Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Совершенствование противофильтрационной защиты на оросительных каналах и природоохранных сооружениях

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование противофильтрационной защиты на оросительных каналах и природоохранных сооружениях"

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

капустин татьяна алексеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОИШОШЬТРАЦШПЮИ ЗАЩИТЫ

на оросительных каналах и природоохранных

сооруеешях -

Специальности: Об.О? .02 - "Сельскохозяйственная корпорация" 11 iOO.11 - "Охрана окрукащей среда и рациональное использование природных ресурсов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск-1996

рц^от Е'шолие в Швом научно-исследовательском институте гидротехники и 'юг..орацап к Новочеркасском.ишшизрш-ыилиоратив-ноы института.

заслуженный деятель науки и техники РФ, 'ахадешк Международной Акадэши экологии и природопользования, член-корреспондент Академии водохозяйственных наук, доктор

технических наук, профессор В.М.Косичэнко; кандидат технических наук.старший научный сотрудник А .В.Иценко

Официальны© оппоненты:- заслуженный деятель: науки и техники РФ,

академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Ы.С.Грягоров; кандидат технических наук, доцент М.И.Полокаренко Ведущая организация - ЮжгшгроЕодхоз ' ' ' •

Научные руководители: -

Защита состоится $/ (р^Л^к/ХиЬР 1996 г. в часов на за-

содаап' диссертационного совета К 120.76.01 в Новочеркасском ин-зшнерно-ыэлиоратиБног»: институте по адресу: 346409, г.Новочеркасск, РОСТОВСКОЙ СйЯЗкС'±£, ул. Цуикикская, 111.

С диссертацией шено ознакомиться в научной библиотек© Шам.

Автореферат разослан " ЯУ " ЖШ^ 1995 г

УчениР. секретарь .••'•

диссертационного совета, /""■ : , '

кандидат сельскохозяйственных

наук, профессор . Г.Н.Мартыненко

0НЦУ1 ХШКТЕРИСТИКа РАБОТЫ

Актуальность теми. Интенсификация сельскохозяйственного и промышленного производства сопровождается в последков десятилетие развитием когатавных процессов, ведущих к деградации природной среда. Для содохозяйственного комплекса одной из главных экологических проблем является загрязнение водоисточ-. киков, подтопление, засоление я заболачивание орошаемых земель. Основным фактором, бызывczazu нарушение водного баланса природных экосистем и поступление загрязняющих веществ в водоносные горизонта является фильтрация вода, из оросительных каналов, ис-куссуебзннх водоемов, прудов-нзкопитолей и хранилищ сельскохозяйственных и промкшленяых отходов. Наиболее эффективным. способом Серьги с фильтрацией является устройство противофтльтргцяоинкх соллцо1с:с я экранов с применением различных материалов. '

В России и за рубеком накоплен значительный- опыт борьбы с фильтрационными потерями Имеются конструкции. противофиьтрациоя-шх экранов, сблздэщие довольно высоким локагазпрукщам эффектом. Однако анализ научно-технических материалов'показывает, что су-сествукдае способы ингвнершй защита нэ реиапт: полностью задачи исключения фильтрационшх потерь в неблагоприятных гидрогеологических. условиях. С другой стороны, ¡ягагшэ конструкции, обладающие . высокой протхшо^хльтращгашгай з^фзктпвностьп, достаточно слогам, материало-Епоргоемки и поэтому окопо;яггески невыгода-

Следовательно, вахной проблемой явлзотся разработка инженер-шх мероприятий, позеоляезих ссвнсить гфйктиснссть протквофаль-трационней зег^гаг при стозгапг затрат материально-технических ресурсов.

Цель работы. ' Совергзнстгованпв- протизофильтра-циокной■защити оросительных каналов, прудсв-какопителзй промк£-ленных и сельскохозяйственных отходов я оценка их природоохранной эффективности- ' ; •

Задали., ' л с с л о д о в а и и а вклвчавт: - анализ эффективности эксплуатации ' сучествущнх протлво-. фильтрационных экранов на оросительных каналах п прудах-накопителях в различных гидрологических-условиях, а тайне конструктивных. . реиений по повышению их надобности й устойчивости; : ,

- обоснование и разработку рациональных конструкций а составов противэфильтрациошшх экранов из местных материалов;

- анализ эффективности различных конструкций экранов на оросительных каналах и прудах-иакопителях отходоз;

- обоснование и разработку конструкций дренажных устройств и рациональных схем их размещения с учетом типа сооружения и гидрогеологических условий в .зоне его влияния;

- изучение влияния гидромелиоративных и водохозяйственных сооружений на окружающую среду;

- оценку природоохранной эффективности противофильтрационных мероприятий.

Методика исследований.

Теоретические исследования проводились на основе применения методов теории фильтрации - катода конформных отображений. Лабораторные опыты проводились на приборе Дарои и фильтрационном лотке по стандартным ыэтодинам. Ошгбка измерения не превышала ±2 %. Полевые исследовшшя проводились на специально организованном полигоне, разделенном на отсеки. Фильтрационное потери определялись объемным способом. Для замеров применялось стандартное оборудова-1Ш9 и приборы с погрешностью измерений не более ±2 %.

Достоверность полученных данных оценивалась на основе общепринятых математических методов обработки и анализа результатов эксперимента.

Научная новизна заключается в сяедуодем:

- обоснован состав компонентов для грунтоцементнкх экранов оросительных каналов;

- предлокена мотод.жа расчета водопроницаемости груктоце-мэнтных экранов-с учетом их трещинообразования;

- разработаны новые конструкции дренакных устройств бетоноп-леночных обл1щовок оросительных каналов; °

- обоснован состав кошонентов для противофильтрационной защиты природоохранных сооружений;

- уточнена методика расчета подъема уровня грунтовых вод и прогноза распространения загрязнений из прудов-накопителей.

Практическая ценность.

* V

Предложенное составы грунтоцемэнгных экранов с использованием местных материалов позволяют снизить затраты материально-технических ресурсов на создание протиЕофильтрационкой защиты ороси-

телышх каналов, прудов-накопителей, золоогвалоз и различии хра-шшдц отходов. Разработайте дренажпыо устройства позволяют повысить эксплуатационную наденюсть бегоноплэночцых облицовок каналов на участках с высоким стоящем уровня грунтовых вод. Применение разработанных методик дает возможность выбрать на стадии проектирования наиболее рациональные способы защиты подземных вод от загрязнения с учетом конкретных гидрогеологических условий.

Разработки автора применены на Ш-ей очереди Большого Ставропольского канала и при проектировании 11-ой очереди золоотвала Новочеркасской ГРЭС.'

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы рассматривались и обсувдалюь на' научно-технических конференциях: "Повышение технического уровня оросительных систем на Северном Кавказе" (Новочеркасск, 1984 г.);"'научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Новочеркасск,

1989 г.); конференция Северо-Кавказского научного центра высшей школы "Мягкие и гибкие оболочки в народном хозяйстве" (Краснодар,

1990 г.); научно-технических конференциях, проводимых в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте в 1993-19^5 гг.; Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидротиюративннх систем и использования ороааемых земель" (Новочеркасск, 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, предложений производству. Библиография вкпотаэт 136 наименований. Основноо содераа-ше работы излокено на ' 144 страницах машинописного текста, иллюстрирована 19 рисунками, 22 таблицами, 4 приложениями.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана оценка основных факторов, определяющих изменения почвенно-.мелкоратившх и гидрогеологических условий в зоне влияния гидромелиоративных, водохозяйственшх и природоохранных объектов, а тскзке основных способов снижения отрицательного воздействия этих объектов на окрукагауп сроду.

Неблагоприятное воздействие водохозяйственного комплекса на

.t -

формирование экологический обстановки колеблется в широких пределах, в зависимости от конкретных природных условий и хозяйственной деятельности, технического состояния сооружений и систем, способов их експлуатгдш!, - надежности противофильтрационной защиты. Основные прояплзния нарушений природной среда - это подъем уровня грунтовых вод в зоне влияния оросительных каналов и природоохранных сооружений, , загрязнение почбц"и воды, заболачивание, подтопление территорий. разрушение почвенного и растительного покрова. Главным источником поступления загрязняющих веществ в грунтовые вода и причиной подъема уровня грунтовых вод является фгшьтрация из оросительных каналов, лрудов-накоштздей и других водохозяйственных соорукений вследствие несоверизнства лротиво-фильтрационной защиты и способов эксплуатации сооружений.

В настоящее время потери на фильтрации из оросительной сети достигают. 30-50 % от величины забора воды в систему и являются основнш.! фактором пополнения грунтовых' вод. Коэффициенты полезного действия иэкхозяйственной сети на оросительных системах Российской Федерации за-последнее десятилетие изменяются от 0,7 до 0,78, а на оросительных каналах Ростовской области от 0,55 до 0,8.

По данным Бюро мелиорации США, фильтрационные потерн воды в оросительных системах распределяется так: в магистральных каналах и мэЕхозяйственных распределителях теряется около 25-35 %, во внутрихозяйственной оросительной сети от 55 до 65 55» во временных оросителях - 10 %. :В значительной степени, из-за потерь на фильтрацию,. общий коэффициент использования оросительной воды на оросительных системах "не превызает 0,44-0,55.

Как правила, следствием высоких фильтрационных потерь на оросительных систвм&х является ухудшение мелиоративного состояния ороиаемых земель. Поэтому больсоо внимание уделяется совершенствование проишофильтрациошюЯ-" защиты с целью полного прекращения или значительного сшскзштя фильтррчш из оросительных каналов и природоохранных сооружений, повйшзшда их устойчивости и надекнос-ти в неблагоприятных гидрс^геологичоских условиях.

Исследованиями процесса фильтрации при эксплуатации гидромелиоративных и природоохранных сооружений и разработкой мероприятий по борьба с фильтрацией занимались: Аверьянов С.Ф., Алимов А.Г., Айдаров И.П., Вызго U.C., Григоров U.C., Голованов А.И., Горбачев Р.и.у Глобов П.Д., Киенчук А.Ф., Кисаров О.П.. Косичонко

Ю.М., КашынскиЯ М.И., Казаков В.А., Коваленко П.И., Костяков Л.П., Г.'ирюш С.Л., Мнрцхулава Ц.Е.,* .Мельникова В.И., сМорозова Т.К., Недрига В.П., Натальчук M.Ö., Ольгзренко В.И., Павилонский

B.М., Покровский Г.П., Пославский В.В., Сурик В.Л., Хлебников

C.Г., Чуприн ILA., Чередниченко Н.Ф., Шумаков Б.Б. и другие. Анализ литературных источников показывает, что вибор надежных и эффективных конструкций является основополагающим в системе мероприятий по снижении фильтрационных потерь.

Использование железобетонных конструкций и полимерных материалов позволяет создать практически водонепроницаемые экраны. Однако ввиду высокой стоимости строительства, ресурсоэнэргоежос-ти, недостаточной обеспеченности строительными материалами возникает необходимость замени кедезобетонннх и планочных конструкций на зкренн из других более доступных материалов, обеспечивающих достаточную степень защита окруяазедей среда и требуюяцк при этом тишгдальтах рвсурсознэргозатрат на строительство.

По данным Кузнецова Г.Н., Лзгалпна Ю.С., Максимова Ю.А., Ищеико A.B. в слоаннх гидрогеологических условиях при высоком стояния уровня грунтовых вод, плохой естественной дренировшшостя территории, существует опасность нзрупзшгя противофильтрационшх облицовок от воздействия избыточного гидростатического давления близкозалегающих грунтовых вод- Дял обеспечения эксплуатационной надежности ггротивсфильтрацгепных облицовок . в их'теле устраивают дрензише системы. При зтон нзобходтаэ рэетть проблемы конструктивного усовершенствования дрзпггэ с цаяад погашения эффективности перехвата фильтрационного потока, яря обеспечения простоты конструкции и низкой матергалое:,ОЕОСТП, оятаггпзацгк cxar.ii рззкеце-¿шя дренирующих устройств о учетом конгфетшх гадрогэолопгте ск:с: условий. •

Ваг-сшм, по мнению 1Ъфцхулзва Ц.Е., ' Дйдерова li.fl., Косичеяко Ю.гл., представляется вопрос прогнозирования воггаэгнше пзмаиекий экологической обстановки в зоне' влияния пщромзлпорзтшйзве и при-0, родоохрашшх объектов что позволит осуществлять проектирование рациональных защитных мероприятий в наибольшей степени соответствующих копире тше,! почвенноклделатическнм, гидрогеологическим и хозяйственным условиям. •

Вторая г л а в „а посвящена анализу конструкций протиЕофнльтрациошшх экравов из гдишгетых материалов. Установле-

% V б

но, что ¿ути создания защитного слоя могут использоваться любые местгшо грунта, обладающие достаточной стойкостью против агрессивного действия фпльтрухдейся шдкости, а также сопротивлением сдвигу, обеспочкзагс;™ устойчивость, защитного слоя против" сползания на откосо. Нзпболбю 'деиевым. и простым по конструкции является однослойный глинистый экран. В качестве материала такого экрана может применяться местный глинистый грунт, коэффициент фильтрации которого после уплотнения и замачивания составляет 4,5-Ю"5 см/с. Для обеспечения допустимых значешй коэффициента фильтрации порядка 1СГе-1(Г7 см/с необходимо устройство экрашфующего слоя более 50 см, что потребует большого расхода глины и значительных затрат на ее доставку, размещение по периметру ложа канала и уплотнение. Толщина экрана, а следовательно и расход глины, могут1 быть уменьшены при сохранены! необходимых противофкльтрациошшх. свойств, за счет добавления в глину связущего материала, например, цемэнта, что позволит снизить ее фильтрационную проводжость.

С целью обоснования рационального состава грунтоцоментних противофпльтрациокшх экранов для оросительных каналов с использованием местных материалов нами были проведены лабораторные оьн-ты на приборе Дарси. Изучались фильтрационные свойства глинис-то-цемонтнык и шечало-цеыентно-зодьных составов экранов при различном содержании компонентов. Толщина испытываемых образцов принималась 20 см. Проведению' исследования показали, что для глинисто-цементных составов. экранов наимзньший коэффициент фильтрации . получен в варианте с содержанием 10 % цемента (табл. 1). Однако экономически оптимальным оказался вариант с содержанием 53 цемента, . где коэффициент фильтрации на 8 % больше, а расход ■ цемента снижается в два раза.' Поэтому оптимальным, с точки зрения экономических требований ' и противофильтрационной эффективности, следует, признать состав грунто-цементного -акрайа с родерааниеь. 5 % цемента от массы i,четного глинистого грунта.

При испытаниях шсчано-цеыентногзольных составов экранов со-деркашге песка по вариантам опыта изменялось от 30 до 75 %, золы УНОС от 42 до 68 %, цемента от 2 до 25 %. Наименьший -коэффициент фильтраций получен в варианте песчако-цементно-зольного состава экрана с содержанием цемента 8,0' %, который составил 1,6-Ю-7см/с (табл. 2). Однако из соображений экономичности при достаточно высокой прстиБофильтрационной вадезиости. монет быть принят песча-

но-цемснтно-зольный состав . с содеркашем золы - 68 %, песка - 30 %, цемента - 2,0 коэффициент фильтрации для которого сос-

тавил 2,6>10~7 см/с

. Таблица 1

Фильтрационные свойства глинисто-цементных составов экранов

Состав проти-вофильтраци-ошюгэ экрана Фильтрационный расход,-10 2 • с^/с • Средняя скорость фильтра--: . ции, -10~4 см/с, Средний коэффициент фильтрации, •кг* см/с

средние значения стандартов отклонение доверительный интервал

Глина -98,5 % Цемент- 1,5 2 6,70 0,335'" * ± 0,580 1,60 1,000

Глина -97,0 % Цемент- 3,0 % 2,90 0,148 ± 0,256 0,69 0,470

Глша -95,0 % Цемент- 5,0 % 1,58 0,082 ± 0,142 0,37 0,025

Глина -90,0 % Цемзнт-10,0 % 1,42 0,075 0,130 0,33 0,023

Таблица 2

Коэффициенты фальтращш посчано-це?.тантно-зольных составов / -"экранов

Коэффициенты фильтрации (см/с).при времени испытаний (сут) Составы противофильт зацисшшх экранов, % .

цемвнт-2,0 песок-30,0 зола -68,0 цемент-5,0 пзсок-40,0 зола -55,0 цемзнт-8,0 песок-50,0 зола -42,0 цемент-25,0 песск -75,0

сутки показатели

1 2 3 /4 ; 5 6

1 Коэффициент фильтрации . Стандартное отклонение 34,0-10"5 1,5-10"5 48,0-10~5 2,2-10"5 67,0-10"5 3.0-10"5 0,680-Ю"5 0,031 -10~5

8 -

Продолжение табл. 2

о

1 2 3 4 5 6

Доверительный >

интервал ±2,6-10"5 ±3,8-10~5 ±5,2-10"5 ±0,053-10""5

10 Коэффициент 4.1-107® «0,990-1 О*5

фильтрации 0,760-10"5 0,10-Ю"5

Стандартное 0,043-10"5 0,034-10"5 0,047-10"5

отклонение 0,17-Ю-5

Доверительный ±0,074-10"5 ±0,058-10"5 ±0,081 - Ю-5

интервал ±0,29-Ю-5

28 Коэффициент

фильтрации 2,60-Ю-7 "4,30-10"7 1,60-Ю"7 2,10-10-7

Стандартное 0,22-10"7 0,069-Ю-7

отклонение 0,13-10"7 0,093-10"7

.Доверительный ± 0,15-10-7

интервал ±0,22-1О'7 ±0,38-10-7 ±0,098-1 О*"7

.' О

Математическая обработка результатов опытов в табл. 1 и 2 показала, что рассеяние результатов измерений не превышает 5 Ж по повторностяы. Стандартное отклонение не выходит за пределы доверительного интервала, что подтверждает достоверность полученных результатов. . . .

Составы противофильтрацйотшг акранов, исследованные в лабораторных условиях шказаваие вдоокие прогивофильтрациошшо свойства, была исслэдоваиы в долевых условиях. Для проведения натурных испытаний был создал специальный опытный полигон в районе Новочеркасска ГРЭС, где проведана проверка противофильтрационной. эффективности различных <усем акрашфовшшя и композиционных составов протизофальтрашганных экранов.

Опытный полигон , представлял собой площадку размером 60x100 й, разделенную земляными перемычками на отделыше отсеки 20x20 м, где исштывались различные варианты составов грунто-це-ментных этапов. ; Схема отлов, включала 5 вариантов в 3-х кратной

повторкости. Потеря на фильтрации определялись объемны:,i 'способом, испарение - с помощью испарителей.

Исследовались глинистый экран, глинисто-цементный состав экрана с содержанием цемента 10 %; песчано-цементно-зольный состав экрана по Еспащке н без вспашки, содержание цемента 8 %, песка 50 %, золы 42 %•, песчано-цементннй - цемента 25 %, песка 75 %.

Коэффициенты фильтрации изменялись от О,9-Ю"7 см/с для глинистого экрана до 0,47-10"8 см/с для песчано-цеМентно-зольного "'состава экрана. Коэффициенты фильтрации глинисто-цементного и песчано-цементного экранов составили соответственно

0,37-10"' см/с и 1,0-10~т см/с. Эти составы удовлетворяют требованиям к противофильтрацкошой заззтае гидромелиоративных-и природоохранных сооружений и могут быть рекомендованы для использования при строительстве противофильтрационных экранов.

В третьей глазе приводятся конструкции разработанных дрзнахнах устройств бетонопленочных облицовок оросительных каналов и результаты их экспериментальных я теоретических исследований. '

В"ряде случаев отдельные участки каналов могут проектироваться при высоком стоянии грунтовых вод.-При опороЕнении каналов ила спускании уровня вода в них ни±е уровня грунтовых вод будет создаваться избыточное гидродинамическое давление на тыловую часть облицовки, что вызовет нарушение целостности покрытия.

Автором совместно с Ю.М.Косяченко и А.В.Ийзнко разработана конструкция дренагкого устройства бэтонозлеЕочных облицовок (а.с. 1133448), представленная ка рис. 1,а.

Устройство состоит кз гзогкого элемента f с перфорированными передней и задней стенками 2. внутри которого устроен клапан з виде пластины 3, снабженной ныступаш 4, пленочное полотнище 5 с выпуском в тело грунтового откоса, образующее карман б, - выполненный из кауенно-граззЯноЯ отсылки по'типу обратного фильтра да?;-' лучпего захзатз груятсшх вод перфорированной пзредеэЗ стенкой 2, стекдомата 7, улсзенныз поверх пленки в задней части тралзеи, дополнительное полотнище пленки 8, прлсрепзезша к основному полот-нику п к плйте перфорированной задней стенки.

При высоком стояния ГруНТОЕЫХ еод или резком сброса воды в сооружении возникает избыточное гццроданашческоэ давление, пре-вшяавдее гидростатическое давление в канала. "Еода собирается в

fpozrvna -fcrpçScrsa бетсяоплекочгшх облицосок

а

.устроенном при помощи пленочного полотнища кармане б и, создавая избыточное давление, проникает в гесткий элемент 1 через отверстие з дреиаашй вывод, устроенный з виде наменко-гравийной засыпки меяду жестким элементом и пленкой, а затем свободно выходит ггозду отдельным!! плитами оде:хдн в сооружении. Для исключения оилытрацкошшх деформаций защищаемого- грунта в зонах выхода фильтрационных вод в дренаннде устройство, последние снабжаются обратными фильтрами из одного или нескольких слоев с различной крупностью частиц. . ' ' .

Указанное дренажное устройство использовано для защиты бето-ноплзночной .облицовки на ; участках с высоки стояниег* грунтовых вод па III-ей очереди Большого Ставропольского капала (ПК 268) • и Александровском распределителе (ПК 80).

, Дренагное. устройство для отвода грунтовых вод на' рис. 1,6 (а.с. 1413180) разработано автором закхо.для бетононлепочных облицовок каналов. Оно включает сборные ззлегобетопные плиты 1, клапан конусной формы 2 с перфорацией 3,внутри которого размерен резиновый поплавок 4, слой щебня'или. гравия 5 и слой склейки б. При действии избыточного давления грунтового потока на облицовку резиновый поплавок поднимается и грунтовый поток свободно отводится в канал. 3 случае, когда гидростатическое давление в канала превышает давление грунтового штока, резиновый поплавок, наоборот, прижимается вниз' и перекрывает нигнио -отверстия в клапане, вследствие чего предотвращается утечка вода из сооружения. ■

В результате проведенных лабораторных исследований подобранные оптимальные параметры дренагсных устройств. Установлено, что для пропуска удельного расхода около 2,0 м2/сут при напоре перед устройством 0,1-0,2 м.обдая плоцадь водоприемгшх отверстий долзсна составить не менее 20 см2. Разработанные дренаакые устройства обеспечивают требуемое снигение кривой депрессии поред облицовкой, надежно зазиздапт грунт откосов канала от опасных фильтрационных дефорлаций.

Определение расстояния меяду дрвнаяными устройствам;! сводит- . ся к решению плановой задачи фильтрации к плоской fcejni методом {«шформных ртобракоипй. При ресении принято допущение, Что приток грунтовых вод происходит из неограниченной области к линии цели (рис. 2), где..выполняется граюгпгоэ условие первого рода. .

Расчетная схема дренажного устройства в плане

а. I

о • •

и

Рис. 2

Используя интеграл Кристоффзля-Шварца

1

¿С

Г, = А /(С - 1)г-(С + 1>2<1С + В = А / _

о о У^-1

и решая его, имеем

" 41 = А-агсЬС + в при с 1 ¥?•= -1-а агсЬ.С + В при С < < '

иг соответствия точек 1 и 2 найдем комплексные постоянные

Я

а =

е в = о.

%

Тогда выражение комплексного потенциала (2) примет вид

2й

q 2х * ,

¥ = — агсЬ — при с

% „ I ■

>

Напор на линии 2-4 в соответствии с (3) будет равен:

Ч 2х

Ь. = -т— агсп. — 2тй г

Ч 2х — агс1х — т£к г

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(С)

Полагая координату точки 5 х = Ъо, кз уравнения (Ь) получаем

расчетную зависимость для определения расхода в дренажное устройство

Шъ

4=---(7)

агсЬ(2Ьо/г>

Полагая, что в точке 5 скорость фильтрации близка к нулю, можно определить, параметр^, дифференцируя выражение (5):

а .1

Ч'-чг—-=, . •• <8>

,/г2 - (1/2 )г

Откуда можно определить, что ^кО при Ь0 = 100 I. Здесь к - коэффициент фильтрации грунта откоса; q - удельный расход дренажного устройства; I - длина дренажного устройства.

Полученные уравнения позволяют теоретически рассчитать оптимальное расстояние между дренажными устройствами для конкретных гидрогеологических условий.

Расчеты по теоретическим зависимостям показали, что на расстоянии 25 м от устройства снижение напора составит 35 3, а на расстояния 50 м - 15 % от напора на облицовку без дренажной защиты. .

Рациональное расстояние между дренажными устройствами ' с /четом их взаимного веяния может составить от 20 до 50 м в за-элскмоми от требуемого сникзипя давления и гидрогеологических /словий. Полученные зависимости позволяют произвести расчет параметров устройств и схемы их размещения с учетом конкретных гидрогеологических условий.

В четвертой главе представлены результаты ззсчетов фильтрации из' прудоз-накопителей и прогноз загрязнения грунтовых вод на примере золоотвала Новочеркасском ГРЭС. Расчеты !розедеш для случаев свободней и подпертой фильтрации.

Расчет свободной л подпертой фильтрации из накопителей можно шголнить по следующим зависимостям:

- для случая свободной фетьтрацки

°обц о ср

. = бо + бэ + О, . - •

да Р.'э - осреднзнгай коэффициент фильтрации экранирущего слоя;

Н - глуб1ша залегшгея шли в накопителе;

бо - толщша слоя золоплакоз;

йэ - толщкеа слоя экрана;

й1 - глубина подстилающего слоя грунта основания;

? - площадь дна накопителя;

Во Ср,б3 Ср - соответственно, средняя глубина води и толщина акравдрукцего слоя на откосах;

ш0 - коэффициент- зало5;ения откосов дамб;

Н = Но + бо - напор на экран;

Ьр - периметр накопителя. "

- для случая подпертой фильтрации

Е + Ът-ч ~ ^ - = -ОШ-р , (Ю)

- . _ 5ой« . . • •

где АЬ - напор грунтовых -вод относительно подошвы глинистого елся.

Применение грунтоцемэнтаых экранов в процессе эксплуатации накопителей мозет привести к образованию в них трещин. В связи с зти?л большой практический интерес представляет оценка водопроницаемости грунтоцешнтных экранов гфи трещивообразовании, что позволит более , достоверно-, оценить скорость распространения загрязнений в.водоносном горизонте. •

Расчет водопроницаемости ■ экрана произведен для условия равенства фильтрационного расхода через экран сумме единичных фильтрационных расходоз. через отд;льнне трещины. В этом случае расчетная формула для определения обдего расхода- черзз экран имеет вид: ' •■-*■ '

" д • г" У°обй у^Х^о^Чар-! р {11) акр Эй ш 3^(165,/та) .1 °

• при осредненном коэффициенте фильтрации:

(12).

э Ф . э - т ШС166./Ш)

Л^р - параметр трегошообразоранип экрана; ш - ширина раскрытия троща. ' . .

Анагаз результатов расчета показывает, что при П^ = 0,01 % наблюдается незначительное влияние трещин на водопроницаемость, а при 1^ = 0,1 % алзявис сказывается сусоствэнно. .

Расчзтн показывает, что ковфБщиеит фильтрации экранируадэго

слоя на прогнозируемый срок (1; = 4,7 года) возрастает бо^ое чем в два раза, а общие фильтрзциоыше потери - почти в три раза, что обуславливается увеличением общего напора на экран (табл. 3).

Таблица 3

Изменение коэффициента фильтрации экрэпируюшего слоя и фильтрационного расхода для случая свободной фильтрации из накопителя

Время прогноза, 1;, лет Толщина экранирующего слоя, Л э' Глубина СЛСЯ воды, Н0, и Коэфф.ф-ши экранирующего слоя, Р.'э, м/сут Фильтрационный расход Ъ' м3/сут

через дно через откосы суммарный

1 2,95 0,70 0,57-10-3 705 15,6' 720,6

2 3,90 1,40 0,75- Ю~3 1019 45,3 1054,3

3 4,85 . 2,10 0,94-10"3 1347 69,3 1436,7

4 5,80 2,80 1,12-Ю"3 1660 147,5 1807,5

4,7 . 6,45 3,29 1,25-10-3 1885 196,8 2082,8

На основами проведенных фильтрационных рзсчетов было ус-таноеяено, что максимально Еозмоаный подъем уровня грунтовых г-од в зоне влияния какошухеля за 4,7 года составит 3,17 м (рис.3).

Подъем уровня грунтовых'вод (УТВ) при фильтрации из накопителя

2,0-

1,0--

Бодъс-м УТЕ, V.

0,42

0,96 '

3,17

■2,51

1,68

I год ' 2 года

3 года ' , 4 года |4,7 год;

В р е м я

прогноза

Рис. .3

Прогнозными расчетами установлено, что фронт загрязнения грунтовых вод, перемещающийся по водоносному горизонту продвинется на 177,5 ы от накопителя за 4,7 лет.

По методике ВОДГЕО, с использованием уточне.чных для местных условий параметров и разработанной нами программе расчета на ЭВМ, выполнен прогноз изменения качества природных вод в зоне влияния накопителя. На стадии проектирования он имеет ванное значение для оценки возможного изменения экологической обстановки после введения в эксплуатацию накопителя.

По истечении 4,7. лет (срок полного затопления золоотвала) содержание загрязняющих веществ в грунтовых водах кэ превысит значений ПДК определенных нормами качества воды для хозяйственно-бытовых. целей.

В пятой- ГдЛаве дана оценка природоохранной эффективности разрабатываемых мероприятий с точки зрения надежности защиты окружающей среды.

Эффективность грунтоцементшх экранов будет зависеть от их трещинообразования в процессе эксплуатации. Оценку эффективности грунтоцементшх экранов в условиях трещинообразования целесообразно выполнять по ооредаенному коэффициенту фильтрации, расчетная зависимость для определения которого получена автором нз основе анализа зависимости Ю.М.Косиченко для грунтопленочного экрана с учетом проницаемости подстилающего основания й

0,01itfe.6oIL,_(Hn + 60+ Q - h,)

Й;* = К + -г- 0 °-2-2-1 (13)

~ кр " ■ m (HQ + SQ+ 8Э) 1п(1630/та)

h = -о-о--, (U)

ОТ + 41n(16Q /1С!) „

где о =

К^ - коэффициент фильтрации грунтоцементного слоя экрана;

К ,К2 - коэффициент фильтрации защитного слоя л подстилагсщего основания;

SQ)P's - соответственно, толщина 35ЩИЕОГО слоя, и грунтоцементного экрана; ..

HQ - глубина в сооружении;

пГ;р- параметр трещинообразования; •

щ - осроднэннзя ширина раскрытия трещин в экрзно;

h1 - остаточный пьезометрический напор з касте трещин экрана.

По зависимостям (13) и. (14) на ЭВМ рассчитаны осредаошше коэффициенты фильтрации грунтоцементпых экранов при параметрах трещинообразования П^ = 0,01; 0,1 % и коэффициентах фильтрации

р:э = МО"7; 0,5-Ю"7; 1<4СГ8 см/с и ^ = 10~г; 10"3; 10~4; 10~5;

10"6; 10~7 см/с. - . "' ■ .

Аналогичные данрге были получены также rio грунтопленочным экранам, представленные в табличной форме. • ,

Анализ расчетных данных показывает, . что противофильтращган-ная эффективность различных экранов существенно зависит от водопроницаемости материала экрана,', грунта защитного и ' педстлланцэго .слоев и степени его трещинообразования (повроздаеютста).

Полученные данные по осреднении«. коэффициентам, фильтрации экранов могут быть использованы при выборе наиболее рациональной схемы противофильтрационной защиты в зависимости от конкретных гидрогеологических условий для оросительных каналов, "водоемов, прудов-накопителей и различных хранилищ промышленных и сельскохозяйственных отходов. ■ . ^

В этой главе приводятся такзэ технико-эксплуатационные характеристики, затраты материально-технических и энергетических ресурсов на строительство различных типов экранов. ■ ■

Использование грунто-цеыению-зольшх составов экранов позволяет снизить затрата на строительные материалы ' на 37,7 % по срашешю с экранированием дементно-песчаным . составом., " .

В современных условиях все хозяйственные шроприятия следует рассматривать еще и с точки зрения природоохранного эффекта.

Оценка эколого-акономичоского эффекта позволяет разработать варианта противо^шьГрационной защиты, отвечающие требованиям рационального использования маториалыю-теймческях и эиоргетичес-ких ресурсов, а, с другой стороны, соответствующие задачам охраны природы и защиты подземных вод ог загрязнения. Эколого-экономи-ческий эффокт рассчитывался по мотодико, уточненной В.М.Ивонюшм. Установлено,' что без применония противофильтрационной защиты 1фи строительстве накопителя, подъем уровня грунтовых вод может составить в данных глдрогеологичесгсих условиях до 8,0 м за 4 года,

что привело бы к изъятию из сельскохозяйственного производства 25 га земель, 0ущерб в ценах 1994 года составляет 6,8 млн.р. в год. При устройстве протйвофмльтрационного экрана подтопление исключается, поэтому предотвращенный годовой ущерб составит 6,8 млн.рублей, а общая эффективность устройства' противофильтрацион-ной защиты с учетом затрат на ее строительство - 3,6 млн.руб.

Предотвращенный годовой: ущерб от попадания загрязняющих веществ в грунтовые, воды составит 64,2 шш.рублей.

Из всего вышеизложенного 'можно сделать вывод о высокой экономической эффективности применения противофильтрационных экранов в качестве природоохранных мероприятий. В наибольшей степени природоохранный аффект прожвофильтрационных мероприятий выражается в защите подземных вод от загрязнения. .

. ' . ОСНОВНЫЕ вывода :'

1. Потери на' фильтрацию из оросительной сети составляют от 30 до 50 % вэличиеы забора вода в систему и являются главным источником пополнения запасов грунтовых вод. Значительные фильтрационные потери привели к тому,- что площадь орошаемых ■ земель с глубиной залегания грунтовых вод менее 2,0 м увеличилась с 22,5 до 25,8 %, а земли с неудовлетворительным мелиоративным состоянием составляют 24 % от площади обслуживаемой оросительными системами Северного Кавказа. '.-с

2. Для предотвращения подъекауровня грунтовых вод необходимо перекрытие путей поступления в природную среду фильтрационного потока из гадрокелиоратиеных в природсюхранных сооружений. Выбор надежных и эффективных конструкдай является основополагающим в системе мероприятий яо сшшеви® фильтрационных потерь, так как ни один тип противофильтрацпонной зеззты не может быть универсальным и пригодным для всех случаев. л . •

3. Результаты проведенных исследований подтверждают эффзк-. тивность применения Предлагаемых грунто-цементшгх составов для создания протизофпльтрацко.'шых экранов оросительных каналов. Внесение веглинистую пульп:' цемента в дозе 5 % от г.:ассы обеспечивает необходимую водопроницаемость экранирующего слоя толщиной 20 см при коэффициенте фильтрации порядка 1С~° см/с.

' 19

4. Для определения осредненных коэффициентов фильтрации грунто-цементных экранов получены расчетные зависимости, позволя-кщие учесть фильтрационные свойства защитного и экранирующего слоев, водопроницаемость основания и трецинообразование грун-то-цементного экрашфукщего слоя. Установлено, что при параметре трещинообрззования 0,1 % от общей площади экрана противофильтра-ционная эффективность его снижается более чем в 3 раза, что необходимо учитывать при проектировании противофильтрационной защиты оросительных каналов.

5. Разработаны новые конструкции дренажных.устройств бето-ношгеночной облицовки оросительных каналов, обеспечивающие сшше-ние гидростатического давления на облицовку и предотвращение ее • разрушения на участках с близким залеганием уровня грунтовых вод.

6. Получегш 'аналитические зависимости, позволяющие рассчитать гидравлические характеристики .трепаных устройств, их основные параметры и схемы размещения в составе бетонопленочной облицовки оросительных каналов. ■

■ Рациональное расстояние мезду дренажными устройства!.® с уче-■ ток их взаимного влияния ко::-:ет изменяться от 20 дй 50 м в зависимости от требуемого снижения давления а гидрогеологических условий в зоне расположения канала.

7. По экспериментальным данный,. для протвофильтрационшх экранов природоохранных сооружений (прудоз-накозгателей, золоотва-лов, иламохранилкц) целесообразно истальзоватв золошлаковых отходов ГРЭС. Такие экраны,-толщиной до 30 см, с содержанием кошо-нентов - 8 % цемента, 50 % песка, 42 3 золы, обеспечивают коэффициент фильтрации порядка 10~7'сй/с. • .

Применение песчано-цокентно-зожнаг составов экранов вместо песчано-цекэнтнзх позволяет снизить затраты мьтериадьно-техничес-ких ресурсов на 37.7 2. °

8. Согласно прогнозна.! расчетам, внпояяеи'т? па примере зо-лоотвала Новочеркасской ГРЭС, загрязнения' из золоотвала будут постукать, в водоносный"'слой уге в езрвпй 5?од его.заполнения. Максимальный пйдъем уровня грунтовых вод-в центре золоотвала на последний год заполнения достигезт. 3,17 и, а фронт распространения загрязнений 177,5 п.- Изменений химического состава грунтовых вод под влиянием фильтрации из золоотвала и содержание токсичных элементов не превысит 1ЩК I! удовлетворяет требования;,! норм качества

- - 20 вода для хозяЗсггьшо-оытоеых целей.

9. Провздоишо расчеты показывает, что применение комплекса разработанных противофильтрационшх мэроприятий позволит снизить ' в 1,5 раза поступление высокоминерализованных стоков' в грунтовые вода, • уменьшив скорость подъема уровня грунтовых вод в 2,5-3,0 раза по сравнений с вариантами без противофильтрадиошюй защиты. Зколого-экономический эффект в стоимостном выражении составит 67,4 шш .рублей в ценах 1994 г.

ПРЕДЛОЗИШ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Рациональные составы грунто-цементных экранов для кроти-вофлльтрационной защити оросительных каналов включают: цемента- • 5 %, глины - 95 %; природоохрашых соорушний : цемента - 8 2, песка - 50 %, золослаковых отходов ГРЭС - 42 %.

2. Технология строительства грунто-цекзнтного экрана должна предусматривать снятие растительного слоя, „ утрамбовку основания и нанесение противофшгьтравдгошюго состава Вспаику основания и обработку его гербицидами из технологии рекомендуется исключить.

3. Для предотвращения появления трещин в грунтоцементных экранах необходимо на поверхность экрана наносить пленкообразующую еидкость или начинать заполнение сооружений сразу после устройс-г тва экрана. - .* ■ . . б

4. Ира строительстве крупных оросительных каналов с бетоиои-дэночшми и бетонными облицовками на. участках с высока« уровнем грунтовых вод рекомендуется в теней части откосов выполнять дре-каггнкэ устройства, что обеспечит повышение их эксплуатационной надежности в сложных шсанерно-геологических условиях.

5. Выбор рациональных схем противофильтрационной защиты различных сооружений , целесообразно осуществлять по специально Ъос-тазлзшшм автором таблица!.? в зависимости от требований к их ггоо-тшюфильтрационвдй и природоохранной эффективности к возможности использования местных материалов и грунтов. : ..

Основные положения диссертации опубликованы в следующих райтах:

1. Стыковое соединенно пленочного экрана, применяемого на :аналах и водоемах в слога шх инхенерш-геологическпх условиях // ¡роспект ВДНХ СССР.- Москва, 1983. (в соавторстве).-

2. A.c. '1413180, СССР, МКИ Е 02 В 3/12. Устройстпо для дре-ировэния плит. N 4077375/29-15; заяв. I0.06.8S; Опубл. 30.07.88, И N 28, 1988. (з соавторстве). . . \

3. Применение дренирущих устройств и способы их выполнения а различных типах противофильтрацгошшх облицовок гддротехничес-их сооружений // Тез. докл. научн.-техн. конф. молодых ученых.

Новочеркасск, 1989. - С. 54-55. (в соавторство).

, 4. Оптимальный вариант дрешрукэдзго устройства гидротехви-еского сооружения // Тез. докл. конференции: Экологические ас-екты мелиорации Северного Кавказа. - Новочеркасск, 1990. - С.32-3. (в соавторстве).

5. Совершенствование конструкций дрвнаяшх устройств на ме-иоративных сооружениях // Тез. докл. конференции: !1.гкио гибкие болочки в народном -хозяйство, Северо-Кавказский центр выспей колы. Краснодар, 1990. - С. 23. (в соавторстве).

Б. Грунтопленочяна . зкраш для. накопителей отходов // ез.док. конференции: Проблемы мелиорации и экономики Юга Рбссии. Новочеркасск, 1993. - С. 65.

7. Анализ эффективности пленочных экранов прудов-накспителей хранилищ производственных отходов по предотвращении загрязнения рунтовых вод // . Тез.док. конференции: Проблемы мелиорации и :сонсмикк Юга России. - ■Новочеркасск, 1993.- С. 66-67. (в соавторше).

. 8. Решешш Ш(Ж'ИЗ о выдаче патента KS по заявке 93QII27G, Ш Е 02 В 13/16. Бетоноплсночная одезда откосов и дна гидротех-1ческих сооружений. Заяв. 20.07.93. (в соавторстве).

9. Решение НШГПЭ о выдаче патента РФ по заявке 9301Г267, Ii Е 02 В 13/16. Устройство для Дрошфования плит. Заяв. '.09.93. (в соавторстве).

10. Прогноз загрязнения подземных вод вследствие фильтрации I золоотвала КчГРЭС V Мелиорация антропогенных ландшафтов. T.I. »логические проблемы урбанизации территорий. - Новочеркасск, 195. - С. 60-65.

11. Пошлецз/е надежности противофильтрациошюй задан оросительных систем // Тез. докл. конференции: Проблемы ирригации в Ростовской области.-Новочеркасск,1995.- С. 24-25. (в соавторстве).

12. Дренакные устройства как средства повышения надежности лротизофильтращгонной защиты // Сб. докл. Всероссийской технической конференции: Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использование орошаемых земель. - Новочеркасск, 1995.

Лодасано з печать 28.I2.95i'/Тираг 100_вкз^ ^Зах а3^156^ ^ ^ Тигогг^пя НаШ г.Новочеркасск Ростовской обл.ул.Цуизшнскал III