Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследований в области применения геосинтетических материалов для противофильтрационных экранов .. 12
1.1. Классификация и типы геосинтетических материалов, применяемых для противофильтрационных устройств 12
1.2. Применение геосинтетических материалов для противофильтрационных экранов в России и за рубежом 23
1.3. Недостатки существующих конструкций противофильтрационных экранов из геосинтетических материалов 25
1.4. Зарубежный и отечественный опыт применения противофильтрационных экранов на каналах и накопителях с использованием геокомпозитов 28
1.5. Критический обзор исследований противофильтрационных экранов из геосинтетических материалов 37
Выводы по главе 42
ГЛАВА 2. Разработка высоконадежных конструкций противофильтрационных экранов с использованием геокомпозитов 44
2.1. Обоснование требований к геосинтетическим материалам и конструкциям противофильтрационных экранов 44
2.2. Высоконадежные и комбинированные конструкции противофильтрационных экранов оросительных каналов и накопителей с применением геокомпозитов 47
2.3. Противофильтрационные экраны каналов и прудов-накопителей, выполняемые в сложных инженерных условиях 59
2.4. Самозалечивающиеся полимерные противофильтрационные экраны оросительных каналов и накопителей 70
2.5. Способы заделки очагов фильтрационных деформаций и создания противофильтрационных завес 77
Выводы по главе 84
ГЛАВА 3. Лабораторные исследования эффективности разработанных конструкций противофильтрационных экранов 85
3.1. Лабораторные исследования процесса гидратации и регенерации геокомпозитов 85
3.1.1. Методика проведения исследований 85
3.1.2. Результаты лабораторных исследований гидратации и регенерации геокомпозитов 90
3.2. Физическое моделирование процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране на фильтрационных лотках 92
3.2.1. Методика проведения исследований 92
3.2.2. Применение теории планирования эксперимента при проведении лабораторных исследований 98
Выводы по главе 103
ГЛАВА 4. Теоретические исследования водопроницаемости противофильтрационных экранов с использованием геосинтетических материалов 103
4.1. Теоретическая оценка водопроницаемости противофильтрационных экранов нарушенной сплошности 103
4.2. Компьютерное моделирование процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране в программном комплексе «Multiphysics» 117
4.3. Сопоставление результатов компьютерного и физического моделирования, формул других авторов 120
4.4. Обоснование применения защитных прокладок из геотекстиля и оценка водопроницаемости экранов из геомембран 127
4.5. Критерии технической эффективности и эксплуатационной надежности противофильтрационных экранов из геосинтетических материалов 134
4.6. Оценка эксплуатационной надежности различных конструкций противофильтрационных экранов с учетом вероятности различных состояний 143
Выводы по главе 148
ГЛАВА 5. Натурные исследования противофильтрационных экранов с геокомпозитами и рекомендации по их применению на прудах-накопителях и оросительных каналах 151
5.1. Натурные исследования противофильтрационных экранов каналов и прудов-накопителей 151
5.2. Предложения по созданию комбинированного противофильтрационного экрана на грунтовой плотине 159
5.3. Рекомендации по применению высоконадежных конструкций противофильтрационных экранов из геокомпозитных материалов на прудах-накопителях и оросительных каналах 1 5.3.1. Общие положения 166
5.3.2. Геокомпозитные материалы 167
5.3.3. Рекомендуемые высоконадежные конструкции противофильтрационных экранов из геокомпозитов 167
5.3.4 Производство работ по укладке и соединению противофильтрационных полотнищ 169
5.3.5. Эксплуатация оросительных каналов и накопителей с экранами из геокомпозитных материалов 173
5.4. Оценка экономической эффективности от проведения противофильтрационных мероприятий на оросительных каналах... 174
Выводы по главе 177
Заключение 178
Список литературы
- Недостатки существующих конструкций противофильтрационных экранов из геосинтетических материалов
- Высоконадежные и комбинированные конструкции противофильтрационных экранов оросительных каналов и накопителей с применением геокомпозитов
- Физическое моделирование процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране на фильтрационных лотках
- Сопоставление результатов компьютерного и физического моделирования, формул других авторов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На протяжении последних 60 лет в области мелиорации одной из основных проблем являются большие потери воды из-за низкого технического уровня и значительной степени износа ороси-тельной сети, достигающие в целом по России до 4,8 км /год. При этом до 80-90 % этих потерь происходит вследствие фильтрации из оросительных каналов. Так, в современных условиях коэффициент полезного действия (КПД) оросительных каналов составляет 0,75-0,80, что свидетельствует о имеющихся потерях только в транспортирующей магистральной и распределительной сети в пределах 20-25 %.
Согласно Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года для сокращения потерь воды в водопроводящих элементах водохозяйственных систем мелиоративного комплекса требуется реконструкция и модернизация систем водоподачи, восстановление и устройство облицовок каналов.
Начиная с середины XX века по настоящее время, достаточно остро стоят проблемы негативного влияния различных накопителей отходов (прудов-накопителей, хвостохранилищ, шламохранилищ и других), а также каналов оросительных систем, выполненных в земляном русле, на окружающую природную среду, в частности на грунтовые воды. Накопители отходов являются опасными источниками загрязнения окружающей среды. Особенно те из них, которые не оборудованы противофильтрационными экранами (ПФЭ).
Одним из путей повышения противофильтрационной эффективности и срока службы конструкций ПФЭ накопителей и оросительных каналов является применение геокомпозитных материалов (ГКМ). Именно это последнее поколение материалов обеспечивает высокую надежность конструкций ПФЭ, что особенно важно для каналов на опасных участках в насыпи, косогорах, и где проявляются карстово-суффозионные и просадочные процессы, а также для накопителей жидких и токсичных отходов, поскольку любые утечки из них, даже самые незначительные, приводят к загрязнению грунтовых вод и подтоплению территорий.
Степень разработанности темы исследований. Изучением противо-фильтрационных экранов из пленочных материалов толщиной 0,2 мм в период 1950-1990 гг. занимались многие отечественные ученые (И. Е. Кричевский,
B. Д. Глебов, И. М. Елшин, Ю. М. Косиченко, В. В. Сокольская, В. П. Лысенко,
А. А. Миронов, Н. А. Кильдишев, В. А. Белов, А. В. Ищенко,
Л. Е. Чернышевская, С. Н. Ворошнов, А. Г. Алимов и другие).
В США еще с 1946 г., а в Европе в конце 1950-х начали проводиться исследования и натурные эксперименты по использованию более надежных покрытий из полимерных геомембран толщиной 1,0-2,0 мм при строительстве и реконструкции каналов и плотин (А. М. Scuero, G. L. Wasketti, R. Т. Chuch,
C. Е. Staff, R. Е. Rowe, W. I. Brachman и др.). В России такие покрытия из гео
мембран стали разрабатываться и применяться только с 1995 г.
(О. И. Гладштейн, С. В. Сольский, В. Г. Радченко, Е. О. Скляренко,
М. А. Чернов, О. Ю. Лупачев, А. В. Прямицкий). Однако до настоящего време-
ни исследования по применению геокомпозитных материалов для противо-фильтрационных целей проводились ограниченно в качестве поисковых работ.
Цель работы заключается в разработке и исследовании высоконадежных конструкций ПФЭ прудов-накопителей и оросительных каналов с использованием геокомпозитов, которые представляют собой сочетание двух-трех геосинтетических материалов и за счет этого позволяют обеспечить более высокую их эффективность и надежность.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
изучить и проанализировать отечественный и зарубежный опыт применения геосинтетических материалов (ГСМ) на прудах-накопителях и оросительных каналах;
проанализировать и усовершенствовать классификацию ГСМ применительно к ПФЭ;
разработать высоконадежные конструкции ПФЭ из ГКМ для прудов-накопителей и оросительных каналов;
провести лабораторные исследования процесса регенерации и гидратации геокомпозитных бентонитовых матов;
разработать теоретическую и компьютерную модель процесса фильтрации через малые отверстия в полимерных экранах;
провести натурные исследования современных ПФЭ с использованием геосинтетических и геокомпозитных материалов;
разработать критерии технической эффективности и эксплуатационной надежности геомембран и бентонитовых матов в конструкциях ПФЭ;
разработать рекомендации по применению высоконадежных конструкций ПФЭ из ГКМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
дано обоснование целесообразности применения ГКМ в конструкциях ПФЭ прудов-накопителей и оросительных каналов;
разработаны новые высоконадежные комбинированные и самозалечивающиеся конструкции ПФЭ с использованием геокомпозитов, новизна ряда которых подтверждена патентами и положительными решениями на изобретения Российской Федерации;
изучен процесс самозалечивания и гидратации геокомпозитных бентонитовых матов при повреждаемости;
на основании проведенных теоретических и лабораторных исследований получены новые зависимости для определения расхода и осредненного коэффициента фильтрации через малые повреждения-проколы в геомембране для условий осесимметричного движения фильтрационного потока;
проведено компьютерное моделирование процесса фильтрации через малые повреждения в геомембране для осесимметричного и плоского течения, результаты которого сопоставлены с теоретическими и эмпирическими зависимостями;
дано расчетное обоснование применения защитных прокладок из геотекстиля в конструкциях ПФЭ из геомембран;
разработаны критерии технической эффективности и эксплуатационной надежности ГКМ в конструкциях ПФЭ.
Теоретическую и практическую значимость работы составляют:
разработанные высоконадежные конструкции ПФЭ с использованием геокомпозитов;
теоретически обоснованные основные зависимости для оценки водопроницаемости ПФЭ из полимерных геомембран;
проведенная теоретическая оценка эксплуатационной надежности про-тивофильтрационных экранов из геокомпозитов с использованием диагностических показателей на основе метода Байеса;
предложенные и уточненные показатели технической эффективности и эксплуатационной надежности геомембран и геокомпозитов в конструкциях экранов;
разработанные рекомендации по применению высоконадежных конструкций ПФЭ из ГКМ для прудов-накопителей и каналов.
Методология и методы диссертационного исследования. Методология представленной работы заключается в разработке и исследовании высоконадежных конструкций противофильтрационных экранов с использованием материалов нового поколения - геокомпозитов.
При проведении исследований использовались лабораторные, теоретические и натурные методы. Лабораторные исследования проводились на масштабной физической модели в фильтрационном лотке с соблюдением критерия моделирования. При проведении теоретических исследований использовались методы теории фильтрации (метод конформных отображений) и теории надежности (метод Байеса). Натурные исследования проводились на действующем (Донском магистральном канале) и строящемся (пруд-накопитель жидких отходов в г. Тихо-рецк) объектах.
Положения, выносимые на защиту:
разработанные новые высоконадежные конструкции ПФЭ с использованием ГКМ, включающих совместно два и более различных ГСМ (геомембрану, геотекстиль, геосетку, георешетку, бентоматы), обеспечивающие наиболее высокие показатели водонепроницаемости, прочности, сопротивляемости прокалыванию и долговечности;
результаты экспериментальных и теоретических исследований по обоснованию применения ГКМ в конструкциях ПФЭ для прудов-накопителей жидких отходов и оросительных каналов с целью повышения их надежности и безопасности;
результаты исследований процесса самозалечивания полимерных ПФЭ с использованием бентонита;
расчетные зависимости для оценки водопроницаемости ПФЭ с использованием геомембран при наличии в них случайных малых повреждений в виде проколов;
количественная оценка эксплуатационной надежности высоконадежных конструкций ПФЭ, включающих геомембрану и один-два слоя защитных прокладок из геотекстиля, основанная на методе Байеса;
рекомендации по применению высоконадежных конструкций ПФЭ из геокомпозитных материалов.
Степень достоверности исследований подтверждается экспериментальными исследованиями, которые проводились с использованием современных приборов и оборудования, обработкой полученных данных с применением ЭВМ, сопоставлением результатов компьютерного и физического моделирования, а также с данными, полученным по формулам других авторов.
Внедрение результатов. Одна из конструкций ПФЭ была включена в проект реконструкции пруда «Казенный» в г. Шахты Ростовской области, а разработанные рекомендации внедрены в ФГБУ «Управление «Ростовмелио-водхоз» при проведении реконструкции участка Донского магистрального канала на 103-105 км с ожидаемым экономическим эффектом 5,4 млн руб.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 научно-практических конференциях, в том числе на международных научно-практических конференциях «Строительство 2012», «Строительство 2014», ФГБОУ ВПО «РГСУ» (г. Ростов-на-Дону, 2012, 2014 гг.); научно-практической конференции «Эксплуатационная надежность и безопасность гидротехнических сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск, 17 мая 2013 г.); XVII «Агропромышленном форуме Юга России» (г. Ростов-на-Дону, 25-28 февраля 2014 г.); международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России» (ФГБОУ ВПО РГАУ МСХА им. К. А. Тимирязева, г. Москва, 22 мая 2014 г.); международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные научные исследования в области мелиорации» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск, 26 сентября 2014 г.); международной научной конференции «Innovation 2014» (Ташкент, 23 сентября 2014 г.).
За разработку высоконадежных конструкций противофильтрационных облицовок и экранов из геосинтетических материалов на каналах и водоемах автор, в составе творческого коллектива ФГБНУ «РосНИИПМ», удостоен серебряной медали на Всероссийской агропромышленной выставке «Золотая осень» (г. Москва, 9-12 октября 2013 г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 27 печатных работ, в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, монография и 4 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы составляет 210 страниц машинописного текста, включая 63 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 190 наименований, в том числе 20 иностранных источников.
Недостатки существующих конструкций противофильтрационных экранов из геосинтетических материалов
Получившие широкое распространение до 1970-х гг. такие противо-фильтрационные мероприятия, как уплотнение, оглеение, кольматация, пропитывание вяжущими веществами, устройство различного типа облицовок (грунтовых, бетонных, асфальтобетонных, каменных, кирпичных, цементных) [1, 136] стали малоэффективными, поэтому с 1950-1955 гг. за рубежом начато применение полимерных пленок в качестве противофильтрационных элементов экранов оросительных каналов и накопителей отходов [118].
Значительный опыт использования полимерных пленочных противофильтрационных устройств был накоплен за рубежом в таких странах, как США, ФРГ, Англия, Япония, Польша и других. К примеру, в 1956 г. В США приведено несколько технических решений противо фильтрационной одежды оросительных каналов с использованием полиэтиленовой или алюминиевой пленки [74].
По данным американского ученого Р. Н. Скотта пленочные экраны снижают фильтрационные потери в среднем на 96 %, в то время как у асфальтобетонных эта цифра колеблется в пределах 36-78 %, а Г. Дэллир оценивает надежность пленочных экранов выше асфальтобетонных и бетонных в 2-3 раза [125].
В России противофильтрационные устройства из полимерных материалов (полиэтиленовой пленки по ГОСТ 10352-82 толщиной 0,2-0,3 мм) [48, 130] начали использоваться в 60-70 гг. XX века [74]. Их широко применяли для строительства экранов и облицовок оросительных каналов и водоемов, прудов-накопителей, в качестве пленочных завес на оросительных системах, при возведении подземных сооружений способом «стена в грунте» [42].
Однако через пленочные экраны происходят значительные утечки воды. Это обусловлено легкой повреждаемостью тонкого полимерного материала в процессе строительства и эксплуатации сооружений [7]. Для решения этой проблемы стали использоваться ПФЭ из современных ГСМ, как наиболее экологически безопасное и распространенное за рубежом инженерное решение.
Фильтрационными расчетами и исследованиями традиционных проти-вофильтрационных устройств (ПФУ) гидротехнических сооружений в нашей стране занимались многие ученые: Н. Н. Павловский [87], В. П. Недрига [82, 83], С. Ф. Аверьянов [1], В. И. Аравин [13], Р. Р. Чугаев [135], А. Л. Гольдин [32], В. Н. Жиленков [36, 37], Л. Н. Рассказов [101-104], К. Н. Анахаев [8, 9], а исследованиями ПФУ и дренажных устройств из полимерных и ГСМ С. В. Сольский [25, 115-118], Н. А. Анискин [10-12], Ю. М. Косиченко [53-66], А. В. Ищенко [44-49], А.Г.Алимов [3-6], В.А.Белов [22, 23], И. Е. Кричевский [67, 68], В.Д.Глебов [29, 30], В.П.Лысенко [71, 72], И. М. Елшин [34, 35], А.А.Миронов [76-78], С. Н. Ворошнов [21], П. А. Сухоруков [124], Л. Е. Чернышевская [21, 134], В.В.Сокольская [48, 114], Г. А. Панасенко [88], А. Ф. Зоценко [41], Д. В. Кашарин [51], А. В. Прямицкий [96-98], О. И. Гладштейн [26-28], Е. О. Скляренко [109, ПО], М. А. Чернов [131-133] и другие [33, 81, 137, 111, 138].
За рубежом в данном направлении известны работы А. М. Скуеро и Г. Л. Васкетти [90,111], P.Kent [153], R. К. Rowe, [147,157], R. W. I. Brachman [149], К. P. von Maubeuge [146] и других [143, 145, 150, 151, 159-162].
Использование ГСМ имеет множество экономических и экологических преимуществ. Наряду с тем, позволяет сократить трудозатраты, направленные на трудоемкий процесс добычи значительных объемов грунта, а также его транспортировки, укладки и уплотнения различными механизмами.
Особенностью применения противофильтрационных конструкций с геосинтетическими материалами, помимо экономических и экологических преимуществ, является их высокие противофильтрационные свойства, стойкость к различным токсичным веществам, а также значительный срок службы.
Так, по данным одной из передовых всемирных компаний по производству и реализации геосинтетики «NAUE» [155], срок службы геомембран «Carbofol» из полиэтилена высокой плотности толщиной 1,0-2,0 мм составляет около 100 лет, геокомпозитных бентонитовых матов «Bentofix» толщиной 6,0 мм - не менее 200 лет, а с использованием дополнительных защитных слоев (например, из геотекстиля) - не менее 300 лет. По материалам компании «Carpi TECH S.A» (Швейцария) срок службы геомембран составляет 150 лет [111].
В настоящее время одной из проблем является увеличение негативного воздействия различных гидротехнических сооружений, в том числе накопителей отходов и оросительных каналов, эксплуатируемых без противофильт-рационных облицовок, на окружающую среду. Накопители жидких отходов являются мощным источником загрязнения окружающей среды в целом и в частности грунтовых вод. Проникающий фильтрат загрязняет сначала подстилающие грунты, а затем воды естественного грунтового потока.
В большинстве случаев санитарное состояние накопителей жидких отходов неудовлетворительное по причине отсутствия на них изолирующих ПФЭ, что противоречит всем действующим нормативным документам [96,112,120].
Поданным А. Н. Костякова на фильтрацию из оросительных каналов теряется 50-70 % воды, а по данным В. А. Шаумяна полезное использование воды на системе не превышает 25-27 % [136]. Низкий коэффициент полезного действия (КПД) систем объясняется главным образом большими фильтрационными потерями воды на оросительных каналах из-за отсутствия проти-вофильтрационных облицовок [136]. Существующие оросительные каналы построены в основном в земляном русле и только около 20-25 % общей длины каналов оборудованы проти-вофильтрационными экранами, что приводит к большим фильтрационным потерям и снижению их КПД при эксплуатации. При этом, КПД большинства оросительных каналов в настоящее время не превышает 0,75-0,80, то есть около 20-25 % всей воды, транспортируемой от водозабора до орошаемого поля теряется на фильтрацию [170].
При низких КПД оросительных систем появляется необходимость увеличения забора воды из водоисточника, а, следовательно, увеличения размеров каналов и других гидротехнических сооружений.
Высоконадежные и комбинированные конструкции противофильтрационных экранов оросительных каналов и накопителей с применением геокомпозитов
Разработанная конструкция бентоматового матраса с дренирующими устройствами может быть использована в сложных инженерных условиях, в том числе при инфильтрации воды в канал, что позволит предотвратить отрыв и всплывание противофильтрационных полотнищ при воздействии на них избыточных сил.
Кроме того, еще одним немаловажным вопросом является устройство противофильтрационных покрытий с бентонитом на работающих оросительных каналах.
Как уже говорилось ранее, при взаимодействии бентонита с водой происходит его гидратация (набухание) и увеличение в размерах в 10-14 раз (в зависимости от типа и свойств бентонита). Согласно имеющихся инструкций и рекомендаций по укладке геокомпозитных бентонитовых матов [24, 86], данный материал запрещается укладывать в стоячую воду, под воздействием атмосферных осадков и грунтовых вод [86]. Все это не позволяет произво 68 дить укладку бентоматов на водоеме или оросительном канале без его предварительного опорожнения и осушения.
При устройстве геокомпозитных покрытий с бентонитом в сложных инженерных условиях может быть использована конструкция геокомпозитного противофильтрационного бентонитового покрытия (рисунок 2.9), которую возможно укладывать в стоячую воду, предотвращая при этом преждевременную гидратацию бентонита и обеспечивая выполнение его основных функций после укладки - гидратации при взаимодействии с водой и образовании за счет этого водонепроницаемого экрана. а - конструкция геокомпозитного покрытия; б - конструкция покрытия с клеящимися лентами (вид сверху); 1 - армирующий нетканый геотекстиль; 2 - тканый геотекстиль; 3 - балластовый слой мелкозернистого песка; 4 - бентонит; 5 - иглопробивное крепление; 6 - два полотнища пленки; 7 - водонепроницаемый клей; 8 - щелевые надрезы; 9 - клеящиеся ленты Рисунок 2.9 - Противофильтрационное геокомпозитное покрытие Противофильтрационное геокомпозитное покрытие состоит из полимерного каркаса, который представляет собой два слоя геотекстиля - армирующего (нетканого) геотекстиля (с поверхностной плотностью более 450 г/м ) и верхнего (тканого) геотекстиля (с поверхностной плотностью бо-лее 700 г/м ). На армирующий нетканый геотекстиль нанесен балластовый слой мелкозернистого песка (с фракциями более 1,5-2,0 мм) толщиной 3 мм и слой Са-бентонита (толщиной 3 мм), при этом для равномерного распределения бентонита и песка скрепление произведено иглопробивным способом.
Геокомпозитное покрытие (толщиной 9 мм) помещено между двумя слоями пленочного полотнища (толщиной 0,2 мм каждое), которые запаяны или заклеены водонепроницаемым клеем по периметру покрытия через расчетные расстояния в зависимости от параметров канала (водоема).
Для исключения преждевременной гидратации бентонита при укладке покрытия и для образования водонепроницаемого экрана после укладки про-тивофильтрационные геокомпозитное покрытие выполнено с щелевыми надрезами на одной из сторон пленочного полотнища. При этом щелевые надрезы заклеены клеящимися лентами, которые выполнены из растворимого в воде полимерного материала (из полигликолидных нитей и бутилкаучука).
Разработанное противофильтрационное геокомпозитное покрытие может укладываться в сложных инженерных условиях, в том числе в работающий оросительный канал (водоем) без его опорожнения. При этом балластовый слой песка препятствует всплыванию покрытия, а пленочные полотнища с двух сторон предотвращают преждевременную гидратацию бентонита и обеспечивают гидратацию при попадании воды через щелевые надрезы за счет растворения в воде клеящихся лент, тем самым образуется водонепроницаемое покрытие в целом.
Применение противофильтрационного геокомпозитного покрытия позволит использовать бентонит и бентонитовые маты (обладающие свойством регенерации и повышенной долговечности) не только на сухом подготовленном основании, но и при укладке в стоячую воду. 2.4. Самозалечивающиеся противофильтрационные экраны оросительных каналов и прудов-накопителей
В ряде случаев выполнение комбинированных конструкций ПФЭ на некоторых участках оросительных каналах становится невозможным, эконо мически неоправданным и невыгодным. Объясняется это тем, что при созда нии защитного слоя возникает не только вероятность образования поврежде ний в полимерном противофильтрационном элементе, но и снижается пропу скная способность некоторых участков оросительных каналов с покрытиями из каменной наброски, бетона или железобетона. Чаще всего решением дан ной проблемы становится выполнение открытых облицовок на каналах без защитного слоя. В настоящее время такие открытые облицовки могут выпол няться из геомембран и бентонитовых матов (рисунок 2.10 а, б).
Выполнение же открытых покрытий каналов из бентонитовых матов крайне не рекомендуется из-за возможной дегидратации бентонита, которая будет происходить при повторном замачивании и высушивании противо-фильтрационного элемента из бентонита. Это подтверждается не только раз 71 личными рекомендациями [17, 142, 154], но и проведенными исследованиями, когда бентонитовые маты после гидратации находились на открытом солнце более 10 часов при температуре воздуха более 25-30 С. Поэтому открытые противо фильтрационные покрытия оросительных каналов рекомендуется выполнять из полимерных геомембран, обеспечивающих пониженную шероховатость поверхности и необходимую водонепроницаемость. При этом, несмотря на то, что геомембраны обладают достаточно высокими физико-механическими характеристиками, в процессе укладки или устройства защитного покрытия вероятно образование механических повреждений. Такие повреждения могут быть в виде проколов, порывов и других повреждений в виде проваров, которые могут возникать при соединении отдельных полимерных полотнищ. При наличии таких малых повреждений происходят значительные фильтрационные потери, сопровождающиеся другими негативными явлениями. В ряде случаев, для особо ответственных сооружений и накопителей отходов, необходимо разрабатывать такие конструкции ПФЭ, чтобы полностью исключалась вероятность фильтрации через повреждения в полимерном материале (геомембране), например, за счет использования эффекта самозалечивания в основании экранов.
На рисунке 2.11 представлены варианты разработанных самозалечивающихся конструкций ПФЭ [181] с использованием бентонита и различных ГСМ. Данные конструкции обладают свойством регенерации (самозалечивания) образованных повреждений за счет увеличения в объеме бентонита при его увлажнении в процессе эксплуатации сооружений [173].
Физическое моделирование процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране на фильтрационных лотках
При устройстве противофильтрационных покрытий на оросительных каналах и особенно прудах-накопителях с бентоматами важным вопросом является процесс гидратации (набухания бентонита при взаимодействии с водой) и регенерации (самозалечивания образованных повреждений), которые возможны в полимерной геомембране при ее укладке или устройстве защитного покрытия.
То, что бентонит становится водонепроницаемым при намокании, делает его весьма ценным противофильтрационным материалом при условии, что добыча его не требует больших затрат.
Бентонит классифицируется по следующим типам минералов: натриевый, кальциевый и калиевый бентониты.
Наиболее распространенным является натриевый бентонит, который при взаимодействии с водой увеличивается в объеме до 16 раз [97,107,168].
Для изучения особенностей регенерации малых повреждений в полимерных геомембранах натриевым бентонитом были проведены лабораторные исследования, заключающиеся в определении эффективности самозалечивания малых повреждений (Эф, %). Кроме этого, проводились исследования гидратации натриевого бентонита (без воздействия нагрузки), которая по данным ряда источников [91, 97, 98, 137, 162] позволяет Са-бентониту увеличиваться в объеме в 2-4 раза, Na-бентониту - в 12-16 раз. Лабораторные исследования проводились в лаборатории водоснабжения ФГБНУ «РосНИИПМ», поэтому исключалось влияние окружающей среды (а именно воздействие осадков и повышенной влажности) на величину гидратации и регенерации бентонита.
Для исследований принималась одна из разработанных автором конструкций самозалечивающегося экрана (см. раздел 2, п. 2.5) [181]. Противо-фильтрационный экран был выполнен из следующих элементов (рисунок 3.1): подстилающий слой из крупнозернистого песка (толщиной 10,0 см), тканый геотекстиль «Стабитекс» (ТУ 2290-001-27-225810-05) плотностью 380 г/м2, слой Са-бентонитового порошка (толщиной 2,0 мм), геомембрана на основе полиэтилена высокого давления ПЭВД (LLDPE) толщиной 1,5 мм, уровень воды в емкости 50 мм [173, 181]. - подстилающий слой из песка; 2 - тканный геотекстиль; 3 - Са-бентонит;
Схема установки для проведения лабораторных исследований по определению эффективности самозалечивания и величины гидратации приведена на рисунке 3.2.
Поскольку основными факторами, влияющими на величину регенерации малых повреждений в геомембране бентонитовым порошком являются толщина слоя бентонита, диаметр повреждения, толщина защитного слоя и время гидратации, то при выборе факторов для проведения лабораторного эксперимента принимались лишь следующие: диаметры повреждений в геомембране (dl =1,0 мм, d2 =2,0 мм, d3 =5,0 мм, d4 =10,0 мм, d5 =20,0 мм, d6 = 50,0 мм) (рисунок 3.3), время гидратации - до 48 часов, тканный геотекстиль - для исключения вымыва бентонита в подстилающий слой [173].
Эффективность самозалечивания малых повреждений в геомембране бентонитом порошком, в зависимости от диаметра повреждения. Так, например, при dx = 5,0 мм - Эф =25,0 %, при d3 = 20,0 мм - Эф =95,0 %, что позволяет сделать вывод о том, что чем больше диаметр повреждения в полимерной геомембране, тем эффективнее происходит регенерация повреждений (см. рисунок 3.6). Зависимость эффективности самозалечивания бентонитом от диаметра малых повреждений в геомембране представлена на рисунке 3.7 [172]. Полученные результаты в соответствии с факторами лабораторного эксперимента были представлены в виде ЗМ карты зон уровней (рисунок 3.8) с помощью программного пакета «Statistica». Карта уровней позволила более детально представить результаты эксперимента в виде взаимосвязи эффективности самозалечивания (Эф, %), диаметра повреждений (d, мм) и времени гидратации бентонита (t, мин) [172]. Эф, % t, мин Рисунок 3.8 - ЗМ карта зон уровней по результатам эксперимента Установленная по результатам проведенных опытов величина гидратации Са-бентонита без нагрузки составила 6 раз. Несомненно, что данное значение будет варьироваться в зависимости от многих факторов: толщины бентонита, его вида и свойств, содержания монтмориллонита в бентоните, величины нагрузки на экран, вида фильтрата на накопителях отходов [143,137]. 3.2. Физическое моделирование процесса фильтрации через малые отверстия в геомембране на фильтрационных лотках
Не смотря на то, что противофильтрационные покрытия (ПФП) из ГСМ являются самыми высокоэффективными конструкциями по предотвращению потерь на фильтрацию, тем не менее, в случаях, когда в основании экрана имеются крупные частицы грунта с диаметром более 5-10 мм и особенно частицы с острыми гранями, вполне вероятны повреждения противофильт-рационного полимерного элемента (геомембраны) в виде малых отверстий -проколов. В связи с этим важной задачей исследований служит оценка водопроницаемости полимерных экранов при наличии таких малых повреждений.
Для физического моделирования использовался фильтрационный лоток, заполненный песком, имеющий размеры 1,4 х 1,4 х 0,47 м. Схема установки для проведения физического моделирования фильтрации представлена на рисунке 3.9.
Подобные задачи решались и ранее [7, 56], только для ПФП, выполненных из полиэтиленовых пленок для оценки фильтрации через непрерывные щели.
При проведении исследований подача воды в фильтрационный лоток осуществлялась из напорного бака (по шлангу диаметром 20 мм), а отвод воды - через специальные карманы в торцовых стенках лотка.
Внизу лотка устраивался дренажный слой из гравийно-галечникового материала для отвода профильтровавшейся воды в боковые карманы. Это обеспечивало создание условий для формирования свободной фильтрации из повреждения экрана в дренажный слой на дне лотка. При этом уровень воды в лотке оставался постоянным.
Дно лотка сделано из металлических листов. Для визуальных наблюдений передняя, задняя и боковые стенки установки выполнены из листов ор 93 ганического стекла толщиной 10-15 мм. В металлическом дне сделан кран, через который происходит опорожнение из лотка.
Физическая модель противо фильтрационного экрана из полимерной геомембраны с защитным покрытием и подстилающим слоем была выполнена из геомембраны (пленки) толщиной ди = 0,2 мм при принятом линейном масштабе на модели Л,е = 5, что соответствует толщине геомембраны в натуре д = 1,0 мм. - защитный слой из песка; 2 - подстилающее основание из песка; 3 - отверстие в геомембране; 4 - полимерная геомембрана; 5 - боковые «карманы»; 6 - дренажный слой из гравийно-галечникового материала; 7 - шланг для подвода воды; 8 - шланг для сброса воды; 9 - сбросной лоток; 10 - опорная рама; 11 - напорный бак Рисунок 3.9 - Схема установки для проведения физического моделирования фильтрации
Сопоставление результатов компьютерного и физического моделирования, формул других авторов
Изучение водопроницаемости ПФЭ является важной задачей для оценки их эффективности и определения потерь на фильтрацию из каналов и водоемов [55, 57, 63]. При этом под нарушенной сплошностью экранов будем понимать наличие в основном ее элементе - экране из геомембраны сквозных повреждений в виде проколов или дефектов швов [166].
Известны расчетные формулы ряда авторов для определения основных характеристик водопроницаемости - фильтрационного расхода и осреднен-ного коэффициента фильтрации облицовок при наличии повреждений в про-тивофильтрационном пленочном элементе в виде щелей и отверстий [45, 93]. Однако принятые ими схемы и методы решения основаны на упрощенных подходах, которые могут давать существенные погрешности при расчетах водопроницаемости.
Кроме того, рассматриваемые повреждения для традиционных облицовок с применением полимерных пленок имеют значительные размеры, например, длина щели - до 100 см, а для диаметра отверстия - до 10 см.
В современных облицовках с применением более надежных ГСМ -геомембран количество повреждений и их размеры в виду высокой прочности полимерного материала и значительной толщины (1-3 мм) снижаются практически на порядок [54, 163]. По этой причине в геомембранах возможны лишь незначительные повреждения в виде проколов (микроповреждения), которые можно отнести к малым отверстиям диаметром до 2-3 мм.
Учитывая вышеизложенное, для противофильтрационной облицовки с экраном из геомембраны в качестве расчетной схемы задачи водопроницае 104 мости примем единичное малое отверстие в геомембране, движение фильтрационного потока через которое носит осесимметричный характер.
Рассмотрим решение задачи фильтрации через малое отверстие в полимерном экране из геомембраны с защитным слоем в грунтовое основание неограниченной мощности (рисунок 4.1) [166]. = Г2 + & І-1-й фрагмент области фильтрации; II - 2-й фрагмент области фильтрации; 1 - полимерный экран; 2 - отверстие (прокол); 3 - защитный слой грунта; 4 - подэкрано вое основание Рисунок 4.1- Физическая область фильтрации через отверстие в полимерном экране
Движение фильтрационного потока для данной расчетной схемы является осессиметричным, которое может быть представлено как частный случай пространственного течения относительно оси симметрии 0Z. При этом в радиальных сечениях движение потока по существу будет плоским, для исследования которого в теории фильтрации широко используется метод конформных отображений [128].
Приближенное решение данной задачи состоит сначала в рассмотрении плоской задачи с последующим установлением связи с осесимметричнои за 105 дачей с помощью / -аналитических функций комплексного переменного, детально изученных в работе Г. Н. Положего [93]. Метод приведения осесимметричной фильтрации к плоской основан на применении интегральных преобразований: является р -аналитической функцией комплексного переменного C,=r+iz с характеристикой р = г, которую поэтому называют г-аналитической, а функция плоского потока: является аналитической функцией комплексного переменного ) = L + iz.
Функция осесимметричного потока (4.5) и плоского потока (4.6) связаны соответственно следующей системой дифференциальных уравнений:
Ввиду сложности решения задачи для рассматриваемой расчетной схемы (см. рисунок 4.1) разделяем всю область фильтрации на два фрагмента по плоскости полимерного экрана 6-0-6 . Тогда 1-й фрагмент будет относиться к области фильтрации в пределах защитного слоя, а 2-й фрагмент - к области фильтрации в подэкрановом основании. Подобные задачи впервые решены Ю. М. Косиченко [7, 62], но для случая фильтрации через непрерывную щель, где движение потока является не пространственным, а плоским.
Рассмотрим вначале решение плоской задачи для 1-го фрагмента. С этой целью используем метод конформных отображений, позволяющий преобразовать физическую область фильтрации для 1-го фрагмента (рисунок 4.2, а) в область комплексного потенциала (рисунок 4.2, в) с помощью вспомогатель 107 ной полуплоскости (рисунок 4.2, б). а) потенциала w Рисунок 4.2 - Конформные отображения 1-го фрагмента Напор на экране и в отверстии по отношению к сечению отверстия 1-Г принимаем: H1=h0+80-h1, где hx - остаточный напор на границе раздела двух фрагментов в сечении 1-1. Ширину цилиндрического фрагмента 2R назначаем равной двойному радиусу влияния одиночного отверстия на движение фильтрационного потока от плоскости поверхности защитного слоя 3-3 к плоскости круглого отверстия 1-Г. Границы фрагмента 3-6-1 и З -б -Г представляют собой крайние линии тока, ограничивающие собой область фильтрации к отверстию [166].