Estimated feasibility study of canal lining reliability with application of geo-membranes

УДК 502/504 : 626.823.91 : 678.5 М. Л. ЧЕРНОВ

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ОБЛИЦОВОК КАНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОМЕМБРАН

Рассмотрены показатели надежности бетонопленочных противофильтрацион-ных облицовок с применением геомембран. Представлена структурная схема надежности и результаты расчета надежности бетонопленочной облицовки с использованием геомембраны при последовательном соединении элементов и различном характере их связи.

Противофильтрационная облицовка, конструктивный элемент, эксплуатационная надежность, канал, геомембрана, геотекстиль.

There are considered reliability indices of concrete film anti-filtration lining with application of geo-membranes. There is given a structural scheme of reliability and estimation results of concrete film lining with usage of geo-membrane under consequent connection of elements and different character of their connection.

Anti-filtration lining, structural element, operational reliability, canal, geo-membrane, geo-textile.

Надежность противофильтрацион-ных облицовок каналов достигается за счет обеспечения безотказной работы основных элементов конструкции облицовки, которые подвергаются воздействию негативных факторов как в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации канала.

В настоящее время наиболее эффективными считаются бетонопленочные противофильтрационные облицовки с использованием геомембран. Основную защиту противофильтрационного элемента обеспечивает защитный слой из сборного или монолитного бетона.

На рис. 1 приведена структурная схема надежности облицовки с применением геомембран. Согласно представленной схеме, отказ облицовки зависит от отказов составных элементов - защитного покрытия из бетона, защитной прокладки из геотекстиля, противофильтрационного элемента из геомембраны. Для каждого конструктивного элемента облицовки характерны те или иные виды дефектов и повреждений, определяющих его отказ.

Под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта (при работоспособном состоянии значения всех параметров, характеризующих способность

выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической литературы). Под отказом отдельных элементов и облицовки в целом будем понимать нарушение способности выполнять ими заданные функции (например, по защите от повреждений проти-вофильтрационного элемента - геомембраны, по обеспечению водонепроницаемости конструкции при эксплуатации, по восстановлению потерь воды на фильтрацию, по обеспечению коэффициента полезного действия каналов в соответствии с действующими нормативными документами [1]).

На основании анализа накопленного опыта применения различных конструкций облицовок каналов в России и за рубежом автором предлагаются следующие общие критерии технической эффективности и эксплуатационной надежности применительно к бетонопленочной конструкции противофильтрационной облицовки [2-11]:

по водопроницаемости облицовки -

по повреждаемости противофильтра-ционного элемента -

ППфЭ -П пфэ доп ;

по трещиноватости и разрушению защитного бетонного покрытия, стыков и

k <k '

обл обл.нор -

ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО

Бетонопленочная противофильтрационная облицовка канала

JZ JZ JZ

Защитное покрытие из бетона Защитная прокладка из геотекстиля Противофильтрационный элемент из геомембраны

lili

ш s

ffi

sa

^

ñ F4

ей S Рч 4 К

ffi s В

<D &

H Ш

s ю M s ч в

M 2 tS S

1-1 v и

a

M

«

ü o 4 o n

>4 M

К

^

ft

К

4 o

ф и

S X м 4

я м

ft в

2 (й

o ffi ff

s %

ÍT

s к

M

o tí

s

4 VO

o s

4

к

ft o

4

>4

ü o

w K

5  s a

£ s

(й К

s ,

o s

6 M

m R

ss

III

я

л

и

т с и

к к

е в

т о

о ц

е и

г л

ы т б о

к т

е и

ф л

е п

д е

и к

я д

а

и л

н к

е д ^

Й е и р

р п

в

о

П

s s tí

(Й H

a 4

к

o

к ffl

s

к

«

4

s

o

к

<u

o

<u

Í4

<u

s и

<u o 4

o %

cu

и

sr е

а и

д н

е р а в

е п о н

X а с о

т а

с е н

м т

в и л

я п

л т

и о

т

с и

к к

е з

т ^

о е р г

г а

е н

и н е а й о н в

ь о

н н

о с

т о

>»

lili

л M

(Й &

Ю

o

<u

Í4

3

к

<u

•e

Ф

4

«

s

и

4

£

<u &

M

o

a

s

Í4

o

я %

o и

в

3

н

к

<u

•е

ф

ч я

>к

S

м

ш

£ ^

а о о

U

S S

S

к

ш ч

£ ш а « и о

а

м

м

о

i—i

Л

я я

и

и н

н а

е в

й о

я т с н с о

а р й и

и н

е

ы №

н 2

и л

т к

я в

м м х i—i

ы

н

п

^

р

к

т

о

Отказ конструкции

Отказ конструктивных элементов

Виды дефектов

Рис. 1. Структурная схема надежности бетонопленочной облицовки с применением геомембраны

P > P •

обл нор '

деформационных швов -

Пзащ П защ.доп ;

по вероятности безотказной работы облицовки -

по Сроку службы облицовки -

Т обл ~ Т нор ;

где к.. - усредненный коэффициент фильтрации облицовки (натурный или расчетный); кобл нор- нормативный коэффициент фильтрации облицовки (по СНиП 2.06.03-85 [1]); П.. , П пфэ доп- фактическая и допустимая повреждаемость противофильтрационного элемента (ПФЭ); П защ , П защдоп - фактическая и допускаемая повреждаемость, степень трещиноватости и разрушения швов защитного покрытия; Р.. , Р. - фактическая и нормативная безотказность работы противофильтрационной облицовки; Тобл, Т - срок службы облицовки, фактический и допускаемый, в соответствии с классом сооружения (по СНиП 33-01-2003 [9]).

На рис. 2 показаны конструкции бетонопленочных облицовок каналов с использованием геомембраны.

Конструкция облицовки на рис. 2а включает защитное покрытие из монолитного бетона или сборных железобетонных плит с герметизацией стыков и деформационных швов. Геомембрана укладывается

/✓///✓✓✓✓✓/✓✓✓/✓ X /' /' /' /' /'»/ / / / /' i /' i / /У

\ /' / / / /Г/ / / / / / / / /' /' / У

• ' ' ' '/' ' ' ' ' ' ' ; ' ' ' г

~77Т

/////////✓ к/ ////.//// \/ / /' / ///' /' / / / / / / / / / / /' /' / / / i f / // t /'

-/- / р -¡.- -

/777 /77 777/777 7J77 77/ 1 / 2 I/ 3

б

Г

Рис. 2. Конструкции бетонопленочных облицовок с использованием геомембраны: 1 - защитное покрытие из бетона; 2 - защитная прокладка из геотекстиля; 3 - противофильтрационный элемент из геомембраны

а

непосредственно на подготовленное основание с частицами не более 10 мм. Геомембраны выполняются из полиэтилена низкой или высокой плотности, битумно-полимерных композиций, этиленпропиле-нового или бутилкаучука; выпускаются зарубежными фирмами «Carbofol», «GSE», «Siplast», «Taurus», «Carpi», «Firestone» и другими и отечественными фирмами «Ростехнология», «Аником», «Центр дорожных технологий» и другими. В зависимости от типа материала используется склейка или сварка полотнищ. Для исключения повреждений геомембраны в процессе строительства и эксплуатации под бетонное покрытие укладывается геотекстиль (стабитекс, маккафери, дорнит и др.) плотностью 250...600 г/м2.

В случае, если основание облицовки имеет грунты с крупностью фракции более 10 мм (гравелисто-галечниковые), то в конструкции облицовки рекомендуется устройство дополнительной защитной прокладки из геотекстиля под геомембраной (рис. 2б). Данные конструкции облицовок отличаются повышенной надежностью и долговечностью. По данным ведущей зарубежной фирмы в области геомембранных технологий в гидротехническом строительстве «CARPI» (Швейцария), такие конструкции по водонепроницаемости превышают эффективность существующих традиционных бетонопленочных облицовок в России на два-три порядка и по сроку службы превосходят их в 2-2,5 раза [2, 3].

Рассмотрим оценку надежности бетонопленочной конструкции противо-фильтрационной облицовки с использованием геомембраны. Данная конструкция облицовки состоит из трех основных элементов, при этом каждый элемент может находиться в работоспособном и неработоспособном состоянии. С точки зрения надежности он может быть в одном из двух состояний: безотказном Н и отказном Н.

Соединение основных конструктивных элементов с точки зрения обеспечения противофильтрационных свойств конструкции облицовки (по направлению движения возможного фильтрационного потока сверху из канала вниз к грунтовому основанию) может быть представлено как последовательное при условиях независимости и зависимости отказов каждого элемента. При последовательном соединении элементов облицовки, когда

полагают, что отказ каждого элемента является событием случайным и независимым, вероятность безотказной работы облицовки в течение времени I равна произведению вероятностей безотказной работы его элементов в течение того же времени [10]:

Рл

¡=1

ГДе Рзащ.(к ((), Рзащ.пр ((), Рф (( ) - верОЯтнОсть

безотказной работы соответствующих элементов облицовки: защитного покрытия из бетона; защитной прокладки из геотекстиля, противофильтрационного элемента из геомембраны соответственно.

В случае, когда между отдельными элементами облицовки имеется статистическая связь, например при отказе (повреждении) защитной прокладки из геотекстиля, возможен отказ (повреждение) противофильтрационного элемента из геомембраны. При расчете вероятности безотказной работы облицовки учитываются многомерные условия безотказности [10]:

оби _ [ращлгращ.11рР

или

= Пр +

1=1

Pmin - П

i=1

K

N,

где - коэффициент, учитывающий статистическую взаимосвязь между элементами;

KN = — ^arcsin р

НЩ

С " 2 '

где рнн - коэффициент корреляции между событиями Н1 и H¡.

р _ Р(Н, пН1 )-(( )(() н * ^Р (Н, )Р(Н, ([1 —Н^ -Р(Н, (,

где Р(Н пН}) - вероятность одновременного появления событий Н и н,; Р(Н) - вероятность появления события Н^; Р() - вероятность появления события Н .

В табл. 1 приведены результаты расчета надежности бетонопленочной облицовки с использованием геомембраны при последовательном соединении элементов и различном характере их связи. Анализ результатов, представленных в табл. 1, показывает, что с возрастанием вероятности безотказной работы повышается надежность облицовки в целом на 13,3 % (РобЛ = 0,799 до РобЛ = 0,922), а при наличии статистической связи элементов (когда отказы или повреждения защитной

ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО

прокладки из геотекстиля непосредственно влияют на отказы или повреждения геомембраны) с увеличением корреляционной связи р от 0 до 1,0 надежность облицовки снижается на 11,2 % (с Р0б = 0,799 до Робл = 0,709).

Нормативное значение вероятности безотказной работы облицовки может устанавливаться в зависимости от класса сооружения (канала). Согласно рекомендациям Ц. Е. Мирцхулавы, нормативное значение Р для сооружений 1У...11 класса может быть принято равным 0,95...0,99 [10].

Другие расчетные значения параметров облицовки с использованием геомембраны, характеризующих надежность при эксплуатации, могут быть определены по формулам, полученным автором [11]:

усредненный коэффициент фильтрации облицовки при кгр / кзащпк > 10 -

к, _ 3,3 02я 2к защ.ПК 50 гусд п

обл у чт / 4

1п (302 Ю) 1пК

Рпфэт! ЯГуел

усредненный коэффициент фильтрации при к / к 10 -

^ ^ гр ' защ.пк

к ^^

3 , 3 02я 2к(щ ((5 0 ( + 50 - Ь )гуСдп

(( + 5)ы ьГ88/'

Р т!

1 пфэ'" •

уел

прогнозный срок службы облицовки -(оп -П )2

/р! — Р

\Р 1 _ —3— ехр

2а 2

где к - коэффициент фильтрации грунта основания; к - коэффициент фильтрации защитного покрытия облицовки; 80 - толщина облицовки; п - количество повреждений; г -радиус условного отверстия повреждения в ПФЭ; ¥0 - площадь облицовки; ко - глубина воды; к1 - остаточный напор под облицовкой; т - количество интервалов повреждений; Рпфэ - вероятность повреждения ПФЭ; ^п - средняя интенсивность повреждений; П - средняя повреждаемость ПФЭ; Оп- сред-неквадратическое отклонение повреждаемости ПФЭ; Р - заданная надежность определения прогнозного срока службы облицовки.

В табл. 2 представлены результаты расчета указанных характеристик надежности облицовки с использованием геомембраны.

Анализ полученных расчетных данных показывает, что для бетонопле-ночной облицовки с использованием геомембраны толщиной более 1,0 мм, по сравнению с традиционными бетонопле-ночными облицовками с применением полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм [4], водонепроницаемость облицовки повышается на три порядка (с к' _1,0 Юсм/с до к(

^обллр _1,0Ю-см/с до к^ _0,92Ю(Т9см/с), а срок службы увеличивается в 2,6 раза (с

Таблица 1

Результаты расчета надежности бетонопленочной облицовки с применением геомембраны

Характер евязи элементов Иеходные данные Раечетные данные

Р Р1 К м Робл

Незавиеимый (при отеутетвии етатиетич е екой евязи эдеме нтов) Р„ _ 0,85 Ращ.пр _ 0,95 Р _ 0 99 ''пфэ - - 0,799

Р _ 0 90 * защ.пк "к " Р _ 0,965 защ.пр > Р _ 0 99 ''пфэ - - 0,860

Р _ 0 95 защ.пк Р _ 0,98 защ.пр > Р _ 0 99 ''пфэ - - 0,922

Завиеимый (при наличии етатиетичеекой евязи элементов) Ращ.пк _ 0,85 Ращ.пр _ 0,95 Рпфэ _ 0,99 0 0 0,799

0,25 0,161 0,784

0,50 0,334 0,769

0,75 0,504 0,754

1,0 1,0 0,709

№ 4' 2011

Таблица 2

Результаты расчета характеристик надежности облицовки k'o5¡¡ и тобл

Исходные данные Расчетные д анные

r , мм усл' р пфэ и 7 1м2 P П Vn, 1/м2 ^ см/с ^облИ лет

0,5 0,0263 0,15 0,99 0,0064 7,2 0,921-10-9 91

Хо(ш.тр =35 лет Хобл.гм =91 ГОД).

Полученные результаты подтверждаются данными фирмы «CARPI», согласно которым коэффициент фильтрации облицовки с применением геомембраны составляет 10-8 ... 10-10 см/с, а срок службы с защищенными геомембранами прогнозируется до 100 лет и более [2].

Выводы

На основе проведенного расчетного обоснования доказана высокая надежность и противофильтрационная эффективность новых конструкций бетоноп-леночных облицовок с применением геомембран.

Новые конструкции бетонопленоч-ных облицовок по сравнению с традиционными конструкциями облицовок являются практически водонепроницаемыми, так как их усредненный коэффициент фильтрации на два-три порядка ниже существующих и соответствует коэффициенту фильтрации бетона наиболее высокой марки.

Прогнозный срок службы бетоно-пленочных конструкций облицовок с использованием геомембран достигает 100 лет и соответствует данным зарубежных фирм, занимающихся производством и укладкой геомембран.

1. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 65 с.

2. Скуеро А. М., Васкетти Г. Л. Геомембраны - хорошо зарекомендовавшие себя водонепроницаемые системы на гидротехнических сооружениях: Международный дайджест по гидроэнергетике и плотинам. - 2011. - С. 59-68.

3. Защитные покрытия оросительных каналов / В. С. Алтунин [и др.]; под ред. В. С. Алтунина. - М.: Агропромиздат, 1988. - 158 с.

4. Резник В. Б. Новые материалы и конструкции на основе полимеров в водохозяйственном строительстве. - Киев: Будивельник, 1987. - 176 с.

5. Попов М. А. Румянцев И. С. Природоохранные сооружения. - М.: Колос, 2005.

- 520 с.

6. Ищенко А. В. Повышение эффективности и надежности противофильтрацион-ных облицовок оросительных каналов / Известия вузов Сев.-Кав. региона: сб. статей. - Ростов-на-Дону, 2006. - 211 с.

7. Алимов А. Г. Противофильтрационная защита каналов и водоемов // Гидротехническое строительство. - 2008. - № 4.

- С. 36-42.

8. Коваленко П. И., Ливак Л. С. Борьба с потерями воды из каналов в США // Мелиорация и водное хозяйство. - 1991.-№ 3. - С. 57-60.

9. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. - М., 2003. - 25 с.

10. Мирцхулава Ц. Е. О надежности крупных каналов. - М.: Колос, 1981. - 318 с.

11. Чернов М. А. Обоснование противо-фильтрационной эффективности облицовок каналов с применением полимерных материалов / Известия вузов Сев.-Кав. региона: сб. статей. - Ростов-на-Дону, 2011. - № 2. - С. 108-114.

Материал поступил в редакцию 28.04. 11. Чернов Михаил Александрович, научный сотрудник. Тел. 8(8635)22-18-86 E-mail: mixachernov@mail.ru