Бассейн для испытания гидроизоляционных геосинтетических материалов (ГСМ) в естественных условиях
POOL FOR TESTING WATERPROOFING GEOSYNTHETIC MATERIALS (GSM) IN NATURAL CONDITIONS

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для комплексного натурного исследования эффективности работы ГСМ в составе элементов реальных конструкций противофильтрационных элементов (ПФЭ) грунтовых гидротехнических сооружений (ГТС), в условиях максимально приближенных к фактическим условиям работы конкретного ГТС.
Бассейн для испытания гидроизоляционных ГСМ в естественных условиях устраивают на выделенном участке реального объекта с целью изучения преимуществ, недостатков и эксплуатационных характеристик ГСМ в различных конструкциях ПФЭ.
Известен опытно-экспериментальный полигон для испытания ГСМ, состоящий из 22 секций (по числу исследуемых материалов) и одной сравнительной секции без применения ГСМ (Журнал «Дороги. Инновации в строительстве». Выпуск №59, февраль 2017 г., С. 18-21). Исследуемые ГСМ заложены в качестве разделяющей или армирующей прослойки в слои основания дорожной одежды (щебеночно-песчаная смесь или песок) или в пакет асфальтобетонных слоев покрытия. Для получения всесторонних достоверных данных в асфальтобетонное покрытие вмонтирован датчик температуры. На полигоне установлен пункт учета интенсивности движения, метеостанция, на которой определяют гидрометеорологические характеристики.
Недостатком аналога является то, что ГСМ в ГТС работают в конструкциях, отличающихся от конструкций, принятых для дорожных покрытий. Конструкции ГТС с ГСМ в своем составе работают в условиях воздействия воды: при статическом воздействии, при переменном уровне, при динамическом воздействии (скоростной поток), при волновом воздействии, а в период с отрицательными температурами испытывают воздействие ледовых нагрузок.
Кроме того, конструкции ГТС с ГСМ работают не только в горизонтальных плоскостях, но и на наклонных плоскостях, например, откосах грунтовых ГТС и на откосах каналов.
Известен опытно-производственный полигон на открытом деривационном канале, предназначенный для исследований эффективности применения ГСМ в конструкциях грунтовых ГТС (Научно-технический отчет по договору №1010-238-135-2017/№1-407-471 «Исследование новых технологий по ремонту и восстановлению элементов ГТС с увеличением сроков службы и надежности, разработка руководства по внедрению. Этап 3. Апробация технических решений, материалов и методов ремонта элементов гидротехнических сооружений. Часть 3. Разработка технологии применения современных изоляционных материалов для покрытия дна и откосов деривационных каналов», АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», СПб, 2019 г. С. 12-19; и журнал Известия ВНИИГ, том 301, 2021 г., С. 13-30 С.В. Сольский, Е.Е. Легина, С.А. Быковская, П.В. Кондратенко, П.Н. Белоусов. «Результаты исследования эффективности применения геосинтетических материалов в конструкции грунтовых гидротехнических сооружений на опытном полигоне»), состоящий из трех участков (испытательных бассейнов) с различным покрытием дна (естественное основание) и бортов канала, например, грунтовое покрытие, бентонитовые маты или геомембрана с установленными на нем пьезометрами системы мониторинга, предназначенными для контроля уровня грунтовых вод в грунтах основания полигона и для выполнения исследований фильтрационных свойств грунтов с помощью опытно-фильтрационных методов. На каждом участке канала в подстилающем слое под исследуемыми материалами заложены закладные пластиковые трубы для выполнения замеров параметров с помощью датчиков влажности грунта и температуры в бортах и основании канала.
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа, является то, что он работает в условиях действующей гидроэлектростанции (ГЭС), которая является предприятием непрерывного цикла и имеет крайне ограниченные возможности перебора большого количества материалов для исследования; при постоянном расходе воды в подводящем канале нет возможности проводить испытания ГСМ с переменным уровнем (для водного объекта с переменным уровнем); на полигоне прототипа утечки можно определить только по косвенным показателям, определить количественное значение фильтрационных утечек не представляется возможным; ГЭС работает на проточной воде, поэтому нет возможности исследовать влияние химического состава воды или испытательной жидкости на ГСМ в конструкции ПФЭ; на полигоне прототипа нет возможности исследовать работу ГСМ для других элементов ГТС (откосов с различным заложением, понура, экрана, диафрагмы и др.).
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в исследовании эффективности и надежности работы ГСМ в конструкциях ПФЭ грунтовых ГТС и в обеспечении возможности проведения исследований технических характеристик образцов ГСМ, изъятых после долгосрочной работы в конструкции ПФЭ грунтовых ГТС.
Для достижения указанного технического результата в бассейне для испытания гидроизоляционных геосинтетических материалов (ГСМ) в естественных условиях, содержащем бассейн, имеющий дно и борта и оснащенный системой мониторинга, состоящей из пьезометра для контроля уровня грунтовых вод в естественном основании бассейна и закладных пластиковых труб для проведения замеров параметров с помощью датчиков влажности и температуры, система мониторинга содержит мерзлотомер, установленный в грунт, уложенный на борта бассейна поверх дренажного слоя, ион-селективные электроды и солемер, установленные в пьезометре, оптоволоконный кабель, уложенный поверх усиленной гидроизоляции и расходомер, установленный на дренажном трубопроводе, дно и борта бассейна изготовлены из железобетона с усиленной гидроизоляцией, при этом заложение бортов находится в диапазоне значений 1:6 - 1:4, а глубина бассейна составляет не менее 5 метров, ко дну бассейна подведены трубопровод для подачи воды или испытательной жидкости и трубопровод для ее слива, поверх усиленной гидроизоляции дна уложен дренажный слой, с расположенным в нем дренажным приямком, к которому присоединен дренажный трубопровод, дренажная система, расположенная под железобетонной плитой дна бассейна и выполнена в виде пластового или систематического дренажа с систематическими дренами, которые расположены на глубине не менее 0,5-0,8 м.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения от указанного выше прототипа являются:
установка мерзлотомера в грунт, который уложен на борта бассейна поверх дренажного слоя;
установка ион-селективных электродов и солемера в пьезометре;
укладка оптоволоконного кабеля поверх усиленной гидроизоляции и установка расходомера на дренажном трубопроводе;
изготовление дна и бортов бассейна из железобетона с усиленной гидроизоляцией;
заложение бортов бассейна в диапазоне значений 1:6 - 1:4, глубины бассейна не менее 5 метров;
подведение ко дну бассейна трубопровода для подачи воды или испытательной жидкости и трубопровода для ее слива, для регулирования уровня воды или испытательной жидкости в бассейне;
укладка поверх усиленной гидроизоляции дренажного слоя;
размещение в дренажном слое дренажного приямка;
присоединение к дренажному приямку дренажного трубопровода;
устройство дренажной системы в виде пластового или систематического дренажа с систематическими дренами под железобетонной плитой дна бассейна на глубине не менее 0,5 - 0,8 м.
Благодаря наличию этих признаков в бассейне для испытания гидроизоляционных геосинтетических материалов (ГСМ) в естественных условиях становится возможным воссоздать, на протяжении заданного периода времени, условия максимально приближенные к реально существующим на объекте (природно-климатические и гидрохимические условия, эксплуатационные нагрузки на конструкции ПФЭ грунтовых ГТС, содержащие ГСМ).
Система мониторинга, включающая пьезометр, с установленными в нем солемером и ион-селективными электродами, позволяет осуществлять контроль химического состава и уровня грунтовых вод в естественном основании бассейна, контроль влажности, температуры и наличия процессов промерзания в слое грунта, уложенного на борта бассейна осуществляется при помощи датчиков влажности и температуры, установленных в закладных пластиковых трубах, а также мерзлотомера, для определения участков протечек и эффективности работы ГСМ используется оптоволоконный кабель, уложенный поверх усиленной гидроизоляции, расходомер, установленный на дренажном трубопроводе, позволяет определять расходы профильтровавшейся через ГСМ воды или испытательной жидкости. Использование системы мониторинга позволяет получить количественные показатели регистрируемых параметров.
Конструкция бассейна, выполненная с усиленной гидроизоляцией, обеспечивает экологическую и эксплуатационную безопасность при проведении испытаний, что позволяет проводить испытания с испытательными жидкостями различного химического состава без ущерба для окружающей среды.
Предлагаемая конструкция бассейна позволяет проводить определение технических характеристик образцов ГСМ после периода долгосрочной работы в условиях максимально приближенных к реально существующим на объекте в конструкции ПФЭ грунтовых ГТС.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлен разрез бассейна для испытания гидроизоляционных ГСМ в естественных условиях.
Бассейн для испытания гидроизоляционных ГСМ в естественных условиях состоит из бассейна 1, дно и борта которого изготовлены из железобетона с усиленной гидроизоляцией 2, оптоволоконного кабеля 3, уложенного поверх усиленной гидроизоляции 2, слоя грунта 4, уложенного на дно и борта бассейна 1, закладных пластиковых труб 5 для установки датчиков влажности, температуры и мерзлотомера, установленного в слой грунта 4, уложенного на борта бассейна 1, испытуемого ГСМ 6 входящего в состав ПФЭ, трубопровода 7 для слива воды или испытательной жидкости, подведенного ко дну бассейна 1, дренажного трубопровода 8 с установленным на нем расходомером 9, запорного вентиля 10 дренажного трубопровода 8, дренажного приямка 11 расположенного в дренажном слое 12, трубопровода 13 подачи воды или испытательной жидкости, подведенного ко дну бассейна 1, систематических дрен 14, расположенных под железобетонной плитой дна бассейна 1, пьезометра 15, с установленными в нем солемером 16 и ион-селективными электродами 17.
Бассейн для испытания гидроизоляционных ГСМ в естественных условиях работает следующим образом.
В естественном основании устраивают дренажную систему в виде пластового или систематического дренажа, обеспечивающую отсутствие воздействия подземных вод на работу бассейна 1. Систематические дрены 14 располагают под железобетонной плитой дна бассейна 1 на глубине не менее чем 0,5-0,8 м.
С помощью пьезометра 15, с установленными в нем солемером 16 и ион-селективными электродами 17, контролируют уровень грунтовых вод и наличие химических загрязнителей, свидетельствующих об утечках из бассейна 1.
Ко дну бассейна 1 подводят трубопроводы 13 и 7 для подачи воды или испытательной жидкости и ее слива, позволяющие осуществлять регулирование уровня воды или испытательной жидкости в бассейне 1. В дренажном слое 12 устраивают дренажный приямок 11 для сбора профильтровавшейся через ГСМ 6 воды или испытательной жидкости.
Дренажный приямок 11 соединен с дренажным трубопроводом 8, на котором установлены запорный вентиль 10 и расходомер 9 для определения расходов профильтровавшейся через ГСМ 6 воды или испытательной жидкости. Перед проведением испытаний запорный вентиль 10 дренажного трубопровода 8 устанавливают в открытое положение. Учет фильтрационных утечек позволяет выполнять оценку работы испытуемого ГСМ 6.
На дно и борта бассейна 1, с заложением бортов в диапазоне значений 1:6 - 1:4, и глубиной не менее 5 метров, укладывают слой усиленной гидроизоляции 2. Заложение бортов в диапазоне значений 1:6 - 1:4 и глубина не менее 5 метров обеспечивают возможность воспроизведения конструкции исследуемого элемента ГТС в чаше бассейна 1. Усиленная гидроизоляция 2 предназначена для минимизации риска утечек воды или испытательной жидкости из бассейна 1. Поверх усиленной гидроизоляции 2 прокладывают оптоволоконный кабель 3 с датчиками температуры и влажности для определения участков протечек, отсыпают дренажный слой 12, затем отсыпают слой грунта 4 на дно и борта бассейна 1. В грунт 4, уложенный на борта бассейна 1 поверх дренажного слоя 12, устанавливают закладные трубы 5 для монтажа датчиков влажности и температуры, устанавливают мерзлотомер. Затем воссоздают конструкцию исследуемого элемента ГТС (откоса, понура, канала, экрана, диафрагмы и др.), при этом целиком воспроизводят конструкцию ПФЭ, для чего отсыпают подстилающий слой грунта, осуществляют раскладку и стыковку полотнищ испытуемого ГСМ 6, затем отсыпают защитный слой грунта. Бассейн 1 через трубопровод 13 подачи воды заполняют водой или испытательной жидкостью, в процессе долгосрочного эксперимента по разработанной программе систематически замеряют контролируемые показатели, при необходимости изменяют уровень воды или испытательной жидкости. После окончания исследования бассейн 1 опорожняют через трубопровод 7 для слива воды или испытательной жидкости, конструкцию ПФЭ разбирают, отбирают образцы ГСМ 6 для дальнейших лабораторных исследований.
В предлагаемом бассейне 1 для испытания гидроизоляционных ГСМ в естественных условиях возможно:
параметры бассейна 1 (заложение бортов в диапазоне значений 1:6 - 1:4, глубина не менее 5 метров) позволяют воспроизводить в чаше бассейна 1 широкий диапазон конструктивных параметров различных конструкций ПФЭ для различных элементов ГТС (откоса, понура, канала, экрана, диафрагмы и др.),
проводить исследования всех этапов цикла закладки и эксплуатации ГСМ 6 в реальную конструкцию (включая воспроизведение материала реального основания),
моделировать изменения уровней воды или испытательной жидкости в бассейне 1 и исследовать работу ГСМ 6 в зоне переменного уровня,
получать данные о динамике влажности грунтов основания, расходе, возможных протечках, данных об участке промораживания ГСМ 6 в период года с отрицательными температурами,
проводить исследования для оценки влияния различных испытательных жидкостей (различного химического состава) на ГСМ 6,
исследовать разные типы ГСМ 6, после проведения испытаний, изымать один материал, исследовать его характеристики, потом укладывать другой.