Ультразвуковое исследование водопроницаемости деформационных швов гидротехнических сооружений

УДК 502/504:620.1:624.01; 626.82:691.32 А. Г. АЛИМОВ

Государственное научное учреждение

«Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий», Волгоград

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИИ

Результаты исследований водопроницаемости деформационных швов гидротехнических сооружений, приведенные в статье, внедрены на мелиоративных объектах Волгоградской области. Работа защищена патентом на изобретение.

Водопроницаемость деформационных швов, гидротехнические сооружения, Волгоградская область, мелиоративные объекты.

The research results of control joins water tightness of hydrological structures given in the article have been introduced on the reclamation objects of the Volgograd region. The work is patented for an invention.

Water tightness of control joints, hydrological structures, the Volgograd region,

reclamation objects.

Противофильтрационная эффективность и эксплуатационная надежность защитных облицовок водопрово-дящих гидротехнических сооружений, в частности оросительных каналов гидромелиоративных систем и аккумулирующих водоемов различного комплексного назначения (мелиоративного, противопожарного, спортивно-оздоровительного и др.), в значительной степени зависит от качества герметизации деформационных швов.

Натурные исследования, выполненные различными научно-исследовательскими и проектными организациями в течение многих лет, позволили установить, что основные потери воды на фильтрацию из облицованных каналов происходят через деформационные швы и дефекты в бетоне (95...98 %). При этом потери воды через бетон составляют 2.5 % от общего объема фильтрации из каналов [1, 2].

Для оценки качества герметизации швов противофильтрационных облицовок каналов и водоемов применяют различные способы определения водопроницаемости. В частности, известны способы измерения потерь воды с помощью фильтромерного отсека, об-

разуемого приклеенным к бетону эластичным экраном из резины с рифленой поверхностью, и фильтромеров, плотно прижимаемых к облицовке через легко-деформируемый материал [3-8]. Указанные способы измерения потерь воды на фильтрацию отличаются значительной трудоемкостью и чрезмерной продолжительностью испытаний. Как правило, такие способы не всегда применимы для фильтрационных исследований проти-вофильтрационных конструктивных элементов гидротехнических сооружений в связи со специфическим технологическим режимом работы водохозяйственных объектов.

Известна фундаментальная работа [3], выполненная в научно-исследовательском секторе Гидропроекта, в которой предложен апробированный метод ультразвукового контроля и дефектоскопии стыков сборно-монолитных водоводов гидроаккумулирующих электростанций. Однако применить этот метод к контролю водопроницаемости деформационных швов гидротехнических сооружений из различных герметиков (тиокола, битумно-полимерной мастики и др.) не представляется возможным без дополнительных исследований.

Автором проведены долговременные режимные натурные фильтрационные и ультразвуковые исследования деформационных швов из различных герметиков в противофильтрационных облицовках из сборных железобетонных плит НПК толщиной 6 см на мелиоративных системах Волгоградской области. Конструкция исследованных деформационных швов выполнена по патенту на изобретение ИИ № 22789221 С2 [9].

Потери воды на фильтрацию были установлены с помощью придонного филь-тромерного отсека и фильтромеров [4, 5].

Ультразвуковые исследования деформационных швов выполнены методом их поверхностного прозвучивания по ГОСТ 17624-87 [10] прибором УК-14ПМ, оснащенным пьезоэлектрическими преобразователями с диапазоном частот 42...130 кГц и аттестованным в установленном порядке по ГОСТ 8.383-80 [11]. При выполнении ультразвуковых измерений указанным методом вносилась поправка на «временную задержку» сигнала в соединительных кабелях и мембранах ультразвуковых датчиков.

Результаты комплексных натурных фильтрационных и ультразвуковых исследований деформационных швов в противофильтрационных облицовках каналов представлены в табл. 1.

По результатам исследований деформационных швов установлено следующее:

коэффициент водопроницаемости КВ деформационных швов из тиоколо-вой мастики КМ-0,5 в зависимости от качества их герметизации изменяется в пределах от 0,89-10-7 до 45,4-10-7 см/с при соответствующем изменении скорости распространения ультразвука С. в швах от 2300 до 1700 м/с;

коэффициент водопроницаемости КВ деформационных швов из битумно-поли-мерной мастики с учетом качества их герметизации составляет 1,3-10-7... 120-10-7 см/с, а скорость распространения ультразвука С.к при поверхностном прозвучивании швов — соответственно 2 300.1 600 м/с [12];

при снижении скорости распространения ультразвука С.к в деформацион-

.к

ных швах из тиоколовой мастики КМ-0,5 в 1,35 раза (2300:1700) коэффициент водопроницаемости КВ увеличивается в 51 раз (45,4:0,89);

при снижении скорости распространения ультразвука С.к в деформаци-

.к

онных швах из битумно-полимерной мастики в 1,44 раза (2300:1600) коэффициент водопроницаемости КВ увеличивается в 92,3 раза (120:1,3) [12].

Таким образом, величина скорости прохождения ультразвука С.к в деформационных швах отражает качество их герметизации, т.е. чем выше значение С.к, тем ниже коэффициент водопроницаемости КВ и, следовательно, герметичнее шов.

На основании графической интерпретации, после анализа и математической обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов, установлены градуируемые зависимости «скорость распространения ультразвука С.к — коэффициент водопрони-

.к

цаемости КВ » для деформационных швов в противофильтрационных облицовках каналов из сборных железобетонных плит НПК, которые описываются следующими уравнениями убывающих степенных функций [13]: для деформационных швов из тиоколовой мастики КМ-0,5 -Кв = 4,5-1036/С.к13;

для деформационных швов из битумно-полимерной мастики [9] -КВ = 1,348-1035/С.к125,

где 4,5; 36; 13; 1,348; 35 и 12,5 — эмпирические коэффициенты, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных.

Коэффициент корреляции зависимости (1) составляет 0,93, зависимости (2) — 0,92.

Среднее квадратическое отклонение изменения коэффициента водопроницаемости деформационных швов установлено по формуле [13]

5 =

Таблица 1

Результаты натурных фильтрационных и ультразвуковых исследований деформационных швов в противофильтрационных облицовках каналов

мелиоративных систем

Деформационные швы из тиоколовой мастики КМ-0,5 Деформационные швы из битумно-полимерной мастики

Номер Скорость Коэффициент Скорость Коэффициент

участка распространения ультразвука в шве м/с водопроницаемости (фильтрации) шва КР, Ю-7 см/с распространения ультразвука в шве С}к, м/с водопроницаемости (фильтрации) шва КР, Ю-7 см/с

1 1700 45,4 1600 120

2 1710 45,0 1620 110

3 1730 37,5 1650 75,4

4 1710 39,3 1670 71Д

5 1750 31,2 1700 56,2

6 1740 35,6 1710 49,6

7 1760 27,8 1730 47,8

8 1740 31,7 1760 35,0

9 1800 21,6 1800 27,4

10 1810 21,5 1810 26,9

11 1820 19,8 1820 23,0

12 1810 18,8 1840 22,1

13 1850 15,1 1850 19,5

14 1860 15,0 1860 17,4

15 1870 13,8 1870 17,7

16 1860 13,3 1890 14,5

17 1900 10,8 1900 14,0

18 1920 10,3 1920 12,5

19 1930 8,30 1930 10,8

20 1920 9,49 1940 11,3

21 1950 7,64 1950 10,0

22 1960 7,35 1960 9,1

23 1970 7,01 1970 9,3

24 1960 6,93 1990 7,6

25 2000 5,50 2000 7,4

26 2010 5,47 2010 7,3

27 2030 4,50 2030 5,9

28 2010 5,04 2040 6,1

29 2050 3,98 2050 5,4

30 2060 3,56 2060 4,9

31 2080 3,39 2070 5,0

32 2060 4,04 2080 4,4

33 2080 3,20 2090 4,3

34 2100 2,92 2100 4,0

35 2120 2,73 2120 3,4

36 2140 2,37 2130 3,5

37 2120 2,43 2140 3,1

38 2140 2,19 2140 3,6

39 2150 2,15 2150 3,0

40 2160 2,12 2160 2,6

41 2180 1,74 2180 2,6

42 2200 1,59 2200 2,3

43 2240 1,22 2240 1,7

44 2280 1,06 2280 1,5

45 2300 0,89 2300 1,3

46 2290 0,91 2280 1,4

47 2300 0,94 2300 1,4

48 2280 0,94 2290 1,3

где К., Кв — соответственно фактическое и расчетное значения коэффициента водопроницаемости деформационных швов, см/с; N — число участков испытаний.

Для деформационных швов из тиоколовой мастики КМ-0,5, согласно зависимости (1), 5 = 0,42107 см/с; для

швов из битумно-полимерной мастики, согласно зависимости (2), 5 = 0,66-10-7 см/с.

Максимальное отклонение расчетных значений коэффициента водопроницаемости деформационных швов КВ, установленных по уравнениям (1), (2), от экспериментальных (фактических) значений К., варьирует в пределах ± 7.8 % и составляет в среднем 3,6.3,7 %.

На основании выполненных исследований автором разработан и защищен патентом РФ на изобретение современный метод ультразвукового контроля водопроницаемости деформационных швов гидротехнических сооружений (решение ФГУ ФИПС о выдаче патента по заявке № 2007102483/03 от 20.12.2007 г.). Экспериментально-производственная апробация разработанного метода контроля водопроницаемости деформационных швов гидротехнических сооружений выполнялась в 2007 г. по вышеописанной методике на участке (ПК 19+50 — ПК 22+00) магистрального канала Городищенской оросительной системы (МК ГОС) в Волгоградской области, облицованного сборными железобетонными плитами НПК со швами из тиоколовой мастики КМ-0,5 и введенного в эксплуатацию в 1975 г. [9].

Результаты натурных фильтрационных и ультразвуковых исследований деформационных швов в противофильтраци-онной облицовке МК ГОС (ПК 19+50 — ПК 22+00) представлены в табл. 2.

По результатам исследований деформационных швов из тиоколовой мастики КМ-0,5 в противофильтраци-онной облицовке магистрального канала Городищенской оросительной системы установлено следующее:

скорость распространения ультразвука при поверхностном прозвучивании деформационных швов на участке канала варьирует в пределах от 1700 до 1915 м/с и составляет в среднем 1781 м/с;

фактическое значение коэффициента водопроницаемости деформационных швов К. составляет 1,010-6...4,510-6 см/с и равно в среднем 2,976-10-6 см/с, что соответствует требованиям СНиП

2.06.03-85 [14];

расчетное значение коэффициента водопроницаемости деформационных швов Кв изменяется в пределах от 1,010-6 до 4,5410-6 см/с, что составляет в среднем 2,889 10-6 см/с;

максимальное отклонение расчетных значений коэффициента водопроницаемости деформационных швов Кв, установленных по градуируемой зависимости (1), от экспериментальных значений К. составляет ± 7 % и в среднем равно

ZISjI

1 = 5,7%, что свидетельствует о доста-

п

точно высокой точности предлагаемого метода контроля водопроницаемости швов.

Разработанный ультразвуковой метод контроля водопроницаемости деформационных швов в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений позволяет исключить трудоемкую и не всегда возможную, в связи со специфическим технологическим режимом работы сооружений, установку фильт-ромеров и придонных фильтромерных отсеков и значительно снизить трудозатраты, стоимость и продолжительность исследовательских работ по определению фильтрации через швы бетонных и железобетонных конструкций (в основном противофильтрацион-ных облицовок каналов и водоемов).

Работа выполнена в рамках программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россель-хозакадемии по научному обеспечению развития АПК РФ на 2006-2010 гг. по этапу 03.01.02.03 «Разработать комплекс высокотехнологичных приемов производства ремонтно-эксплуатацион-ных работ на мелиоративных каналах для восстановления их функциональных проектных параметров ».

Выводы Существующие способы измерения потерь воды на фильтрацию через противофильтрационные конструкции с помощью фильтромеров и придонных фильтромерных отсеков отличаются значительной трудоемкостью, чрезмерной продолжительностью испытаний

Таблица 2

Результаты натурных и теоретических фильтрационных и ультразвуковых исследований деформационных швов из тиоколовой мастики КМ-0,5 в противофильтрационной облицовке МК ГОС

Номер шва Скорость распространения ультразвука при поверхностном прозвучивании, С*, м/с Коэффициент водопроницаемости деформационных швов, 10~6 см/с

Фактический К^ Ю-6 см/с Расчетный по зависимости (1) Кв, Ю-6 см/с Погрешность 8}, %

1 1870 1,242 1,317 -6,0

2 1810 2,121 2,010 5,2

3 1760 3,113 2,895 7,0

4 1900 1,161 1,085 6,5

5 1860 1,330 1,412 -6,2

6 1710 3,940 4,209 -6,8

7 1700 4,243 4,540 -7,0

8 1750 3,330 3,120 6,3

9 1900 3,015 1,085 -6,9

10 1760 2,710 2,895 -6,8

11 1910 1,070 1,000 6,5

12 1915 1,000 0,965 3,5

13 1710 4,500 4,209 6,5

14 1800 2,038 2,160 -6,0

15 1950 1,618 1,512 6,6

16 1740 3,142 3,363 -7,0

17 1730 3,875 3,626 6,4

18 1810 2,141 2,010 6Д

19 1710 4,377 4,209 3,8

20 1730 3,900 3,626 -7,0

21 1820 1,748 1,870 -7,0

22 1700 4,365 4,540 -4,0

23 1740 3,616 3,363 7,0

24 1750 2,930 3,120 -6,5

25 1715 4,364 4,059 7,0

26 1830 1,640 1,741 -6,2

27 1705 4,500 4,376 2,6

28 1720 4,200 3,905 7,0

29 1715 3,870 4,059 -4,9

30 1705 4,168 4,376 -5,0

Среднее значение 1781 2,976 2,889 И 8. , , ^ 1 = 5,7 п

(их не всегда можно применить для фильтрационных исследований деформационных швов в связи со специфическим режимом эксплуатации гидротехнических сооружений).

Анализ действующих в России и за рубежом нормативно-технических и методических документов (санитарных норм и правил, государственных стандартов, руководств, инструкций, методических рекомендаций и др.) позволил установить, что в них отсутствуют методы ультразвукового контроля водопроницаемости деформационных швов

№ 1' 2009

гидротехнических сооружений.

На основе теоретических и натурных исследований автором разработан и защищен патентом на изобретение современный экспериментально-расчетный метод ультразвукового контроля водопроницаемости деформационных швов противофильтрационных конструкций мелиоративных гидротехнических сооружений, преимущественно защитных облицовок каналов и водоемов, учитывающий реальные условия их эксплуатации.

Проведенные исследования позволяют

(85

рекомендовать разработанный метод ультразвукового контроля водопроницаемости деформационных швов гидротехнических сооружений для их диагностирования при строительстве, эксплуатации и реконструкции водохозяйственных объектов. Этот метод контроля, не требующий нарушения целостности конструкций, имеет достаточную для производственных условий точность и достоверность.

Список литературы

1. Алимов, А. Г. Натурные исследования противофильтрационных одежд оросительных каналов [Текст] / А. Г. Алимов, Э. И. Гольденберг, В. М. Иванов // Гидротехника и мелиорация. — 1977. — № 8. — С. 33-38.

2. Алимов, А. Г. Эффективность и надежность облицовок оросительных каналов [Текст] / Алимов А. Г. // Гидротехника и мелиорация. — 1982. — № 4. — С. 31-35.

3. Филонидов, А. М. Ультразвуковая дефектоскопия стыков сборно-монолитных водоводов Загорской ГАЭС [Текст] / А. М. Филонидов // Гидротехническое строительство. — 1988. — № 5. — С. 24-26.

4. А. с. БИ № 151137, А 1. М. кл3. О Е 02 В 13/00. Способ определения абсолютных фильтрационных потерь на участке ирригационного канала [Текст] / Г. В. Абелишвили. — № 754261/30-15 ; за-явл. 30.11.61 ; опубл. В 1962 г., Бюл. № 20.

5. А. с. БИ № 592915. М. кл2. Е 02 В 3/16 А 01 О 25/00. Устройство для определения потерь воды в канале через противофильтрационные облицовки [Текст] / В. М. Бойко, Е. А. Богатов. — № 2379895/29-15 ; заявл. 14.06.76 ; опубл. 15.02.78, Бюл. № 6.

6. А. с. БИ № 918385. М. кл3. Е 02 В 3/16. Способ измерения потерь воды [Текст] / В. М. Бойко. — № 3007185/29-15 ; заявл. 24.11.80 ; опубл. 07.04.82, Бюл. № 13.

7. А. с. SU № 1532645, А 1. М. кл3. Е 02 В 1/02. Устройство для измерения фильтрационных потерь [Текст] / А. В. Ищенко, Р. Р. Галицкий, Т. С. Косенко, В. А. Рыбалкин. — № 4398887/23-15 ; заявл. 28.03.88 ; опубл. 30.12.89, Бюл. № 48.

8. Зоценко, А. Ф. Измерение потерь воды приборами фильтромерами [Текст] / А. Ф. Зоценко // Мелиорация и водное хозяйство. — 1990. — № 10. — С. 44-46.

9. Пат. № 2278921 Российская Федерация, С 2 МПК7 Е 02 В 3/ 16 (2006.01). Деформационный шов сборной облицовки каналов [Текст] / Алимов А. Г. — № 2004126810/03 ; за-явл. 06.09.04 ; опубл. 27.06.06, Бюл. № 18.

10. ГОСТ 17624-1987. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности [Текст]. — М. : Изд. стандартов, 1987. — 26 с.

11. ГОСТ 8.383-1980. ГСИ. Государственные испытания средств измерений. Основные положения [Текст]. — М. : Изд. стандартов, 1980.

12. А. с. № 1548200 А1, МКИ3 С 09 D 123/04, С 09 К 3/10. Состав мастики для герметизации и гидроизоляции [Текст] / В. В. Карпунин, А. Г. Алимов (СССР) ; заявитель и патентообладатель Волж. госуд. проектно-изыскат. ин-т по проектир. водохоз. объектов. — № 4337440/23-05 ; заявл. 17.12.87 ; опубл. 07.03.90, Бюл. № 9. — 8 с.

13. Длин, А. М. Математическая статистика в технике [Текст] / А. М. Длин. — М. : Советская наука, 1958. — 466 с.

14. Строительные нормы и правила 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения [Текст] / Госстрой СССР. — М. : ЦНТП Госстроя СССР, 1986. — 60 с.

Материал поступил в редакцию 22.03.2008.

Алимов Анатолий Георгиевич, канд. техн. наук, зам. директора по науке Тел. 8 (8442) 35-55-76 E-mail: pniimt@vistcom.ru