СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭКРАНА С ГЕОМЕМБРАНОЙ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR CREATION OF ANTIFILTRATION SCREEN WITH GEOMEMBRANE FROM POLYMER MATERIAL

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при создании противофильтрационной защиты ложа накопителей отходов и водоемов различного назначения.
Известен способ создания противофильтрационного экрана, включающий подготовку грунтового основания, укладку водонепроницаемой геомембраны в виде полотнищ из полимерных материалов, например полиэтиленовой пленки, соединение полотнищ посредством сварки или склеивания, устройство защитного слоя из грунтовых или иных материалов [1, рис. 2д].
Недостатком данного способа является то, что при устройстве экрана на большой площади вследствие большой величины коэффициента линейного расширения полимерных материалов пленочный элемент экрана подвержен большим температурным деформациям. Например, сокращение линейных размеров полиэтиленовой пленки при охлаждении на 50-60°С составляет более 10 см на каждые 100 м. При жестком закреплении кромок экрана и невозможности его деформирования в пленочном элементе развиваются значительные растягивающие напряжения, которые при определенных условиях приводят к разрывам пленки (как правило, в местах устройства сварных швов) с нарушением противофильтрационных свойств экрана [7]. Аналогичные нарушения экрана возможны при неравномерных осадках и просадках основания.
Для устранения указанного недостатка разработано техническое решение по устройству пленочного экрана с компенсаторами деформаций экрана (развивающихся при перепадах температуры или просадках основания), обеспечивающими разгрузку сварных швов и полотнищ экрана от растягивающих напряжений ([2], п.3.21, рис.5).
Недостатком данного решения является устройство компенсатора в виде складки. В рабочем состоянии складка полиэтиленовой пленки зажимается под давлением защитного слоя, ее раскрытие практически невозможно, так как:
- коэффициент трения пленки по пленке больше, чем пленки по грунту ([1], приложение 4);
- максимальные напряжения растяжения, для компенсации которых требуется раскрытие складки, развиваются при температурах ниже минус 30°С;
при этом материал геомембраны в значительной мере теряет эластичность, вследствие чего любые подвижки сжатой складки могут привести к разрушению пленки в компенсаторе.
Аналогичные недостатки имеют и другие технические решения, в основе которых лежит идея использования компенсаторов складчатого типа, например [3].
Наиболее близким техническим решением является устройство пленочного противофильтрационного экрана, снабженного компенсаторами деформаций в виде стыковых соединений полотнищ пленочного экрана с перекрывающими стык сверху и снизу полосами материала, отличающегося от материала геомембраны [4].
Недостатки данного решения:
- предусматривается скрепление полотнищ между собой путем прикрепления к ним полосы, перекрывающей сверху зазор на стыке полотнищ; вследствие этого значительно ограничивается возможность перемещения соединяемых полотнищ относительно друг друга для предотвращения развития в них растягивающих напряжений, снижается эффективность работы компенсатора;
- предполагается скольжение пленочного элемента (геомембраны) по поверхности полосы, перекрывающей снизу зазор на стыке полотнищ, за счет покрытия этой полосы антифрикционным составом, который при низких температурах, когда необходимо скольжение одного материала по другому, теряет свои антифрикционные свойства вследствие застывания.
В результате возможно нарушение герметичности компенсатора и водонепроницаемости экрана.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении необходимой подвижности компенсатора без повреждения пленочного противофильтрационного элемента (геомембраны) и при сохранении его герметичности.
Достигается это тем, что в способе создания противофильтрационного экрана с геомембраной из полимерного материала, включающем подготовку грунтового основания, укладку на него водонепроницаемой геомембраны, состоящей из герметично соединенных между собой полотнищ полимерного материала, устройство компенсаторов деформаций геомембраны со стыковым соединением полотнищ в местах устройства компенсаторов и перекрытием стыков снизу и сверху полосами материала, отличающегося от материала геомембраны, устройство защитного слоя экрана, перед укладкой полотнищ полимерных материалов на подготовленное грунтовое основание определяют места расположения компенсаторов деформаций геомембраны, в которых затем укладывают полотнища полимерных материалов встык без скрепления полотнищ между собой, при этом на поверхности грунтового основания под каждым стыком предварительно укладывают защитно-изолирующую накладку из непроницаемого материала, поверх нее укладывают антифрикционную прокладку из материала, коэффициент трения которого по материалу геомембраны ниже, чем коэффициент трения материала геомембраны по грунту основания, затем такую же антифрикционную прокладку укладывают поверх стыка и сверху накрывают ее защитно-изолирующей накладкой из непроницаемого материала.
0,5
Расстояния между компенсаторами деформаций назначают из условия L≤50·δ, м; где δ - толщина геомембраны из полимерных материалов, мм. Нижнюю и верхнюю защитно-изолирующие накладки выполняют без прикрепления к полотнищам геомембраны. Ширину нижней и верхней антифрикционных прокладок в направлении перпендикулярно стыку принимают не менее величины В=3·b, мм; где b - максимальная ширина раскрытия стыка, мм.
Ширину нижней и верхней защитно-изолирующих накладок в направлении перпендикулярно стыку определяют расчетом по формуле А=В+2·а, мм; где а - оптимальная величина напуска накладки на геомембрану, мм. Оптимальную величину напуска нижней и верхней защитно-изолирующих накладок на геомембрану рассчитывают по формуле α=100·δ, мм.
Антифрикционные прокладки выполняют из нетканых геосинтетических материалов - геотекстилей, или из рулонных геосинтетических противофильтрационных материалов на основе бентонитовых глин с каркасом из тканых и нетканых геосинтетических материалов - геотекстилей.
Предлагаемый способ создания противофильтрационного экрана иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен фрагмент плана противофильтрационного экрана; на фиг.2 - разрез экрана в месте установки компенсатора (исходное положение по окончании монтажа); на фиг.3 - сечение компенсатора в рабочем положении при деформации геомембраны.
Цифрами на чертежах обозначены: 1 - полотнища геомембраны из полимерного материала; 2 - соединение полотнищ со скреплением кромок сваркой или склеиванием; 3 - компенсаторы деформаций геомембраны; 4, 5 - нижняя и верхняя антифрикционные прокладки; 6, 7 - нижняя и верхняя защитно-изолирующие накладки; 8 - подготовленное грунтовое основание (подстилающий слой) экрана; 9 - защитный слой экрана из грунтовых или иных материалов; 10 - отходы или стоки; 11 - зазор на стыке полотнищ, соответствующий деформации геомембраны; 12 - зазоры между геомембраной и защитно-изолирующими накладками; 13 - заполнение зазоров при использовании для антифрикционной прокладки рулонных противофильтрационных материалов на основе бентонитовой глины.
Буквенные обозначения: L - расстояние между компенсаторами; F - растягивающее усилие в геомембране при отсутствии компенсатора; δ - толщина геомембраны; b - раскрытие стыка (зазор) смежных полотнищ геомембраны, соответствующий максимальной расчетной деформации геомембраны; А - ширина защитно-изолирующей накладки; В - ширина антифрикционной прокладки; а - уширение (в одну сторону) защитно-изолирующей накладки относительно антифрикционной прокладки.
Противофильтрационный экран создают следующим образом.
На подготовленное грунтовое основание (подстилающий слой) 8 укладывают полотнища 1 геомембраны из полимерного материала, например полиэтиленовой пленки. Полотнища геомембраны соединяют между собой с обеспечением герметичности соединений 2, например, путем сварки или склеивания кромок полотнищ, затем покрывают защитным слоем 9 из грунта или иных материалов, предохраняющим геомембрану от повреждения строительными механизмами (в процессе строительства) или веществами, содержащимися в размещенных над экраном при эксплуатации отходах или стоках 10.
Часть соединений полотнищ геомембраны выполняют в виде компенсаторов 3, обеспечивающих возможность перемещения кромок полотнищ относительно друг друга на величину ожидаемых деформаций геомембраны для предотвращения излишних растягивающих напряжений в ней от воздействия неблагоприятных факторов, например значительного понижения температуры. При этом укладку смежных полотнищ полимерного материала геомембраны в месте устройства компенсатора выполняют встык без скрепления полотнищ между собой.
Предварительно на поверхности подготовленного грунтового основания 8 под стыком укладывают защитно-изолирующую накладку 6 из непроницаемого (например, полимерного) материала, поверх которой укладывают антифрикционную прокладку 4 из материала, коэффициент трения которого по материалу геомембраны 1 ниже, чем коэффициент трения материала геомембраны по грунту основания 8, затем такую же антифрикционную прокладку 5 укладывают поверх стыка и сверху накрывают ее защитно-изолирующей накладкой 7 из непроницаемого материала, например аналогичного материалу нижней защитно-изолирующей накладки 6.
0,5
По результатам анализа повреждаемости пленочных экранов под воздействием температурных напряжений при снижении температуры эксплуатации относительно температуры монтажа экрана на 60-70° [7] установлено, что расстояние между компенсаторами L (м) не должно превышать величины L=50·δ, где δ - толщина геомембраны из полимерных материалов, мм.
Конструкция компенсатора должна обеспечивать хорошую подвижность смежных полотнищ геомембраны относительно друг друга и в то же время герметичность стыка между полотнищами, в том числе в случае раскрытии стыка с образованием зазора при развитии температурных деформаций или просадок основания.
Герметизацию стыкового соединения выполняют по принципу лабиринтного уплотнения. С этой целью:
- ширину антифрикционных прокладок в направлении перпендикулярно стыку назначают В≥3·b из условия гарантированного перекрытия стыка при максимальном его раскрытии (например, для полиэтиленовых листов толщиной d=2 мм шаг установки компенсаторов должен составить L≤71 м, при этом максимальное раскрытие стыка может составить b=0,11 м);
- защитно-изолирующие накладки выполняют из непроницаемого материала шириной А=В+2·а, где а - уширение (в одну сторону) защитно-изолирующей накладки относительно антифрикционной прокладки. Напуск кромки накладки на материал геомембраны при наличии значительного вертикального давления обеспечивает их плотный контакт и способствует лучшей гидроизоляции стыка, но в то же время создает эффект защемления геомембраны и ограничивает подвижность компенсатора. Оптимальную величину напуска вычисляют по формуле а=100·δ, полученную из условия, чтобы сумма сил трения от напусков верхней и нижней накладок не превышала 30% от разрушающего усилия для материала геомембраны при расчетной температуре ниже минус 30°С.
Для антифрикционных прокладок используют нетканые геосинтетические материалы (геотекстили), имеющие угол трения по материалу геомембраны (например, полиэтилену с гладкой поверхностью) 6-12° [6], коэффициент трения 0,1-0,2, тогда как угол трения грунтов по материалу мембраны составляет 18° [6], коэффициент трения 0,3 [5].
При необходимости особо высокой герметичности соединения в качестве антифрикционной прокладки используют полосу рулонного геосинтетического противофильтрационного материала на основе бентонитовой глины (Bentomat, Bentofix и т.п.) в виде порошка или гранул, помещенных в каркас между двумя слоями геотекстиля. При замачивании бентонитового заполнителя он выдавливается через открытые кромки прокладки в зазор 12 между защитно-изолирующей накладкой и геомембраной, создавая практически непроницаемые уплотнения 13.
Применение компенсаторов деформаций геомембран из полимерных материалов обеспечивает:
- возможность создания противофильтрационных экранов с геомембранами из полимерных материалов любых размеров;
- компенсацию максимально возможных деформаций геомембраны от неблагоприятных воздействий, например колебаний температуры, без опасности разрушения геомембраны избыточными растягивающими напряжениями и без нарушения герметичности экрана.
Указанные преимущества позволяют значительно расширить сферу применения противофильтрационных экранов с геомембранами из полимерных материалов.
Источники информации
1. СП 551-82. Инструкция по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой пленки для искусственных водоемов. М.: Стройиздат, 1983. (Аналог 1).
2. Руководство по применению грунтово-пленочных экранов в земляных сооружениях оросительных систем. Минмелиоводхоз СССР, М.: 1979. (пункт 3.21, рис.5 - Аналог 2).
3. AC №1518439 SU. Способ создания экрана на просадочных грунтах (Аналог 3).
4. AC №810877 SU. Стыковое соединение (Прототип).
5. Пленочные противофильтрационные устройства гидротехнических сооружений. Под ред. И.Е.Кричевского. М.: Энергия, 1976.
6. Landfill Engineering. Информационные материалы фирмы NAUE FASERTECHNIK, Германия, 2001.
7. Вострецов С.П. Оценка повреждаемости пленочных экранов. Сборник научных статей, стр.232-242. ОАО «Галургия», Пермь, 2002.