Повышение эффективности оросительных систем на местном стоке инновационными средствами предупреждения дефектов прудовых плотин

УДК 627.8.03

С. М. Васильев, Е. В. Васильева

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА МЕСТНОМ СТОКЕ ИННОВАЦИОННЫМИ СРЕДСТВАМИ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПРУДОВЫХ ПЛОТИН

Цель исследований - усовершенствование конструкции прудовых плотин и дамб. На основе статистического анализа повреждений конструктивных элементов установлено, что для эффективного функционирования пруда как источника орошения в составе оросительной системы и защиты прудообразующих плотин и дамб от опасных дефектов и деформаций, таких как суффозия, размыв, обрушения и другие, а также с целью эффективной эксплуатации локальных оросительных систем необходимы новые технические решения, повышающие эффективность оросительных систем на местном стоке за счет предупреждения дефектов прудовых плотин и дамб. Предложено противофильтрационные устройства (экраны, ядра) прудовых плотин создавать из уплотненных слоев малопроницаемого грунта, выполненных наклонно относительно горизонтальной поверхности (отсыпанных наклонно при строительстве) в сторону нижнего (или верхнего) бьефа. Усовершенствованы и конструкции креплений откосов прудовых плотин и дамб, включающие ряды волногасящих элементов, которые выполнены из поочередно расположенных в пределах ряда полуовальных и клиновидных деталей. При этом полуовальные детали основанием обращены вниз, а клиновидные большим основанием направлены вверх и образуют с полуовальными криволинейные в плане потокосоударяющие каналы. Рекомендовано симметричное и асимметричное размещение полуовальных и клиновидных деталей. Данные решения позволяют минимизировать или полностью исключить риск потери водоема для регулярного орошения прилегающих сельскохозяйственных угодий. Разработанные технические решения повысят эксплуатационные качества грунтовых плотин (дамб) и предотвратят (или минимизируют) их размыв, просадки, оползни и разрушения. В связи с этим не будет снижения уровней воды и заиления ложа прудов (водохранилищ), что положительно скажется на их водоемкостных показателях, а следовательно и на возможности работы прудов в качестве источника регулярного орошения в составе оросительных систем.

Ключевые слова: местный сток, пруд, прудообразующие плотины и дамбы, про-тивофильтрационные экраны и ядра, крепление откосов, волногасящие элементы.

S. M. Vasilyev, E. V. Vasilyeva

Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

INCREASING THE EFFICIENCY OF IRRIGATION SYSTEMS ON LOCAL RUNOFF BY INNOVATIVE MEANS FOR PREVENTING

DEFECTS OF POND DAMS

The aim of the research is to improve the design of pond dams and dikes. On the base of statistical analysis of constructive element damages it was established that for efficient functioning of a pond as a water source for irrigation system and protecting pond-forming dams and dikes from dangerous damages and deformations, such as suffusion, scouring, cav-

ing, and others, and for efficient operation of local irrigation systems new technical design is required which can increase the efficiency of irrigation systems on local runoff by preventing defects of pond dams and dikes. It is proposed to create anti-filtering devices (screens, cores) of pond dams from compacted layers of small-pervious ground, made slantwise to the horizontal surface (poured out slantwise during the building) directed to the side of downstream (upstream) reach. The constructions of slope protection for pond dams and dikes including the rows of wave absorbing elements which made from alternately arranged within a row semioval and wedge-shaped components were improved. At the same time the bases of semi-oval components were directed downwards and the bases of wedge-shaped components upwards so creating together with semi-oval components curve flow-tactile canals. It is recommended symmetrical and asymmetrical layout of semi-oval and wedge-shaped components. These decisions allow minimizing and thoroughly exclude the risk of loss of a pond for regular irrigation of adjacent agricultural lands. The solutions developed increase performance characteristics of earth dams (dikes) and prevent (or minimize) their scour, slump, landslide, and destruction. Thereby, there will be no decreasing of water levels and silting of pond (reservoir) beds, what is facilitated their water-capacity indices and consequently the opportunity for operating ponds as a regular source for irrigation systems.

Keywords: local runoff, pond, pond-forming dams and dikes, anti-filtering screens and cores, fixing of slopes, wave-absorbing elements.

Введение. Местный сток, накапливаемый в балках или оврагах в виде прудов, является одним из широко известных и относительно доступных источников орошения. Поэтому с учетом капитальных и текущих затрат оросительные системы на местном стоке для местных сельхозпроизводителей следует считать экономически целесообразными. К сожалению, современное техническое состояние подавляющего большинства прудов и образующих пруды водонапорных сооружений (плотин, дамб, валов и др.) нельзя назвать удовлетворительным [1]. Смытый со склонов мелкозем, разуплотнения, размывы и просадки тела прудовых водопроводных сооружений, оползания, осыпи и обрушения откосов и ряд других негативных факторов способствовали как заилению прудовых чаш и уменьшению их водоемкостных показателей, так и переходу прудовых плотин и дамб в неудовлетворительное техническое состояние, не исключающее в период весеннего снеготаяния или ливневых дождей образование прорана и последующее их разрушение.

Ремонтные работы, связанные с восстановлением размытых участков плотин и дамб, часто проводят грунтом того же состава, который использовался при их возведении, путем послойного заполнения грунтом и его

уплотнения параллельно поверхности земли [2, 3]. Однако в большинстве случаев аналогичные размывы вновь появляются на этих же участках с течением времени, что свидетельствует о недостаточной эффективности таких мероприятий.

Целью исследований является усовершенствование конструкции прудовых плотин и дамб.

Материалы и методы. Анализ причин и комплексный подход к устранению описанных негативных явлений позволили разработать технические средства (противофильтрационные устройства, крепления, покрытия) и технологические решения по их применению, направленные на предотвращение опасных дефектов и деформаций (суффозий, образования фильтрационных ходов, размыва, обрушений и т. п.) прудовых плотин (дамб), обеспечивающие тем самым эффективную эксплуатацию прудов в качестве источника орошения в составе оросительных систем.

Противофильтрационные устройства прудовых плотин (дамб) в виде экрана и ядра (рисунок 1) предложено создавать из уплотненных слоев малопроницаемого грунта, выполненными наклонными (отсыпанных наклонно при строительстве) в сторону нижнего (или верхнего) бьефа под углом к горизонтальной поверхности, определяемым допустимыми значениями фильтрационного расхода и высоты высачивания фильтрационного потока на низовой откос [4, 5].

Эффективность такой конструкции заключается в том, что длина фильтрационного потока в теле ядра, устроенного методом трамбовки наклонных слоев, будет меньше, чем в конструкции ядра с горизонтальным расположением слоев.

Рассмотрим далее на численном примере обоснованность отсыпки ядра грунтовой плотины наклонными слоями (рисунки 1, б; 2).

а)

б)

а - поперечный разрез плотины с экраном; б - поперечный разрез плотины с ядром; 1 - плотина; 2 (а, б) - экран, ядро; 3 (а, б) - слой экрана, ядра; 4 - нижний бьеф; 5 - верхний бьеф; 6 - основание; 7 - кривая депрессии

Рисунок 1 - Схемы плотин с экраном и ядром из наклонно отсыпанных слоев грунта

Н ПЛ - высота плотины, м; Н1 - уровень воды перед плотиной, м; d0 - превышение отметки гребня плотины над расчетным уровнем воды в верхнем бьефе при НПУ; ЬПЛ , Ьпр - ширина гребня плотины исходная и приведенная, м; 5Н, 5В - толщина ядра понизу и поверху соответственно; 5пр - приведенная толщина ядра плотины, м; т1 - коэффициент верхового откоса; т2 - коэффициент низового откоса;

5ср - средняя толщина действительного ядра, м

Ж

рэ

у

Л X

Е »

ж

у

43 X

рэ Й

Р

о о о

к

КС о я о ч о

я

43

о

Й о

г

I

Рисунок 2 - Расчетные схемы плотины с ядром из горизонтально отсыпанных слоев грунта

Дано: Н1 = 12,5 м; d0 = 2,5 м; Н ПЛ = 15 м; ЬПЛ = 8,0 м; т1 = 3,0; т2 = 2,0; коэффициент фильтрации грунта тела плотины Кт = 1,5 м/сут; коэффициент фильтрации грунта ядра КЯ = 0,05 м/сут; толщина ядра поверху 5В = 1,6 м; то же понизу 5Н = 4,0 м; 5ср= 2,8 м; приведенная ширина гребня плотины Ьпр определяется по формуле [6]:

К 15

Ь = 8(—-)=2,8-=84 м. пр ср КЯ 0,05

Приведенная толщина ядра плотины 8пр будет равна:

К 15

§пр = Ьпл + М^-1) = 8 + 2,8(^-1) = 89,2 м.

К^ 0,05

Расчет фильтрации через плотину с ядром произведем по формулам [6]:

дт _ нпл — do — к 2 31а нпл пл

и и '

КТ т1 Н ПЛ — к

д Т к2 — к12

КТ 2Я пр

Чт - к

КТ т 2

Я пр = ьпр + т 2 (Н пл — к1), где дТ - удельный фильтрационный расход, м3/сут;

к - глубина фильтрационного потока в раздельном сечении, м; к1 - конечная ордината (в месте выхода на низовой откос) кривой депрессии, или высота высачивания, м;

Япр - приведенное расстояние от начала координат до низового откоса, м.

Равенство левых частей формул (2) и (3) предполагает и равенство правых:

к2 — к12 к1

2Я пр т2

Проведя математические вычисления, установили, что равенство справедливо при h = 11,4 м и Н1 = 1,1 м:

Ьпр = 8,0+2,8-(—-1) = 89,2 м, пр 0,05

£пр = 89,2 + 2 • (15-1,1)=117,0 м,

(11,42 -1,12) = 11

2 117,0 = 2,0 ,

0,55 = 0,55.

Определим удельный фильтрационный расход [7]:

д т = =1Л(!Ы!-и!) =0,825 м3/сут,

т 2Sпр 2 • 117,0

3 3

qт = 0,825 м /сут > ^Т(доп) = 0,65 м /сут.

Следовательно, удельный фильтрационный расход qт превышает допустимое qТ(Д0П) значение и для повышения эксплуатационной надежности плотины должен быть уменьшен. Это возможно [формула (1)] за счет уменьшения высоты высачивания Н1 и снижения таким образом кривой депрессии в низовой части плотины, что достигается наклонным выполнением слоев грунта ядра (в дальнейшем - слоев ядра).

На нижеприведенных примерах покажем, как уменьшаются Н1 и qт при наклонном выполнении уплотненных слоев ядра при угле наклона слоев ядра а = 10°.

При выполнении уплотненных слоев ядра параллельно основанию (а = 0°) коэффициент фильтрации (см. выше) грунта ядра КЯ = 0,05 м/сут. При наклонном их выполнении коэффициент фильтрации определяется из выражения, м/сут [6]:

Кяа = Кя- в,

где в - коэффициент, учитывающий разную степень уплотнения верхних и нижних (подошвенных) зон слоев ядра, определенный по формуле [6, 8]:

в = 1+tg2a 1+(е-tga)2'

где е - отношение коэффициента фильтрации нижних (менее плотных) зон слоев ядра к коэффициенту фильтрации верхних (наиболее плотных) зон слоев.

В зависимости от вида грунта, толщины слоя, числа проходов уплотняющего средства (например, катка) по одному следу величина е находится в диапазоне 5-20. Для осредненных расчетов принимаем е = 10.

Определим коэффициент в:

в = 1+=

1 + (10 - tg10o )2 1+3,109

в=0,5.

Коэффициент фильтрации грунта ядра при наклонном выполнении уплотненных слоев будет равен [6]:

КЯа = 0,05 - 0,5 = 0,025 м/сут.

Проведя математические вычисления, установили, что правые части уравнений (2) и (3) равны при к = 11,835 м и к1 = 0,692 м:

Л = 8,0+2,8-(——1) = 173,2 м, пр 0,025

Япр =173,2 + 2 - (15 — 0,692)=201,82 м,

(11,8352 — 0,6922) = 0,692 2 - 201,82 = 2,0 ,

0,346 = 0,346.

Определяем удельный фильтрационный расход:

(11,8352 — 0,6922) 3

дТ =1,5 --—-----=0,519 м3/сут,

Т 2 - 201,82

33

дТ = 0,519 м /сут < дТ(доп) = 0,65 м /сут.

Еще одной серьезной причиной возникновения аварий являются

размыв, оползание и обрушение верховых откосов грунтовых плотин (дамб), которые можно предотвратить с помощью эффективных креплений откосов. С этой целью нами были разработаны конструкции креплений, включающие ряды волногасящих элементов, которые выполнены из поочередно расположенных в пределах ряда полуовальных и клиновидных деталей [9].

Проведенные исследования показали целесообразность симметричного и асимметричного расположения полуовальных и клиновидных деталей на верховом откосе в зоне воздействия волнобоя (рисунок 3).

Э1 - (первый) полукруглый (в плане) и призматический (по форме) волногасящий элемент крепления; Э2 - (второй) профильный (в плане) и призматический (по форме) волногасящий элемент крепления;---> - направление

течений в потокоформирующих щелях; 1 - потокоформирующие щели; ещ, dэ1 и др. - буквенные обозначения и размеры (Ьм) элементов волногасящего крепления для высоты волны \ = 1,0 м

Рисунок 3 - Схема размещения полуовальных и клиновидных деталей в креплении откоса

Высокий волногасящий эффект в конструкции покрытия достигается тем, что размещаемые в ряду волногасящие элементы выполнены из поочередно расположенных полукруглых (полуовальных) и клиновидных элементов, формирующих криволинейные в плане потокосоударяющие каналы.

Элементы крепятся на откосе анкерами, конструкция крепления исключает возникновение просадок, оползания, обрушения или их смыв при

волновых нагрузках. Предлагаемые конструкции покрытий верховых откосов грунтовых плотин (дамб) располагаются согласно патенту 2320808 [9] (рисунок 4).

1 - верховой откос; 2 - монолитное железобетонное покрытие;

3 - ряды волногасящих элементов; 4 - упорная плита; 5 - волнобойная стенка

Рисунок 4 - Профиль покрытия верхового откоса

Наблюдения велись в течение трех лет на балке Щербакова, за это время промоин и просадок клиновидных деталей экрана, а также повреждений или обрушений откосов не произошло. Экономическая эффективность внедряемых мероприятий определялась по методике И. П. Свинцова и др. [10]. Учитывались следующие основные экономические показатели внедряемых мероприятий:

- фактический объем дополнительной площади орошения от внедрения в натуральных показателях - 280 га (орошение на местном стоке);

- удельные вложения в реконструкцию оросительной системы:

а) реконструкция грунтовых водонапорных сооружений межхозяйственной оросительной системы в пересчете на орошаемый гектар -15120 руб./га;

б) предупреждение разрушений и дефектов грунтового водоподпор-ного сооружения (дамбы) внутрихозяйственной ООС - 10600 руб./га;

- урожайность орошаемых культур:

а) по новому варианту: овощи - 24,6 т/га; зерновые - 6,5 т/га; люцерна на сено - 70,0 т/га;

А

*

б) по базовому варианту: зерновые - 3,1 т/га; люцерна на сено -30,0 т/га.

Результаты и обсуждение. Выполнено расчетное обоснование эффективности противофильтрационных устройств из наклонно отсыпанных слоев малопроницаемого грунта. Полученное значение удельного фильтрационного расхода qТ меньше допустимого, поэтому \ = 0,692 м и qТ = 0,519 м /сут находятся в интервале допустимых значений и обеспечивают надежную работу плотины.

При сопоставлении с противофильтрационным экраном и ядром из горизонтально отсыпанных и уплотненных слоев грунта установлено уменьшение в 1,5-2,0 раза фильтрационного расхода и снижение не менее чем в 1,2-1,5 раза высоты высачивания фильтрационного потока на низовой откос, что обеспечит высокий уровень фильтрационной прочности и устойчивости, предотвратит повреждения и дефекты, а значит, снизит затраты на ремонтные и аварийные работы.

Разработаны усовершенствованные конструкции креплений (покрытий) верховых откосов грунтовых водоподпорных сооружений, включающие ряды волногасящих элементов. Рекомендовано симметричное и асимметричное размещение полуовальных и клиновидных деталей. Угол заложения откоса рекомендуется принимать в диапазоне 30-40°. Высота волногасящих элементов (рисунки 3 и 4) принимается в пределах 25-30 % от расчетной высоты волны (а диаметр первого полукруглого в плане (рисунок 3) призматического элемента должен находиться в пределах (3,5-4,0) ^.

Вывод. Разработанные технические решения повысят эксплуатационные качества грунтовых плотин (дамб) и предотвратят (или минимизируют) их размыв, просадки, оползни и разрушения. В связи с этим не будет снижения уровней воды и заиления ложа прудов (водохранилищ), что положительно скажется на их водоемкостных показателях, а следовательно и на возможности работы прудов в качестве источника регулярного ороше-

ния в составе оросительных систем. Практическая целесообразность предлагаемых мер борьбы с дефектами и повреждениями подтверждается расчетами экономической эффективности внедренных мероприятий. Экономический эффект от реконструкции и мероприятий по предотвращению разрушений грунтовых сооружений инженерно-мелиоративной системы на балке Щербаковка составил 35,07 млн руб.

Список литературы

1 Щедрин, В. Н. Безопасность гидротехнических сооружений мелиоративного значения / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, Е. Н. Шкуланов. - М.: Росинформагротех, 2001. - 268 с.

2 Попченко, С. Н. Гидроизоляция сооружений и зданий / С. Н. Попченко. - Л.: Стройиздат, 1981. - 103 с.

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

4 Пат. 120423 Российская Федерация, МПК Е 02 В 3/16. Грунтовая плотина / Васильева Е. В.; патентообладатель Васильева Е. В. - № 2011148378; заявл. 28.11.11; опубл. 20.09.12, Бюл. № 26. - 2 с.

5 Пат. 127763 Российская Федерация, МПК Е 02 В 7/02, Е 02 В 3/16. Плотина / Васильева Е. В.; патентообладатель Васильева Е. В. - № 2012138254/13; заявл. 06.09.12; опубл. 10.05.13, Бюл. № 15. - 2 с.

6 Симвулиди, И. А. Расчет инженерных конструкций на упругом основании / И. А. Симвулиди. - М.: Высш. шк., 1973. - 430 с.

7 Волков, И. М. Проектирование гидротехнических сооружений / И. М. Волков, П. Ф. Кононенко, И. К. Федичкин. - М.: Колос, 1977. - 384 с.

8 Оценка технического состояния небольших (малых) плотин / Г. М. Каганов, В. И. Волков, И. М. Евдокимова, И. А. Секисова // Мелиорация и водное хозяйство. -2009. - № 2. - С. 42-45.

9 Пат. 2320808 Российская Федерация, МПК E 02 B 3/12. Крепление верхового откоса плотины / Шкура В. Н., Федоров В. М., Перепелицин В. И., Федорова И. Н.; патентообладатель Новочеркасская гос. мелиоративная акад. - № 2006110806/03; заявл. 03.04.2006; опубл. 27.03.2008.

10 Методика оценки эффективности капитальных вложений в орошаемом земледелии. Эколого-энергетическая оценка способов и систем орошения / И. П. Свинцов, Д. П. Гостищев, В. В. Мелихов, И. П. Кружилин, В. Ф. Мамин [и др.]. - Волгоград: ВНИИОЗ, 2007. - 99 с._

Васильев Сергей Михайлович

Ученая степень: доктор технических наук Ученое звание: доцент

Должность: заместитель директора по науке

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: rosniipm@yandex.ru

Vasilyev Sergei Mikhailovich

Degree: Doctor of Technical Sciences Title: Associate Professor Position: Deputy Director for Science

Affiliation: Russian Research Institute of Land Improvement Problems Affiliation address: Baklanovsky ave., 190, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346421

E-mail: rosniipm@yandex.ru

Васильева Елена Викторовна

Должность: младший научный сотрудник

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: karalenka5@yandex.ru

Vasilyeva Elena Viktorovna

Position: Junior Researcher

Affiliation: Russian Research Institute of Land Improvement Problems Affiliation address: Baklanovsky ave., 190, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346421

E-mail: karalenka5@yandex.ru