчивость в условиях слабых грунтов. ГЛАВА 4.
В связи с тем, что по результатам численных и физических исследований незакрепленная двухкамерная водонаполняемая дамба не обладает достаточной устойчивостью в условиях слабых грунтов, имеющих коэффициент трения менее 0,3, что характерно для условий дельты реки Меконг (см. рисунок 1.5), необходимо разработать новое техническое решение мобильной водонаполняемой дамбы, обеспечивающее надежную противопаводковую защиту при глубине затопления до 3 м, а также технологию ее возведения.
Разработанная конструкция состоит из одной или нескольких секций 1, включающих две внутренние водонаполняемые оболочки 2, гибкие связи 3 для соединения секций 1 между собой. Для предотвращения перелива между секциями 1 может устанавливаться водосброс в виде водослива практического профиля 4 с гибким отводящим лотком 5, его параболическая форма поддерживается с помощью водонаполняемых оболочек 6. Анкеры 7, перемещаемые мембраной 8, вдавливаются в грунт до полного прилегания оболочки, чем обеспечивают устойчивость секций 1 за счет увеличения сцепления между дамбой и основанием (рисунок 4.1) [заявка на патент РФ № 2013141645].
Для выбора необходимых для изготовления оболочек композитных материалов автором проведен их анализ. В строительстве мобильных дамб в России наибольшее распространение получили армированные резиновые ткани, такие как: ТК - 50, ТК - 100, ТК – 200, ТУ 8729 и из поливинилхлорида (ПВХ) – UNISOL. Они обладают большой прочностью на разрыв и стойкостью к изгибу. Их основные характеристики представлены в таблице 4.1. а)
Так как максимальная температура в дельте Меконг + 38С, приведенные материалы в таблице 4.1 можно использовать для строительства мобильной водонаполняемой дамбы без повреждения из-за высокой температуры.
За рубежом для изготовления мобильных дамб рекомендуют использовать материалы таких компаний, как: Geotextile Tubes, Fabricator, Geotextile Tubes and Dewatering, TenCate, Industrial Fabrics, Flint Industries и т.п. (рисунок 4.2) [79].
Все эти материалы, приведенные в таблице 4.2, являются анизотропными и состоят в основном из полипропилена и полиэстера. Максимальный периметр дамб, изготовленных из GT 1000, составляет 36,58 м. Стоимость материала не только зависит от их характеристики, но и ширины (таблица 4.3) [123]. Таблица 4.3 – Стоимость 1 м материала в зависимости от его ширины
Для разработанной конструкции мобильной водонаполняемой дамбы играет очень важную роль система анкеров, обеспечивающих дополнительную устойчивость дамбы в условиях слабых грунтов основании. При суммарной силе, действующей на анкеры, равной нулю, они устойчивы на сдвиг и вырыв:
Система анкеров должна обеспечить устойчивость дамбы в условиях слабых грунтов основания. Однако подбор количества и размеров анкеров должен соответствовать условию плотного прилегания оболочки основания к грунту и предотвращения контактной фильтрации, что обусловливает необходимость проведения проверки полного проникновения анкера в грунт.
Модель натурных конструкций двухкамерных водонаполняемых
Из - ежегодные издержки по строительству сооружений инженерной защиты затапливаемых земель, населенных пунктов, промышленных и других предприятий.
В этом расчете не учитывают эксплуатационные издержки и срок окупаемости сооружения для уменьшения погрешности результата анализа. В состав капиталовложений при строительстве мобильных водонаполняемых дамб входят затраты на: материалы оболочки, анкера и их монтаж, оборудование для наполнения (насос, соединительные трубопроводы…), транспортировку, электроэнергию, монтажные и демонтажные работы.
Расчет капитальных вложений на одну секцию длиной 200 м, прилеганием 2,5 м, высотой 2 м ведется по данным типовых проектов и представлен в таблице 5.3. Так как протяженность дамбы 152 км, приведенные затраты Зз на ее строительство составляют:
Для строительства дамбы такой же протяженностью, но из местных грунтов, согласно данным отчета Южного проектно-исследовательского института Вьетнама нужно выполнить земляные работы объемом w =3587351 м 3 . Затраты на их строительство составляют З = 7,78 млн. долл. то затраты на строительство разработанной конструкции мобильной водонаполняемой дамбы уменьшаются на 42,4% по сравнению с традиционными грунтовыми дамбами, предлагаемый автором вариант является более выгодным.
Также необходимо провести оценку экономической эффективности при использовании их в защите населенных пунктов от затопления. Капиталовложения на строительство должны быть меньше среднегодового ущерба от затопления в случае их отсутствия: з где М - материальный ущерб, причиняемый территории от затопления.
Среднемноголетний ущерб от наводнений Y зависит от глубины затопления h, м. Так как глубина h является стохастической (случайной) величиной, расчетный ущерб от наводнений определяется как математическое ожидание ущерба по следующей формуле:
По отчету Южного проектно-исследовательского водохозяйственного института Вьетнама расчетный ущерб, причиняемый паводками в центре города, составляет 7=8,47 млн. долл. Так как Кз M применение разработанной конструкции мобильных водонаполняемых дамб для противопаводковой защиты города Кан Тхо является экономически эффективным.
При применении разработанной конструкции мобильных водонаполняемых дамб не создается препятствий промывке земель потоком паводковой воды и поступлению наносов на сельскохозяйственные территории. Земли после паводка становятся плодороднее, и выгода сельского хозяйства будет увеличена, т.е. улучшится благосостояние жителей, занимающихся сельским хозяйством. Так как мобильные водонаполняемые дамбы легко установить и демонтировать, ландшафт защищаемой территории не будет изменен и уменьшено негативное воздействие на окружающую среду.
1. Разработана методика расчета мобильных водонаполняемых дамб необходимых параметров: характеристики материала, минимальный периметр и внутреннее давление, обеспечивающих их устойчивость к сдвигу и опрокидыванию.
2. Создана технологическая схема по изготовлению и возведению мобильных водонаполняемых дамб.
3. Разработаны рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации мобильных водонаполняемых дамб для противопаводковой защиты дельты р. Меконг.
4. Выполнены расчеты двух вариантов противопаводковой защиты г. Кан Тхо на территории дельты Меконг и выявлено, что применение мобильных водонаполняемых дамб является не только экономически- но и социально экологической эффективным.
1. На основании анализа существующих технических решений противопаводковой защиты дельты реки Меконг обоснована возможность применения мобильных водонаполняемых сооружений, обеспечивающих защиту от затопления до 3 м в условиях слабых грунтов.
2. Автором получены многофакторные зависимости перемещения от: внутреннего давления, глубины воды в верхнем бьефе, наклона основания в диапазоне от 3 до 10 и коэффициента трения от 0,1 до 0,9 по результатам численного моделирования одно- и двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб, позволяющие оценить их устойчивость.
3. Сравнительный анализ численного моделирования и экспериментального исследования физических моделей мобильных водонаполняемых дамб показал достаточную степень сходимости их результатов при максимальной погрешности менее 22 % для однокамерных и 20 % для двухкамерных конструкций.
4. По результатам проведенных автором экспериментальных исследований определены условия устойчивости незакрепленных одно- и двухкамерных мобильных водонаполняемых дамб по соотношению hкр / Н, которое для двухкамерных дамб больше на 7…18 %, чем для однокамерных при В / Н, соответственно равном 0,2…2,5.
5. Устойчивость двухкамерной мобильной водонаполняемой дамбы не обеспечивается при йвб /Н 0,6 8...1,25 и В / Н соответственно в диапазоне от 0,5 до 2,5 в случае горизонтального основания и коэффициента трения менее или равном 0,3. В связи с этим необходима разработка нового технического решения мобильной водонаполняемой дамбы, позволяющей обеспечить её устойчивость.
6. В результате проведенных исследований разработаны требования, на основе которых создано новое техническое решение конструкций мобильных водонаполняемых дамб (заявка на изобретение РФ № 2013141645)
