Отраслевая сеть инноваций в АПК

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ​

Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Титульный лист и исполнители

РЕФЕРАТ

Отчет 198 с., 1 кн., 32 рис., 19 табл., 90 источн., 7 прил.

МЕЛИОРАТИВНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, КАНАЛЫ, ПОЛИГОНАЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАНАЛОВ, ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, БИОИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ, БИОПОЗИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, БЕРЕГОУКРЕПИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, ГАБИОНЫ.

Объектом разработкиявляются гидротехнические сооружения для гидромелиоративных систем предгорной зоны.

Цель работы – разработка новых типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем и прибрежных зон на основе использования биоинженерных технологий.

В процессе работы проводилось конструирование гидротехнических сооружений для мелиоративных систем, разработаныметодологические рекомендации и расчетные модели оросительных каналов для проектирования и реконструкции мелиоративных сетей.

В результате исследования разработаны технические и технологические условия по проектированию и строительству типовых конструкций мелиоративных гидротехнических сооружений (оросительных каналов, водозаборных сооружений и устройств, берегозащитных сооружений и креплений); рекомендации по выбору эффективных конструкций мелиоративных сооружений и технологий их возведения; методология расчетного обоснования и проектирования мелиоративных каналов полигонального сечения; новые конструктивные и технологические решения по мелиоративным сооружениям, каналам и берегозащитным креплениям.

Итоги внедрения результатов НИР приняты к использованию в проектных и научно-производственных институтах, агропромышленных комплексах и учебных заведениях сельскохозяйственного и водохозяйственного направления.

Эффективность предложенных технологических и технических решений состоит в сокращении материальных затрат на строительство и эксплуатацию, повышении эффективность их работы.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Безопасность гидротехнических сооружений Свойство гидротехнических сооружений, позволяющее обеспечивать защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов
Берегоукрепительное сооружение Гидротехническое сооружение для защиты берега от размыва и обрушения
Берегоукрепительное сооружение Гидротехническое сооружение для укрепления берега и его защиты от размыва и обрушения
Бесплотинный водозабор Водозабор, осуществляемый из водотока или водоема без сооружения плотины при бытовом режиме течения воды
Биопозитивные материалы Материалы, которые удовлетворяют принципам биопозитивности: при их изготовлении используются возобновимые ресурсы, они поддаются саморазложению после выполнения функций без загрязнения среды
Водовод Гидротехническое сооружение для подвода и отвода воды в заданном направлении
Водозабор Отбор воды из водоема, водотока или подземного источника для хозяйственных целей
Водозаборное сооружение Гидротехническое сооружение для забора воды в водовод из водоема, водотока или подземного водоисточника
Водозаборное сооружение Гидротехническое сооружение, предназначенное для отбора воды
Водоприемник Часть водозаборного сооружения, служащая для непосредственного приема воды из водоема, водотока или подземного водоисточника
Водоприемник Часть водозаборного сооружения, служащая для непосредственного приема воды из водного объекта
Габион Закрывающийся ящик прямоугольной или цилиндрической формы из металлической сетки, заполняемый галькой или камнем  применяемый обычно для крепления дна и береговых склонов водотоков и водоемов, откосов выемок, насыпей, устройства невысоких (до 3 – 4 м) плотин
Гидравлически наивыгоднейшее сечение Поперечное сечение канала, которое при заданной площади, уклоне и шероховатости имеет наибольшую пропускную способность
Гидротехническое сооружение Сооружение для использования водных ресурсов, а также для борьбы с вредным воздействием вод
Гидроузел Комплекс гидротехнических сооружений, объединенных по расположению и целям их работы
Глубина потока Расстояние от дна потока до его верхней границы (как правило, свободной поверхности), измеряемое в вертикальной продольной плоскости по нормали к линии дна
Глубинный водозабор Водозабор, осуществляемый из глубинных слоев водоема или водотока
Канал Искусственный открытый водовод в земляной выемке, полувыемке-полунасыпи или насыпи
Мелиорация Отрасль народного хозяйства, охватывающая вопросы улучшения природных условий используемых земель
Надежность гидротехнического сооружения Интегральное свойство гидротехнического сооружения, характеризующее его способность выполнять требуемые функции при установленных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания и ремонта в течение заданного периода времени, сохраняя при этом в установленных пределах значения всех параметров, определяющих эти функции
Облицовка Покрытие каналов, сооружений, зданий, выполненное из природных или искусственных материалов, отличающихся по своему качеству от основных материалов
Оросительная система Система гидротехнических сооружений для орошения земель
Орошение земель Искусственное увлажнение почвы для повышения ее плодородия
Откос Наклонная поверхность, являющаяся частью грунтового массива или конструкции
Отстойник Гидротехническое сооружение для осаждения взвешенных в воде наносов
Оценка безопасности гидротехнического сооружения Определение соответствия состояния гидротехнического сооружения и квалификации работников эксплуатирующей организации требованиям к обеспечению безопасности гидротехнических сооружений, установленным законодательством РФ
Плотинный водозабор Водозабор, осуществляемый из водохранилища, созданного плотиной
Поверхностный водозабор Водозабор, осуществляемый из верхних слоев водоема или водотока
Полигональноесечение Составное руслоканала, профиль которого состоит из основания сечения(b – ширинаканалапо дну), имеющего форму трапеции (треугольника), и расположенных над ним ряда участков (пары симметричных откосов), имеющих трапецеидальную форму
Поперечное сечение канала Это изображение фигуры, образованной рассечениемканалаплоскостью под прямым углом к продольной оси (в поперечном направлении)
Расход Объем жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени
Регулирование стока Перераспределение во времени объема стока в соответствии с требованиями водопользования, а также в целях борьбы с наводнениями
Средняя скорость течения жидкости Средняя скорость: словная скорость, равная отношению расхода к площади живого сечения
Тюфяк Плоское гибкое покрытие для крепления русла водотока, выполняемое из хвороста, камня, бетона и других материалов
Фашина Пучки хвороста, металлической или синтетической сетки, перевязанные гибкими прутьями или мягкой проволокой, используемые для крепления русла

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Проблемы повышения эффективности водозаборных сооружений для мелиоративных систем регионов Юга России и Северного Кавказа являются актуальными. Многие водозаборные сооружения, построенные на малых реках еще при Советском Союзе, характеризуются очень низкой эффективностью работы, находятся в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии, нуждаются в полной реконструкции. И те водозаборные сооружения, находящиеся в нормальном эксплуатационном состоянии, нуждаются в повышении эффективности и надежности работы. Особенно остро проявились эти проблемы в условиях оросительных систем предгорных зон, где наносные режимы малых рек оказывают существенное влияние на эффективность работы водоприемных устройств и сооружений. Из-за чего в каналы поступают большое количество крупных (влекомых) наносов, приводящие износу и разрушению облицовок каналов.

Большинство мелиоративных водозаборных сооружений (плотинных и бесплотинных), используемых на практике являются энергетически высокозатратными и материалоемкими. Поэтому они не позволяют мелиоративным системам полностью перейти в экономически оправданные отношения с хозяйствами – водопотребителями.

Решению этой проблемы и посвящены научные исследования по данной работе, выполнявшиеся в соответствии с Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 гг. согласно заказа МСХ РФ по теме «Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем» (государственная регистрация ФГАНУ ЦИТиС № АААА-А20-120032690080-3 от 26.03.2020 г.) и тематического плана научных исследований ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ.

Цель исследований – разработка новых типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем и прибрежных зон на основе использования биоинженерных технологий в водохозяйственном строительстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор, содержащий научный анализ уровня отечественных и зарубежных научных достижений по исследуемой проблеме с обоснованием необходимых направлений проведения исследований.

2. Разработать методику выполнения НИР.

3. Обосновать конструктивные решения по повышению эксплуатационной надежности оросительных каналов и водозаборных сооружений.

4. Разработать методологию расчетного обоснования мелиоративных каналов полигонального сечения.

5. Обосновать технологические решения по регулированию участков малых рек и повышению эффективности работ водозаборных сооружений.

6. Разработать инновационные технические решения (защищенные патентами на изобретения) по проектированию и строительству новых типов водозаборных сооружений на основе использования природоохранных технологий.

7. Обосновать биоинженерные технологии защиты и обустройства прибрежных зон мелиоративных систем и каналов.

8. Разработать технические условия по проектированию и строительству новых типовых конструкций мелиоративных каналов.

9. Разработать технические условия по проектированию и строительству новых типовых конструкций водозаборных сооружений и устройств.

10. Разработать технические условия по проектированию и строительству новых типовых конструкций защитно-регуляционных сооружений у водозаборных гидроузлов.

11. Оценить качественные и технико-экономические показатели применения разработанных типовых конструкций гидротехнических сооружений для мелиоративных систем на основе применения природоохранных технологий.

В известных и применяемых технических решениях по проектированию и строительству водозаборных сооружений преобладают техногенные подходы, которые не учитывают экологические и гидрологические особенности малых рек, их наносные и скоростные режимы, технологические условия работы водозаборов, энергозатраты регулирующих устройств водоприемников и промывников. Отсутствуют научно-обоснованные методы, нормативные и технические рекомендации по проектированию и строительству эффективных и надежных конструкций водозаборных сооружений для небольших оросительных систем, расположенных в прибрежных зонах малых рек.

В составе водозаборных сооружений мелиоративных систем предусмотрены дорогостоящие промывные устройства и отстойники, которые требуют большие материальные и энергетические затраты. В связи с чем себестоимость оросительной воды для многих хозяйств стала не подъемной, эксплуатационные затраты вообще не окупаются экономически. Поэтому до сих пор сохранилась советская система бесплатного представления оросительной воды для потребителей. Издержки эксплуатационных организаций покрываются за счет бюджетных ассигнований, а это в свое очередь приводит к нерациональному использованию водных ресурсов.

В связи с чем авторы (Курбанов С.О. и Созаев А.А.) долгое время проводили полевые натурные исследования на оросительно-обводнительных системах, расположенных в предгорных зон КБР. Ими были разработаны более эффективные конструктивные и технологические решения по строительству каналов, водозаборных сооружений в условиях малых рек, характеризующими высокими наносными и скоростными режимами. Для этого вначале были изучены проблемы эксплуатационной надежности и эффективности существующих магистральных каналов и водозаборных сооружений малых рек. Более подробные натурные и аналитические исследования были проведены по магистральным каналам и водозаборным сооружениям предгорных оросительных систем КБР, расположенных на реках Чегем, Баксан и Черек:

– исследованы наносные режимы рек, эффективности работ промывников и отстойников головных водозаборных сооружений;

– исследованы гидравлические режимы работ водосбросных сооружений в период паводков;

– изучены и исследованы эффективность работы водозаборных сооружений в соответствии с графиком водопотребления оросительных систем;

– исследованы гидравлические и наносные режимы магистральных каналов Чегемской ООС;

– разработаны эффективные технические решения по проектированию и строительству каналов полигонального сечения, подрусловых и горизонтальных водозаборов комбинированных конструкций (часть из них защищены патентами на изобретения, а честь находится на рассмотрении).

Дополнительно разработаны и поданы еще 4 заявки на изобретения по конструктивным и технологическим решениям возведения подрусловых и горизонтальных водозаборных сооружений. И одна заявка по способу возведения противоэрозионного крепления биопозитивной конструкции, который может быть использован для восстановления эродированных участков мелиорируемых земель.

Разработанные в работе новые технические решения по водозаборным сооружениям и водопроводящим каналам для прибрежных мелиоративных систем обеспечивают повышение эффективности работы и эксплуатационной надежности мелиоративной сети.

Для мелиоративных каналов полигонального сечения разработаны математические модели и методологию проектирования. Имеются разработанные методики проектирования и расчетного обоснования мелиоративных каналов с двумя и тремя парами симметричных откосов. Разработана также методика оптимизации полигональных сечений мелиоративных каналов.

Имеются также, разработанные и экологические методы регулирования участков русел рек, где проектируются новые типы водозаборных сооружений. В конструкциях новых водозаборов и защитных креплений используются в значительной степени изделия из природных материалов, которые благоприятно влияют на речной сток и прибрежные зеленые зоны.

Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству мелиоративных каналов полигонального сечения для условий предгорных зон.

Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству нового подруслового водозаборного сооружения с фильтрующим водоприемником.

Разработан типовой проект по строительству мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА МЕЛИОРАТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1 Общая характеристика проблем проектирования и строительства каналов и водозаборных сооружений для прибрежных мелиоративных систем предгорных зон

В области проектирования и строительства мелиоративных сооружений и каналов в России имеются свои (отечественные) научно-технические достижения. Научную (теоретическую) часть которых,по мнению авторов,можно оценить на «отлично», а практическую часть на «удовлетворительно», так как объем внедренных (реализованных) в производство научных достижений составляет менее 30%. А по гидротехническим каналам полигонального профиля и водозаборным сооружениям (подрусловым и горизонтальным) – менее 10%. Применение на существующих оросительных системах традиционных плотинных водозаборов и каналов прямоугольного или трапецеидального профилей привело к снижению их эффективности и надежности.В результате высокая себестоимость оросительной воды и высокие эксплуатационные затраты оросительных систем приводят к удорожанию сельхоз продукции. Поэтому до сих пор сохранилась советская система бесплатного представления оросительной воды для потребителей. Издержки эксплуатационных организаций покрываются за счет бюджетных ассигнований, а это в свое очередь приводит к нерациональному использованию водных ресурсов.

В существующей научно-технической, справочной и нормативной литературе [1,2-12] содержится множество методик гидравлических и технико-экономических расчетов каналов: на равномерный и неравномерный режимы движения, по допускаемым скоростям; со статически или динамически устойчивым руслом; облицованных каналов с гидравлически гладкими руслами, с шероховатыми руслами и с неоднородной шероховатостью по периметру и т.д. Однако все перечисленные виды расчетов разработаны в основном для каналов с трапецеидальным (в большей части) и прямоугольным сечениями. Имеющиеся в настоящее время научно-технические разработки, рекомендации по проектированию каналов различного назначения, технические условия и строительные нормы и правила до 95% были выполненыи разработаныс обоснованием для трапецеидальных форм их русел. Многие авторы, занимавшиеся гидравлическимипроблемамиканалов, проводили своиисследованияи разрабатывали методикирасчетовтолькодля каналовс трапецеидальным поперечнымсечением.Влияниеформыпоперечногосечениянарасчетныехарактеристикиканаловбыло малоизучено. Для каналовполигональногопрофиляотсутствуют научно обоснованные подходы и методологии проектирования.

Большой вклад в разработку методов гидравлических расчетов каналов внесли: И.И. Агроскин, Т.А. Алиев, В.С. Алтунин, В.А. Большаков, Г.В. Железняков, Ю.Г. Иванченко, Б.А. Ибад-Заде, Ю.М. Косиченко, К.А. Михайлов, Ц.Е. Мирцхулава, Н.Н. Павловский, И.С. Румянцев, Е.К. Рабкова, Р.Р. Чугаев, М.М. Скиба, Д.В. Штеренлихт и др. В развитие научного направления по динамике русловых процессов существенный вклад внесли работы Бернадского Н.М., Великанова М.А., Гришина К.В., Лелявского Н.С., Ржаницына Н.А. и др. Изучение процесса воздействия потока на подвижное размываемое русло развивалось в направлении изучения наиболее важных закономерностей и установления на этой основе методов расчета инженерных задач. В развитии этого научного направления большой вклад внесли работы Абольянца С. Х, Боровкова В.С., Гончарова В. Н., Леви Ч. Ч., Магомедовой А.В., Мирцхулава Ц. Е., Замарина Е. А., Знаменской Н. С., Чалова Р.С. и др.

Однако научный анализ работ выше приведенных авторов, а также действующей справочной и нормативной литературы показывает, что для каналов полигонального профиля отсутствуют эффективные, научно обоснованные методы проектирования и расчетного обоснования. Новые методы гидравлического и технико-экономического расчетов каналов полигонального профиля, предлагаемые авторами данных исследований и опубликованные в научных работах, не получили широкого применения так как нужно эти методы включить в нормативные документы (технические условия, типовые проекты и др.).

На практике наибольшее распространение по форме поперечного сечения получили каналы призматического сечения, которые подразделяют на прямоугольные, трапецеидальные, треугольные и полигональные. Каналы трапецеидального профиля получили наибольшее распространение (примерно 80 %), и по изученности и разработанности научных основ и методов расчета они более проработаны. В этом ряду каналы с полигональным поперечным сечением менее изучены и распространены. Для них до текущего времени нет научных основ проектирования и нет обоснованных методик гидравлического расчета, по которым можно определять их оптимальные наивыгоднейшие параметры с достаточной обоснованностью.

И в зарубежных научных публикациях открытого доступа очень мало информации по проблемам проектирования истроительства мелиоративных каналов и водозаборов. Наиболее значимые научные работы в области водного хозяйства и мелиорации выполнены и опубликованы учеными и специалистами «Бюро мелиорации» США. Бюро Мелиорации США создано в 1902 году для обслуживания 17 засушливых западных штатов. На сегодняшний день оно является самым крупным поставщиком воды в США. Оно обеспечивает питьевой водой 31 млн. человек и поливной водой 140 000 фермеров для орошения 4 млн. га сельхозугодий, на которых выращивается 60 % овощей и 25 % фруктов и орехов в США. Главной стратегической задачей Бюро Мелиорации является управлять, развивать и охранять водные и другие, связанные с ним ресурсы с учётом экологических и экономических аспектов в интересах американского общества.

Наряду со своей традиционной деятельностью в настоящее время Бюро Мелиорации занимается:

– управлением водными ресурсами, обеспечивая растущий спрос на воду путём мелиорации и повторного использования, сохранения качества воды и поощрения вод сбережения;

– восстановлением и защитой окружающей среды, путём охраны и развития среды обитания рыб и диких животных, включая вымирающие виды, рыборазведения и восстановления популяции мигрирующих рыб;

– эксплуатацией и содержанием сооружений, путём защиты инфраструктуры, усиления безопасности плотин, обеспечения прибыли и сбора платы от воды и энергии, развития рекреации;

– исследованиями и развитием новых технологий по повышению надёжности инфраструктуры, водораспределению, охране качества воды в водохранилищах и окружающей среде.

Однако наиболее значимые разработки по мелиоративным сооружениям и системам в открытой печати не публикуют, только общие реферативные данные. У них создана закрытая информационная система научных достижений, туда доступ имеют только они и ихаффилированные организации.

В зарубежной практике опубликованных в открытой печати материалов по водозаборным сооружениям (подрусловым и горизонтальным) и каналам полигонального профиляочень мало. Приводятся обрывочные материалы и ссылки на отчетные материалы НИРпо проектированию и расчету каналов полигонального профиля. Результаты этих исследований не публиковались и доступны на платной основе. Такая ситуация во всех развитых странах запада.

В странах Востока в доступной научно-технической литературе также нет доступных материалов по этим проблемам. Только в Китае имеются некоторые материалы по проектированию и строительству больших каналов, опубликованные в открытой печати. И эти материалы в основном по каналам трапецеидального сечения, а по каналам полигонального сечения публикаций нет.

1.2 Конструкции облицовок каналов и вопросы их надежности

Облицовки каналов подразделяют на противофильтрационные и берегоукрепительные [13,14-18]. Противофильтрационные предназначены для: снижения потерь воды из каналов на фильтрацию и тем самым предотвращению подтопления и возможного засоления примыкаемых земель. Берегоукрепительные защищают откосы русла от размыва потоком, волновыми и ледовыми воздействиями, снижают сопротивления движению воды и повышают коэффициент полезного действия (КПД) канала. В практике строительства мелиоративных каналов чаще требуется комбинированная облицовка, выполняющая одновременно противофильтрационную и берегоукрепительную функции, а также снижающая сопротивление потока.

Бетонные и железобетонные облицовки представляют собой покрытия из монолитного бетона или из сборных железобетонных плит типа НПК. Облицовка из монолитного бетона разрезается на конструктивно-технологические карты устройством температурно-деформационных или температурно-усадочных швов. Толщину облицовок принимают в зависимости от ряда факторов: для монолитных от 10 до 20 см, а сборных 8 – 12 см.

Бетонопленочные облицовки состоят из противофильтрационного элемента из полимерной пленки, защищенной слоем монолитного бетона или сборными железобетонными плитами.

В грунтопленочных облицовках пленочные экраны укладываются под слоем грунта толщиной 0,5 – 1,0 м. Устраиваются каналы и с полимерным покрытием без защитного слоя.

На практике чаще всего устраивают каналы с облицовкой из предварительно напряженных армированных гладких плит типа НПК и толщиной 6 см. Они экономичны, с относительно небольшим армированием, однако материал плит обладает низкой морозостойкостью и склонностью к образованию трещин. Поэтому плиты типа НПК эффективнее применять в облицовках в комбинации с полиэтиленовым экраном.

Под сборными плитами облицовки устраивают подготовку из гравия и песка в виде обратных фильтров и вдоль каналов дренажные устройства для снятия возможного фильтрационного противодавления под креплением при волновом воздействии воды.

На Северном Кавказе широко используют оросительные каналы прямоугольного и трапецеидального сечений, выполненных в железобетонной сборно-монолитной облицовке из сборных блоков и плит и монолитным дном.

Преимуществами данного типа каналов перед каналами в земляном русле являются: возможности транспортирования небольших расходов воды на десятки километров по территории со сложным рельефом, сложенной грунтами с высоким коэффициентом фильтрации; высокая степень индустриализации, строительства и ремонта; высокий уровень КПД в силу низких потерь воды; низкие затраты на эксплуатацию, потому что исключены зарастание и заиление; относительно высокая прочность и долговечность железобетонной облицовки, большая вероятность безотказной работы; высокий коэффициент земельного использования; исключается необходимость учета свойств и характеристик грунтов и конструирование каналов с учетом допускаемых неразмывающих скоростей.

При эксплуатации канала его элементы подвергаются воздействиям различных факторов случайной природы, которые приводят к отклонениям от расчетных значений параметров канала. Эти отклонения квалифицируются как отказ. Ситуация, когда одновременно действуют несколько причин отказов, наиболее типична в практике. При этом среди множества причин, вызывающих отказы, имеются одна – две преобладающие, влияние остальных будет слабым и практически не приводящим к отказам. Соответственно, канал, и его отдельные элементы могут находиться в одном из двух состояний – безотказном Hi и отказа Hj. Между событиями Hi и Hj может быть корреляционная связь, которая определяется коэффициентом корреляции:

word image 947 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.1)

где – вероятность появления соответственно Hi и Hj; – вероятность одновременного появления Hi и Hj.

Определение общего уровня эксплуатационной надежности сложная многофакторная задача, решаемая путем количественной оценки. Наиболее полная количественная оценка возможна на основе статистической обработки данных об отказах. При отсутствии статистических данных об отказах, оценка надежности возможна на основе вероятностно- статистического анализа отдельных элементов или факторов. Кроме анализа статистических данных надежность канала может быть охарактеризована оценкой физики возможных отказов, свойств материалов, анализом конструктивных схем, запасов и т.д.

Разными авторами в области расчетов надежности каналов различного назначения решались следующие основные задачи [19, 20-26]:

– оценка надежности каналов по пропускной способности;

– оценка надежности каналов по совокупности условий работоспо-собности (по пропускной способности, неразмываемости и незаиляемости, по транспортирующей способности потока);

– оценка устойчивости русла канала по условиям неразмываемости и незаиляемости;

– оценка надежности канала как системы, состоящей из ряда взаимосвязанных элементов;

– обобщенная оценка гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов.

Согласно [20] под надежностью канала следует понимать свойство, обеспечивающее выполнение заданных функций (подача заданного расхода воды потребителю) при сохранении установленных эксплуатационных показателей (пропускной способности, поперечного сечения, напора, высоты командования, гидравлического сопротивления) в заданных пределах в течение заданного срока службы при условии качественной эксплуатации, технического обслуживания и своевременных ремонтно-профилактических работ. Для каналов надежность – это свойство своевременно и в требуемом объеме подавать воду на орошение, это один из основных показателей качества, связанный с фактором времени и отражающий все изменения, происходящие в канале и его элементах в период эксплуатации. Показатель надежность лотковой сети определяется отношением фактической пропускной способности (t)к требуемой (расчетной) Qp(t):

word image 948 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.2)

Здесь Qp(t) закладывается на стадии проектирования и обеспечивается необходимыми величинами параметров, определяющих пропускную способность (V, I, n, , , и т.д.). Следовательно, если < возможно определение фактических величин выше изложенных параметров и оценивание их влияния на пропускную способность. Пропускная способность и параметры пропускной способности, характеризующие функциональность канала в произвольный момент времени, определяют уровень эксплуатационной надежности [24,25,26,27].

Пропускная способность является случайной величиной, зависящей от различных факторов (гидравлического сопротивления, деформаций плит облицовки, изменения геометрических параметров канала и уклона дна, отложения наносов и др.). Согласно [24] пропускную способность канала с достаточной точностью можно считать распределенной по нормальному закону:

word image 949 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.3)

где – табличный интеграл вероятности; – пропускная способность канала; – расчетный расход в канале; – среднеквадратическое отклонение расхода канала.

Отказ сооружения (снижение пропускной способности) происходит в результате постепенного накопления повреждений. Налицо многофакторная мера повреждений. В качестве меры (показателя, параметра, фактора) оценки многофакторной меры накапливаемых повреждений, оценки уровня технического состояния и эксплуатационной надежности с учетом динамики изменения показателей, определяющих степень его соответствия предъявляемым требованиям, можно принимать априорную меру повреждений D, равную нулю для начального состояния работы сооружения и единице после ее эксплуатации, к моменту выхода из строя [19]:

word image 950 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.4)

где – значение меры накапливаемых повреждений в начальный период эксплуатации (t = 0); – конечное значение меры накапливаемых повреждений в момент отказа; – текущие значения меры накапливаемых повреждений.

При t = 0 соблюдаются начальные условия:

word image 951 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Отказ наступает при исчерпании срока службы Т:

word image 952 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Оценивать эксплуатационную надежность лотковых каналов, его работоспособность, можно, если в качестве универсальной меры накапливаемых повреждений принять пропускную способность, которая полностью отражает влияние всех изменений технического состояния каналов и его элементов, гидравлических характеристик, качества эксплуатации, а также конструктивных и проектных недоработок.

Функцию всех переменных можно рассматривать как произведение элементарных функций тех же переменных:

word image 953 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.5)

гдеА – постоянный множитель; – элементарные функции, описывающие изменение пропускной способности под действием фактора.

Повреждения, вызываемые факторами , как правило, проявляются совместно. В общем случае выражение (5) для функции изменения пропускной способности примет вид:

word image 954 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.6)

Общая функция изменения пропускной способности каналов зависит от частных функций , каждая из которых отражает влияние отдельного фактора. Любая частная функция может быть получена экспериментально, детально исследована с необходимой достоверностью и точностью прогноза.

Для оценки надежности каналов по совокупности условий работоспособности или же, как системы, состоящей из ряда расчетных элементов можно воспользоваться методикой расчета, основанной на положениях теории обобщенных корреляционных функций и теории сложных технических систем [24]. В общем случае выражение вероятности безотказной работы канала имеет вид

word image 955 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.7)

где Pi – вероятность безотказной работы канала по i-му условию работоспособности или вероятность безотказной работы i-го элемента;Pm = minPi– минимальное из значений Pi ; п – количество расчетных условий (элементов); Kn – коэффициент, учитывающий статистическую взаимосвязь между условиями, элементами или отказами элементов канала, определяемый по зависимости:

word image 956 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.8)

word image 957 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

В случае, когда статистическая связь отсутствует,

word image 958 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.9)

т.е. значение общей надежности всего канала равно произведению вероятностей безотказной работы отдельных элементов.

Когда все элементы статистически зависимы:

word image 959 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.10)

В этом случае вероятность безотказной работы канала определяется вероятностью безотказной работы самого ненадежного элемента.

Вероятность безотказной работы Р является мерой безотказности. Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого периода времени [20]. Тогда вероятность безотказной работы Р вероятность того, что в пределах требуемого времени (срока службы) t объект не теряет работоспособности:

word image 960 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.11)

гдеti – время работы объекта до момента потери работоспособности; P(t) в формуле (11) есть показатель надежности.

Безотказность работы элементов канала – необходимое, но недостаточное условие надежности. Обобщающим показателем надежности по совокупности условий является работоспособность, по которой можно оценивать качество или эффективность функционирования каналов. За работоспособность принимают состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. То есть, для каналов под работоспособностью следует понимать состояние, при котором пропускная способность выше, чем расчетный расход, транспортирующая способность потока больше фактической мутности потока, а скорости потока меньше размывающей и больше заиляющей.

Понятно, что со временем, постепенно, работоспособность будет снижаться. В общем виде работоспособность канала приближенно можно охарактеризовать одним общим определяющим параметром, а для более достоверной оценки работоспособности необходимо учитывать все основные параметры: пропускную способность канала; транспортирующую способность потока; гидравлические параметры потока; фильтрационные потери; КПД и др. При этом должны соблюдаться условия не превышения фактических значений параметров над допустимыми, или предельных значений определяющих факторов над действующими эксплуатационными:

Вер{Jпр – Jд = u>0}, (1.12)

где Jпр– предельное значение определяющего параметра;Jд – действующее эксплуатационное значение параметра.

Вероятность того, что канал окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается, характеризуется коэффициентом готовности. Канал как сложная техническая система имеет несколько условий работоспособности. Вероятность работоспособности канала по теории вероятностей определяется зависимостью [26]

word image 961 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

=word image 962 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.13)

где – матрица коэффициентов корреляции между условиями работоспособности; из-за сложности решения этого интеграла возможно использование лишь двух условий работоспособности φ1 > 0, φ2 > 0.

Расчетные скорости в облицованных и лотковых каналах должны удовлетворять условию незаиляемости и неразмываемости (способности материала сопротивляться истирающему действию наносов). Увеличение скорости течения воды до максимально возможных пределов приводит к снижению площади поперечного сечения канала, значит к снижению затрат на его строительство. В условиях предгорной зоны уклоны поверхности земли позволяют в полной мере следовать этому правилу, однако наличие наносов в потоке приводит к истиранию облицовки. Допускаемые скорости потока в соответствии со СНиП 2.06.03-85 должны назначаться в зависимости от проектной марки материала облицовки по прочности. Для обеспечения устойчивой и надежной работы облицовок расчетные скорости наносовлекомого потока рекомендуется ориентировочно назначать в зависимости от типа покрытия в пределах 1,0 – 4,0 м/с.

Исследования многих авторов [14,15, 28,29] показывают, что на истирание облицовок влияют следующие факторы: скорость потока; концентрация наносов; форма и твердость частиц наносов; длительность воздействия; плотность и состав бетона; размеры и износостойкость зерен крупного заполнителя. Нужно отметить преимущества щебня перед гравием в качестве крупного заполнителя. Повышенная шероховатость, угловатость зерен щебня обеспечивают более прочное соединение с цементным камнем в отличие от окатанных и более гладких зерен гравия. Параллельно износу идет процесс выщелачивания, т.е. разрушения бетона вследствие растворения и выноса из его структуры компонентов цементного камня (гидроксида кальция Ca(OH)2, обеспечивающих прочность связей в контактной зоне «цементный камень – заполнитель». По данным В.М. Москвина представляет большую опасность сочетание процесса поверхностного выщелачивания и механического воздействия взвешенных и влекомых наносов.

Исследованиями влияния на истирание высокопрочного мелкозернистого керамзитобетона для сборных конструкций сетевых сооружений мелиоративных систем прочности, крупности заполнителей, условий твердения, попеременного замораживания и оттаивания, скорости потока, защитного покрытия установлено, что износостойкость бетона от прочности и условий твердения зависит незначительно, четкой зависимости между прочностью и истираемостью не установлено.

Анализ многочисленных исследований показал, что скорость потока является одним из самых существенных факторов, определяющих интенсивность износа. Ц.Е. Мирцхулава предложил зависимость [24] для определения оптимальной скорости течения потока с точки зрения минимального износа и устранения отказов, обусловленных износом:

word image 963 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (1.14)

где – износ, определяемый как – предельное значение скорости потока; – интенсивность отказов; – время для устранения отказов.

Способность материала облицовки сопротивляться истирающим воздействиям называется износостойкостью. Для традиционных тяжелых гидротехнических бетонов повышение износостойкости связано с использованием качественных цементов и заполнителей из высокопрочных каменных материалов, увеличением суммарной площади поверхности заполнителя, правильным подбором состава бетона, уплотнением структуры материала и соблюдением технологии строительства. Хорошие результаты дает введение добавок, обеспечивающих пластификацию, плотность, морозостойкость и трещиностойкость. Применение полимеров в качестве добавок (8 – 12%) [30] повышает сопротивляемость истиранию цементных растворов и бетонов в 10 раз, но при этом значительно снижает среднюю плотность и прочность.

С точки зрения противофильтрационной надежности облицовок каналов важным является недопущение потерь на фильтрацию и предупреждение подъема уровня грунтовых вод.

2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В рамках решения поставленных задач по разработке ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных системстало необходимым выполнить определенную программу исследований, которая состоит из теоретической части и экспериментальной части.

Теоретическая часть включает в себя:

изучение и анализ опыта строительства и эксплуатации гидромелиоративных системах регионов СК за последние 30..35 лет;

– разработка и обоснование эффективных конструкций водозаборных и регуляционных сооружений для мелиоративных систем прибрежных зон малых рек;

– осуществление анализа оптимальных гидравлических характеристик трапецеидального и прямоугольного каналов и обоснование необходимости приведения их к полигональному профилю;

– разработка и обоснование эффективных конструкций водопроводящих каналов полигонального сечения;

– методологические основы и модели гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов полигонального сечения;

– разработка и обоснование биоинженерных технологий регулирования участков малых рек и защиты прибрежных участков мелиоративных гидроузлов и каналов;

– разработка технических условий по проектированию и строительству мелиоративных каналов полигонального сечения;

– разработка технических условий по проектированию и строительству подрусловых фильтрующих водозаборов для мелиоративных систем;

– разработка типового проекта мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

Экспериментальная часть включает в себя:

– визуальное обследование техническое состояние существующих водозаборных сооружений рек Чегем, Черек и Баксан, предгорных оросительных систем КБР;

– обследование и оценка состояние облицовок магистральныхканалов Чегемской ООС с учетом ранее проведенных авторами натурных исследований;

– изучение влияния гидравлических и наносных режимов магистральных каналов на надежность их работы.

3. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОЗАБОРНЫХ И РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ ПРИБРЕЖНЫХ ЗОН МАЛЫХ РЕК

3.1. Новые конструктивные решения по горизонтальным и подрусловымводозаборным сооружениям мелиоративных систем

Проведенный анализ состояния существующих мелиоративных водозаборных сооружений малых рек на их предгорных участках показывает, что 70% сооружений находится в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии, только около 30% сооружений находится в относительно удовлетворительном состоянии (и те после капремонта и реконструкции). Конструктивные и технологические особенности этих водозаборов не способствуют эффективной борьбе с наносами, повышению коэффициента водозабора и регулированию водоподачи в оросительные каналы [21, 31,32].

Таким образом возникла необходимость в совершенно новых типах и конструкциях водозаборных сооружений, которые обеспечивали бы забор и подачу необходимого количества и качества оросительной воды при минимальных материальных и энергетических затратах. Для этого по многим параметрам подходят подземные горизонтальные и подрусловые водозаборные сооружения комбинированной конструкции [33,34,35,36].

В известных и применяемых технических решениях по проектированию и строительству водозаборных сооружений преобладают техногенные подходы, которые не учитывают экологические и гидрологические особенности малых рек, их наносные и скоростные режимы, технологические условия работы водозаборов, энергозатраты регулирующих устройств водоприемников и промывников. Отсутствуют научно-обоснованные методы, нормативные и технические рекомендации по проектированию и строительству эффективных и надежных конструкций водозаборных сооружений для небольших оросительных систем, расположенных в прибрежных зонах малых рек [37, 38].

Учитывая актуальность проблемы,авторами были разработаны более эффективные конструктивные и технологические решения по подземным горизонтальным и подрусловым водозаборам. Для этого вначале были изучены проблемы эксплуатационной надежности и эффективности существующих водозаборных сооружений малых рек предгорных и горных зон. Более подробные натурные и аналитические исследования были проведены по водозаборным сооружениям предгорных оросительных систем КБР, расположенных на реках Чегем, Баксан и Черек:

– исследованы наносные режимы рек, эффективности работ промывников и отстойников головных водозаборных сооружений;

– исследованы гидравлические режимы работ водосбросных сооружений в период паводков;

– изучены и исследованы эффективность работы водозаборных сооружений в соответствии с графиком водопотребления оросительных систем;

– исследованы гидравлические и наносные режимы магистральных каналов Чегемской ООС;

– разработаны эффективные технические решения по проектированию и строительству подрусловых и горизонтальных водозаборов комбинированных конструкций (подтвержденных патентами на изобретения, и заявками с положительными решениями) [39,40-48].

Начиная с 1995г авторами выполнялись исследования по проблемам эффективности существующих гидротехнических сооружений мелиоративных систем и разрабатывались новые эффективные сооружения. Под руководством Курбанова С.О. разрабатывается научное направление в области мелиорации и водного хозяйства «Развитие теории методов расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля». Им разработаны методика оптимизации и модели расчетного обоснования полигональных каналов и мелиоративных сооружений в условиях предгорных зон [38, 49-52].

Данная работа продолжена и в рамках данной НИР. Предлагаются новые конструкции и технологии строительства подземных горизонтальных и подрусловыхфильтрующих водозаборных сооружений и каналов биопозитивной конструкции с максимальным использованием местных и безопасных искусственных материалов для небольших мелиоративных систем. В прибрежных зонах малых рек, имеются большие запасы подземных вод неглубокого залегания, которые могут быть эффективно использованы для орошения сельскохозяйственных земель и остаются не использованными по настоящее время.

Прорабатываются еще ряд конструктивных и технологических решений для возведения бесплотинных и подрусловых водозаборных сооружений, а также защитно-регуляционных сооружений и креплений биопозитивной конструкции. Имеются разработанные экологические методы регулирования русел рек на участках, где проектируются водозаборные сооружения. В конструкциях новых водозаборов и защитных креплений используются в значительной степени изделия из природных материалов, которые благоприятно влияют на речной сток и прибрежные зеленые зоны(легкие и тяжелые фашины, гибкие тюфяки и др.) [39-48, 53-58].

Результаты проведенных исследований подтверждают, что большинство мелиоративных водозаборных сооружений (плотинных и бесплотинных), используемых на практике, являются энергетически высокозатратными и материалоемкими.

Ниже приводятся некоторые предлагаемые новые технические решения по подземным горизонтальным и подрусловым водозаборам комбинированной конструкции.

В основе работы подземного водозаборного сооружения лежит принцип дренирования грунтовых вод из прибрежных водонасыщенных слоев грунта, подпитываемых речным стоком, сбор и отвод этой воды в резервуар для дальнейшей подачи по назначению. В безнапорном водоносном слое грунта из-за того, что уровень грунтовых вод находится выше дренирующих элементов водозабора вода под действием гравитационных сил поступает через фильтрующие элементы в дренажные трубы, затем в лоток и в водосборный колодец.

Не требуют в составе гидроузла отстойников, конструкция фильтрующего водоприемника обеспечивает очистку воды от наносов. Качество воды позволяет использовать ее и для систем капельного орошения.

Подземные дренирующие водозаборы не требуют обслуживания и эксплуатации. При заборе воды из водосборного колодца, когда уровень воды в нем опустится ниже уровня грунтовых вод, дренирующая система начнет работать. Это также является существенным преимуществом данного типа водозаборов.

Подземные фильтрирующие водозаборы могут быть эффективно использованы на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных предприятий.

Обеспечивают забор необходимого количества и качества воды без нарушения режима рек.

3.1.1. На рисунке 3.1. показаны схемы подземного горизонтального водозабора комбинированной конструкции.

Подробное описание водозабора и рекомендации по его применению приведены в описаниях авторских патентов [40, 41].

В прибрежных и пойменных участках малых рек с глубиной залегания уровня грунтовых вод до 7 м может быть наиболее эффективно использован подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции. Для поддержания его эффективной работы из водосборного колодца требуется обеспечить непрерывный забор воды с помощью глубинного насоса или насосной станции. По материальным затратам и степени воздействия на природную среду водозабор является экономически эффективным и экологически безопасным.

word image 4 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 5 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 6 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 3.1– Горизонтальный водозабор комбинированной конструкции: фиг.1 –продольное сечение концевого участка горизонтального водозабора; фиг.2 – то же самое в плане;

фиг.3 – поперечное сечение водозабора.

Рассмотренный выше горизонтальный водозабор был усовершенствован с учетом реальных условий предгорных участков малых рек и повышения надежности. На этот усовершенствованный тип водозабора под названием «Подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции» был получен патент на изобретение [43].

3.1.2. На рисунке 3.2.приводятся план, сечения и конструктивные элементыподземногогоризонтального водозабора комбинированной конструкции. На рисунке 3.2, на фиг.1 изображено продольное сечение по оси водоприемного лотка горизонтального подземного водозабора; на фиг.2 – план основной части водозабора; на фиг.3 – поперечное сечение водосборного лотка по линии продольных осей дополнительных линий габионных тюфяков; на фиг.4 –габионный тюфяк; на фиг.5 – гибкий тюфяк из легких фашин.

Горизонтальный подземный водозабор состоит из водоприемного лотка 1 с металлической решеткой 2, уложенной по верху лотка, габионных тюфяков 3,выполненных из легких фашин 4 с дренажами из перфорированных труб 5. Поверх габионных тюфяков 3 продольными рядами укладывают гибкие тюфяки 6, выполненные из легких фашин 4, завернутых в геосетку. С двух сторон перпендикулярно к лотку 1 на определенном расстоянии друг от друга устроены дополнительные водосборные линии 7 из габионных тюфяков 3. Вода из дополнительных линий через короткие наклонные каналы 8 поступает в лоток 1. В конце водоприемного лотка 1 устроен водосборный колодец 9, оборудованный водозаборным (всасывающим) трубопроводом 10. Вокруг колодца 9 и по верху насыпного грунта по линии лотка 1 устроен защитный экран 11 из глинистого грунта.

Горизонтальный подземный водозабор комбинированной конструкции работает следующим образом.В безнапорном водоносном слое грунта вода через гибкие тюфяки 6 и габионные тюфяки 3 с хорошими дренирующими свойствами поступает в дренажные перфорированные трубы 5 и по ним транспортируется в водоприемный лоток 1 и далее в водосборный колодец 9.

word image 164 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 165 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 166 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 167 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем word image 168 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 3.2 – Подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции

Легкие фашины 4, изготовленные из сухого камыша, являются хорошим дренирующим материалом, который сохраняет свои свойства 15-20 лет.

При ремонте дренирующие материалы могут быть заменены, т.е. заменены и переложены габионные 3 и гибкие тюфяки 6. Наиболее эффективно работает водоприемный лоток 1 с сегментным или параболическим сечением.

Горизонтальный водозабор комбинированной конструкции более эффективно подходит для условий прибрежных зон малых рек, где близко залегают грунтовые водыот поверхности земли на глубине до 7-10 м. Он может быть использовани для водоснабжения сельских поселений и небольших городов.

3.1.3. На рисунке 3.3 приведены схемы подруслового фильтрующего водозабора комбинированной конструкции, где на фиг.1 показано сечение сооружения по продольной оси водосборной галереи; на фиг.2 – участок водозабора в плане; на фиг.3 – поперечное сечение сооружения по оси трубчатого водоприемника.

В описаниях авторских патентов на изобретения [39, 42] приведены основные характеристики подруслового водозабора: «Водозабор состоит из водосборной галереи 1 и водоприемника, выполненного из металлической решетки 2 и гибких тюфяков 3, уложенных в два ряда по верх решетки. В первый ряд 4 гибкие тюфяки 3 плотно уложены по всей ширине галереи и по направлению ее продольной оси, а второй ряд 5 – поперек галереи и по направлению поверхностного потока воды. При этом второй ряд 5 тюфяков уложен с уклоном и большей длиной, перекрывающей ширину водосборной галереи 1 с двух сторон. В верхнем бьефе перед водоприемными тюфяками 3 предусмотрен направляющий порог 6. На глубине под порогом 6 по направлению русла устроен трубчатый водоприемник 7, концевая часть которого с уклоном входит в водосборную галерею 1 на уровне уреза воды.Трубчатый водоприемник состоит из перфорированных труб 8, гибких тюфяков 3 и жестких ребер 9. В конце водосборной галереи устроен отводящий канал 10.»

word image 169 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 170 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 171 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 3.3 – Подрусловой фильрующий водозабор комбинированной конструкции

Подрусловой водозабор наиболее эффективно может быть использован на предгорных и горных участках малых рек, характеризующихся высокими наносными и скоростными режимами. Материалоемкость и энергоемкость водозабора на 50% ниже по сравнению с другими типами водозаборов.

3.1.4. В рамках выпонения НИР подготовлены и зарегистрированы в Роспатенте для получения патентов еще четыре новых конструктивных и технологических решений по горизонтальным и подрусловым водозаборам [45-48]. Схемы одного из этих водозаборов (подруслового комбинированной конструкции) приведены на рисунке 3.4, где на фиг.1 показано сечение по продольной оси водоприемного лотка и водосборного колодца; на фиг.2 – участок водозабора в плане; на фиг.3 – поперечное сечение лотка; на фиг.4 – сечение колодца по линии водозабора.

Состоит подрусловой водозабор из водоприемного лотка 1, укрытого металлической решеткой 2, повер которой слоями уложены габионные тюфяки 3 и георешетка 4 с заполнением ячеек щебнем. Габионные тюфяки 3 выполнены из нескольких слоев геоматов 5, завернутых в габионную сетку 7 и уложенных в них двух ниток перфорированных труб 6. В конце лотка 1 устроен водосборный колодец 8 с боковым водоотводом 9.

Подрусловой водозабор обладает высокой степенью надежности и эффективности работы. Использование дренажных полимерных (перфорированных) труб 6 и геоматов 5 для изготовления тюфяков 3 обеспечивают им гибкость и пластичность, хорошие водоприемные и фильтрующие свойства [39]. Они экологичны, не имеют запаха, не выделяют вредных и токсичных веществ, устойчивы к условиям внешней среды. Эти изделия из геосинтетики обладают высокой прочностью и долговечностью более 25 лет. Могут использоваться при температурах от -20о до +40оС.

Таким образом, подрусловой водозабор комбинированной конструкции обеспечивает эффективный прием и отвод очищенной (профильтровавшейся) воды речных русел.

word image 172 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Фиг. 2

2 – 2

Фиг. 3.

word image 964 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем 3 – 3

Фиг. 4.

Рисунок 3.4 -Подрусловой водозабор комбинированной конструкции

3.1.5. На рисунке 3.5. показано горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции [45].

Горизонтальное водозаборное сооружение состоит из водоприемного лотка 1, укрытого металлической решеткой 2, габионных тюфяков 3 с дренажными каналами, выполненных из геоматов 4, перфорированных труб 5 и завернутых в габионную сетку. Габионные тюфяки 3 укрыты слоем щебня 6.

C:\Users\admin\Desktop\гор водозабор 1.jpg

а

C:\Users\admin\Desktop\гор водозабор 1.jpg

Б

C:\Users\admin\Desktop\гор водозабор 2.jpg

в

C:\Users\admin\Desktop\гор водозабор 2.jpg

г

Рисунок 3.5–Горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции:

а– продольное сечение концевой части водозабора; б – план основной части сооружения; в– дренажная труба с кольцами (ребрами) жесткости; г – габионный тюфяк из геоматов и перфорированных труб

С двух сторон перпендикулярно к лотку 1 на определенном расстоянии друг от друга устроены дополнительные водосборные линии 7. Они выполнены в виде трубчатых дренажей 8, состоящих из перфорированных труб 9, обернутых в два-три слоя геоматами 11 между ребрами жесткости 10 с сетчатой оболочкой из габионной сетки 12. Вода из трубчатых дренажей 8 дополнительных водосборных линий 7 поступает в лоток через короткие каналы 13. В конце водоприемного лотка 1 устроен водосборный колодец 14, оборудованный водозаборным (всасывающим) трубопроводом 15.

Горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции, наиболее эффективно может быть использовано в мелиоративных целях для отбора воды из пойменных и прибрежных водоносных грунтовых массивов малых рек с глубиной залегания уровня грунтовых вод до 5 м, гидравлически связанных с открытыми водными потоками рек. Рекомендуется его использовать для забора воды в оросительные системы прибрежных земель предгорных зон.

3.2.Эффективные технологические решения по подрусловым и горизонтальным водозаборным сооружениям мелиоративных систем

Авторами разработаны не только конструктивные решения по горизонтальным и подрусловым водозаборным сооружениям, но и эффективные технологические решения по их строительству. На способы возведения новых типов подземных и подрусловых водозаборов получены патенты на изобретения, и еще несколько заявок находятся на рассмотрении [45-48]. Разработаны подробные технологические операции и схемы возведения этих водозаборов.

3.2.1 Способ возведения горизонтального водозаборного сооружения комбинированной конструкции [40-43,44-46].Конструкция этого водозаборного сооружения описана выше, на рисунке 3.5 приведены основные конструктивные схемы водозабора. Для полного понимания технологии возведения горизонтального водозаборного сооружения комбинированной конструкции на рисунке 3.5а приведено дополнительно сечение 2-2 по оси трубчатых дренажей 8.

C:\Users\admin\Desktop\гор водозабор 1.jpg

Рисунок 3.5,а– Горизонтальное водозаборное сооружение комбинированной конструкции

Способ возведения горизонтального водозаборного сооружениякомбинированной конструкции осуществляется и работает следующим образом.

Вначале, по заданным размерам,для изготовления габионных тюфяков и трубчатых дренажей нарезают необходимое количество отрезов геомата, отрезков перфорированных труби габионных сеток. При этом дренажные перфорированные трубы должны быть из полимерных материалов, а ребра жесткости из плотной полосовой резины. Далееразрабатывают основную траншею под водоприемный лоток 1, вспомогательные траншеи под дополнительные водосборные линии 7 из дренажных труб 8 и котлован под водосборный колодец 14. Планируют основание лотка 1 с уклоном в сторону колодца и дно котлована под водосборный колодец 14. Уклон траншеи под водоприемный лотоксоставляет0,01…0,015, а траншей дополнительных водосборных линий 7 в сторону лотка 1 – 0,01…0,025. Затем одновременно строят водосборный колодец 14 илоток 1. Они могут быть выполненыиз бетона, железобетона, металла или полимерных материалов. Поверх лотка 1 устраивают арматурную сетку 2(А240 Ø 14-16мм) с ячейками 10х10 см или 10х20см. Производят засыпку траншеи вокруг лотка 1 до верха местным грунтом. В местах входа дополнительных линий 7 устраивают короткие каналы.Укладывают перпендикулярно к лотку 1 трубчатые дренажи дополнительных линий 7. Трубчатый дренаж представляет собой перфорированные трубы 9 с надетыми на определенном расстоянии друг от друга кольцами жесткости 10. На участки трубы между кольцами плотно наматываютгеомат 11 до радиуса колец жесткости 10 и натягивают сетчатую оболочку 12. Концевые участки дренажных труб 9проходят поверх лотка 1 в короткие каналы 13. После этого над лотком 1 по всей длине на арматурную решетку 2 укладывают продольные ряды габионных тюфяков 3, стыкуя между собой дренажные трубы 5. Сверху тюфяков 3 укладывают слой щебня, толщиной 10-15 см для предотвращения заиления габионных тюфяков. Габионные тюфяки 3 могут иметь следующие размеры: 30×20×120 см, 35×25×150 см, 40×30×200см и другие. Перфорированные трубы 5 для габионных тюфяков имеют диаметр до 10 см, адренажные трубы 9для дополнительных линий – до 20 см. В качестве геомата для тюфяков 3 и дренажных труб 8 наиболее подходит «Геомат СМТ 400», толщиной 3-5 мм.В водосборном колодце 14 монтируют всасывающий трубопровод 15, так чтобы входная часть патрубка находилась выше дна на не менее 30 см. Траншеи заполняют местным грунтом и территорию вокруг водозаборного сооружения планируют.

Способ возведения горизонтального водозаборного сооружения комбинированной конструкциии, наиболее эффективно может быть использован при реконструкции существующих и строительстве новых водозаборных сооружений на предгорных участках малых рек.

3.2.2 Способ возведения подземного горизонтального водозабора комбинированной конструкции.Основные конструктивные и технологические схемы водозабора приведены на рис. 3.6, где на схемеапоказано сечение по оси концевой части водозабора; на схеме б– план участка водозабора; на схеме в – поперечное сечение водозабора;на схеме г– габионный тюфяк из легких фашин и дренажных перфорированных труб; на схеме д– легкаяфашина; на схемее– гибкий тюфяк из легких фашин.

На дне водоприемной траншеи продольными рядами укладывают габионные тюфяки,состоящие из легких фашин, завернутых в габионную сетку с дренажными трубами. По верх габионных тюфяков вдоль траншеи укладывают гибкие тюфяки из рядов легких фашин, завернутых в геосетку. В устьевой части траншеи предусматривают жесткий лоток прямоугольного сечения, консольная часть которого соединена с водосборным колодцем. При этом габионные тюфяки с дренажными устройствами укладывают от траншеи до середины лотка.

Способ возведения подземного горизонтального водозабора осуществляется и работает следующим образом.

Из сухого и созревшего камыша изготавливают необходимое количество легких фашин 3. Из них, укладывая послойно с перфорированными трубами 4, изготавливают габионные тюфяки 2. Из легких фашин 3, заворачивая их в геосетку по 4-5 штук, изготавливают гибкие тюфяки 5. Разрабатывают водоприемную траншею 1 необходимой глубины и ширины, а также котлован под водосборный колодец 7. Планируют дно котлована под водосборный колодец 7 и дно траншеи 1 под габионные тюфяки 2, гибкие тюфяки 5 и жесткий лоток 6. При этом уклон траншеи 1 в сторону колодца 7 составляет 0,02…0,05.

а word image 7 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
б word image 8 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
в word image 9 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем г word image 10 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
д word image 11 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем е word image 12 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 3.6 – Подземный горизонтальный водозабор комбинированной конструкции

Строят водосборный колодец 7 и жесткий лоток 6 из бетона, железобетона или полимерного материала. После набора необходимой прочности материалов колодца 7 и лотка 6 в траншею в два ряда плотно укладывают габионные тюфяки, стыкуя перфорированные трубы 4. На ряды габионных тюфяков укладывают также продольными рядами гибкие тюфяки 5в два слоя с перевязкой. Габионные тюфяки могут иметь следующие размеры: 30×20×120 см, 35×25×150 см, 40×30×200 см и др. Гибкие тюфяки 5 делают длиной 150-200 см и диаметром 20-25 см. Траншея до верха заполняется местным грунтом.

Авторами этот подземный горизонтальный водозабор был усовершенствован и на способ его строительстватакже получен патент «Способ возведения горизонтального подземного водозабора комбинированной конструкции»[44].

Конструкция горизонтального подземного водозабора комбинированной конструкциивключает водоприемник и водосборный колодец. Основной водоприемник выполняют в виде открытого лотка 1, покрытого сверху металлической решеткой 2. На нее продольными рядами укладывают габионные тюфяки 3 с дренажными устройствами. Габионные тюфяки 3 изготавливают из легких фашин, перфорированных труб и металлической сетки. Поверх габионных тюфяков 3 вдоль лотка укладывают гибкие тюфяки 6из плотных рядов легких фашин, завернутых в геосетку. К основному водоприемнику перпендикулярно подходят дополнительные водосборные линии 7, выполненные из габионных тюфяков 3. В конце водоприемного лотка 1 устраивают водосборный колодец 9, оборудованный водозаборным трубопроводом 10.

Строительство подземного горизонтального водозабора осуществляется следующим образом.Изготавливают из камыша необходимое количество легких фашин 4 и гибких тюфяков 6. Также из легких фашин 4, укладывая их послойно с перфорированными трубами 5, изготавливают и габионные тюфяки 3. Разрабатывают в водоносном слое грунта основную траншею под водоприемный лоток 1, вспомогательные траншеи под дополнительные водосборные линии 7 и котлован под водосборный колодец 9. Подготавливают дно траншей под лоток 1 и вспомогательные линии 7 и дно котлована под водосборный колодец 9. При этом уклон основной траншеи под лоток 1 в сторону колодца 9 составляет 0,015…0,025, а уклоны траншей дополнительных водосборных линий 7 в сторону лотка 1 составляют 0,025…0,05. Строят одновременноводсборный колодец 9 и лоток 1 из бетона или железобетона. Лоток 1, укрывают арматурной решеткой 2 из A240 Ø 14-16 мм с ячейками 10×10 см или 10×20 см. Затем траншею лотка 1 до верха засыпают местным грунтом и перпендикулярно к нему в местах входа дополнительных линий 7 устраивают короткие каналы 8. Укладывают продольные ряды габионных тюфяков 3 над лотком 1 и в траншеи дополнительных водосборных линий 7. Сверху габионных тюфяков 3 вдоль лотка 1 укладывают продольными рядами гибкие тюфяки 6 в два слоя. Траншеи заполняют местным грунтом, а вокруг водосборного колодца 9 и на поверхность лотка 1 укладывают защитный экран 11 из глинистого грунта толщиной не менее 25 см для предотвращения попадания поверхностного стока в водоприемную часть сооружения.

Способ возведения горизонтального водозабора комбинированной конструкции наиболее эффективно может быть использовано в мелиоративных целях для отбора воды из пойменных и прибрежных водоносных грунтовых массивов малых рек с глубиной залегания уровня грунтовых вод до 5 -10 м, гидравлически связанных с открытыми водными потоками рек. Рекомендуется его использовать также для забора воды в оросительные системы прибрежных земель предгорных зон.

3.2.3 Способ возведения подруслового водозабора комбинированной конструкции[48].

На рисунке 3.4 приведены основные конструктивные схемы водозабора. Разработаны технологические схемы строительства на возведения этого водозабора.

Подрусловойводозабор комбинированной конструкции, включает водосборную галерею в виде лотка с фильтрующим водоприемником из слоев габионных дренирующих тюфяков игеорешетки с заполнением ячеек щебнем. Дренирующие тюфяки изготавливают призматической формы из нескольких слоев геомата и двух ниток перфорированных труб, обернутых в габионную сетку. В концевой части лотка устраивают водосборный колодец, укрытый по металлической решетке водоприемником по аналогии с водосборным лотком. Из водосборного колодца устраивают закрытый водопровод для отвода воды по назначению.

Вначале выбирается место строительства водозабора и осуществляется привязка сооружения. Заготавливается необходимое количество геоматов 5, перфорированных труб 6, георешетки 4 и металлической решетки 2. Изготавливают необходимое количество габионных тюфяков 3.

После выполняются работы по отводу реки от места строительства и разрабатывают траншею под водоприемный лоток 1 и котлован под водосборный колодец 8 и отводящий водопровод 9. Сначала строится водоприемный лоток 1 из монолитного бетона или железобетона,следом водосборный колодец8 из железобетона. Одновременно с колодцем 8 строится входная часть закрытого отводящего водопровода 9. После набора прочности бетономлотка 1 и колодца 8 над водоприемным лотком 1 и водосборным колодцем 8 возводится фильтрующий водоприемник из габионных тюфяков 3, укладываемых горизонтальными рядами на металлические решетки 2. На водоприемник по всей его площади(лотка 1 и колодца 8) укладывают георешетку 4 и заполняют его ячейки щебнем. Производится обратная засыпка местным грунтом траншеи и котлована,территория водозабора обустраивается.

Подрусловой водозабор комбинированной конструкцииработает следующим образом. Сооружение заглубленное и располагается в русле реки. Основной водный поток свободно протекает поверх водоприемной части лотка 1 и колодца 8. Вода под напоромфильтруется в лоток 1 и колодец 8 через слой щебня 4 и габионные тюфяки 3. При этом щебень и тюфяки работают как фильтры иочищают воду от взвешенных частиц. Для обеспечения эффективной работы и предотвращения завала наносами водоприемной части лотка1 и колодца 8 необходимо, чтобы их уклон по оси сооружения был немного выше, чем уклон русла реки.

Способ возведения подруслового водозабора комбинированной конструкции может быть эффективно использованна горных и предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных предприятий.

3.3.Новые технические решения по защитно-регуляционным сооружениям участков малых рек с водозаборными гидроузлами

Для обеспечения надежной работы водозаборных сооружений возникла необходимость регулирования русел рек на примыкаемыхучастках. Русла рек регулируют не только для защиты прибрежных зон, но и для улучшенияусловий водозабора. Для этого должны быть использованы экологически эффективные технологии регулирования участков рек с водозаборными узлами, которые обеспечивали бы одновременно и инженерную защиту и восстановление нарушенных земель прибрежных водоохранных зон.

Защитно-регуляционные сооружения являются самыми распространенными и протяженными сооружениями, с помощью которых регулируют участки рек и защищают прибрежные земли. Вместе с тем защитно-регуляционные сооружения, занимая большую площадь водоохранных зон и взаимодействуя с водными потоками и бассейнами, оказывают существенное влияние на их экосистемы. Современный сложившийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации этих сооружений показывает, что в значительной степени преобладают техногенные подходы, негативно влияющие на окружающую природную среду. Сооружения проектируют без учета особенностей малых рек их наносного и скоростного режимов.

Авторамиразработанэффективный методрегулированиярусла и защиты прибрежных зонспомощьюкороткихполузапруд-отбоек,устраиваемыхвосновании (по линиидонныхоткосов)оптимальногосечения,и гибкихоткосныхкрепленийкомбинированныхконструкций.На уровнеизобретенийразработанряд биопозитивных конструкцийполузапрудотбоек,береговыхи откосных креплений,и технологийихстроительства [53-58].Многиеизнихпрошлиэкспериментальныеисследованиянареках,гдепоказалисебяэффективнымиинадежными.

В известных и применяемых технических решениях по проектированию и строительству защитно-регуляционных сооружений преобладают техногенные технологии. Отсутствуют научно-обоснованные методы, нормативные и технические рекомендации по проектированию и строительству эффективных и надежных конструкций берегозащитных и руслорегулировочных сооружений для небольших оросительных систем, расположенных в прибрежных зонах малых рек [69,70,71,72,73].

Ниже приводятся некоторые технические решения авторской разработки по защитно-регуляционным сооружениям, которые могут быть эффективно использованы для обеспечения надежной и экологически безопасной защиты водозаборных гидроузлов и отдельных сооружениймелиоративных систем прибрежных зон.

На рисунке3.7 показаны схемы прибрежного крепления из фашин и габионных тюфяков биопозитивной конструкции[53].Прибрежное крепление содержит береговой откос 2, состоящий из послойно уложенных рядов легких и тяжелых фашин. Тяжелые фашины 1 уложены продольными и поперечными полосами с образованием квадратных или прямоугольных клеток, разных размеров от 1 до 2,5 м. Тяжелые фашины 1 связаны между собой с помощью металлических нержавеющих сеток и проволок. Внутри клеток в основание уложена и прикреплена к тяжелым фашинам 1 полимерная сетка 4, на которую в один слой плотными рядами уложены легкие фашины 3. Фашины укрыты габионной сеткой 5.

word image 13 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

а

word image 14 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных системб
в word image 15 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем word image 16 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

г

Рисунок 3.7 – Прибрежное крепление из фашин биопозитивной конструкции (Патент на изобретение №2569828):

а – поперечное сечение берегозащитного сооружения; б – план участка крепления; в – арматурный решетчатый каркас;

г – тяжелая фашина

Дополнительно в основании откоса 2 на определенном расстоянии друг от друга устроены габионные тюфяки 6 призматической формы и прикреплены к тяжелым фашинам 1 откосного крепления. Сверху габионных тюфяков 6 уложен арматурный решетчатый каркас 8 сегментной формы и прикреплен к габионным тюфякам 6. Арматурный каркас 8 с помощью тросов или проволоки 10 местами прикреплен к анкерам 11, которые устраивают в откосе 2 выше крепления и на расстоянии друг от друга. Крепление предназначено для инженерной и природоохранной защиты прибрежных зарегулированных участков рек на их предгорных и равнинных участках, где средние скорости потоков не превышают 2,5-3,0 м/с. Наиболее эффективно оно может быть использовано на труднодоступных участках малых рек, где устраиваются водозаборные гидроузлы.

На рисунке3.8показаны схемы подпорных стен для защиты прибрежных зон от размыва и обрушения, [54].

C:\Users\Toshiba\Desktop\0.jpg

А

C:\Users\Toshiba\Desktop\0.jpg

в

C:\Users\Toshiba\Desktop\0.jpg

Б

1111110002

г

1111110002

д

Рисунок 3.8 – Подпорные стенки для защиты прибрежных зон от обрушения и размыва: а – сечение подпорной стенки, б– план участка подпорной стенки, в – тяжелая фашина,г – габионный тюфяк, д– легкая фашина.

Подпорные стенки для защиты прибрежных зон рек от обрушения и размыва выполнены двух видов: первый двухступенчатый из уложенных тяжелых фашин и габионных тюфяков; второй – многоступенчатый из габионных тюфяков на армированном сетками из стеклопластика грунтовом массиве откоса. Подпорные стенки первого вида состоят из первой ступень 1 и второй ступени 2, выполненных из тяжелых фашин 3 и габионных тюфяков 4. Тяжелые фашины 3 состоят из заполнителя и гибкой оболочки; заполнитель выполнен из мешков 5, заполненных плодородным растительным грунтом с добавлением семян многолетних трав и кустарников; а оболочка – из сухого камыша 6 и гибкой габионной сетки 7. В местах перевязки тяжелых фашин 3 предусмотрены монтажные петли 8. Габионные тюфяки 4 состоят из легких фашин 9, перфорированных труб 10 и габионной сетки 11.

Второй вид подпорных стен выполнен из ступенчато уложенных габионных тюфяков 4, к основанию которых прикреплены гибкие тюфяки 12 из металлических или полимерных материалов шириной в 2 и более раз большей ширины тюфяков. При этом гибкие армирующие сетки 12 габионнных тюфяков 4, ступенчато врезаны в обрушаемый грунтовый массив откоса по всей его высоте, так чтобы глубина врезов доходила до устойчивых грунтов за пределы линии возможного обрушения земляного массива откоса.

Подпорные стенки обладают высокой деформативностью и водопроницаемостью. Основные нагрузки грунтового массива и фильтрационного потока воспринимают габионные тюфяки 4 с армирующими элементами 12, а также двухступенчатая стенка из тяжелых фашин 3 и габионных тюфяков 4 у подошвы откоса. Сооружение армирует массив грунта на откосе, перехватывает и отводит фильтрационный поток. Кроме того, предусмотренная у подошвы сооружения двух ступенчатая стенка предотвращает размыв и сдвиг откосного крепления с грунтовым массивом, обеспечивает полный перехват и безопасный отвод грунтового фильтрационного потока, в т.ч. и поверхностного стока.

Таким образом, подпорные стенки обеспечивают надежную защиту прибрежным зонам на их предгорных и равнинных участках, где возможны размывы русла и обрушения грунтовых массивов, когда высота прибрежного обрушаемого откоса не превышает 10-14 метров.

На рисунке 3.9 показаны схемы габионного тюфяка гибкой конструкции, где на фиг. 1 изображено поперечное сечение откосного крепления из габионных тюфяков; на фиг. 2 – то же самое в плане [55].Габионный тюфяк гибкой конструкции укладывается на песчаную подготовку 1. Состоит из крупноячеистой сетки из металлической проволоки 2 с ячейками 1,0 x 1,0 м, геотекстиля 3, георешетки 4 с заполнением ячеек местным грунтом 5, слоя гравия или щебня 6, укрытого сверху геосеткой 7, прикрепленной к крупноячеистой сетке 2. Сетка прикреплена к бетонным анкерам 8, устроенным в откосе выше тюфяков.

word image 173 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 3.9 –Габионный тюфяк гибкой конструкции

Габионный тюфяк гибкой конструкции работает следующим образом. При прохождении паводковых расходов реки (канала) вдоль откосов с креплениями из габионных тюфяков, нагрузки потока воды рассредотачиваются и частично гасятся из-за гибкости и водопроницаемости конструкции. Часть прибрежного потока воды проходит через крепление в грунтовое основание берега. Наличие песчаной подготовки 1 и геотекстиля 3 в основании тюфяка предотвращает возможный контактный размыв подстилающих грунтов под креплением.

Со временем такое крепление зарастает травой и кустарниками и превращается в биопозитивное сооружение, которое не нарушает природную среду и воспринимается природой как родственный ей элемент.

Габионный тюфяк гибкой конструкции предназначен для защиты прибрежных откосов на трудно доступных участках рек и каналов с уклонами i=0,0002…0.001.

Для восстановления эродированных земель мелиоративных систем эффективно может быть использовано противоэрозионное крепление биопозитивной конструкции [59].На рисунке 3.10приведены схемы противоэрозионного крепления, где на фиг. 1 изображено сечение крепления по линии откоса склона; на фиг. 2 – план участка крепления; на фиг. 3 – сечение устройства вдоль линии крепления склона; на фиг. 4 – легкая фашина; на фиг. 5 – гибкий цилиндрический тюфяк.

Крепление содержит гибкие цилиндрические тюфяки 1, выполненные из легких фашин 2 и перфорированных труб 3, завернутых в геосетку 4. Гибкие тюфяки 1 уложены параллельными рядами вдоль эродированного участка склона с углублением в землю и на определенном расстоянии друг от друга. А в промежутки между гибкими тюфяками плотными рядами по всей площади уложены легкие фашины 2. Поверх рядов гибких тюфяков 1 и легких фашин 2 по всей площади крепления уложена габионная (металлическая или полимерная) сетка 5, местами анкерованная в грунт с помощью металлических или стеклопластиковых кольев 6.

word image 174 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
word image 965 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Фиг. 5.

Рисунок 3.10 – Схемы противоэрозионного крепления биопозитивной конструкции

4. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОПРОВОДЯЩИХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

4.1. Общая характеристика

Опыт эксплуатации и результаты натурных полевых исследований на магистральных каналах Чегемской ООС, расположенной в предгорной зоне, подтверждают обоснованность и эффективность приведения прямоугольных и трапецеидальных каналов к полигональному профилю. Имеются результаты комплексных исследований магистральных каналов с прямоугольным поперечным профилем. Данные по гидравлическим и наносным режимам, а также их влиянию на эксплуатационную надежность и гидравлическую эффективность. На основе этих данных получена зависимость интенсивности истирания бетонной облицовки от наносного и гидравлического режимов эксплуатации каналов. Получены графические зависимости интенсивности истирания бетонной облицовки по характерным участкам. Анализ результатов исследований позволил установить влияние полигонального поперечного сечения на надежность и гидравлическую эффективность каналов. Для полигональных каналов определены и уточнены показатели гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности. С учетом требований повышения надежности и эффективности существующих каналов трапецеидального и прямоугольного сечений разработаны новые технологические и конструктивные решения для реконструкции и приведения их к полигональному поперечному профилю [38,51,60,61,62,63].

4.2. Обоснование эффективности приведения каналов трапецеидального сечения к полигональному профилю

В нашей стране каналы с трапецеидальным поперечным сечением получили наибольшее распространение. Их широко используют в мелиорации, водоснабжении, гидроэнергетике, судоходстве и т.п. благодаря простой форме поперечного сечения. Для этих каналов существует известная зависимость для определения гидравлически наивыгоднейшего сечения.

word image 966 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.1)

Согласно формуле (4.1) каждому значению коэффициента заложения откоса m соответствует определенное значение , то есть для трапецеидального канала характерно множество вариантов гидравлически наивыгоднейшего сечения, что не соответствует формулировке ГНС [60, 62, 63,64] Согласно этой формулировке, приводимой в действующих справочных и научно-технических источниках, это сечение с максимальной пропускной способностью Qmaxканала при заданных площади живого сечения , уклона i и коэффициента шероховатостиn. Другими словами это сечение, обеспечивающее пропуск необходимого расхода Q при минимальной площади живого сечения . Значит, у трапецеидального канала должно быть одно единственное гидравлически наивыгоднейшее сечение.

Задаваясь значениями , nи одним из геометрических параметровh, можно определить основные гидравлические характеристики канала. Расходная характеристика трапецеидального канала имеет вид:

word image 967 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.2)

Смоченный периметр канала:

word image 968 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.3)

Результаты расчетов сведены в таблицу 4.1. По этим данным построены графики зависимости и (рис. 4.1).

Таблица 4.1 – Гидравлические характеристики канала

,

м2

m h,

м

b,

м

n=0,014 K,

м3

20 3

2

1,5

1

0,7

0,6

0,5

0

2 4

6

7

8

8,6

8,8

9,0

10

2

3

3,5

4

4,3

4,4

4,5

5

16,65

14,94

14,21

13,66

13,48

13,46

13,47

14,0

1,201

1,338

1,407

1,464

1,483

1,485

1,48

1,428

79,78

85,28

87,8

89,86

90,6

90,65

90,6

88,44

1595,6

1705,6

1756

1797

1812

1813

1813

1769

50 2

1,5

0,577

0

3 10,667

12,167

14,936

16,667

3,55

4,05

4,97

5,55

24,08

22,98

21,86

22,67

2,07

2,175

2,287

2,206

110,8

114,16

117,86

114,98

5540

5708

5893

5749

график1

Рисунок 4.1 – Графики зависимостей и

Анализ графиков показывает наличие точек экстремума, при этом точка минимума на графике соответствует точке максимума на графике . Берем производную `= о:

word image 969 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Из формулы (3.4) выводим . При котором принимает минимальное, аК– максимальное значение. То есть, m=0,577 является значением заложения откоса для гидравлически наивыгоднейшего сечения, для любых значений и n.

Чтобы проверить наше утверждение о том, что гидравлически наивыгоднейшее заложение откоса mг.н .= 0,577, при постоянной площади живого сечения , через величину относительной ширины из формулы (4.1) определены гидравлические характеристики каналов с трапецеидальным сечением для различных значений m, а также прямоугольным () и каналов с треугольным сечением (m = 1). Для сравнения расчеты произведены при различных постоянных значениях и . Результаты сведены в табл. 4.2. Из таблицы видно, что при mг.н.=0,577 и для трапецеидального канала значение становится наименьшим, аК – наибольшим.

Все это наглядно видно по графику, построенному в безразмерных параметрах (рис. 4.2). Это подтверждает, что у трапецеидального канала только одно гидравлически наивыгоднейшее сечение, которое характеризуется величинами и . Это сечение является гидравлически наивыгоднейшим и для прямоугольных и треугольных каналов. Наивыгоднейшее сечение трапецеидальный канал имеет с характеристиками m=0,5.. 0,7 и . Данный факт был признан изобретением, и на это автору было выдано авторское свидетельство в 1989 г. под номером № 15521809 [6].

word image 970 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 4.2 – График зависимости

Результаты аналитических исследований каналов полигонального сечения с двумя парами симметричных откосов приводятся во 2 главе, п. 2.1. Учитывая результаты этих исследований, определяем основные гидравлические характеристики преобразованного канала с полигональным профилем. При исходных данных как и для трапецеидального канала, (живое сечение 5,0 м2 и 20,0 м2) определяются гидравлический радиус, смоченный периметр и модуль расхода. Данные расчета сведены в таблицу 4.3. Анализ результатов из таблиц 4.2 и 4.3 говорит о том, что переустройство трапецеидального канала в полигональный позволяет улучшить их гидравлические характеристики.

Таблица 4.2 – Характеристики живого сечения канала

Форма попер. сечения , м2 m h, м b, м , м R, м n=0,014 K, м3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Трапецеи-

дальное

5 2

1,5

1,0

0,7

0,577

0,5

0,472

0,606

0,828

1,04

1,155

1,236

1,422

1,541

1,655

1,695

1,699

1,697

0,671

0,934

1,37

1,762

1,962

2,09

7,03

6,494

6,049

5,9

5,886

5,914

0,711

0,77

0,827

0,847

0,85

0,845

58

60,9

63,6

64,45

64,68

64,45

290

304,5

318

322

323

322

9,88

8,43

7,32

6,96

6,93

6,95

Прямоугольное 5 0 2 1,581 3,162 6,324 0,79 61,88 309 8,0
Треугольное 5 1,0 0 2,236 0 6,324 0,79 61,88 309
Трапецеи-

дальное

20,0 3,0 0,324 2,453 0,795 16,309 1,226 80,98 1619 13,3
2,0 0,472 2,844 1,342 14,06 1,422 88,36 1767 9,88
1,5 0,606 3,081 1,867 12,987 1,54 92,6 1852 8,43
1,0 0,828 3,309 2,74 12,097 1,653 96,7 1954 7,32
0,577 1,155 3,396 3,925 11,772 1,699 98,45 1969 6,93
0,5 1,236 3,394 4,195 11,785 1,697 98,4 1968 6,95
Прямоугольное 20 0 2,0 3,162 6,324 12,648 1,581 94,25 1885 8,0
Треугольное 20 1,0 0 4,572 0 12,65 1,58 94,22 1884

Таблица 4.3 – Характеристики живого сечения полигонального канала

Форма попер.

сечения

, м2 m mд h, м hд b, м , м R, м n=0,014 K, м3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Полигональное 5 1

1

2

2

1,29

2,86

1,55

1,05

0,5

0,5

2,0

3,0

5,81

6,13

0.86

0,82

65,6

63,5

325

318

Полигональное 20 1

1

2

3

1,49

2,08

2,68

2,4

1,0

0,9

4

5

12,05

12,08

1,66

1,66

98,98

98,1

1979

1962

Для реконструкции существующих трапецеидальных каналов, проектирования и строительства новых, выгоднее принимать поперечное сечение с наклонными боковыми откосами с заложением m1 , а также с треугольным основанием (рис.4.3) .

Рисунок 4.3 – Симметричное сечение полигонального канала с наклонными боковыми откосами и с треугольным основанием

4.3. Новые технические решения для повышения надежности и эффективности работы каналов

На основании результатов гидравлических исследований полигональных каналов авторами разработаны новые конструктивные и технологические решения, позволяющие эффективно реконструировать существующие и проектировать и строить новые каналы различного назначения. Предлагаемые решения эффективно могут быть применены для условий предгорных и горных зон.

Для сравнительного анализа (оценки) в таблице 4.4 приведены данные натурных и теоретических исследований и значения показателей гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности магистральных каналов прямоугольного сечения Чегемской ООС (КБР). По результатам анализа видно, что по большинству показателей гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность этих каналов ниже нормативных, когда скорости воды находятся в допустимых пределах [62, 64].

Таблица 4.4 – Сравнение показателей гидравлической эффективности иэксплуатационной надежности прямоугольных каналов

Показатели Значения
Нормативные, по техническим требованиям Фактические, по данным полевых исследований и расчетов
Коэффициент шероховатости русла не более 0,017 0,02 – 0,025
Средняя скорость течения воды, м/с не менее 0,5 3,5
Максимальная скорость течения, м/с не более 6 м/с 5,5
Потери на фильтрацию через стыки, л/(с км) не более 1,0 -3,0 2,5 -3,0
Коэффициент полезного действия лотковых каналов не менее 0,97 0,7-0,8
Вероятность пропуска расчетного расхода не менее 0,9 0,67
Вероятность обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности не менее 0,95 0,7
Максимальная глубина воды в лотке с учетом высоты волны и аэрации потока По мнению автора, не более 1,1h- нормальной расчетной глубины воды (1,5 – 2,0)h,

Фактическая максимальная глубина с учетом высоты волны устанавливается выше высоты лотка канала

Для предлагаемых, новых полигональных каналов, привязанных к условиям магистральных каналов Чегемской ООС, также были определены значения показателей эксплуатационной надежности и гидравлической эффективности (табл. 4.5).

Сравнение расчетных значений с нормативными показывает, что гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность полигональных каналов по всем параметрам обеспечивается с запасом [63,64].

Таблица 4.5 – Сравнение показателей гидравлической эффективности иэксплуатационной надежности полигональных каналов

Показатели Значения
Нормативные, по техническим требованиям Фактические, по данным аналитических исследований
Коэффициент шероховатости русла не более 0,017 0,014 – 0,015
Средняя скорость течения воды, м/с не менее 0,5 3,5
Максимальная скорость течения, м/с не более 6 м/с 5,5
Потери на фильтрацию через стыки, л/(с км) не более 1,0 – 3,0 1,0 – 2,0
Коэффициент полезного действия лотковых каналов не менее 0,97 0,97
Вероятность пропуска расчетного расхода не менее 0,9 0,997
Вероятность обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности не менее 0,95 0,97
Максимальная глубина воды в лотке с учетом высоты волны и аэрации потока По мнению авторов, не более 1,1(h1+ h2) 1,05(h1+ h2)

Авторы выполнили большой объем расчетов и определили основные гидравлические характеристики полигональных и прямоугольных для возможных значений B, hi, m, , n, iи т.д. По результатам анализа этих исследований выявлено, что при всех прочих равных условиях для полигональных каналов в сравнении с прямоугольными пропускная способностьQ увеличивается на 5-10%, а смоченный периметр снижается на 7…8% .

Преимуществами каналов полигонального сечения является обеспечение равномерного движения потока и его относительная стабилизация, равномерное распределение гидродинамических нагрузок от движущегося потока на полное поперечное сечение канала и снижение высоты волн, в том числе и стоячих. Все это является следствием устойчивого сосредоточения центра тяжести потока по геометрической оси канала, над вершиной треугольного основания. Все эти условия, обеспечивающиеся в полигональном канале, и являются определяющими гидравлическую эффективность полигонального сечения по сравнению с прямоугольными и трапецеидальными. Еще одним не маловажным положительным фактором для каналов предгорных и горных участков со сложным наносным режимом является то, что в них наносный сток (взвешенный и влекомый) также сосредотачивается в центре водного потока. Уменьшается площадь абразивного воздействия, но при этом необходимо отметить, что и возрастает ее интенсивность. Это требует устройства на этом участке прочного износостойкого крепления [27,38,62,65].

4.4. Обоснование эффективности приведения прямоугольного канала к полигональному сечению

Существующие каналы с прямоугольным и трапецеидальным сечением обладают низкой эффективностью. Одним из факторов низкой гидравлической эффективности этих каналов для предгорных и горных участков является образование волн при высоких скоростях потока () и как следствие перелив воды за борта каналов. Необходимо создание каналов эффективной конструкции, обеспечивающих заданную пропускную способность и снижение затрат на реконструкцию старых и строительство и эксплуатацию в последующем новых каналов.

Для достижения поставленной задачи, то есть увеличения пропускной способности и снижения затрат на реконструкцию, строительство и эксплуатацию, рекомендуется выполнять канал полигонального сечения. Для магистральных прямоугольных каналов Чегемской ООС с вертикальными стенками (m1 = 0), относительной шириной и относительной глубиной это приведение к полигональному путем использования существующих стенок, выполненных из Г-образных и перевода (реконструкции) монолитного дна к треугольному (см. рис. 4.4). При этом бетон облицовки дна практически выработал свой ресурс.

Возможны другие конструктивные решения для различных грунтовых условий (рис. 4.5). На рис. 4.5, а приводится поперечное сечение каналов в скальных грунтахбез облицовки, а на рис. 4.5, б – в слабых грунтах, где облицовка выполнена, как варианты, в виде боковых подпорных стен и донной облицовкой. Каналы получают полигональный профиль с вертикальными боковыми стенками и треугольным основанием, т.е. сечение образует половину правильного многоугольника [62,64].

Лоток3-Model

Рисунок 4.4 – Реконструкция прямоугольного канала с приведением к

полигональному профилю:

1 – Г-образные блоки; 2 – монолитное дно; 3 – облицовка нового дна;

4 – заполнение бетонное или бутобетонное.

word image 971 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

а) канал без облицовки в скальных грунтах

word image 972 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

б) канал в слабых грунтах с облицовкой

Рисунок 4.5 – Конструкции полигональных каналов для различных грунтовых условий:1 – вертикальные стенки; 2 – донные откосы,

В зависимости от прочности грунтов, их размываемости, водопроницаемости, а также глубины лотка и его заглубления в выемке боковые стены 1 могут выполняться в виде подпорных стен из монолитного бетона, железобетонных плит или блоков, габионов или армогрунта. Донные откосы 2 облицовываются монолитным железобетоном или сборными железобетонными элементами.

Приведение сечения прямоугольного канала к предлагаемому полигональному в отличие от других призматических является наиболее оптимальным. Так как каналы с вертикальными боковыми стенками распространены и в перспективе потребуется их реконструировать. Подобрать ГНС для таких сечений каналов по известным методикам сложно.

Для каналов полигонального профиля глубиной до 3,0 м, прокладываемых в скальных грунтах или в полувыемке-полунасыпи, гидравлически наивыгоднейшее сечение также является экономически наивыгоднейшим. Устраивать каналы того же профиля в слабых грунтах и глубокой выемке Н> 2,5 – 3 м с мощными боковыми креплениями в виде подпорных стен (рис. 4.5, б) сложно и дорого, поэтому для них гидравлически наивыгоднейшее сечение не всегда оказывается и экономически наивыгоднейшим.

Для повышения надежности и эффективности прямоугольного канала (лотка) путем увеличения пропускной способности, при снижении затрат на износостойкую облицовку, предлагается новое техническое решение по приведению их к полигональному сечению с треугольным основанием, показанному на рис. 4.6

а) word image 973 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
б) word image 974 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
в) word image 975 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 4.6 – Канал с износостойкой облицовкой и треугольным дном:а – поперечное сечение канала; б – план участка канала;

в – продольный разрез участка канала.

Как выше было отмечено, в полигональных каналах интенсивность абразивного износа возрастает в силу сосредоточения твердого наносного стока. В связи с этим, предлагается укрепить донные откосы 2 слоем полимербетона 3 и речным камнем 4, который уложен поперечными рядами. Булыжный камень замоноличен в слой полимербетона и конструкция укреплена арматурной решеткой 5.

Сечение канала имеет относительную ширинуи относительную глубину. Все остальные параметры вычисляются по формулам равномерного и неравномерного режимов потока.

По разработанной технологии возведения канала вначале по профилю канала устраивается выемка. Затем из железобетона устраивается облицовка донных наклонных откосов 2 и боковых в виде подпорных стен 1.

Поверх железобетонной облицовки дна 2 устраивается подготовка толщиной 10 см из монолитного полимербетона 3, на который на некотором расстоянии друг от друга укладывается поперечными рядами булыжный камень 4. Для укрепления конструкции укладывается арматурная решетка 5 из отдельных продольных и поперечных стержней. Решетка жестко замоноличивается анкерами 6 в облицовку дна и стенок. Затем булыжник 4 и арматурная решетка 5 заливается полимербетоном на 3/4высоты камня, а арматурная решетка заливается защитным слоем полимербетона (не менее 3см).

Предлагаемую износостойкую облицовку можно использовать и при реконструкции каналов, водосбросов и быстротоков. Для этого вначале участками демонтируется старое дно, профилируется с углублением h2по центру и далее устраивается крепление. Для устойчивости поперечного сечения важно жестко соединять и замоноличивать новые донные крепления со старыми сохранившимися боковыми стенами 1 каналов.

Полигональные сечения с вертикальными стенками и треугольным основанием, наиболее эффективны для водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных участках, для которых характерны бурные потоки с интенсивным наносным стоком.

На конструкцию и способ возведения лоткового канала полигонального профиля получены патенты на изобретения [66,67].

4.5. Эффективные конструктивные и технологические решения по проектированию и строительству каналов полигонального сечения

При строительстве полигональных каналов небольшого поперечного сечения сложно производить профилирование выемки, так как требуется доработка сечения вручную для обеспечения точности, предусмотренного проектом. Таким образом, строительство усложняется со всеми вытекающими последствиями, в связи с необходимостью выполнения большого объема ручных работ. Надо отметить, что и процесс устройства облицовки также включает большие объемы ручного труда.

Для снижения объемов ручного труда, максимальной механизации строительных работ, повышения производительности, сокращения затрат на строительство предлагается канал выполнять из однотипных и одноразмерных сборных железобетонных блоков правильной уголковой формы (рис.4.7а) [63,67,68].

Профиль канала выполняется из трех таких блоков, один из которых укладывается по центру основания с вершиной по линии геометрической оси канала, а два блока установлены по бокам сечения полигонального лотка с совпадением углов их вершин с проектными боковыми углами сечения лотка (рис. 4.7б, в). Ветви уголковых блоков имеют арматурные выпуски, по которым их соединяют между собой по линии донных откосов и замоноличивают бетоном. Недостающие длины веток блоков можно наращивать монолитными или сборными включениями. Это позволит выполнять сечения каналов различных (требующихся проектом) параметром.

а) word image 976 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
б) word image 977 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем
в) word image 978 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 4.7 – Сборный канал из однотипных и одноразмерных железобетонных блоков правильной уголковой формы:

а – сборный уголковый железобетонный блок, б – поперечное сечение канала,в – участок канала в плане.

Сборные элементы (рис. 4.7 а) представляют собой железобетонные блоки повышенной заводской готовности с правильной уголковой формой поперечного сечения с вершиной по центру и с углом на вершине 120 – 158о. Из двух веток уголковых блоков предусматриваются арматурные выпуски, в боковых гранях предусмотрены монтажные петли 6 в прямоугольных пазах. Угол вершины сечения сборных уголковых блоков задается с учетом возможности создания эффективных гидравлических условий в каналах.

Оптимальные наивыгоднейшие значения заложений откосов для каналов лежат в пределах: , . На основе этих условий определен оптимальный угол вершины сечения блока 2 в пределах = 120 ÷ 158о. При = 120о сборный канал имеет полигональное сечение с вертикальными боковыми откосами , а при = 158о боковые стенки имеют откос с заложением . Все эти параметры лежат очень близко к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам полигонального канала.

В таблице 4.6 даются величины угла и соответствующие им значения коэффициентов заложения откосов и для гидравлически эффективного сечения.

Таблица 4.6 – Обоснование угла вершины сечения уголковых блоков

Угол вершины сечения

уголковых плит, о

Заложение откосов
боковых Донных
120

138

140

145

150

155

158

0

0,45

0,58

0,77

1,0

1,3

1,5

1,7

2,5

2,7

3,2

3,7

4,5

5,1

Как видно из таблицы для сборных каналов, выполненных из уголковых блоков можно задать пределы заложения боковых откосов и донных , что позволяет строить каналы оптимального полигонального сечения с необходимыми параметрами для различных эксплуатационных условий.

Типовые размеры уголковых блоков могут иметь различные значения. При этом ветви блоков должны быть равными , как у правильного уголка, в этом случае они легко изготавливаются, монтируются и транспортируются. Данные параметры уголковых блоков 2 ( и ) таковы, что позволяют возводить полигональные каналы с вертикальными и наклонными боковыми стенками и с треугольным основанием из трех блоков одного типоразмера (рис. 4.7б).

Для строительства каналов большего поперечного сечения заполнение пространства между сборными элементами 2 и наращивание боковых стенок 5 может осуществляться сборными железобетонными элементами – плитами. Все сборные элементы жестко свариваются по арматурным выпускам между собой с последующим замоноличиванием швов.

При работе полигонального канала основные гидродинамические нагрузки потока сосредоточиваются по центру русла. При наличии наносов в потоке и при высоких скоростях происходит интенсивный абразивный износ облицовки дна вдоль вершины треугольного основания, т.е. центральный (донный) блок в основание канала. Для повышения износостойкости облицовки необходимо использовать качественные цементы и заполнители из высокопрочных каменных материалов, использовать в качестве крупного заполнителя щебень с повышенной шероховатостью поверхности зерен, использовать щебень мелких фракций для увеличения суммарной площади поверхности крупного заполнителя, уплотнять структуру материала и соблюдать технологию производства. Последние требования говорят о предпочтении использования элементов заводского изготовления, отличающихся высоким качеством. В десятки раз повышают сопротивляемость истиранию цементных растворов и бетонов полимерные добавки. Соблюдение всех этих требований для элементов облицовки дна повысит ее износостойкость, а значит, обеспечит сохранение требуемого уровня надежности на длительный срок.

Таким образом, использование однотипных и одноразмерных сборных железобетонных блоков правильной уголковой формы с углом на вершине 120 – 158о, позволяет возводить полигональные каналы с параметрами близкими к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам по индустриальным высокотехнологичным методам строительства.

Лотковые каналы полигонального сечения с вертикальными и наклонными боковыми стенками и треугольным основанием, могут быть наиболее эффективно использованы при строительстве водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных зонах, где наблюдаются бурные потоки с высокими скоростными (> 3 м/с и уклоны больше критических) и наносными режимами.

На конструкцию вышеприведенного гидротехнического канала полигонального сечения из сборных железобетонных элементов и на способ его возведения авторами получены патенты на изобретения [67, 68].

4.5.1. Гидротехнический канал полигонального сечения

На рис. 4.8. приведены схемы канала полигонального сечения, где на фиг.1 изображено поперечное сечение канала без облицовки; на фиг.2, 3 и 4 – то же, в слабых грунтах с облицованными откосами.

Канал представляет собой вписанный в полукруг (или сегмент) лоток полигонального сечения с симметричными откосами: двумя верхними с заложениями m1; двумя средними с заложениями m2; двумя донными с заложениями m3.

Канал содержит лоток полигонального поперечного сечения с тремя парами симметричных откосов: двумя верхними откосами – 1; двумя средними откосами – 2; двумя донными откосами – 3 и бровками 4, проложенными в прочном скальном грунте 5 (фиг.1).

В более слабом грунте 6 (фиг.2, 3 и 4), в зависимости от его прочности и глубины лотка откосы 1, 2 и 3 могут быть облицованы монолитным или сборным покрытием 7; откосы 1 выполнены в виде подпорных бетонных 8, габионных 9 и армогрунтовых 10 стен, а откосы 2 могут быть облицованы каменным покрытием 11.

Сечение рассматриваемого канала разбито на 3 части. Характеристики верхней части обозначены через m1и h1; средней части – m2, h2и нижней части m3и h3.

Все параметры сечения канала выражены через глубину h1верхней части сечения (без учета запаса превышения бровки и над уровнем воды) с помощью относительных глубин:

Площадь живого сечения канала

ω=ω1+ ω2 + ω3=B1h1+m1h21+B2h2+m2h22+m3h23, (4.5)

B1=B2+2m2h2; B2=2m3h3 (4.6)

С учетом выражений принятых обозначений получена формул по определению относительной ширины:

β = 2m3α3+2m2α2, (4.7)

которая наиболее полно характеризует сечение полигонального канала. В этой формуле все безразмерные параметры сечения связываются в одну простую математическую зависимость, с помощью которой легко подбирается ГНС рассматриваемого канала.

Как известно, ГНС представляет собой такое сечение, в котором при заданной площади живого сечения W, уклона i и коэффициента шероховатости n пропускная способность канала будет наибольшей из всех возможных случаев. Но чаще ГНС канала определяют как сечение, в котором при данных n и i заданный расход Q проходит при минимальных значениях площади живого сечения W и смоченного периметра χmin. Известно, что сечение канала, выполненное в виде полукруга, является самым гидравлически наивыгоднейшим из всех возможных сечений открытых каналов. Полигональное сечение, выполненное в виде половины вписанного правильного многоугольника, находится наиболее близко к полукругу (фиг. 1). Исходя из того, что у правильного многоугольника все стороны равны и симметричны, можно получить оптимальное сечение.

Таким образом, можно констатировать следующее: предлагаемая Угинчусом А. Методика расчета ГНС полигональных каналов (с построением сложных универсальных характеристик) не позволяет подобрать действительно гидравлически наивыгоднейшее сечение.

Все это хорошо видно из таблицы приложения, где приведены результаты основных расчетов. Кроме того, по предлагаемому варианту очень легко подбираются основные характеристики ГНС, объем расчетов получается более чем в 3 раза меньше, по сравнению с методикой Угинчуса А.

Условия ГНС соблюдаются и для полигонального сечения с шириной по низу b (фиг.1 и 4). Только живое сечение W и смоченный периметр χ определяются с учетом величины b.

Гидравлически наивыгоднейшее сечение полигонального канала является и экономически наивыгоднейшим в случае, когда канал проходит по скальному основанию. В этом случае канал можно выполнить с любыми малыми значениями заложений откосов (15) без дополнительных затрат на крепления откосов. Из-за малой площади живого сечения уменьшается объем выработки грунта, соответственно, уменьшаются и затраты на строительство единицы длины канала.

В случае, когда канал проходит в нескальных грунтах (фиг.2, 3 и 4), очень сложно выполнить верхние откосы с заложением m1<1, возникает необходимость укрепить их подпорными стенками из бетона 8, из габионов 9 или из армированного грунта 10. Устройство подпорных стен обходится дорого, возрастает объем земляных работ и креплений. Поэтому гидравлически наивыгоднейшее сечение не всегда оказывается экономически наивыгоднейшим. Чтобы вместо подпорных стенок можно было предусмотреть простое крепление, необходимо увеличить заложение верхних откосов m1>1.

В связи с этим, экономически наивыгоднейшие значения заложений откосов лежат в более широких пределах.

При назначении заложений откосов необходимо стремиться, чтобы в результате получилось правильное полигональное сечение, то есть в виде части вписанного правильного многоугольника (фиг.1).

Относительные глубины

word image 979 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.8.)

Площадь живого сечения канала

ω=ω1+ ω2 + ω3=B1h1+m1h12+ B2h2 + m2h22+ m3h32, (4.9)

где В12+ 2m2h2; В2 = 2m3h3

С учетом выражений (4.5) и (4.6)

word image 980 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.10)

Относительная ширина верхней части сечения

word image 981 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.11)

Выразив B1 через β формула (4.11) после преобразования принимает вид

ω = βh21+ m1h12+ 2m3a3a2h12+ m2a22h12+ m3a32h12 , (4.12)

ω = h12(β + т1+ 2т3а3а2+ т2а22+ т3а32) (4.13)

word image 982 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.14)

Из (4.14) глубина верхней части сечении

word image 983 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.15)

Приравняв формулы (4.10) и (4.14) и выполнив сокращения подобных членов, получим формулу по определению относительной ширины

β+ т1+ 2т3α3α2+ m2α22 + m3α32 = 2m3α3 + 2т2α2+ т1 + 2т3α3α2+ m2α22 + m3α32,

β = 2т3а3+ 2т2а2(4.16)

В этой формуле все безразмерные параметры сечения связываются в одну простую математическую зависимость, с помощью которой легко подбирается ГНС. Она (4.16) наиболее полно и точно характеризует сечение рассматриваемого канала с тремя парами симметричных откосов.

Полигональное сечение, выполненное в виде половины правильного многоугольника, находится наиболее близко к полукругу. С учетом того, что у правильного многоугольника все стороны равны и симметричны, можно получить следующее уравнение

word image 984 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.17)

отсюда

word image 985 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.18)

Смоченный периметр сечения

word image 986 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (4.19)

У вписанного в полукруг полигонального сечения гидравлически наивыгоднейшие значения заложений откосов лежат в следующих пределах

m1=0,25….0,8

m2=1….1,5 (4.20)

m3=2….4

Подобранное сечение с соблюдением условий (4.16), (4.18) и (4.20) описывается полукругом и является гидравлически наивыгоднейшимсечением. Все это подтверждается многочисленными расчетами, проведенными по предлагаемой методике для всевозможных значений и соотношенийα2, α3, т1, т2и т3. По результатам расчета для каждого варианта отбирались те значения аi, и mi, которые давали(относительно) гидравлически наивыгоднейшие показатели. Из всех выбранных значений наиболее оптимальными оказались а2 = 0,5, а3 = 0,3, т1 = 0,44, т2 = 1 и т3 = 3. При этих значениях относительных глубин а, и заложений откосов т1определяемое сечение данного полигонального канала очень близко располагается к полукруглому сечению. Оно получается действительно гидравлически наивыгоднейшим по сравнению со всеми другими возможными вариантами.

Предлагаемое полигональное сечение, подобранное с соблюдением вышеприведенных условий обеспечивает высокую эффективность работы канала за счет увеличения пропускной способности. При этом и материальные затраты на строительство канала уменьшаются за счет уменьшения площади облицовки.

С полигональным сечением можно строить не только мелиоративные и энергетические каналы, но и судоходные каналы и зарегулированные участки русла реки (фиг.4).

word image 17 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 18 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 19 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 20 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 4.8 – Гидротехнический канал полигонального профиля

Результаты расчетов выполненных по вышеприведенным формулам (4.5)….(4.20) подтверждают высокую эффективность каналов полигонального профиля.

В таблице 4.7. приведены результаты гидравлического расчета каналов полигонального профиля по методике Угинчуса А. и методике Курбанова С.О. Результаты по авторской методике получились очень близкими к результатам расчета каналов полукруглого сечения (самого гидравлически наивыгоднейшего сечения).

Таблица 4.7- Сравнительные результаты гидравлических расчетов

word image 21 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

5. МЕТОДОЛОГИЯ И МОДЕЛИ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

5.1. Научные основы и методология оптимизации сечений полигональных каналов

Каналы относятся к наиболее распространенным и протяженным гидротехническим сооружениям. Их общая протяженность только на Юге России составляет более 2 тыс. км. На сегодня свыше 40% существующих каналов находятся в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии, необходимая пропускная способность каналов не обеспечивается. Необходимость и потребность по региону в совершенствовании и реконструкции существующих каналов и в строительстве новых достигает 100 км и более.

При проектировании, строительстве и реконструкции гидротехнических каналов различного назначения вопросы выбора эффективных и наивыгоднейших их сечений относятся к важным. При этом в существующей справочной и научно-технической литературе нет принятого единого установленного подхода по определению оптимальных гидравлических характеристик каналов. Отсутствуют единого мнения и принятых методик по критериям оптимизации их сечений. По сравнению с каналами призматического сечения (трапецеидальными и прямоугольными) каналы полигонального профиля являются наименее изученными и исследованными. В связи с этим авторами предлагаются новые подходы и методики по основам оптимизации и расчетному обоснованию каналов полигонального сечения.

Результаты наших исследований указывают на существенное влияние формы поперечного сечения канала на режим и гидравлическую структуру потока. Правильный подбор параметров сечения и гидравлическая оценка потока в различных режимах обуславливает точность проектирования канала. Известно, что в гидравлически наивыгоднейших сечениях каналов образуются наиболее благоприятные гидравлические условия и режим движения воды. Обеспечиваются максимальная пропускная и транспортирующая способности потока. По теории турбулентности потока энергия потока передается по каскаду частот от низких к высоким. При этом одновременные пульсации энергии с разным диапазоном частот в потоке приводит к образованию вихрей и сложному турбулентному движению равномерного руслового потока. Низкочастотные пульсации вызывают крупные вихри с внешним масштабом турбулентности, оказывающие возмущения всему потоку. Эти возмущения потока приводят к формированию сечения размываемого русла [6,31,38, 51,69].

Результаты многочисленных исследований показали существенное влияние формы полигонального сечения на пространственную турбулентность потока и позитивную роль, которая способствует стабилизации русловых процессов и направлению по центру русла динамической оси. В этом случае создаются оптимальные гидравлические условия.

В нашей стране согласно рекомендациям в технической и справочной литературе оптимальные гидравлические характеристики каналов определяют на основе данных гидравлического и технико-экономического расчетов каналов [1-12]. При этом все предлагаемые методики и подходы к расчетам имеют свои отличительные особенности. Исследования авторов подтвердили, что все гидравлические характеристики каналов должны быть определены из условия обеспечения эффективных гидравлических режимов движения воды на основе безразмерных параметров, точно и полно характеризующих их сечения. К ним относятся относительная глубина , относительная ширина , заложение откосов mi, и др.

Курбанов С.О. еще в 1987 г получил для трапецеидального канала оптимальные гидравлические характеристики относительной ширины и заложения откосов , которые могут быть приняты за критерии оптимизации. Трапецеидальный канал с такими параметрами всегда обладает гидравлически наивыгоднейшим сечением (ГНС). Аналитические исследования трапецеидального канала с m = 0,5 ÷ 0,7 и подтвердили, что это параметры наивыгоднейшего сечения и этот факт был признан изобретением [49]. При этом необходимо отметить, что и эти параметры экономически оптимальны для каналов с небольшой глубиной , к примеру в скальном основании или в облицовке.

В России при проектировании земляных каналов широко используют метод допускаемых скоростей [2,3,7,9,11] для определения оптимальных их характеристик. Названный метод приводится в работах многих ученых (Алтунин В. С., Рабкова Е. К., Косиченко Ю. М., Иваненко Е. Г. и др.). В данном методе рассматриваются два расчетных случая: 1) когда в канале движется относительно чистая вода без наносов; 2) в канал поступает и транспортируется значительное количество взвешенных и донных наносов. Вместе с тем проектирование каналов с оптимальными сечениями выполняют из условия обеспечения их статической и динамической устойчивости.

В первом расчетном случае при проектировании каналов в земляном русле вначале принимают среднюю неразмывающую скорость в зависимости от грунтов ложа канала и их среднего диаметра, глубины потока и формы русла. После чего определяют площадь живого сечения канала. Расчетную глубину воды в трапецеидальном канале определяют по рекомендациям из [1-12] с учетом условий прохождения канала и эксплуатационных его особенностей. По значениям площади живого сечения и расчетной глубины, подбирают ширину канала понизу, затем определяют необходимый уклон канала. Окончательные параметры профиля канала принимают после технико-экономического обоснования возможных вариантов сечения (при различных значениях заложений откосов, глубины канала и ширины понизу). Обоснованные расчетом параметры канала должны соответствовать и отвечать статической устойчивости русла по всему периметру канала.

При втором расчетном случае для земляных русел устойчивые и стабильные геометрические характеристики канала (любого по крупности) зависят от значения расхода, количества и состава транспортируемых наносов. В этом случае статическая устойчивость русла ( практически обеспечивается только при небольшой концентрации в потоке взвешенных наносов и отсутствии крупных наносов). В других случаях средняя скорость движения потока в каналах, обеспечивающая транспорт взвешенных и донных наносов, будет всегда больше нормативной неразмывающей скорости. Такие русла со стабильными гидравлическими характеристиками, как выше было отмечено, называют руслами динамической устойчивости. В таких динамически устойчивых каналах допускается наличие некоторого количества донных наносов и размыв русла с последующей стабилизацией русловых процессов до устойчивой формы по всему сечению русла. В качестве критерия определения устойчивости русла принимается отношение средней скорости потока к допускаемой неразмывающей скорости грунтов ложа канала: . Для устойчивого и стабильного русла величина и это условие должно соблюдаться на каждой вертикали по ширине русла.

Каналы с динамически устойчивыми руслами обычно проектируются трапецеидальными или параболическими с применением морфометрических зависимостей. Вместе с тем, учитывается и коэффициент формы русла, который для динамически устойчивых русел принимается в пределах . При расчетном обосновании и проектировании этой категории земляных каналов основные геометрические параметры русла (h. В, b, ) принимаются по данным натурных исследований устойчивости русел каналов. Результаты исследований показывают, что после полукруглого сечения параболическое сечение канала является наиболее эффективным и оптимальным. При известных геометрических характеристиках канала параболическая форма русла рассчитывается по уравнению:

(5.1)

где глубина на расстоянии х от уреза воды; n – показатель степени параболы, 3,0 – 4,0.

В динамически устойчивых руслах максимальная скорость потока устанавливается на осевой вертикали. Ее принимают за расчетную при проектировании каналов для установления расчетной средней скорости потока .

Гидравлический расчет каналов с динамически устойчивыми руслами выполняется по следующей схеме [38, 71]: вначале задаются вероятным значением максимальной глубины h; определяется значение допускаемой неразмывающей скорости для осевой части русла; по принятому значению коэффициента динамической устойчивости и параметру относительной скорости для осевой вертикали рассчитывают среднюю скорость потока; определяют площадь живого сечения . Далее задаются основными параметрами живого сечения: шириной и глубиной русла В иh по зависимостям, полученным из анализа натурных данных. Устанавливают связь между hиhср с использованием коэффициента формы уточняют площадь живого сечения , отвечающей принятым размерам русла . Намечают сечение профиля русла, принимая параболическую форму. Ширину русла по вертикали разбивают на участки и на каждой вертикали рассчитывают средние фактические скорости; далее оценивают и определяют значение , значение которого на каждой вертикали должно быть не более, принятого в расчете для средней скорости всего потока. При нарушении указанного условия, то нужно подправить очертание формы поперечного сечения русла, соответствующей форме русла равной динамической устойчивости. Далее в это полученное параболическое русло вписывают с минимальными отклонениями полигональную форму поперечного сечения, определяют величин заложения откосов береговой части русла и окончательно уточняют . Вместе с тем рекомендуется уточнить пропускную способность и уклон канала по формулам Шези. Затем – произвести точно такие же расчеты для ряда возможных вариантов канала, и по всем вариантам выполнить технико-экономические расчеты, оценить и выбрать оптимальный вариант.

Однако на практике применяя вышеописанную методику запроектировать (вписать в параболическое сечение) канал полигонального сечения очень сложно. Не ясно на базе чего принять и определить характеристики поперечного профиля полигонального канала, сколько должно быть количество откосов и какие величины их заложений, какие глубины и их соотношение, относительная глубина, ширина и т.д. При расчетном обосновании получается очень много переменных, не понятно, какими характерными параметрами задаваться, и какие их определить. Нет принятых критериев и условий выбора оптимальных параметров сечений каналов. В этом случае самое сложное в том, что при этом возникает большое количество вариантов, для которых требуется значительный объем расчетов.

Для полигональных каналов по существующим методам невозможно подобрать наивыгоднейшие сечения. Очень сложно определить параметры каналов, оптимизировать сечения при помощи автоматизированных компьютерных методов расчета. Все эти сложности ограничиваю широкое применение в нашей стране полигональных каналов. В настоящее время нет относительно точных методов гидравлического расчета полигональных каналов с оптимальными параметрами. Та же ситуация с полигональными каналами и в зарубежной практике. В развитых странах для проектирования призматических каналов используют программы расчета, не доступные для открытого применения.

По сравнению с другими призматическими каналами, полигональные имеют сечение близкое к полукруглому – наиболее гидравлически наивыгоднейшему. Оптимальные значения гидравлических характеристик для всех типов каналов по назначению одинаковы и вычисляются по одним методикам. Когда возникает необходимость ГНС каналов можно перепрофилировать на экономически наивыгоднейшие.

Для каналов полигонального сечения с двумя парами симметричных откосов и треугольным основанием (рис. 5.1.) ранее выведены в безразмерных единицах основные параметры, являющиеся также критериями оптимизации [50, 71].

Рисунок 5.1 – Полигональный канал с двумя парами

симметричных откосов и треугольным основанием

Одним из них является относительная ширина , которую можно найти по зависимости:

(5.2)

Данная зависимость точно характеризует наше полигональное сечение, а зависимость (5.2) учитывает основные безразмерные величины, характеризующие сечение, в одной математической зависимости, и позволяет для полигонального канала получить ГНС. Эта формула определяет главный признак сечения канала (рис. 5.1) и критерий его оптимизации.

Другим критерием оптимизации сечения является относительная глубина, которую можно определить по формуле:

(5.3)

Формулы (5.2) и (5.3) для полигонального канала с парой симметричных откосов верхними т1 и донными m2 (рис. 5.1) являются интегральными показателями оптимизации сечения. Эти формулы позволяют упростить методику гидравлического и технико-экономического расчета данного канала. По ним легко определить основные гидравлические характеристики каналов по глубине верхней части сечения h1. По результатам многочисленных расчетов, проведенных с использованием данных формул, определены оптимальные значения заложений откосов и их соотношений:

m1=0,5…1,5; m2 = 3 ….8; m1/m2= 1/4 …. 1/8. (5.3а)

Уточнена формула площади живого сечения:

, (5.4)

(5.4а)

Найден смоченный периметр:

(5.5)

Определен гидравлический радиус:

(5.6)

Уточнена формула коэффициента (скорости) Шези:

(5.7)

Выведена зависимость для средней скорости потока:

(5.8)

Расход воды в канале:

(5.9)

В приведенных выше формулах: n – коэффициент шероховатости (известная величина);I – гидравлический уклон потока (принимается равным уклону дна канала i).

В нашей методике расчета коэффициент ШезиС выражен через известную формулу Маннинга. Но его можно определить и по другим формулам (Павловского Н. Н., Агроскина И. И., Штернлихта Д. В. и др.) для различных условий прохождения канала [1, 3, 5,9,11].

Для поперечного сечения канала с шириной понизу b> 0, значение данной ширины определяется по глубине h1,

, (5.10)

гдеk – коэффициент запаса, k = 1 … 4.

Для канала с ГНС k = 1.

Формулы (4.4) … (4.8) для полигонального канала с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу b> 0, изменяются и принимают следующий вид:

площадь живого сечения

, (5.11)

, (5.11а)

смоченный периметр

, (5.12)

гидравлический радиус

, (5.13)

коэффициент Шези

, (5.14)

средняя скорость потока

. (5.15)

И для полигонального канала с шириной понизу b> 0 относительная ширина и относительная глубина остаются без изменения и определяются по уравнениям (5.2) и (5.3) соответственно.

По приведенным формулам можно легко определить все основные гидравлические характеристики канала. Приняв постоянные величины m1,m2, nи iопределяют относительную ширину и относительную глубину α по формулам (5.2) и (5.3). Далее определяются основные гидравлические характеристики и Q, соответствующие различным заданным значениями h1. Строится график зависимостиQ=f(h1), по которому определяется глубина h1, соответствующая расчетному расходу Qp. Уточняются остальные гидравлические величины (). Аналогичный расчет можно выполнить для всевозможных вариантов β, α и m2, n, i. По результатам устанавливается гидравлически оптимальный вариант, обеспечивающий максимальную (расчетную) пропускную способность канала минимальном смоченном периметре и площади живого сечения. При заданном (известном) значении площади живого сечения выбирается вариант, при котором обеспечивается максимальный расчетный пропуск в канале Qmax.. В этом случае глубину h1 для канала с двумя парами откосов и треугольным основанием (рис. 5.1) определяют из формулы (5.4):

, (5.16)

а для полигонального канала с b> 0 – из формулы (4.11):

. (5.17)

При технико-экономическом обосновании конструкции канала, все основные показатели (объем выемки грунта, площадь и объем железобетонной облицовки, их стоимость) выражаются также через h1, но с учетом высоты превышения бровки канала над расчетным уровнем d, который также является известной величиной. Показатели определяются для каждого варианта гидравлического расчета. По полученным результатам выбирается окончательный вариант канала. Оптимальным является вариантом, в котором совпадают гидравлически и экономически наивыгоднейшие показатели. В противном случае, необходимо выбрать вариант канала, который будет одинаково близок к гидравлически и экономически наивыгоднейшему сечению. Для этого необходимо построить область оптимизации сечений (рис. 5.2.), образованный кривыми функций – зависимости расхода от относительной (безразмерной) площади живого сечения (график 1) и – зависимости приведенных затрат (в руб.) на строительство канала длиной 1 п.м. от относительной площади живого сечения (график 2). Отношение является постоянной величиной для каждого варианта сечения с принятыми значениями m1, m2, и.

Вначале нужно рассчитать по вышеприведенной методике основные гидравлические характеристики, отношение для каждого рассматриваемого варианта и соответствующие им значения расхода канала Qi. Строится кривая 1 функции с выпуклостью вверх. На вершине кривой при некоторых значениях расход Qiпринимает максимальное значение. Эта область с гидравлически оптимальными и наивыгоднейшими параметрами сечений. Однако, эта область может меняться от условий прохождения канала (уклона дна, коэффициента шероховатости облицовки, заложений откосов, ширины понизу и др.). Поэтому возникает необходимость выбрать область оптимальных (ГНС) характеристик на графике , где в промежутке между значениями параметра по оси абсцисс характеристики ГНС существенно не меняются, например, от 2,5 до 4,5.

word image 175 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 5.2 – График оптимизации полигональных сечений:

Кривая 1 функции , кривая 2 функции .

Выбор наиболее оптимального варианта должен основываться и на технико-экономических показателях для рассматриваемых вариантов сечений. Определяют приведенные затраты на строительство 1 п.м. длины канала:

Сп= Сзобэ, (5.18)

где Сзстоимость объема земляных работ на 1 п.м.; Собстоимость 1 п.м. облицовки канала; Сэ приведенные эксплуатационные затраты на содержание 1 п.м. канала.

Технико-экономические показатели канала определяются в рублях для каждого принятого варианта сечения в зависимости от . По этим данным строится кривая 2 зависимости (рис.5.2). Кривая 2 имеет выпуклость вниз, и при определенных значениях приведенные затраты Сппринимают наименьшее значение. В пределах значений , примерно от 3,5 до 5,5 по оси абсцисс, выбирается область экономически оптимальных характеристик (рис. 5.2). При этом необходимо соблюдение условий (5.2), (5.3) и (5.3а) при которых обеспечиваются относительно стабильные гидравлические режимы движения воды.

Рассмотренные методики расчетов можно легко автоматизировать.

Методика для определения наивыгоднейших сечений полигональных каналов с тремя парами симметричных откосов (рис.5.3), в целом аналогична вышеприведенным, но основные формулы видоизменяются с учетом увеличения количества откосов и глубин. Для этих каналов также выведены критерии оптимизации их сечений:

относительная ширина

, (5.19)

относительная глубина

(5.20)

Рисунок 5.3 – Полигональный канал с тремя парами симметричных откосов

Формулы (5.19) и (5.20) являются интегральными показателями оптимального полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов (рис. 5.3). Они позволяют упростить методику гидравлического и технико-экономического расчета данного канала. По этим формулам через глубину верхней части сечения h1 легко определяются основные гидравлические характеристики каналов. Определены оптимальные значения заложений откосов и их соотношений:

m1 =0…1,5; m2 =1,5….3; m3 =4…8; m1/m2 =m2/m3 =1/4….1/6, (5.20а)

Формулы для определения основных гидравлических характеристик каналов принимают вид:

для площади живого сечения

, (5.21)

, (5.21а)

смоченного периметра

, (5.22)

гидравлического радиуса

, (5.23)

коэффициента (скорости) Шези

, (5.24)

средней скорости потока

. (5.25)

Расход канала Q определяется по известной формуле (5.9).

Для сечения с горизонтальным участком дна b> 0 (рис. 5.3), ширина по дну bопределяется поформуле (5.10). Остальные гидравлические параметры определяются с учетом ширины канала по дну b. Далее строятся графики (рис. 5.2) для оптимизации сечений рассматриваемых полигональных каналов с тремя симметричными парами откосов. Графики строятся для двух случаев (с треугольным основанием b = 0, и с шириной по днуb> 0). По этим графикам определяется сечение канала с наиболее эффективными гидравлическими условиями для потока при минимальных материальных затратах.

Рассмотренная методика позволяет оптимизировать также полигональные сечения зарегулированных русел.

Обсуждаемые методики гидравлических и технико-экономических расчетов по оптимизации полигональных сечений имеют общую методологическую основу, которая дает эффективную технологию проведения расчетов по выбору оптимальных сечений каналов различного назначения и зарегулированных русел полигонального профиля.

Предлагаемая методология гидравлических и технико-экономических расчетов позволяет запроектировать полигональный канал с наивыгоднейшими и оптимальными характеристиками. Позволяет получить оптимальное соотношение глубин, заложений откосов, относительной ширины и ширины канала понизу, которые в совокупности обеспечивают устойчивые гидравлические режимы потока.

5.2. Построение математических моделей методикгидравлического и технико-экономического расчетовмелиоративных каналов полигонального сечения

Большие и средние мелиоративные каналы с пропускной способностью более 10 м3/с целесообразно проектировать полигонального профиля. К ним в большей части относятся магистральные и межхозяйственные каналы оросительно-обводнительных систем. При гидравлическом расчете каналов решают вопросы выбора оптимальной трассы и уклона канала, наивыгоднейшего поперечного сечения с эффективной облицовкой. С этой целью рассматривается ряд вариантов каналов с разными уклонами и поперечными сечениями. Для каждого варианта проводятся гидравлические и технико-экономические расчеты, затем выбирают наиболее оптимальный вариант. Это большой объем расчетов, который очень сложно выполнить вручную. Однако существующие методы гидравлического расчета каналов не позволяют использовать современные системы электронного проектирования.

При автоматической системе проектирования требуется предварительно составить математическую модель расчета с алгоритмами определения гидравлических и технико-экономических параметров каналов.

Для составления математической модели воспользуемся методикой оптимизации полигональных сечений, приведенной выше (п.5.1). На ее основе составим блок-схему модели расчета. При составлении блок-схемы вначале необходимо принять трассу и уклон канала, которые определяют по продольному профилю с учетом обеспечения минимума земляных работ и баланса грунтовых масс. Принимается и форма поперечного сечения канала с двумя или тремя парами симметричных откосов. При этом для каждого рассматриваемого сечения составляем отдельную блок-схему модели расчета.

Блок-схема модели расчета полигонального канала с двумя парами симметричных откосов (m1, m2) и шириной понизу . Вначале принимаем характеристики ГНС: m1, m2, ипо условиям (5.2), (5.3) и (5.3а);затем задаемся ряд значений глубин h1, из условия . Для каждого заданного значения h1определяем среднюю скорость и расход канала Q1 по формулам (5.8) и (5.9). После чего расчет повторяем для каждого следующего значения h1, и определяются Q2, Q3,… Qn, пока максимальное значение расхода Qimaxне получится больше максимального расчетного расхода канала Qр. При этом значение остается постоянным для всех этих расчетов. Далее, расчеты повторяем также при других постоянных значенийm1, m2, и, и при тех же заданных значениях h1. Определяем , соответствующие каждому заданному значению h1, а также постоянное для всех этих параметров значение . Все эти расчеты повторяем также и при третьих и четвертых значениях m1, m2, и . Затем графически или по методу итерации уточняем значение h1, соответствующееQр , и по h1определяем и уточняем все остальные гидравлические характеристики канала: h2,. После чего, определяем объемы и стоимости земляных и бетонных работ Uзем., СзиUобл., Сбна строительство 1погонного метра канала, затем ежегодные затраты на содержание и эксплуатацию канала Сэ. Далее по формуле (5.18) определяем приведенные затраты на строительство 1 п.м. канала Сn.

Вес этот расчет повторяем и для сечения с двумя парами симметричных откосов, но с шириной понизу , при этом b принимаем по выражению (5.10). И в конце также определяем приведенные затраты Сnпо формуле (5.18). По анализу полученных результатов окончательно выбираем наивыгоднейший вариант.

В соответствии с методологией оптимизации полигональных сечений и алгоритмами расчета составляем блок схему модели расчета полигонального канала с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу , табл. 5.1.

Таблица 5.1 – Блок-схема модели расчета канала полигонального сеченияс двумя парами симметричных откосов и шириной понизу b ≥ 0

word image 176 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Аналогичные блок-схемы модели расчетного обоснования составляем и для другого сечения с тремя парами симметричных откосов (m1, m2,m3) ишириной понизу . При этом основные параметры и характеристики сечения принимаем из условия ГНС.m1, m2,m3, , и.

В таблице 5.2 приведена блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b=0. А в таблице 5.3 – блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b>0.

В конце по этим результатам составляем графики функции Cn= и .

Таблица 5.2 – Блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b=0

word image 178 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Таблица 5.3 – Блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b>0

word image 179 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Программа позволяет графически и аналитически отобразить эти функции и по ним найти минимум функции, из которых выбираем наименьшее значение Сп мин..

Далее уточняем и окончательно выбираем основные параметры гидравлических характеристик канала , соответствующие Сп мин. Все эти уточненные параметры и характеристики мелиоративного канала являются оптимальными для заданных условий.

Методика и модели расчетного обоснования мелиоративных каналов с полигональным поперечным сечением внедрены и опробованы в проектных и научно-исследовательских институтах (ОАО «Севкавгипроводхоз» и др.), и в высших учебных заведениях.

5.3. Методика расчета лотковых каналов полигонального профиля при неравномерном режиме движения воды

Лотки призматического сечения устраивают в составе гидроузлов в качестве водосбросных и сопрягающих сооружений и мелиоративных каналов для участков с высокими уклонами (больше критических). Эти лотковые каналы состоят из входных, транзитных и выходных частей. Входные части водосбросных сооружений выполняют в виде автоматических водосливных порогов или оборудуют регуляторами. В концевой части устраивают гасители энергии в виде водобойных стенок или колодцев. Транзитные участки проектируют в виде прямоугольных лотков (как быстротоки или консольные перепады). От надежности транзитных лотков зависит работа всего гидроузла или оросительной сети.

Авторами на основе полученных ранее результатов исследований усовершенствована методика гидравлического расчета, в том числе и лотка полигонального профиля [49-51]. Сечение лотка состоит из двух частей: верхней – прямоугольной и донной – треугольной. Для аналитических исследований гидравлических характеристик глубина верхней части сечения обозначена через h1, а донной части – h2, относительная глубина и заложение донных откосов – m2.

Состояние потока и его режим в русле устанавливают при помощи параметра кинетичностиПк , которыйдля призматического сечения лотка выражается по известной формуле [11, 52]:

word image 987 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем, (5.26)

где коэффициент Кориолиса, 2…3; Q– расчетный расход лотка, м3/с; В – ширина понизу лотка, м; площадь живого сечения, м2.

Площадь живого сечения можно определить по:

word image 988 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (5.27)

а для лотка с боковыми откосами m1 > 0:

word image 989 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (5.28)

где – относительная ширина:

word image 990 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (5.29)

Решая уравнения (5.26) с учетом из выражений (5.27), (5.28) и (5.29) получим:

word image 991 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Из формул (5.30) и (5.31) хорошо видно, что для полигонального лотка, по сравнению с прямоугольным, значение параметра кинетичности потока Пкменьше на 20 – 30% и это подтверждают аналитические исследования. Следовательно, в полигональном лотке режим движение воды стабилизируется, турбулентность потока снижается.

Из уравнения критического состояния потока (5.26) можно определить и критическую скорость потока для полигонального лотка:

word image 992 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (5.32)

Критическую глубину полигонального лотка с треугольным основанием можно определить по авторской формуле [38,52]:

word image 993 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (5.33)

а с учетом m1 = 0, формула (5.33) принимает вид:

word image 994 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (5.34)

По характеристикам критического состояния потока и на основе выше полученных формул, можно выполнить гидравлический расчет на неравномерный режим движения воды. Вначале задаются оптимальные значения заложений откосов, лежащих в пределах m1 =0…1,5 и m2 = 2…5. Относительная глубина,и ее наивыгоднейшеезначение лежит в промежутке 0,4….0,7. Задаваясь рядом значений h1от 0 и выше, определяются гидравлические характеристики ( и ) по формулам равномерного режима движения. По данным расчета строится график зависимости Q = f(h1), а по графику, зная расчетный расход лотка Qp, определяется искомое значение глубины верхней части сечения лотка h1. По величине h1 рассчитываются остальные параметры лотка . определяется критическая глубина по формуле (5.33) или (5.34) в зависимости от значения m1 и соответственно параметр кинетичности потока по формуле (5.30) или (5.31). По полученным данным проверяется состояние потока (спокойное, бурное или критическое) [11].В случае если средняя скорость движения воды в лотке имеет значение 8 – 10 м/с и более, в обязательном порядке необходимо предусмотреть износостойкое крепление, к примеру из армированного булыжного камня и полимербетона. При поступлении крупных наносов в лоток, и при относительно малых скоростях (3 – 4 м/с и более) также нужно предусмотреть крепление, устойчивое к абразивным воздействиям наносов. При этом высота стенок лотков должна быть принята на 0,5 – 1 м выше критической глубины в зависимости от класса капитальности сооружения. Далее следует отметить, что глубина воды в лотке при критическом состоянии потока значительно меньше глубины равномерного потока. Результаты проведенных аналитических и экспериментальных исследований показывают, что вероятность обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности прямоугольных лотков составляет около 0,7, а лотков полигонального сечения повышается до 0,98.

Таким образом, предлагаемые новые технические решения по транзитным лоткам и усовершенствованная методика их гидравлического расчета, позволяют повысить надежность и срок службы сооружений, а также снизить материальные затраты на строительство и эксплуатацию.

6.ОБОСНОВАНИЕ БИОИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ УЧАСТКОВ МАЛЫХ РЕК И ЗАЩИТЫ ПРИБРЕЖНЫХ УЧАСТКОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ ГИДРОУЗЛОВ И КАНАЛОВ

Проблемы инженерной защиты и природоохранного обустройства нарушенных участков земель являются актуальными для многих стран мира. И для нашей страны эти проблемы стоят остро, особенно в регионах Северного Кавказа и Юга России, где на обеспечение надежной защиты прибрежных и рекреационных зон ежегодно тратятся до ста миллиардов рублей. При этом применяемые на практике мероприятия и технические решения в значительной степени оказывают техногенное влияние на окружающую среду, нарушают режим рек, разрушают и загрязняют зеленые водоохранные зоны. Используемые методы, материалы и технологии строительства нуждаются в экологизации и адаптировании к природной среде. В соответствии с экологической доктриной РФ конструкции возводимых инженерных сооружений и креплений должны обеспечивать не только надежную защиту территорий, но и восстановление природной среды.

Вместе с тем за последние десятилетия практика показывает, что в борьбе с экзогенными процессами преобладают техногенные мероприятия, нарушающие природную среду. Возникла большая необходимость в разработке научных основ и технических условий по проектированию и внедрению биоинженерных систем защиты территорий прибрежных и рекреационных зон.

Отсюда возниклаи проблемы практического использования (популяризации) природоохранных технологий при проведении инженерно-технических мероприятий по инженерной защите территорий для достижения экологического равновесия между освоенными (нарушенными) и естественными территориями, между урбанизированной и природной средой. Эти территории прибрежных и рекреационных зон находятся под постоянной техногенной и антропогенной нагрузкой и соприкасаются с водной средой, наиболее важной и уязвимой средой в природе [71,72,73,74,75].

В России уделяется большое внимание экологическим проблемам в окружающей среде. В экологической доктрине РФ, одобренной распоряжением Правительства РФ (1225-Р от 31.08.2002), обеспечение экологической безопасности страны определено как конечная цель государственной политики в области экологии при сохранении природных систем, поддержание их функциональной целостности. Из числа приоритетных направлений деятельности по обеспечению экологической безопасности в стране (одним из важных) является направление, связанное со строительной отраслью хозяйственной деятельности, совершенствованием и созданием новых безопасных технологий. В стране действуют десятки государственных и других программ экологического направления, в т.ч. и по разработке и внедрению природосберегающих технологий. Однако ни одна программа не охватывает проблемы инженерной защиты и природоохранного обустройства нарушенных территорий от наводнений, воздействий паводковых и селевых потоков, лавин и эрозионных процессов. Хотя актуальность этих проблем очевидна и ежегодный ущерб, приносимый этими природными (экзогенными) процессами составляет десятки миллиардов рублей. За последние десятилетия практика показывает, что в борьбе с экзогенными процессами преобладают техногенные мероприятия, вносящие помехи в природную среду. Отсутствие научных рекомендаций и технических условий по проектированию и внедрению биоинженерных систем защиты прибрежных и охраняемых территорий негативно сказываются на окружающую среду. Существующая в стране система борьбы с экзогенными процессами не способствует распространению природоохранных технологий в строительстве. В природопользовании остаются много не решенных проблем, связанных со строительной отраслью и промышленностью строительных материалов[76,77,78].

Отечественные ученые внесли значительный вклад в исследование проблем защиты и природоохранного обустройства различных территорий: В.И. Вернадский, И.П. Герасимов, А.М. Гиляров, В.Г. Горшков, Ю.А. Израэль, Ю.Н. Куражковский, К.С. Лосев, И.И. Мазур, Р.Г. Мамин, С.В. Кривицкий, Н.И. Сидоренко, В.И. Теличенко и др.

Основоположник учения о биосфере В.И. Вернадский впервые поднял вопрос эффективности природопользования как научную проблему, требующую комплексный исследовательский подход. Научные основы и общие принципы природопользования разработал Ю.Н. Куражковский, его по праву считают основоположником науки природопользования. Как известно, природопользование включает в себя: охрану, возобновление и воспроизводство природных ресурсов и их переработку; использование и охрану природных условий среды жизни человека; сохранение, восстановление и рациональное изменение экологических условий природопользования. Таким образом, природопользование включает в себя элементы технических, естественных и общественных наук. При этом, теоретической базой охраны природы и рационального природопользования является экология, а инженерная экология является ее практической частью. Тем не менее, вопросы применения биоинженерных систем, где биологические и технические функции совмещены, для защиты и восстановления нарушенных территорий, остаются не решенными по настоящее время[73,74].

Вопросы исследования и внедрения природоохранных строительных технологий давно стали приоритетными и в развитых капиталистических странах. Конференция ООН по окружающей среде и развитию, прошедшая в Рио-де-Жанейро в июне 1992 года, заложила основу сотрудничества многих стран мира в области защиты природной среды, и проведению совместных научных исследований в этом направлении. При природопользовании исследуются и разрабатываются экологичные технологии и материалы, которые внедряются в приоритетном порядке.

Вместе с тем, считаем необходимым отметить, что все эти достижения зарубежных и отечественных ученых в области охраны окружающей среды нуждаются в систематизации и общих правилах по их практическому применению, особенно в строительной отросли по инженерной защите территорий от природных экзогенных процессов. Известные методы [3,4] по биоинженерной защите окружающей среды в основном направлены на использование технологии самоочищений и самовосстановлений элементов природной среды (рек, озер, водоемов, почвенного слоя, ландшафтов). А что касается возможности ускорения этих природных процессов по восстановлению нарушенных участков с помощью биоинженерных систем, мало кто рассматривает. Для этого требуется единая теория (научных основ и технических условий) и концептуальный подход в решении сложных вопросов по инженерной защите прибрежных, охраняемых и рекреационных зон от природных экзогенных процессов, где были бы приоритетными вопросы защиты и сохранения природной среды [73].

В области природоохранного и водохозяйственного строительства все новые достижения подлежат объединению в специальные биоинженерные системы, которые должны бытьполностью исследованы и по результатам разработаны научные основы проектирования и, соответствующие биоинженерные методы защиты и обустройства прибрежных и рекреационных зон.

Биоинженерные системы входят в состав природно-технических систем (ПТС), но в отличие от них они, ни при каких обстоятельствах не могут оказывать техногенное влияние на окружающую среду. Биоинженерные системы всегда биопозитивны и способствуют восстановлению и сохранению природной среды. От состояния рекреационных территорий, водных объектов и их прибрежных зон во многом зависит состояние экосистемы регионов и бассейнов.

В известных и применяемых методах регулирования русел, защиты и восстановление прибрежных и нарушенных зон преобладают техногенные подходы, не учитывающие особенности малых рек (наиболее уязвимые участки природной среды, «без малых рек нет рек больших»). Отсутствуют научно-обоснованные методы и критерии, позволяющие для прибрежных и рекреационных зон выбирать наиболее эффективные способы по регулированию их паводкоопасных и эродированных участков и ускоренному восстановлению нарушенных земель с применением биопозитивных технологий. Существующие технологии по строительству и эксплуатации защитно-регуляционных и противоэрозионных сооружений нуждаются в экологизации, совершенствовании и систематизации. В соответствии с экологической доктриной РФ конструкции возводимых инженерных сооружений и креплений должны обеспечивать не только надежную защиту территорий, но и восстановление природной среды. Вместе с тем, за последние десятилетия практика показывает, что в борьбе с экзогенными процессами в основном используются техногенные методы, нарушающие природную среду. В значительной степени используются техногенные конструкции и материалы при проведении противопаводковых селезащитных, противоэрозионных, противооползневых и других мероприятий по инженерной защите различных территорий.

Под руководством Курбанова С.О. разрабатывается новое направление в области водного хозяйства и охраны окружающей среды «Биоинженерные системы защиты и природоохранного обустройства прибрежных зон». Им разработана концепция экологизации защитно-регуляционных сооружений в условиях прибрежных зон малых рек [74]. В рамках данного направления исследований подготовлен ряд вариантов новых конструктивных и технологических решений по проектированию и строительству защитно-регуляционных сооружений и креплений биопозитивной конструкции с максимальным использованием местных материалов, которые воспринимаются природой как родственные элементы.

В рамках реализации данного направления используются новые подходы и методы исследования эффективных технологий восстановления эродированных и других нарушенных участков земель с применением биопозитивных изделий из местных материалов (гибких тюфяков, легких и тяжелых фашин из сухого камыша, растительного грунта, геосетки и габионной сетки). Будут разработаны и исследованы технологические циклы производства работ от сбора материала, сортировки, хранения, обработки, изготовления изделий, укладки и т.д., до соединение их и создания новых более эффективных инженерных систем, которые выполняли бы одновременно и инженерные и биологические функции по восстановлению нарушенных участков земель и их защите от природных экзогенных процессов. Для этого на основе использования этих изделий разработаны и разрабатываются эффективные и биопозитивные конструкции защитно-регуляционных сооружений и креплений, а также технологии их возведения.

word image 995 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 180 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных системе)

Рисунок 6.1 – Изделия из местных материалов, которые служат базовыми элементами для биоинженерных систем:

а и б– легкая и тяжелая фашины из сухого камыша и растительного грунта; в, г и е – гибкие тюфяки из легких фашин; д – мешки из растительного грунта и геосетки

В связи с этим, авторы планируют создать и апробировать эффективные системы и методы восстановления прибрежных размытых участков, оврагов, карьеров, нарушенных и разрушенных хозяйственной деятельностью участков почв и дерновки в охраняемых и рекреационных зонах. У авторов для этого имеется и определенный научный задел. Ими получены за последние пять лет более 25 патентов на изобретения по биопозитивным конструкциям и технологиям возведения защитно-регуляционных сооружений. Опубликованы более 20 научных статей в журналах и материалах Международных и Всероссийских научных конференций. При этом у исполнителей проекта имеются свои подходы и методы исследований новых технологий изготовления биопозитивных изделий; имеются опытно-конструкторские разработки природоохранного направления, которые эффективно могут быть использованы при инженерной защите территорий. Однако базовых научных основ (технических условий, критериев и других параметров), позволяющих оценить биопозитивность, надежность и эффективность работы каждого изделия и креплений из них в различных природных условиях, нет. Требуются дополнительные экспериментальные и теоретические исследования.

Научная новизна проекта создания биоинженерных систем заключается в том, что впервые сформулирована и решается научная идея функционального и технологического объединения защитно-регуляционных сооружений биопозитивных конструкций в биоинженерные системы защиты земель прибрежных, охраняемых и рекреационных зон от природных экзогенных процессов. Используется новый системный подход при решении сложных проблем обеспечения надежной инженерной и природоохранной защиты различных земель от паводков рек, селевых потоков, лавин и эрозионных процессов. Защитно-регуляционные сооружения и их элементы для исследований подбираются и компонуются с точки зрения их биопозитивности и образования биоинженерных систем для защиты и восстановления нарушенных земель. Новизна разработанных конструктивных и технологических решений подтверждена полученными патентами на изобретения.

В целом, по итогам реализации предлагаемого проекта будут разработаны научные основы создания и использования биоинженерных систем для защиты и восстановления нарушенных земель в прибрежных и рекреационных зонах. Результаты работы, при их внедрении, позволят повысить эффективность проводимых проектно-конструкторских и природоохранных мероприятий, а также значительно снизить использование на практике техногенных конструкций.

Результаты исследований (за период 15 лет и более) подтвердили их высокую эффективность и надежность работы. Со временем эти экспериментальные сооружения заросли травой и кустарниками, слились с природной средой, превратились в биоинженерные (природоподобные) сооружения, которые воспринимаются природой как родственные элементы. При этом, материальные затраты на единицу длины защищаемого берега уменьшились более чем в 2 раза по сравнению с традиционно используемыми сооружениями из железобетонных конструкций.

Подготовлены основные технические решения по изготовлению сборных изделий из местных материалов (Рис. 6.1): легкая и тяжелая фашины из сухого камыша, растительного грунта, геосетки и проволоки – а и б; гибкие тюфяки в, г и е; мешки из грунта и геосеткид. Также разработаны технические решения по использованию армированных габионов биопозитивной конструкции. Использование сборных изделий и конструкций обеспечивает ускоренное восстановление эродированных и других нарушенных участков земель с биопозитивным влиянием на природную среду. Наиболее эффективно они могут быть использованы в качестве базовых и связующих элементов биоинженерных систем для восстановления и защиты нарушенных и эродированных земель в водоохранных, заповедных, рекреационных и других охраняемых зонах и особенно в условиях труднодоступных горных территорий. Из этих изделий и элементов легко собираются и возводятся защитные крепления и элементы систем защиты, которые в сочетании с другими, более прочными конструкциями, образуют биоинженерные системы защиты и восстановления нарушенных зон.

Основными результатами реализации проекта станут, разработанные научные и технические условия создания и практического использования биоинженерных систем восстановления и защиты земель прибрежных, охраняемых и рекреационных зон от природных экзогенных процессов (паводков рек, селевых потоков, лавин и эрозионных процессов). Будут определены технические параметры, критерии и технологические связи объединения эффективных и биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений в биоинженерные системы защиты земель прибрежных и рекреационных зон от различных природных процессов. Результаты предварительных исследований в виде технических решений, которые могут быть эффективно реализованы при создании биоинженерных систем (защищенные патентами на изобретения и полезные модели), приведены в таблице 1 приложении.

Аналогичных авторских разработок, подтвержденных патентами и положительными решениями на изобретения, имеется еще два десятка. Создание и внедрение биоинженерных систем на их основе позволяют снизить материальные затраты на строительство и способствуют восстановлению водоохранных и других нарушенных зон с соблюдением природоохранных требований. Со временем восстановленные зоны зарастают кустарниками и травой, превращаются в биопозитивные сооружения, которые не вносят помех в круговорот веществ и энергии, помогают развитию природы. При внедрении и использовании этих систем для защиты и благоустройства нарушенных земель в прибрежных и рекреационных зонах регионов Северного Кавказа и Юга России возможный экономический эффект составляет более миллиарда рублей.

Результаты полной реализации проекта создания биоинженерных систем позволят на более высоком научном уровне решать задачи по инженерной защите и природоохранному обустройству нарушенных участков земель. Очень важно, чтобы большой объем ежегодно возводимых инженерных сооружений и креплений создавал сеть биоинженерных систем, которые охватывали бы все нарушенные земли и способствовали их быстрому восстановлению. При внедрении результатов будет обеспечена высокая эффективность проводимых проектно-конструкторских и природоохранных мероприятий, а также значительное снижение использования техногенных конструкций в природоохранном и водохозяйственном строительстве. В социально-экономической среде реализация проекта будет способствовать росту значимости и популярности природоохранных технологий, а также развитию экологического туризма в рекреационных зонах.

7.РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

В рамках выполнения НИР для создания нормативной базы проектирования и строительства полигональных каналов, для реализации научных разработок на практике разработаны технические условия ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020 «Мелиоративные каналы полигонального сечения из сборных L-образных железобетонных блоков».

7.1 Основные сведения

Настоящие технические условия распространяются на сборные мелиоративные каналы полигонального поперечного сечения из L-образных железобетонных блоков (далее по тексту – L-ЖББ). Конструкция канала из L-ЖББ позволяет максимально механизировать и снизить затраты при строительстве облицованных каналов полигонального сечения, с характеристиками, близкими гидравлически наивыгоднейшим. Они могут быть использованы в качестве водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных участках с высокими скоростями движения воды (> 3 м/с) и уклонами выше критических.

Область распространения требований технических условий: сборные полигональные каналы с двумя и тремя парами симметричных откосовиз L-образных железобетонных блоков.

Новизна: Патенты РФ на изобретения № 2369688 Гидротехнический канал из сборных железобетонных элементов и № 2366778 Способ возведения лотка полигонального профиля из сборных железобетонных блоков.

Обладатель патента: Федеральное государственное бюджетное образовательное Учреждение высшего образования Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова (ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ).

ИНН 0711029536 / КПП 072501001

Юридический адрес: 360030, RU, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 1В.

Средства связи:

• Почтовый адрес: 360030, RU, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 1В.

• Телефоны/факсы: 8 (8662) 42-28-68, 8-928-912-05-44

• E-mail: sozaev07@mail.ru

Сведения о выданных лицензиях

Лицензии на право производства L-ЖББ иными лицами не оформлялись.

7.2 Область применения

L-ЖББ могут использоваться для:

– строительства полигональных каналов с треугольным основанием и вертикальными или наклонными боковыми стенками с характеристиками, близкими к гидравлически наивыгоднейшим сечениям;

– строительства водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных участках с высокими скоростями движения воды (> 3 м/с) и уклонами выше критических;

– реконструкции существующих прямоугольных и трапецеидальных каналов и приведения их к полигональному профилю.

L-ЖББ изготавливаются в климатическом исполнении «В» согласно ГОСТ 15150.

Рекомендации по применению L-ЖББ представлены в «Руководстве по применению сборных L-образных железобетонных блоков».

Обозначение L-ЖББ при заказе:

  • наименование – аббревиатура «L-ЖББ»;
  • обозначение номера модели «М» в соответствии с таблицей 2;
  • при использовании сульфатостойкого цемента – «Ц»;
  • обозначение армирования: «Р» – решеткой; «К» – каркасом;
  • выпуском арматуры: «В1» – с одной стороны; «В2» – с двух сторон;
  • номер настоящих технических условий.

Пример условного обозначения L-образного железобетонного блока первой модели (таблица 7.2) из тяжело­го сульфатостойкого бетона, армированного решеткой и с выпуском арматуры с одной стороны: L-ЖББ-М1-Ц-Р-В1 по ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020.

7.3 Основные параметры и размеры

7.3.1 L-ЖББ должны соответствовать требованиям настоящих техниче­ских условий (далее по тексту – ТУ) и изготавливаться по технологической документации (в том числе рецептурам), утвержденным в установленном порядке.

7.3.2 L-ЖББ представляет собой сборные железобетонные изделия с поперечным сечением уголковой формы и с вершиной по центру (рис. 7.1). Угол между ветками блока на вершине определен в пределах 120 – 158о. Угол вершины сечения блоков определен и с учетом возможности создания выгодных гидравлических условий.

word image 996 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

а)

word image 997 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

б)

Рисунок 7.1 – Общий видL-ЖББ (а) и его продольное сечение (б).

По расчетам наивыгоднейшие значения заложений откосов лежат в пределах: ,. При = 120о полигональный канал имеет вертикальные боковые откосы , а при = 158о стенки канала имеют заложение . Эти параметры близки к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам полигонального канала. В таблице 7.1 приводятся величины угла и соответствующие значения коэффициентов заложения откосов и для гидравлически эффективных сечений.

Таблица 7.1 – Обоснование угла вершины сечения уголковых блоков

Модель Угол вершины сечения

блока, о

Заложение откосов
боковых донных
Модель 1

Модель 2

Модель 3

Модель 4

Модель 5

Модель 6

Модель 7

120

138

140

145

150

155

158

0

0,49

0,57

0,77

1,0

1,3

1,5

1,7

2,5

2,7

3,2

3,7

4,5

5,1

7.3.3 Основные параметры и размеры L-ЖББ должны соответствовать значениям, указанным в таблице 7.2.

Таблица 7.2 – Основные параметры и размеры

Модель Угол вершины сечения

блока,

, о

Размер (габариты), мм Площадь,

м2

Масса,

кг

Армирование
длина ветки,

l

ширина лока,

b

высота, h
Модель 1

Модель 2

Модель 3

Модель 4

Модель 5

Модель 6

Модель 7

120

138

140

145

150

155

158

990

990

1190

1190

1490

1490

1790

990

1190

1190

1490

1490

1790

1990

100

100

100

150

150

150

150

1,96

2,356

2,832

3,546

4,44

5,33

7,124

465

558

671

1261

1578

1895

2533

Решетка

Решетка

Каркас

Каркас

Каркас КаркасКаркас

Примечания:

– возможны и др. габариты исполнения изделий;

– допускаются погрешности размеров изделия при изготовлении в пределах ±3÷5%;

– ср. плотность бетона В30 принята 2370 кг/м3.

7.3.4 Армирование L-ЖББ решеткой приведено на рисунке 7.2.

word image 998 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 7.2 – Армирование L-ЖББ арматурной решеткой

7.3.5 Схема компоновки поперечного профиля канала с двумя парами симметричных откосов из трех блоков приведена на рисунке 7.3.

word image 999 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 7.3 – Полигональный канал с двумя парами симметричных откосов из трех блоков

7.3.6 Аналогичный полигональный канал с двумя парами симметричных откосов можно выполнить и из двух L-образных блоков, однако при этом угол вершины сечения по продольной оси канала необходимо выдерживать при монтаже, рисунок 7.4.

word image 1000 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Рисунок 7.4 – Полигональный канал с двумя парами симметричных откосов из двух блоков.

7.3.7 В таблице 7.3 приводятся все возможные типы поперечных сечений полигональных каналов из L-ЖББ.

7.3.8 L-ЖББ между собой соединяются жестко сваркой по арматурным выпускам и монтажным петлям, шов замоноличивается бетоном.

7.4 Требования к бетону

7.4.1 Бетонные блоки изготавливаются из тяжелого бетона по ГОСТ 26633. По требованию Заказчика возможно изготовление L-ЖББ с приме­нением особо тяжелого бетона марки D2500 и выше по ГОСТ 25192.

Таблица 7.3 – Возможные типовые поперечные профили полигональных каналов из L-ЖББ

word image 1001 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

 

7.4.2 Состав бетона подбирают в соответствие с требованиями ГОСТ 27006 и рекомендациями, утвержденными в установленном порядке.

7.4.3 Прочность бетона блоков на сжатие должна соответствовать классу по прочности на сжатие не ниже В30 по ГОСТ 26633.

7.4.4 Значение нормируемой отпускной прочности тяжелого бетона блоков должно составлять 80% от класса бетона по прочности на сжатие в холодный период года и 60% – в теплый период года.[1]

7.4.5 Фактическая прочность бетона должна соответствовать требуемой, назначаемой ГОСТ 18105, в зависимости от нормируемой прочности бетона и показателей фактической однородности прочности бетона.

7.4.6 Марка бетона по морозостойкости должна быть не менее F200 по ГОСТ 10060.[2]

7.4.7 Водонепроницаемость блоков не менее W6 по ГОСТ 12730.0.

7.4.8 Истираемость бетона должна быть не более 0,7 г/см3 в соответствии с ГОСТ 13015.

7.4.9 Сульфатостойкий бетон изготавливается на основе сульфатостойкого цемента, отвечающего требованиям ГОСТ 22266; или на основе портландцемента марки не ниже 400 по ГОСТ 10178 с применением добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона и соответствующего ГОСТ 2421 1.

7.4.10 Качество всех поверхностей бетонных блоков должно соответствовать категории А6 по ГОСТ 13015.

7.4.11 Трещины, за исключением усадочных, на поверхности блоков не до­пускаются.

7.4.12 Дефекты L-ЖББ делятся на два, вида: ремонтопригодные и неремонтопригодные.

7.4.12.1 Ремонтопригодные дефекты – несоответствие отдельных бетонных блоков требованиям п.п. 7.3.4, 7.4.10 и 7.4.11.

7.4.12.2 Неремонтопригодные дефекты:

  1. Несоответствие L-ЖББ требованиям п.п. 7.3.3.
  2. Несоответствие бетона блоков требованиям п.п. 7.4.1, 7.4.3, 7.4.6, 7.4.7,7.4.8.

7.4.12.3 Бетонные блоки с ремонтопригодными дефектами (п. 7.4.12.1) подлежат демонтажу (разрушению без повреждения арматурных выпусков) и повторному бетонированию с соблюдением требований технологических регламентов на изготовление L-ЖББ.

7.4.12.4 При выявлении неремонтопригодных дефектов (п. 7.4.12.2 а, b) бетонные блоки разрушаются, а выпускная арматура освобождается для повторного бетонирования в соответствии с требованиями технологических регламентов на изготовление L-ЖББ.

7.4.12.5 При разрыве (разрушении) арматурных выпусков, нарушающего целостность полотна, L-ЖББ полностью утилизируется.

7.5 Требования к материалам для приготовления бетонной смеси

7.5.1 Для приготовления бетонной смеси применяют следующие материалы:

  • портландцемент марки не ниже 400, отвечающий требованиям ГОСТ 10178 или сульфатостойкий цемент, отвечающий требованиям ГОСТ 22266;
  • природный песок или песок из отсевов дробления горных пород с ис­тинной плотностью от 2000 до 2800 кг/м3, отвечающий требованиям ГОСТ 8736, ГОСТ 31424, ГОСТ 26633;
  • щебень, отвечающий требованиям ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633. Размер фракции 5-20 мм, содержание пылевидных и глинистых частиц не более 1,5% по массе. Марки щебня: из изверженных пород – марка 1000 и выше; из метаморфических и осадочных пород – марка 800 и выше;
  • вода, отвечающая требованиям ГОСТ 23732;
  • при необходимости, для достижения заданных характеристик бетона могут применяться соответствующие добавки, отвечающие требованиям ГОСТ 24211.

7.6 Требования к арматурным и монтажным материалам

7.6.1 Для армирования блоков используется металлический каркас. В качестве элементов усиления применяется стержневая арматура диаметром от 10 до 14 мм из стали марок А-I, А-II, Ат-IIIс и Ат-IVс.

7.6.2 Монтажные петли конструкций следует изготовлять из стержневой гладкой горячекатаной арматурной стали класса А-I марок ВСтЗпс2 и ВСтЗсп2 или периодического профиля класса А-II марки 10ГТ по ГОСТ 5781-82 диаметром 8 – 10 мм.

7.6.3 Соединение блоков между собой сваркой по монтажным петлям и выпускам арматуры непосредственно или по накладным элементам из арматурной стали или стальных полос.

7.7 Комплектность

7.7.1 В комплект поставки входят:

  • партия L-ЖББ;
  • паспорт качества – 1 экз.;
  • Руководство по применению партия L-ЖББ – 1 экз.

7.7.2 Дополнительно партия L-ЖББ может быть укомплектована комплектом накладных элементов для соединения блоков между собой.

Конструкции узлов и способы соединения приведены в «Руководстве по применению L-ЖББ».

7.8 Маркировка

7.8.1 Маркировка L-ЖББ должна быть нанесена несмываемой краской на верхнюю боковую поверхность блока в соответствии с ГОСТ 13015.

7.8.2 Маркировка L-ЖББ должна содержать:

  • наименование предприятия-изготовителя;
  • обозначение модели L-ЖББ в соответствии с настоящими ТУ;
  • дату изготовления.

7.8.3 Каждый изготовленный L-ЖББ пломбируется специальной номер­ной пластиковой одноразовой пломбой, которая подтверждает факт приемки изделия отделом технического контроля. Номер на пломбе является номером L-ЖББ.

7.9 Порядок возведения полигонального канала

(на примере полигонального канала с двумя парами симметричных откосов из трех блоков)

7.9.1. Устройство выемки.

7.9.2. Установка маячных колышков (центральной по линии вершины сечения канала, совпадающей с геометрической осью канала и двух по вершинам донных откосов сечения).

7.9.3. Профилирование донной части ложа канала с необходимым заложением донных откосов

7.9.4. Устройство песчаноговыравнивающего слоя с подачей песка в траншею, разравниванием и уплотнением.

7.9.5 Укладка донного центрального блока углом по линии вершины треугольного основания канала и соединение сваркой с соседним блоком

7.9.6 Установка на две стороны симметрично боковых блоков, углы вершин которых должны совпадать с боковыми углами канала.

7.9.7 Соединение боковых блоков с донным по выпускам арматуры и с соседними по монтажным петлям сваркой.

7.9.8 Замоноличивание стыковмежду блоками укладкой бетонной смеси, уплотнением и затиркой поверхности с установкой и разборкой опалубки при необходимости.

7.9.9 Наращивание боковых стенок укладкой бетонной смеси, уплотнением и с установкой и разборкой опалубки.

7.9.10 Обратная засыпка пазухов местным грунтом с уплотнением и при необходимости устройством насыпи.

7.10 Требования безопасности и охраны окружающей среды

7.10.1 По степени воздействия на организм человека L-ЖББ относятся к неопасным изделиям.

7.10.2 При производстве L-ЖББ не образуются токсичные соединения в воздушной среде и сточных водах. L-ЖББ пожаро- и взрывобезопасны.

7.10.3 Предельно-допустимая концентрация (ПДК) пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений по ГОСТ 12.1.005 не должна превышать 6 мг/м3.

7.10.4 Контроль соблюдения санитарных правил и выполнением санитарно-противоэпидемиологических мероприятий производится в соответствии с СанПиН 1.1.1058, СанПиН 2.2.31384, СанПиН 2.2.31385, СанПиН 2.6.1758.

7.10.5 Контроль гигиенических требований к рабочим местам при производстве L-ЖББ производится в соответствии с ГН 2.2.5.3532-18, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278, СанПиН 2.2.4/2.1.8.562.

7.10.6 При производстве L-ЖББ возможно выделение пыли от ингредиентов. С целью уменьшения вредных воздействий на окружающую среду необходимо выполнять следующие требования:

  • заполнять емкости для хранения ингредиентов бетона без превышения установленных норм;
  • использовать для хранения и транспортирования исходных продуктов герметичные емкости и упаковки.

7.11 Правила приемки

7.11.1 Все материалы и сырье для производства L-ЖББ должны соответствовать требованиям утвержденных стандартов и настоящих ТУ. Входной контроль сырья и материалов проводится в соответствии с ГОСТ 24297.

7.11.2 L-ЖББ предъявляют к приемке партиями. Партией считают количествоL-ЖББ одной модели, изготовленное в одну смену по одной технологии и рецептуре, но не более 100 штук.

7.11.3 L-ЖББ подвергают квалификационным, типовым, периодическим и приемо-сдаточным испытаниям, в объеме и в сроки, указанные в таблице 7.4.

7.11.4 Отбор продукции для испытаний осуществляется согласно ГОСТ 18321.

7.11.5 Квалификационные испытания проводят при постановке на производство продукции, в том числе по лицензии, для подтверждения готовности производства к серийному выпуску продукции в соответствии с требованиями настоящих ТУ.

7.11.6 Типовые испытания проводят при изменении в конструкции или технологии изготовления L-ЖББ, которые могут повлиять на технические характеристики продукции.

7.11.7 Периодические испытания проводят для подтверждения стабильности производства L-ЖББ не реже одного раза в 6 месяцев.

7.11.8 Приемо-сдаточные испытания проводят перед отгрузкой продукции Заказчику, или в иные сроки, отдельно согласованные заводом-изготовителем с патентообладателем или лицензиатом.

7.11.9 Объем и периодичность испытаний представлены в таблице 4.

7.11.10 При положительных результатах приемо-сдаточных испытаний оформляется паспорт качества, в котором указывается:

  • наименование и адрес изготовителя;
  • номер и дата выдачи документа;
  • обозначение L-ЖББ в соответствии с настоящими ТУ;
  • номер и дата изготовления L-ЖББ;
  • обозначение настоящих ТУ;
  • марка бетона по прочности;
  • марка бетона по морозостойкости;
  • водонепроницаемость бетона;
  • диаметр и маркировка используемой арматуры;
  • гарантийные сроки использования L-ЖББ;
  • условия действия гарантийного обязательства изготовителя L-ЖББ;
  • подпись представителя отдела технического контроля предприятия- изготовителя.

7.11.11 Паспорт качества выдается на партию L-ЖББ, отгружаемую по товарной накладной. По требованию Заказчика, паспорт качества может выдаваться на каждый L-ЖББ.

Таблица 7.4 – Объем и периодичность испытаний L-ЖББ

Объем испытаний Пункт

ТУ

Виды испытаний
Квали­фикаци­онные Пе­риод Типовые Пе­риод Пе­риодические Пе­риод Приемосдаточ­ные Пе­риод
Прочность бетона 1.2.3,

1.2.4,

1.2.5

+ При постановке на производство продукции + При изменении конструкции и технологии производства + Не реже 1 раза в 6 месяцев + Перед отгрузкой продукции
Морозостойкость 1.2.6 + + +
Водонепроницаемость 1.2.7 + + +
Истираемость 1.2.8 + +
Сульфатостойкость* 1.2.9 + + +
Точность геометрических параметров 1.1.4 + +
Качество и категория бетонной поверхности 1.2.10 + + +
Внешний вид бетонной поверхности 1.2.10,

1.2.11

+ + +
Правильность расположения арматуры 1.4.2 + + +
Маркировка 1.6 + + +
Комплектность 1.5 +
* – только для сульфатостойкихL-ЖББ

7.11.12 Испытания считаются неудовлетворительными если:

  • результаты испытаний ниже требований настоящих ТУ;
  • разброс результатов испытаний по какому-либо показателю превысит 25%, даже если все результаты испытаний будут в пределах требований настоящих ТУ.

7.11.12.1 Партия L-ЖББ, не принятая по результатам испытаний, бракуется в полном объеме и утилизируется в установленном порядке.

7.11.12.2 Серийное производство L-ЖББ приостанавливается до выявления и устранения причин возникновения дефектов.

7.12 Методы контроля

7.12.1 Прочность бетона блоков определяют по ГОСТ 10180.

7.12.2 Морозостойкость бетона определяют по ГОСТ 10060.0 при насыще­нии водой или 5% водным раствором хлористого натрия. При этом допускается снижение прочности бетона образцов на сжатие не более чем на 5% и потеря их массы не более чем на 3%.

7.12.3 Водонепроницаемость бетона блоков определяют по ГОСТ 12730.0.

7.12.4 Истираемость бетона блоков определяют по ГОСТ 13087.

7.12.5 Сульфатостойкость цемента проверяют при входном контроле по паспорту качества цемента на соответствие требованиям ГОСТ 22266.[3]

7.12.6 Точность геометрических параметров, показатели качества внешнего вида блоков определяют по ГОСТ 26433.0; ГОСТ 26433.1

7.12.7 Категорию поверхности блоков определяют по ГОСТ 13015.

7.12.8 Показатели внешнего вида блоков проверяют визуально путем срав­нения с эталонами, утвержденными в установленном порядке.

7.12.9 Маркировку, схему укладки и заделки арматуры проверяют визуально.

7.13 Транспортирование и хранение

7.13.1 Транспортирование и хранение L-ЖББ осуществляют в соответствии с ГОСТ 13015 и настоящими ТУ.

7.13.2 Транспортировка и складирование типовых L-ЖББ затрудняется их габаритами и нестандартной формой, исключающей возможность хранение штабелями. На оборудованных площадках с подготовленной выровненной основой изделия устанавливают на боковую грань на деревянные доски рядом друг с другом.

7.13.3 Правила безопасности запрещают погрузку сбросом или волоком. Требуется погрузка с использованием подъемных механизмов. Необходимо правильно распределять нагрузку между строповочными петлями конструкции и помещать ее в кузов максимально плавно и мягко.

7.13.4 После погрузки изделия крепко фиксируют и обездвиживают на время перевозки. Перевозят транспортом любого вида, обеспечивающим защиту их от повреждений.

7.13.5 При погрузочно-разгрузочных работах разрешается подъем не более двух L-ЖББ одинаковой модели за один раз, при этом грузоподъемность подъемного механизма должна быть равной или больше массы поднимаемого груза.

7.13.6 При погрузочно-разгрузочных работах не допускается:

  • нарушение целостности бетонных блоков;
  • повреждение выпускной арматуры, предназначенной для соединения L-ЖББ.

 

7.14 Указания по эксплуатации

7.14.1 Укладка и монтаж L-ЖББ должны проводиться в соответствии с про­ектной документацией и «Руководством по применению L-ЖББ».

7.14.2 Создание облицовки канала из L-ЖББ осуществляется путем их укладки и соединения между собой по монтажным петлям и выпускам арматуры непосредственно или с использованием накладных деталей и замоноличиванием стыков.

7.14.3 Выбор модели блоков, способов их укладки, монтажа и соединения между собой осуществляется проектными организациями в зависимости от параметров и характеристик проектируемого канала и условий его эксплуатации, с учётом рекомендаций «Руководства по применению L-ЖББ».

7.14.4 Периодическую проверку технического состояния и ремонт эксплуатируемых L-ЖББ следует проводить в соответствии с рекомендациями «Руководства по применению L-ЖББ».

 

7.15 Гарантии изготовителя

7.15.1 Изготовитель гарантирует соответствие L-ЖББ установленным тре­бованиям при соблюдении требований разделов 7.5, 7.6 настоящих ТУ.

7.15.2 Гарантийный срок на L-ЖББ устанавливается в договорной докумен­тации на поставку продукции, но не менее двух лет с даты поставки продукции потребителю.

7.15.3 Срок службы изделий, при условии соблюдения требований раздела 7.6 настоящих ТУ, устанавливается согласно таблицы 7.5.

Таблица 7.5 – Срок службы изделий

Условия эксплуатации Срок службы L-ЖББ,

не менее

Под водой на глубине вне зоны образования льда 40 лет
В местах с переменным уровнем воды и образованием льда 25 лет

 

8. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ПОДРУСЛОВЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ВОДОЗАБОРОВ ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

Технические условия составлены для новых типов водозаборных сооружений, авторской разработки в соответствии с требованиями «ГОСТ 2.114-2016. Единая система конструкторской документации. Технические условия».

Технические условия – это специальная документация, которая отражает технические нормы и требования по отношению к конкретным объектам строительства. Она содержит дополнительные к существующим или отсутствующие требования в области обеспечения безопасности и раскрывает особенности проектирования, эксплуатации, строительства и демонтажа объекта.

Технические условия на строительство подрусловых фильтрующих водозаборов мелиоративных систем разработаны на основе основного варианта подруслового водозабора комбинированной конструкции (по авторским патентам [39,42] и с учетом технического задания и календарного плана выполнения НИР.

Предназначены подрусловые водозаборы комбинированной конструкции для небольших прибрежных мелиоративных систем предгорных зон малых рек. Водозабор может быть наиболее эффективно использован на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель.

8.1 Материалы и изделия для строительства подруслового фильтрующего водозабора комбинированной конструкции

1.В качестве материалов для строительства подрусловых водозаборовв основном используется природный материал: местный грунт, гравий, камень, сухой камыш как наиболее прочный природный дренирующий материал, который сохраняет свои свойства на долгое время, тем самым создает благоприятные условия для очистки (фильтрации) от взвешенных частиц и приема воды; частично используются и искусственные материалы: дренажные перфорированные трубы,габионные, полимерные и стеклопластиковые сетки, перфорированные и гофрированные полимерные трубы, оцинкованные проволоки, металлические решетки, арматура, бетон и железобетон.

2.Технологичность возведения подруслового водозабора обеспечивается применением сборных изделий из природных и искусственных (экологически безопасных) материалов. Водозабор возводится в двух вариантах, технологические схемы которых приведены на рис. 3.3 и 3.4.

2.1. Первый вариант подруслового водозабора комбинированной конструкции [39] (рис. 3.3) состоит из водосборной галереи 1 и водоприемника, выполненного из металлической решетки 2 и гибких тюфяков 3, уложенных в два ряда поверху решетки. В первый ряд 4 гибкие тюфяки 3 плотно уложены по всей ширине галереи и по направлению ее продольной оси, а второй ряд 5 – поперек галереи и по направлению поверхностного потока воды. При этом второй ряд 5 тюфяков уложен с уклоном и большей длиной, перекрывающей ширину водосборной галереи 1 с двух сторон. В верхнем бьефе перед водоприемными тюфяками 3 предусмотрен направляющий порог 6. На глубине под порогом 6 по направлению русла устроен трубчатый водоприемник 7, концевая часть которого с уклоном входит в водосборную галерею 1 на уровне уреза воды. Трубчатый водоприемник состоит из перфорированных труб 8, гибких тюфяков 3 и жестких ребер 9. В конце водосборной галереи устроен отводящий канал 10».

2.2. Второй вариант подруслового водозабора комбинированной конструкции [47] (рис. 3.4) состоит из водоприемного лотка 1, сверху которого устроена металлическая решетка 2, поверху которой слоями уложены габионные тюфяки 3 и георешетки 4 с заполненными ячейками из щебня. Габионные тюфяки 3 выполнены из нескольких слоев геомат 5, двух ниток перфорированных труб 6, уложенных посредине слоев геомат, завернутых в габионную сетку 7. В конце лотка 1 устроен водосборный колодец 8, а сбоку колодца предусмотрен отводящий водопровод 9. Использование дренажных полимерных (перфорированных) труб 6, геомат 5 при изготовлении тюфяков 3 обеспечивают им гибкость и пластичность, хорошие водоприемные и фильтрующие свойства. Они экологичны, не имеют запаха, не выделяют вредных и токсичных веществ, устойчивы к жидким углеводородам, солнечному ультрафиолету.

3.Конструкции водоприемной галерее и отводящего канала выполняются в виде лотков из железобетона или безопасных полимерных материалов с учетом гидрологических характеристик реки и расхода водозабора.

4.В качестве сетки для гибких тюфяков может быть использована габионная сетка или геосетка из прочных материалов.

8.2 Технология возведения противооползневого сооружения

1.При проектировании подрусловых водозаборов комбинированной конструкции предварительно проводятся инженерные изыскания (топогеодезические, гидрологические, инженерно-геологические и гидрогеологические, а также инженерно-экологические) по изучению русловых процессов, геологических и гидрогеологических условий местоположения водозабора.

2. Календарные сроки строительства подруслового водозабора устанавливаются на основе анализа климатических условий и с учетом материалов инженерных изысканий.

3.По проектной технологии строительства первого варианта водозабора вначале подготавливаются траншеи, одну в поперек русло реки под водоприемную галерею и одну вдоль русла реки под трубчатый водоприемник. На период строительства реку отводится в другое русло от места производства работ.

3.1.По проекту производства работ из заранее заготовленного созревшего камыша, который находится еще во влажном состоянии изготавливаются в необходимом объема легкие фашины разной длины (от 1,5 до 2,5м), диаметром 0,15 – 0,2м. При этом берется пучок заранее заготовленного камыша, выравнивается по длине и плотно перевязывается в 3-х или 4-х местах оцинкованной проволокой (диаметром 1,5 – 2 мм).

3.2. По проектной технологии из легких фашин изготавливаются гибкие тюфяки (размерами 1х 2м, 1,2х2,2м, 1,2х2,5м). Для этого на ровную поверхность плотными рядами укладывают легкие фашины и связывают их между собой оцинкованной проволокой (диаметром 2 – 2,2мм).

3.3.В подготовленнойтраншее возводится водоприемная галерея, на которую монтируется арматурная решетка и на нее укладывают в два ряда гибкие тюфяки из легких фашин.Для возведения водозабора, заранее изготавливается необходимое количество легких фашин, дренажных полимерных труб с перфорацией и гибких тюфяков. Размеры и конструкции водоприемной галереи и трубчатого водоприемника определяются в зависимости от гидрологических характеристик реки и требуемой производительности (расхода воды) водозабора. После выбирается место строительства в русловой части реки, где отводится река на период производства строительных работ.

3.4.По проектной технологии в другой подготовленной траншее по уклону укладывают трубчатый водоприемник из перфорированных труб с ребрами жесткости и гибкими фильтрующими тюфяками, обмотанными вокруг труб, концевая часть которых с уклоном входит в водосборную галерею на уровне уреза воды. Сверху водоприемника насыпают песчано-гравелистый грунт до уровня поверхности земли. Глубина залегания трубчатого водоприемника должна быть не более 3,0 м.

4. По разработанной технологии строительства второго варианта водозабора вначале подготавливают траншею, вдоль русла реки под водоприемный лоток. На период строительства водный поток отводится от места производства работ.

4.1.По проекту производства работ заранее заготавливается необходимое количество габионных тюфяков, георешетки, геоматов, геосеток, перфорированных труб и металлических решеток.

4.2.Габионные тюфяки изготавливаются призматической формы, длиной 1,5 – 2,0 м, шириной 0,5 – 0,6 м и толщиной 0,3 – 0,4м, для этого берутся два-три слоя геомата, в середину тюфяка укладывают по 2 перфорированных полимерных труб, затем вокруг этих рядов заворачивается габионная сетка (нарезанная по размерам тюфяка) и плотно закрепляется свободными концами сетки. По такой проектной технологии изготавливается требуемое количество габионных тюфяков.

4.3.По проектной технологии разрабатывается котлован под водосборный колодец и траншею под отводящий трубопровод. Вначале возводится водосборный колодец призматической формы из монолитного железобетона, соблюдая технологии опалубочных, арматурных и бетонных работ. Затем укладывается водопроводные трубы в подготовленную траншею. Размеры колодца и труб водопроводных определяются в зависимости от расхода водозабора и геологических характеристик подстилающих грунтов.

4.4. В подготовленной траншее возводится водоприемный лоток из железобетона или безопасных полимерных материалов (входящим с уклоном в водосборный колодец), сверху которой монтируются арматурные решетки, поверху которой укладывают слоями габионные тюфяки. Размеры и конструкции водоприемноголотка определяются в зависимости от гидрологических характеристик реки и требуемой производительности (расхода воды) водозабора. Перед этим отводится река на период производства строительных работ.

5.Подрусловой водозабор комбинированной конструкции обеспечивает эффективный прием и отвод очищенной (профильтровавшей) воды речных русел. Такой водозабор может быть эффективно использован на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов.

9. РАЗРАБОТКА ТИПОВОГО ПРОЕКТА МЕЛИОРАТИВНОГО КАНАЛА ИЗ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БЛОКОВ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

1. Общая часть

1.1. Настоящий документ содержит рабочие чертежи элементов и материалы для проектирования железобетонных каналов полигонального профиля из уголковых элементов.

1.2. Каналы предназначены для непосредственной транспортировки по ним воды для нужд орошения и обводнения на горных и предгорных зонах, где наблюдаются бурные потоки с высокими скоростными (> 3 м/с и уклоны больше критических) и наносными режимами.

Предусматривается также применение каналов в качестве водосбросных и сопрягающих сооружений.

1.3. Каналы запроектированы для применения:

а) в обычных грунтовых условиях;

б) при наличии грунтовых вод;

в) на просадочных грунтах;

г) на площадках строительства с сейсмичностью до 9 баллов включительно.

1.4. Маркировка типов каналов имеет следующую структуру:

word image 1002 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

2. Конструктивные решения

2.1. Конструктивные решения каналов приняты в соответствии с требованиями СП 100.13330.2016 «Мелиоративные системы и сооружения».

2.2. Каналы состоят из L-образных железобетонных блоков (L-ЖББ), соединяемых между собой на сварке по арматурным выпускам и по монтажным петлям.

2.3. Типовые поперечные профили каналов имеют полигональное сечение. Выполняются с двумя или тремя парами паралелльных откосов. Профиль образуется из двух или трех L-образных блоков.

Возможно непосредственное соединение блоков между собой, а при необходимости создания сечения большей площади допускается использование дополнительных секций (плит) и монолитное наращивание стенок канала.

Эффективны для каналов с площадью живого сечения до 50 м2.

2.4. Номенклатура основных элементов для полигональных каналов состоит из 5 моделей (типоразмеров) L-образных железобетонных блоков.

Габаритные размеры поперечного сечения лотков приняты модульными в пределах номинальных размеров: α = 120 – 158°; l × b от 990 × 990 мм до 1790 × 1990 мм.

2.5. Масса L-ЖББ от 465 кг до 2533 кг.

2.6. Классы бетона по прочности принят В30 по ГОСТ 26633 и указан в номенклатуре и рабочих чертежах железобетонных блоков. Марки бетона по морозостойкости и по водонепроницаемости должны устанавливаться, при необходимости, в конкретных проектах по табл.9 СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции». Для условий предгорной зоны марка бетона по морозостойкости должна быть не менее F200 по ГОСТ 10060, водонепроницаемость не менее W6 по ГОСТ 12730.0.

2.7. Подготовка ложа под каналы при отсутствии грунтовых вод принята песчаная толщиною 100 мм. Для других грунтовых условий подготовка принимается в соответствии с рекомендациями, приведенными в разделе 6 настоящей записки.

3. Нагрузки и расчет конструкции

3.1. При расчете каналов на эквивалентные нагрузки, приняты следующие нормативные характеристики грунтов:

а) грунты основания

удельный вес γ = 1,8 т/м3

угол внутреннего трения φ = 28°

удельное сцепление С=0,02 кгс/см2

модуль деформации Е=150 кгс/см2

б) грунты обратной засыпки

удельный вес γ = 1,7 т/м3

угол внутреннего трения φ = 30°

удельное сцепление С=0

модуль деформации Е – определяется по формуле (6) СНиП 2.09.03-85.

Расчет конструкций на эквивалентные расчетные нагрузки произведен для указанных характеристик грунтов при отсутствии грунтовых вод.

Если конкретные условия применения конструкций каналов существенно отличаются от условий принятых при разработке документа, подбор элементов серии следует производить по фактическим прочностным характеристикам конструкций.

4. Указания по применению материалов

4.1. При разработке проектов каналов из элементов данной серии рекомендуется следующий порядок работы:

4.1.1. На основании технологических заданий определяются габаритные схемы и соответствующие типоразмеры изделий для каналов;

4.1.2. На основании технологических заданий для выбранных габаритных схем определяются эквивалентные расчетные нагрузки, по которым принимаются требуемые марки элементов по несущей способности;

4.1.3. Составляются монтажные схемы трасс;

4.1.4. Узлы трасс разрабатываются в конкретных проектах с использованием материалов для проектирования.

4.4. При проектировании каналов для особых условий строительства и эксплуатации следует также руководствоваться рекомендациями раздела 6 настоящей пояснительной записки.

5. Указания по монтажу конструкций

5.1. Монтаж конструкций каналов должен производиться в соответствии с проектом производства работ и требованиями глав СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» и СНиП III-4-80* «Техника безопасности в строительстве».

5.2. К монтажу конструкций допускается приступить после устройства подготовки и инструментальной проверки соответствия проекту отметок и уклонов подготовки.

5.3. Строповка блоков при подъеме производится за монтажные петли.

5.4. Швы между сборными элементами заполняются мелкозернистым бетоном.

5.5. Обратную засыпку грунта после монтажа блоков следует производить слоями 30…50 см одновременно с обеих сторон канала с уплотнением в соответствии с требованиями СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты».

6. Каналы для особых условий строительства и эксплуатации

6.1. Каналы в районах с высоким уровнем грунтовых вод.

6.1.1. При проектировании каналов (кроме водосточных) для районов с высоким уровнем грунтовых вод рекомендуется устройство попутного дренажа. При невозможности применения дренажа следует предусмотреть гидроизоляцию в соответствии с материалами, приведенными в настоящем разделе.

6.1.2. Конструкции каналов должны быть проверены на устойчивость против всплывания.

6.2. Каналы на просадочных грунтах.

6.2.1. Проектирование каналов на просадочных грунтах необходимо выполнять с учетом требований соответствующих разделов глав СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений».

6.2.3. Конструкции каналов, возводимых на просадочных грунтах I типа принимаются такими же, как и в обычных грунтовых условиях.

6.2.4. При возведении каналов на просадочных грунтах II типа необходимо учитывать следующие требования:

а) при величине просадки до 40 см для каналов следует предусматривать искусственное основание толщиной не менее 100 мм на всю ширину канала;

б) не рекомендуется при величине просадки более 40 см конструкция канала из сборных железобетонных блоков;

д) в процессе строительства и эксплуатации следует осуществлять надзор за возможной утечкой воды из канала с применением контрольных устройств.

6.3. Каналы на площадках строительства сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов.

6.3.1. Конструкции на площадках сейсмичностью 7 и 8 баллов принимаются такими же, как и для несейсмических районов.

6.3.2. На площадках строительства с сейсмичностью 9 баллов стыки сборных железобетонных каналов усиливаются.

word image 1003 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 1004 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 1005 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 1006 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

РАБОЧИЕ ЧЕРТЕЖИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ L-ОБРАЗНЫХ БЛОКОВ ДЛЯ КАНАЛОВ.

1. Железобетонные блоки запроектированы в соответствии с главой СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования».

2. Маркировка сборных железобетонных блоков (L-ЖББ) имеет следующую структуру:

  • обозначение номера модели «М» в соответствии с таблицей 7.2;
  • при использовании сульфатостойкого цемента – «Ц»;
  • обозначение армирования: «Р» – решеткой; «К» – каркасом;
  • выпуском арматуры: «В1» – с одной стороны; «В2» – с двух сторон;

word image 1007 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Пример условного обозначения L-образного железобетонного блока первой модели (таблица 7.2) из тяжелого сульфатостойкого бетона, армированного решеткой и с выпуском арматуры с одной стороны: L-ЖББ-М1-Ц-Р-В1 по ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020.

3. Лотки приняты из тяжелого бетона классов В30 плотностью 2370 кг/м3.

4. Армирование блоков производится сварными сетками и каркасами. В качестве элементов усиления применяется стержневая арматура диаметром от 10 до 14 мм из стали марок А-I, А-II, Ат-IIIс и Ат-IVс.

5. Монтажные петли конструкций следует изготовлять из стержневой гладкой горячекатаной арматурной стали класса А-I марок ВСтЗпс2 и ВСтЗсп2 или периодического профиля класса А-II марки 10ГТ по ГОСТ 5781-82 диаметром 8 – 10 мм.

6. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры принята : при толщине конструкций до 100 мм включительно – 15 мм; при толщине более 100 мм- 20 мм.

Допускаемое отклонение по толщине защитного слоя до 5 мм.

7. Бетонирование блоков производить в горизонтальном положении ветками вниз.

8. Выемку лотков из опалубки производить после достижения бетоном 70% проектной прочности.

9. При установке монтажных петель и закладных изделий следует руководствоваться узлами, приведенными на чертежах.

10. Методы контроля и правил приемки.

10.1 Испытание изделий по прочности производить неразрушающими методами в соответствии с ГОСТ 13015. 1-81 (изменение №1). В качестве единичных показателей должны контролироваться:

– геометрические размеры;

– прочность бетона;

– вид, класс, марка, механические свойства арматурных сталей;

– качество выполнения сварных соединений арматуры и закладных деталей;

– диаметр, количество и расположение арматуры.

10.2 Приемку блоков производить в соответствие с ГОСТ 13015.0-83 «Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Общие технические требования», и техническим требованиям, приведенным в настоящем документе.

При приемке обращать внимание на правильность маркировки блоков.

11. Складирование и транспортирование лотков.

11.1. На оборудованных площадках с подготовленной выровненной основой изделия устанавливают на боковую грань на деревянные доски рядом друг с другом.

11.2. Поставка блоков потребителю должна производиться по достижению бетоном отпускной прочности, величина которой устанавливается в соответствие с ГОСТ 13015.0-83.

11.3. Погрузку и транспортирование блоков производить в соответствие с ГОСТ 13015.4-80 «Правила транспортирования и хранения», «Руководством по перевозке автотранспортом строительных конструкций».

При транспортировании блоки должны иметь опоры, и располагаться также, как и при складировании.

word image 1008 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

word image 1009 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

10.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

10.1 Рекомендации по гидравлическому и технико-экономическому расчету лотковых каналов полигонального профиля

Результатымноголетнихисследованийавторовпоизучениюэксплуатационнойнадежностимелиоративныхканаловпризматическогопрофиляподтверждаютвысокуюэффективностьканаловполигональногопрофиляпосравнениюсдругимиканалами.Полученныеимигидравлическинаивыгоднейшиесеченияполигональныхканаловобеспечиваютнетольковысокуюпропускнуюспособность,ноизначительноеповышениеэксплуатационнойнадежности.Приэтомматериальныезатраты(насодержаниеиэксплуатацию)наединицудлиныканаласнижаютсяна30%иболе.

Многочисленныеисследованиялотковыхканаловпрямоугольногопоперечногосечениявпредгорнойзонепоказалинизкуюэффективностьихработыиневысокийуровеньэксплуатационнойнадежности.

Анализрезультатовнатурныхианалитическихисследованийпозволяетутвердительноотметитьнижеследующее.Вусловияхвысокогоскоростногоинаносногорежимовводотоковвпредгорнойзонеоченьнизкаэффективностьработыканаловпрямоугольногосечениявжелезобетоннойоблицовке.Насодержаниеканаловтребуютсябольшиезатраты.Приэтомремонтотдельныхучастковднаканаловзачастуюнеобеспечиваетвосстановлениепропускнойспособностиводотокавцеломиэксплуатационнойнадежностивсейводопроводящейсети.Вэтихусловияхтребуетсяустройствонетольковысокоэффективныхнаносоудерживающихсооружений(головныхотстойниковнаканалах,взонахинтенсивногопоступлениянаносов),ноиоптимальныхформсеченийканаловсэффективнымиинадежнымиконструкциямиихкреплений,обеспечивающихстабилизациюструктурытурбулентногопотокаводыиповышениенадежностиработывсеймагистральнойсети.

Надежностьмагистральныхканалов,какосновныхипервостепенныхэлементовсистемы,определяютуровеньнадежностивсейсистемы.Анализматериаловполевыхисследований,оценкигидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностиканаловпрямоугольногосеченияЧегемскойоросительно-обводнительнойсистемы,эксплуатируемыхвусловияхпредгорнойзоныпоказал,чтопоосновнымопределяющимусловиямэффективностиинадежностионинесоответствуюттехническимтребованиям.Конструктивныенедоработкипривеликтому,чтоначальныйуровеньнадежностибылнижепроектного.Максимальнаяпропускнаяспособностьсуществующихканаловпрямоугольногосечения,какправило,на20-30%меньшепроектной,азначитиосновноеусловиеработоспособностиканаланевыполняется.СпервыхлетэксплуатацииЧегемскойООСнеудавалосьобеспечитьорошениевсехзапроектированныхсельхозугодийвзаданныхполивныхнормах.

Анализремонтопригодностиканаловпоказал,чтосуществующиеметодыремонтаивосстановленияпроектнойтолщиныоблицовкинедавалдолжногоэффекта.Плохоесцеплениеновогобетонасостаройбетоннойповерхностьюоблицовкиприводилктому,чточереззимуповерхностныйслойотслаивался,разрушалсяисмывалсяпотоком.Ктомужеоценкадолговечностиматериаловоблицовкимагистральныхканаловпопрочности,морозостойкости,коррозионнойстойкостииизносостойкостипозволиласделатьвыводотом,чтоматериалмонолитногоднаоблицовкипрактическивыработалсвойресурс,находитсянастадииинтенсивногоизносаитребуетсяегозамена.Насегодняшнийденьразработаныишироковнедряютсявпрактикуновыеиболеекачественныеинедорогиематериалы.

Наосновесравненияразличныхвариантовнаиболеерациональнымявляетсяреконструкцияпутемприведенияканаловпрямоугольногосечениякполигональномупрофилюстреугольнымоснованием.Прямоугольныеканалылегкореконструируютсявполигональныепутемразрушенияужеотработавшегосвойресурсднаиуглубленияпоцентрунанебольшуювеличинуиприданияпоперечномусечениюднатреугольнойформы.

Особенностями мелиоративных систем предгорной зоны являются небольшие площади севооборотов, большие уклоны поверхностей земли, необходимость более разветвленной сети распределительных каналов малого сечения, высокая мутность воды и высокие скорости потоков в источниках водозабора и т.д. При не соблюдении режимов орошения возникают условия для эрозии сельскохозяйственных земель[79-87].

Принятые в работе конструктивные и технологические решения (по мелиоративным каналам и сооружениям) по результатам проведенных исследований не противоречат существующим в РФ нормативно-техническим требованиям [88,89, 90].

Дляканаловполигональногосечения,привязанныхкусловияммагистральныхканаловЧегемскойООС,былиопределенызначенияпоказателейгидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежности(табл.10.1).

Сравнениеполученныхрезультатовснормативнымизначениямипоказателейподтвердили,чтоповсемпараметрамгидравлическаяэффективностьиэксплуатационнаянадежностьреконструированныхканаловобеспечиваетсясхорошимзапасом.Авторами также были выполнены многочисленные расчеты по определению основных гидравлических характеристик каналов полигонального и прямоугольного сечений при всех возможных значениях B, hi, m, , n, iи др. Анализ результатов расчетов показал, что по сравнению с каналами прямоугольного сечения при равных условиях пропускная способность Qканала полигонального профиля увеличивается на 10% и более.

Таблица10.1.–Сравнительныепоказателигидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностиканаловполигональногопрофиля

Показатели Значенияпоказателей
нормативных,изтехническихтребований фактических,поданнымисследований
Коэффициентшероховатостирусла неболее0,017 0,014–0,015
Средняяскоростьтеченияводы,м/с неменее0,5 3,5
Максимальнаяскоростьтечения,м/с неболее6м/с 5,5
Потеринафильтрациючерезстыки,л/(скм) неболее1,0–3,0 1,0–2,0
Коэффициентполезногодействиялотковыхканалов неменее0,97 0,97
Вероятностьпропускарасчетногорасхода неменее0,9 0,997
Вероятностьобеспечениягидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежности неменее0,95 0,97
Максимальнаяглубинаводывлоткесучетомвысотыволныиаэрациипотока Помнениюавтора,неболее1,1(h1+h2) 1,05(h1+h2)

Приполигональномсеченииканалаотносительностабилизируетсядвижениепотока,обеспечиваетсяквазиравномерноедвижениеводы.Приэтом,гидродинамическиенагрузкипотокаравномернораспределяютсяповсемусечениюканала,высотаволнзначительноуменьшается.Центртяжестипотокасосредоточиваетсянавершинетреугольногооснования,врезультатеэтогоплощадь,подвергающаясяабразивномуизносу,значительноуменьшается.

Приведеннаяв5главеметодологиягидравлическихитехнико-экономическихрасчетовмелиоративныхканаловполигональногосеченияпозволяетрассчитатьизапроектироватьмелиоративныеканалысоптимальнымиполигональнымипрофилямидляразличныхусловийихместоположения.Предлагаемаяметодологияпроектированиямелиоративныхканаловвместесводозаборнымисооружениямиавторскойразработкипозволяютсоздатьмодельусовершенствованноймелиоративнойсистемысэкономическиэффективныммеханизмомфункционирования.Прикоторомматериалоемкостьиэнергоемкостьсооруженийснижаетсядо50%,акачествоиколичествозабираемойоросительнойводыповышаетсядо40%.

Научасткахмалыхрек,гдепроектируютсяирасполагаютсяводозаборныесооруженияприменяютсяэкологическиетехнологии.Сиспользованиемизделийизприродныхматериаловразрабатываютсяэффективныеибиопозитивныеконструкцииводоприемных(фильтрующих)устройствподрусловыхигоризонтальныхводозаборов,атакжезащитно-регуляционныхсооруженийикреплений.Ониобходитсябезспециальногоотстойника,конструкцииихфильтрующихводоприемниковобеспечиваюточисткуводыотвзвешенныхнаносов.Конструкцииводозаборовитехнологииихстроительстваотносятсякбиопозитивным,способствуютсохранениюестественногорежимарексгидро-биологическимиусловиями.Привнедренииииспользованииэтихводозаборовдляподачиводывмелиоративныеоросительныесистемыпредгорныхзондаетзначительныйэкономическийэффект.Ониобходятсябезмелиоративныхотстойников,энергетическиезатратыуменьшаютсяболеечемв2раза,асебестоимостьподаваемойоросительнойводыснижаетсяна40%иболее.

НаиболееобоснованныеметодыгидравлическихрасчетовполигональныхканаловвсехвидовиразличногоназначенияразработаныС.О.Курбановым.

Привертикальныхбоковыхстенкахлотка()(рис.2.)сечениепреобразованноголотковогоканаласостоитиздвухчастей:верхней–прямоугольнойидонной–треугольной.Дляаналитическихисследованийгидравлическиххарактеристикглубинуверхнейчастисеченияобозначимчерез,адоннойчасти.Площадьживогосеченияканаламожноопределитьпозависимости:

word image 1010 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.1)

Смоченныйпериметр:

word image 1011 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.2)

гдеВ–ширинаканалапооснованиюбоковыхстенок,м; m–заложениедонныхоткосов.

Дляполигональныхканаловгидравлическинаивыгоднейшегосечения(ГНС),егохарактеристикиможновыразитьчерезотносительнуюглубину

word image 1012 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.3)

Подставляявыражение(10.3)вформулы(10.1)и(10.2),получим:

word image 1013 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Основныегидравлическиехарактеристикииможновыразитьичерезотносительнуюширину,соответствующуюгидравлическинаивыгоднейшемусечениюпоформулеС.О.Курбанова:

word image 1014 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.6)

Формула(10.6)поопределениюотносительнойширинылотканаиболееточнохарактеризуетполигональноесечениесточкизренияобеспечениянаивыгоднейшихгидравлическихусловий.

Приэтомоптимальныезначениязаложениядонныхоткосовлежатвследующихпределахm=4…8,азначениясоответствующиеГНС-m=4…5.

Далее,сучетомопределяемплощадьживогосеченияисмоченныйпериметр

word image 1015 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем Изформулы(10.7)выразимглубинуводыверхнейчастисечениялотка

word image 1016 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Гидравлическийрадиусдляданногосечениясучетомформул(10.4)и(10.5)можнопредставитьвследующемвиде

word image 1017 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

СреднююскоростьVисреднеезначениепропускнойспособностиканалаQможноопределитьпоизвестнымформуламравномерногорежимадвижения

word image 1018 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

гдеС–коэффициентШези,можетбытьопределенпоформулеМаннингаисучетомформулы(10.10)

word image 1019 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

где:I–гидравлическийуклон,приравномерномрежимедвиженияI=i;

i–уклонднаканала;n–коэффициентшероховатости.

word image 1020 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Подставляявформулу(10.13)значенияиR,определимрасходдлялотковогоканалаполигональногопрофиля(рис.2.)

word image 1021 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Длялотковыхканаловполигональногопрофилясдвумяпарамисимметричныхоткосов,двумябоковымисзаложениемидвумядоннымисзаложениемитреугольнымоснованиемполученогидравлическинаивыгоднейшеесечение(ГНС)(рис.12.)спараметрами

word image 1022 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

гдешириналоткапооснованиюбоковыхстенок,м;глубинаводыверхнейчастисеченияуподножиявертикальныхбоковыхстенок,безучетазапасапревышениябровкинадводой,м.

Экономическинаивыгоднейшиезначениязаложенийоткосовлежатвболееширокихпределахи.

Относительнаяширина,соответствующаяГНСопределяетсяпозависимости

word image 1023 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

где-заложениедонныхоткосов; -относительнаяглубина;

word image 1024 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

где: -глубинадоннойчастилотка; -заложениеоткосовбоковыхстен;

13%20Model

Рисунок10.1 -Лотковыхканаловполигональногопрофиля

сдвумяпарамисимметричныхоткосов

Глубинадоннойчастисечения

word image 1025 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Площадьживогосечениялотка

word image 1026 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Смоченныйпериметр

word image 1027 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Остальныехарактеристикиканала:гидравлическийрадиус,средняяскоростьирасходопределяютсякакобычно,поформуламравномерногорежимадвиженияводы.

Поусловиямэксплуатационнойнадежностиипотехнико-экономическимпоказателямотносительнаяширина

word image 1028 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Движениеводыпоэксплуатационнымусловиямможетбытьравномернымспокойным(квазиравномерным)инеравномерным(бурным),когдапараметркинетичностипотокаПк>1,уклонбольшекритическогоуклонаi>iкриглубинапотокаменьшекритическойглубиныh<hкр.

Аналитическиеисследованиясиспользованиемвышеприведенныхформулпоказывают,чтоприпрактическиоднихитехжезначенияхплощадиживогосеченияишириныBвлотковыхканалахполигональногопрофиляпропускнаяспособностьQканалаувеличиваетсяна5–10%,асмоченныйпериметруменьшаетсяна7%иболеепосравнениюсканаламипрямоугольногосечения[29].Приполигональномсеченииканалаотносительностабилизируетсядвижениепотока,обеспечиваетсяквазиравномерноедвижениеводы,гидродинамическиенагрузкипотокаравномернораспределяютсяповсемусечениюканала,высотаволнзначительноуменьшается.Центртяжестипотокасосредотачиваетсянавершинетреугольногооснования,врезультатеэтогоплощадь,подвергающаясяабразивномуизносу,значительноуменьшается.Предусмотревпрочноекреплениеучасткавершинытреугольногооснованияизносостойкимиматериалами,можноповыситьнадежностьработыоблицовкиканалаотабразивноговоздействиянаносов.

Чтобыподсчитатьматериальныезатратынастроительствоканаладлиной,необходимоподсчитатьобъемвыемкиканала,площадьоблицовкииихстоимости.Приопределенииобъемовземляныхработдлявсехслучаевзаложениеоткосанужнобрать≥1.

word image 1029 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.24)

где1,1–коэффициентзапасанадополнительныйобъемземляныхработ.

Площадьоблицовки(10.25)

Объемжелезобетона(10.26)

Стоимостьработ(10.27)

гдеСЗ–стоимость1м3земляныхработпоукрупненнымнормативам;

СБ–стоимость1м3железобетона.

Всеэтитехнико-экономическиепоказателинеобходимоподсчитатьдлякаждоговариантаипоихрезультатам,т.е.понаименьшимзначениямстоимостиработисучетомгидравлическихусловийпротеканияводывыбиратьокончательныйвариантсеченияиконструкцииоблицовки.Приэтомнеобходимопроверитьипараметрыэксплуатационнойнадежностиигидравлическойэффективностивыбранноговариантаканала.

10.2 Основные технические условия и рекомендации по повышению эксплуатационной надежности и гидравлической эффективности оросительных каналов в условиях предгорной зоны

Длянаучногообоснованияпредлагаемыхтехническихрешенийпроизведемсравнительнуюоценкугидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностиоросительныхканалов.

Гидравлическаяэффективностьиэксплуатационнаянадежностьлотковыхканаловбудутобеспечиватьсяприсоблюденииследующихизвестныхтехническихусловий[26]:

а)поводопроницаемостиоблицовки

word image 1030 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.28)

б)попропускнойспособности

word image 1031 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

в)покоэффициентуполезногодействия

word image 1032 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.31)

г)повероятностиобеспечениягидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежности

word image 1033 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем (10.32)

Порезультатампроведенныхнамиполевыхисследованийнаканалахпредгорнойзоны,считаем,необходимымввестиещеодноусловие:

д)поповышениюглубиныводывлотке

word image 1034 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

где-нормальнаяглубинаводывлоткеканалаимаксимальнаяглубинасучетомвысотыволныиаэрациипотока.

Основнымкритериемэффективностиинадежностиработыканаламожетслужитьвеличинапропускнойспособности.Пропускнаяспособностьявляетсяслучайнойвеличиной,зависящейотмножествафакторов,поэтомуееможнорассматривать,какпараметрмерынакапливаемыхповреждений,характеризующейуровеньтехническогосостоянияиэксплуатационнойнадежностилотковыхканалов.

Вероятностьбезотказнойработыканалапопропускнойспособностиможноустановитьповыражению(3)

word image 1035 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

где-табличныйинтегралвероятности;-расчетныйрасходвканале,соответствующиймаксимальномурасходупоСНиП2.06.03.85;-случайныйминимальныйрасход; -дисперсияпропускнойспособностиканала;

word image 1036 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

где: ,-среднеквадратическиеотклонениясоответственнои;-среднеквадратическиеотклонениявеличинВ,h,nиJ; -задаетсяпообъектаманалогамилирассчитываетсяпоправилу«трехсигм»,как1/6полядопусков:

word image 1037 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

где-вероятноеизменение(допуск)расходаотносительнорасчетногорасходаканала.

Отдельныедифференциалычастногопорядкавуравнении(10.34)определяютсяотдельнодлякаждоговидаканалавзависимостиотформыегопоперечногосечения.

ДляканалаполигональногопрофиляихнаходимпутемчастногодифференцированияуравнениярасходаQ(10.14)поВ,h,nиJ

word image 1038 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Глубинуводыможноопределитьсучетом(22)и(23)извыражений

word image 1039 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

Вероятностьбезотказнойработыканалапоподдержаниюнеобходимогоуровняводыопределяется(независимоотформыпоперечногосечения)извыражений:

word image 1040 Разработка ряда типовых конструкций гидротехнических сооружений для гидромелиоративных систем

среднеквадратичныеотклоненияглубин,соответственноhmax,hрабиhminопределяютсяпоэксплуатационным(опытным)даннымсуществующихканалов,адлявновьпроектируемыхhmax,hрабопределяютсяпорасчету,hmin-задаетсяпообъектаманалогам.

Дляоценкигидравлическойэффективностиработыканаланеобходимособлюдениеещеодногоусловия.

Таблица10.2 -Сравнительныепоказателигидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностимагистральныхканаловпризматическогопрофиля

Показатели Значенияпоказателей
Нормативных,

потехническимтребованиям

Фактических,поданнымполевыхисследованийирасчетов(прямоугольногопрофиля) Фактических,поданныманалитическихисследований(полигональногопрофиля)
Коэффициентшероховатостирусла неболее0,017 0,02–0,025 0,014–0,015
Средняяскоростьтеченияводы,м/с неменее0,5 3,5 3,5
Максимальнаяскоростьтечения,м/с неболее6м/с 5,5 5,5
Продолжение таблицы 10.2
Потеринафильтрациючерезстыки,л/(скм) неболее1,0-3,0 около2,5 1,0–2,0
Коэффициентполезногодействиялотковыхканалов неменее0,97 0,7-0,8 0,97
Вероятностьпропускарасчетногорасхода неменее0,9 0,67 0,997
Вероятностьобеспечениягидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежности неменее0,95 0,7 0,97
Максимальнаяглубинаводывлоткесучетомвысотыволныиаэрациипотока Помнению авторов,неболее1,1hнормальнойрас-четнойглубиныводы(дляпрямо-угольногосечения)и1,1(h1+h2)(дляполигональногосечения) (1,5–2,0)h

Фактическаямаксимальнаяглубинасучетомвысотыволныустанавливаетсявышевысотыстенлоткаканала

1,05(h1+h2)

Повышеприведеннымформуламбылипроведенырасчетыдлялотковыхканаловполигональногопрофиля.Длясравнительнойоценкитакиежерасчетыбылипроведеныдлялотковыхканаловпрямоугольногосечения.Произведенсравнительныйанализпоказателейгидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностилотковыхканаловпрямоугольногопрофиляилотковыхканаловполигональногопрофиляснормативнымитехническимитребованиями,разработаннымиА.В.КолгановымиЮ.М.Косиченко(1997)дляканаловсоблицовкой(табл.2).

Каквидно,помногимпоказателямгидравлическойэффективностииэксплуатационнойнадежностилотковыеканалыпрямоугольногосечениянеотвечаютнормативнымтребованиям,азначенияпоказателейлотковогоканалаполигональногопрофиля(реконструированногонаосновесуществующихканалов)соответствуютнормативнымтехническимусловиям,апомногимобеспечиваютсясхорошимзапасом.Этоподтверждаетгидравлическуюэффективностьиэксплуатационнуюнадежностьпреобразованноголотковогоканалаполигональногопрофиля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных исследований разработаны новые технические решения по водозаборным сооружениям и водопроводящим каналам, которые обеспечивают повышение эффективности работы и эксплуатационной надежности прибрежных мелиоративных систем

Для мелиоративных каналов полигонального сечения разработаны математические модели и методология проектирования. Имеются разработанные методики проектирования и расчетного обоснования мелиоративных каналов с двумя и тремя парами симметричных откосов. Разработана методика оптимизации полигональных сечений мелиоративных каналов.

Предлагаются эффективные конструкции водоприемных (фильтрующих) устройств подрусловых и горизонтальных водозаборов. Подземные дренирующие водозаборы не требуют обслуживания и эксплуатации. При заборе воды из водосборного колодца, когда уровень воды в нем опустится ниже уровня грунтовых вод, дренирующая система начнет работать. Это также является существенным преимуществом данного типа водозаборов.

Не требуют в составе гидроузла отстойников, конструкция фильтрующего водоприемника обеспечивает очистку воды от наносов. Качество воды позволяет использовать ее и для систем капельного орошения.

Подземные фильтрующие водозаборы могут быть эффективно использованы на предгорных участках малых рек со сложными гидрологическими и климатическими условиями в мелиоративных целях для орошения прибрежных земель, а также для водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных предприятий.

Обеспечивают забор необходимого количества и качества воды без нарушения режима рек. Внедрение и использование этих водозаборов для подачи воды в мелиоративные оросительные системы предгорных зон дает значительный экономический эффект. Они обходятся без мелиоративных отстойников, энергетические затраты уменьшаются более чем в 2 раза, а себестоимость подаваемой оросительной воды снижается на 40% и более.

Разработаны защитно-регуляционные сооружения и крепления, методы регулирования участков русел рек в зоне влияния водозаборных сооружений.

В конструкциях новых водозаборов и защитных креплений используются в значительной степени изделия из природных материалов, которые благоприятно влияют на речной сток и прибрежные зеленые зоны.

Разработан типовой проект по строительству мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

Разработаны технические условия по проектированию и строительству мелиоративных каналов полигонального сечения из сборных L-образных железобетонных блоков (ТУ 236112 – 001 – 00485500 – 2020).

Разработаны технические условия по проектированию и строительству нового подруслового водозаборного сооружения с фильтрующим водоприемником.

Разработаны методологические рекомендации по проектированию и расчетному обоснованию мелиоративных каналов полигонального профиля

Основные выводы

1. Результаты проведенных исследований и научного анализа материалов опыта эксплуатации, надежности и эффективности работ водозаборных сооружений и каналов мелиоративных систем предгорных зон показывают, что:

– существующие и применяемые на практике водозаборные сооружения и каналы мелиоративных систем предгорных зон характеризуются высокой энерго и материалоемкостью и низкой эффективностью работы:

– возникла необходимость в более эффективных конструкциях каналов, подрусловых и бесплотинных водозаборных сооружениях, характеризующихся высокой эффективностью работ и низкими эксплуатационными затратами, снижающими себестоимость оросительной воды более чем в 2 раза.

2. На основе проведенных исследований разработаны новые конструктивно-технологические решения по возведению горизонтальных и подрусловых водозаборных сооружений, мелиоративных каналов, по которым получены 10 патентов на изобретения, и еще 5 заявок на изобретения подготовлены и находятся на рассмотрении в Роспатенте.

3. Для мелиоративных каналов полигонального сечения разработаны математические модели и методологию проектирования.

4. Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству полигонального канала с двумя парами симметричных откосов из сборных железобетонных блоков.

5. Разработаны технические условия и рекомендации по проектированию и строительству нового подруслового водозаборного сооружения с фильтрующим водоприемником.

6. Разработан типовой проект по строительству мелиоративного канала полигонального сечения из сборных железобетонных блоков.

7. Полученные результаты проведенных исследований подтверждают высокую эффективность, надежность и технологичность возведения предлагаемых водозаборных сооружений и мелиоративных каналов полигонального сечения.

8. В дальнейшем (в последующие годы) при реализации предлагаемых конструктивных и технологических решений по водозаборным сооружениям и мелиоративным каналам будут:

– исследованы и найдены технические параметры и технологические связи, обеспечивающие повышение эффективности работы мелиоративных водозаборов и каналов в условиях предгорных зон малых рек;

– разработаны методики расчетного обоснования водоприемных устройств горизонтальных и подрусловых водозаборов;

– разработаны подробные технические условия по проектированию и строительству для каждого водозабора новой конструкции (защищен. патентом на изобретения или полезной модели);

– разработаны подробные технические условия по проектированию и строительству для каждого полигонального канала новой конструкции (защищен. патентом на изобретения или полезной модели);

– разработаны типовые проекты по всем новым мелиоративным водозаборам и каналам полигонального сечения, и рекомендации по их применению;

– разработана и внедрена модель эффективно функционирующей мелиоративной системы, от водозаборного сооружения до оросительной сети с технологическими средствами полива (с соблюдением норм полива) .

  1. За холодный период года принимают период, начиная и кончая месяцами, характеризующимися среднемесячной температурой наружного воздуха 0°С и ниже согласно СНиП 2.01.01, а за теплый период – остальное время года.
  2. Морозостойкость бетона принята из расчетной температуры наружного воздуха наиболее холодной пятидневки района строительства, от минус 15°С до минус 45°С включительно.
  3. Примечание – При необходимости оценку сульфатостойкости бетона блоков проводят по ГОСТ Р 56687, испытания на коррозионную стойкость – по ГОСТ 27677.

Список использованной литературы

Приложения

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *