Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективность оросительных мелиораций в значительной степени зависит от технического состояния водопроводящих (водоподводящих и водораспределительных) сетей и элементов оросительных систем. В настоящее время многие из оросительных систем России, построенных в 1950–1970 годы, находятся в неудовлетворительном состоянии и требуют скорейшей реконструкции или ремонта. В первую очередь, это касается водопроводящих сетей, протяжённость которых измеряется тысячами километров. Только на Северном Кавказе протяжённость таких сетей достигает 80 тыс. км.
В Ростовской области около 70 % каналов водоподводящих и водораспределительных сетей находятся в земляных руслах, в остальных регионах Северного Кавказа, за исключением Ставропольского и Краснодарского краёв, протяжённость их ещё более значительна. Значительные потери воды из таких каналов увеличивают стоимость водоподачи и приводят к различным нарушениям экологического плана – подъёму уровня грунтовых вод, засолению, заболачиванию и, как следствие, снижению продуктивности орошаемых земель. Для снижения потерь воды, предотвращения необратимых и нежелательных экологических последствий необходима реконструкция земляных каналов на основе широкого применения различного рода одежд (облицовок) или трубопроводов.
Кроме этой проблемы, безотлагательно необходимо решать ещё одну, не менее важную – проблему ремонта и восстановления облицованных каналов, лотковых каналов, трубопроводов. Показателен пример Ростовской области, где по данным управления «Ростовмелиоводхоз» из общего количества каналов, облицованных сборными железобетонными плитами, восстановления требуют – 30 %. Пятая часть лотковых каналов также нуждается в основательном ремонте или замене. Что касается сетевых трубопроводов из железобетонных труб РТН и РТНС, то из общего их числа 40 % требуют замены. С учётом сложившейся ситуации в области разработана программа улучшения технического состояния оросительных систем, согласно которой ежегодно подлежат ремонту, восстановлению или замене: лотковые каналы, протяжённостью до 8 тыс.п.м.; трубопроводы, протяжённостью до 60 тыс.п.м. и каналы в облицовке, протяжённостью до 15 тыс.п.м.
Для решения указанных проблем необходимо наращивание производства сборных элементов и конструкций – лотков, труб и плит, для их использования: вместо земляных каналов; в качестве облицовок земляных каналов; взамен лотков, труб и плит, используемых в качестве облицовок и одежд каналов распределительной сети и пришедших в негодность по истечении срока эксплуатации или преждевременно.
Отсюда возникают важные задачи совершенствования, создания наиболее эффективных (рациональных) конструкций лотков, труб, плит и других сборных элементов, повышения их качества и надёжности. При этом следует учитывать не только достижения теории и практики в области создания экономичных, прочных и надёжных бетонных и железобетонных конструкций, но и технический уровень, состояние и конструктивные особенности водопроводящих сетей оросительных систем, степень их изношенности, недостаточность выделяемых ресурсов на сохранение и поддержание их в работоспособном состоянии, срок эксплуатации разрабатываемых элементов на сети. Этим обусловлена актуальность разработки и применения технически эффективных и технологически обоснованных средств повышения качества и надёжности лотков, труб, плит и других сборных элементов для устройства (переустройства), реконструкции, восстановления и поддержания в работоспособном состоянии открытых, закрытых и облицованных водопроводящих сетей на основе современных способов конструирования элементов, использования недорогих и доступных материалов, применения высокоэффективных и ресурсосберегающих технологий, учитывающих базовые принципы экономного расходования ресурсов – оптимизацию количественных и качественных показателей свойств элементов (конструкций) и соответствие их качества и надёжности продолжительности функционирования на сети.
Цель работы: разработка комплекса технически эффективных и технологически обоснованных средств повышения качества и надёжности элементов и конструкций водопроводящих сетей оросительных систем на основе рационального их конструирования и использования ресурсосберегающих технологий при устройстве, реконструкции, восстановлении и поддержании в работоспособном состоянии открытых и закрытых сетей оросительных систем.
Основные задачи исследований:
на основе анализа современного состояния оросительных систем, известных способов их ремонта, восстановления и технического совершенствования, обосновать целесообразность разработки и применения технически эффективных и технологически обоснованных средств повышения качества и надёжности элементов водопроводящих сетей для эффективного и надёжного функционирования оросительных систем;
предложить новые теоретические и методологические подходы к созданию рациональных элементов и конструкций водопроводящих сетей для реконструкции и восстановления оросительных систем;
разработать рациональные конструкции железобетонных лотков, труб и плит с повышенной эксплуатационной надёжностью и обосновать возможности расширения сырьевой базы для их изготовления;
предложить способы и средства восстановления и повышения надёжности водопроводящих сетей оросительных систем на основе новых высокоэффективных технологических мер и технологий при изготовлении сборных элементов и устройстве сети;
разработать ресурсосберегающие технологии промышленного производства рациональных сборных элементов на предприятиях стройиндустрии и устройства их на водопроводящей сети оросительных систем;
провести натурные гидравлические исследования на водопроводящих сетях частично или полностью выполненных из предложенных, разработанных и изготовленных сборных элементов и оценить их эксплуатационные качества и надёжность;
определить экономическую эффективность предлагаемых средств при ремонте и реконструкции сети.
Объект исследований – водопроводящая сеть оросительных систем Южного федерального округа. Предмет исследований – методы, способы, технические и технологические средства повышения эффективности и надёжности водоподводящих и водораспределительных сетей оросительных систем.
Методология исследований. В качестве методологической основы использован комплекс лабораторных, экспериментальных, теоретических и натурных исследований с применением основных положений системного анализа, методов математического и графического моделирования, кинематического и гидродинамического подобия. Проводимые исследования соответствовали концепции государственной политики устойчивого водопользования в РФ, на основе трудов отечественных и зарубежных учёных по оценке современного состояния мелиоративных систем и эффективного их функционирования.
Оптимизационные задачи решались на основе классических методов математики, регрессионного и статистического анализа. Натурные гидравлические исследования проводились по методикам А. П. Зегжда, А. Д. Альтшуля,
В. М. Лятхера. Эксплуатационные качества и надёжность сети оценивались по результатам стандартных испытаний, сбора и обработки информации с привлечением теории вероятности и математической статистики. В ходе исследований использовались метрологически аттестованные приборы и стенды, оборудование промышленного изготовления, стандартные методики, позволяющие обеспечить достоверность полученных результатов и обоснованность сделанных выводов.
На защиту выносятся:
научное обоснование целесообразности разработки и применения комплекса конструктивных и технологических средств совершенствования лотков, труб, плит и других сборных элементов для повышения эффективности и надёжности водопроводящих сетей оросительных систем с нормативным и ограниченным сроком эксплуатации;
новые теоретические и методологические подходы к созданию рациональных элементов и конструкций водопроводящих сетей, отличительной особенностью которых является учёт старения и изношенности сетей и экономии ресурсов на сохранение и поддержание их в работоспособном состоянии, предполагающие системный подход к устройству, реконструкции и восстановлению открытых, закрытых и облицованных водопроводящих сетей оросительных систем, предусматривающие комплекс взаимосвязанных и научно обоснованных способов рационализации их элементов конструирование по образу природных форм и структур, использование бетонов на недорогих и недефицитных заполнителях, применение ресурсосберегающих технологических средств и технологий, обеспечивающих экономное расходование ресурсов, оптимизацию количественных и качественных показателей свойств элементов (конструкций) и соответствие их качества и надёжности продолжительности функционирования;
расчётное обоснование эффективности и надёжности крупногабаритных лотков хозяйственных и межхозяйственных каналов оросительных систем, выполненных из блоков-оболочек верёвочного очертания высотой 2,0-3,0 м;
методика гидравлического расчёта внутрихозяйственных и крупногабаритных лотковых каналов с верёвочным профилем, основанная на эмпирическом уравнении кривой, повторяющей контур лоткового канала и зависимости, позволяющие производить гидравлический расчёт водопроводящих сетей после ремонтно-восстановительных работ;
конструкция железобетонных труб с металлическим сердечником, отличающаяся от известных наличием трёх дополнительных слоёв (двух адгезионных, на основе латекса СКС-50ГПС – по сердечнику и защитного, на основе латекса БС-65А – по наружному бетону трубы) и введением латекса СКС-65ГПБ в состав бетонных слоёв, что обеспечило повышение однородности и монолитности многослойной конструкции труб, за счёт улучшения (в 10-16 раз) сцепления металлического сердечника с бетонными слоями труб, снижения (в 3 раза) их водопоглощения, повышения (на 20-30 %) прочности и трещиностойкости;
конструкции и технологические основы устройства облицовок каналов блочного типа, отличающиеся от известных жёстким сочленением плит, образующих укрупнённые цельноформованные блоки трёх конфигураций ( , , ), обеспечивающих минимум герметизационных швов, повышение качества работ, защиту берм от разрушения, а облицовку – от выпора;
количественные значения эксплуатационных показателей, характеризующих пропускную способность, прочность, надёжность и ремонтопригодность открытой и закрытой водопроводящих сетей с использованием разработанных (рациональных) сборных элементов;
новые технологии устройства, реконструкции и восстановления водопроводящих сетей, отличающиеся от известных использованием укатанных бетонов, мобильных нагнетательных устройств и быстровозводимых опалубок в сочетании с полимерными материалами и быстротвердеющими композициями, новизна которых защищена 11 авторскими свидетельствами и патентами;
технологические средства повышения надёжности: а) применение формиатно-спиртового пластификатора для повышения на 10-15 % прочностных характеристик лотков, труб, плит и других сборных элементов, отличающееся тем, что при использовании недорогих местных заполнителей, смеси содержат пластификатор в количестве 2,0-4,0 % от массы цемента; б) особая очерёдность загрузки в смеситель и постадийное перемешивание компонентов для дополнительного прироста прочности бетона элементов (на 37-58 % при сжатии и на
39-54 % при изгибе) и повышения надёжности, отличающиеся тем, что вначале в смеситель загружают заполнитель (крупный + мелкий), затем добавляют
40-60 % воды затворения и 8-12 % формиатно-спиртового стабилизатора, предварительно перемешивают, после чего засыпают цемент, заливают остальную воду и перемешивают до получения однородной смеси; в) принудительное уплотнение бетонной смеси для послойного формования элементов нормативной или повышенной прочности при уменьшенном на 30-50 % расходе цемента, отличающееся применением в качестве вяжущего цемента (50 %) и золы (50 %), заполнителя – смеси высевки и песка (относительное содержание 24-32 %) и безвибрационным уплотнением вальцами с винтовыми рёбрами;
результаты экспериментальных исследований: а) по оценке влияния на трещиностойкость и долговечность элементов микронаполнителей и выявленные диапазоны их расходов (керамзитовой пыли – 20-30 % от массы цемента, золы – 240-280 кг/м3) с учётом нормативного обеспечения эксплуатационных качеств и надёжности сети; б) по обоснованию целесообразности применения лотков и труб с ограниченным сроком службы для временного поддержания оросительных систем в работоспособном состоянии и разработанные основные положения их промышленного производства.
Научная новизна результатов исследования:
обоснована целесообразность разработки комплекса конструктивных и технологических средств совершенствования лотков, труб, плит и других сборных элементов для повышения эффективности и надёжности водопроводящих сетей с нормативным и ограниченным сроками эксплуатации;
выдвинута и обоснована, адаптированная к современному состоянию оросительных систем, общая концепция создания рациональных элементов и конструкций водопроводящих сетей, учитывающая старение и изношенность сетей и недостаточность выделяемых ресурсов на сохранение и поддержание их в работоспособном состоянии, предполагающая системный подход к устройству, реконструкции и восстановлению открытых, закрытых и облицованных водопроводящих сетей оросительных систем, основанная на научно обоснованных способах рационализации элементов (конструкций) и базовых принципах экономного расходования ресурсов при соответствии цены элементов качеству и сроку эксплуатации;
установлены в результате расчёта повышенная прочность и надёжность крупногабаритных лотков хозяйственных и межхозяйственных каналов оросительных систем, выполненных из блоков-оболочек верёвочного очертания высотой 2,0-3,0 м;
разработана методика гидравлического расчёта внутрихозяйственных и крупногабаритных лотковых каналов с верёвочным профилем, основанная на эмпирически подобранном уравнении кривой, наилучшим образом (R2 = 1) повторяющей контур лоткового канала;
получены количественные значения показателей, характеризующих эксплуатационные качества и надёжность многослойных железобетонных труб, разработаны технологические основы устройства облицовок блочного типа и облицовок из укатанного бетона для каналов оросительных систем;
установлены закономерности влияния уклона, глубины, режима потока и состояния поверхности лоткового и облицованного каналов после их ремонта и восстановления рациональными сборными элементами на коэффициенты шероховатости и гидравлических сопротивлений;
получены (на основе натурных исследований) количественные значения эксплуатационных показателей, характеризующих пропускную способность, прочность, надёжность и ремонтопригодность рациональных сборных элементов и участков водопроводящих сетей с их использованием после 3,0-3,5 лет их работы на действующих системах;
выявлена существенная роль дополнительных слоёв (адгезионных, защитного) в повышении однородности и монолитности многослойной конструкции труб, за счёт улучшения (в 10-16 раз) сцепления металлического сердечника с бетонными слоями труб, снижения (в 3 раза) их водопоглощения, повышения (на 20-30 %) прочности и трещиностойкости;
обосновано применение новых технологических мер, повышающих надёжность сети: а) формиатно-спиртового пластификатора для повышения прочностных и эксплуатационных характеристик сборных элементов из бетонов на местных заполнителях, определены оптимальные параметры производства лотков, труб и плит с нормативным и ограниченным сроком службы; б) особой очерёдности загрузки в бетоносмеситель и постадийного перемешивания компонентов, предусматривающих предварительное перемешивание заполнителей, части воды затворения и активирующего процессы контактообразования формиатно-спиртового стабилизатора с последующим введением цемента и добавлением остальной части воды; в) нового технического средства для послойного уплотнения бетонной смеси на местных заполнителях, содержащего кинематически связанные вальцы с выполненными на их цилиндрической поверхности винтовыми рёбрами.
Практическая значимость работы характеризуется тем, что полученные в диссертации результаты открывают новые возможности для реконструкции открытой сети в земляном русле и проведения ремонтно-восстановительных работ на водопроводящей сети, имевшей ранее высокий технический уровень (лотковые и облицованные каналы, трубопроводы), но находящейся в настоящее время в предаварийном или непригодном для эксплуатации состоянии.
1. Для реконструкции открытой сети в земляном русле рекомендованы:
лотки внутрихозяйственные и крупногабаритные с верёвочным профилем, усовершенствованные конструкции труб с металлическим сердечником, крупногабаритные облицовки блочного типа, плиты креплений и облицовки из укатанных бетонов;
лотки, трубы, плиты и другие сборные элементы из бетонов на недорогих местных заполнителях (щебень и высевка Быстрореченского, Жирновского,
Карабулагского месторождений, песок речной Волжский), отвечающих общим требованиям ГОСТ и ТУ, за исключением 1-2 ограничений и обеспечивающих получение бетонов с требуемыми физико-механическими свойствами.
2. Для ремонта и восстановления сети, имевшей ранее высокий технический уровень рекомендованы:
лотки, трубы, плиты и другие сборные элементы из бетонов на недорогих местных заполнителях, отвечающих общим требованиям ГОСТ и ТУ, за исключением 1-2 ограничений и рассчитанные на нормативный срок службы;
лотки, трубы, плиты и другие сборные элементы из невысокопрочных бетонов и рассчитанные на ограниченный срок службы;
лотки, трубы, плиты и другие сборные элементы из бетонов на некондиционных заполнителях (щебень и высевка Потаповского и Садковского месторождений, мелкие пески Грушевского и Мишкинского месторождений), не отвечающих нормативным требованиям и рассчитанные на ограниченный срок службы.
3. Обосновано расширение сырьевой базы для производства сборных элементов, позволяющей использовать недорогие местные строительные материалы, находящиеся в непосредственной близости от предприятий стройиндустрии – мелкие пески Грушевского и Мишкинского месторождений, щебень и высевку Потаповского, Садковского и Быстрореченского карьеров. Мелкие пески дешевле крупных на 20-30 %, высевка Потаповского и Садковского карьеров дешевле Жирновской и Карабулагской в 2 раза, цена Быстрореченского щебня на 30-50 % ниже цены щебня из высокопрочных пород.
4. Промышленно освоено производство сборных элементов и конструкций с высокой степенью рациональности, разработана нормативная база по их применению: рекомендации по восстановлению элементов оросительных систем (согласованы и одобрены НТС ФГБУ «Управление Ростовмелиоводхоз»); рекомендации по применению водных дисперсий полимеров в производстве железобетонных труб со стальным сердечником (утверждены отделением с.-х. наук при СКНЦВШ, НТС МВХ РСФСР); рекомендации по применению керамзитовой пыли для повышения качества железобетонных труб со стальным сердечником (утверждены отделением с.-х. наук при СКНЦВШ, НТС МВХ РСФСР); рекомендации по восстановлению элементов водопроводящих и водоподпорных сооружений оросительных систем (согласованы и одобрены НТС ФГБУ «Управление Ростовмелиоводхоз»); рекомендации по применению мелкозернистых бетонов с использованием промышленных отходов Северо-Кавказского региона (одобрены НТС ОАО НЗСМ); технические указания по применению золы-унос Новочеркасской ГРЭС при изготовлении предварительно напряжённых изделий и конструкций (одобрены ТС Шахтинского ЗЖБИ); технические условия на нетрадиционные материалы (согласованы с ОАО «Ростовводмелиорация»); руководство по применению укатанных бетонов в производстве изделий и возведении природоохранных сооружений (одобрено и использовано АООТ ЖБКиСМ, ОАО «Ростовводмелиорация»).
Внедрение. Результаты исследований использованы Азовским ОЭЗНТ при изготовлении железобетонных труб с металлическим сердечником, содержащих дополнительные покрытия и латекс в составе бетонных слоёв (более 1 км труб, для Приморской оросительной системы, 1988 г.), Шахтинским, Зареченским, Пролетарским заводами ЖБИ при производстве плит, труб, лотков, стоек, свай и других сборных элементов с использованием недорогих местных заполнителей с объёмом внедрения 52,5 тыс.м3 сборного железобетона (1988-1995 гг.), ОАО «Новочеркасский завод СМ» при производстве плит, блоков, стоек и других сборных элементов из бетонов на местных заполнителях с объёмом внедрения 42,7 тыс.м3 сборного железобетона (1988-1995 гг.), АООТ «ЖБК и СМ» (КСМ-4) при производстве плит, труб, свай и других сборных железобетонных элементов для мелиоративных систем и природоохранных объектов с объёмом внедрения 84,5 тыс.м3 сборного железобетона (1992-1996 гг.), КСМ-6 при производстве сборных железобетонных элементов с объёмом внедрения 6,3 тыс.м3 (1992 г.), АО «Шахтинские стройматериалы» при производстве сборных железобетонных элементов с объёмом внедрения 7,5 тыс.м3 (1993 г.), МП «Цемент» и МП «Стимул» при изготовлении сборных железобетонных элементов объёмом 7,7 тыс.м3 (1993 г.), а также управлениями оросительных систем Ростовской области при ремонте лоткового канала 2-У-1 на Азовской ОС, восстановлении канала МК-2 в земляном русле на Манычской ОС и трубчатого водовода на Мартыновской ОС (1995-2000 гг.). Результаты работы внедрены и в учебный процесс Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), Новочеркасской государственной мелиоративной академии и включены в курсы дисциплин «Производство мелиоративных работ», «Производство строительных работ», «Организация и технология природоохранных работ», «Ресурсосберегающие технологии в природообустройстве», «Композитные материалы», «Местные строительные материалы», а также составляют основу учебных пособий «Производство изделий и строительство природоохранных объектов из укатанных бетонов» (2001 г.), «Ресурсосберегающие технологии бетонных и специальных работ в природообустройстве» (2005 г.), «Технология и организация строительных работ» (2006 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на заседании Учёного Совета ЮжНИИГиМа (г. Новочеркасск, 1985-1989 гг.); НТС Минводхоза РСФСР (г. Москва, 1987 г.,1989 г.); отделении с-х наук при СКНЦВШ (г. Новочеркасск, 1987 г.); заседании учёного Совета НПО «Югмелиорация» (г. Новочеркасск, 1990-1993 гг.); расширенном НТС в объединении Ростовводмелиорация с приглашением специалистов Южгипроводхоза и дирекций СП (г. Ростов, 1988-1990 гг.); технических совещаниях, проводимых руководством научно-производственного предприятия «Консул» со специалистами Ростовских, Новочеркасских и Шахтинских заводов ЖБИ (1992-2004 гг.), региональных научно-технических конференциях и семинарах НГМА, ЮРГТУ (г. Новочеркасск, 2005-2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 научных работ, включая 16 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 15 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 2 монографии.
Личный вклад в решение проблемы. Диссертационная работа является результатом 25-ти летних научных исследований автора, выполненных в лабораториях облегченных конструкций и мелиоративных трубопроводов
ЮжНИИГиМа, на кафедрах строительного дела, оснований и фундаментов и природообустройства НГМА, в лабораториях и на полигонах предприятий строительной индустрии и оросительных системах Южного Федерального округа. Постановка проблемы, формулирование задач, экспериментальные и теоретические пути их решения, научные и практические рекомендации, анализ, выводы и предложения производству, организация и руководство внедрением осуществлены автором лично.
В проведении ряда исследований участвовали А. М. Питерский, В. И. Про-копенко и В. М. Пилипенко. Материалы этих исследований вошли в совместные публикации. Общая доля автора в проведённых исследованиях, результаты которых вынесены на защиту, составляет около 90 %.
Структура и объём работы. Работа изложена на 357 страницах машинописного текста, состоит из введения, семи глав, выводов, предложений производству, списка использованной литературы и приложений, включая 104 рисунка и 69 таблиц. Список использованной литературы состоит из 308 наименований. Приложение содержит акты внедрения, акты испытаний, акты промышленного производства и процентовки.
