Эффективный способ реконструкции лотковых каналов призматического сечения

УДК 626.82

ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ РЕКОНСТРУКЦИИ ЛОТКОВЫХ КАНАЛОВ ПРИЗМАТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ

© 2007 г. А.А. Созаев, С. О. Курбанов

Водопроводящие каналы являются самыми распространенными и протяженными гидротехническими сооружениями. Только на Юге России общая протяженность распределительной оросительной сети составляет 99,1 тыс. км. При этом каналы призматических сечений составляют более 70 %, из которых почти половина проходят в бетонной и железобетонной облицовке. В настоящее время большая часть облицованных каналов находится в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии. Облицовки каналов деформированы и разрушены в результате комплексного воздействия целого ряда факторов различной природы. Особенно сильным разрушениям подвержены донные крепления (абразивный износ, деформации, морозное воздействие, выщелачивание и т.д.), материал облицовки выработал свой ресурс, и существующие способы ремонта их не обеспечивают необходимого качества восстановления. На многих каналах гидравлические характеристики потоков не соответствуют проектным и поэтому не обеспечивается требуемая пропускная способность. Все это определяет необходимость реконструкции и восстановления. При реконструкции, как правило, возникает необходимость увеличения пропускной способности реконструируемых каналов путем расширения или углубления дна. В случае необходимости увеличения ширины канала возникают дополнительные сложности по переносу дорог, проходящих вдоль каналов, и различных коммуникаций и увеличиваются материальные и трудовые затраты. Поэтому относительно выгодным вариантом реконструкции является углубление канала. При этом если сохранить прямоугольное или трапецеидальное сечение канала, большого эффекта не достигается, надежность работы канала повышается незначительно.

Если при реконструкции призматический канал привести к полигональному профилю, с приданием углублению дна треугольной формы, пропускная способность и надежность работы канала повышаются на 20 % и более. При этом боковые стенки или откосы существующего канала сохраняются без изменения, а по центру дно углубляется на величину Н2 и донные откосы т2 принимаются из условия обеспечения наивыгоднейших гидравлических условий [1].

Нами были подробно обследованы магистральные каналы Чегемской оросительно-обводнительной системы, расположенной в предгорной зоне КБР, изучены их гидравлические и наносные режимы. Общая длина каналов из сборных Г-образных блоков с монолитным железобетонным дном составляет более 30 км.

Результаты проведенных полевых исследований гидравлических и наносных режимов потоков воды в этих каналах позволили установить:

- на участках Правобережного канала с ПК 15 по ПК 52 и с ПК 53 по ПК 180 наблюдается неравномерный режим движения воды, и поток находится в бурном состоянии, Ег >1;

- неравномерный режим движения воды (в пределах этих участков) местами характеризуется неустановившимся течением, образованием высоких (косых) волн и аэрацией потока, в результате при расходах воды более 6,5 м3/с происходит перелив воды через борта канала;

- перелив воды через борта по этим же причинам наблюдается и на некоторых участках Левобережного магистрального канала;

- в каналы, особенно в Правобережный МК, поступает большое количество крупных наносов;

- большое количество крупных наносов и высокие скорости потоков приводят к интенсивному истиранию (абразивному износу) дна каналов. Средняя интенсивность абразивного износа дна для некоторых участков каналов составляет 5 - 8 мм/год;

- абразивный износ или истирание облицовки, процессы выветривания и коррозии бетона, плохое состояние многочисленных стыков и швов, деформация элементов облицовки способствуют повышению величины коэффициента шероховатости и гидравлического сопротивления;

- в результате всего этого пропускная способность магистральных каналов уменьшилась на 20 - 30 % по сравнению с проектными данными;

- установлено, что КПД каналов по разным участкам колеблется от 0,7 до 0,9.

На основе анализа материалов полевых исследований произведена оценка гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности лотковых каналов прямоугольного сечения Чегемской ООС, эксплуатируемой в условиях предгорной зоны (с высокими наносными и скоростными режимами). Установлено, что по основным определяющим условиям (функциям) гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности они не соответствуют техническим требованиям.

Оценка долговечности материалов облицовки магистральных каналов по прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости и износостойкости позволяет делать выводы о том, что материал монолитного дна облицовки практически выработал свой ресурс и находится на стадии интенсивного износа.

С учетом вышеизложенного нами разработана стратегия повышения уровня эксплуатационной надежности лотковых каналов прямоугольного сечения Чегемской оросительно-обводнительной системы. Для выработки технических мероприятий по повышению надежности необходимо:

- определить техническое состояние лотковых каналов и его элементов;

- оценить эксплуатационные возможности существующих лотковых каналов;

- оценить возможности резервирования;

- обосновать необходимость реконструкции;

- установить параметры необходимых работ по реконструкции;

- проверить качество и объемы работ;

- разработать мероприятия по эксплуатации и поддержанию работоспособности реконструированных каналов.

Согласно сформулированным правилам, на основе сравнения различных вариантов наиболее рациональным является реконструкция путем приведения лотковых каналов прямоугольного сечения к полигональному профилю с треугольным основанием. Прямоугольные лотковые каналы легко реконструируются в полигональные путем разрушения уже отработавшего свой ресурс дна и углубления по центру на небольшую величину и придания поперечному сечению дна треугольной формы (рисунок). Сечение преобразованного лоткового канала состоит из двух частей: верхней - прямоугольной и донной - треугольной.

Способы приведения лотковых каналов прямоугольного профиля к полигональному: 1 - Г-образные блоки; 2 - старое разрушенное монолитное дно;

3 - элемент дна; 4 - бетонное заполнение

Были проведены многочисленные расчеты по определению основных гидравлических характеристик лотковых каналов полигонального и прямоугольного профилей [2] при всех возможных значениях B, m, to, n, i и т.д. Анализ полученных результатов расчетов показывает, что пропускная способность Q канала полигонального профиля (рисунок) по сравнению с лотковыми каналами прямоугольного сечения при практически одних и тех же значениях площади живого сечения (to = const) и ширины (B = const) увеличивается на 5 - 10 %, а смоченный периметр % уменьшается на 7% и более. Пропускную способность су-

ществующих лотковых каналов прямоугольного профиля можно увеличить на 30 % и более, углубив дно всего на 15 - 30 см и превратив их в лотки полигонального профиля с треугольным основанием. На основе этих результатов были подготовлены две заявки на изобретения [3, 4], первая на способ возведения лоткового канала полигонального профиля, и вторая на само сечение канала.

При полигональном сечении канала относительно стабилизируется движение потока, обеспечивается квазиравномерное движение воды. При этом, как известно, гидродинамические нагрузки потока равномерно распределяются по всему сечению канала, высота волн значительно уменьшается. Центр тяжести потока сосредотачивается на вершине треугольного основания, в результате этого площадь, подвергающаяся абразивному износу, значительно уменьшается. Предусмотрев прочное крепление участка вершины треугольного основания износостойкими материалами, можно повысить надежность работы облицовки канала по износостойкости.

Для сравнительной оценки эксплуатационной надежности были определены вероятности безотказной работы Р лотковых каналов рассматриваемых сечений с учетом требований по источникам [5, 6]. Для прямоугольного сечения магистрального канала Че-гемской оросительно-обводнительной системы получили Р = 0,67, а для преобразованного лоткового канала полигонального сечения при тех же условиях -Р = 0,997.

По результатам исследований можно сделать следующий вывод. Приведение лотковых каналов прямоугольного сечения к полигональному профилю позволяет повысить их гидравлическую эффективность и эксплуатационную надежность до требуемых нормативных значений.

Литература

1. А. с. № 1640271. Гидротехнический канал. / С.О. Курба-нов, Н.В. Ханов. Опубл. в 1991.

2. Курбанов С.О., Созаев А.А. Повышение эксплуатационной надежности лотковых каналов призматического профиля // Минимизация вредного воздействия вод в период половодий и паводков, повышение эффективности ведения мониторинга водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений: Сб. статей Всерос. науч.-практ. конф. Махачкала, 2006. С. 242 - 247.

3. Заявка на изобретения № 2006112057/03. Гидротехнический канал. Положительное решение экспертизы по существу изобретения, ФИПС от 01.10.2007 / С.О. Курбанов, А.А. Созаев.

4. Заявка на изобретение № 2006111949/03. Способ возведения гидротехнического лотка полигонального профиля. Положительное решение экспертизы по существу изобретения, ФИПС от 01.10.2007 / С.О. Курбанов, А.А. Созаев.

5. Мирцхулава Ц.Е. О надежности крупных каналов. М.,

1981.

6. Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М., Колганов А.В. Эксплуатационная надежность оросительных систем. М., 2005.

Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия, г. Нальчик 22 октября 2007 г.