УСТАНОВКА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ДИАФРАГМЫ В ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНАХ

Полезная модель относится к области строительства, а именно, к созданию противофильтрационных диафрагм-стен в грунте, например, в теле или в основании плотин. В качестве заполнителя скважин используется композитный материал (КМ), характеристики которого обеспечивают необходимые прочностные и деформативные характеристики противофильтрационного элемента грунтовой плотины.
Известны работы по созданию плотины высотой 69 метров из гравийно-галечниковых грунтов, где предусматривалось использование в качестве противофильтрационного элемента (ПФЭ) плотины вертикальной диафрагмы из буросекущихся свай, выполненных методом «стена в грунте» (Гоцатлинская ГЭС на р. Аварское Койсу (Дагестан, Россия)).
Также известны варианты ПФЭ плотины в виде «стена в грунте» из композитного материала (фиг. 4), широко используемые за рубежом [1].
Требования к характеристикам КМ ПФЭ в теле плотины, особенно в сейсмоопасных районах, значительно выше, чем к характеристикам ПФЭ в основании плотин, так как в первом случае в ПФЭ возникает сложное напряженно-деформированное состояние. В таблице 1 приведены физико-механические характеристики требуемого композитного материала.
Таблица 1
Требуемые физико-механические характеристики КМ
Наименование
Значение
Подвижность при укладке по осадке нормального конуса по ГОСТ 7473-94, см
18-22
Плотность, т/м3, не менее
1,7
Водоотделение смеси, %
≤2
Срок сохранения удобоукладываемости при t= +20,…,22 0С, ч
≥1
Прочность при сжатии при хранении образцов в климатической камере с влажностью 100% при t=+20°C R180, МПа
1,0-2,5
Предел прочности при осевом растяжении Rpl80, МПа∗
0,2-0,3 1
Предел прочности при срезе Rcp 180, МПа∗
≥0,3
Статический модуль деформации E180, МПа∗
63-88
Угол внутреннего трения φ180, град.∗
≥30
∗Проведение испытаний при t=+20°C и влажности 100%.
Наиболее близкой к описываемой полезной модели относится изобретение по созданию противофильтрационной диафрагмы-стены в грунте, включающей проходку траншеи, приготовление состава из цемента, глины, инертных, воды и введение приготовленного состава в грунт (SU 1307036 A1, E02D 5/20).
Недостатком данного изобретения является то, что при значительных нагрузках на противофильтрационную диафрагму-стену в грунте в ней могут возникнуть недопустимые деформации из-за недостаточной прочности заполняющего ее материала (невыполнение требований таблицы 1). Вследствие этого отдельные участки противофильтрационной диафрагмы могут потерять свою способность сопротивляться воздействию фильтрационного потока или иных сил, например, сейсмических.
Цель полезной модели - получение композитного материала, характеристики которого обеспечивают необходимые прочностные и деформативные характеристики противофильтрационного элемента грунтовой плотины.
Поставленная цель достигается тем, что в установку для создания противофильтрационной диафрагмы в грунтовых плотинах, содержащую узел для приготовления бентонитового раствора, узел приготовления композитного материала, содержащий дозаторы цемента, песка, щебня, воды и бентонитового раствора, вход которого технологически связан с выходом узла для приготовления бентонитового раствора, смеситель, вход которой технологически связан с выходами дозаторов цемента, песка, щебня, воды и бентонитового раствора, автобетоносмеситель, технологически связанный с выходом узла приготовления композитного материала, скважину с приемной воронкой, технологически связанную с выходом автобетоносмесителя, дополнительно введены дозатор полипропиленовой фибры, дозатор пластификатора, дозатор NaCl, технологически связанные с входом смесителя, микроЭВМ, оперативно-запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, блок клавиатуры, блок индикации, таймер, выход которого соединен с входом смесителя, первый порт ввода, соединенный с выходами дозаторов цемента, песка, щебня, воды и бентонитового раствора, второй порт ввода, соединенный с выходами дозаторов полипропиленовой фибры, пластификата и NaCl, порт вывода информации, соединенный с входами всех дозаторов, при этом все порты ввода и вывода, оперативно-запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, блок клавиатуры, таймер и блок индикации соединены через шину адреса и данных с микроЭВМ.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая установка отличается наличием новых элементов и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задачи получения композитного материала, характеристики которого обеспечивают необходимые прочностные и деформативные характеристики противофильтрационного элемента грунтовой плотины.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 показана общая схема установки для создания противофильтрационной диафрагмы в грунтовых плотинах. На фиг. 2 отображен узел для приготовления композитного материала, на фиг. 3 представлен алгоритм приготовления композитного материала, а на фиг. 4 - плотина из грунта, характеризующегося соответствующим коэффициентом фильтрации. На фиг. 5 представлен узел для приготовления бентонитового раствора, а на фиг. 6 - вариант весового дозатора.
Установка включает: I - узел для приготовления бентонитового раствора, II - узел приготовления композитного материала, включающий управляемые дозаторы 1-8, смеситель (бетономешалка) 9, порты ввода информации 10, 11; блок клавиатуры 12, блок индикации 16, таймер 13, микроЭВМ 14, порт вывода информации 15, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 17, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, шину адреса и данных 19, III - автобетоносмеситель, IV - узел заполнения скважины смесью композитного материала. Пунктиром отмечены технологические связи.
Установка работает следующим образом.
Как показали исследования, разработать композитный материал с требуемыми характеристиками, особенно обеспечить его прочность на осевое растяжение более 0,3 МПа, используя только перечисленные исходные материалы, оказалось невозможно. Поэтому были исследованы армирующие добавки, в том числе различные типы фибр, их характеристики, количество и технологии введения в КМ.
Требуемые характеристики КМ позволило обеспечить использование микроармирующей полипропиленовой фибры ВСМ-П. Она имеет коаксиальную структуру волокна, состоящего из прочного и жесткого ядра и активной оболочки, вступающей в химическое взаимодействие с продуктами гидратации, что резко повышает ее сцепление с компонентами КМ.
При введении фибры в КМ, наряду с основным положительным эффектом от армирующих и уплотняющих структуру факторов, наблюдаются дополнительные положительные эффекты: у смеси КМ повышаются удобоукладываемость и связность, снижается расслаиваемость (водоотделение, раствороотделение); у затвердевшего КМ повышается сопротивление сжатию, растяжению, изгибу, вязкость разрушения (трещиностойкость), ударопрочность и долговечность, в то же время уменьшаются водопроницаемость и водопоглощение, предотвращается усадочное трещинообразование. Исследования показали, что прочность на осевое растяжение у КМ с фиброй не менее чем в 2,4 раза выше, чем без нее.
Разработанная технология введения фибры в состав смеси обеспечивает равномерное распределение ее в объеме КМ.
На фиг. 1 отображена общая схема установки для создания противофильтрационной диафрагмы в грунтовых плотинах. Вариант узла для приготовления бентонитового раствора I представлен на фиг. 5. Технологический выход узла I (бентонитовый раствор БР) связан с входом узла приготовления композитного материала II (фиг. 2). В общепринятом понимании узлы I и II входят в состав завода по приготовлению бетона. На фиг. 2 блоки 1-8 представляют собой управляемые дозаторы БР, песка щебня, воды, фибры, цемента, пластификатора и NaCl. Заданные пропорции компонентов смешиваются в смесителе 9 в определенной последовательности технологических операций. Этим процессом управляет микроЭВМ 14, которая контролирует время замеса каждого компонента и их пропорции:
1. В управляемые дозаторы 2-5 засыпаются в заданных пропорциях, определяемых программой микроЭВМ и хранящихся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) 18, щебень, песок, пластификатор и фибра. Указанное количество «сухой» смеси поступает в смеситель 9, где перешивается в течение не менее 2-х минут. Время перемешивания задается таймером 13, соединенным с микроЭВМ 14 через шину адреса и данных 19.
2. Через управляемый дозатор 6 в смеситель 9 засыпается цемент и смесь перемешивается не менее 1-2 минут.
3. Через управляемый дозатор 7 в смеситель 9 заливается заданное количество воды и смесь перемешивается в течение 0,5 минуты.
3. Через управляемый дозатор 1 в смеситель 9 подается порция бентонитового раствора необходимой плотности и смесь перемешивается в течение 1-2 минут. Полученная смесь композитного материала (КМ) (1 м3) выгружается в автобетоносмеситель III при непрерывном вращении его емкости.
В той же последовательности готовятся и загружаются в него следующие порции КМ.
Весь процесс подготовки композитного материала представлен на фиг. 3.
В таблице 2 представлены пропорции материала для приготовления композитной смеси при ее укладке в скважину IV при температурах ≥0°C.
Таблица 2
№ п/п
Материал
Содержание, %
Содержание, кг/м<sup>3</sup>
1
Цемент
5-17,5
100-350
2
Бентонит
15-2,5
300-50
3
Вода
10-30
200-600
4
Песок
2,85-46,835
57-936,7
5
Щебень
66,935-3,0
1338,7-60
6
Фибра
0,015-0,15
0,3-3,0
7
Пластификатор
0,2-0,015
4,0-0,3
В таблице 3 представлены данные свойств композитного материала в возрасте 28 суток при нормальных условиях твердения.
Таблица 3
№ п/п
Физико-механические свойства
Ед. изм
Величина изменения
1
Предел прочности на одноосное сжатие R<sub>сж</sub>
МПа
0,5-4,0
2
Модуль деформации E<sub>д</sub>
МПа
30-600
3
Предел прочности на осевое растяжение R<sub>p</sub>
МПа
0,2-2,0
4
Предел прочности при растяжении при изгибе R<sub>изг</sub>
МПа
0,2-2,5
5
Предел прочности при срезе R<sub>ср</sub>
МПа
0,2-1,5
6
Предел прочности на растяжении при раскалывании
МПа
0,2-2,0
7
Угол внутреннего трения
град.
30-60
8
Сцепление
МПа
0,2-1,5
В случае приготовления КМ в условиях отрицательных температур через управляемый дозатор 8 в смеситель вводится NaCl.
В таблице 4 представлены пропорции материала для приготовления композитной смеси при ее укладке в скважину IV при температурах -1…-15°C.
Таблица 4
№ п/п
Материал
Содержание, %
Содержание, кг/м<sup>3</sup>
1
Цемент
5-17,5
100-350
2
Бентонит
15-2,5
300-50
3
Вода
10-30
200-600
4
Песок
2,85-41,585
57-831,7
5
Щебень
66,535-3,0
1330,7-60
6
NaCl
0.4-5.25
8-105
7
Фибра
0,015-0,15
0,3-3,0
8
Пластификатор
0,2-0,015
4,0-0,3
В таблице 5 представлены данные свойств композитного материала в возрасте 28 суток при нормальных условиях твердения.
Таблица 5
№ п/п
Физико-механические свойства
Ед. изм
Величина изменения
1
Предел прочности на одноосное
МПа
0,5-4,0
сжатие R<sub>сж</sub>
2
Модуль деформации E<sub>д</sub>
МПа
30-600
3
Предел прочности на осевое растяжение R<sub>p</sub>
МПа
0,2-2,0
4
Предел прочности при растяжении при изгибе R<sub>изг</sub>
МПа
0,2-2,5
5
Предел прочности при срезе R<sub>ср</sub>
МПа
0,2-1,5
6
Предел прочности на растяжении при раскалывании
МПа
0,2-2,0
7
Угол внутреннего трения
град.
30-60
8
Сцепление
МПа
0,2-1,5
9
Отрицательная температура вмещающего грунта
°C
-1 - -15
Описание составляющих установки.
Однокристаллическая микроЭВМ (ОЭВМ) 14 предназначена для управления всеми элементами электрической схемы установки. С ее помощью осуществляется реализация алгоритма приготовления композитного материала, опрос клавиатуры, управление органами индикации, а также обслуживание последовательных интерфейсов ввода/вывода. ОЭВМ представляет собой БИС семейства INTEL 80C51 с тактовой частотой 12-14 МГц.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (18) предназначено для хранения в памяти данных о требуемом содержании компонентов КМ, команд для ОЭВМ и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 27C512 емкостью 64 кбайт.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (17) предназначено для хранения информации, связанной с режимом работы установки. ОЗУ подключено к системной шине ОЭВМ и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 6264 емкостью 8 кбайт.
Два порта ввода информации (10, 11) в микроЭВМ (14) от управляемых дозаторов (1-8) предназначены для организации 8-разрядного порта ввода сигналов логического уровня. Порты ввода подключены к системной шине ОЭВМ и представляют собой параллельный разрядный регистр.
Порт вывода информации (15) предназначен для организации 8-разрядного порта вывода сигналов, подключен к системной шине ОЭВМ и представляют собой параллельный разрядный регистр.
Блок клавиатуры (12) предназначен для набора русского текста (с возможностью переключения на латинские символы), подключен к системной шине ОЭВМ.
Блок индикации (16) представляет собой текстовый жидкокристаллический индикатор (минимум 4 строки по 20 символов), подключен к системной шине ОЭВМ.
Таймер 13 предназначен для управления временем смешивания компонентов КМ, подключен к системной шине ОЭВМ.
Управляемые дозаторы 1-8 представляют собой весовые дозаторы на тензорезисторных датчиках. Система весового дозирования применяется для получения заданных отвесов бетонной смести. Каждый весовой дозатор выполнен в виде бункера на тензорезисторных преобразователях с весоизмерительной системой. Управление дозаторами производится посредством микроЭВМ. http://www.v-press.ru/devices/vesovoy-dozator/.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет получить композитный материал, характеристики которого обеспечивают необходимые прочностные и деформативные параметры противофильтрационного элемента грунтовой плотины.
Литература
1. Радченко В.Г., Лопатина М.Г., Николайчук Е.В., Радченко С.В. Опыт возведения противофильтрационных устройств из грунтоцементных смесей // Гидротехническое строительство, 2012, №6, с. 46-54.