Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Современные проблемы экологии и рационального использования лесных и водных ресурсов 10
1.2. Требования экологической безопасности на водных объектах и перспективы развития водного транспорта леса 16
1.3. Анализ берегового крепления гидротехнических сооружений 18
1.4. Краткий обзор исследований взаимодействия опор с грунтовым массивом 25
1.5. Цель и задачи исследований 29
2. Теоретическая модель работы плоского анкера в грунтовом массиве 31
2.1. Квазипотенциальный расчет криволинейных призм выпирания 31
2.2. Основные особенности математической квазипотенциальной модели расчета держащей силы анкера 42
2.3.Интегральный расчет держащей силы анкера 43
3 Экспериментальные исследования 52
3.1. Программа экспериментальных исследований 52
3.2. Обоснование варьируемых факторов лабораторных экспериментов 53
3.3. Уровни варьирования факторов и план лабораторных экспериментов 55
3.4. Описание лабораторной установки 57
3.5. Экспериментальные исследования по определению формы линий скольжения призм выпирания грунта 61
3.6. Экспериментальные исследования по проверке теоретических зависимостей держащей силы опоры 62
3.7. Экспериментальные исследования в натурных условиях 75
4. Обоснование параметров, методика проверочного расчета и установка береговых анкерных опор 85
4.1. Обоснование параметров береговых анкерных опор 85
4.2. Рациональные конструкции берегового анкерного крепления 87
4.3. Методика проверочного расчета анкерных опор 93
4.4. Привязка опор к местности, монтаж и эксплуатация 103
4.5. Выводы 105
5. Экологическая безопасность применения новых типов береговых опор и их эффективность 106
5.1. Надежность работы новых конструкций береговых анкерных опор 106
5.2. Экологические показатели при строительстве и эксплуатации анкерных опор 107
5.3. Расчет технико-экономических показателей 108
5.4. Расчет экномической эффективности
Заключение 118
Литература 121
- Требования экологической безопасности на водных объектах и перспективы развития водного транспорта леса
- Основные особенности математической квазипотенциальной модели расчета держащей силы анкера
- Экспериментальные исследования по проверке теоретических зависимостей держащей силы опоры
- Экологические показатели при строительстве и эксплуатации анкерных опор
Требования экологической безопасности на водных объектах и перспективы развития водного транспорта леса
Экологическое состояние на водных объектах регламентируется Водным кодексом Российской Федерации [23] и другими нормативными документами [29, 30]. В поверхностные воды не допускается сброс: - сточных вод, вызывающих загрязнение водных объектов; - технологических и бытовых отходов, а так же загрязнение ими ледового покрова водных объектов и поверхности ледников; - загрязненных вод, мусора и транспортируемых грузов, а так же утечек нефти и нефтепродуктов с судов и других плавучих средств. Для объектов, представляющих потенциальную угрозу загрязнения поверхностных вод, должны быть разработаны план мероприятий и инструкции по предотвращению аварий на этих объектах. В местах проведения лесосплава допустимые концентрации в воде вымываемых из древесины смолистых и дубильных веществ и допускаемое количество растворенного в воде кислорода должны соответствовать установленным нормам. Территории береговых складов, лесоперевалочных баз и деревообрабатывающих предприятий должны систематически, не реже одного раза в год, очищаться от древесных отходов. Участки сброски лесоматериалов на воду должны быть оборудованы береговыми спусками и сооружениями, предохраняющими берег от разрушения. Не допускается сброска лесоматериалов на воду на участках, непосредственно прилегающих к нерестилищам лососевых и осетровых рыб. В последние годы интенсивно меняется структура водного транспорта леса (ВТЛ). Ее динамика на примере Архангельской области приведена в табл. 1.2. Наряду с общим падением производства, характерным для промышленности России в целом, в последние годы заметно увеличение доли плотового лесосплава до 80% и перевозок древесины в судах до 10%.
Изменение структуры ВТЛ ведет к рздоровлению экологической обстановки на водных объектах. Уменьшается засорение акваторий затонувшей и аварийной древесиной, разрушение нерестилищ рыб.
Молевой лесосплав запрещен Водным кодексом РФ. В связи с этим, программой развития ВТЛ намечен переход на другие виды водного транспорта леса по экологически безопасным технологиям [63, 74, 79, 115-118, 163].
Для более рационального использования природных ресурсов и древесного сырья, там, где молевой лесосплав запрещен, необходимо переходить на плотовые и судовые перевозки, на транспортировку древесины нетрадиционными видами ВТЛ [1, 22, 85, 99, 127, 148, 152, 153, 162], совершенствовать конструкции плотов и пучков [4, 8, 12, 13, 151]. По малым рекам перспективным является плотовой лесосплав в пучках с малой осадкой и плоских транспортных единицах [10, 93, 94, 102, 150] с последующим их укрупнением для транспортировки по магистральным водным путям, увеличение плотовых перевозок за счет расширения береговой сплотки, переход на единый транспортный пакет для перегрузки древесины из плотов на суда и на сухопутный транспорт, использование плавучих передвижных причалов [154] для погрузки леса на суда.
С учетом меняющихся условий производства и перспектив развития ВТЛ необходимо строительство новых и реконструкция имеющихся плотостоянок, причалов, лесных рейдов и других гидротехнических сооружений.
Надежность работы гидротехнических сооружений определяется, главным образом, качеством их крепления. Для крепления этих сооружений преимущественно используются береговые опоры. Следовательно, для проведения безаварийной транспортировки древесины в этих условиях требуются надежные, экологически безопасные береговые опоры.
Для удержания гидротехнических сооружений в проектном положении на акватории водного объекта используются различные виды опор. Ниже приведена классификация опор.
По месту установки опоры подразделяются на береговые, русловые и донные. Береговые опоры могут быть незатопляемые, подтопляемые и затопляемые. На рис. 1.1 приведена классификация опор по характеру взаимодействия с грунтом и максимально допустимые нагрузки для имеющихся типовых решений.
В настоящее время только лесосплавные предприятия Архангельской области для крепления гидротехнических сооружений используют тысячи опор различных конструкций, значительную часть которых составляют береговые опоры. Эксплуатируется большое количество деревянных опор различного типа. На рисі.2 показаны опоры, получившие широкое распространение. Недостатками этих опор являются: снижение держащей силы по мере эксплуатации опор; небольшой срок эксплуатации; большой расход высококачественной древесины, возможность прокручивания анкера рабочей нагрузкой.
Стенчатые опоры (рис.1.2 а) позволяют контролировать техническое состояние анкера и каната, но имеют незначительную расчетную нагрузку. Анкерно-стенчатые опоры с открытым анкером (рис.1.2 б) имеют более широкий диапазон расчетных нагрузок по сравнению со стенчаты-ми, но отчуждают значительную часть береговой полосы из - за открытых траншей, для их строительства требуется больше материала. Анкерно-стенчатые опоры с закрытым анкером (рис.1.2 в) не позволяют контролировать состояние анкера и, с этой точки зрения, менее надежны. В тоже время не отчуждают береговую полосу. Опоры данного вида могут выполняться и без анкерной стенки, в этом случае снижается расход материала на их строительство. Так, например, применение анкерных опор с открытыми траншеями в АО Холмогорская СПК в Архангельской области (даже не эксплуатируемых) до сих пор отчуждает береговую полосу, пригодную для выпаса скота, шириной до 50 м, а в траншеях гибнут животные. В тоже время в АО Беломорская СПК и Котласский ЦБК в Архангельской области применение деревянных опор с закрытым анкером не отчуждает береговую полосу от выпаса скота и сенокоса. Но деревянные опоры из-за малого срока эксплуатации (от 3 до 5 лет) и надежности требуют частой замены.
Основные особенности математической квазипотенциальной модели расчета держащей силы анкера
Рабочие размеры грунтового бассейна составили 1500 х 500 х 240 мм. Боковые прозрачные стенки грунтового бассейна размерами 1500 х 500 мм выполнены из стекла толщиной 5 мм. На прозрачную стенку грунтового бассейна нанесена координатная сетка с шагом 40 мм .
Моделью анкера была недеформируемая пластина 8 размерами 240x40x15 мм с жесткой тягой, закрепленной перпендикулярно рабочей плоскости. Тягу анкера соединяли с канатом. Угол наклона вектора прилагаемой нагрузки к горизонту регулируется перемещением блока с кронштейнами 2 и блока 4. Нагрузку на анкер создавали с помощью червячной ручной лебедки посредством канатно-блочной системы и измеряли пружинным динамометром.
Перемещение модели анкера фиксировали при помощи шпиценмас-штаба, корпус которого закреплен на основании лабораторной установки. Штанга шпиценмасштаба соединена с моделью анкера гибкой нитью через ось, закрепленную в грунтовом бассейне.
Для определения формы линий скольжения призмы выпирания грунта необходимо определить способ их регистрации. Наиболее простой и дешевый способ их регистрации, используемый в механике грунтов [59, 119], состоит в следующем: линии скольжения наблюдают через прозрачную стенку, регистрируют визуально и на фото или кинопленку. Грунтовый массив размечают у прозрачной стенки квадратами или полосками цветного грунта.
Модель анкера помещали на требуемую глубину с углом наклона р. Торцовую плоскость анкера прижимали к стеклу. Грунт послойно засыпали в бассейн. Пристенный слой грунта размечали горизонтальными полосками из белого порошка с шагом 20 мм.
На расстоянии 700 мм от прозрачной стенки бассейна на штативе устанавливали фотоаппарат.
В результате анализа теоретической модели установили, что изменение формы линий скольжения не приводит к резкому или скачкообразному изменению держащей силы анкера, а разметка грунтового массива белыми полосками является трудоемкой операцией. Поэтому призмы скольжения фиксировались в девяти сериях опытов для мелкого песка. Формы линий скольжения фиксировали в сериях 2, 4, 6, 7, 9, 11, 12, 14 и 16 из общего плана эксперимента (табл.3.1).
На рис.3.2. показан процесс формирования криволинейных призм выпирания грунта для горизонтальной нагрузки и относительной глубины заложения равной 6. При перемещении опоры, за ней образуются пустоты, куда начинает проваливаться грунт, происходит деформация грунта за опорой. Одновременно начинают формироваться призмы выпирания грунта перед опорой. При Н+ = 6 сказывается частичное обтекание опоры, у поверхности грунта не наблюдается резко очерченных призм выпирания. Последующее перемещение опоры приводит к тому, что образуются новые призмы выпирания перед опорой и "провалы" грунта за опорой.
На рис.3.3. показаны призмы выпирания грунта для относительной глубины заложения равной 4 и различных углах наклона вектора прилагаемой нагрузки к горизонту. При вертикальной нагрузке на опору (см. рис.3.3 в) заметно формирование жесткого грунтового ядра сегментообразной формы, которого не видно при горизонтальной нагрузке, так как деформация грунта происходит вдоль линий из белого порошка. Аналогичное грунтовое ядро зафиксировано в многочисленных опытах [48,49].
Осредненные экспериментальные точки форм линий скольжения показаны на рис.2.4. Здесь же показаны и теоретические формы линий скольжения. Полученные теоретические зависимости дают удовлетворительное описание экспериментальных форм линий скольжения.
Эксперименты проводили на установке, показанной на рис.3.1. Анкер погружали в грунт на заданную глубину с заданным углом наклона. Послойно насыпали грунт, в отдельных опытах пристенный слой размечали полосками из белого порошка через 2 см. Поверхность грунта выравнивали таким образом, чтобы она была горизонтальной. К анкеру, при помощи ручной лебедки прикладывали нагрузку. Перемещение анкера фиксировали при помощи шпиценмасштаба. Через каждые 2 мм перемещения анкера снимали показания динамометра. Графики осредненных зависимостей держащей силы от перемещения анкера приведены в прил. 4 (рис.П.4.1-П.4.3). На начальном участке от 0 до 0,2 мм нагрузка интенсивно растет. При вертикальном приложении силы относительная нагрузка Г+ на этом участке резко возрастает примерно до единицы, а при горизонтальной - приближенно до 2-3. Теоретически это можно объяснить тем, что в начальный момент, опора как бы преодолевает гидростатическое давление грунта, а в дальнейшем добавляются силы, вызванные трением и распором грунта. Следовательно, подтверждается правомерность наличия единицы в формулах (2.23), (2.24).
При дальнейшем перемещении интенсивность увеличения нагрузки падает, а ее значение возрастает до максимального. Максимум наблюдается при перемещении опоры на величину А «(0,2 - 0,4)Ь. При вертикальной нагрузке он ярко выражен и наблюдается несколько ранее. После максимума нагрузка резко падает, а кривые на графиках идут вниз. При горизонтальной нагрузке максимум едва заметен. После максимума нагрузка стабилизируется, кривые на графиках стремятся к горизонтальным прямым. Графики имеют такой же характер, как и в работе [161].
Экспериментальные исследования по проверке теоретических зависимостей держащей силы опоры
Как видно из рисунков, зависимости [131] не учитывают угла наклона Р и проходят вблизи экспериментальных точек только при вертикальной нагрузке. При боковых и особенно горизонтальных нагрузках расхождение с экспериментальными точками быстро нарастает и составляет 300 - 400 %.
Методика расчета анкерных опор для воздушных линий электропередач [122] учитывает угол наклона вектора прилагаемой нагрузки, но она дает удовлетворительные результаты только для нагрузки близкой к вертикальной. Уже при fi = 45 по этой методике держащая сила анкера ниже, чем при вертикальной нагрузке, а при горизонтальной (для грунтов не обладающих сцеплением) - равна нулю.
Сравнение с методикой [143] не представляется корректным, так как здесь рассматриваются пространственные анкера круглого сечения и для них приводятся экспериментальные коэффициенты. Таким образом, предлагаемая модель имеет удовлетворительное экспериментально-лабораторное подтверждение для песков в интервале углов внутреннего трения 30-34 и лучше описывает характеристики работы анкерных опор, чем имеющиеся методики. Как указывалось ранее, натурные экспериментальные исследования дорогие и трудоемкие, поэтому они проводились одновременно с приемочными испытаниями опытных образцов опоры. Для этой цели бьши изготовлены на Онежском заводе железобетонных изделий опытные образцы береговой опоры БОС-7, которая состоит из двух железобетонных балок прямоугольного сечения с бандажом посередине. Балки через бандаж предварительно охватывают канатом, концы которого пропускают между балок и после выбора слабины фиксируют сжимом. Более подробно конструкция опоры приведена в разделе 4. Цель испытаний: - определение технических характеристик; - определение работоспособности и надежности конструкций опор, установление возможности применения опор на лесосплаве и их серийного производства; - анализ в процессе испытаний конструктивных и производственных недостатков и разработка мероприятий по их устранению. Пружинный динамометр на нагрузку 100 кН ДПУ-10-2 № 228. Тарировка динамометра проводилась в Архангельском центре стандартизации и метрологии (акт тарировки находится в научно-исследовательском отделе АГТУ). Шестикратный полиспаст. Датчики давления грунта. Цифровой измеритель деформаций ИДЦ-1. Пакетный переключатель.
Для изготовления датчиков грунта использовались разработки и опыт их изготовления в Киевском научно-исследовательском институте строительных конструкций (НИИСК) [104, 111], а так же опыт тарировки и применения кафедрой промышленного транспорта АГТУ. Месдозы (корпус датчика) изготовлялись на Соломбальском машиностроительном заводе г.Архангельска, тензодатчики стандартные. Сборку и тарировку датчиков проводили в лаборатории кафедры водного транспорта леса и гидравлики АГТУ.
Экскаватором в Онежской СПК и трактором с отвалом в Беломорской СШС выкапывали котлован. В четырех местах в разных уровнях, при помощи режущего кольца, брали пробы грунта с ненарушенной структурой и упаковывали в бюксы. На рабочую плоскость опоры устанавливали 9 датчиков давления грунта, через равные расстояния. После установки опоры обратно засыпали грунт с послойной трамбовкой. Испытания опор проводили не менее, чем через месяц после установки опоры. На расстоянии 20 м в направлении действия нагрузки строили вспомогательную опору.
Опоры нагружали трактором через полиспаст. Одну обойму полиспаста крепили к исследуемой опоре, другую - к вспомогательной. Схема испытаний опор приведена на рис.3.6. Между трактором и полиспастом устанавливали динамометр. Нагрузка на опоры ступенчато - возрастающая с шагом 7000 -10000 кН. Продолжительность действия каждой ступени нагрузки не менее 5 мин. После каждой ступени нагрузки снимали показания с датчиков давления грунта. Нагрузку повышали до выворачивания или разрушения опоры.
Они проводились в Онежской и Беломорской СПК Архангельской области. До проведения испытаний были разработаны и утверждены в производственном объединении "Архангельсклеспром" техническое задание, программа и методика приемочных испытаний опор из сборного железобетона [108]. Приказом "Архангельсклеспром" назначалась приемочная комиссия. Акт и протокол приемочных испытаний приведены в прил. 6.
Испытания опоры с датчиками давления грунта проводили на полигоне острова Краснофлотский Беломорской СПК. На рис.3.7. показан натурный образец опоры с датчиками давления грунта перед установкой в котлован. Окончательное крепление датчиков к опоре проводили непосредственно в котловане перед обратной засыпкой грунта. Цифровой измеритель деформаций к датчикам давления грунта подключали непосредственно перед испытаниями опоры, он представлен на рис. 3.8. Панорама места испытания, вспомогательная опора и полиспаст показаны на рис. 3.9. Образец опоры с бандажом из бревен после выворачивания показан на рис. 3.10.
Экологические показатели при строительстве и эксплуатации анкерных опор
Опоры к месту установки доставляют на автомобиле или трелевочном тракторе на щите. Сборку опоры, крепление канатов выполняют вблизи котлована. Далее опору при помощи лебедки трактора поднимают на щит, подвозят к месту установки, опускают в котлован или траншею и устанавливают в проектное положение. Обратную засыпку котлована проводят горизонтальными слоями толщиной 0,15-0,20 м. Каждый слой уплотняют при помощи трамбовок, особенно тщательно перед передней гранью опоры. Запрещается проводить обратную засыпку и трамбовку мерзлого грунта. Плодородную почву укладывают в верхний слой. После окончательной засыпки котлована поверхность площадки планируют и приводят к естественному состоянию.
Для безаварийной работы в качестве тяговых элементов предпочтительнее использовать якорную цепь. Нагружать опору разрешается после того, как уплотнился грунт обратной засыпки и бетон набран проектную прочность, но не ранее 2 месяцев после окончания монтажа. После установки опоры составляют акт приемки в эксплуатацию опоры.
Место установки опоры закрепляют знаком с указанием номера опоры. При креплении гидротехнических сооружение в месте выхода цепи или каната из грунта ставят хорошо видимый с воды знак.
В процессе эксплуатации следует систематически следить за состоянием береговой линии, цепей или канатов, находящихся на поверхности. В случае появления размывов принимать меры по его креплению. После уборки наплавных сооружений тяговые элементы, находящиеся на поверхности, сворачивают в бухты, укладывают к месту их выхода из грунта и отмечают знаком.
В результате теоретического и экспериментального моделирования получены оптимальные характеристики анкерных опор. При горизонтальной нагрузке, наиболее распространенной для крепления сооружений на водных объектах, рекомендуется принимать абсолютную глубину заложения Н = 2 - 2,5 м, а относительную Н + - Н/b - 4. Длину анкера L следует выбирать в зависимости от держащей силы. Для средних характеристик грунта ее можно оценить по табл. Проверочный расчет, монтаж и эксплуатацию опор следует выполнять по разработанной методике. Место установки анкера в плане должно исключать возможное обрушение берега под действием естественных напряжений массива грунта и напряжений возникающих от анкера. Расстояние от бровки берега следует принимать согласно формуле(4.10).
Конструкции новых опор состоят из нескольких элементов, это дает возможность выполнять погрузочно-разгрузочные работы, транспортировать опоры к месту установки автомобилями с манипулятором. Внедрение комплекса разработанных мероприятий повышает надежность работы опор, снижает аварийность гидротехнических сооружений, обсушку, разнос и утоп древесины, что существенно улучшает экологическую обстановку на водных объектах. Предложенные конструкции анкеров рекомендуются производственными комиссиями к широкому применению для крепления гидротехнических сооружений на водных объектах. Разработанные конструкции анкерных опор могут применяться для крепления других объектов: линий электропередачи, буровых вышек, трубопроводов. Разработанные конструкции береговых анкерных опор экономичны, существенно повышают экологическую безопасность крепления сооружений на водных объектах, которая регламентируется нормативными документами по охране природы, гидросферы, земли [28-31]. Ниже рассмотрим преимущества, характеризующие экологическую и экономическую эффективность применения новых типов анкеров в сравнении с эксплуатирующимися аналогами. Важным преимуществом, характеризующим безаварийную работу анкера и всего сооружения в целом, является его надежность. Надежность в технике [33, 34] регламентируется рядом показателей, например сроком службы, долговечностью, безотказностью. В разработанных нами конструкциях анкерных опор повышение надежности обеспечивают следующие факторы: - держащая сила определяется с большей точностью за счет использования разработанных теоретических зависимостей при углах /? в пределах от 0 до 90 . Существующие методики расчета держащей силы дают отклонение по сравнению с натурными экспериментами до 2-4 раз; - установка анкера на безопасном расстоянии от бровки берега. По предлагаемому методу это расстояние определяются с учетом держащей силы анкера и призмы естественного обрушения грунта на крутом берегу. Для горизонтальной нагрузки оно существенно больше чем для вертикальной. В существующих методах расчета это расстояние зависит от угла внутреннего трения грунта и глубины заложения анкера. Оно одинаково при вертикальных и горизонтальных нагрузках и определяется для бесконечного массива грунта. Влияние откоса грунта ранее не учитывалось. По предлагаемому методу можно более точно определить расстояние между анкерами при расположении их по линии действия нагрузки и исключить их взаимодействие; - срок службы анкера повышен до 30 лет. Срок эксплуатации деревянных анкерных опор не более 5 лет, причем держащая сила к концу срока эксплуатации значительно снижается; - крепление каната анкера, которое исключает прокручивание анкера вокруг продольной оси при утяжке нагрузкой. Применяемый в настоящее время способ крепления каната, когда канат охватывает анкер на 5,5 оборотов, а свободный конец обматывается вокруг рабочего и крепится сжимами, не всегда надежен. Здесь возможно прокручивание анкера и разрушение грунтового массива перед анкером. Кроме того, как зафиксировано в актах аварий гидротехнических сооружений (см. раздел 1), канат может "травить" и перерезать анкер канатом. При эксплуатации новых конструкций береговых анкерных опор достигается экологический эффект.
В проектное положение анкер новой конструкции устанавливают за 4 часа, включая рытье и обратную засыпку котлована (см. прил. 7). Таким образом, отчуждение земли, по сравнению со сроком эксплуатации анкера, является кратковременным. Существующие анкерно-стенчатые опоры эксплуатируются с открытыми траншеями весь период и постоянно отчуждают часть береговой полосы. До настоящего времени на берегах рек довольно часто встречаются траншеи анкерно-стенчатых береговых опор, срок эксплуатации которых давно истек.
На предприятиях деревянные опоры после окончания срока их службы, как правило, не демонтируют, а рядом устанавливают новые. Это приводит к тому, что в месте крепления гидротехнических сооружений находится несколько канатов от анкеров. Рабочие в некоторых случаях крепят сооружения за опоры, срок эксплуатации которых давно истек, что приводит к авариям. Новые конструкции анкерных опор в шесть раз долговечнее по сравнению с деревянными опорами - аналогами. Они служат, как правило, весь период эксплуатации гидротехнического сооружения и не требуют замены.
Новые конструкции анкеров полностью погружаются в грунт. Расстояние от верхней кромки анкера до поверхности грунта превышает один метр, даже при небольших глубинах заложения (см. прил.7). Это расстояние больше, чем регламентируемая [31] толщина плодородного слоя почв (для лесных серых почв - 20 - 50 см, для лесных темно-серых - 40 - 70 см). Таким образом, береговая полоса не отчуждается от естественного землепользования и пригодна для выпаса скота и сенокоса. Кроме этого не нарушается естественный ландшафт, что согласуется с [32]. Эксплуатация анкеров не вызывает эрозию почв.
