Гидравлическое обоснование конструкции объёмной полимерной георешётки с крупнозернистым заполнителем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат наук Баранов Евгений Викторович

• Баранов Евгений Викторович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Баранов Евгений Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЗАЩИТНЫХ, БЕРЕГОУКРЕПИТЕЛЬНЫХ И ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ

1.1. Последствия воздействия водной эрозии на различные сооружения

1.2. Краткий обзор существующих противоэрозионных креплений

1.3. Обзор конструкции объёмной полимерной георешётки

1.3.1. Области применения объёмной полимерной георешётки

1.3.2. Основные свойства объёмной полимерной георешётки и используемые при создании противоэрозионного крепления материалы

1.3.3. Краткий обзор проведённых исследований объёмных полимерных георешёток

1.3.4. Объёмная полимерная георешётка как противоэрозионное крепление водоотводящих откосов

1.4. Выводы к главе

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ВОДОТОКОВ С ПОВЫШЕННОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ

2.1. Обзор методов и особенностей оценки противоэрозионной стойкости несвязного крупнозернистого материала

2.2. Обзор способов и особенностей оценки параметров гидравлического сопротивления водотоков с повышенной шероховатостью

2.3. Особенности расчёта аэрированных бурных потоков на водотоках со значительными уклонами

2.4. Выводы к главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБЪЁМНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ГЕОРЕШЁТОК С КАМЕННЫМ КРУПНОЗЕРНИСТЫМ

ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

3.1. Описание экспериментальной гидравлической установки

3.2. Описание измерительного и вспомогательного оборудования

3.3. Оценка точности инструментальных замеров

3.4. Описание использованных в лабораторных исследованиях материалов

3.5. Обоснование исследованного заложения водоотводящих откосов

3.6. Визуальные наблюдения за потоком на укреплённом объёмной полимерной георешёткой водоотводящем откосе

3.7. Схема устойчивости элементов каменного материала при применении объёмных полимерных георешёток

3.8. Методика оценки противоэрозионной стойкости каменного крупнозернистого заполнителя объёмных полимерных георешёток

3.9. Методика определения коэффициента шероховатости каменного крепления водоотводящих откосов с использованием объёмных полимерных георешёток

3.10. Методика оценки коэффициента гидравлического сопротивления противоэрозионного покрытия с применением объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем

3.11. Методика оценки коэффициента шероховатости в условиях бурного

аэрированного потока на укреплённом георешёткой откосе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБЪЁМНЫХ

ПОЛИМЕРНЫХ ГЕОРЕШЁТОК. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

4.1. Результаты исследований противоэрозионной стойкости каменного крупнозернистого заполнителя объёмных полимерных георешёток. Проведение сравнительного анализа

4.1.1. Оценка предельно допустимых неразмывающих скоростей потока

4.1.2. Определение коэффициента устойчивости каменного крупнозернистого заполнителя объёмных полимерных георешёток

4.1.3. Сопоставительный анализ экспериментальных данных гидравлических исследований объёмных полимерных георешёток со сплошной лентой и каменным крупнозернистым заполнителем

4.2. Результаты исследований коэффициентов шероховатости противоэрозионного покрытия водоотводящих откосов в виде объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем

4.2.1. Результаты оценки коэффициента шероховатости покрытия при применении сплошной ленты объёмной полимерной георешётки

4.2.2. Оценка коэффициента шероховатости для каменного заполнителя объёмной полимерной георешётки в рамках исследованного диапазона крупности в условиях равномерности потока

4.2.3. Оценка влияния перфорации объёмной полимерной георешётки на значение коэффициента шероховатости

4.3. Результаты анализа зависимости коэффициента гидравлического сопротивления противоэрозионного покрытия с применением объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем от относительной шероховатости водотока

4.4. Результаты гидравлических исследований водоотводящих откосов, укреплённых объёмной полимерной георешёткой с каменным крупнозернистым заполнителем, в условиях бурного аэрированного потока

4.5. Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

225

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидравлическое обоснование конструкции объёмной полимерной георешётки с крупнозернистым заполнителем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Одной из основных проблем проектирования и эксплуатации гидротехнических сооружений является правильный подбор требуемых противоэрозионных конструкций и материалов. Негативное воздействие водной эрозии приводит к последствиям, сопряжённым с увеличением материальных и трудовых затрат, необходимых для восстановления повреждённых объектов.

Разработка комплексных мероприятий, направленных на защиту сооружений от водной эрозии, требует знаний закономерностей в механизмах эрозионных процессов. Естественно, что вопросы борьбы с эрозией почв не могут решаться без глубоких научных исследований. Поэтому проблема проектирования и строительства защитных креплений во все времена привлекала внимание учёных и инженеров. Известными исследователями в этой области считаются: М.А. Великанов, В.Н. Гончаров, И.И. Леви, Г.И. Шамов, В.С. Кнороз, С.В. Избаш, Ц.Е. Мирцхулава, Д.И. Кумин, А.М. Латышенков, М.М. Овчинников, И.С. Румянцев, В.С. Боровков, Б.А. Пышкин, П.К. Божич, П.А. Шанкин, М.И. Лупинский и др.

Несмотря на многолетний практический опыт строительства и эксплуатации противоэрозионных креплений, а также многочисленные исследования в данной области, нередки случаи неудачных технических решений, которые впоследствии приводили к разрушениям и авариям. Это свидетельствует о целесообразности и необходимости дальнейшего усовершенствования методов проектирования и способов производства работ, а также рекомендаций по эксплуатации средств защиты естественно или искусственно созданных водных объектов.

В последние годы при решении вопросов надёжности и долговечности объектов гидротехнического, дорожного и гидромелиоративного строительства большое внимание во всём мире уделяется разработкам альтернативных методов защиты, упрощающих производство работ и снижающих общую стоимость про-тивоэрозионного крепления без потери при этом его эффективности. Подобные крепления разрабатываются на основе комплексного подхода к решению эколо-

гических проблем и представляют собой совокупность технологий как защиты, так и благоустройства территорий. Появляются новые, прогрессивные, более экономичные и экологически безопасные материалы, отличающиеся простотой в изготовлении и эффективной работой. Одним из таких материалов в настоящее время является объёмная полимерная георешётка. Благодаря своей универсальности данный тип противоэрозионного крепления применяется во многих сферах строительства. Она предохраняет откосы дорог, каналов, водных объектов и других сооружений от воздействия водной эрозии и обеспечивает их прочность и устойчивость.

Несмотря на имеющийся опыт использования объёмных полимерных георешёток в качестве защитного крепления, данный материал остаётся практически не изученным. Поэтому при применении георешёток в весьма ответственной гидротехнической области строительства требуется проведение комплексных исследований с целью гидравлического обоснования данного противоэрозионного покрытия.

Степень её разработанности. В данной диссертационной работе представлены результаты ранее проведённых исследований объёмных полимерных георешёток, в том числе гидравлических [27, 46, 60, 96], заключающих в себе оценку противоэрозионной устойчивости каменного заполнителя георешёток, анализ последствий волнового воздействия на защитное крепление, а также определение характеристик гидравлического сопротивления материала.

Выявленные в ходе проведения методико-теоретического обзора кинематические и геометрические особенности потоков на водотоках со значительными уклонами, в частности, водоотводящих откосах грунтовых объектов, указывают на необходимость выполнения комплексных лабораторных исследований рассматриваемого противоэрозионного покрытия с целью гидравлического обоснования его применения для сооружений данной группы.

Объект исследований. Противоэрозионное покрытие водоотводящих откосов, представленное объёмной полимерной георешёткой с каменным крупнозернистым заполнителем.

Цель исследований. Гидравлическое обоснование применения конструкции объёмной полимерной георешётки с каменным крупнозернистым заполнителем в качестве противоэрозионного покрытия водоотводящих неподтопленных откосов.

Задачи исследований:

- обобщить имеющуюся информацию, связанную с проектированием проти-воэрозионных покрытий, в частности каменной наброски, выполнить анализ проведённых ранее исследований и имеющегося опыта в применении объёмных полимерных георешёток в качестве противоэрозионного покрытия различных объектов;

- на основе визуальных наблюдений выявить принципиальные особенности работы объёмной полимерной георешётки как противоэрозионного покрытия, описать гидравлические режимы потока на укреплённом георешёткой водоотво-дящем откосе;

- дать рекомендации по назначению предельно допустимых неразмывающих скоростей потока в зависимости от крупности применяемого каменного заполнителя объёмных полимерных георешёток;

- определить параметры гидравлического сопротивления противоэрозионно-го покрытия: дать рекомендации по назначению коэффициента шероховатости для исследуемого материала, проанализировать зависимость коэффициента гидравлического сопротивления покрытия от относительной шероховатости водотока;

- выполнить оценку характеристик бурного аэрированного потока на водоот-водящем откосе, укреплённом объёмной полимерной георешёткой, оценить степень влияния аэрации на геометрические и кинематические характеристики потока, дать рекомендации по назначению коэффициента шероховатости с учётом аэрации.

Научная новизна работы. В результате проведения лабораторных гидравлических исследований объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем в качестве противоэрозионного покрытия водоотводя-щих откосов было получено следующее:

- на основе визуальных наблюдений выявлены и описаны гидравлические режимы (стадии) потока на укрепленном георешёткой водоотводящем откосе;

- предложена скорректированная схема устойчивости элементов каменного заполнителя с учётом особенностей работы конструкции георешётки;

- даны рекомендации касательно выбора предельно допустимых неразмыва-ющих скоростей потока на водоотводящих откосах в зависимости от крупности каменного заполнителя георешёток;

- получены значения коэффициентов шероховатости противоэрозионного покрытия в случае использования как сплошной, так и перфорированной лент георешётки;

- предложена эмпирическая формула для определения значений коэффициента гидравлического сопротивления исследованного противоэрозионного покрытия в зависимости от относительной шероховатости водотока;

- даны рекомендации по выбору положения плоскости отсчёта глубин в случае неглубоких потоков при использовании каменного заполнителя в рамках исследованного диапазона крупности;

- выполнена оценка параметров бурного аэрированного потока на водоотво-дящем откосе, рекомендовано значение коэффициента шероховатости с учётом влияния аэрации и при частичном размыве заполнителя георешётки.

Теоретическая и практическая значимость работы. В работе представлены рекомендации, объединяющие в себе результаты проведённых автором лабораторных гидравлических исследований. Данные рекомендации могут быть учтены при проектировании водоотводящих откосов гидротехнических сооружений, а также быстротоков со значительными уклонами, укреплённых объёмными полимерными георешётками. Полученные автором новые экспериментальные данные дополняют методико-теоретическую базу по проектированию противоэрозионно-го крепления в виде объёмной полимерной георешётки как для водоотводящих откосов, так и для других гидротехнических сооружений.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты проведённого обзора противоэрозионных материалов, в том числе современных, результаты анализа методико-теоретической базы исследований каменных противоэрозионных покрытий;

- экспериментальные графики по оценке противоэрозионной стойкости применённого каменного заполнителя в зависимости от средних скоростей потока, результаты сравнения с экспериментальными данными ранее проведённых гидравлических исследований [27, 96];

- результаты исследований по оценке значений коэффициентов шероховатости противоэрозионного крепления, а также итоги сравнения с экспериментальными данными ранее проведённых гидравлических исследований [96];

- экспериментально полученная зависимость для оценки значений коэффициентов гидравлического сопротивления укреплённых георешётками водотоков в зависимости от относительной шероховатости противоэрозионного покрытия;

- результаты проведённых расчётов аэрированного бурного потока с использованием рекомендаций ряда авторов в данной области, результаты оценки значения приведённого коэффициента шероховатости, учитывающего аэрацию.

Достоверность результатов исследований обусловлена:

- большим объемом материала, проанализированного автором диссертации;

- применением в процессе исследований современных методик и рекомендаций авторов, широко известных в данной области;

- использованием точного лабораторного оборудования,

- использованием нескольких методов оценки замеряемых характеристик потока, проведение сравнений результатов нескольких способов оценки на каждом этапе исследований;

- применением различных приёмов, помогающих прямо или косвенно оценить возможную ошибку в определении искомых параметров;

- применением качественной фотосъёмки, обработкой данных с помощью ПК с сопутствующим программным обеспечением;

- сопоставлением полученных экспериментальных данных с результатами ранее проведённых гидравлических исследований противоэрозионного покрытия в виде объёмной полимерной георешётки.

Апробация полученных результатов. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры комплексного использования водных ресурсов и гидравлики Института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, а также на международных научно-практических конференциях в период с 2012 по 2015 гг.:

- «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем», Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 16-18 апреля 2013 г.;

- «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России», Москва, Институт природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», 22-25 апреля 2014 г.;

- «Международная научная конференция молодых учёных и специалистов, посвящённая созданию объединённого аграрного вуза в Москве», Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», 3-4 июня 2015 г.;

- Международный научный форум «Проблемы управления водными и земельными ресурсами», Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», 30 сентября 2015 г.

По результатам диссертационного исследования опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК России.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (96 наименований, в том числе 6 иностранных источников) и 1 приложения. Работа изложена на 233 страницах машинописного текста, иллюстрирована 168 рисунками и 37 таблицами.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЗАЩИТНЫХ, БЕРЕГОУКРЕПИТЕЛЬНЫХ И ПРОТИ-ВОЭРОЗИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ

1.1. Последствия воздействия водной эрозии на различные сооружения

Водная эрозия - это опасный геологический процесс, способствующий разрушению элементов инженерных конструкций, откосов водохранилищ, прудов, отстойников, каналов различного назначения, плотин, дамб и других гидротехнических сооружений, а также откосов автодорог, железнодорожных путей и других объектов.

Эрозионные процессы делятся на следующие типы:

- капельная эрозия представляет собой разрушение грунта падающими каплями дождя. Отдельные зёрна грунта сдвигаются под действием кинетической энергии капель и отбрасываются в стороны. На откосах такое перемещение вниз происходит на значительные расстояния. При этом, падая обратно на поверхность, зёрна почвы попадают на созданную водой плёнку, что способствует их дальнейшему перемещению. Такой тип водной эрозии характерен для влажных тропиков и субтропиков;

- плоскостная эрозия предполагает вынос верхнего слоя грунта на откосах и склонах потоком воды. Последствия данного типа водной эрозии, как правило, не являются катастрофическими, поскольку имеют малые масштабы. В результате плоскостной эрозии происходит вынос зёрен грунта из одной зоны участка и их оседание в другой зоне;

- овражная эрозия характеризована наличием временных потоков воды в бороздах линейно-вытянутой формы (балка, склон и др.). При интенсивном воздействии дождевых вод образуются овраги различных габаритов. Постепенное увеличение масштабов данного воздействия может привести к катастрофическим последствиям.

- линейная эрозия, как правило, возникает на небольших участках и приводит к расчленению земной поверхности. Данный процесс характерен для долин рек. Он приводит к нарушению грунтового слоя берегов.

Ниже представлены фотоснимки с последствиями различного характера в результате воздействия водной эрозии на сооружения.

Воздействие водной эрозии на берега рек и откосы водных объектов

Рис 1.1. Размыв правого берега Рис 1.2. Последствия размыва

реки Обь в черте г. Колпашево набережной, г. Алушта, Крым

Размыв сельскохозяйственных угодий

Рис 1.3. Эрозия в полях

Рис 1.4. Овражная эрозия

Рис 1.5. Образование оврага

Разрушение подпорных грунтовых гидротехнических сооружений Откосы любой грунтовой насыпной плотины или дамбы могут получить два варианта повреждений в результате воздействия водной эрозии - размыв верхового откоса при динамическом волновом воздействии и повреждения низового откоса интенсивными дождевыми потоками, а также талыми водами. Это может привести к частичному разрушению элементов сооружения, к изменению физико-механических параметров слагающих его грунтов и понижению устойчивости откосов, может способствовать прорыву водного потока через ослабленную зону, образованию прорана и последующему разрушению грунтового сооружения.

Рис 1.6. Образование прорана дамбы на реке Мураниха, Московская область

Рис 1.7. Последствия разрушения плотины на Колташинском водохранилище, Свердловская область

Рис 1.8. Разрушение дамбы в результате размыва

Рис 1.9. Зона прорана частично разрушенной плотины

Рис 1.10. Повреждённая дамба резервуара с красным шламом, г. Айка («Мёртвый город»), Венгрия

Рис 1.11. Результаты воздействия водной эрозии на водосброс гидроузла

Разрушение откосов автодорог и железнодорожных путей Нередки случаи повреждения откосов дорог различных категорий под действием водной эрозии с частичным или полным разрушением самого дорожного полотна. Причина возникновения размывов - обильные сконцентрированные ливневые и талые потоки, воздействие которых в короткие сроки приводит к повреждениям и деформациям откосов.

Рис 1.12. Разрушение водной эрозией автодороги, США

Рис 1.13. Последствия интенсивной водной эрозии на автодороге

Рис 1.14. Повреждения откоса автодороги ливневыми стоками, Владивосток

Рис 1.15. Повреждения автодороги интенсивной водной эрозией, Владивосток

Рис 1.17. Оползание откоса железнодорожного пути в результате его подмыва у основания, США

1.2. Краткий обзор существующих противоэрозионных креплений

Процесс водной эрозии обусловлен различными, часто взаимосвязанными факторами. Среди них выделяют четыре основных группы: гидрологические, геологические, гидродинамические и техногенные. Для каждого конкретного объекта влияние того или иного фактора различно. В связи с этим берегозащитные и берегоукрепительные мероприятия представлены в довольно широком диапазоне [45].

В настоящее время имеется множество материалов и технологий, используемых в инженерно-строительных и природоохранных целях, как в нашей стране, так и за рубежом. К самым распространённым видам креплений можно отнести следующие: биологические, каменные, бетонные и железобетонные, цементо-грунтовые, асфальтобетонные, геосинтетические.

К биологическим креплениям относятся конструкции с применением плетнёвых клеток, заполненных камнем, плетнёвых заборов, посева трав и кустарников с глубокой и крепкой корневой системой, фашин и других материалов биологического происхождения.

Рис 1.18. Плетнёво-каменное крепление: а) - в виде вязанной стенки, б) - в виде укреплённого откоса

Рис 1.19. Укрепление откосов посевом трав: 1 - слой чернозема; 2 - борозда

тт.

Рис 1.20. Фашинное укрепление откосов: 1- фашины d = 0,2-0,3 м; 2 - колья длиной 0,8-1,2 м

Каменно-набросные крепления являются наиболее распространёнными и долговечными. Выделяются следующие разновидности этого типа:

- каменная наброска или отсыпка камня,

- каменное мощение,

- габионные конструкции.

Рис 1.21. Укрепление откосов каменной наброской

Упо)чтИ блок

Рис 1.22. Укрепление откосов каменным мощением

Габионные конструкции зарекомендовали себя как качественное, прочное и долговечное крепление откосов. Габионы — это гибкие конструктивные элементы, представляющие собой ящики различной формы, заполняемые камнем. Ящики изготавливаются из стальной оцинкованной проволоки, переплетённой в шестигранные ячейки.

Рис 1.23. Конструкция коробчатых Рис 1.24. Укрепление откоса габионны-габионов ми матрасами

Рис 1.25. Пример укрепления откоса реки габионной конструкцией

Бетонные и железобетонные крепления чаще всего применяются в укреплении каналов, откосов грунтовых подпорных сооружений; выполняются в виде подпорных стен, свайных рядов, сборных или монолитных плит, массивов, блоков, ящиков, рам, гибких тюфяков.

Рис 1.26. Сборная ячеистая бетонная плитка

Рис 1.27. Сборное железобетонное крепление

В)

Рис 1.28. Укрепление откосов подпорными стенами: а) массивные подпорные стенки; б) тонкие железобетонные подпорные стенки; в) тонкие анкерные железобетонные подпорные стенки

Рис 1.29. Крепление бетонными тетраподами: 1 - тетраподы; 2 - каменная постель; 3-камень; 4 - щебень; 5 - песчано-гравийная смесь; 6 - песок

Цементогрунтовые крепления - защитные покрытия с применением в грунте вяжущих. Обычно используются для создания противоэрозионной защиты поверхности откосов и устройства водонепроницаемого покрытия на бермах [8]. Различают укрепление набрызг-материалами и специальными экранами с применением полимерной плёнки.

2

77-7Г

77

Рис 1.30. Экран из полимерной пленки: 1-полимерная пленка; 2-защитный слой грунта

Асфальтобетонные крепления делятся на сборные и сплошные. Асфальтобетонные противоэрозионные покрытия из сборных элементов используются для защиты подтопляемых частей откосов и состоят из двух слоев, между которыми присутствует армирующая сетка. Гибкое асфальтобетонное крепление используют как цельное полотно, изготавливаемое в заводских условиях, а в некоторых случаях непосредственно на месте производства укрепительных работ. Такие конструкции делят на гибкие битумные мембраны, асфальтобетонные покрытия, асфальтовые маты, экраны [8].

а}

Рис 1.31. Асфальтобитумные тюфяки: а) - подводная часть покрытия; б) -размотка тюфяка с барабана; 1,2 - асфальтобетонные тюфяки; 3 - барабан; 4 - плавучий кран

Геосинтетические материалы (геосинтетики) - это группа материалов, предназначенных для улучшения механических характеристик укрепляемых грунтов.

Одна из составных частей геосинтетических креплений представлена полимерным материалом. По своим свойствам такие материалы наиболее применимы в сфере обеспечения защиты объектов окружающей среды, а также в гидротехническом, дорожном, промышленном и гражданском строительстве.

Данная группа материалов имеет большое количество наименований. В нормативных документах [25,58] подробно представлена классификация данных материалов по выполняемой ими функции. Противоэрозионными являются 4 группы:

- геополотна - сплошные геосинтетические материалы, сплетённые из волокон, нитей и лент по текстильной технологии (см. рис. 1.32);

- геосетки - геосинтетические материалы, имеющие сквозные ячейки как правило квадратной формы, размеры которых превышают толщину рёбер (см. рис. 1.33);

- георешётки - пространственные ячеистые конструкции, образованные из плоских лент, соединенных между собой швами. Как правило, высота модуля георешётки соизмерима с размерами её ячеек (см. рис. 1.34);

- геоматы - проницаемые пространственные конструкции из полимерных нитей или других элементов (синтетических или природных), объединённых механическим, термическим, химическим или другими способами (см. рис. 1.35).

Рис 1.32. Геосинтетическое полотно Рис 1.33. Геосинтетическая сетка

Рис 1.34. Геосотовый объёмный мате- Рис 1.35. укрепление откоса

риал (георешётка) геоматами

Дополняют данный список геосинтетические оболочки, представляющие собой ёмкости из геосинтетического материала для заполнения грунтом или другими строительными материалами и создающие замкнутые объемные элементы. Такой тип крепления откосов получил распространение не так давно. Обоснование применения и методика расчёта данного типа крепления низовых откосов переливных плотин представлены в работе М.В. Родионова [71]. Предложенная им конструкция основана на использовании геосинтетических оболочек в качестве элементов крепления гребня, низового откоса, нижнего бьефа и элементов сопряжения водосброса с берегами и участками глухой грунтовой плотины. В работе [71] указаны преимущества данных конструкций по сравнению с ранее существующими.

Рис 1.36. Схема переливной плотины с использованием крепления геосинтетическими оболочками [71]: 1 - тело переливной грунтовой плотины; 2 - верховой откос; 3 - порог; 4 - подошва плотины; 5 - низовой откос; 6 - армирующая сетка; 7 - анкерные устройства; 8 - элементы крепления; 9 - гибкие оболочки; 10 - замкнутая часть армирующей сетки; 11 - протяженная часть армирующей сетки

1.3. Обзор конструкции объёмной полимерной георешётки

Объёмная георешетка - это ячеистая конструкция, изготавливаемая из полимерных лент, соединённых между собой линейными швами, расположенными в шахматном порядке. Размеры ячеек георешётки в плане и высота конструкции различаются в широком диапазоне в зависимости от поставленных перед ней задач. Ленты могут быть как перфорированными (см. рис. 1.38), так и сплошными (см. рис. 1.37). Перфорация делает конструкцию более водопроницаемой, что снижает последствия от чрезмерного воздействия водной среды.

Рис 1.37. Георешётка со сплошной Рис 1.38. Георешётка с перфориро-

полимерной лентой ванной полимерной лентой

1.3.1. Области применения объёмной полимерной георешётки

Области применения объёмной полимерной георешётки из года в год расширяются и её объемы производства значительно увеличиваются. Конструкции с применением георешёток широко используются при строительстве на нестабильных грунтах: болотах, слабых минеральных грунтах и на оттаивающих грунтах в зоне вечной мерзлоты.

Георешётка применяется в следующих областях:

- дорожное строительство. Основной проблемой автодорог является увеличение их загруженности, как следствие, повышенное воздействие транспортного потока на дорожное полотно. Георешетка позволяет уменьшить толщину дорожной

одежды на 30-50% по сравнению с традиционной конструкцией, а также предотвращает пучение и образование дорожной колеи;

- железнодорожное строительство. В настоящее время во многих странах при строительстве железных дорог применяют георешетку. В основном, ее используют для армирования грунтов земляного полотна, а также для укрепления откосов. Если в основании железнодорожного пути залегают слабые органические или ор-ганоминеральные грунты, то для распределения нагрузки от подвижного состава на большую площадь в подстилающий слой помещают георешетки с заполнителем;

Рис 1.39. Армирования георешёткой Рис 1.40. Армирования георешёткой

основания дороги опоры железнодорожного моста

- трубопроводы. Георешётки применяются для создания жёсткого основания под опоры трубопроводов различного назначения, где это необходимо. Данный материал широко используется в нефтяной и газовой промышленности. Также разработанные конструкции применяются для ликвидации размывов откосов дамб обвалования магистральных трубопроводов;

- защита водопропускных сооружений. Опыт применения георешёток в гидротехнической сфере строительства показал, что данный материал позволяет обеспечить необходимую защиту от размыва откосов и дна каналов различного назначения, кюветов, канав, водоотводных валов, а также перепадов, быстротоков и других водных объектов. Благодаря гибкости георешетки возможно создание укрепления, которое повторяет конфигурацию русел и склонов.

Рис 1.41. Укрепление георешёткой Рис 1.42. Укрепление защитной грунто-грунтовой опоры трубопровода вой насыпи газового трубопровода

Рис 1.43. Укрепление георешёткой во- Рис 1.44. Укрепление георешёткой дна досборной канавы и откосов гидротехнического канала

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баранов Евгений Викторович, 2016 год

- - 1-4

Длина расчётного участка Li, м 0,3011 0,2886 0,3011

- 0,5897 0,5897

- - 0,8908

Средний гидравлический радиус R, м 0,0139 0,0120 0,0119

- 0,0129 0,0130

- - 0,0138

Средняя скорость на участке $ср, м/с 0,5480 0,6360 0,6415

- 0,6030 0,5865

- - 0,5535

Потери энергии на участке Дhтр, м 0,1331 0,1243 0,1401

- 0,2574 0,2644

- - 0,3975

Гидравлический уклон J 0,442 0,431 0,465

- 0,437 0,448

- - 0,446

Коэффициент Шези С, м0,5/с 6,985 8,832 8,615

- 8,042 7,695

- - 7,054

Число Фруда Fr 2,199 3,425 3,520

- 2,878 2,706

- - 2,263

Определение коэффициента шероховатости n

По зависимости Агроскина И.И. 0,0249 0,0232 0,0232

- 0,0239 0,0241

- - 0,0248

По зависимости Павловского Н.Н. 0,0349 0,0303 0,0306

- 0,0321 0,0329

- - 0,0347

По зависимости Гангилье-Куттера 0,0336 0,0274 0,0278

- 0,0298 0,0308

- - 0,0333

По зависимости Маннинга 0,0702 0,0542 0,0555

- 0,0602 0,0630

- - 0,0694

По зависимости Форхгеймера 0,0609 0,0468 0,0479

- 0,0521 0,0545

- - 0,0602

№ Створа 1 2 3 4 Среднее

Угол наклона откоса а, град 26,57 -

Гуч 1, см 0,0 29,09 58,84 88,08 -

21, см 39,550 26,490 13,130 0,000 -

Ы.факт, см 1,330 1,330 1,073 1,117 1,212

Ьср.факт = Ы.факт соб а, см 1,190 1,190 0,960 1,000 1,085

йср, см/с 64,500 64,600 69,200 64,600 65,725

л/с 7,676 7,687 6,643 6,460 7,117

Глубина потока ^р.расч, приведенная к общему подаваемому расходу 0ср = 7,60 л/с, см 1,420 1,418 1,324 1,418 1,395

Гидравлический радиус Я=Ьср.расч, см 1,420 1,418 1,324 1,418 1,395

Разница между рассчитанной и замеренной глубинами АЬ= Ьср.расч - Ьср.факт, см 0,230 0,228 0,364 0,418 0,310

Глубина Ы.расч = Ь ср.расч / соб а, см 1,587 1,584 1,479 1,584 1,559

Удельная энергия сечения Еуд, см 3,856 3,860 4,091 3,860 -

Полная удельная энергия Еполн, см 43,406 30,350 17,221 3,860 -

мый расход 9,16 л/с

Обозначение расчётных участков, номера начальных и конечных створов 1-2 2-3 3-4

- 1-3 2-4

- - 1-4

Длина расчётного участка Li, м 0,2909 0,2975 0,2924

- 0,5884 0,5899

- - 0,8808

Средний гидравлический радиус Я, м 0,0142 0,0137 0,0137

- 0,0137 0,0142

- - 0,0142

Средняя скорость на участке $ср, м/с 0,6455 0,6690 0,6690

- 0,6685 0,6460

- - 0,6455

Потери энергии на участке ДЬгр, м 0,1306 0,1313 0,1336

- 0,2619 0,2649

- - 0,3955

Гидравлический уклон J 0,449 0,441 0,457

- 0,445 0,449

- - 0,449

Коэффициент Шези С, м0,5/с 8,089 8,601 8,453

- 8,555 8,096

- - 8,087

Число Фруда Fr 2,993 3,328 3,328

- 3,320 3,000

- - 2,993

Определение коэффициента шероховатости n

По зависимости Агроскина И.И. 0,0243 0,0238 0,0239

- 0,0239 0,0243

- - 0,0243

По зависимости Павловского Н.Н. 0,0325 0,0313 0,0316

- 0,0314 0,0325

- - 0,0325

По зависимости Гангилье-Куттера 0,0305 0,0290 0,0293

- 0,0291 0,0305

- - 0,0305

По зависимости Маннинга 0,0608 0,0569 0,0579

- 0,0572 0,0608

- - 0,0608

По зависимости Форхгеймера 0,0528 0,0493 0,0502

- 0,0496 0,0527

- - 0,0528

№ Створа 1 2 3 4 Среднее

Угол наклона откоса а, град 26,57 -

Гуч 1, см 0,000 30,110 58,970 89,080 -

21, см 40,000 26,480 13,520 0,000 -

Ы.факт, см 1,296 1,475 1,352 1,464 1,397

Ьср.факт = Ы.факт соб а, см 1,160 1,320 1,210 1,310 1,250

-Эср, см/с 62,800 64,800 68,300 62,700 64,650

л/с 7,285 8,554 8,264 8,214 8,079

Глубина потока ^р.расч, приведенная к общему подаваемому расходу 0ср = 7,60 л/с, см 1,589 1,540 1,461 1,592 1,546

Гидравлический радиус Я=Ьср.расч, см 1,589 1,540 1,461 1,592 1,546

Разница между рассчитанной и замеренной глубинами АЬ= Ьср.расч - Ьср.факт, см 0,429 0,220 0,251 0,282 0,296

Глубина Ы.расч = Ь ср.расч / соб а, см 1,776 1,721 1,633 1,778 1,027

Удельная энергия сечения Еуд, см 3,926 4,011 4,177 3,922 -

Полная удельная энергия Еполн, см 43,926 30,491 17,697 3,922 -

мый расход 9,98 л/с

Обозначение расчётных участков, номера начальных и конечных створов 1-2 2-3 3-4

- 1-3 2-4

- - 1-4

Длина расчётного участка Li, м 0,3011 0,2886 0,3011

- 0,5897 0,5897

- - 0,8908

Средний гидравлический радиус Я, м 0,0156 0,0150 0,0153

- 0,0153 0,0157

- - 0,0159

Средняя скорость на участке $ср, м/с 0,6380 0,6655 0,6550

- 0,6555 0,6375

- - 0,6275

Потери энергии на участке ДЫр, м 0,1344 0,1279 0,1377

- 0,2623 0,2657

- - 0,4000

Гидравлический уклон J 0,446 0,443 0,457

- 0,445 0,451

- - 0,449

Коэффициент Шези С, м0,5/с 7,636 8,159 7,838

- 7,958 7,590

- - 7,425

Число Фруда Fr 2,652 3,008 2,865

- 2,872 2,646

- - 2,524

Определение коэффициента шероховатости n

По зависимости Агроскина И.И. 0,0250 0,0245 0,0248

- 0,0247 0,0251

- - 0,0252

По зависимости Павловского Н.Н. 0,0341 0,0327 0,0335

- 0,0332 0,0342

- - 0,0347

По зависимости Гангилье-Куттера 0,0327 0,0308 0,0319

- 0,0315 0,0329

- - 0,0335

По зависимости Маннинга 0,0655 0,0609 0,0635

- 0,0626 0,0659

- - 0,0675

По зависимости Форхгеймера 0,0570 0,0529 0,0553

- 0,0544 0,0574

- - 0,0588

№ точки По Агроскину И.И. По Павловскому Н.Н. По Гангилье-Куттеру По Маннингу По Форхгеймеру

П1 (1-Ш/Пер)2 П1 (1-Ш/Пср)2 П1 (1-Ш/Пср)2 П1 (1-Ш/Пср)2 П1 (1-Ш/Пср)2

1 0,0249 0,0005 0,0349 0,0043 0,0336 0,0082 0,0702 0,0184 0,0609 0,0183

2 0,0232 0,0023 0,0303 0,0058 0,0274 0,0125 0,0542 0,0152 0,0468 0,0163

3 0,0232 0,0020 0,0306 0,0045 0,0278 0,0098 0,0555 0,0105 0,0479 0,0116

4 0,0243 0,0000 0,0325 0,0001 0,0305 0,0001 0,0608 0,0003 0,0528 0,0003

5 0,0238 0,0004 0,0313 0,0019 0,0290 0,0037 0,0569 0,0064 0,0493 0,0065

6 0,0239 0,0003 0,0316 0,0012 0,0293 0,0024 0,0579 0,0041 0,0502 0,0042

7 0,0250 0,0008 0,0341 0,0016 0,0327 0,0038 0,0655 0,0035 0,0570 0,0040

8 0,0245 0,0001 0,0327 0,0000 0,0308 0,0000 0,0609 0,0002 0,0529 0,0002

9 0,0248 0,0004 0,0335 0,0005 0,0319 0,0012 0,0635 0,0008 0,0553 0,0009

10 0,0239 0,0003 0,0321 0,0004 0,0298 0,0012 0,0602 0,0007 0,0521 0,0009

11 0,0241 0,0001 0,0329 0,0000 0,0308 0,0000 0,0630 0,0004 0,0545 0,0003

12 0,0239 0,0004 0,0314 0,0017 0,0291 0,0032 0,0572 0,0056 0,0496 0,0058

13 0,0243 0,0000 0,0325 0,0001 0,0305 0,0001 0,0608 0,0003 0,0527 0,0003

14 0,0247 0,0002 0,0332 0,0002 0,0315 0,0005 0,0626 0,0001 0,0544 0,0002

15 0,0251 0,0009 0,0342 0,0019 0,0329 0,0044 0,0659 0,0044 0,0574 0,0049

16 0,0248 0,0004 0,0347 0,0034 0,0333 0,0064 0,0694 0,0151 0,0602 0,0149

17 0,0243 0,0000 0,0326 0,0000 0,0305 0,0001 0,0608 0,0003 0,0528 0,0002

18 0,0252 0,0014 0,0347 0,0034 0,0335 0,0077 0,0675 0,0086 0,0588 0,0094

Сумма X 0,4379 - 0,5899 - 0,5549 - 1,1128 - 0,9655 -

Пер 0,0243 - 0,0328 - 0,0308 - 0,0618 - 0,0536 -

V N % - 2,4174 - 4,1553 - 6,0182 - 7,2572 - 7,4184

Пмин 0,0232 - 0,0303 - 0,0274 - 0,0542 - 0,0468 -

Пмакс 0,0252 - 0,0349 - 0,0336 - 0,0702 - 0,0609 -

(1 -Пмин/Пмакс) 8,2850 - 13,2979 - 18,5321 - 22,7981 - 23,1705 -

(1-Па/п)100% - - 25,7669 - 21,0809 - 60,6505 - 54,6456 -

В результате ряда расчётов по нескольким наиболее известным предложенным зависимостям ряда исследователей были получены значения коэффициентов шероховатости n для противоэрозионного покрытия, выполненного объёмными полимерными георешётками с крупнозернистым заполнителем фракции 2,0-4,0 см (D50% = 3,1 см).

На основе выполненного анализа была выявлена зависимость значений коэффициента шероховатости n от чисел Фруда потока, как это отмечалось рядом исследователей, в частности А.Д. Альтушем, А.М. Пуляевским, А.М. Калякиным. Таким образом, экспериментально доказано, что значение коэффициента шероховатости n не является постоянной величиной, а зависит, в частности, от состояния

исследуемого потока. В нашем случае, диапазон чисел Фруда Fr = (2,35... 3,77).

0,08

s н о о

Й «

Й о а

(D

в

Ё

(D

s я

S -е -е

о «

0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 Число Фруда Fr

3,6 3,8

О По зависимости И.И.

Агроскина

y = -0,0012x + 0,0282

R2 = 0,6837 О По зависимости Н.Н.

Павловского y = -0,0033x + 0,0431 R2 = 0,9103 ° По зависимости Гангилье-Куттера

y = -0,0044x + 0,0446 R2 = 0,8778 А По зависимости Маннинга y = -0,0112x + 0,0967 R2 = 0,9623

А По зависимости Форхгеймера y = -0,0099x + 0,0844 R2 = 0,9546

Рис. 4.33. График зависимости n=f(Fr)

4

Cредние значения коэффициента шероховатости в исследованном диапазоне крупности каменного заполнителя 2,0.4,0 см при числах Фруда потока в диапазоне Fr = (2,35.3,77) будут равны:

- по зависимости Агроскина И.И.: n = 0,0243;

- по зависимости Павловского Н.Н.: n = 0,0328;

- по зависимости Гангилье-Куттера: n = 0,0308;

- по зависимости Форхгеймера:

Данные значения коэффициентов могут быть применимы в случае, когда укладка камня осуществляется вровень с верхом стенок ячеек согласно технологии производства работ. В иных случаях укладки заполнителя потребуются дополнительные гидравлические исследования противоэрозионного крепления.

Выполнялось сравнение полученных по разным зависимостям значений коэффициента шероховатости относительно минимального значения, полученного по зависимости И.И. Агроскина. Наибольшее расхождение в значениях коэффициентов составило 60,64% (при сравнении значений по И.И. Агроскину и по Ман-нингу). Очевидно, что такое расхождение обусловлено, в первую очередь, отличающимися друг от друга областями применения каждой из предложенных зависимостей (интервалы глубин и уклонов исследуемых авторами водотоков). Этот факт в очередной раз подтверждает то, что при расчётах бурных неглубоких потоков стоит с особой осторожностью подходить к выбору значений коэффициента шероховатости n противоэрозионного покрытия.

Рекомендованное в исследованиях потоков на гидротехнических каналах, укреплённых георешёткой [96] с крупнозернистым заполнителем при D50% =3,1см, значение коэффициента шероховатости по зависимости Маннинга было равно n=0,027. Сравнение данного значения с полученным нами средним значением при исследовании бурного неглубокого потока на водоотводящем откосе n=0,0618, показало их разницу в 56,3%, что в принципе только подтверждает выводы ряда авторов, в частности А.Н. Ахутина [71], А.П. Зегжды [34], А.П. Сидорова [76], А.Я. Слободкина [77], В.И. Полтавцева и В.И. Ефремова [62], А.Д. Альтшуля и А.М. Пуляевского [5], Г.А. Раскопина [69], О.М. Айвазяна [1,2] и А.М. Калякина [40] об особом влиянии характера течения потока и уклонов водотока на параметры гидравлического сопротивления.

Как было сказано ранее, зависимость Н.Н. Павловского была рекомендована для неглубоких водотоков, поэтому её применение в гидравлических расчётах во-

доотводящих откосов является наиболее логичным. Среднее значение коэффициента шероховатости, согласно результатам расчётов по зависимости Н.Н. Павловского, составило n=0,0328. Статистическая обработка полученных экспериментальных данных показала, что разница между рассчитанными минимальным и максимальным значениями коэффициента шероховатости по зависимости Н.Н. Павловского составила 13,3%, среднеквадратичное отклонение составило 4,16%.

Также отметим зависимость И.И. Агроскина, при использовании которой получено среднее значение коэффициента шероховатости n = 0,0243. При статистической обработке значений коэффициента шероховатости, определённых на контрольных участках по зависимости И.И. Агроскина, получена наименьшая разница между рассчитанными минимальным и максимальным значениями коэффициента шероховатости в 8,29% и наименьшее среднеквадратичное отклонение в 2,42%.

Обратим внимание, что применение любой из рассмотренных выше расчётных зависимостей для коэффициентов Шези возможно, но с учётом соответствующего ей полученного значения коэффициента шероховатости n. Считаем, что только такой индивидуальный подход к расчётным зависимостям по определению коэффициентов Шези позволит избежать грубых ошибок в проектировании про-тивоэрозионного крепления водоотводящих откосов и водотоков со значительными уклонами.

Оценка положения расчётной плоскости отсчёта глубин (положения гидравлического дна) осуществлялась с помощью гидрометрического способа [30]. В результате сравнения расхода, полученного с помощью замеров средних скоростей и фактических глубин, и расхода, определённого по мерному водосливу, было выявлено, что значение первого было всегда ниже значения второго. На основе расчётов получено, что средняя разница Ah между фактическими и расчётными глубинами в среднем составила:

Сравнивая экспериментально полученное значение Дh = 0,31 см со средней крупностью исследованного заполнителя D5o% = 3,1 см, рекомендуем принимать для расчётов положение плоскости отсчёта глубин ниже верха камней на величинУ:

^ = 0,1 • D 5о%

(4.5)

о

л

<

03

И «

<и

т

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

О 0 = 7.6 л/с

□ 0 = 9.16 л/с

А 0 = 9.98 л/с

+ Л^р = 0.31 см

№ Створа

Рис. 4.34. Результаты оценки фактического положения плоскости отсчёта глубин относительно верха элементов крепления, представленного объёмной полимерной георешёткой с каменным заполнителем крупностью 2,0-4,0 см (О50о/о = 3,1 см)

В результате расчёта среднего значения гидравлического уклона по трём исследованным расходам было получено равенство J = 1 = 0,447, на основе чего бурный поток на откосе условно можно принять как равномерный.

1

2

3

4

4.2.2. Оценка коэффициента шероховатости для каменного заполнителя объёмной полимерной георешётки в рамках исследованного диапазона крупности в условиях равномерности потока

При обработке графиков $ср = ^общ ), представленных на рис. 4.1 - 4.11, были выбраны значения средних скоростей потока на исследованном участке откоса и соответствующие им подаваемые расходы, которые представлены в табл. 4.9. В таблице также представлены итоги расчётов глубин потока и коэффициентов Шези в условиях равномерного потока (I = 1 = 0,447).

Далее на рис. 4.35 представлен график дср = ^общ ), полученный на основе дополнительных инструментальных замеров средних скоростей потока на укреплённом откосе для фракции заполнителя №1 (2,0-4,0 см, D5o%= 3,1 см).

Результаты расчётов значений коэффициентов шероховатости п для каждой фракции в общем диапазоне крупности 2,0-4,0 см представлены в таблице 4.9.

8 1,10

о н

е .о 0,90 § ^

н

о " о °

9 §

8 ё 0,70

<и «

И

ч

§ 0,50

6 8 10 12 14 16 18 20 22

Подаваемый расход Q, л/с о Микровертушка - - Аппроксимация R2 = 0,9687

Рис. 4.35. Замеры средних скоростей для фракции 2,0-4,0 см (050о/о=3Д см).

Сплошная лента георешётки

В результате расчётов коэффициента шероховатости п при выбранных D50% в общем диапазоне крупности 2,0-4,0 см имел место разброс полученных значений. Такая неравномерность связана с изменяющимися значениями чисел Фруда, которые, как мы выяснили ранее, влияют на значение коэффициента шероховатости. Поэтому на данном этапе гидравлического обоснования противоэрозионной конструкции в виде объёмной полимерной георешётки с каменным крупнозернистым заполнителем в отсутствии обширной экспериментальной базы целесообразно было принять средневзвешенное значение коэффициента шероховатости для исследованного диапазона крупности 2,0-4,0 см. При этом, для более детальной оценки влияния крупности заполнителя на значения коэффициента шероховатости необходимо значительно расширить исследуемые диапазоны крупности, а также увеличить объёмы экспериментальных данных.

* .-а

_ -1 5о О О.

- ® ег 'о '

Таблица 4.9 - Определение коэффициентов шероховатости п в диапазоне крупности заполнителя 2,0-4,0 см

Замеренные величины Расчётные величины Коэффициент шероховатости п

О50% см л/с ^ср, м/с Ьср,расч, м м С, м°,5/с Число Фруда Бг Агроскин ИИ. Павловский Н.Н. Гангилье-Куттер Маннинг Форхгеймер

2,28 6,90 0,520 0,0133 0,0133 6,7519 2,0773 0,0248 0,0353 0,0339 0,0721 0,0624

7,40 0,540 0,0137 0,0137 6,8996 2,1691 0,0249 0,0351 0,0337 0,0709 0,0615

9,00 0,605 0,0149 0,0149 7,4192 2,5082 0,0249 0,0343 0,0329 0,0668 0,0581

- - - - - - 0,0249 0,0349 0,0335 0,0699 0,0606

2,65 7,00 0,600 0,0117 0,0117 8,3085 3,1455 0,0233 0,0310 0,0283 0,0573 0,0494

7,80 0,640 0,0122 0,0122 8,6710 3,4259 0,0233 0,0306 0,0278 0,0553 0,0478

9,00 0,700 0,0129 0,0129 9,2336 3,8849 0,0232 0,0298 0,0271 0,0524 0,0453

- - - - - - 0,0233 0,0305 0,0277 0,0550 0,0475

2,90 10,00 0,640 0,0156 0,0156 7,6580 2,6722 0,0250 0,0341 0,0326 0,0653 0,0568

11,20 0,670 0,0167 0,0167 7,7509 2,7374 0,0253 0,0342 0,0330 0,0652 0,0569

12,00 0,740 0,0162 0,0162 8,6917 3,4423 0,0245 0,0320 0,0302 0,0579 0,0505

- - - - - - 0,0249 0,0334 0,0320 0,0628 0,0547

3,10 11,00 0,700 0,0157 0,0157 8,3521 3,1786 0,0246 0,0326 0,0308 0,0599 0,0522

12,00 0,730 0,0164 0,0164 8,5161 3,3046 0,0247 0,0325 0,0308 0,0592 0,0516

14,10 0,800 0,0176 0,0176 9,0130 3,7015 0,0247 0,0319 0,0302 0,0566 0,0495

- - - - - - 0,0247 0,0323 0,0306 0,0586 0,0511

3,24 12,60 0,780 0,0162 0,0162 9,1792 3,8392 0,0242 0,0311 0,0290 0,0548 0,0477

13,20 0,800 0,0165 0,0165 9,3152 3,9539 0,0243 0,0310 0,0289 0,0542 0,0472

14,20 0,830 0,0171 0,0171 9,4912 4,1047 0,0243 0,0309 0,0289 0,0535 0,0467

- - - - - - 0,0243 0,0310 0,0289 0,0541 0,0472

3,65 16,00 0,840 0,0190 0,0190 9,1034 3,7761 0,0251 0,0322 0,0307 0,0568 0,0497

18,00 0,900 0,0200 0,0200 9,5186 4,1284 0,0250 0,0316 0,0301 0,0547 0,0480

20,00 0,95 0,0211 0,0211 9,7930 4,3699 0,0251 0,0315 0,0300 0,0537 0,0472

- - - - - - 0,0251 0,0318 0,0303 0,0551 0,0483

Средневзвешенное значение пвзв в исследованном диапазоне крупности каменного заполнителя объёмных полимерных георешёток 2,0-4,0 см 0,0246 0,0324 0,0307 0,0596 0,0519

Разница между рекомендованным значением коэффициента шероховатости n=0,0328 по зависимости Н.Н. Павловского и полученным средневзвешенным значением пвзв=0,0324 составила 1,2%. Также в результате сравнения значения коэффициента шероховатости n=0,0243 по зависимости И.И. Агроскина с средневзвешенным значением пвзв=0,0246 получено аналогичное расхождение 1,2%. В связи с такой незначительной разницей окончательно принимаем за рекомендованные значения коэффициента шероховатости n=0,0328 для использования в зависимости Н.Н. Павловского и n=0,0243 - в зависимости И.И. Агроскина. Эти коэффициенты могут быть применимы к объёмным полимерным георешёткам со сплошной лентой и крупнозернистым каменным заполнителем фракции 2,0-4,0 см при числах Фруда потока в интервале Fr = (2,35... 3,77).

4.2.3. Оценка влияния перфорации объёмной полимерной георешётки на значение коэффициента шероховатости

Далее представлены результаты оценки влияния перфорации георешётки на значение коэффициента шероховатости противоэрозионного покрытия при основной исследованной фракции заполнителя 2,0-4,0 см (050%=3,1 см). Для этого был проведён ряд замеров средних скоростей потока в зависимости от общего подаваемого расхода на водоотводящий откос. Также выполнялся замер глубин потока ^ео до верха стенок георешётки.

3

о н о а

s н о о

а

§

о

1,40

1,20

(D

О §

и - 1,00

S «

Я

ч

(D

0,80

- -О

„О- - * т >8-

^ £ и, 2. -о г 5

14

16

18

28

20 22 24 26 Подаваемый расход Q, л/с о Микровертушка ~ _ Аппроксимация

30

32 34 R2 = 0,9803

Для оценки активного расхода при использовании перфорированной георешётки в третьей главе данной диссертационной работы был проведён предварительный расчёт пропускной способности серии отверстий при отсутствии поверхностного потока (граничный момент, после которого начинался перелив потока через стенки георешётки).

Таблица 4.10 - Результаты расчётов пропускной способности перфорирован-

ной объёмной полимерной георешётки

Результаты замеров Результаты расчётов

0общ, Ьгео, Ы = Игес/сОБа, Ъ, Ъ), 0отв, 0акт,

л/с см см см см л/с л/с

2,85 0,00 0,00 4,20 2,87 0,00

5,04 0,66 0,74 4,94 3,12 1,92

7,35 1,04 1,16 5,36 3,25 4,10

9,71 1,31 1,46 4,20 5,66 3,34 6,37

12,00 1,56 1,75 5,95 3,43 8,57

15,45 1,85 2,07 6,27 3,52 11,93

17,47 1,97 2,20 6,40 3,56 13,91

Результаты расчётов в таблице 4.10 представлены графически на рис. 4.37. График позволяет оценить величину активного расхода Оакт при известном общем расходе Ообщ на откосе.

График зависимости значения средней скорости потока от активного расхода представлен на рис. 4.38.

16,00

§ 12,00 а

ч

§ 8,00 Л Л

) Я

3 4,00

Рч «

РЯ Ё

<С 0,00

2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 Подаваемый расход Ообщ, л/с R2 = 0,9999

53 1,40

О

н о

а и

я Ii 1,20

о и о

Q 2 ° о

а л

ае s

ч

(D

1,00

0,80

12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00 26,00 28,00 Активный расход 0акт, л/с R2 = 1

Рис. 4.38. Зависимость средних скоростей потока от величины активного расхода

Результаты расчётов значений коэффициента шероховатости n для перфорированной георешётки и фракции каменного заполнителя 2,0-4,0 см представлены в табл. 4.11, обработка результатов в табл. 4.12.

В результате расчётов были получены значения коэффициентов шероховатости для покрытия с перфорированной георешёткой и каменным материалом фракции 2,0-4,0 см: n=0,0284 по зависимости Н.Н. Павловского и n=0,0232 по зависимости И.И. Агроскина. Сравнивая с принятыми значениями коэффициента шероховатости для сплошной ленты георешётки n=0,0328 по зависимости Н.Н. Павловского и n=0,0243 по зависимости И.И. Агроскина, получаем разницу в 15,5% и 4,74% соответственно. Таким образом, нами экспериментально доказано, что перфорация стенок георешётки оказывает влияние на параметры гидравлического сопротивления исследуемого противоэрозионного покрытия.

С нашей точки зрения, полученное снижение расчётного значения коэффициента шероховатости при наличии перфорации георешётки (см. рис. 3.9) обусловлено уменьшением интенсивности «энергозатратного» перемешивания фильтрационной и поверхностной составляющих активного расхода, т.к. большая часть фильтрационной составляющей разгружается созданными в стенках отверстиями.

Таблица 4.11 - Определение коэффициентов шероховатости п для перфорированной ленты георешётки и исследован-

ной фракции №1 (2,0-4,0 см)

Замеренные величины Расчётные величины Коэффициент шероховатости п

D50% см л/с V м/с ^р,расч, м м С, м°,5/с Агроскин ИИ. Павловский Н.Н. Гангилье-Куттер Маннинг Форхгеймер

3,1 12 0,833 0,0144 0,0144 10,3806 0,0231 0,0286 0,0258 0,0475 0,0413

13 0,865 0,0150 0,0150 10,5536 0,0231 0,0286 0,0258 0,0471 0,0409

14 0,897 0,0156 0,0156 10,7392 0,0232 0,0284 0,0258 0,0465 0,0405

15 0,929 0,0161 0,0161 10,9351 0,0232 0,0283 0,0257 0,0460 0,0401

16 0,961 0,0166 0,0166 11,1396 0,0233 0,0281 0,0256 0,0454 0,0396

Таблица 4.12 - Обработка результатов расчётов коэффициента шероховатости п. Перфорированная лента георешётки,

исследованная фракция №1 (2,0-4,0 см)

№ точки По Агроскину И.И. По Павловскому Н.Н. По Гангилье-Куттеру По Маннингу По Форхгеймеру

Ш (1 -щ/Пер)2 ш (1 -щ/Пер)2 Ш (1-щ/Пср)2 Ш (1-щ/Пср)2 ш (1-Ш/Пср)2

1 0,0231 0,00003 0,0286 0,00004 0,0258 0,00000 0,0475 0,00048 0,0413 0,00038

2 0,0231 0,00000 0,0286 0,00003 0,0258 0,00001 0,0471 0,00015 0,0409 0,00013

3 0,0232 0,00000 0,0284 0,00000 0,0258 0,00000 0,0465 0,00000 0,0405 0,00000

4 0,0232 0,00001 0,0283 0,00001 0,0257 0,00000 0,0460 0,00013 0,0401 0,00010

5 0,0233 0,00001 0,0281 0,00008 0,0256 0,00003 0,0454 0,00059 0,0396 0,00049

Сумма X 0,1159 - 0,1420 - 0,1288 - 0,2325 - 0,2023 -

Пер 0,0232 - 0,0284 - 0,0258 - 0,0465 - 0,0405 -

/ДМЧ)2 % V N - 0,3008 - 0,5685 - 0,2984 - 1,6484 - 1,4794

Пмин 0,0231 - 0,0281 - 0,0256 - 0,0454 - 0,0396 -

Пмакс 0,0233 - 0,0286 - 0,0258 - 0,0475 - 0,0413 -

1 -Пмин/Пмакс 0,8250 - 1,5380 - 0,8105 - 4,5384 - 4,0768 -

(1-Па/п)*100% - - 18,3672 - 10,0183 - 50,1429 - 42,7182 -

4.3. Результаты анализа зависимости коэффициента гидравлического сопротивления противоэрозионного покрытия с применением объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем от относительной шероховатости водотока

Далее представлены результаты анализа рассчитанных значений коэффициентов Шези и гидравлического сопротивления на основе исследований открытых водотоков с противоэрозионным покрытием в виде георешёток со сплошной лентой и крупнозернистым заполнителем. За основу брались результаты гидравлических исследований:

- гидротехнических каналов с малыми уклонами, Канадской центр внутренних вод, 1987 год [96];

- водоотводящих откосов и водотоков со значительным уклоном, проведённых автором данной диссертационной работы.

Определяющей точкой на графике зависимости Лгео_ Г (р50%) стали представленные в пункте 4.2.1. данной главы диссертационной работы результаты оценки положения плоскости отсчёта глубин на основе лабораторных исследований неглубоких потоков для заполнителя фракции 2,0-4,0 см (см. рис. 4.34). Учитывая имеющиеся рекомендации ряда авторов [55, 63, 64] о зависимости величин Л и Л^ а также полученное нами равенство (4.5), делаем вытекающий из них вывод:

Лз,1см = (0,4 ... 0,5) • D50o/o « 0,45 • D5o% = 1,4 см (4.6)

Величина шероховатости Дгео для других рассмотренных крупностей заполнителя георешётки, как было сказано ранее, принималась условно таким образом,

чтобы график логарифмической зависимости = f (1^-—) приобретал

^гео

наибольшую точность при аппроксимации экспериментальных данных.

В таблице 4.13 представлены использованные в подборе и расчётах экспериментальные данные.

Таблица 4.13 - Результаты расчёта значений коэффициентов гидравлического сопротивления противоэрозионного покрытия в виде объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем

Название проведённых гидравлических исследований Средняя крупность заполнителя О50%, см Гидравлический радиус ^ср, см Коэффициент Шези Сср, м°,5/с Коэффициент гидравлического сопротивления

Исследования водоотводящих откосов, 2014 г. 3,1 1,41 7,984 0,308

1,6 1,06 7,588 0,341

2,28 1,40 7,024 0,398