Обоснование противофильтрационной эффективности облицовок каналов с применением полимерных материалов

ГИДРОТЕХНИКА И ГИДРАВЛИКА

УДК 626.823.91:678.5

ОБОСНОВАНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

© 2011 г. М.А. Чернов

Российский научно-исследовательский Russian Scientific Research Institute of Land

институт проблем мелиорации Improvement Problem

Дается экспериментально-теоретическое обоснование бетонопленочных облицовок и грун-топленочных экранов. Приведены расчетные формулы для оценки водопроницаемости, с учетом случайного распределения повреждений по закону Пуассона. Представлены примеры расчетов и сопоставление результатов расчета с натурными данными на канале БСК-3.

Ключевые слова: противофильтрационная эффективность; противофильтрационная облицовка; полимерный материал; противофильтрационный элемент; геомембрана; повреждаемость.

The paper contains the experimental-theoretical justification of concrete-membrane lining and ground- membrane screens. The design equations for assessment the water permeability are given taking into account the Poisson distribution for damages. The examples for calculating and comparison the results of calculating using the in-situ data from the canal BSC-3 are presented.

Keywords: antifiltering efficiency; antifiltering lining; polymer material; antifiltering element; geomembrane; damageabilitymeters.

Существующие облицовки каналов с применением полимерных материалов (бетонопленочные и грунтопленочные) обеспечивают снижение потерь на фильтрацию до 10 раз и более [1, 2]. Вместе с тем в ряде случаев их противофильтрационная эффективность снижается, иногда практически до нуля, в результате значительной по-врежденности пленочного экрана, достигающей 0,20-0,37 % или 20-37 м2 на 1 га.

В работах [1-3] приведены общие критерии эффективности и эксплуатационной надежности облицовок, в том числе по условиям водопроницаемости.

В настоящей статье рассматривается определение основной характеристики водопроницаемости облицовки- осредненного коэффициента фильтрации с учетом натурных данных повреждаемости пленочного противофильтрационного элемента (ПФЭ) облицовки.

Для получения наиболее достоверных данных о повреждаемости ПФЭ облицовок используем

обобщенные натурные данные [1], дополненные автором по результатам обследований РосНИИПМ ряда каналов с бетонопленочными облицовками в Ростовской области (Бг-Р-7, Бг-Р-5, Бг-Р-8, Нижне-Манычский), представленные в табл. 1.

Здесь приведены данные по повреждаемости пленочного элемента бетонопленочных облицовок каналов и_грунтопленочных экранов водоемов и каналов П (в %), а также количеству обнаруженных повреждений на единицу площади - 1 га.

Для определения данных повреждаемости ПФЭ под защитным покрытием использовались геофизические методы (метод электропрофилирования), а также визуальный метод путем контрольной съемки плит облицовки или устройства шурфов на грунтопленочных экранах.

Для оценки осредненного коэффициента фильтрации облицовки к'о бл важной характеристикой является радиус условного отверстия гусл, приведенный к единице площади в 1 м2, который также представлен в табл. 1. При этом нами принято до-

пущение о том, что в условиях отсутствия данных о повреждаемости пленочного элемента на всей площади для конкретного объекта с целью упрощения расчетов наиболее приемлемой расчетной схемой является распределение повреждений по площади в виде условный отверстий, приведенный к 1 м2.

Различие в данный по количеству повреждений объясняется разной степенью детализации подсчетов: для грунтопленочных экранов под защитным слоем грунта выявлялись только крупные и средние повреждения, а для бетонопленочных облицовок в результате снятия плит выявились и мелкие повреждения — проколы диаметром 1—3 мм.

Радиус условного отверстия повреждения, приведенного к площади экрана в 1 м2, вычислялся по формулам

П • 100

(см) или

r _ 'уел

Еюповр • 10

П • F0

общ

(ем),

где П — среднестатистическая повреждаемость пленочного элемента, %; £юповр — сумма площадей всех обнаруженных повреждений на общей площади обследования ^общ, м2.

По результатам статистической обработки полученных данных по гусл нами получены гистограммы распределения частот радиусов условных отверстий ПФЭ бетонопленочных облицовок и грунтопленочных экранов, а также гистограммы распределения повреждений геомембраны по результатам лабораторных испытаний (рисунок).

Анализ полученных гистограмм позволяет предварительно по огибающей кривой судить о законе распределения частот условных отверстий повреждений. Так, для бетонопленочных облицовок и грунтопленочных экранов наблюдается логарифмически нормальный закон.

Кроме того, проведен статистический анализ распределения количества повреждений по площади по данным натурных обследований для грунтопленочных экранов (табл. 2). Здесь использованы вышеприведенные данные из табл. 1, а также 7 объектов по данным ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, где повреждения отсутствовали или были очень незначительны. При этом принята гипотеза о распределении повреждений по закону редких явлений, удовлетворяющему закону Пуассона [4,5]:

P =

Xme-x т!

где Рт — вероятность распределения; % — интенсивность распределения повреждений; т — число интервалов распределения (0, 1, 2... и).

Интенсивность распределения повреждений рассчитывалась в соответствии с [5] по формуле

7 • 0 + 3 • 1 + 2 • 2 + 1 • 3 + 1 • 4

х _ Щщ

а критерий Пирсона

14

= 1,0,

х2 _ (Щ - щРщ f _ 2 50

Л п 2,50

т,Рт,

Сопоставляя наблюдаемое значение критерия

Пирсона с критическим при уровне значимости

а = 0,05 и числе степеней свободы k = 4—2 = 2, 2 2 X = 2,50 < Хкр = 6,0, можно принять гипотезу

о распределении повреждений по площади облицовки по закону Пуассона.

Согласно проведенной обработке данных для облицовок с пленочными экранами вероятность распределения повреждаемости ПФЭ из зависимости (1) будет определяться выражением

Р _

(1,0)e-1 _ 0,368

т! т!

Соответственно формула вероятности распределения повреждений для облицовки с геомембраной по результатам лабораторных испытаний при % = 3,302 получит вид

Р _

(3,302f e-3,302. m!

Как известно [3, 6], общая формула распределения повреждений по площади записывается в виде

Р _ f e-XF,

m!

Тогда полученные зависимости (1) и (2) для любой площади облицовки перепишем следующим образом:

Р _

Fm J7 Р _ Fo e-F0 • Р т~ . e ;

m!

((302 • F0 f e-3,302F0 m!

На основе использования полученных результатов о распределении повреждений по закону редких явлений (Пуассона) найдем зависимости для расчета осредненных коэффициентов фильтрации облицовок с ПФЭ из пленки и геомембраны с учетом условного радиуса повреждения, приведенного к 1 м2. С этой целью из общей формулы (3) выразим путем логарифмирования

Fi _- ln

1 (F f

РЩ!

П

Таблица 1

Данные натурных обследований повреждаемости пленочного противофильтрационного элемента облицовок и экранов

Объект Обследованная площадь, га (м2) Общее количество обнаруженных повреждений Количество повреждений на единицу площади на 1 га Повреждаемость пленочного элемента, % Радиус условного отверстия приведенного к 1 м2, см Данные организаций, год обследования

Бетонопленочные облицовки

Канал ЮР-18-1 в Голодной степи 20 м2 1 500 0,0153 0,698 Средазгипроводхлопок, 1971-1972 гг.

Каршинский магистральных канал 8-12 м2 1 1000 0,0275 0,936 То же

Большой Ставропольский канал III очередь, ПК-268 II очередь, ПК-85 IV очередь, ПК-23 36 м2 51 14200 0,0319 0,0447 0,00015 1,007 1,193 0,069 ЮжНИИГиМ, 1984 То же -»-

Каналы Багаевско-Садковской ОС Бг-Р-7, ПК-25 Бг-Р-5, ПК-17 Бг-Р-8, ПК-19 - - - 0,040 0,025 0,011 1,128 0,892 0,592 РосНИИПМ, 2007 То же -»-

Александровский распределитель на БСК-3 12 м2 57 47500 0,0450 1,197 ЮжНИИГиМ, 1984

Канал Р-2-2 Каховской ОС 17,4 м2 124 71300 0,0168 0,733 Укргипроводхоз, 1983

Красногвардейский канал, ПК-6 I11 участок 211 участок , 2 1 М , 2 1 М 3 2 30000 20000 0,0356 0,0225 1,065 0,846 То же

Ново-Манычский канал 25 м2 12 4800 0,0372 1,088 РосНИИПМ, 2009

Грунтопленочные экраны

Куйбышевский обводнительный канал - - - 0,200 2,520 ВНППГиМ, 1971

Пруд-накопитель в с-зе «Губкинский» Белгородской обл. Юга 45 4,5 0,25 2,851 ЮжНПГиМ, 1980

Тортогульское водохранилище в Киргизской ССР 70 га 247 3,35 0,370 3,432 Гипроводхоз, 1962-1972

Хранилище фосфогипса комбината «Фосфорит» в г. Кингисепп 10,5 га 34 3,24 0,173 2,347 Союзгипроводхоз, 1980

Аварийный солеотвал 4-го Березнаковского калийного завода 6,5 га 34 5,23 0,150 2,185 То же

Накопитель МПС пос. Калитино Ленинградской обл. 1,5 га 16 10,67 0,0154 0,700 -»-

Хранилище фосфогипса комбината «Фосфорит» (карта №4) 7,6 га 75 9,87 0,0330 1,025 -»-

Накопитель Дорогобужского завода озотных удобрений 6,0 га 96 16,0 0,010 0,565 СевНПГиМ, 1976

И5

(N0

Ко

гг

§ со

Р ^

&

а к

Кс

1а гъ

К

а

£

а к •с

ГЪ

к а

к Ко

¡3

Ко

Гистограммы распределения радиусов условных отверстий повреждений полимерных противофильтрационных элементов облицовок: а — бетонопленочных традиционных конструкций; б — грунтопленочных традиционных конструкций; в — бетонопленочных конструкций с применением

геомембран

Таблица 2

Статистическая обработка распределения повреждений по формуле

Пуассона

Интервалы щ с количеством повреждений на 1 га Число обследованных объектов, щ Вероятность, Рт1 пРтi (( - щРщ) ЩРЩ;

0 (0) 7 0,368 5,15 0,665

1 (0-5) 3 0,368 5,15 0,898

2 (5-10) 2 0,184 2,57 0,126

3 (10-15) 1 0,0613 1,07 0,808

4 (>15) 1 0,0153

n = 14 х2 _ 2,50

Тогда, используя известные приближенные зависимости Ю. М. Косиченко [7, 8] для определения kобл , найдем расчетные формулы применительно к бетонопленочным облицовкам и грун-топленочным экранам:

- при k /k > 10

г гр' защ

,, _ п2кзащ • ^ • §0 • гуел • n . кобл

ln

МТ

Рт!

• ln

nr,

уел

ко бл

п2кзащ ^ • §0 (h0 + §0 - h1) • гуел •

(( + §)in Mf • ln

/ \ 0

Рт!

п2§(( + §0)- 4Hk ln

/ \ 0

nr,

уел

п2§ + 4ln

/ \ 0

при k / k < 10

гр защ

_ kзащ , .

c_ — ; HK _

krp

где кзащ — коэффициент фильтрации защитного покрытия (бетона или грунта); 80 — толщина облицовки; Н0 — глубина в канале; Н1 — пьезомет-

рический напор в месте повреждении; r

ра-

диус условного отверстия, приведенного к 1 м2; п — количество повреждений; F0— площадь облицовки; кгр— коэффициент фильтрации грунта основания; Н — капиллярный вакуум грунта основания; йк— высота капиллярного поднятия воды в грунте основания.

С учетом полученных зависимостей о распределении повреждений по закону Пуассона (4) и (5) формулы (6), (7) получают вид: а) при к /к > 10

' ^ гр защ

— для облицовки с ПФЭ из пленки

г2/, кобл = _

1п

— для облицовки с ПФЭ из геомембраны

к • ^защ §0 • r • n 'усл '

\ С m F0 • ln f 8§0

Pm! пгУСЛ

кобл

ln

Pm!

§0 • гУСЛ •

• ln f 8§0

пгУСЛ

б) при к /к < 10

' ^ гр защ

— для облицовки с ПФЭ из пленки

п2кзащ • §0( + §0 - h1 )• гусл • п

кобл

(+§о )in

8§о

nr,

усл

— для облицовки с ПФЭ из геомембраны

кобл

3,302 • п2кзащ • 8о(( + §0 - hi> r,

усл

( § )ч (3,302 • F0) (( +§0)ln Pm! •

ln

8§0

nr,

усл

где к1 — параметр, определяемый по формуле (8).

С целью сопоставления результатов расчета по полученным формулам к'о бл с натурными данными водопроницаемости облицовок были использованы данные применительно к каналу БСК—3 для двух участков [6]. Основные исходные данные и результаты расчета приведены в табл. 3. Здесь же для сравнения приведены результаты расчета для облицовки с ПФЭ из геомембраны по формуле автора (9) и А. В. Ищенко [6].

Анализ результатов показывает достаточно близкое совпадение расчетных и натурных данных для облицовки с пленочным ПФЭ на обоих участках БСК—3. Что касается облицовки с ПФЭ из геомембраны, то по результатам расчета можно сделать вывод о снижении значений их к'о бл и соответственно о повышении их технической эффек-

тивности по сравнению с традиционными облицовками, имеющими ПФЭ из пленки, на 3 порядка, что соответствует натурным данным фирмы Carpi [9]. В то же время имеются существенные отклонения результатов определения к^бл до 52 % по сравнению с известной формулой А. В. Ищенко [6]. Это объясняется разной структурой формул и сложностью расчета по последней зависимости. В отличие от этого, формула автора получена в более простом виде, не требует сложных расчетов и является более универсальной, поскольку может использоваться для расчета как бетонопленочных облицовок, так и грунтопленочных экранов.

Таблица 3

Сопоставление результатов расчета с натурными данными водопроницаемости светопленочных облицовок

Участок

Показатель I (ПК 13- II (ПК 162-

ПК37) ПК175)

Облицовка с пленочным экраном

Гусл, см 1,0 2,53

Рпл 0,632 0,632

n1ml 1,42 2,72

ко'б», см/с 0,716 • 10-6 3,31 • 10-6

По натурным дан-

ным, 0,730 • 10-6 2,41 • 10-6

ко'б»> см/с

Отклонение е, % -1,9 +37,3

Облицовка с геомембраной

Гусл, см 0,5 0,45

Р 1 пл 0,063 0,063

n1m2 0,15 0,27

ко'б»> см/с 0,921 • 10-9 0,922 • 10-9

По данным A.B.

Ищенко, 0,440 • 10-6 1,41 • 10-6

ко'б»> см/с

Отклонение е, % +52,2 -34,6

Выводы

1. На основании проведенных исследований предложена методика экспериментально-теоретической оценки противофильтрационной эффективности бетонопленочных облицовок и грунтоп-леночных экранов каналов.

2. Получены расчетные зависимости для оценки водопроницаемости облицовок с учетом случайного распределения повреждений по закону Пуассона.

3. Проведенное сопоставление результатов расчета с натурными данными свидетельствует о достаточно близком их совпадении для двух участков Большого Ставропольского канала.

4. Результаты расчета показывают высокую эффективность новых конструкций облицовок с

применением геомембран по сравнению с традиционными по их водопроницаемости — на 3 порядка, по сроку службы — в 2,4 раза.

Литература

1. Защитные покрытия оросительных каналов / В. С. Алтунин, В. А. Бородин, В. Г. Ганчиков, Ю. М. Косиченко. М., 1988.

2. Ищенко А. В. Повышение эффективности и надежности противофильтрационнык облицовок ороси-тельнык каналов. Ростов н/Д, 2006. 212 с.

3. Мирцхулава Ц. Е. Надежность гидромелиоративный сооружений. М., 1974.

4. Гмурман В. Е. Теория вероятности и математическая статистика. М., 2005.

5. Гмурман В. Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. М., 2009.

6. Ищенко А. В. Гидравлическая модель водопроницаемости противофильтрационных облицовок крупных каналов // Изв. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. СПб., 2010. Т. 258. С. 51-64.

7. Косиченко Ю. М., Бородин В. А., Ищенко А. В. Инструкция по расчету водопроницаемости и эффективности облицовок канала / Союзгипровожхоз; ЮжНИ-ИГиМ. М., 1984.

8. Косиченко Ю. М. Каналы переброски стока России. Новочеркасск, 2004.

9. Скуеро А. М, Васкетти Г. Л. Геомембраны— хорошо зарекомендовавшие себя водонепроницаемые системы на гидротехнических сооружениях // Международный дайджест по гидроэнергетике и плотинам. 2007. С. 59-68.

Поступила в редакцию

13 декабря 2010 г.

Чернов Михаил Александрович — научный сотрудник, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации. Тел. 8(8635)22-18-86. E-mail: mixachernov@mail.ru

Chernov Mikhail Alexandrovich — researcher, Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problem. Tel. 8(8635)22-18-86. E-mail: mixachernov@mail.ru