Особенности применения сооружений из композитных материалов в водохозяйственном строительстве

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 626.8:624.011.7

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СООРУЖЕНИЙ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

© 2011 г. Т.Н. Меркулова

Новочеркасская государственная Novocherkassk State Meliorative

мелиоративная академия Academy

Работа посвящена анализу современных областей применения сооружений из композитных материалов в водохозяйственном строительстве. Рассматривается отечественный опыт применения мягких гидротехнических конструкций. Приводятся технологические схемы применения тканевых наплавных конструкций в системах водоочистки, а также в случае возникновения чрезвычайных ситуаций на городских очистных сооружениях, связанных со сбросом неочищенных сточных вод в биологические пруды доочистки.

Ключевые слова: композитные материалы; полимеры; тканевые наплавные конструкции; качество воды; технологические схемы; локализация; строительство.

The work is devoted to the analysis of modern applications of constructions made of composite materials in the construction of the water. Is considered domestic experience in the application of soft hydraulic engineering constructions. The technological scheme of tissue floating structures in the systems of water purification, as well as in case of occurrence of emergency situations at municipal treatment facilities, connected with discharge of untreated sewage water in biological ponds.

Keywords: composite materials; polymers; tissue filler structures; water quality; technological schemes; localization; construction.

В отличие от дерева, природного материала, столетиями используемого в строительных конструкциях, пластмассы и другие синтетические полимерные материалы начали применять в строительстве лишь несколько десятилетий тому назад.

Развитие коксохимической промышленности и теоретической химии привело в начале XX в. к возникновению промышленного производства синтетических высокомолекулярных соединений - смол. Для развития химии полимеров огромное значение имели работы творца теории строения органических веществ А. М. Бутлерова (1828 - 1886 гг.), положившего начало исследованиям процессов синтеза высокомолекулярных соединений путем полимеризации и поликонденсации.

Начиная с 30-х гг. XX в. количество синтетических смол и пластмасс, выпускаемых химической промышленностью СССР и зарубежных стран, значительно расширилось.

Пластмассы и смолы стали применять в различных отраслях промышленности, чему способствовал ряд их достоинств - высокая прочность при относительно малом собственном весе, стойкость в агрессивной химической среде и в отношении гниения [1].

Существует и ещё одна ветвь в истории развития тканевых композитов, связанная с технологией нанесения на ткань воздухо- и водонепроницаемого покрытия. Особенно перспективы разработки подобных материалов - тканевых композитов - в настоящее время.

Потребность в легких, экономичных сооружениях, с минимальными затратами на изготовление и монтаж появилась давно. Основная трудность состояла в подборе материала, отвечающего функциональным требованиям сооружения. Вначале для этих целей использовались кожи, вырабатываемые из дермы шкур животных. В процессе кожевенного производства существенно изменяются микроструктура шкур и их физико-механические свойства. Толщина тонких и средних кож животных составляет, как правило, от 0,5 до 1,6 мм, максимальный предел прочности при растяжении - от 11 до 16 МПа, относительное удлинение при напряжении 10 МПа - от 15 до 40 %. Исторические исследования свидетельствуют о том, что кожаное ведро, кожаные мешки, в которых хранились жидкости в Древнем Египте, использовались более 5 тыс. лет назад. В бурдюках (тюрк.), т. е. кожаных мешках, хранили воду, вино, молочнокислые и другие жидкие продукты. Бурдюки в настоящее время распространены в странах Востока, у некоторых народов Средней Азии и Сибири.

Древнейшим средством для преодоления водных пространств для человека служили корабли, оснащенные парусами, с помощью которых энергия ветра преобразуется в энергию движения судна.

Материалом для изготовления парусов служила парусина, которая представляет тяжелую плотную льняную или полульняную ткань, сотканную полотняным переплетением из толстой пряжи. Паруса приме-

нялись в Древнем Египте, Финикии, Китае, Древней Греции, Риме более 5 тыс. лет назад.

Первая искусственная ткань низкой газопроницаемости была получена в августе 1783 г. профессором физики Жаком Шарлем (1746 - 1823) с участием механиков братьев Робер.

Состояние разработки материалов с водо- и воздухонепроницаемым покрытием на начало ХХ в. обобщено в работе Рудольфа Гааса и Александра Дитциуса, вышедшей в Берлине в 1912 г. Как отмечают авторы, заводами была освоена технология изготовления материалов из хлопчатобумажной ткани с резиновым покрытием, которое могло наноситься как с одной, так и с двух сторон. Кратковременная прочность однослойных тканей составляла от 4,2 до 7,7 кН/м, при массе 1 м2 от 75 до 225 г.

Из имевшейся на начало ХХ в. номенклатуры тканевых материалов только несколько типов отвечали предъявляемым к ним требованиям - высокой механической прочности и гибкости, однородности, водонепроницаемости, длительному сопротивлению атмосферным влияниям (воздействию ультрафиолетовых лучей, температуры, длительной смене сырости и сухости, жары и холода).

С появлением искусственного материала - брезента, представляющего собой хлопчатобумажную или льняную ткань, пропитанную водоупорными и противогнилостными составами, появились предложения по применению конструкций из данного материала в водном хозяйстве.

Существенным недостатком брезента является гнилостность при длительном контакте с водой, что требует периодического просушивания в процессе эксплуатации [2].

Отечественный и зарубежный опыт применения мягких гидротехнических конструкций (МГК) насчитывает более 50 лет. Производственное использование в водохозяйственном строительстве МГК получили во второй половине 60-х гг. прошлого века, основоположниками которого являлись профессора Б.И. Сергеев (Новосибирск, Новочеркасск), А.Г. Воробьев и А.Л. Можевитинов (Санкт-Петербург), Н.П. Розанов, А.Н. Костяков, В.А. Кисилев и С.А. Алексеев (Москва). Наиболее широкое внедрение в практику мелиоративного и водохозяйственного строительства МГК получили в 70-е гг. ХХ столетия.

Значительный вклад вклад в развитие этой проблемы внесли Ф. Отто, Р. Тростель (ФРГ) [3], У. Бэрд (США), Ю. Мурата (Япония) и др.

Как показывает анализ отечественной и зарубежной литературы, широкому внедрению МГК в производство предшествовали следующие этапы.

Первый этап - появление первых конструктивных и теоретических идей, основанных большей частью на интуитивных представлениях (40-е и 60-е гг. ХХ в.).

Второй этап - разработка теоретических основ конструирования, расчета, базирующихся на широкомасштабных лабораторных и натурных исследованиях (60 - 70-е гг. ХХ в.).

Третий этап - дальнейшее развитие теоретической

базы по созданию новых конструкций и их расчета в статическом и динамическом загружении, широкомасштабные производственные испытания различных типов МГК и налаживание серийного их изготовления (с середины 70-х гг. по настоящее время).

Четвертый этап - широкое внедрение МГК в водохозяйственную, топливно-энергетическую, сельскохозяйственную и другие отрасли народного хозяйства, дальнейшее эволюционное совершенствование существующих, создание новых конструкций МГК и расширение области их применения в различных технологических схемах управления качеством и защиты водных объектов от загрязняющих веществ.

За последние 25 лет теория, производство и эксплуатация мягких гидротехнических конструкций в отечественной практике достигли четвертого этапа. Одной из основных предпосылок быстрого развития нового конструктивного направления в области водного хозяйства является создание теоретической базы расчета и конструирования, при решении которых возникали значительные трудности.

Во-первых, сложность явлений, наблюдающихся при работе МГК, что вызывает определенные затруднения математического описания и исследования происходящих процессов.

Во-вторых, значительное большинство методов и результатов гидравлики, строительной механики относятся к жестким (из традиционных материалов) сооружениям, и переход к МГК потребовал пересмотра установившихся воззрений и гипотез.

Применительно к водохозяйственной отрасли в отечественной практике идея создания «парусного» затвора (прототип плотин мембранного типа) была высказана в 1929 г. и обоснована в 1932 г. авторами отчета Г.Н. Красниковым, Е.С. Кузнецовым, М.А. Липшицем и Н.П. Розановым. Дальнейшее развитие идеи по созданию МГК нашло отражение в работах А.Г. Воробьева, А.Л. Можевитинова, К.И. Страхова, С.М. Проскурникова. На переходном периоде от первого ко второму этапу наиболее значительны работы О.Г. Затворницкого, Н. Anwar.

Приоритет на низконапорную тканевую водосливную плотину получен в 1940 г. Г.Н. Кононенко (А.с. 326823). Основным элементом низконапорной плотины является тканевая цилиндрическая оболочка, заполняемая водой. К оболочке прикреплен понур, который пригружается грунтом и закрепляется сваями.

В том же году группой авторов (Н.Ф. Чуприн, М.А. Коган и др.) получен приоритет на незамкнутую низконапорную тканевую плотину. В описании изобретения отмечается, что основным элементом плотины является полотнище из брезента, прикрепленное к стенам и дну камеры по краям. Отличительной особенностью конструктивного решения является система опускания полотнища при одновременном освобождении от воды камеры, причем избегается перелив воды через верхнюю кромку полотнища [4].

О первых опытных образцах тканевых плотин существуют достаточно общие сведения. О.Г. Затвор-

ницкий отмечает: «В 30-е годы по проектам Г.И. Покровского и М.А. Когана были построены опытные образцы плотин с мягкими оболочками, предназначенными создавать временные подпоры на малых реках для судоходства, лесосплава, регулирования стока и обводнения». В работе Б.И. Сергеева, П.М. Степанова, Б.Б. Шумакова указано: «Ряд предложений был осуществлен во время наступления советских частей в Великую Отечественную войну. В частности, была осуществлена конструкция из ряда свай с приложенным к ним брезентовым полотнищем, позволяющая в течение нескольких часов затопить территорию, занятую противником, и тем самым парализовать его моторизованные части (разработка проф. С.Г. Гутмана)». Установить источники, откуда взяты эти данные, нам не удалось.

На втором и в начале третьего этапа значительный вклад в развитие теории расчета и конструирования внесли работы профессоров Б.И.Сергеева, В.А. Воло-сухина, которые явились основой создания научной школы по разработке и применению МГК в отечественной практике.

В 1963 г. сотрудниками «Гипролестранса» под руководством инж. К.И. Страхова на р. Щучка Кингисеппского района Ленинградской области была установлена водоподпорная плотина, состоящая из брезентовой водонаполняемой цилиндрической оболочки, покрытой битумной мастикой, и понура, уложенных на дно реки без всякой подготовки. Брезентовая водонаполняемая плотина (В = 5,0 м, Н = 0,5 м) простояла несколько часов, после чего ее убрали.

Отметим один очень важный факт: в 1952 г. главный инженер Лос-Анджелесовского департамента электроэнергии и водного хозяйства Н.М. Имбертсон обратился в фирму «Firestone» с просьбой разработать материал с высокой механической прочностью, достаточно гибкий, устойчивый к погодным воздействиям. Такой материал был создан на основе двухслойной нейлоновой ткани с покрытием из неопренового каучука, с кратковременной прочностью на разрыв 89,3 кН/м и толщиной тканевого материала t = 3,18 мм, т.е. су = 28,1 МПа. По нашему мнению, это являлось определенным фактором в успешной и длительной работе тканевой плотины «Фабридем» на р. Лос-Анджелес (В = 39,65 м, Н = 1,83 м).

Существенной отличительной особенностью первых тканевых водонаполняемых плотин, построенных под руководством Б.И. Сергеева в 1966 г. (В = 16,0 м, Н = 1,0 м) и в 1967 г (В = 16,0 м, Н = 1,0 м) на р. Ки-терня Тюменской области является то, что цилиндрическая оболочка и понур этих плотин изготовлялись из капроновой ткани с резиновым покрытием с кратковременной прочностью на разрыв по основе Т0 = 74 кН/м и по утку Ту = 100 кН/м при толщине тканевого композита t = 1,2 мм, т.е. (о0)у = 61,7 МПа, (су)у = 83,3 МПа, в то время как все предыдущие отечественные тканевые плотины изготовлялись из брезента.

На третьем и в начале четвертого этапа в разработку общей технической теории расчета и конструи-

рования МГК наиболее весомый вклад внесли работы В.А. Волосухина, В.Л. Бондаренко, В.Н. Щедрина, Т.П. Кашариной, Ю.М. Косиченко, Ю.А. Свистунова.

Наряду с этими работами определенный вклад в развитие данного направления внесли исследования И.П. Петрова, А.П. Назарова, В.И. Кашарина, В.Б. Ков-шевацкого, В.М. Федорова, А.В. Крошнева, М.И. По-номаренко и др.

Дальнейшее развитие нового конструктивного направления в водохозяйственной отрасли характеризуется созданием большого многообразия конструктивных решений, которые получили широкое применение на практике. Одним из таких конструктивных направлений из семейства МГК является направление, связанное с разработкой и практическим применением тканевых наплавных конструкций.

Тканевые наплавные конструкции (ТНК) представляют собой незамкнутую «цилиндрическую» оболочку, размещаемую в водном потоке, верхняя кромка которой крепится к системе поверхностных поплавков, а нижняя кромка - к системе донных якорей (рис. 1).

Рис. 1. Тканевые наплавные конструкции

Конструктивная и функциональная особенность ТНК заключается в максимальной адаптивной способности конструкции к изменениям внешних воздействий и возможности управлять (регулировать) гидравлической структурой потока в зоне действия сооружения (рис. 2).

В настоящее время применение различных типов ТНК осуществляется при разработке новых или совершенствовании имеющихся технологических схем по регулированию и управлению качественными показателями на водных объектах. В качестве примера приводятся технологические схемы управления температурным режимом на водоемах-охладителях тепловых и атомных электростанций и мелиорации малых рек и водотоков.

При разработке тех или иных технологических схем управления и регулирования качественными показателями на водных объектах в отечественной практике применительно к конкретным технологическим схемам разрабатывают новые или усовершенствуют существующие конструкции МГК, которых насчитывается более 2000.

Рис. 2. Технологические схемы управления водным потоком

Для достаточно широкого круга различных технологических схем регулирования и управления качественными показателями на водных объектах разработаны базовые конструкции (рис. 3), которые включают в себя тканевые наплавные конструкции (ТНК).

Рис. 3. Схема базовых конструкций: А - система поверхностных поплавков, В - система донных анкеров 1 - несущее полотнище тканевой наплавной конструкции; 2 - гибкая связь, фиксирующая гребень конструкции; 3 - анкерный болт

Наиболее широкое применение в разработке новых и совершенствовании существующих технологических схем по регулированию и управлению качественными показателями на водных объектах, как уже отмечалось выше, получили ТНК, которые могут устанавливаться на любых водоемах с глубинами до 15 м и практически по длине имеют любую протяженность. На практике длина их достигала 1 км (проект Смоленской АЭС).

В настоящее время на практике используются следующие сооружения доочистки сточных вод:

фильтрующие колодцы, биологические пруды и сооружения искусственной очистки.

Отечественная и зарубежная практика показывает, что биологические пруды с естественной и искусственной аэрацией являются наиболее экономичными в материальных затратах и наиболее надежными в функциональном отношении, в которых снижение содержания загрязняющих взвешенных и органических (по БПК) веществ доходит до 5 мг/л, а также наблюдается уменьшение содержания биогенных элементов и бактериальных загрязнений. Одним из важных технологических элементов биологических прудов является насыщение кислородом водной среды. При использовании обычных (традиционных) конструкций биологических прудов насыщение водной среды кислородом происходит через контакт водной поверхности с воздушной средой, что вызывает необходимость поддержания глубины воды, не превышающей 1 м.

Для увеличения функциональной эффективности (скорости доочистки) биологических прудов вводят искусственную аэрацию, что позволяет увеличить глубину воды в прудах до 3,5 ми соответственно уменьшить занимаемые пространственные территории под биологические пруды.

Искусственная аэрация, или насыщение кислородом водной среды, может производиться гидравлическим путем или искусственным нагнетанием сжатого воздуха по перфорированным трубам в водную среду. Если учитывать современную стоимость энергоносителей, то насыщение водной среды кислородом путем подачи сжатого воздуха становится очень энергоемким или дорогостоящим способом. Поэтому наиболее перспективным является гидравлический способ аэрирования водной среды на биологических прудах.

Гидравлическая аэрация водной среды в биологических прудах предусматривает создание оптимальной гидравлической структуры потока как в плане, так и по глубине.

При использовании конструкций из традиционных материалов, как показывает анализ опыта их эксплуатации, уровень аэрации повышается незначительно и соответственно функциональная эффективность используемых сооружений в отдельности и биопруда в целом невысокая. Объясняется это тем, что конструкции, выполненные из традиционных материалов (бетона, металла), взаимодействуют с потоком воды в статическом режиме, т.е. пассивно воздействуют на поток воды, проходящий через сооружение. При изменении уровней воды в биологическом пруде (увеличение или уменьшение глубин) установленное сооружение не меняет своих геометрических параметров и соответственно изменяется (становится меньше) его функциональная работоспособность по насыщению водной среды кислородом.

В случае возникновения аварийной ситуации на технологических элементах системы очистки сточных вод, когда возможен залповый выброс загрязненных вод в биологический пруд доочистки, конструкции из традиционных материалов не способны в необходимой мере защитить пруд от планового распространения неочищенных сточных вод по его акватории с последующим их попаданием непосредственно в водный объект.

Наряду с доочисткой сточных вод в биологических прудах также протекают процессы самоочищения. Установлено, что самоочищение функционально зависит от ряда параметров, определяющих интенсивность внутриводоемных процессов. Так, на скорость самоочищения от органических веществ влияют температура воды, концентрация растворенного кислорода, био-

2

масса, произрастающая в пруде, и активность микрофлоры. Следовательно, чтобы управлять процессами самоочищения (ускорять, замедлять), необходимо создавать определенные гидравлические, температурные и другие условия, направленные на увеличение или уменьшение насыщения воды кислородом, изменение температуры в слоях водной среды, интенсификации роста биомассы и активности микрофлоры или, наоборот, их снижения.

Управление процессами насыщения водной среды кислородом, изменение температуры в слоях водной среды может быть достигнуто различными сооружениями или устройствами, которые размещаются на акватории биопруда. Анализ конструкций из традиционных материалов и конструкций, выполненных из высокопрочных тканевых материалов, показывает, что конструкции из тканевых материалов по всем техническим и функциональным параметрам превосходят конструкции из традиционных материалов. Отличительной конструктивной особенностью является: гибкость, мобильность, трансформируемое^ при изменениях нагрузок, высокая адаптивная способность к изменяющейся внешней среде, в данном случае водной, и др.

Для управления гидравлической структурой потока, насыщения кислородом водной среды, перемешивания донных слоев (с более низкой температурой) с поверхностными слоями (более теплыми) по всей площади биологического пруда могут быть использованы мягкие наплавные конструкции. Применительно к выполняемым функциональным задачам наиболее приемлемыми являются ТНК (рис. 4), которые принимаются в качестве базовых для совершенствования технологий доочистки сточных вод, защиты водной среды биологического пруда от загрязнения при аварийных сбросах неочищенных сточных вод и интен-

3

J J J J-т

Рис. 4. Схема расположения ТНК в биопруде: 1 - система впуска и отведения требуемого объема жидкости; 2 - камеры биопруда; 3 - система поверхностных поплавков; 4 - несущее полотнище тканевой наплавной конструкции; 5 - гибкая связь, фиксирующая гребень конструкции; 6 - система донных анкеров; 7 - положение ТНК; 8 - перфорация полотнища; 9 - биомодули

1

1

сификации процессов самоочищения воды на биологических прудах после технологических процессов очистки и доочистки сточных вод.

Для управления гидравлической структурой потока в плане (по ширине) и по глубине биологического пруда гибкие полотнища подвижных вертикальных экранов

4

потока в биологическом пруде, которые устанавливаются исходя из задаваемых функциональных задач.

Крепление ТНК в камерах биологического пруда выполняется при помощи гибких связей и специальных узлов креплений 6.

В случае возникновения чрезвычайной ситуации на городских очистных сооружениях, связанных со сбросом неочищенных сточных вод в биологический пруд доочистки, в конце первой камеры (отсека) биологического пруда устанавливается специальная ТНК, которая отделяет загрязненную (первую) камеру от остальных камер и соответственно от водного объекта, куда осуществляется сброс очищенных сточных вод за короткий промежуток времени (5...7 мин). Для этих целей первая камера биологического пруда должна вмещать больший объем сточных вод в сравнении с остальными камерами. Дополнительный объем первой камеры биологического пруда определяется в зависимости от ожидаемого аварийного объема неочищенных сточных вод, который может поступить из общей системы очистных сооружений. Возможный аварийный объем неочищенных сточных вод определяется в зависимости от гидравлической системы очистных сооружений (системы трубопроводов, емкостей и т.п.).

Аварийное перекрытие или локализация осуществляется путем экстренной продувки сжатым воздухом системы поверхностных поплавков ТНК в течение

5 - 7 мин. Так как в конструктивном плане ТНК представляет собой достаточно гибкую механическую систему для оперативного управления конструкцией, важным является соотношение действующих сил в конструктивных элементах: гибких связях 5, в тканевом полотнище 7, выталкивающая (Архимедова) сила поверхностных поплавков 3 и усиия, передающиеся на донные анкерные крепления 6 (рис. 4).

Тканевые наплавные конструкции (ТНК), представляющие собой гибкую механическую систему, включающую в себя системы поверхностных и заглубленных под уровень поплавков, гибкие связи и вертикальные подвижные экраны, выполняемые из высокопрочных тканевых материалов, в наибольшей степени способны удовлетворять функциональным задачам по локализации залповых загрязнений водных объектов (рис. 4).

ТНК в конструктивном отношении обладают особенностями, позволяющими их использовать как в стационарном, так и в переносном вариантах 7, рис. 4).

Анализ чрезвычайных ситуаций на водных объектах, вызванных аварийными выбросами загрязняющих веществ, показывает, что на установку временных заграждений в виде наплавных конструкций необходим значительный период времени (до нескольких часов), что способствует увеличению масштабов возникшей чрезвычайной ситуации.

ТНК, работающие в стационарном варианте, при отсутствии их функциональной необходимости укладываются на дно водоема, прибрежной зоны или непосредственно водного объекта (река, озеро) путем заполнения системы поверхностных поплавков водой.

Для ускорения процесса заполнения системы поверхностных поплавков (за 10.15 мин) может быть использована система принудительного наполнения с применением насоса небольшой производительности.

Когда технологическая система биологического пруда работает в заданном технологическом режиме и отсутствуют какие-нибудь причины возникновения аварийной ситуации, в результате которой могут быть залповые загрязнения пруда доочистки сточных вод, ТНК находится в нерабочем состоянии (см. рис. 4).

При возникновении аварийной ситуации в технологической системе очистки сточных вод, что может вызвать аварийный сброс неочищенных сточных вод через подводящий коллектор (трубу) в биологический пруд, ТНК в течение короткого промежутка времени (10.15 мин) должна быть возвращена в рабочее положение (см. рис. 4).

Установка ТНК в рабочее положение производится путем продувки системы поверхностных поплавков сжатым воздухом, который подается через воздуховод компрессором. Отвод воды из системы поплавков производится через специальные клапанные отверстия, которые размещены на поплавках.

Литература

1. Дукарский Ю.М., Расс Ф.В., Семенов В.Б. Инженерные конструкции: учебник для студентов вузов. М., 2008. 364 с.

2. Мягкие конструкции. Применение их в водохозяйственном строительстве и других отраслях. Библиографический указатель литературы / Б.И. Сергеев [и др.]. Новочеркасск, 1979. 210 с.

3. Отто Ф., Тростель Р. Пневматические строительные конструкции : пер. с нем., М., 1967. 165 с.

4. Волосухин В.А., Кузнецов В.А. Основы теории и методы расчета тканевых сооружений мелиоративных систем : монография / Новочерк. гос. мелиор. акад. Новочеркасск, 2001. 266 с.

Поступила в редакцию

21 июня 2011 г.

Меркулова Татьяна Николаевна - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Строительная механика», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8(8635)22-26-58.

Merkulova Tatiana Nikolaevna - Candidate of Technical Scince, professor, Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8(8635)22-26-58.