Технология работ при досыпке грунтовых водоподпорных сооружений

ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТ ПРИ ДОСЫПКЕ ГРУНТОВЫХ ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Васильева Е.В.

Согласно мирового регистра плотин, в мире построено более 100тыс. водоподпорных сооружений. Среди них более 80% составляют грунтовые плотины и дамбы, значительная часть которых относится к средне- и низконапорным [1-7].

По данным Росприроднадзора и Ростехнадзора продолжительность эксплуатации этих сооружений составляет 30-50 лет, средний процент износа более 50%, их аварийность превысила среднемировой показатель более чем в два раза, ежегодно на них происходит 50-60 аварий, ущерб от которых исчисляется миллиардами рублей [3,7].

К числу основных причин аварий и разрушений грунтовых водоподпорных сооружений следует отнести несвоевременное устранение дефектов (просадок гребня, размывов, обрушений и оползаний откосов, трещин, фильтрационных ходов и др.) и некачественное выполнение ремонтно- восстановительных работ, из-за использования низкоэффективных технологий. Ведь применяемые в настоящее время технологии ремонтно- восстановительных работ предусматривают досыпку тела плотин и восстановление обрушенных откосов производить грунтом того же состава что и тело сооружения, а заделку трещин, фильтрационных ходов, нор и других подобных дефектов осуществлять им же или суглинком, глиной, смесью суглинка (глины) с навозом, мешками с грунтом и т.п. Но со временем, из-за низкой прочности, водо- и морозостойкости досыпанных и восстановленных элементов плотин (дамб), их защитные свойства (прочностные, противофильтрацион-ные, теплоизоляционные и др.) будут утрачены и дефекты появятся вновь.

Ниже предложены технологии ремонтно-строительных работ по восстановлению грунтовых плотин и дамб путём их досыпки до требуемых отметок грунтосмесями, улучшенных высевкой и золой, способствующих образованию высокопрочной и водостойкой камневидной структуры в восстановлен-

ных элементах (откосах, гребне), обладающих повышенной сопротивляемостью к дефектообразованию [8].

Необходимость досыпки (наращивания) гребня и откосов плотины возникает в случае потребности в увеличении высоты плотины или при просадке её тела ниже проектных отметок (рисунок 1) .

а)

б)

а, б - для случаев, соответственно, подъёма высоты гребня плотины и

ликвидации просадки гребня и откосов 1-плотина; 2,3 -поперечное сечение плотины, соответственно, до и после проведения ремонтных работ Рисунок 1 - Схема поперечного сечения плотины Для приготовления грунтосмеси рекомендуется использовать грунто-смесительную установку типа, например, ДС-50 с дополнительным бункером для золы (рисунок 1). Перечень ремонтно-строительных операций по досыпке гребня и откосов плотины до требуемых (увеличенных, проектных) отметок приведён в таблице 1.

Таблица 1 - Перечень ремонтно-восстановительных операций по

досыпке гребня и откосов плотины до проектных отметок

№ № операции Ремонтно-строительные операции Средства механизации

1. Рыхление проезжего участка гребня в виде покрытия из гравийно- Навесной или прицепной рыхлитель на базе гусе-

песчаной смеси ничного трактора

2. Разработка на гребне и перемещение гравийно-песчаной смеси во временные отвалы Бульдозер или грейдер

3. Планировка верха (гребня, части откосов) плотины, боронование Грейдер, бульдозер + бороны

4. Доувлажнение грунта верхней части плотины до оптимальной влажности Автоцистерна или поливочная машина

5. Вскрыша карьера Бульдозер или скрепер

6. Доувлажнение грунта в карьере до оптимальной влажности Поливочная машина, автоцистерна

7. Разработка грунта в карьере и транспортирование его к грунтосмеси-тельной установке Скрепер, экскаватор и автосамосвалы, тракторные тележки

8. Доставка цемента, золы и высевки к месту приготовления грунтосмеси ( к установке) Автоцементовоз, автосамосвалы, тракторные тележки

9. Приготовление в грунтосмеситель-ной установке грунтосмеси из грун-тоцемента с добавлением золы и высевки Грунтосмесительная установка

10. Доставка приготовленной грунто-смеси и укладка её слоями на гребень и частично откосы Автосамосвалы, бульдозер или грейдер

11. Послойное разравнивание и уплотнение грунтосмеси оптимальной влажности до проектной плотности Бульдозер, грейдер, каток или вальцовая трамбовка

12. Устройство «корыта» под покрытие Грейдер

13. Отсыпка в «корыто» гравийно-песчаной смеси (или устройство покрытия из другого материала) Автосамосвал, бульдозер

14. Разравнивание и уплотнение гравий-но-песчаной смеси с приданием проезжей части плотины выпуклой двухскатной формы Грейдер, каток

15. Рекультивация карьера Бульдозер или скрепер

1-бункер цемента; 2- бункер золы; 3- цистерна с насосными установками;

4- бункера грунта и заполнителей; 5- транспортёр; 6 -смесительный агрегат Рисунок 2- Технологическая схема модернизированной грунтосмесительной установки ДС-50 При пологих откосах плотин (т =4^6 ) смешивание высевки с грунтом (рисунок 3), а затем с цементом и золой (рисунок 4) может производиться и на месте проведения работ - откосе или гребне. Для этого грунт на откосе измельчают, подвозят и равномерно распределяют по нему высевку, перемешивают фрезой, по принятым дозировкам вносят цемент и золу, вновь перемешивают, увлажняют до оптимальной влажности и уплотняют.

1 - плотина; 2 - верховой откос; 3 - фреза; 4 -измельчённая и перемешанная фрезой смесь высевки с грунтом; 5- высевка, 6- грунт Рисунок 3- Схема перемешивания высевки с грунтом на откосе

специальной фрезой

1 - плотина; 2 - верховой откос; 3 - фреза; 4 -перемешанная фрезой смесь высевки и грунта с цементом и золой; 5- цемент, зола,

6- смесь высевки с грунтом.

Рисунок 4 - Схема перемешивания цемента и золы с высевкой и грунтом Для определения прочностных свойств затвердевшей грунтосмеси были проведены экспериментальный исследования, позволяющие с помощью математических моделей, изменяя входные параметры, оценивать качество грунтосмеси.

В основу решения был положен двухфакторный [9] симплекс - суммируемый план типа правильного шестиугольника. В качестве двух варьируемых факторов были выбраны: расход цемента - Ц, % от массы грунтосмеси; расход (количество) грунта - ГР, % от массы грунтосмеси.

Расход цемента и количество грунта в плане эксперимента варьировались, соответственно, от 3,0 % до 15% и от 40% до 85%, что соответствует результатам предварительных исследований и априорной информации о рациональном дозировании вышеуказанных компонентов грунтосмеси [10].

Для приготовления грунтовых смесей использовались материалы (компоненты) со следующими показателями: Новороссийский портландцемент марки 400; грунт - лёгкий слабоводопроницаемый суглинок; высевка - отход камнедробления известняка фракции 0-5мм с модулем крупности Мкр=2,98; зола- унос сухого отбора с электрофильтров Новочеркасской ГРЭС. Условия кодирования и варьирования факторов представлены в таблице 2.

Таблица 2- Кодирование и варьирование факторов

Факторы Код Х Основной уровень, Хо, % Интервал варьирования, А Х^ Нижний уровень, «-» Верхний уровень, «+»

Цемент Х1 9,0 6,0 3,0 15,0

Грунт Х2 62,5 22,5 40,0 85,0

Графический план эксперимента представлен на рисунке 5.

Из рисунка видно, что точки принятого плана эксперимента имеют координаты вершин правильного шестиугольника, построенного в пределах варьирования факторов ± 1в кодированной форме. План удобен тем, что переход от кодированных значений факторов к натуральным и наоборот можно осуществить графически по соответственным осям. По результатам семи опытов (шесть вершин и центр шестиугольника) вычислялись неизвестные коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:

ГР, %

85.0

62.5

40.0

4

✓#-0,87 /У1 // 1 / 1 / 1 1\\ 1 \\ 1 \\ 1 1 43

-1 \\ \\ 1 -0,87 У\

б]4,---- I I I I I | 1 1 1 -

3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 Ц, %

Рисунок 5 -План эксперимента на шестиугольнике

Ук = Ьо + Ь Х1 + Ь Х2 + Ь„ X2 + Ь22 X2 + ¿12 X1 X2, где Ьо = (0 у )-Ц=1(Иу);

Ь = 3(гУ); Ы = 3(уу);

2 5

Ьп = 3 (»у )+6 Е=1 (иУ) - (0 у).

Матрица и результаты эксперимента приведены в таблице 3. Таблица 3- Реализация плана эксперимента

Номер опыта План Х12 Х22 Х1 Х2 Факторы Прочность через 28 суток и полного водонасыще-ния

Х1 Х2 Х1(Ц) Х2(Гр) У я

1 0 0 0 0 0 9,0 62,5 13,21 13,21

2 -1 0 1 0 0 3,0 62,5 5,49 5,11

3 1 0 1 0 0 15,0 62,5 14,53 14,91

4 -0,5 0,87 0,25 0,75 -0,43 6,0 85,0 6,25 6,62

5 0,5 0,87 0,25 0,75 0,43 12,0 85,0 12,62 12,23

6 -0,5 -0,87 0,25 0,75 0,43 6,0 40,0 10,58 10,96

7 0,5 -0,87 0,25 0,75 -0,43 12,0 40,0 15,51 15,15

14,69 -6,28 31,26 33,72 0,62 78,19

По формулам (1.1) были подсчитаны коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:

Ь0 = 78,19 - (31,26 + 33,72) = 13,21;

Ь, =1469 = 4,90; Ь = -6328 = -2,09;

4

Ь12 = 3(0,62) = 0,83; 25

Ьп = 2 (31,26) + - (31,26 + 33,72) - (78,19) = -3,20; 3 6

2 5

Ь22 = ^(33,72) + 6 Е* 1(31,26 + 33,72) - (78,19) = -1,56;

Для прочности образцов через 28 суток твердения и полного водонасы-

щения получено регрессионное уравнение вида:

уя = 13,21 + 4,90 X: - 2,09 X2 - 3,2 X 2 -1,56 X 2 + 0,83 X , X 2

Регрессионный анализ модели (1.2) произведём после определения ошибки эксперимента и расчёта ошибок коэффициентов уравнения. С учётом 3-ёх кратной повторности опытов дисперсия воспроизводимости и ошибка эксперимента по воспроизводимости составят:

^ = 0,15, 5„ = 7^1 = 0,387.

Таблица 4 -Расчет ошибок коэффициентов

вм в0 вц

1,0 0,577 1,224 1,155

0,387 0,223 0,474 0,447

0,682 0,393 0,835 0,787

где Т - расчётные коэффициенты для оценки ошибок коэс фициентов

регрессии;

1 - критерий Стьюдента, 1 =1,761 [2]. Таблица 5 -Регрессионный анализ модели

вм Начальная модель вкр Конечная модель у-у в у

в0 13,21 0,682 13,21 78,19 1032,89

в1 4,9 0,393 4,9 14,69 71,98

в2 -2,09 0,393 -2,09 -6,28 13,13

в11 -3,2 0,835 -3,2 31,26 -100,03

в22 -1,56 0,835 -1,56 33,72 -52,61

в12 0,83 0,787 0,83 0,62 0,52

Сумма квадратов ББ: = ,ой + „ = 966,18. Средний результат каждого опыта возводим в квадрат и эти величины суммируем:

(уу) = 174,50 + 30,14 + 211,12 + 39,06 +159,26 +111,94 + 240,56 = 966,59

Проводим проверку адекватности модели при риске а = 0,05, и числе степеней свободы ^ =7-6=1 и = N (п-1) =14. Сумма квадратов 88на:

„ = (уу) - (55 ,ой + 55.) = 966,59 - 966,18 = 0,41, дисперсия неадекватности 52а :

5н

55 „ 0,41

7 - 6

0,41

критерий Фишера:

5 0 41

р = ^ = —= 2,73, а 5 0,15

ЗУ 7

¥а = 2,73< ¥б = 4,62

Таким образом, можно допустить, что модель (1.2) с риском а = 0,05 адекватно описывает результаты эксперимента. Инварианты кривой второго порядка составят: - сумма коэффициентов при квадратичных членах:

5 = Ъ„ + Ь22 = -3,20 -1,56 = -4,76;

- определитель, составленный из коэффициентов при старших членах:

8 =

Ъп 0,5Ъ1 0,5Ъ19 Ъ22

- 3,2 0,415 0,415 -1,56

= 4,82;

- определитель третьего порядка, составленный их всех коэффициентов:

Д =

Ъ„ 0,5Ъ:2 0,5Ъ 0,5Ъ12 Ъ22 0,5Ъ2 0,5Ъ1 0,5Ъ2 Ъ—

- 3,2 0,415 2,45 0,415 -1,56 -1,05 2,45 -1,05 13,21

= 74,42

Коэффициенты канонической формы вычисляем через инварианты:

Л = 5

Лг=-1,46;

Л=-3,30;

52

4

-8 =-2,38 ± 0,92;

А 74 42 С = - = 7442 = 15,44 8 4,82

16)

С учётом вычисленных коэффициентов каноническая форма уравнения (1.2) примет вид:

-1,46 Х 2 - 3,30 Х 2+15,44=^28,

а полуоси эллипсов определятся следующим образом:

а

А

15,44 - ^28. Ь

1,46

А

15,44 - Я

28

3,3

Геометрический образ модели уя (Я28) изображен на рисунке 6

ГР. %

85,0

62,5

40,0 -

3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 Ц,%

Рисунок 6 - Геометрический образ модели прочности грунтобетона через 28 суток твердения и полного водонасыщения

Анализ математической модели и её графического представления (рис.5) позволяет сделать следующие выводы:

1. Прочность затвердевшей через 28 суток грунтосмеси (грунтобетона) повышается при уменьшении количества грунта в составе грунтосмеси и увеличении расхода цемента и высевки.

2. Дозировка цемента и высевки в высокопрочных (13-15 МПа) грунтобетонах должна быть, соответственно, не менее 8,0-10,0% и не менее 25-30% от массы грунтосмеси.

3. Уменьшение дозировки цемента в равнопрочных грунтобетонах следует компенсировать увеличением расхода высевки в составе грунтосмеси. Одинаковыми прочностными свойствами обладают затвердевшие грунтосме-си с нижеприведёнными расходами компонентов (цемента, грунта, высевки, золы):

Ц=9,0% , ГР=46-48%, Выс=37-39%, З=6,0%; Ц=10,5% , ГР=63-65%, Выс=20-22%, З=4,5%; Ц=12,0% , ГР=69-71%, Выс=14-16%, 3=3,0% и т.д.

4. Использование высевки и золы-унос для экономного расхода цемента в равнопрочных грунтобетонах в количестве, соответственно, 20-40% и 46% от массы грунтосмеси, следует считать оптимальным.

5. Уменьшение количества высевки ниже 20% и увеличение дозировки золы свыше 6%, не обеспечивают затвердевшей грунтосмеси высокой прочности без увеличения расхода цемента.

Ниже, в таблице 6 представлены результаты сравнительных испытаний образцов цилиндров после 28 суток твердения и 50 циклов замораживания -оттаивания. Определены пределы прочности образцов при сжатии Ямор и коэффициенты морозостойкости, подтвердившие соответствие грунтосмесей с высевкой критериям морозостойкости (Кмор/К-28> 0,95) [3].

Таблица 6 - Результаты испытаний стандартных образцов

Дозировка компонентов, % от массы грунтосмеси Прочность, МПа Коэффициент моро-

Через 28 суток и полного водонасыще-ния, Я28 После 50 цик- зостойкости, К-мор/К-28

Цемент Грунт Высевка Зола лов замораж.-оттаив., Ямор

12 55 30 3 15,31 14,85 0,97

12 85 0 3 11,70 9,24 0,79

10 55 30 5 14,30 13,73 0,96

10 85 0 5 10,57 8,14 0,77

8 55 30 7 12,72 12,21 0,96

8 85 0 7 8,85 6,55 0,74

Как следует из приведённых в таблице данных наличие в составе грун-

тосмеси высевки не только обеспечивает повышение прочности на 30-40%, но и даёт существенный прирост водо- и морозостойкости (на 20-30%), что предотвратит или существенно снизит фильтрационные просачивания воды через тело водоподпорных сооружений, так как высокопрочный и морозостойкий грунтобетон, будучи уложенным на откос (при восстановлении обрушенных откосов) и гребень (при досыпке и наращивании до или сверх проектных отметок), надёжно защитит тело плотин (дамб) от просадки, размыва, выпучивания, суффозии и других деформаций.

Литература

1. Бандурин М.А. Проблемы оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Текст] // Инженерный вестник Дона 2012 № 3. - Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/891 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

2. Бандурин М.А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Текст] // Инженерный вестник Дона 2012 №2. - Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/861 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

3. Шкура В.Н., Мордвинцев М.М. Мелиорация вод и водных объектов. Терминология и классификация. Новочеркасск: изд. НГМА, 1999. - 34с.

4. Bruun P. Breakwaters ror Coastal Protection, Hydraulic Principkes in Design. Sec. 2, Question 1, XVIII International Congress, Rome, 1953. - SII - Q1

5. Leila Sharifi, Mohamad Karami.Assessment of suitable Location for Con struction of groundwater dams. Life Science Journal 2012;9(4). - p.p. 1233 -1236

6. Ачкасов Г.П., Иванов Е.С. Технология и организация ремонта мелиоративных гидротехнических сооружений. - М.: Колос, 1984. - 174с.

7. Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М. О проблемах безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения.// Гидротехническое строительство, 2011, №5. - С. 33 - 38.

8. Патент 2419705, РФ. Способ устранения дефектов в дамбах из однородного грунта / Е.В. Васильева, В.М.Федоров. 0публ.27.05.2011. - Бюл. № 15.

9. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. - М.: Финансы и статистика, 1981. - 262с.

10. Горелышев Н.В., Гурячкова И.Л., Пинус Э.Р. Материалы и изделия для строительства дорог. - М.: Транспорт, 1986. - 287с.