Способ защиты водоналивных дамб от механических повреждений движущимися в воде предметами
METHOD FOR PROTECTING WATER-FILLED DAMS FROM MECHANICAL DAMAGE INFLICTED BY OBJECTS MOVING IN WATER

Изобретение относится к способам создания защитных барьеров для водоналивных дамб, способных предотвращать их механические повреждения движущимися в воде предметами.
Известно, что водоналивная защитная дамба (ВЗД) является мобильным гидрозащитным сооружением, заполняемым водой под небольшим избыточным давлением и представляющее собой гибкую протяженную конструкцию трубчатой формы, оболочка которой изготовлена из материалов с полимерным пленочным покрытием, нанесенным на тканевую основу.
В качестве укрепляющего элемента оболочки используется армирующая сетка. За счет своей конструкции и применяемых материалов водоналивная дамба обладает отрицательной плавучестью. Дамбы состоят из отдельных модулей, каждый длиной, как правило, 10; 20 или 40 м и диаметром в наполненном состоянии от 30 см до 120 см. Используют водоналивные дамбы для перегораживания русел рек, отвода ливневых вод, наращивания стационарных дамб и т.д.
В период использования такая дамба испытывает неоднократные механические воздействия (удары, трение) различных предметов, движущихся в потоке воды, которые могут привести к повреждению оболочки, потери герметичности дамбы и утраты ее работоспособности. Ремонт дамбы, учитывая ее размеры, массу, условия эксплуатации достаточно сложен, трудоемок, требует значительных финансовых затрат, затрудняет или делает невозможным проведение гидрозащитных работ потому, что, как правило, ремонт подразумевает временное снятие дамбы с эксплуатации. Хотя, по заявлениям фирм производителей, материалы, используемые для изготовления ВЗД, обладают повышенной устойчивостью к механическим воздействиям. Фирмы, тем не менее, рекомендуют перед установкой дамбы убедиться в отсутствии на поверхности, предназначенной для монтажа дамбы, предметов, которые могут повредить эластичную оболочку (рекламные проспекты ООО Научно-производственная фирма «Политехника» (ООО НПФ «Политехника») сайт: www.flexico.ru).
Кроме того, фирмы изготовители не приводят конкретные параметры защитных свойств оболочки от механических воздействий.
Известны водоналивные защитные дамбы фирм «Mobildeich» (Германия) (сайт: www.mobildeich.de, рекламные проспекты) и «Бивер» производства «Beaver Blachen Ltd.» (Гросванген/Люцерн, Швейцария) (Сайт: http://www.beaver-ag.com) с дополнительными конструктивными элементами защиты от механических воздействий и подмыва дамбы.
В качестве защитного элемента служит кожух из полимерного материала, представляющий собой прямоугольное полотно, которым накрывают дамбу по всей длине определенным образом подбивая его под основание дамбы.
При изгибах дамбы за счет деформации полотна в кожухе могут образовываться складки и щели, в которые могут попасть посторонние предметы. Кроме того, при сильном волнении кожух может частично сорвать с дамбы. Армирующая сетка также не может служить надежным защитным элементом, поскольку не покрывает всю поверхность дамбы.
Фирма «MegaSecurEurop» (Франция) (Сайт: http://www.megasecur.com) разработала специальные противопаводковые мягкие плоско складывающиеся дамбы мембранного типа. По заверению фирмы дамба изготавливается из полиэфирной ткани с ПВХ покрытием, очень устойчивым к истиранию и разрыву. Свойства материала придают дамбе стойкость против различных плавающих предметов за счет свой гибкости, без риска разрыва, или потери устойчивости.
Тем не менее, фирма не приводит каких-либо конкретных результатов испытаний по показателю устойчивости к механическим воздействиям, либо числовых значений этих показателей. Дамбы этой же фирмы для защиты гаражей имеют тканое полотно из полиэтилена с меньшим сопротивлением истиранию. Опять же не приводится каких-либо конкретных численных значений, по которым можно сделать вывод о стойкости к механическим воздействиям.
В патенте США № 4981392 от 01.01.1991 года описан водоналивной структурный модуль, который предназначен для построения временных дамб и связанных с ними сооружений. Материал модуля - виниловая пленка или аналогичные водонепроницаемые материалы, такие как поливинил-хлорид («PVC» или «винил»), что способствует малой удельной массе, небольшому объему. Примерная толщина материала от 0,2 мм до 0,5 мм в зависимости от условий эксплуатации. Модули, уложенные в той части дамбы, где они могут столкнуться с плавающими бревнами, мусором и т.п., должны быть изготовлены из более толстого материала, в то время как в более благоприятных условиях он может быть тоньше. Материал может быть усилен волокнами для повышения прочности.
Приведенное в патенте описание по прочностным характеристикам носит декларативно-рекламный характер и не подтверждается конкретными показателями стойкости к физико-механическим воздействиям.
В патенте РФ № 2292415 от 20.06.2005 г., опубл. 27.01.2007 г., кл. Е02В 3/10 приводится описание способа создания дамбы для экстренной защиты объектов различного назначения от наводнений, для чего на местности расстилают мягкие водонепроницаемые оболочки и заполняют их внутренние полости водой, придавая оболочкам пространственную форму и образуя, таким образом, водоподпорную дамбу. Мягкие оболочки, заполненные водой, в теле дамбы в напряженном состоянии обеспечивают автоматическую герметичность ее даже в случае прокола нескольких оболочек защитного сооружения, так как рядом лежащие оболочки в этом случае быстро замещают пространство "спущенных" оболочек. Дамба, таким образом, сама себя "залечивает". Оболочки выполняются из композитного полимера в заводских условиях, по стоимости соизмеримого со стоимостью упаковочного материала, и потому могут быть одноразового использования. Кроме того, одноразовым оболочкам временной дамбы можно придать «вторую жизнь», используя их в качестве тары (мешков) для всевозможных сыпучих тел.
Данный способ представляет трудоемкий процесс укладки мягких оболочек тем более, если дамбу необходимо проложить на большие расстояния. Кроме того, повреждение оболочек приводит к изменению размеров и геометрии дамбы, что снижает эффективность проводимых гидрозащитных мероприятий.
Таким образом, приведенные технические решения и способы не могут рассматриваться как обеспечивающие надежную защиту водоналивных дамб от механических воздействий. Кроме того, в случае повреждения защитных элементов с целью их замены водоналивную дамбу все равно приходится выводить из эксплуатации.
Известны другие способы защиты от плавающих предметов. Например, плавучее устройство для удержания и/или сбора плавающего мусора с поверхности воды (патент Франции № 2907811 от 27.10.2006 г. опубл. 02.05.2008 г., кл. Е02В 15/04). Также существует (патент Франции № 2909111 от 29.11.2006 г. опубл. 30.05.2008 г., кл. Е02В 15/04) устройство для отклонения плавающего мусора, которое содержит средства для создания водного потока на поверхности реки выше по течению от защищаемого сооружения для отбора воды. Указанный водный поток позволяет отвести мусор от защищаемого сооружения. Известно также (патент Франции № 2735509 от 15.06.1995 г. опубл. 20.12.1996 г., кл. Е02В 15/00) устройство для отклонения с пути движения твердых отходов, плывущих в потоке воды, и установка их рекуперации.
Указанные способы подразумевают использование самостоятельных технических средств, никак не связанных с конструкцией водоналивных дамб, что ограничивает их применение для обозначенной в заявке цели. Кроме того, их применение усложняет общую систему противопаводковых мероприятий, увеличивает их стоимость и время проведения необходимых работ.
Известно защитное ограждение на воде для защиты судов от нападения со стороны открытой воды, которое содержит несколько плавучих устройств в виде панелей и несколько волокнистых сетей (патент US 8007202 от 02.08.2006 г. опубл. 30.08.2011 г., кл. Е02В 15/06). Сети содержат волокна высокой прочности, которые ориентированы в горизонтальном направлении и связаны с плавучими панелями. Панели связаны несколькими параллельными сетями, отстоящими по вертикали друг от друга примерно на 30,5 см. Ограждение отстоит от защищаемого судна.
Описанное заграждение функционально никак не связано с защищаемым объектом. Не приводятся параметры защиты от механических воздействий. Плавучие устройства в виде панелей с волокнистыми сетями представляются достаточно сложной дорогостоящей конструкцией, требующей для ее разворачивания и сворачивания после применения определенное время и, возможно, использование специальных технических средств, в том числе мобильных. Введение в комплектацию водозащитной дамбы такого специального ограждения существенно увеличит стоимость дамбы, ее массогабаритные характеристики в транспортном положении.
Кроме того, все описанные защитные конструкции, судя по описанию, не обладают переменной плавучестью, а значит не могут обеспечить защиту на различных уровнях защищаемого объекта, в том числе под водой.
В качестве прототипа выбран плавучий ограждающий комплект (патент Великобритании № 2465288 от 29.04.2008 г., опубл. 19.05.2010 г., кл. Е02В 15/26 (В63В 59/02), предназначенный для сохранения бонового или другого плавучего заграждения. Плавучий ограждающий комплект - ограждающая система отстоит на заданное расстояние от защищаемой конструкции. Система содержит внутренний, наружный элементы, между которыми расположены несколько сжимаемых элементов. Система имеет складную форму, при которой расстояние между внутренним и наружным элементами меньше, чем заданное расстояние до защищаемой конструкции.
Рассмотренная система функционально наиболее подходит для механической защиты водоналивных дамб. Тем не менее она обладает теми же недостатками, что и предыдущие защитные системы. Ее применение требует дополнительной комплектации дамбы, что увеличивает массогабаритные характеристики дамбы, ее стоимость, делает необходимым проведение мероприятий по развертыванию защитной системы и ее свертыванию. Кроме того, судя по описанию, конструкция защитной системы не позволяет менять ее плавучесть, обеспечивая защиту на различных высотных уровнях дамбы, как подводных, так и надводных.
Заявляемый способ защиты водоналивной дамбы от физико-механических повреждений устраняет вышеперечисленные недостатки.
В комплектацию водоналивных дамб входят рукава пожарные напорные ГОСТ Р 51049-2008, с помощью которых происходит заполнение дамбы водой. Рукава имеют внутренний диаметр 51 мм (DN 50), 66 мм (DN 65) и 77 мм (DN 80), длину - не менее 20 м и соединяются между собой герметично с помощью рукавных головок. После заполнения дамбы водой на период ее эксплуатации рукава не используются.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособного состояния и целостности мягких водоналивных дамб.
Указанная цель достигается тем, что в способе защиты водоналивной дамбы от механических повреждений движущимися в воде предметами, заключающемся в создании средства защиты мягкой оболочки дамбы от механических повреждений, в качестве средства защиты мягкой оболочки дамбы от механических повреждений используют рукава пожарные напорные, входящие в комплект дамбы для заполнения ее водой, причем названные рукава заполняют воздухом для придания рукавам положительной плавучести с возможностью подъема или притапливания рукавов, что обеспечивают защиту дамбы на разных уровнях по высоте и по всей длине дамбы.
Технический эффект предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Рукава пожарные напорные, заполненные воздухом, обладают положительной плавучестью (Приложение).
Поднимая или притапливая рукава в воде можно обеспечить защиту на различных уровнях по высоте дамбы. Герметично соединяя рукава с помощью рукавных головок, возможно создать достаточно протяженную защитную линию. Соединение рукавов с помощью головок обеспечивает герметичность при избыточном давлении до 2 МПа. Заполнение рукавов воздухом производится воздуходувкой (компрессором), также входящей в комплект дамбы для продувки ее после применения.
-1
Рукава пожарные напорные, исходя из своего предназначения, обладают повышенной стойкостью к механическим воздействиям. Показатели стойкости к механическим воздействиям нормируются в ГОСТР 51049-2008. Используются рукава с двухсторонним (внешним и внутренним) покрытием, как обладающие наибольшей стойкостью к механическим воздействиям. Например, стойкость таких рукавов к абразивному износу при трении о шлифовальную шкурку 14А8Н ГОСТ 13344 составляет не менее 150-200 циклов до потери герметичности. Прочность связи внутреннего покрытия с каркасом рукава - не менее 10 Н⋅см. Толщина внешнего защитного водонепроницаемого покрытия - не менее 0,3 мм.
Рукава располагают вдоль дамбы. Длина рукава по ГОСТ Р 51049 должна быть 20 м, что как правило соответствует, либо кратно длине одного модуля дамбы. Герметично соединяя между собой рукава в протяженную защитную линию обеспечивается защита дамбы по всей ее длине. Крепить рукава к дамбе можно или с помощью чалок, входящих в комплект дамбы, или подсовывая рукава под защитную сетку дамбы. Пожарный напорный рукав является гибким трубопроводом (ГОСТ Р 51049-2008) и за счет этого при возможных изгибах дамбы повторяет ее конфигурацию, плотно прилегая к дамбе. Кроме того, рукав дополнительно прижимает к дамбе полотно защитного кожуха.
В случае повреждения рукава его можно легко заменить или отремонтировать, не выводя из эксплуатации саму дамбу.
Применение способа изображено схематично на фигуре.
Устройство состоит из: модулей дамбы, рукавов пожарных, компрессора, запорного устройства.
Заявляемое техническое решение может быть использовано следующим образом.
Для защиты строений при угрозе паводка (наводнения) вдоль береговой линии устанавливается дамба, состоящая из модулей. Дамба заполняется водой. Затем перед ней со стороны реки прокладываются пожарные рукава, соединяемые в герметичную линию, в которые компрессором подается воздух под давлением. При подъеме уровня воды в реке рукава, находясь на поверхности, создают преграду плывущим по реке предметам. Крепится рукав к дамбе любыми способами, в том числе с помощью приспособлений и комплектующих, входящих в состав дамбы. В зависимости от паводковой обстановки, уровня подъема воды, размеров и состава плывущих предметов можно поднимать либо притапливать рукава относительно поверхности воды.
Приложение
РАСЧЕТ ПЛАВУЧЕСТИ ДВУХСТОРОННИХ РУКАВОВ ПОЖАРНЫХ DN50,65,80
Т
А
1. Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F и силы Архимеда F, которые действуют на это тело. Возможны три варианта (случая):
Т
А
• F>F - тело тонет;
Т
А
• F=F - тело плавает в жидкости или газе;
Т
А
• F<F - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
t
s
Другая формулировка (где ρ - плотность тела, ρ - плотность среды, в которую оно погружено):
t
s
• ρ>ρ - тело тонет;
t
s
• ρ=ρ - тело плавает;
t
s
• ρ<ρ - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Т
Сила тяжести (F) вычисляется по формуле:
возд
где m - масса воздуха находящегося в рукаве, кг;
рук
m - масса рукава рукава, кг*;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
*Масса рукава соответствующего условного прохода равна сумме масс рукава и двух навязанных рукавных головок соединительных пожарных соответствующего условного прохода:
DNрук
где m - масса рукава соответствующего условного прохода, кг;
DNгол
m - масса двух рукавных головок соответствующего условного прохода, кг.
А
в
Т
Выталкивающая сила F (Архимедова сила) равна произведению плотности жидкости (ρ - вода), объема тела погруженного в жидкость (V) и ускорения свободного падения (g):
2. Необходимые параметры для вычислений:
2.1 Масса головок соединительных пожарных
*Источник: НПБ153-2000* «Техника пожарная. Головки соединительные пожарные. Технические требования пожарной безопасности Методы испытаний»
2.2 Масса рукавов
*Источник: ГОСТ Р 51049-2008 «Техника пожарная. Рукава пожарные напорные. Общие технические требования. Методы испытаний»
2.3 Длина рукава в скатке: 20±1 м.
*Источник: ГОСТ Р 51049-2008 «Техника пожарная. Рукава пожарные напорные. Общие технические требования. Методы испытаний»
2.4 Внутренний диаметр рукава
*Источник: ГОСТ Р 51049-2008 «Техника пожарная. Рукава пожарные напорные. Общие технические требования. Методы испытаний»
2.5 Толщина стенки рукава: S=0,003 м.
3. Расчет производится при нормальном атмосферном давлении в двух вариантах: при температуре воды и воздуха 10°С и 26°С.
3.1 Объем рукавов
Рукава имеют цилиндрическую форму.
2
Объем цилиндра рассчитывается по формуле: V=πrL=Sh;
где:
π=3,14 - число Пифагора;
r - радиус, м*;
L=20 м - длина скатки рукава.
1
* r=0,0255; 0,033; 0,0385, м - внутренний радиус рукава, соответственно DN50, 65, 80.
2
r=0,0285; 0,036; 0,0415, м - внешний радиус рукава, соответственно DN50, 65, 80.
Внутренний объем рукавов:
1DN50
2
3
V=3,14×0,0255×20=0,0408357 м - объем воздуха в рукаве с условным проходом 50.
2DN65
2
3
V=3,14×0,033×20=0,0683892 м - объем воздуха в рукаве с условным проходом 65.
3DN80
2
3
V=3,14×0,0385×20=0,0930853 м - объем воздуха в рукаве с условным проходом 80.
возд
3.2 Масса воздуха в рукавах: m=ρ×V
1t10
3
ρ=1,247 кг/м* - плотность сухого воздуха при температуре 10°С и нормальном атмосферном давлении
2t26
3
P=1,181 кг/м* - плотность сухого воздуха при температуре 26°С и нормальном атмосферном давлении
* Источник: Краткий справочник по физике. Издание второе, испр. и дополн. /А.С. Енохович
50t10
m=1,247×0,0408357=0,051 кг - масса воздуха в рукаве с условным проходом 50 при температуре воздуха 10°С.
65t10
m=1,247×0,0683892=0,085 кг - масса воздуха в рукаве с условным проходом 65 при температуре воздуха 10°С.
80t10
m=1,247×0,0930853=0,116 кг - масса воздуха в рукаве с условным проходом 80 при температуре воздуха 10°С.
50t26
m=1,181×0,0408357=0,048 кг - масса воздуха в рукаве с условным проходом 50 при температуре воздуха 26°С.
65t26
m=l,181×0,0683892=0,081 кг - масса воздуха в рукаве с условным проходом 65 при температуре воздуха 26°С.
80t26
m=1,181×0,0930853=0,11 кг - масса воздуха в рукаве с условным проходом 65 при температуре воздуха 26°С.
3.3 Полный объем рукавов с учетом толщины стенки:
4DN50
2
3
V=3,14×0,0285×20=0,0510093≈0,051 м - полный объем рукава с условным проходом 50.
5DN65
2
3
V=3,14×0,036×20=0,0813888≈0,0814 м - полный объем в рукава с условным проходом 65.
6DN80
2
3
V=3,14×0,0415×20=0,1081573≈0,108 м - полный объем рукава с условным проходом 80.
3.4 Полная масса рукавов (рукав, две рукавных головки, воздух)
50t10
М=10+2×0,38+0,051=11,27 кг - полная масса рукава с условным проходом 50 при температуре воздуха 10°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
65t10
М=12+2×0,52+0,085=13,125 кг - полная масса рукава с условным проходом 65 при температуре воздуха 10°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
80t10
M=14+2×0,71+0,116=15,536 кг - полная масса рукава с условным проходом 80 при температуре воздуха 10°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
50t26
M=10+2×0,38+0,048=10,808 кг - полная масса рукава с условным проходом 50 при температуре воздуха 26°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
65t26
M=12+2×0,052+0,081=12,185 кг - полная масса рукава с условным проходом 65 при температуре воздуха 26°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
80t26
M=14+2×0,71+0,11=15,53 кг - полная масса рукава с условным проходом 80 при температуре воздуха 26°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
3.5 Сила тяжести рукавов
Т
Сила тяжести (F) вычисляется по формуле:
T
DNрук
F=M×g, Н;
DNt
где M - полная масса рукава с соответствующими условным проходом и температуре воздуха с воздуха и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода, кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
Т1
50t10
F=M×g=11,27×9,81=110,5587≈110,56 Н - сила тяжести рукава с условным проходом 50 при температуре воздуха 10°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
Т2
65t10
F=M×g=13,125×9,81=128,75625≈128,76 Н - сила тяжести рукава с условным проходом 65 при температуре воздуха 10°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
Т3
80t10
F=M×g=15,536×9,81=152,40816≈152,41 H - сила тяжести рукава с условным проходом 80 при температуре воздуха 10°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
T4
50t26
F=M×g=10,808×9,81=106,02648 Н≈106,03 Н - сила тяжести рукава с условным проходом 50 при температуре воздуха 26°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
Т5
65t26
F=М×g=12,185×9,81=119,53485 H≈119,53 - сила тяжести рукава с условным проходом 65 при температуре воздуха 26°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
Т6
80t26
F=M×g=15,53×9,81=152,3493 Н≈152,35 - сила тяжести рукава с условным проходом 80 при температуре воздуха 26°С с воздухом при нормальном давлении и двумя рукавными головками соответствующего условного прохода.
A
вод
3.6 Выталкивающая сила (Архимедова сила): F=ρgV,
A1
3t10
4DN50
F=ρ g V=999,73×9,81×0,051=500,1749163≈500,17 Н - выталкивающая сила действующая на рукав с условным проходом 50 при температуре воды и воздуха 10°С;
А2
3t10
5DN65
F=ρ g V=999,73×9,81×0,0814=798,31839582≈798,32 Н - выталкивающая сила действующая на рукав с условным проходом 65 при температуре воды и воздуха 10°С;
А3
3t10
6DN80
F=ρ g V=999,13×9,81×0,108=1059,19394≈1059,19 Н - выталкивающая сила действующая на рукав с условным проходом 80 при температуре воды и воздуха 10°С;
А4
4t26
4DN50
F=ρ g V=996,81×9,81×0,051=498,7140111≈498,71 H - выталкивающая сила действующая на рукав с условным проходом 50 при температуре воды и воздуха 26°С;
A4
4t26
5DN65
F=ρ g V=996,81×9,81×0,0814=795,98667654≈795,99 H - выталкивающая сила действующая на рукав с условным проходом 65 при температуре воды и воздуха 26°С;
А6
4t26
6DN80
F=ρ g V=996,81×9,81×0,108=1056,100258≈1056,1 Н - выталкивающая сила действующая на рукав с условным проходом 80 при температуре воды и воздуха 26°С;
где:
3t10
3
ρ=999,73 кг/м* - плотность воды при температуре 10°С;
4t26
3
ρ=996,81 кг/м* - плотность воды температуре 26°С;
* Источник: Краткий справочник физико-химических величин. Издание десятое, испр. и дополн. /Под ред. А.А. Равделя и A.M. Пономаревой
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
4DN50
3
V=0,051 м - полный объем рукава с условным проходом 50;
5DN65
3
V=0,0814 м - полный объем в рукава с условным проходом 65;
6DN80
3
V=0,1056 м - полный объем рукава с условным проходом 80.
4. ВЫВОДЫ
А
Т
Из таблицы видно, что выталкивающая сила F больше силы тяжести рукавов F, т.е. рукава имеют положительную плавучесть.
Примечания:
1. Температура не оказывает сильного воздействия на соотношение силы тяжести рукавов и выталкивающей силы воды.
2. В расчетах:
- не учитывается влияние избыточного давления воздуха в рукавах. Избыточное давление повышает плавучесть рукавов;
- приведена максимальная масса двухсторонних рукавов;
- даны минимальные значения внутренних радиусов условных проходов рукавов;
- дано максимальное значение толщины стенки рукавов (внешнего защитного покрытия, каркаса, внутренней гидроизоляционной камеры).