Розглянуто геосинтетичні матеріали, застосовувані в гідротехнічному будівництві, і наведені їх основні фізико-механічні характеристики. Представлені конструкції і значення основних показників надійності протифільтраційних облицювань каналів і водойм, визначені види відмов їх основних конструктивних елементів.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Чернов Михайло Олександрович


Geosynthetic materials used in hydraulic engineering are considered in the article. Its basic physical and mechanical characteristics are given. Constructions and values ​​of the basic reliability parameters impervious linings of channels and reservoirs are presented. Failure modes of the main structural elements are defined.


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал
    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації
    Наукова стаття на тему 'Конструкції захисних облицювань каналів і водойм із застосуванням геосинтетичних матеріалів'

    Текст наукової роботи на тему «Конструкції захисних облицювань каналів і водойм із застосуванням геосинтетичних матеріалів»

    ?УДК 626.823.916

    М. А. Чернов (ФГБНУ «РосНІІПМ»)

    КОНСТРУКЦІЇ ЗАХИСНИХ облицювань КАНАЛІВ І

    ВОДОЙМ З застосування геосинтетичних

    МАТЕРІАЛІВ

    Розглянуто геосинтетичні матеріали, що застосовуються в гідротехнічному будівництві, і наведені їх основні фізико-механічні характеристики. Представлені конструкції і значення основних показників надійності протифільтраційних облицювань каналів і водойм, визначені види відмов їх основних конструктивних елементів.

    Ключові слова: геосинтетичні матеріали, протифільтраційна

    облицювання, канал, конструктивний елемент, коефіцієнт фільтрації.

    M. A. Chernov

    CONSTRUCTIONS FOR SAFETY FACINGS OF CHANNELS AND RESERVOIRS USING GEOSYNTHETIC MATERIALS

    Geosynthetic materials used in hydraulic engineering are considered in the article. Its basic physical and mechanical characteristics are given. Constructions and values ​​of the basic reliability parameters impervious linings of channels and reservoirs are presented. Failure modes of the main structural elements are defined.

    Keywords: geosynthetic materials, impervious lining, channel, design elements, the filtration coefficient.

    Геосинтетичні матеріали набули великого поширення у вітчизняному та зарубіжному гідротехнічному будівництві, в конструкціях протифільтраційних облицювань каналів, покриттів водойм, а також в дренажних і берегозахисних пристроях.

    Геосинтетичні матеріали (geosynthetics; GSY) - матеріали з синтетичних або природних полімерів, що контактують з грунтом або іншими середовищами, що застосовуються в будівництві [1]. Такі матеріали сприймають значні напруження розтягу, зберігають міцність навіть при великих деформаціях, однорідні за своєю якістю, довговічні, технологічні та ефективні в будівництві. У таблиці 1 представлені фізико-механічні характеристики сучасних геосін-тетических матеріалів, що застосовуються в гідротехнічному будівництві.

    Таблиця 1 - Відомості про характеристики геосинтетичних матеріалів

    Наймену- вання Область застосування Матеріал виготовлення Товщина, мм Зусилля при розтягуванні, кН / м сопро- тивление продавши- Лівані, Н поверхневі пліт- ність, г / м2

    Геомем- брану Протівофільт-ротаційний елемент облицювання каналів і водойм Поліетилен, полівінілхлорид, бутилкаучук 1,0-3,0 27-84 330-970 940-980

    Геотек- стиль Закріплення слабких основ Тканий поліпропілен 0,7-3,0 110-1100 - 340-2110

    Захисна прокладка, елемент дренажних пристроїв Нетканий голкопробивний поліпропілен 2,0-5,0 6,0-28,0 500-2500 350-600

    Гео- компо- зити Дренажні пристрої Дренажна основа + два шари нетканого иглопробивного геотекстилю 8,0-20,0 10,5-23,0 не менше 500 -

    Гео- решітка Закріплення грунтів, природних і штучних об'єктів Поліетилен 1,5-2,5 18,5-30,0 - 940-980

    Габіо- ни Берегозахисні споруди. В якості захисного покриття в конструкціях протидії фільтраційних облицювань Металева сітка подвійного кручення з антикорозійним покриттям 2,7-3,7 - - -

    Геосинтетичні матеріали, що застосовуються в гідротехнічному будівництві поділяються на такі види:

    - водонепроникні (протифільтраційні) - геомембрани -призначені для забезпечення гідроізоляції фундаментів, тунелів, застосовуються в якості протифільтраційних елементів в облицювання каналів і водойм;

    - водопроникні (фільтруючі) - геотекстили, геокомпозіти -

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р застосовуються в конструкціях дренажних пристроїв, для закріплення грунтів і в протифільтраційних облицювання каналів і водойм, в якості захисних прокладок;

    - захисні - георешітки, габіони - застосовуються в конструкціях берегозахисних пристроїв, протифільтраційних облицювань - в якості захисних покриттів.

    В даний час існує велика різноманітність конструкцій протифільтраційних облицювань каналів і водойм із застосуванням геосинтетичних матеріалів. На підставі узагальнення зарубіжного досвіду застосування геотекстильних матеріалів в гідротехнічному будівництві (компанії Carpi, Rehau, Maccaferri) і вітчизняного досвіду застосування полімерних плівкових матеріалів для протифільтраційному захисту каналів і водойм [2], розроблені різні конструкції захисних облицювань з використанням геосинтетичних матеріалів (рисунок 1), які можуть застосовуватися в якості берегозахисних і протифільтраційних-них покриттів на каналах, водоймах і накопичувачах.

    Конструкції облицювань з геомембрану і захисним покриттям з бетону (рисунок 1а і 1б) рекомендуються для створення протівофільтра-ної захисту на каналах і водоймах на стійких непросадних і непучинистих підставах з максимальною величиною їх деформації (просадки) до 0,2 м. Для варіанту облицювання на малюнку 1а протівофільт-ротаційний елемент з геомембрани завтовшки 1,0-2,5 мм укладається безпосередньо на підготовлену основу за частками не більше 10 мм, а для варіанту на малюнку 1б, коли в основі залягають грунти з розміром фракції більше 10 мм (наприклад, гравелисті-галечникові), геомембрана, щоб уникнути проколів і вм'ятин, укладається на попередньо покладену захисну прокладку з геотекстилю.

    Для захисту геомембрани від пошкоджень при укладанні бетонного покриття зверху передбачається захисна прокладка з геотекстилю

    Л

    щільністю від 400 до 1000 г / м .

    а)

    б)

    V- - г 1 1 'V - з X До 1 г I До}

    1 л 1 л;

    1 > «1 А. > 1 з. А. Л. 1

    177-777-771-777 ^ 1777-777

    1/2/3

    а, б - з геомембрану і захисним покриттям з бетону; в, г - з геомембрану і захисним покриттям з грунту; д, з - з геомембрану і захисним покриттям з кам'яної начерки; до, л - з геомембрану і захисним покриттям з габіонів і

    георешітки

    1 - захисне покриття; 2 - захисна прокладка з геотекстилю;

    3 - протифільтраційний елемент з геомембрани; 4 - захисний шар з піску;

    5 - дренажний елемент з геокомпозітов; 6 - георешітка

    Малюнок 1 - Конструкції протифільтраційних облицювань каналів і водойм з використанням геосинтетичних матеріалів

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р.

    Зазначені конструкції облицювань забезпечують високий протидії фільтраційний ефект (усереднений коефіцієнт фільтрації обли-

    8 9

    цювання становить 10 -10- см / с) і значний термін служби - до 75 років, за умови проведення поточних і капітальних ремонтів бетонного покриття. Крім того, на відміну від інших типів облицювань, вони надають конструкції найменшу шорсткість поверхні з коефіцієнтом шорсткості п = 0,015-0,018, що забезпечує високу пропускну здатність русел каналів.

    Конструкції облицювань з геомембрану і захисним покриттям з грунту (малюнки 1в і 1г) доцільно застосовувати на водоймах і накопичувачах на слабопросадочних і слабоздимистих підставах з максимальною величиною осідання до 0,4 м. Для варіанту конструкції на малюнку 1в основа не повинна містити частинки з розміром фракції більше 10 мм, а для варіанту на малюнку 1 г підстава може містити фракції крупніше 10 мм (гравелисті-галечникові).

    Дані конструкції відрізняються великою деформационной здатністю, а також забезпечують високі протифільтраційні властивості облицювання, прогнозний термін служби грунтопленочних протівофільтра-ційних облицювань із застосуванням геомембран складає 75-100 років. До недоліків конструкції слід віднести ймовірність зсуву захисного грунтового шару на схилах із закладенням 1: 3 і його розмив при коливаннях рівня води. Товщина захисного покриття з грунту повинна становити від 0,5 до 1,0 м, що вимагає виконання значного обсягу земляних робіт.

    Конструкції облицювань з геомембрану і захисним покриттям з кам'яної начерки (малюнки 1д-1 з) можуть застосовуватися на каналах, водоймах і накопичувачах як на Середньостійка, так і на нестійких підставах з максимальною величиною осідання більш 0,2-0,4 м.

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р.

    Оскільки до складу цих конструкцій входить захисне покриття з кам'яної начерки, яке саме по собі є досить гнучким і буде слідувати за деформаціями основи без його порушення, то вони будуть надійно працювати при значних деформаціях до 0,5-0,7 м. До недоліків слід віднести високу шорсткість поверхні з коефіцієнтом шорсткості / 7 = 0,030-0,035, що буде впливати на пропускну здатність каналів, зменшуючи її, особливо в перші роки експлуатації. Потім коефіцієнт п буде знижуватися внаслідок кольматації та замулення кам'яної начерки, і після 5-10 років експлуатації він буде близьким до земляних руслах каналів п = 0,020-0,025. Товщина захисного покриття з кам'яної начерки повинна прийматися не менше 0,3-0,5 м, щоб уникнути зсуву покриття при експлуатації камінь слід укладати в 2-

    3 шари.

    На малюнку 1к представлена ​​конструкція протифільтраційному облицювання із захисним покриттям з габіонів матрацного типу товщиною 0,17-0,3 м. Дана конструкція може бути застосована при будівництві каналів і водойм. Завдяки високій гнучкості, конструкція може застосовуватися на середньо- і сільнопросадочних грунтах, коефіцієнт закладання укосів в залежності від товщини габіонних конструкцій приймається від 1: 4 до 1: 3. До недоліків даної конструкції можна віднести підвищену шорсткість п-0,030-0,032 захисного покриття з габіонних конструкцій, знижує пропускну здатність каналів в перші роки експлуатації.

    Конструкція протифільтраційному облицювання із застосуванням в якості захисного покриття георешітки показана на малюнку 1 л. Дана конструкція може бути застосована при влаштуванні водойм на середньо- і силь-нопросадочних підставах, коефіцієнт закладання укосів рекомендується приймати не менше 1: 3. Дана протифільтраційна конструкція - це аналог традиційної грунтопленочной конструкції, володію-

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р щий ряд переваг, таких як зменшення товщини захисного покриття з 0,5-1,0 м до 0,15-0,3 м і, як наслідок, зменшення обсягів земляних робіт, висока стійкість до осіданням, пученію і вимивши грунту завдяки закріпленню його осередками георешітки.

    В даний час при будівництві каналів, водойм і гребель широкого поширення набули поверхневі Протифільтраційні-ні екрани [3]. При влаштуванні поверхневих екранів в залежності від напору і призначення об'єкта застосовується геомембрана товщиною 1,0-2,5 мм, із захисною прокладкою з геотекстилю або без неї в залежності від крупності частинок грунту підстави. Основні переваги поверхневих протифільтраційних екранів: малі терміни будівництва, низька матеріалоємність і трудомісткість пристрою; стійкість покриття до осіданням і пученію грунту; висока ремонтопридатність; термін служби 20-30 років. Застосування поверхневих протифільтраційних екранів при будівництві каналів дозволить істотно підвищити пропускну здатність каналу за рахунок зниження шорсткості русла до n = 0,0120,014. Основний недолік конструкції - легка доступність до геомембрану і, відповідно, можливість її пошкодження. У зв'язку з цим дана конструкція рекомендується до застосування тільки на водоймах і накопичувачах з обов'язковим пристроєм огорожі по всьому периметру і здійсненням охорони об'єкта.

    Автором проведено натурне обстеження двох російських об'єктів з геомембрану: водойм-накопичувачів на Пятигорском Іподромі (рисунок 2).

    Роботи по влаштуванню поверхневого екрану виконані фірмою «Ростехнології» із застосуванням геомембрани Carbofol (Німеччина) з поліетилену високої густини низького тиску, товщиною 1,0 мм. З'єднання полотнищ геомембрани здійснювалося з використанням апаратів гарячого клина, з формуванням шва з перевірочним каналом.

    Малюнок 2 -Водоем-накопичувач з поверхневим протифільтраційним екраном з геомембрани

    При проведенні обстеження недоваріть і перепалив швів і пошкодження геомембрани не виявлено, за результатами досліджень водного балансу усереднений коефіцієнт фільтрації покриття склав ^ 6л = (8,83н-1,32) -Ю 9см / с, що свідчить про високу протівофільтра-ної ефективності покриття і відповідає закордонним даними [3].

    Надійність конструкції протифільтраційному облицювання залежить від надійності її основних конструктивних елементів. У свою чергу надійність конструктивних елементів оцінюється по їх технічному стану. На малюнку 3 представлені види відмов конструктивних елементів розглянутих вище протифільтраційних покриттів.

    Під відмовою конструктивного елементу, з точки зору надійності, будемо розуміти його неробочий стан.

    03 Про н

    X

    про

    <I »

    4 про

    -про

    X

    ?

    1

    >,

    про.

    н

    0

    1

    0 и

    X

    3

    1? А Про X У

    про

    «

    до

    н

    про

    0

    3

    1

    N

    про

    3

    п

    про

    Я

    Бетоно-

    плівкові

    протівофільтра-

    ційних

    облицювання

    грунто-

    іленочние

    протівофільтра-

    ційних

    облицювання

    Плівкові 11рогі вофіл ьтра-ціоннис покриття із захисним шаром з габіонів

    1 г 1 . . .

    Захисне покриття

    и г 1 г 1 г

    Поверхневі протівофільтраці-онние екрани

    Руйнування поверхні бетонних плит.

    Деформації плит облицювання

    Оползаніе і змив захисного шару грунту

    Розрив сіток габіонних конструкцій, просадка габіонів

    Захисна прокладка з гсотскстіля

    Пошкодження та дефекти геотекстилю при укладанні захисного шару.

    Расслосніс гсотскстіля при експлуатації. Утоньшсніс геотекстилю в місцях передачі основного навантаження від захисного шару

    Розшарування гсотскстіля при експлуатації

    ] 1роті вофільтраціон ний елемент

    и г 1 > '' 1 г

    Пошкодження та дефекти геомембрани при укладанні захисного шару (проколи, вм'ятини). Дефекти швів з'єднання (пропуски, пережогу, нсдовари). Пошкодження в місцях кріплення з елементами споруд. Вм'ятини і розтягування від великих часток підстави (1 > 10мм. Пошкодження при експлуатації (розходження швів, утоньшение)

    Пошкодження в період експлуатації у вигляді розривів, проколів, вм'ятин. Дефекти швів з'єднання (пропуски, пережогу, недоваріть)

    Малюнок 3 - Види відмов конструктивних елементів протифільтраційних облицювань

    Відмова захисного покриття можливий в процесі експлуатації об'єкта внаслідок впливу на покриття негативних факторів зовнішнього середовища, обдиманні і осад грунтів підстилаючого підстави. Захисна прокладка з геотекстилю може пошкоджуватися як при експлуатації каналу, так і при проведенні будівельно-монтажних робіт внаслідок порушень правил укладання захисного покриття. Імовірність відмови протидії-

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р фільтраційного елементу залежить від якості виконання будівельно-монтажних робіт.

    З'єднання основних конструктивних елементів з точки зору забезпечення їх протифільтраційних властивостей конструкції облицювання (у напрямку руху можливого фільтраційного потоку зверху з каналу вниз до грунтовому підставі) може бути представлено як послідовне за умов незалежності та залежності відмов кожного елемента.

    При послідовному з'єднанні елементів облицювання, коли вважають, що відмова кожного елемента є подією випадковою і незалежним, ймовірність безвідмовної роботи облицювання Роблю протягом часу V буде дорівнює добутку ймовірностей безвідмовної роботи його елементів протягом того ж часу [4]:

    3

    ^ Обл (0 = ^ защ.шХО | Р "({) | ^ ПФЕ (0 = '(!)

    2 = 1

    де Рзтш. ^), РЩ (V), Р ^ () - ймовірність безвідмовної роботи відповідних елементів облицювання: захисного покриття з бетону; захисної прокладки з геотекстилю; проти фільтраційного елементу з геомембрани.

    У разі, коли між окремими елементами облицювання є статистичний зв'язок, наприклад при відмові (пошкодженні) захисної прокладки з геотекстилю, можлива відмова (пошкодження) протівофільтраці-ційного елемента з геомембрани, при розрахунку ймовірності безвідмовної роботи облицювання враховуються багатовимірні умови безвідмовності [5]:

    р = (р .р р.н. і (Р-Р -РЖ (2)

    обл V защ.пк защ.пр ПФЕ у V шт защ.пр ПФЕ у N "> у у

    або

    р = Пр + Р -ГТР

    ООЛ _ | ^ I Ш1П _ | ^ ^ I

    1 = 1

    1 = 1

    Км, (3)

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р де Км - коефіцієнт, що враховує статистичну взаємозв'язок між

    елементами [5].

    Оцінку ефективності та надійності протифільтраційному облицювання каналів слід здійснювати, використовуючи основні критерії технічної ефективності та експлуатаційної надійності облицювань каналів [6, 7].

    У таблиці 2 представлені розрахункові значення показників експлуатаційної надійності розглянутих конструкцій протифільтраційних-них облицювань.

    Таблиця 2 - Показники експлуатаційної надійності конструкцій протифільтраційних облицювань із застосуванням геомембран

    Тип облицювання Показник експлуатаційної надійності

    Імовірність безвідмовної роботи облицювання, Р осреднении коефіцієнт фільтрації облицювання, к / бл, см / с Термін служби облицювання, т0, років

    З захисним покриттям з бетону 0,99 10-8-10-9 50-75

    З захисним покриттям з грунту 0,97 10 "9-10" 10 75-100

    З захисним покриттям з габіонів 0,98 10-8-10-9 50

    Відкритий екран 0,90 10-8-10-10 30-35

    Аналіз результатів таблиці 2 показує, що найбільш надійними є конструкції протифільтраційних облицювань із захисним покриттям з габіонів і бетонним захисним покриттям, що пояснюється стійкістю захисних покриттів до впливів зовнішнього середовища; для конструкцій із захисним покриттям з грунту ймовірність безвідмовної роботи нижче, так як при їх експлуатації можливі оползание і змив захисного шару грунту. Імовірність безвідмовної роботи відкритих протівофільтраці-ційних покриттів найнижча (0,90 і нижче) і в значній мірі залежить від умов експлуатації і надійної охорони об'єкта.

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р.

    Відносно протифільтраційному ефективності з розглянутих конструкцій найбільш ефективними вважаються конструкції з захисним покриттям з грунту і відкриті екрани, що пояснюється кольматація ушкоджень проти фільтраційного елементу при експлуатації і високою ремонтопридатністю відкритих протівофільтраці-ційних екранів. Термін служби розглянутих конструкцій протівофільт-раціонних облицювань визначений виходячи з довговічності захисного шару і проти фільтраційного елементу.

    Отримані результати підтверджуються даними фірми Carpi [3], згідно з якими коефіцієнт фільтрації облицювання із застосуванням геомембрани становить в межах к'облги = Ю'8-10'10 см / с, а термін служби з захищеними геомембрану прогнозується до 100 років і більше.

    Список використаних джерел

    1 Стандарт ISO 10318: 2005. Геосинтетичні матеріали. Терміни та визначення [Електронний ресурс]. - Введ. 2005-07-01. - Режим доступу: http://www.iso.org/iso/ru/iso_catalogue/catalogue_ics/catalogue_detail_ics. htm? ics1 = 1 &ics2 = 40&ics3 = 59&csnumber = 41055, 2011.

    2 Захисні покриття зрошувальних каналів / В. С. Алтунин [и др.]; під ред. В. С. Алтунина. - М .: Агропромиздат, 1988. - 158 с.

    3 Скуеро, А. М. Геомембрани - добре зарекомендували себе водонепроникні системи на гідротехнічних спорудах [Електронний ресурс] / А. М. Скуеро, Г. Л. Васкетті // Міжнародний дайджест по гідроенергетиці і гребель. - С. 59-68. - Режим доступу: http://old.e-m.org.ua/archive/prilojene/2007/05/59-68_Scuero.pdf, 2011.

    4 Мірцхулава, Ц. Е. Про надійність великих каналів / Ц. Е. Мірцхулава. - М .: Колос, 1981. - 318 с.

    5 Мірцхулава, Ц. Е. Надійність систем осушення / Ц. Е. Мірцхулава. - М .: Агропромиздат, 1985. - 240 с.

    Науковий журнал Російського НДІ проблем меліорації, № 3 (03), 2011 р.

    6 Чернов, М. А. Оцінка експлуатаційної надійності конструкцій бетонопленочних облицювань каналів / М. А. Чернов // Известия вузів. Сев.-Кав. регіон, Технічна. науки. - 2011. - № 1. - С. 136-139.

    7 Чернов, М. А. Обгрунтування протифільтраційному ефективності облицювань каналів із застосуванням полімерних матеріалів / М. А. Чернов // Известия вузів. Сев.-Кав. регіон, Технічна. науки. - 2011. -№ 2. - С. 108-114.


    Ключові слова: геосинтетичні матеріали / протифільтраційна облицювання / канал / конструктивний елемент / коефіцієнт фільтрації / Geosynthetic materials / impervious lining / Channel / design elements / the filtration coefficient

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити