Введение к работе
з
Актуальность проблемы В настоящее время в России по данным Министерства природных ресурсов зарегистрировано около 65 тыс гидротехнических сооружений (ГТС), в том числе 35 тыс безнапорных и 30 тыс водоподпорных Наибольшее количество безнапорных ГТС, к которым, прежде всего, относятся каналы мелиоративного и комплексного назначения, находится в ведении Министерства сельского хозяйства
Общая протяженность магистральных и межхозяйственных каналов, находящихся в федеральной собственности, по данным Мелиоративного кадастра, составляет 29 тыс км, а распределительных и внутрихозяйственных оросительных каналов других форм собственности - порядка 300 тыс км На территории Южного Федерального округа (ЮФО) имеется около 25 крупных каналов комплексного и мелиоративного назначения, а протяженность каналов составляет более 2300 км При этом из общей протяженности каналов лишь 30 % имеют противофильграционные покрытия В водохозяйственном комплексе страны общие потери воды при транспортировке достигают 8 км3/год, более половины которых приходится на фильтрацию из оросительных каналов Это вызывает подъем уровня грунтовых вод в приканальной зоне, подтопление прилегающих населенных пунктов, вторичное заболачивание и засоление земель
В связи с этим в современных условиях особую актуальность приобретает проблема борьбы с фильтрацией из оросительных каналов С этой целью требуется проведение комплексных исследований по обобщению зксплуаіа-ционных показателей существующих конструктивных решений и противо-фильтрационных мероприятий каналов и разработке мер по обеспечению повышения их эффективности и надежности Только в ближайшие годы (2008-2015 гг) в соответствии ФЦП «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов, как национального достояния России на 2006-2010 годы» предусматриваются широкомасштабные работы по реконструкции и строительству первой и четвер-
той очередей Большого Ставропольского, Донского магистрального и Саратовского каналов, где на участках в земляном русле будут выполнены проти-вофильтрационные покрытия
Среди водоподпорных гидротехнических сооружений более 80 % составляют грунтовые плотины В государственной собственности находится 7500 сооружений, из которых более 800 сооружений - плотины водохрани-лищных гидроузлов, 1875 - накопители жидких отходов Из общего числа гидротехнических сооружений, поднадзорных Росприроднадзору и Ростех-надзору, продекларированы и включены в Российский регистр ГТС около 8 тыс сооружений Срок эксплуатации большинства ГТС составляет от 20 до 50 лет, а сооружений мелиоративного назначения - 40 лег, средний процент износа водоподпорных ГТС 50 %, а их аварийность превысила среднемировой показатель в 2,5 раза; ежегодно на них происходит до 60 аварий, ущерб от которых составляет до 10 млрд руб
Как свидетельствует мировой опыт плотиностроения, вследствие фильтрации и фильтрационных деформаций наблюдается более 30-40 % аварий и разрушений грунтовых плотин Огсюда в соответствии с требованиями Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» возникает задача обеспечения фильтрационной безопасности и надежности водоподпорных ГТС и разработки методик их расчетного обоснования
Настоящая работа выполнена в соответствии с важнейшими научно-исследовательскими программами ГКНТ СМ СССР по заданию 0 85 Об 03 05Н1 «Разработать рекомендации по противофильтрационным, берегоукрепительным и дренажным мероприятиям на крупных каналах», а также научной программы фундаментальных и приори гетных исследований развития АПК РФ по заданиям 03 02 02 02 «Разработать научно-обоснованные мероприятия по безопасному функционированию земляных плотин на малых реках, прудах и водохранилищах» и 03 02 02 03 «Разработать научно-обоснованные мероприятия по безопасному функционированию и предотвращению загрязнения грунтовых вод и водотоков из накопителей
сельскохозяйственных и промышленных отходов»
Цель и задачи исследования. Целью работы является экспериментальное и теоретическое обоснование повышения эффективности и надежности противофильтрационных устройств каналов, накопителей отходов и грунтовых водоподпорных сооружений
В работе решались следующие задачи
па основе анализа существующих конструктивных решений противофильтрационных устройств (ПФУ) каналов, грунтовых плотин и накопителей отходов, известных методов оценки их эффективности и надёжности усовершенствовать используемые и разработать новые высокоэффективные их конструкции,
усовершенствовать и развить теорию водопроницаемости противофильтрационных конструкций и на ее основе разработать методику оценки эффективности и надежности облицовок оросительных каналов,
исследовать водопроницаемость и противофильтрационную эффективность бетонопленочных облицовок и уточнить КПД действующих облицованных каналов,
разработать методику расчета фильтрационной безопасности грунтовых плотин с ядром и противофильтрационной завесой в основании и способ расчета фильтрации в основании грунтовой плотины с ПФУ в виде цементационной завесы с учетом трещинообразования в ней,
разработать методы фильтрационного расчета ядер грунтовых плотин ломаного очертания,
провести анализ возможных нештатных ситуаций и разработать методику оценки уровня фильтрационной безопасности применительно к каменно-земляной плотине Юмагузинского гидроузла,
выполнить исследования по обоснованию эффективных типов противофильтрационных устройств и дренажных защит накопителей промышленных отходов и усовершенствовать методы их фильтрацион-
ного расчета;
- разработать практические рекомендации по повышению эффек
тивности и надежности противофильтрационных устройств ороситель
ных каналов и водоподпорных грунтовых сооружений
Объект и предмет исследований. Крупные каналы Ростовской области, Ставропольского края, золоотвалы ГРЭС (г Новочеркасска, Не-винномыеска, г Белая Калитва), шламоотвалы Новочеркасских (электродного, магнитного, синтетических продуктов) заводов, фунтовые плотины на Юмагузинском водохранилище, водохранилище "Ростовское море" и др
Методы исследований. В процессе выполнения работы в течение 1984-2008гг были выполнены теоретические и экспериментальные, лабораторные и натурные исследования При проведении исследований применялись различные методы, среди которых
- гидравлические, используемые для расчетов водопроницаемости
и фильтрации, основанные на законе Дарси, метод фрагментов и метод-
фильтрационных сопротивлений, позволяющие находить необходимые
параметры фильтрационного потока с достаточной точностью,
гидромеханические, основанные на применении метода конформных отображений, используемого для решения плоских задач теории фильтрации,
методы математической статистики и теории вероятности для статистической оценки полученных результатов натурных наблюдений,
методы компьютерного моделирования фильтрационных процессов в системе вычислений Mathcad и программного комплекса FemLab 3 О,
методы физического моделирования задач фильтрации на установках ЭГДА и фильтрационных лотках,
методы проведения натурных исследований с помощью точечных фильтромеров и изолированных отсеков
На защиту выносятся:
- конструктивные решения высокоэффективных противофилътрацион
ных облицовок каналов и их дренажных устройств, противофилырационпой
защиты накопителей промышленных отходов с фильтрующе-собирающими
окнами в противофильтрационной сгенке, противофильтрационного устрой
ства грунтовых плотин в виде зуба плавного очертания, новизна которых за
щищена 25 авторскими свидетельствами и патентами,
- методика обоснования выбора оптимального уровня надежности
противофильтрационных облицовок, позволяющая определять осредненные
значения коэффициентов фильтрации облицовок, удовлетворяющие требова
ниям эффективности, надежности и экономичности,
-результаты натурных исследований водопроницаемости и эффективности противофильтрационных обшщовок на 3-ей очереди Большого Ставропольского канала (БСК-3), распределительном канале Багаево-Садковской ОС Ростовской области (Бг-Р-7) и разработанные новые конструкции фильт-ромеров, позволяющие проводить их установку под водой на глубине 3-5 м,
результаты экспериментальных исследований по определению рациональной схемы противофильтрационной и дренажной защиты котлована золоотходов Новочеркасской ГРЭС,
методика расчета водопроницаемости, эффективности и надежности бетонопленочных и бетонных противофильтрационных облицовок каналов и определение технического КПД облицованных каналов,
методика расчета фильтрации и фильтрационной безопасности грунтовой плотины с ПФУ в теле и основании с учетом трещинообразования в противофильтрационной завесе,
- новые методы фильтрационного расчета грунтовых плотин с трапецеидальным ядром, трубчатым дренажом и основных типов ядер ломаного очертания грунтовых плотин и методика построения падродинамическои сетки с использованием компьютерного моделирования,
- методы фильтрационного расчета накопителей промышленных отхо
дов с ПФУ и оценки эффективности противофильтрационных экранов при
наличии различных повреждений в пленочном и грунтовом противофильтра-ционном элементе,
- рекомендации по повышению эффективности и надежности проти-
вофильтрационных защит на каналах и накопителях отходов, по проведению
наблюдений на грунтовых плотинах с ПФУ для оценки негативных ситуаций
и нарушений их работоспособности
Научную новизну работы составляют:
наиболее общие теоретические модели водопроницаемости бетоно-пленочного покрытия канала через различные трещины и повреждения при установившемся движении фильтрационного потока и модель неустановившейся напорно-безнапорной фильтрации через повреждения бетонопленоч-ной облицовки,
расчеты водопроницаемости и новые аналитические зависимости для бетонопленочных и бетонных облицовок каналов, позволяющие определять потери воды на фильтрацию из облицованных каналов,
результаты натурных исследований по количественной оценке ос-редненных значений коэффициентов фильтрации противофильтрационпых облицовок на действующих каналах,
расчетные зависимости для определения параметров фильтрующе-сорбирующего элемента в конструкции противофильтрационной стенки вокруг накопителей отходов и теоретическая оценка противофильтрационной эффективности пленочных экранов рациональных и комбинированных конструкций и грунтовых экранов с учетом кольматации трещин,
результаты экспериментальных исследований эффективности проти-вофильтрационных и дренажных защит накопителей промышленных отходов в условиях воздействия грунтового потока,
- методика оценки уровня фильтрационной безопасности грунтовой
плотины с ядром и завесой в основании и методика расчета фильтрации в ос
новании грунтовой плотины с учетом водопроницаемости цементационной
завесы при трещинообразовании,
оценка влияния эффективности иротивофильтрационных устройств грунтовых плотин на динамику подъема уровня грунтовых вод и подтопление территорий в нижнем бьефе водохранилища,
новый способ фильтрационного расчета грунтовой плотины с ядром и расчетные зависимости для основных типов ядер ломаного очертания
Личный вклад. Диссертационная работа является результатом более чем 20-летних исследований автора, выполненных в отделе гидротехнических сооружений ЮЖНИИГиМа и на кафедре гидротехнических сооружений и в лаборатории моделирования фильтрационных процессов при кафедре гидравлики и инженерной гидрологии НГМА Постановка задач исследований, их решение теоретическими и экспериментальными методами, анализ и обобщение полученных результатов осуществлены лично автором В проведении некоторых экспериментальных и теоретических исследований принимали участие аспиранты Г А Капустина, Е О Скляренко, В В Вишневский и АФ Апальков, подготовившие и защитившие диссертации под руководством автора Общая доля автора в научно-исследовательских работах, результаты которых вынесены на защиту, составила более 70%
При постановке ряда задач, рассмотренных в настоящей работе, и подготовке диссертации автор получил ценные советы и научные консультации от докторов технических наук, профессоров Ю М Косиченко и К Н Анахаева Практическую ценность работы составляют:
усовершенствованные типы и способы строительства противофильт-рационных устройств ГТС (водопроводящих и водоподпорных), обеспечивающие безопасность и надежность их функционирования,
количественные оценки водопроницаемости основных типов проти-вофильтрационных облицовок каналов и рекомендуемые допускаемые значения их осредненных коэффициентов фильтрации, характеризующие оптимальный уровень надежности облицовок,
установленные в результате анализа фактические значения коэффициентов полезного действия каналов с противофильтрационными покрытия-
ми в России и ближнем зарубежье,
алгоритм расчета и пакет прикладных программ для расчета фильтрации и фильтрационной безопасности грунтовых плотин,
результаты анализа нештатных ситуаций в теле, основании, на низовом откосе, в левобережном и правобережном примыканиях каменно-земляной плотины Юмагузинского гидроузла,
количественная оценка уровня безопасности каменно-землянои плотины на примере водохранилища Юмагузинского гидроузла для условий его полного заполнения,
структурная схема оперативного контроля технического состояния каменно-землянои плотины с использованием данных натурных наблюдений
Апробация результатов Результаты исследований автора по теме диссертации докладывались на 15 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на научно-технической конференции Северо-Кавказского научного Центра Высшей школы «Повышение технического уровня оросительных систем на Северном Кавказе» (г Новочеркасск, 1984, 1985), региональной научно-практической конференции «Совершенствование проектирования, строительства и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных систем Северного Кавказа» (г Новочеркасск, 1985), научно-технической конференции ЮРГТУ (НПИ) «Проблемы строительства и инженерной экологии» (Новочеркасск, 2000), конференции, посвященной 100-летию профессора М М Скибы (Новочеркасск, 2002), межвузовской научно-практической конференции НГМА «Проблемы гидрологии и гидротехники» (Новочеркасск, 2002),международных научно-практических конференциях в Институте гидротехники и мелиорации УААН (Киев, 2004), в СПбГПУ и ВНИИГ им БЕ Веденеева (Санкт-Петербург, 2004), на научно-практическом семинаре в РосНИИПМ «Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения» (Новочеркасск, 2006), на научно-практическом семинаре «Безопасность гидротехнических сооружений» в МГУП (г Москва, 2007), на Международной научно-практической
конференции «Строительство-2008» РГСУ (г Ростов-на-Доігу, 2008) и др
Основные положения диссертации отражены в двух монографиях «Повышение эффективности и надежности противофилы рационных облицовок оросительных каналов» и «Обеспечение фильтрационной безопасности и эффективности противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений» общим объемом 19 п л , а также в научных статьях и изобрете-нииях автора объемом более 42 п л , из которых автору принадлежит 25 п л
Внедрение результатов исследований осуществлено на 16 объектах, в том числе на Большом Ставропольском канале (3-я очередь), Донском магистральном канале (1-я очередь реконструкции), Азовском магистральном канале, Юмагузинском гидроузле (каменно-земляная плотина), Новочеркасской ГРЭС (котлован золоотходов и полигон твердых бытовых отходов), Не-светай ГРЭС (котлован золоотходов), Нсвинномысской ГРЭС (шламонако-пители), регулирующем водохранилище (Ростовское море) и др Суммарный фактический и ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 40 млн рублей По результатам исследований для более широкого внедрения при непосредственном участии автора разработаны нормативно-методические документы "Инструкция по расчету водопроницаемости и эффективности противофильтрационных облицовок каналов", "Методика обоснования и выбора противофильтрационных мероприятий и дренажных защит каналов", "Выбор эффективной и надежной противо-фильтрационной защигы русел открытых каналов при реконструкции оросительных систем"
Достоверность научных результатов. Основные положения, выводы и рекомендации научно обоснованы с позиций теории фильтрации, теории вероятности и математической статистики Лабораторные исследования проводились по общеизвестным методикам, с использованием стандартного оборудования Приборы, применяемые при проведении натурных и лабораторных исследований, поверены и аттестованы в метрологическом центре Использованные автором в процессе выполнения работы методы инженерно-
геологических и гидрогеологических исследований позволили получить данные, соответствующие требованиям СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства» Достоверность результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований ме годом ЭГДА, натурными исследованиями на БСК-3 и Бг-Р-7, проведением статистической обработки современными методами с применением ПЭВМ, сопоставлением экспериментальных и расчетных данных с результатами других авторов, и удовлетворительной сходимостью со значениями по предлагаемым автором зависимостям
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми і лав, выводов, списка использованной литературы и приложений Общий объем работы составляет 495 страниц, в том числе текста 266 страниц
Материал диссертации содержит 66 таблиц, 120 рисунков и 5 приложений Список литературы состоит из 244 наименований, в том числе 24 - иностранных авторов
Публикации. По результатам исследований опубликовано 80 научных работ, из них в изданиях, рекомендованных ВАК - 14, монографий, учебных пособий и нормативно-методических изданий - 7, авторских свидетельств и патентов - 25
