Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Повышение эффективности ремонта, восстановления и реконструкции элементов инженерно-мелиоративных систем

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности ремонта, восстановления и реконструкции элементов инженерно-мелиоративных систем"

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВА Елена Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕМОНТА, ВОССТАНОВЛЕНИЯ И РЕКОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИНЖЕНЕРНО-МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

2 9 АПР 2015

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005567961

Волгоград-2015

005567961

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГБНУ «РосНИИПМ»)

Научный руководитель:

Васильев Сергей Михайлович

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Ламердонов Замир Галимович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Гидротехнические сооружения, мелиорация и водоснабжение» ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова»

Пахомов Александр Алексеевич

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Сельскохозяйственное водоснабжение и гидравлика» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»

Ведущая организация:

ФГБНУ «Поволжский НИИ эколого - мелиоративных технологий»

Защита диссертации состоится «1» июня 2015 г. в 1015 часов на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г.Волгоград, Университетский проспект, 26, ауд.ЗОЗД.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного аграрного университета и на сайте www.volgau.com.

Автореферат разослан « _ 2015 года и размещен на офи-

циальных сайтах ВАК и Волгоградского ГАУ (www.volgau.com).

Учёный секретарь

диссертационного совета Седов Алексей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Водные ресурсы на Европейской территории России, где проживает восемьдесят процентов населения, а также сосредоточена основная часть хозяйственной инфраструктуры, составляют лишь восемь процентов от всех водных запасов страны. В южных районах наблюдается дефицит воды. При условии применения орошения здесь возможно получение высоких урожаев и обеспечение потребности населения всей страны. Ежегодно в степных и лесостепных районах России только весной при снеготаянии с сельхозугодий стекает свыше 60 млрд. м3 воды, или 200-300 м3 с гектара. Сток талых вод, унося с полей огромное количество воды и мелкозёма, вызывает водную эрозию почв, ухудшает плодородие и нарушает целостность земельного фонда. Многие исследователи отмечают, что при рациональном использовании этого объёма воды возможно дополнительное орошение значительных площадей, в том числе в районах с острым дефицитом водных ресурсов. Однако, в последние десятилетия орошение на местном стоке практически утрачено в связи с разрушением таких важнейших элементов инженерно-мелиоративных систем как низконапорные прудообразующие сооружения - грунтовые плотины и дамбы. Поэтому, удельный вес местного стока в объёме орошения сократился с 30 до 6 %. Но, несмотря на это, объемы воды, которые можно сконцентрировать после ремонта, восстановления и реконструкции существующих прудов и водохранилищ мелиоративного назначения, использовав, тем самым, незадействованные резервы местного стока, представляют собой внушительный потенциал для развития орошения.

Современное состояние инжерно - мелиоративных систем, использующих ресурсы местного стока, накопленного в прудах низконапорными грунтовыми сооружениями преимущественно оценивается как деградирующее, что актуализирует проблему совершенствования и создания более эффективных технологических и конструктивных средств борьбы с дефектами и повреждениями низконапорных грунтовых плотин и дамб и проблему их реконструкции, предусматривающую применение простых, но в тоже время высокоэффективных средств их защиты от фильтрационных и волновых воздействий.

Степень разработанности темы. Исследованиям в области повышения эффективности способов ремонта, восстановления и реконструкции сооружений инженерно-мелиоративных систем, использующих ресурсы местного стока для орошения сельскохозяйственных культур посвящены работы Б.Б. Шумакова, В.Н. Щедрина, М.С. Григорова, A.B. Колганова, В.И. Ольгаренко, A.B. Кравчука, Ю.А. Свистунова, Е.В. Кузнецова, Н.С. Тимченко, Д.П. Гостищева, В.Н. Шкуры,

P.Bruun, I.W. Johnson, U. Nessler и многих других ученых-мелиораторов.

Однако, существующие перспективы разработки высокоэффективных способов, средств, технологий и конструктивных элементов, устраняющих дефекты и предотвращающих повреждения низконапорных грунтовых плотин и дамб прудов мелиоративного назначения еще недостаточно изучены. Отсутствуют современные теоретические проработки потенциальных возможностей применения местных материалов при ремонте и реконструкции элементов инженерно-мелиоративных систем, не проводятся работы по совершенствованию конструктивных мер, предупреждающих возникновение дефектов и аварий на низконапорных грунтовых сооружениях мелиоративного назначения. В целом это не позволяет наиболее полно реализовать существующую возможность использования местного стока для орошения и позиционирует рассматриваемую проблему как исключительно актуальную и требующую незамедлительного решения.

Цель работы — разработка усовершенствованного способа ремонта, восстановления и реконструкции низконапорных фунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем, а также конструктивных решений для предупреждения их повреждений, аварий и разрушений.

Задачи исследований:

1) проанализировать техническое состояние низконапорных грунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем, причины дефектов, повреждений и аварий прудовых плотин и дамб, а также применяемых мер (средств) для их ликвидации и предупреждения;

2) провести натурные обследования низконапорных грунтовых плотин, формирующих степные пруды и оценить характер, виды и объёмы их повреждений и дефектов;

3) провести исследования и разработать усовершенствованный способ ремонта, восстановления и реконструкции с использованием грунтовых смесей улучшенного качества, предусматривающий досыпку плотин (дамб) до и сверх проектных отметок, восстановление обрушенных откосов, заделку трещин, нор и проявлений фильтрационных и других деформаций;

4) предложить усовершенствованные конструкции противофильтрацион-ных устройств и креплений (покрытий) верховых откосов грунтовых прудообра-зующих сооружений, предотвращающих или минимизирующих вероятность образования дефектов;

5) оценить экономическую эффективность результатов исследований и апробировать предлагаемые средства и технологии при проведении ремонтно-восстановительных работ по устранению дефектов (деформаций и повреждений)

на низконапорных грунтовых сооружениях.

Объект исследований - низконапорные грунтовые сооружения инженерно-мелиоративных систем в составе мелиоративных балочных и овражных прудов Ростовской области.

Предмет исследований - способы, технологии и средства устранения и предупреждения повреждений низконапорных грунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем при выполнении ремонтно-восстановительных работ.

Научная новизна работы состоит в разработке усовершенствованного способа ремонта, восстановления и реконструкции низконапорных грунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем, разработке новых конструктивных решений для предупреждения повреждений, аварий и разрушений этих сооружений.

Новизна технических решений: предложен усовершенствованный способ ремонта, восстановления и реконструкции низконапорных грунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем (патент РФ № 2419705), разработаны конструктивные решения для предупреждения повреждений, аварий и разрушений низконапорных грунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем (патент РФ № 127763, патент РФ № 120423).

Теоретическая и практическая значимость работы. Осуществлено теоретическое обоснование способа и конструктивных схем для ремонта, восстановления, реконструкции и предупреждения дефектов и разрушений низконапорных грунтовых элементов инженерно-мелиоративных систем, функционирующих совместно с оросительной сетью. Установлены графоаналитические зависимости оптимального состава грунтовой смеси и прогнозные расчетные зависимости, позволяющие обосновать параметры конструктивных решений элементов водоподпорных сооружений. Даны практические рекомендации по вариантам использования усовершенствованного способа и конструктивных решений, повышающих эксплуатационные свойства элементов инженерно-мелиоративных систем для условий Ростовской области.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования осуществлялись на базовых законах и методах математического и статистического анализов с использованием теории планирования эксперимента. Теоретические оптимизационные задачи решались на основе классических методов математики, регрессионного и статистического анализа, методов планирования лабораторного эксперимента и обработки опытных данных. Экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с действующими методическими требованиями и отраслевыми стандартами. Обработка результатов исследований про-

водилась методами математической статистики с применением компьютерного имитационного моделирования исследуемых процессов.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты натурных обследований состояния грунтовых низконапорных прудовых плотин и дамб и выявленные характеристики их повреждений;

- усовершенствованный способ ремонта, восстановления и реконструкции низконапорных грунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем (патент РФ № 2419705), математическая модель прочности затвердевшей после уплотнения на гребне (откосах) грунтосмеси улучшенного качества и результаты её испытаний на морозостойкость;

- конструктивные решения фунтовых прудообразующих плотин (патенты РФ № 120423, № 127763), содержащие противофильтрационные устройства в виде экрана и ядра из уплотнённых слоев малопроницаемого фунта, выполненных наклонными в сторону нижнего или верхнего бьефа под углом к горизонтальной поверхности и расчётное обоснование их эффективности;

- конструкции креплений верховых откосов низконапорных фунтовых плотин, включающие ряды волногасящих элементов (полуовальных, клиновидных и (или) треугольных), обеспечивающих защиту откосов от разрушений.

Степень достоверности и апробация работы подтверждаются достаточным объемом экспериментального материала, применением стандартных методов математической и статистической обработки полученных результатов, высокой сходимостью результатов теоретических и практических исследований.

Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях РосНИИПМ, НГМА, ЮРГТУ (Новочеркасск, 2011-2014 гг.); научно-практической конференции, посвященной 100-летию выпуска первого мелиоратора России «Интефация науки и образования -стратегия устойчивого развития водно-мелиоративного комплекса страны» (2013 г.); на заседаниях и семинарах кафедр «Мелиораций земель» и « Природо-обустройство» НГМА в (2011-2014) годах. По результатам исследования разработаны «Рекомендации по восстановлению элементов водопроводящих и водо-подпорных сооружений оросительных систем», которые переданы проектным и ремонтно-строительным организациям для использования в практической деятельности. Результаты исследований апробированы и внедрены на фунтовых сооружениях прудов Пляжный и Животноводческий в хозяйствах Ростовской области.

Материалы диссертации опубликованы в 12 научных работах, включая 1 монофафию, 3 публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

РФ. Получен патент на изобретение № 2419705 МПК (7) Е02В 3/16 и 2 патента на полезные модели. Общий объём опубликованных работ составляет 7,1 п.л., из них 3,9 п.л. принадлежит автору.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «Введении» диссертационной работы обоснована актуальность научно-технической проблемы, сформулированы цель и задачи исследований. Изложены положения, выносимые на защиту и научная новизна. Отражены практическая значимость, сведения о внедрении результатов исследований и апробации работы.

В первой главе «Современное состояние низконапорных грунтовых сооружений инженерно-мелиоративных систем, использующих ресурсы местного стока» произведена оценка современного состояния низконапорных грунтовых плотин и дамб прудов мелиоративного назначения, причин их повреждений и аварий, проанализированы существующие способы и технологии ремонтно-восстановительных работ, установлены их недостатки, обоснована целесообразность разработки более эффективных мер и средств ликвидации и предупреждения образования повреждений грунтовых прудоформирующих плотин и дамб в составе инженерно-мелиоративных систем (рисунок 1).

в) прудообразующая плотина; г) защитная дамба; 1 - пруд; 2 — прудовая плотина; 3 - защитная (ограждающая) дамба; 4 - распределительный водоём; 5 — сбросной канал; 6 - отводящий канал; 7 — насосная станция; 8 - закрытый распределитель; 9 - орошаемый участок; 10 — поливной канал; 11 — водовыпуски; 12 - валы лиманов; 13 - канал; 14 - водосбросное сооружение Рисунок 1- Элементы инженерно-мелиоративной системы на местном стоке

Основными причинами дефектов и повреждений низконапорных грунтовых плотин и дамб являются природные и антропогенные факторы, вызывающие просадку гребня и тела сооружений, размыв и обрушение откосов, появление нор и трещин в теле грунтовых сооружений и указывающие также на несовершенство применяемых средств их защиты от волновых и фильтрационных воздействий.

Исследованию способов устранения и предупреждения дефектов на грунтовых водоподпорных сооружениях, разработке технологий их ремонта и восстановления посвящены работы отечественных учёных С.Ф. Аверьянова, К.Н. Анахаева, Г.П. Ачкасова, В.А. Белова, И.М. Елшина, В.Я. Жарницкого, Е.А. Замарина, Е.С. Иванова, A.B. Ищенко, Ю.М. Косиченко, A.B. Колганова, Ц.Е. Мирцхулавы, В. И. Ольгаренко, H.H. Павловского, Г.И. Покровского, JI.H. Рассказова, В.Г. Радченко, В.И. Сметанина, О.М. Черных, P.P. Чугаева, В.Н. Шкуры, В.Н. Щедрина, Н.К. Фенина, В.Г. Ясинецкого и зарубежных учёных Р. Дахлера, JI. Казагранде, И. Козени, Г. Матта и др.

Известные способы ремонтных работ предусматривают досыпку гребня и восстановление обрушенных откосов низконапорных плотин и дамб производить грунтом того же состава что и тело сооружений, а заделку нор, трещин и пустот осуществлять им же, или суглинком, смесью суглинка (глины) с навозом, мешками с грунтом и т.п. Однако, как показывает практика, через (2-3) года из-за низкой прочности, водо- и морозостойкости досыпанных и восстановленных элементов плотин, их защитные свойства утрачиваются и дефекты проявляются вновь.

При выполнении ремонтных работ на сооружениях более высокого класса капитальности применяются и более эффективные технологии. Но, сельские поселения или хозяйства в собственности которых находятся мелиоративные пруды, не располагают специальным оборудованием и не имеют в достаточном объёме ресурсов для выполнения соответствующих работ. В связи с этим очевидна необходимость разработки ресурсосберегающих технологий ремонтно - восстановительных работ, в основе которых использование положительно зарекомендовавших технологических процессов и учёт возможностей местных ремонтно-строительных организаций и хозяйств, с опорой на местную сырьевую базу.

Многие дефекты и повреждения на низконапорных грунтовых сооружениях можно предотвратить, используя при их восстановлении и реконструкции высокоэффективные усовершенствованные решения по их конструктивным элементам - противофильтрационным устройствам и креплениям. Противофильтрационные устройства должны обеспечить повышенную фильтрационную прочность и устойчивость к дефектообразованию (разуплотнению, вымыву и др.). Что касается креплений (покрытий) откосов, то гашение волновой энергии, защита от волн,

льда, колебаний уровня воды, размывов и обрушений, должны быть обеспечены ими с повышенной эффективностью их функционирования при минимуме затрат.

Во второй главе «Натурные обследования низконапорных грунтовых сооружений прудов мелиоративного назначения на водоёмах Ростовской области» приведены результаты натурных обследований низконапорных грунтовых плотин на овражно - балочных прудах Ростовской области. В качестве объектов исследования были выбраны низконапорные грунтовые прудообразующие плотины на балках Берестовая и Грузская Чертковского района, Щербакова Кашарского района, водоёма Терновый Яр Октябрьского (сельского) района, прудов Животноводческий и Пляжный, расположенных у с.п. Мишкино.

Визуальные обследования проводились по всему периметру прудообра-зующих плотин и прилегающих к ним территорий. На обследованных плотинах откосы не закреплены, имелись трещины, норы и фильтрационные ходы. Гребень и тело сооружений деформированы, на отдельных участках просадка достигает 1,5 метров и более (плотины на балках Берестовая и Щербакова). Деформации верховых откосов представлены размывами, оползаниями и обрушениями грунта. В частности, верховой откос плотины на балке Грузская разрушен от гребня, и в пределах видимой части представляет собой обрыв глубиной от 1,0 до 1,5 м. Установлено, что тело этой плотины отсыпано из растительного грунта, перемешанного с отдельными прослойками суглинка. На низовых откосах грунтовых плотин имелись локальные деформации грунта, проявления мокрых пятен и намокания.

При проведении инструментальных исследований использовались электронный тахеометр ТОРСОЫ ОРТ-ЗЮОЫ, нивелир, фотоаппарат МКОМ-ОЗЮО, рулетка 15-метровая, мерная лента, масштабная линейка, рейки, лопата штыковая, калькулятор, колышки, арматурные стержни. Состав исследований включал инструментальный обмер и съёмку. Результаты инструментального обмера и съёмки в срединной части прудоформирующих плотин приведены на рисунке 2.

а) - б. Берестовая; б) - б. Щербакова Рисунок 2 - Схемы элементов поперечных сечений в срединных частях прудовых плотин на балках Оценка развития трещин и некоторых других дефектов производилась на низконапорных плотинах прудов Пляжный и Животноводческий. Наблюдения и инструментальные обмеры проводились один раз в неделю в течение семи недель.

Приращения раскрытий поперечной трещины на гребне плотины балочного

а)

б)

Л|

Проектный профиль \Суш.еетвуюший про филь

пруда Пляжный составили: 2,0; 3,0; 3,0; 4,0; 4,0; и 4,5 мм, а еженедельные удлинения трещины (при Ig =1920 мм) на гребне низконапорной плотины пруда Животноводческий составили: 31,0; 24,0; 15,0; 8,0; 3,0 и 1,0 миллиметр. Учитывая, что раскрытие поперечной трещины не приостановилось, было принято решение о её ликвидации. Что касается развития трещины в длину, то она (длина) стабилизировалась. Определялась также глубина распространения трещины шириной около 30 мм внутрь тела низконапорной плотины. По результатам измерений вычислялись градиент затухания и глубина распространения трещины. Полученные значения (Jmp= 0,0575, А0 = 521,7 мм) не влияли на безопасное функционирование плотины. На низконапорных плотинах прудов Пляжный и Животноводческий проводились наблюдения за просадочной воронкой и намоканием низового откоса. По планам очертаний воронки и осадки колышков-марок установлена стабилизация тела грунтовой плотины на обследованном участке. Погружение щупа, фиксация границ контура мокрого пятна и уточнение контура шурфовкой, выноса грунта из тела плотины пруда Животноводческий не выявили.

В третьей главе «Разработка усовершенствованного способа ремонта, восстановления и реконструкции низконапорных сооружений инженерно-мелиоративных систем» предложено досыпку низконапорных грунтовых плотин и дамб до требуемых отметок производить грунтовыми смесями, улучшенными высевкой и золой, что способствует образованию высокопрочной и водостойкой камневидной структуры в досыпанной части тела плотин (дамб) по патенту № 2419705.Приготовление грунтосмеси рекомендуется осуществлять в грунтосмеси-

тельной установке типа, например, ДС-50 с дополнительными бункерами для высевки и золы (рисунок 3).

Для определения прочностных свойств затвердевшей после уплотнения на гребне (откосе) грунтосмеси были проведены экспериментальные исследования, позволяющие с помощью математических моделей, изме-

1 - бункер цемента: 2 - бункер золы: 3 -цистерна с насосными установками;-* - бункера няя входные параметры, оцени-грунта; 5-бункер высевкщб - транспортёр; вать качество грунтосмеси.

7 - смесительный агрегат г>

„ „ _ F В основе эксперимента

Рисунок 3 -Схема модернизированной 1

грунт осмесительной установки ДС-50 двухфакторный симплекс - сум-

мируемый план типа правильного шестиугольника. В качестве двух варьируемых факторов в эксперименте были выбраны: расход цемента - Ц, в процентах от массы грунтосмеси; расход (количество) грунта - ГР, в процентах от массы грунто-смеси. Для приготовления грунтовых смесей использовались материалы (компоненты) со следующими показателями: Новороссийский портландцемент марки 400; грунт - лёгкий слабоводопроницаемый суглинок; высевка - отход камнед-робления известняка фракции (0-5) мм с модулем крупности Мкр = 2,98; зола-

унос сухого отбора с электрофильтров Новочеркасской ГРЭС. При этом соблюдались соотношения «Ц + 3» = 15 процентов и «ГР + Выс» = 85 процентов.

По результатам опытов были вычислены неизвестные коэффициенты уравнения регрессии второго порядка с использованием нижеприведённых формул:

"у > ь<=1/3 у> йу=4/3 уу;

6,,. = 2/3 Ну +5/б^1{ НУ -0у . (1)

Для прочности стандартных образцов через 28 суток твердения и полного водонасыщения было получено регрессионное уравнение вида:

=13,21+4,90Х[ - 2,09Х2 - 3,2Х\ - \,ЪЬХ\ + 0,83^Х2. (2)

Регрессионный анализ полученной модели (2) произведён после определения ошибки эксперимента и расчёта ошибок коэффициентов уравнения. С учётом трёхкратной повторности опытов, дисперсия воспроизводимости, ошибка эксперимента по воспроизводимости и дисперсия неадекватности составили:

5з,, = 0,15; =-^5^ = 0,387; = 0,41, а критерий Фишера ра= З^Аэу = 0,41/0,15 =2,73, ^ = 2,73<^г=4,62.

Таким образом, полученная математическая модель (2) с риском а = 0,05 адекватно описывает результаты эксперимента по прочности грунтосмеси.

Инварианты кривой второго порядка по исследуемой модели составили:

— сумма коэффициентов при квадратичных членах математической модели:

= ¿1! +¿>22 =-3,20-1,56 = -4,76;

- определитель, составленный из коэффициентов при старших членах:

Ьп 0,5^2 -3,2 0,415

0,56,2 Ь22 0,415 -1,56

— определитель третьего порядка, составленный из всех коэффициентов:

Ьц 0,5^2 0,5й[ -3,2 0,415 2,45 А = 0,5^2 ¿>22 0,5^2 = 0,415 -1,56 -1,05 =74,42. 0,5^ 0,5Ь2 Ь0 2,45 -1,05 13,21 Коэффициенты канонической формы вычислены через инварианты:

9 '

Д1>2=-± - — 8 = -2,38 + 0,92; Я, =-1,46; Д2=-3,30;

— +

2

С учётом вычисленных коэффициентов каноническая форма уравнения (2) приняла вид:

Полуоси эллипсов полученного уравнения были определены из соотношений:

Геометрический образ полученной модели ук (Л2в) представлен на рисунке 4.

Анализ математической модели и её графического представления (рисунок 4) позволил сделать следующие выводы: прочность затвердевшей через 28 суток грунтосмеси повышается при уменьшении количества грунта и увеличении расхода цемента и высевки; дозировка цемента и высевки в высокопрочных (1315 МПа) смесях должна быть, соответственно, не менее (8,0-10,0) процентов и не менее (25-30) процентов от массы грунтосмеси; уменьшение дозировки цемента в равнопрочных грунтосмесях следует компенсировать увеличением расхода вы-

-1,46 X? - 3,30 Ц + 15,44 = К

28'

(3)

севки; использование высевки и золы - унос для экономного расхода цемента в равнопрочных смесях в количестве, соответственно, (2040) процентов и (4-6) процентов от массы грунтосмеси, следует считать оптимальным; уменьшение количества высевки ниже 20 процентов и увеличение дозировки золы свыше 6 процентов, не обеспечивают затвердевшей грунтосмеси высокой

},0 6,0 9.0 12,0 15.0

Рисунок 4 - Геометрический образ модели прочности грунтосмеси через 28 суток твердения и полного водонасыщенш

II, % прочности без увеличения расхода цемента.

На последующем этапе научной работы, были проведены сравнительные испытания образцов цилиндров после 28 суток твердения и 50 циклов замораживания - оттаивания. Определены пределы прочности стандартных образцов при сжатии Ямор и коэффициенты морозостойкости, подтвердившие соответствие

грунтосмесей с высевкой критериям морозостойкости (Л1,,^,//^) > 0,9-0,95.

Согласно технологической схеме работ по досыпке прудовых грунтовых плотин и дамб до проектных отметок, разработанный в карьере грунт, высевку, цемент и золу транспортируют к грунтосмесительной установке. После приготовления в установке грунтосмеси её доставляют к месту проведения работ (гребню, откосам), выгружают, укладывают слоями, разравнивают и уплотняют.

При пологих откосах плотин (дамб) с заложением откосов т =4-6, смешивание высевки с грунтом, а затем с цементом и золой может производиться и на месте проведения работ - откосе или гребне плотины (рисунок 5).

а - схема доставки и выгрузки б - схема перемешивания цемента и

высевки золы с высевкой и грунтом

1 - плотина; 2 - автосамосвал; 3 - доставленная высевка; 4 - положение досыпанной плотины; 5 - восстанавливаемый откос; 6 - смесь высевки с грунтом; 7- цемент, зола; 8 - фреза;

9 — смесь высевки и грунта с цементом и золой Рисунок 5 - Схема работ при досыпке тела низконапорной прудовой плотины (дамбы)

Для увеличения полезной ёмкости овражно-балочных прудов с целью обеспечения регулярного орошения сельскохозяйственных угодий, увеличивают высоту прудовых плотин наращиванием их сверх проектных отметок (рисунок 6).

а -схема уступов на откосах б - схема разравнивания грунтосмеси

5 - бульдозер; 6 - вальцовая трамбовка; 7 - наращиваемый гребень; 8 - положение геосетки; 9 - досыпанная часть плотины; 10 - досыпанный гребень Рисунок 6- Схемы работ при наращивании тела прудовых плотин

Перемещая с уступов на гребень грунт и смешивая его с высевкой, цементом и золой, обеспечивают приготовление грунтовой смеси, которую затем разравнивают по гребню и ограниченным уступами откосам. После уплотнения грунтосмеси укладывают геосетку, надвигают на неё грунтовую смесь, которую разравнивают и уплотняют, наращивая, таким образом, тело прудовой плотины.

Восстановление и ремонт откосов начинают с удаления разуплотнённого грунта. Затем, доставляют и равномерно распределяют на откосе малопроницаемый грунт. Далее, доставленную и распределённую по откосу высевку перемешивают с грунтом фрезой, спеццозаторами вносят цемент и золу, вновь перемешивают, полученную смесь разравнивают, увлажняют и уплотняют.

Заделку трещин, нор и других подобных им дефектов рекомендуется начинать с удаления разуплотнённого грунта в местах их обнаружения. Затем, разрабатывают грунт в траншее с превышением глубины над высотой трещины (норы). В грунтосмесительной установке приготавливают грунтовую смесь и производят обратную засыпку траншеи с послойным уплотнением грунтосмеси в ней.

Приготовление грунтосмеси начинают с подготовки грунта, превращая его в рыхлую измельчённую массу без крупных комков. Разрыхление осуществляют кирковщиками, рыхлителями или вспашкой плугом. Измельчение производят лопастями фрезы, насаженными на вал фрезерного барабана. Измельчение проводят до тех пор, пока грунт не будет измельчён до комков размером менее 5 мм. Высевку (фракция 0-5 мм), образующуюся в качестве отхода производства щебня доставляют автомобильным транспортом. Она не должна содержать комья и посторонние включения. Для экономии цемента рекомендуется использовать золу-унос тепловых электростанций, представленной в основном фракцией (0,01-0,1) мм при максимальном размере частиц не более (1-2) мм.

Предложенный усовершенствованный способ ремонтных работ обеспечит досыпанным и восстановленным элементам низконапорных грунтовых сооружений повышенную сопротивляемость к дефектам, за счёт образования в них (элементах, досыпках, заделках и др.) высокопрочной, водо- и морозостойкой камне-видной структуры, способной эффективно противостоять просадкам, размывам, оползаниям, обрушениям и другим дефектам, что существенно улучшит состояние прудов (водоёмов) и обеспечит возможность использования их в качестве источника воды для регулярного орошения сельскохозяйственных угодий.

В четвёртой главе «Разработка конструктивных решений для предупреждения повреждений, аварий и разрушений водоподпорных сооружений инженерно-мелиоративных систем» предложены конструкции противофильтрационных устройств в виде экрана и ядра (рисунок 7) из уплотнённых слоев малопроницае-

мого грунта, выполненных наклонными в сторону нижнего (или верхнего) бьефа под утлом к горизонтальной поверхности, определяемым допустимыми значениями фильтрационного расхода и высоты высачивания фильтрационного потока на низовой откос грунтовой плотины по патентам № 120423 и № 127763.

Полезность и эффективность предложенных конструктивных решений про-тивофильтрационных элементов низконапорных грунтовых плотин объясняется тем, что движению фильтрационного потока через слоисто-уплотнённые слои грунта экрана (ядра) эффективнее сопротивляются верхние зоны слоёв, являющиеся, в сравнении с нижними (подошвенными), более уплотнёнными и которые вовлекаются в работу в большей степени при наклонном положении слоёв.

1 - плотина; 2а, б - экран, ядро; За, б - слой экрана, ядра; 4 - нижний бьеф; 5 - верхний бьеф;

6 - основание; 7 - кривая депрессии Рисунок 7- Схемы низконапорных плотин с экраном и ядром из наклонных слоёв грунта Целесообразность отсыпки наклонными слоями экрана и ядра обоснована расчётом параметров фильтрационного потока с использованием формулы акад. Е.А. Замарина, для подсчёта коэффициента фильтрации грунта, учитывающей наклонное выполнение уплотнённых слоёв экрана: КЭа = Кэ ■ ¡3, где /3 — коэффициент, учитывающий разную степень уплотнения верхних и нижних (подошвенных) зон слоёв экрана, определяемый как: /?2 = (1 + У^а)/1 + е- tga 2, где а -угол наклона уплотнённых слоёв экрана к горизонтальной (водной) поверхности; е- отношение коэффициента фильтрации нижних (менее плотных) зон слоёв экрана к коэффициенту фильтрации верхних (наиболее плотных) зон слоёв.

Сопоставив результаты расчёта при горизонтальном (« = 0°) выполнении слоёв экрана и наклонном (а = 10°,« = 20°), было установлено следующее. При « = 10° высота высачивания фильтрационного потока на низовой откос снижается в 1,3 раза, а удельный фильтрационный расход в 1,5 раза. При а = 20° параметры фильтрационного потока снижаются ещё значительнее, соответственно в 1,5 раза и более чем в 2,0 раза, существенно повысив устойчивость низового откоса к де-фектообразованию и фильтрационную прочность прудовой плотины в целом. Аналогичные результаты были получены и для низконапорных плотин с ядром.

Размыв, оползание и обрушение верховых откосов низконапорных грунтовых плотин инженерно-мелиоративных систем можно предотвратить эффективными креплениями откосов. Предложены конструкции креплений, включающие ряды волногасящих элементов, выполненных из поочерёдно расположенных в пределах ряда полуовальных и клиновидных деталей, причём полуовальные детали основанием обращены вниз, а клиновидные большим основанием обращены вверх и образуют с полуовальными криволинейные в плане потокосоударяющие каналы. Рекомендовано симметричное и асимметричное размещение полуовальных и клиновидных деталей (рисунок 8). а

' 'У//////' ' -////>-У/У/У'

•»'"Л

"юТ 7Ж~

Ж±ЖЛШ

I I I I I I I I I ¡1 I |\|

Я|„42«« Я':".?'',.

ЦГСШ1

Н » Л ! ! | « 1 ♦

в„ 4 _

"■¿//////"у ■//////"/ч -

«Умы :

1Л' Н.1Г 1,113

а - симметричная; б — асимметричная Рисунок 8 - Схема размещения полуовальных и клиновидных деталей на креплении откоса

Предложено и более простое конструктивное решение волногасящих элементов в виде деталей треугольной формы (рисунок 9).

Приведены размеры волногасящих элементов (полуовальных, клиновидных, треугольных), схемы их размещения и основные технологические операции при устройстве. Расчёт крепления на волновое воздействие производился как балки, лежащей на упругом основании. Эпюру волнового

давления заменяли равновеликой

1 - волногасящие элементы из треугольных „„,„„„,-, „„„„„„„„ _„„,,..„„. ,,„

призм; 2 - межэлементные щели; 3 - направле- эпюрой равнобедренного треугольни-

ние течений в межэлементных щелях — 2 ,

Рисунок 9 - Схема планового размещения вол- ка ( ^р ~ М0 ' Чтр '' '" )> а ПРИ Расчё-ногасящих элементов на основе шероховатости

из треугольных равносторонних призм («ша- те параллельно урезу воды - равно-шек») на креплении верхового откоса г

мерно распределённой нагрузкой ( Мр ~Моп-<7„-I2-Ь'). Моменты от гидродинамического воздействия на волногасящие элементы определялись по методике И.А. Симвулиди, учитывающей показатель гибкости

а = п • Е0 ■ Ъ' • I? 1 - /.I2 • , относительное расстояние до места приложения

нагрузки - ( £), изгибающий момент от волнового наката - (Мг) и жёсткость плиты крепления - (£/).Выполненный расчёт показал, что при воздействии на крепление небольших (около 1 м) волн, эффективное гашение волновой энергии, прочностные показатели плиты крепления и защита откосов от размыва и обрушения, будут обеспечены при высоте волногасящих элементов (0,25 - 0,30) м и толщине плиты крепления (0,13-0,15) м при размещении их в зоне волнобоя.

В пятой главе «Экономическая эффективность результатов исследований» экономический эффект от реконструкции и мероприятий по предотвращению разрушений грунтовых сооружений инженерно-мелиоративной системы с учётом использования ресурсов местного стока, снижения техногенной нагрузки на орошаемые поля и улучшения водно-физических свойств почвы, составил 35,07 млн руб. При инвестициях в проводимые работы около тринадцати тысяч рублей в поливной гектар, урожайность орошаемых культур составила: овощи - 24,6 т/га; зерновые - 6,5 т/га; люцерна на сено - 70,0 т/га. При образовании волны прорыва, подсчитан экономический ущерб. Учитывая, что досыпка низконапорной плотины водоёма Терновый Яр на реке Аюта, осуществлялась грунтом, то возрастает вероятность появления разного рода дефектов и риск возникновения аварии на водоёме. Общий экономический ущерб от аварии может составить 8,09 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ состояния низконапорных грунтовых плотин и дамб, формирующих балочные пруды и другие малые водоёмы мелиоративного назначения и проведённые натурные обследования показали, что вследствие воздействия природных и антропогенных факторов состояние многих из них в настоящее время оценивается как неудовлетворительное и продолжающееся ухудшаться.

2. Эффективность от применяемых технологий ремонтных работ из-за низкой прочности, водо- и морозостойкости досыпанных и восстановленных элементов прудовых плотин (дамб) невысока, поэтому защитные свойства (прочностные, противофильтрационные и др.) элементов будут утрачены и размывы, оползания, обрушения и другие дефекты прудообразующих плотин исключат использование прудов в качестве источника регулярного орошения сельхозугодий.

3. Предложенный способ ремонта, восстановления и реконструкции низко-

напорных сооружений инженерно-мелиоративных систем (патент №2419705) опирается на апробированные технологические процессы, имеющиеся в распоряжении местных организаций и хозяйств средства механизации, местную сырьевую базу (грунты, материалы) и возможности хозяйств или сельских поселений, эксплуатирующих пруды, водоёмы и формирующие их плотины и дамбы.

4. Разработаны варианты ремонтных работ (по патенту № 2419705) по досыпке плотин (дамб) до и сверх проектных отметок, по восстановлению обрушенных откосов, заделке трещин, нор и фильтрационных ходов, включающие подготовку, дозировку, равномерное распределение и перемешивание компонентов грунтосмеси в модернизированной грунтосмесительной установке или на месте укладки, разравнивание смеси, увлажнение, окончательное перемешивание и разравнивание на откосе или гребне с последующим уплотнением.

5. Получена математическая модель и геометрический образ прочности затвердевшей грунтосмеси через 28 суток твердения и полного водонасыщения, установлено повышение прочности и морозостойкости отремонтированных (восстановленных) элементов, соответственно, на (30-40) % и на (20-30) %, а также сохранение на требуемом уровне (К„ор/ Я28>0,95) критерия морозостойкости, и, как следствие, повышение сопротивляемости элементов к дефектообразованию.

6. Предложены конструкции грунтовых плотин (патенты № 120423 и № 127763), содержащие противофильтрационные устройства в виде экрана и ядра из уплотнённых слоёв малопроницаемого грунта, выполненных наклонными (отсыпанных наклонно при строительстве плотин) в сторону нижнего (или верхнего) бьефа под углом к горизонту, определяемым допустимыми значениями фильтрационного расхода и высоты высачивания фильтрационного потока.

7. Выполнено расчётное обоснование эффективности противофильтраци-онных устройств из наклонно отсыпанных слоёв малопроницаемого грунта. При сопоставлении с противофильтрационным экраном и ядром из горизонтально отсыпанных и уплотнённых слоёв грунта, установлено уменьшение в (1,5-2,0) раза фильтрационного расхода и снижение не менее чем в (1,2-1,5) раза высоты высачивания фильтрационного потока на низовой откос, что обеспечит высокий уровень фильтрационной прочности и устойчивости, предотвратит повреждения и дефекты, а значит снизит затраты на ремонтные и аварийные работы.

8. Разработаны усовершенствованные конструкции креплений (покрытий) верховых откосов грунтовых водоподпорных сооружений, включающие ряды волногасящих элементов. Рекомендовано симметричное и асимметричное размещение полуовальных и клиновидных деталей. Предложено и более простое решение волногасящих элементов — в виде деталей треугольной формы (равно-

бедренной и равносторонней), взаимное размещение которых также образует во-допроводящие каналы для взаимного соударения потоков.

9. Экономическая целесообразность предлагаемых мер борьбы с дефектами и повреждениями подтверждается расчётами эколого-экономической эффективности и расчетами предотвращенного ущерба от затопления и подтопления территории и домовладений, расположенных ниже по течению от водоёма. Экономический эффект от реконструкции и мероприятий по предотвращению разрушений грунтовых сооружений инженерно-мелиоративной системы составил 35,07 млн руб. Предотвращенный экономический ущерб при возникновении волны прорыва на водоёме Терновый Яр составил 8,09 млн руб.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Досыпку тела низконапорных прудообразующих плотин и дамб инженерно-мелиоративных систем, восстановление обрушенных откосов, заделку трещин, нор, пустот и других дефектов рекомендуется производить грунтовыми смесями, содержащими наряду с цементом высевку и золу, способствующих образованию в досыпанных, восстановленных и отремонтированных элементах высокопрочной, водо- и морозостойкой камневидной структуры, обеспечивающей повышенную сопротивляемость элементов и тела плотин в целом к дефектообразо-ванию и увеличение в разы периода их безремонтной работы.

2. Для предупреждения аварийного состояния низконапорных прудовых плотин и дамб, возведённых из грунтов с повышенной водопроницаемостью и образующих водоисточники орошения на местном стоке, рекомендуется устраивать экран или ядро из уплотнённых слоев малопроницаемого грунта, выполненных наклонными в сторону нижнего (или верхнего) бьефа под углом к горизонтальной поверхности, что уменьшит в 1,5-2,0 раза фильтрационный расход и в 1,2-1,5 раза высоту высачивания фильтрационного потока на низовой откос, повысив фильтрационную прочность и устойчивость к разуплотнению, вымыву и обрушению грунта тела плотин. Для защиты верховых откосов от размывов, оползаний и обрушений рекомендуются крепления с рядами волногасящих элементов (полуовальных, клиновидных, треугольных), схемы их размещения и размеры.

Публикации, отражающие основное содержание диссертации Научные работы, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах

1. Васильева, Е.В. Технология ремонтных работ с использованием грунто-смесей при устранении деформаций плотин и дамб [Электронный ресурс]/ Е.В. Васильева // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. —2013. - №05(089). - Режим доступа: http ://ei .kubagro.ru/2013/05/pdf/101 .pdf

2. Васильева, Е.В. Технология ремонта грунтовых водоподпорных сооруже-

ний [Электронный ресурс] / Е.В. Васильева // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2014. - № 1(13). - Режим доступа: http://www.rosniipm-sm.ru/dl files/udb files/udbl3-rec239-field6.pdf

3. Васильева E.B. Повышение эффективности орошения на местном стоке, аккумулированном в балках низконапорными плотинами с улучшенными эксплуатационными характеристиками / Васильева Е.В. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2015. - №02(106). - IDA [article ID]: 1061501058. - Режим доступа: http://ei.kubagro.ru/2015/02/pdf/58.pdf

Патенты на изобретение и полезные модели

4. Патент 2419705, РФ. Способ устранения дефектов в дамбах из однородного грунта / Е.В. Васильева, В.М. Федоров. - Опубл. 27.05.2011. - Бюл. № 15.

5. Патент 120423, РФ. Грунтовая плотина / Е.В. Васильева. - Опубл. 20.09.2012.-Бюл. №26.

6.Патент 127763,РФ. Плотина/Е.В. Васильева.-0публ.10.05.2013,- Бюл. № 13.

Монография

7. Мелиорация прудов: монография /под ред. В.Н. Шкуры // В.А. Белов, H.A. Иванова, Е.В. Васильева [и др.]. - Новочеркасск: НГМА, 2013. - 371 с.

Прочие издания

8. Шкура, В.Н. Производство ремонтных работ при досыпке тела грунтовых плотин / В.Н. Шкура, Е.В. Васильева // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2014. — №1. — С. 92-96.

9. Васильева, Е.В. Технология работ при досыпке грунтовых водоподпорных сооружений [Текст] // Инженерный вестник Дона. - 2013. -№4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4v2013/1955

10. Васильева, Е.В. Ремонт и восстановление бетонных элементов сооружений и каналов оросительных систем / Е.В. Васильева // Проблемы мелиорации и водного хозяйства: материалы науч.- практ. конф. студ. и молодых учёных, по-свящённой проблемам эффективности мелиорации на юге России, 12-16 апреля, 2010 г., г. Новочеркасск / НГМА. - Новочеркасск, 2010. - Вып. 9. - С. 317-319.

11. Рекомендации по восстановлению элементов водопроводящих и водоподпорных сооружений оросительных систем / В.М. Федоров, Е.В. Васильева. -Новочеркасск: ФГБОУ ВПО НГМА, 2011. - 52 с.

12. Васильева, Е.В. Технология работ по наращиванию плотин сверх проектных отметок / Е.В. Васильева // Актуальные вопросы мелиораций земель: сборник статей аспирантов, магистрантов, студентов (3-й выпуск / Новочерк. гос. ме-лиор. академия.) — Новочеркасск, 2013. - С. -80-82.

Подписано в печать __Формат 60 х 84 1/16

Объём 1,0 п.л._Тираж 100 экз._Заказ №

Отдел оперативной полиграфии НИМИ ДГАУ, 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111