СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ПЕСЧАНО-САПРОПЕЛЕВОЙ ЗАВЕСЫ
METHOD FOR CREATING AN ANTI-FILTRATION SAND-SAPROPEL CURTAIN

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для устранения фильтрационных деформаций в основании водоподпорных и водорегулирующих сооружений на мелиоративных системах при возможном условии организации подземного контура, обеспечивающего гашение прилагаемого напора, и снижения выходного градиента.
При строительстве и реконструкции мелиоративных систем для создания различных уровней горизонтов воды (УГВ) на полях регулирования, защиты водных источников от загрязнения животноводческими стоками, предотвращения подтопления прилегающих территорий, снижения потерь воды из каналов, уменьшения фильтрации через тело или основание сооружения предусматривают противофильтрационные устройства. По конструкции они являются разнообразными и выполняются различными способами из материалов. Однако, затраты на возведение противофильтрационных устройств и способов для сооружений мелиоративных систем являются достаточно дорогостоящими на монтаже возможного по периметру подземного контура, и зачастую приводят к просадке (деформации) и разрушению таких сооружений на мелиоративной системе. В итоге и сельскохозяйственные угодья изымаются из севооборота, сооружения разрушаются, ущерб становится трудно восполнимым. Поэтому возникает необходимость в реализации способа и мер, направленных на прекращение и исключения возникновения фильтрационных деформаций в основании гидротехнических сооружений и связанных с этим социально-экономических последствий.
По данным Государственной программы «АГРАРНЫЙ БИЗНЕС» на 2021-2025 годы (Программа: «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения») в составе мелиоративных систем Республики Беларусь имеется 2,4 тыс. шлюзов-регуляторов.
На первое января 2019 года, согласно материалов инвентаризации мелиоративных систем и отдельно расположенных гидротехнических сооружений, проведенной в соответствии с ЗАКОНОМ Республики Беларусь от 23 июля 2008 г., №423-3 «О мелиорации земель», требуется реконструкция мелиоративных систем на площади 339,1 тыс.га. В Республике Беларусь на мелиоративных системах 1850 водорегулирующих и переездных сооружений требуют проведения работ по реконструкции: из них 222 моста, 168 шлюзов-регуляторов, 1460 труб-регуляторов.
Существующие на текущий момент времени технические решения по защите водоподпорных и водорегулирующих сооружений на мелиоративных системах не соответствуют своему назначению в условиях постоянного напора воды перед сооружением. Однако до настоящего времени конкретно к таким сооружениям эффективных способов в виде противофильтрационной песчано-сапропелевой завесы не достаточно известно.
Из практики известно, что для возведения противофильтрационных завес способом «стена в грунте» используются самые разнообразные материалы (заполнители). Их выбор зависит от ряда факторов: глубины завесы, градиента напора, технологической схемы производства работ, наличия их на месте строительства, стойкости к агрессивности среды и др. Возведение завесы происходит под слоем тиксотропной суспензии в траншее, поэтому плотность материала должна быть выше плотности тиксотропной суспензии для обеспечения самопогружения материала.
Поэтому по свойствам материала, из которого сооружаются завесы, их можно разделить на два вида: завесы из отвердеющих заполнителей; завесы из нетвердеющих заполнителей. Твердеющие заполнители используются для возведения несущих и противофильтрационных завес в стесненных условиях, нетвердеющие заполнители - противофильтрационных завес.
В качестве твердеющих заполнителей используют материалы на основе цементов и силикатов: бетон, железобетон, асфальтобетон, шлакобетон, глиноцементные, суглинисто-цементные композиции.
В качестве нетвердеющих заполнителей применяют полимерные материалы, комовую глину, а также различные глиногрунтовые композиции.
Следует отметить, что противофильтрационные завесы должны отвечать следующим требованиям:
- материал должен обладать малой водопроницаемостью, достаточностью к фильтрационным деформациям (суффозии, контактному размыву);
- механическая прочность должна обеспечивать определенную податливость в случаях возможных деформаций основания гидросооружения и, в то же время иметь механическую прочность для сохранения устойчивости.
Так, заглинизированный песчаный грунт должен содержать глинистых частиц по весу не менее 15% с равномерным их распределением.
Применение глинистых минералов определяется особенностями строения их кристаллической решетки и физико-химическими свойствами, оказывающими большое влияние на коагуляционное структурообразование в водных суспензиях.
На практике стремятся приблизить водоотдачу, стабильность и суточный отстой к минимальным величинам при сохранении остальных параметров в требуемых пределах.
Следует отметить широкое применение в гидромелиоративном строительстве пленочных полимерных материалов в качестве противофильтрационных устройств, где устройство вертикальной завесы в основании подпорных мелиоративных сооружений связано с использованием полимерных материалов, закладываемых в траншею, разрабатываемую под слоем тиксотропной суспензии.
Однако обеспечить нормальное функционирование водоподпорных и водорегулирующих сооружений на мелиоративных системах возможно только при условии создания и организации подземного контура, гашения прилагаемого напора до безопасной величины и исключающего возникновения фильтрационных деформаций в основании сооружения, на чем более подробно авторы остановятся ниже.
Учитывая актуальность постановки задач, необходимо проанализировать известные технические решения.
Известен способ создания противофильтрационных завес (ПФЗ) в грунте из твердеющих заполнителей, выполненных непрерывным способом, т.е. разработкой и заполнением траншеи противофильтрационным материалом (ПФМ) без разделения на секции (Подземные сооружения, возводимые «стена в грунте». Под ред. В.М. Зубкова. Л., Стройиздат, Ленинградское строение, 1977, С. 93-101).
Известны методические рекомендации по проектированию монолитных заглубленных частей гидротехнических сооружений и противофильтрационных завес способом «стена в грунте» (Мин. мелиорац. и вод. хоз. СССР «Союзоргнводстрой, НИИ основ, и подз. coop.Госстроя СССР им. Н.М. Герсеванова. М., 1981, с. 30-34).
Известен «Опыт строительства противофильтрационных завес из различных материалов (Осадчук В.А. Гидротехническое строительство №1, 2004. С. 30-34).
Недостатком данного способа является то, что при создании непроницаемой противофильтрационной завесы на пути движения загрязненного потока создается подпор воды, который вызывает подъем уровня грунтовых вод, заболачивание и т.д.
Кроме того, перед ПФЗ возникают высокие напорные градиенты, которые превышают критические, вследствие чего требуется при устройстве ПФЗ использовать ПФМ с более высокими противофильтрационными свойствами.
Известен способ защиты водных ресурсов с помощью горизонтальных (межпластовых) противофильтрационных завес и технология их сооружения (Патент RU №2347034, Е02В 3/16 от 20.02.2009), включающий сооружение горизонтальной противофильтрационной завесы. При этом, на участке отсутствия водоупорного слоя проходят вертикальный шахтный ствол или стволы, из которых разбуривают веер горизонтальных лучевых инъекционных скважин. По длине скважин выделяют 2-3 зоны или интервала инъектирования водопроницаемых пород в зоне «окна» различными по вязкости или подвижности и скорости схватывания или гелеобразования закрепляющими составами, после истечения срока схватывания, которых на участке «окна» образуется горизонтальная межпластовая противофильтрационная завеса, препятствующая перетоку подземных вод между смежными горизонтами и проникновению загрязнителей в водоносный горизонт, используемый для водоснабжения.
Недостатками данного способа являются невозможность создания подземной непроницаемой завесы вокруг сооружаемого объекта или защиты окружающей среды от подземных техногенных процессов, а также сложность производства работ по заполнению скважин вязким инъектирующим материалом.
Известен способ создания противофильтрационной завесы, включающий возведение водоподпорной земляной плотины, размещения слоя геотекстильного иглопробивного нетканого материала из синтетических волокон объемной плотностью 100-150 кг/м и обработку откоса плотины водорастворимым порошковым полимером, покрытие слоем грунта (Патент RU №2569965, Е02В 3/16, E02D 3/12 от 10.12.2015).
Недостатком вышеприведенного технического решения является сложность производства работ (при отрицательных температурах воздуха), заключающаяся в обработке откоса плотины водорастворимым порошковым полимером, а также обработке геотекстильного материала поливиниловым спиртом. Кроме того, данное техническое решение рекомендовано к применению только при отрицательных температурах, и не обеспечивает надежной противофильтрационной защиты.
Известен способ создания противофильтрационных завес с фильтрующими окнами, включающий разработку и заполнения траншеи противофильтрационным материалом с окнами, заполненными сорбирующе-фильтрующим или дезактивирующе-фильтрующим материалом (Патент RU №2301862, Е02В 3/16 от 27.06.2007).
Недостатком данного способа является:
- сложность устройства съемной кассеты;
- малый объем сорбирующе-фильтрующего материала и соответственно малый пропускаемый объем фильтрата через окна;
- большой расход твердеющего непроницаемого материала обратно засыпаемого в траншею;
- возможность нарушения целостности «стен в грунте» вследствие просадки грунта.
В качестве прототипа выбран способ создания противофильтрационных завес с фильтрующими окнами, включающий разработку и заполнение траншеи противофильтрационным материалом из геомембраны, подклеивание дополнительного полотнища, а также заполнение пространства между полимерными геомембранами сорбирующе-фильтрующим материалом с образованием дренажной системы прямоугольной формы (Патент RU №2539205, Е02В 3/16 от 27.10.2015).
К недостаткам описанного способа, относятся сложность производства работ по подклеиванию дополнительных полотнищ геомембраны с целью образования дренажной системы прямоугольной формы. Кроме того, при создании водонепроницаемой противофильтрационной завесы из геомембраны на пути движения загрязненного потока создается подпор воды, который впоследствии приводит к подъему уровня грунтовых вод, подтоплению и заболачиванию прилегающих территорий.
Сущность изобретения.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа, на которое направлено данное изобретение, является разработка эффективного способа применения защитно-сапропелевой суспензии, препятствующей обрушению стенок при выполнении траншеи местным вынутым песчаным грунтом и смешение его с сапропелем для получения суспензий в виде песчано-сапропелевой завесы в заданной концентрации, а также с учетом особенностей применения нового материала для закрытия сверху завесы с верхней стороны гидротехнического сооружения водонепроницаемого закрепленного материала из геотекстиля, способу которому в меньшей степени будут присущи недостатки, характерные для уровня техники, а также в целом позволяющего снизить материальные затраты и трудоемкость, уменьшить сроки производства работ, расширить зону применяемости завесы при защите окружающей среды от происходящих подземных процессов при строительстве гидротехнических сооружений, и надежность сооружаемой завесы.
Согласно изобретению технический результат заключается в том, что фильтрующая песчано-сапропелевая завеса не создает подпора грунтовых вод для водоподпорных и водорегулирующих сооружений на мелиоративных сооружениях при условии организации подземного контура, обеспечивающего надежное гашение прилагаемого напора, снижение выходного градиента до безопасной величины и исключающего возникновения фильтрационных деформаций в основании сооружения, а также укладывают и закрепляют защитную основу водонепроницаемого материала из геотекстиля прочного, надежного, и размещенного горизонтально с одной стороны к боковой стенке сооружения, а с другой стороны закрепленного сверху насыпным грунтом.
Технический результат достигается тем, что способ создания противофильтрационной песчано-сапропелевой завесы, включающий разработку и заполнение траншеи противофильтрационным материалом, согласно изобретения, в разработанную траншею помещают гидротехническое сооружение с укладкой в подошву бетона в виде плиты и прикрепляют жестко на боковой стенке сооружения со стороны напора потока воды по вертикали однослойный материал из геотекстиля, выполненный из полипропиленового волокна, при этом к основной траншее открывают одновременно дополнительную траншею с разработкой траншеи под защитой сапропелевой суспензии и засыпают ее сорбирующе-фильтрующим материалом в виде заполнителя песчано-сапропелевой вертикальной фильтрующей завесы, выполненной при извлечении из траншеи среднезернистого песка, готовят песчано-сапропелевую смесь концентрации, содержащей 15% сапропеля, заполняют дополнительную траншею по высоте в сторону ниже основания сооружения на глубину промерзания грунта, затем сверху закрывают ее не менее двух слоев полотном, выполненным из геотекстильного материала, один край которого загибают вверх по высоте боковой стенке сооружения с верховой стороны, конец плотно фиксируют тонкой полоской в виде пластмассы с помощью крепежа, образуя плотное прилегание к боковой стенке сооружения, при этом другой край полотна из геотекстильного материала закрепляют сверху грунтом, тем самым, обеспечивая гашения напора подземного контура и возможность перетока ниже основания сооружения со стороны песчано-сапропелевой завесы, суспензия которой способна выполнить роль тиксотропных суспензий.
Отличительными признаками предложенного способа являются то, что в разработанную траншею помещают гидротехническое сооружение с укладкой в подошву бетона в виде плиты и прикрепляют жестко на боковой стенке сооружения со стороны напора потока воды по вертикали однослойный материал из геотекстиля, выполненный из полипропиленового волокна. Кроме того, к основной траншее открывают
одновременно дополнительную траншею и засыпают ее местным вынутым среднезернистым песком, которые залегают перед сооружением и в основании гидротехнических сооружений на мелиоративной системе на объектах в Республике Беларусь, при этом данный среднезернистый песок смешивается в концентрации, содержащей 15% сапропеля.
Благодаря этим признакам использование в предлагаемом способе определяется не только имеющимся извлекаемым из траншеи (местный грунт) при ее разработке, но также применение сапропеля, содержание в котором органических веществ колеблется от 0,75% - при 5% концентрации до 2,25% - при 15% концентрации, а это влияет на тело завесы, т.е. необходимо учитывать наличие в грунте органических коллоидов (гумуса) более 2% и растительных остатков более 5%. Это также связано с большой сжимаемостью их, по сравнению с минеральной составляющей. Следует также отметить на улучшение противофильтрационных свойств завесы, влияет для данных конкретных условий (снижение стоимости) почвы в Белорусском Полесье, которые залегают преимущественно зернистые пески и супеси, отсюда в конкретных условиях (по себестоимости) является противофильтрационные характеристики песчано-сапропелевых завес, по сравнению с известными аналогами «стена в грунте».
Известно, что в грануметрическом составе сапропелей содержание тонкодисперсных фракций размером менее 0,005 мм содержится от 40 до 50% и более. Эти фракции образовались в основном в результате разложения растительных и животных организмов и обладают высокой обменной способностью и способностью связывать большое количество воды. Влажность сапропелей в естественном состоянии в залежи значительно превышает влажность аналогичных по грануметрическому составу глинистых (известных) грунтов. Такая природная созданная сапропель способна связывать и прочно удерживать в структуре грунта большое количество связанной воды, что позволяет сделать предложение о возможности использования его для приготовления качественных тиксотропных суспензий.
Авторами изобретения подробно ниже показано экспериментальными исследованиями при определении оптимальных концентраций сапропелевых суспензий, пригодных для строительства противофильтрационных завес методом «стена в грунте» с разработкой методики контроля качества суспензии в процессе их строительства на конкретных примерах. Отсюда следует, что тиксотропные свойства сапропелевых суспензий обусловлены не только глинистыми минералами, но и мелкодисперсным органическим веществом, входящим в состав сапропеля. Органика в значительной мере обуславливает свойства биогенных грунтов, и лучшим противофильтрационным материалом получено в смеси с 15% содержанием сапропеля в смеси.
Таким образом, способность суспензии образовывать на стенках траншеи достаточную прочную глинистую корку является одним из основных требований, за счет чего должны предотвращаться излишние потери суспензий на фильтрацию, снижение уровня в траншеи и, как следствие, гидростатического давления на стенки. Следовательно, при возможности проникновения суспензии в грунт на определенную глубину - этого не достаточно, поэтому корка (экран) должна еще обладать способностью быстро, восстанавливаться при повреждениях механизмами, разрабатывающими траншею.
Следует также отметить, что создание прочной основы фильтра завесы водонепроницаемого материала геотекстиля - гидроизоляции, а также и водонепроницаемого материала покрытия закрепленного сверху суспензии от применения в техническом решении, в целом состоит в том, что такая основа долговечна, имеет большой запас на разрыв и надежно, когда на нее осуществляют давления воды или давление сверху равномерным слоем грунта засыпки. Промышленный выпуск материала из геотекстиля, в целом позволяет получать в больших объемах и его дешевизна, поскольку он постоянно востребован на многих объектах во всех странах.
Поскольку не выявлен ни один аналог, характеризующийся отличительными выше существенными признаками заявленного изобретения, то последнее можно признать соответствующим требованию новизны.
Заявленное изобретение соответствует изобретательскому уровню, так как разработанный способ не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.
Способ создания противофильтрационной песчано-сапропелевой завесы поясняется чертежами, где на фиг. 1 противофильтрационная завеса узла сооружения; на фиг. 2 приведена общая технологическая схема устройства завесы с ее операциями; на фиг. 3 показана зависимость плотности от концентрации сапропеля в суспензии; на фиг. 4 показана зависимость коэффициента фильтрации от содержания сапропеля в смеси.
Цифрами на чертеже обозначены:
1 - основная траншея;
2 - дополнительная траншея;
3 - гидротехническое сооружение;
4 - укладка бетона - плиты;
5 - гидроизоляция из однослойного материала из геотекстиля;
6 - песчано-сапропелевая завеса;
7 - противофильтрационный двухслойный (многослойный) водонепроницаемый материал из геотекстиля;
8 - крепежное устройство в виде пластины с анкерным болтом крепления;
9 - анкерный болт с гайкой.
Рассмотрим более подробно отдельно использование сапропелевых суспензий в качестве противофильтрационной песчано-сапропелевой завесы при строительстве гидротехнических сооружений «стена в грунте».
Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений - Белоруской государственной сельскохозяйственной Академии (БГСХА). Показана возможность применения сапропеля, представляющего сложную многокомпонентную полидисперсную биогенного происхождения для приготовления тиксотропных суспензии при возведении противофильтрационных завес способом «стена в грунте», как более дешевую альтернативу из нетвердеющих заполнителей.
Тиксотропные свойства проявляются, например, в грунтах, содержащих в своем составе глинистые материалы, здесь мы не рассматриваем все классификации минералов в породе по физико-химическим свойствам, лишь отметим, что для обеспечения устойчивости траншеи при их разработке под защитой тиксотропной суспензии согласно современным представлениям суспензия должна отвечать следующим основным требованиям:
- иметь избыточную плотность по отношению к грунтовой воде для создания повышенного гидростатического давления на стенки траншеи во избежание их обрушения;
- образовывать на стенках траншеи достаточно прочную глинистую корку для предотвращения потерь суспензии за счет фильтрации;
- на протяжении всего периода использования сохранять относительное постоянство своих основных параметров;
- обеспечить нормальную работу применяемых при проходе и заполнении траншей механизмов.
Одним из перечисленных требований выше, является способность суспензии образовывать на стенках траншеи достаточно прочную глинистую корку, за счет чего должны предотвращаться излишние потери суспензии на фильтрацию, снижение уровня суспензии в траншее и, как следствие, гидростатического давления на стенки. При этом траншея должна быть достаточно устойчивой, что может быть достигнуто при возможности проникновения суспензии в грунт на определенную глубину - это в теоретическом плане. Однако практически создать экран за счет проникновения суспензии в грунт на определенную глубину возможно. Поэтому глинистая корка должна обладать способностью, быстро восстанавливаться при повреждениях механизмами, разрабатывающими траншею.
Частицы твердой фазы в суспензии должны находиться во взвешенном состоянии продолжительное время, что возможно в том случае, если они характеризуются хорошей гидрофильностью и образованием вокруг частиц устойчивых и достаточно толстых водных пленок, препятствующих сближению и слипанию твердых частиц.
Значения максимальной молекулярной (полной) влагоемкости для грунтов различного минералогического состава по В.Д. Ломтадзе следующие: для монтмориллонитовой глины (бетонит) - 44%/(71%/, каолинитовой глины - 22%/(43%), гидрослодистой глины - 14%/(29%), кварцевого песка - 2%/(25%).
При взаимодействии дисперсных пород с водой происходит ионный обмен и механическое поглощение. Причинами поглощения ионов является наличие поверхностной энергии и электрического заряда у твердых частиц. Обменной способностью обладают тонкодисперсные фракции (d<0,005 мм), то есть частицы, обладающие большой поверхностной энергией, так называемые активные частицы.
В гранулометрическом составе сапропелей содержание тонкодисперсных фракций размером менее 0,005 мм содержится от 40 до 50% и более. Эти фракции образовались в основном в результате разложения растительных и животных организмов и обладают высокой обменной способностью и способностью связывать большое количество воды.
Влажность сапропелей в естественном состоянии в залежи значительно превышает влажность аналогичных по гранулометрическому составу глинистых грунтов.
Экспериментальные работы проводились в направлении физико-механических характеристик сапропелевых суспензий с целью их разработки рецептуры и определения оптимальных концентраций сапропелевых суспензий, пригодных для строительства противофильтрационных завес методом «стена в грунте» и разработка методики контроля качества суспензии в процессе их строительства.
Пример 1. В качестве исходных материалов для приготовления тиксотропных суспензий авторы использовали сапропель с зональностью 90% (№1) и 85% (№2). Сапропель Старые Лавки Чашницкого района Витебской области Республики Беларусь в пойме реки Лукомка. Образцы отбирались с различной глубины: №1-0,5; 0,7 м; №2-1,5; 1,8 м.
В процессе исследования по существующей методике определялись следующие параметры (табл. 1) и (табл. 2).
Результаты при обработки исследованных сапропелевых суспензий приведены в табл. 3.
-1
Пример 2. Суспензии сапропеля готовили в пропеллерной механической мешалке емкостью 2 л с электроприводом. Сапропель предварительно растирали в ступе по методу пластифицирования. Частота вращения вала мешалки равна 24,6 с, а время перемешивания составило 15 мин.
Концентрация суспензий сапропеля были приняты в пределах 0…40% с интервалом через 5%.
В процессе исследования по существующим методикам определяли следующие параметры суспензии: предельно статическое напряжение сдвига через 10 мин - по прибору СНС-2; водоотдача через 30 мин - по прибору ВМ-6; плотность менее плотных суспензий - ареометрическим способом, более плотный - весовым; суточный отстой - цилиндре емкостью 100 мл; стабильность - по стабилометру ЦС-2; вязкость - по вискозиметру ВБР-1; водородный показатель - потенциометрическим способом. Содержание песка и недиспергированных частиц - с помощью отстойника ОМ-2; толщина глинистой корки - по прибору ВМ-6.
3
3
Из анализа табл. 3 следует, что для сапропеля №1 (интервал концентраций 5…40%) ограничением является водоотдача глинистой корки. В исследованном интервале концентраций водоотдача превышает требуемую, лишь при концентрации 40%, приближаясь к ней, и составляет 32 см. Такая же картина наблюдается и со стабильностью при концентрации суспензии 40% составляет 0,032 г/см, что больше требуемой величины. Толщина глинистой корки удовлетворяет требованиям в интервале концентрации 5…18%, другие параметры суспензии в этом интервале отличаются.
Для сапропеля №2 (интервал концентрации 5…40%) ограничением являются водоотдача и толщина корки. Суспензия 30% концентрации удовлетворяет требуемым параметрам (см. табл. 1).
Таким образом, проанализировав полученные данные лабораторных исследований сапропелевых суспензий можно отметить следующее:
1. Содержание органического вещества в диапазоне его исследованных видах сапропеля незначительно сказывается на величине предельно статического направления сдвига. Суспензии сапропеля отвечают необходимым требованиям при концентрации 24…33% для сапропеля №1 и соответственно 22…32% для сапропеля №2.
2. Водоотдача сапропелевых суспензий в значительно большей степени зависит от содержания в сапропеле органической составляющей, определяющей содержание активных частиц способных прочно связывать большое количество воды. При этом 30% концентрация суспензии с сапропелем, содержащим 15% органического вещества (ОВ), отвечает требованиям водоотдаче, а при содержании 10% - только при концентрации более 45%.
3. По показателю суточного отстоя суспензии удовлетворяют требованиям при концентрации более 36% для сапропеля с содержанием ОВ 10%, и более 24% при содержании ОВ 15%.
4. Условия вязкость возрастает с увеличением ОВ в суспензии. Однако для исследованных видов сапропеля диапазон ее изменений не выходит за пределы нормативных требований к суспензиям в диапазоне 18…40%.
Однако следует отметить. Что изменчивость физико-химических характеристик сапропелевых суспензий находятся в тесной взаимосвязи с их концентрацией. При этом при изменении одного из показателей, также происходит изменение и остальных. Имея результаты лабораторных исследований исходных материалов в процессе производства работ, поэтому для контроля качества суспензии нет необходимости определять инструментально все показатели. Достаточно определить те из них, которые требуют меньших затрат времени, тем самым повысив оперативность.
Исходя из вышеизложенного, достаточно будет для сапропелевых суспензий при строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте» определять инструментально плотность суспензии и условную вязкость, а остальные ее характеристики по результатам лабораторного испытания (по графикам или формулам).
3
Полученные результаты исследований плотности суспензии 1,20 г/см при концентрации №2-26% приведено на фиг. 3, при водоотдачи от концентрации №2-26% приведено на фиг. 4.
b
Результаты исследования физико-механических характеристик сапропелевых суспензий были обработаны с целью подбора наиболее близкого по коэффициенту корреляции уравнения. Получили уравнение вида: У=aX, где а и b - параметры уравнения; У-параметр, характеризующий тиксотропность суспензий; X концентрация суспензии, %.
Уравнение справедливо для диапазона изменения концентрации суспензии в пределах от 10 до 40%; для суточного отстоя - от 20 до 40%, плотность - от 15 до 40%.
В табл. 4 приведены параметры уравнения для различных показателей тиксотропной суспензии.
Показатели физических свойств (грунта объекта) исследованных песков приведены в табл. 5.
В исследованиях использовали водопроводную воду. Качество воды соответствовало требованиям, представляемым к питьевой воде. Для песчано-сапропелевых смесей использовали композиции, приготовлением песков №1 и №2 и сапропеля №2, в различном соотношении компонентов, путем перемешивания суспензий с песками. Показатели физических свойств смесей приведены в табл. 6.
3
3
3
3
Плотность твердых частиц смесей при различном содержании сапропеля в смеси изменялась в диапазоне: для смесей №1-№3 от 2,60 до 2,62 г/см, для смесей №4-№6 от 2,62 до 2,64 г/см. В значительно больших пределах изменялась их плотность: от 1,36 до 1,94 г/см для смесей №1-№3 и от 1,37 до 1,95 г/см для смесей №4-№6. При этом с увеличением содержания сапропеля в смеси плотность ее уменьшается, а пористость увеличивается до 0,260 при содержании сапропеля в смеси 5% до 0,477 при содержании 15%.
Следует также отметить, что количество сапропеля в смеси очень значительно изменяет коэффициент неоднородности: для смесей №1-№3 при увеличении содержания сапропеля от 5% до 15% он возрастает в 6 раз и от 4,4 до 26,5; для смесей №4-№6 его величина значительно, хотя изменение значения с ростом содержания сапропеля в составе не велико (1,4 раза, от 69 до 97 при росте концентрации от 5% до 15%).
Согласно данным исследованиям песчано-сапропелевые составы концентраций 5-15% по числу пластичности можно отнести к супесчаным грунтам.
Фильтрационные характеристики исследованных смесей приведены в табл. 7.
На фиг. 4 приведена зависимость коэффициента фильтрации от содержания сапропеля в смеси №1-№3 - и для смеси №4-№6.
Коэффициенты фильтраций смесей №1-№3 уменьшаются в 90…580 раз по сравнению с коэффициентом фильтрации песка среднего и соответствуют тяжелым супесям - легким суглинкам.
Коэффициенты фильтрации смесей №4-№6 уменьшаются в 3000…1100 раз по сравнению с коэффициентом фильтрации песка среднего с повышенным содержанием пылеватых частиц и соответствуют средним суглинкам.
3
Натурные исследования грунта и его эффективности противофильтрационных устройств на основе теоретических исследований показали, что для шлюза - регулятора (ШР 5+2) (ТП 820-214. Шлюзы-регуляторы на каналах мелиоративных систем расходом до 150 м/с, с напором от 2,0-3,5 м) на канале С-3 (ПК 102+50) мелиоративной системы «Подъемники» Солигорского района Минской области, согласно РУП «Белгипроводхоз», в основании шлюза-регулятора залегают мелкозернистые пески с коэффициентом фильтрации 2,2 м/сут, вскрытой мощностью 5-5,5 м. Грануметрический состав его приведен в табл. 8.
Теоретические расчеты подземного контура для данного сооружения были разбиты на 5 участков: входной со шпунтом, первый горизонтальный, шпунт (или песчано-сопропелевая завеса), второй горизонтальный, выходной.
1
2
3
4
5
o
o
o
Пример 3. Для напора Н=2,0 м при размерах: длина понура - 4,5 м, длина водобоя -9,4 м, горизонтальной проекции подземного контура - 13,9 м; длина вертикальной проекции контура So=4,85 м; S=1,6 м; S=0,56 м; S=4,29 м; S=4,4 м; S=0,45 м; S=0. Схема рассмотрения контура предполагала для примера подземного контура шлюза-регулятора с железобетонной шпунтовой стенкой для случая заглубления, поскольку l/S=2,87 (Рассказов Л.Н. Гидротехнические сооружения (речные). Часть 1. Учебник для вузов /Л.Н. Рассказов и др. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2011 - С. 64), подземный контур сооружения.
Для сравнения с вариантом противофильтрационной песчано-сапропелевой завесой (теоретический расчет) рассчитывался для трех случаев ее толщины: 0, 4 м; 0,6 м; 0,8 м. При определении коэффициента сопротивления участка с противофильтрационной завесой использовали (Нестеров М.В. Применение противофильтрационных завес, возводимых методом «стена в грунте» с использованием сапропелей: рекомендации /М.В. Нестеров, А.А. Боровиков, Д.М. Лейко. - Горки: Беларусь. Гос. С.-х. акад., 2002., формула (6.9), с. 49).
Результаты расчета эффективности противофильтрационных мероприятий приведены в табл. 9, 10, 11.
Анализ полученных результатов показывает, что эффективность гашения напора на данном участке несколько выше у шпунтовой стенки по сравнению с противофильтрационной завесой (табл. 9). Однако это будет справедливо, если считать шпунт абсолютно непроницаемым (это положено в основу метода коэффициентов сопротивлений). В то же время следует отметить, что благодаря наличию небольших щелей между отдельными элементами шпунта, шпунтовая стенка является водопроницаемой в большей или меньшей степени. Как отмечено источнике P.P. Чугаев, в случае, когда водопроницаемостью шпунтовой стенки нельзя пренебречь, для учета его водопроницаемости, рассматриваемая шпунтовая стенка заменяется вертикальным слоем грунта, с коэффициентом фильтрации, как у окружающего грунта (Чугаев P.P. Подземный контур гидротехнических сооружений/ P.P. Чугаев. - Л.: Энергия, 1972. - с. 143-150).
При определении максимального выходного градиента по уровню дна нижнего бьефа (табл. 10) наблюдалось незначительное увеличение его для случая с противофильтрационной завесой.
Удельный фильтрационный расход (табл. 11) также несколько выше в случае противофильтрационной завесы (порядка 8%), что в ряде случаев является не критически.
Способ создания противофильтрационной песчано-сапропелевой завесы осуществляется следующим образом.
3
3
В основную траншею 1 помещают гидротехническое сооружение 3 с укладкой в подошву бетона 4 в виде плиты, заданной толщины. После помещения в основную траншею со стороны спереди отрывают дополнительную траншею 2, при этом на боковой стенке сооружения 3 и 4 выполняют однослойную гидроизоляцию из водонепроницаемого полотна 5 из геотекстиля. Далее заполняют дополнительную траншею 2 приготовленную из вынутого среднезернистого песка с мелкими частицами сапропеля и смешивают, получают сапропелевую суспензию для приготовления противофильтрационного материала плотностью 1,85 г/см, содержащего 15% сапропеля по массе и песка (грунта) 0,85 г/см. При этом содержание органического вещества в сапропеле составило концентрацию до 2,25% в теле завесы. После заполнения дополнительной траншеи 2 засыпкой сорбирующим-фильтрующим материалом в виде заполнителя песчано-сапропелевой вертикальной фильтрующей завесы 6, сверху закрывают ее не менее двух слоев выполненным полотном 7 (многослойным) из геотекстильного водонепроницаемого материала, один край которого загибают вверх по высоте боковой стенке сооружения и, конец полотна фиксируют жестко тонкой полоской в виде пластины 8 с помощью крепежа из анкерного болта 9 с фиксирующей гайкой, образуя плотное прилегание к боковой стенке сооружения. Другой (свободны) край из водонепроницаемого двухслойного материала из геотекстиля засыпают сверху грунтом, тем самым, обеспечивающих закрепление полностью засыпкой сверху грунтом и гашение напора в целом подземного контура при давлении воды на сооружение, далее с возможностью перетока ниже основания сооружения со стороны песчано-сапропелевой завесы, которая способна выполнять роль тиксотропных суспензий.
зав
При этом перед завесой поддерживают уровень грунтовых вод Н. На глубине 1,0-1,5 м, тем самым не создавая условий для заболачивания и засоления на мелиоративной системе с гидротехническими сооружениями, т.е. исключается поднятия уровня грунтовых вод перед завесой.
2
2
Однако следует отметить, что крепление основы материала из геотекстиля является новым перспективным, и он используется во многих отраслях сельского хозяйства и т.д. Он имеет небольшой вес - можно разрезать обычными ножницами, позволяет выдерживать эксплуатационные нагрузки: тонкий материал плотностью - 100 г/м, более толстый материал - 600 г/м. Долговечность геотекстиля - устойчив к воздействию кислот, щелочей и других агрессивных веществ, содержащихся в воде и почве. Синтетические волокна не подвержены гниению, им не страшна влага, ни мороз, ни жара, ни солнечные лучи.
Геотекстиль экологичен, не выделяет вредных веществ в процессе эксплуатации -безопасно для окружающей среды. Срок использования не менее 30 лет. Необходимо отметить крепление и укладка геотекстиля, проста, не требует специальных навыков в производстве ГТС, он более прочен для возможного порыва в сравнении с обычной пленкой, т.е. обладает высокой прочности; на него легко наносить и клеящее вещество к боковой стенке сооружения. Кроме того, края при изгибе геотекстильного материала (водонепроницаемое полотно) также служит в качестве гидроизоляции, и фиксируют крепежом в виде пластмассовой пластины тонкими полосками.
Сварка полотен геотекстиля осуществляется между слоями (не менее двух) контактно-тепловым способом с использованием специального сварочного оборудования (оно известно). При этом сварной шов выполняется двойным с каналом с проверкой его герметичности. Кроме того, сварные швы могут выполняться также экструзионным способом с использованием расплавленного полиэтиленового прутика. Все это в целом удешевляет строительство противофильтрационной завесы ГТС.
Пример 4. Для оценки экономической эффективности произведем сравнение стоимости известной шпунтовой стенки и предложенного нового технического решения. Для этого воспользуемся Онлайн - база НРР-2020 @ Бел ЕНиР - расценки строительных работ (электронный ресурс). - Режим доступа: https;//belinir/com/ - Дата доступа 20.08.2021.
Авторы из-за большого объема материала исследований, здесь не приводят весь расчет, однако следует отметить следующее:
- для устройства шпунтовой стенки необходимо (на основании выше отмеченного объекта) 44 сваи, тогда суммарная стоимость шпунтовых свай составить 58487, 88 руб., а общая стоимость затрат с учетом погружения свай составит - 66382, 06 рублей;
3
3
3
- для способа устройства песчано-сапропелевой завесы со всеми затратами работы и разработки траншеи в грунтах 2-ой группы (Е-5-66-6(Н10)) и другими видами работ, в соответствии с выполненными исследованиями суспензий 30%, концентрации плотностью 1,216 г/см (табл. 6), приготовленная на основе сапропеля №2, характеризуется следующими свойствами: плотностью твердых частиц 2,43 г/см, плотностью 1,438 г/см, влажностью 0,93, пористостью 0,693, степени зольности 85%, - общая стоимость песчано-сапропелевой завесы составит -16921,11 рублей.
Создание и внедрение способа противофильтрационной песчано-сапропелевой завесы позволяет решать проблему при строительстве и реконструкции мелиоративных систем, обеспечивающих снижение уровня грунтовых вод и гидростатического давления на загубленное гидротехническое сооружение для способа «стена - в грунте», а также снижает градиент напора на сооружение, создает благоприятные экологические условия эксплуатации в условиях мелиорируемой территории. Кроме того, позволяет уменьшить материальные затраты, снизить трудоемкость изготовления завесы, сократить сроки возведения завесы, а также расширить зону применяемости данной завесы.