Научное обоснование мелиораций малых водоемов и их инженерной защиты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, доктор технических наук Белов, Виктор Александрович

• Белов, Виктор Александрович
• доктор технических наук
• 2001

Оглавление диссертации доктор технических наук Белов, Виктор Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ОБОСНОВАНИЕ

МЕЛИОРАЦИЙ МАЛЫХ ВОДОЁМОВ

1.1. Состояние проблемы использования местных водных Ресурсов.

1.2. Характеристика и классификация малых водоёмов.

1.3. Роль и значение малых водоёмов.

1.4. Характеристика инженерно-геологических условий размещения малых водоёмов.

1.5. Обоснование целесообразности мелиораций малых водоёмов.

1.6. Общая классификация мелиораций малых водоёмов.

1.7. Защита водных ресурсов существующих малых водоёмов от непроизводительных потерь.

1.8. Обоснование целесообразности исследований по решению актуальных проблем малых водоёмов.

Выводы по главе.

2. АНАЛИЗ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ МАЛЫХ ВОДОЁМОВ.

2.1. Отечественные конструкции и способы борьбы с фильтрацией

2.2. Зарубежный опыт снижения фильтрации.

2.3. Анализ защиты малых водоёмов при геодинамических процессах.

2.4. Научное заключение об известных мероприятиях и исследованиях инженерной защиты.

Выводы по главе.

3. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ

МЕРОПРИЯТИЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ.

3.1. Разработка новых и усовершенствованных конструкций экранов из искусственных материалов и технологий их строительства.

3.2. Экранирование местными материалами.

3.3. Выбор противофильтрационных мероприятий.

3.4. Разработка конструкций и технологий строительства диафрагм

3.5. Новая конструкция обратного фильтра из искусственных материалов и способ её выполнения.

3.6. Герметизация отдельных конструктивных элементов гидротехнических сооружений.

3.7. Разработка мероприятий для предотвращения геодинамических процессов.

3.8. Выбор эффективных противооползневых мероприятий.

Выводы по главе.

4. ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ ИНЖЕНЕРНОЙ.З АЩИТЫ МАЛЫХ ВОДОЁМОВ.

4.1. Основные подходы к обоснованию надёжности инженерной защиты.

4.2. Материалы для инженерной защиты и условия их работы

4.3. Проверка работоспособности противофильтрационных конструкций из местных материалов в сложных инженерно-геологических условиях.

4.4. Расчет прочности искусственных материалов и конструкций при многофакторном воздействии.

4.5. К вопросу о прочностной надёжности многослойных конструкций.

4.6. Приближённая оценка надёжности оснований и склонов малых водоёмов.

4.7. Методика расчета и оценка надёжности противофильтрационных конструкций.

4.8. Общая методика оценки уровня фильтрационной безопасности земляных плотин малых водоёмов.

Выводы по главе.

5. ОБОСНОВАНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ И МЕТОДОВ РАСЧЁТА ФИЛЬТРАЦИИ ИЗ МАЛЫХ ВОДОЁМОВ С ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЗАЩИТОЙ.

5.1. Краткий обзор известных решений для определения потерь воды из малых водоёмов.

5.2. Отличительные особенности фильтрации из малых водоёмов.

5.3. Обоснование влияния режимов работы малых водоёмов на процессы фильтрации.

5.4. Прогнозирование процесса фильтрации.

5.5. Обоснование расчётных форм поперечных сечений малых водоёмов.

5.6. Основные допущения и предпосылки при расчёте водопроницаемости экранов.

5.7. Обоснование метода расчета неустановившейся фильтрации.

5.8. Основы расчёта подпёртой фильтрации из малых водоёмов

5.9. Расчёт фильтрационного расхода через повреждение в экране на горизонтальной и наклонной плоскостях.

5.10. О расчёте фильтрационных потерь в зоне влияния нижнего бьефа.

Выводы по главе.:.

6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЁТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ.

6.1. Новый метод расчета фильтрации из малых водоёмов.

6.2. Определение потерь воды через экранируемое ложе.

6.3. Расчёт фильтрации через частично экранируемое ложе.

6.4. Исследование фильтрации через искусственные противо-фильтрационные конструкции земляной плотины.

6.5. Исследование филвтрациив основании гидротехнических сооружений.

6.6. Общая методика расчёта и оценки противофильтрационной защиты.

6.7. Расчёт противооползневой защиты.

Выводы по главе.

7. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕЛИОРАЦИЙ МАЛЫХ ВОДОЁМОВ И ИХ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ.

7.1. Проектирование мелиоративных мероприятий.

7.2. Организация проведения мелиораций малых водоёмов.

7.3. Мелиоративные мероприятия на последней стадии эволюции малых водоёмов.

7.4. Правовая основа мелиораций водных объектов.

7.5. Экономическое обоснование проведения мелиоративных мероприятий

7.6. Экономическое обоснование противофильтрационной защиты

7.7. Экономическая оценка затрат на обеспечение надёжности противофильтрационных конструкций.

7.8. Оценка эффективности противооползневой защиты.

7.9. Опыт внедрения разработанных мероприятий и их эффективность.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научное обоснование мелиораций малых водоемов и их инженерной защиты»

Важное место в современной природной, природно-техногенной и техногенной гидрографической сети степной й лесостепной зон России занимают естественные или искусственно созданные малые водные объекты (малые водоёмы). В зонах с неразвитой речной сетью такие водоёмы, аккумулирующие местные водные ресурсы (преимущественно атмосферные осадки), являются весьма эффективным, а в ряде случаев и безальтернативным (единственным) источником потребляемой и используемой пресной воды. Многие водоёмы для своего создания не требуют значительных инвестиций, но позволяют удовлетворять самые различные (производственные, рекреационные, природоохранные, эстетические и др.) социальные потребности общества. Во многом от их устройства и инженерной защиты зависит рациональное использование водных ресурсов.

Малые водоёмы принадлежат к одним из простейших и издревле широко используемых человеком водных объектов. За длительный исторический период использования, обустройства естественных и создания искусственных малых водоёмов, они стали неотъемлемой частью многих ландшафтов. Они выполняли и продолжают выполнять значительную роль в жизни людей как составляющие элементы их хозяйственной деятельности, как элементы окружающей природной среды, как зоны отдыха, как источники водных ресурсов, как объекты для производства и добычи потребляемых обществом продуктов и сырья, как натурные эстетические привлекательные элементы природы и многое другое.

Их повсеместное распространение, простота устройства, возможность создания практически в любых условиях при относительно небольших затратах средств и времени объясняют их массовое строительство, использование и применение в самых различных природно-климатических зонах.

По состоянию на 1990 год только в Европейской части России учтено более 42 тысяч малых водоёмов, хотя реальное их количество значительно больше. Многие из малых водоёмов построены более 20-70 лет назад. Часть из них строилась "туземным" спосббом без проектно-сметной документации, часть малых водоёмов являются бесхозными, на подавляющем большинстве из них десятками лет не велись уходные и ремонтные работы. В настоящий период насчитывается более 70 % малых водоёмов, исчерпавших все возможные допустимые сроки функционирования.

Данное обстоятельство, а также возрастающие потребности общества в природных ресурсах и их экономном использовании вызывают настоятельную необходимость в различного рода улучшениях малых водоёмов. Без проведения комплексных мелиораций многих малых водных объектов вскоре можно столкнуться с проблемой их массового выхода из строя и возможными негативными последствиями воздействия на прилегающую территорию и условия жизнеобеспечения населения. Необходимость в проведении различного рода мелиораций возникает как на предполагаемых к строительству, так и на существующих малых водоёмах в целях улучшения условий для рационального использования их природных ресурсов, увеличения и расширения спектра их возможностей, продолжения периода их функционирования, восстановления, "оздоровления", "окультуривания", "обустройства" или ликвидации по завершении их жизненного цикла и полном исчерпании ресурса.

За длительную историю создания и использования малых водоёмов была разработана достаточно развитая система научного обоснования. Различным аспектам проблем проектирования, строительства и эксплуатации малых водоёмов, использования их водных ресурсов, посвящены работы А.Б. Авакяна, М.Н. Багрова, В.Е. Веденяпина, C.JI. Вендрова, H.H. Веригина, В.А. Волосухина, A.A. Гельфера, В.В. Докучаева, Н.И. Дрозда, К.А. Дроздова, А.Д. Дубаха, A.C. Евстигнеева,

Н.Т. Кавешникова, Т.П. Кашариной, А.Е. Косолапова, Ю.М. Косиченко, С.А. Кремеза, A.B. Караушева, А.Д. Кононенко, Н.М. Кузьменко, B.C. Лапшенкова, К.Н. Лисициной, Г.В. Лопатина, М.И. Львовича, В.И. Минкина, Ю.В. Мирошниченко, А.И. Молдованова, И.У. Палимпсе-стова, А.Н. Попова, М.Я. Прытковой, Б.А. Пышкина, И.В. Семенцова, И.Н. Сорокина, В.М. Смолянинова, И.П. Сухарева, Е.М. Сухаревой, Н.С. Тимченко, A.M. Черняева, В.Н. Шкуры, А.Д. Шабанова, В.М. Широкова и др.

Исследования фильтрации, прочности и устойчивости грунтовых плотин, устраиваемых на водохранилищах и малых водоёмах, нашли отражение в работах К.Н. Анахаева, М.М. Гришина, И.С. Румянцева, Л.Н. Рассказова, И.М. Васильева, Г.Н. Покровского, В.П. Недриги, A.A. Ничипоровича, P.P. Чугаева, В.Н. Жиленкова, А.Л. Можевитинова и других.

Вместе с тем, ряд вопросов использования малых водоёмов, их инженерных мелиораций и инженерной защиты нуждаются в дальнейшем развитии. Среди таких вопросов: разработка комплексного подхода к мелиорации малых водоёмов; разработка и обоснование улучшенных мер противофильтрационной и противооползневой защиты малых водоёмов в связи с широким внедрением искусственных материалов в гидротехническое строительство и сложными условиями производства и эксплуатации.

Многие вопросы инженерных, растительных, химических, водных, воздушных, зоологических и других видов мелиораций усилиями таких известных ученых и специалистов как H.A. Алексеев, З.С. Голубев, Т.Г. Глыбин, М.С. Григоров, М.И. Долголевич, В.М. Ивонин, В.Т. Каплин, А.Н. Костяков, A.C. Козменко, И.П. Кружилин, B.C. Лапшенков, H.H. Маслов, A.A. Молчанов, Ю.П. Правдивец, Е.И. Романов, B.C. Ротов-ская, И.С. Румянцев, И.П. Сухарев, Г.А. Харитонов, В.Н. Шкура, Б.А. Шумаков^ , Б.Б. Шумаков, В.Н. Щедрин, В.К. Шишкин, и другие в значительной степени разрешены, но рассогласованность и не комплексность мелиоративных воздействий не позволяет получить желаемых результатов улучшения условий использования природных ресурсов малых водоёмов и повышения их потребительских свойств. Именно это обстоятельство и определяет актуальность разработки системного подхода к комплексным мелиорациям малых водоёмов.

Особое место в ряду мелиораций малых водных объектов занимает их противофильтрационная защита. Потери на фильтрацию из них в среднем достигают 14 %, а в особо неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях до 60-80 % от общего объема накапливаемых водных ресурсов. Из-за высоких фильтрационных потерь от 3 до 18 % малых водоёмов в ЦЧО и Поволжье через 2-3 месяца остаются полностью без воды. Проблемы противофильтрационных мелиораций актуализирует то обстоятельство, что всё большее количество малых водоёмов приходится и придётся в перспективе создавать во всё более неблагоприятных в фильтрационном отношении гидрогеологических условиях. Актуальной остаётся проблема проведения на малых водоёмах противооползневых инженерных мелиораций, особенно при устройстве грунтоплёночных экранов.

Для снижения фильтрации и борьбы с оползнями на малых водоёмах существует целый ряд способов и конструктивных решений инженерной защиты, которые не всегда являются эффективными, часто требуют значительных затрат, имеют небольшой срок службы, загрязняют окружающую среду, а поэтому в большинстве случаев не могут быть признаны экономически или экологически целесообразными. В связи с этим возникает необходимость в ревизии и усовершенствовании известных, а также в разработке и обосновании новых конструкций и технологий, обеспечивающих надёжность инженерной защиты в различных инженерно-геологических условиях.

Актуальность работы обусловлена необходимостью обеспечения целенаправленного улучшения или сохранения состояния и потребительских свойств малых водоемов. Это позволит эффективно и рационально использовать местные водные ресурсы, увеличить площадь орошаемых земель и, соответственно, объем сельскохозяйственной продукции, сократить денежные средства на мелиорацию земель и другие хозяйственные нужды, обеспечить экологическую безопасность окружающей природной среде.

Основные результаты исследований, приводимые в работе, получены при выполнении госбюджетной НИР по проблемам 3.1.2.1 (Гр. 018.80.057042) "Разработать гидравлические и фильтрационные методы расчета облицованных каналов и водоемов и методику оценки их надежности в различных условиях эксплуатации" и "Разработать научные основы и практические методы создания ресурсосберегающих технологий и экологически безопасных мелиоративных систем, объектов сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения в условиях Северного Кавказа .

Целью работы является разработка и обоснование комплексных мелиораций малых водоемов и их инженерной защиты для рационального и эффективного использования водных ресурсов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Обосновать необходимость проведения комплексных мелиораций малых водоемов и их инженерной защиты.

2. Разработать и обосновать улучшенные конструкции и технологии выполнения инженерной защиты.

3. Установить область надежной работы предлагаемой инженерной защиты и предложить методику расчёта надёжности отдельных элементов малых водоёмов.

4. Обосновать отдельные факторы и методы расчёта фильтрации из малых водоёмов с противофильтрационной защитой.

5. Разработать методики расчёта противофильтрационной защиты и дать рекомендации по общей методике оценки эффективности противооползневой защиты.

6. Разработать организационно-правовые мероприятия проведения комплексных мелиораций малых водоёмов и инженерной защиты с рекомендациями их экономического обоснования.

Методы исследований. Работа была выполнена путем проведения теоретических, экспериментальных и натурных исследований в течение 1980-2000 гг. Для решения вышеперечисленных вопросов и задач применялись следующие методы: системного анализа для научного обоснования комплексных мелиораций малых водоёмов и их инженерной защиты; анализа и обобщения современных достижений теории и практики в области конструирования, расчётов, проектирования и строительства инженерной защиты малых водоёмов; гидравлические, используемые для расчетов фильтрации, основанные на законе А. Дарси и ламинарном характере режима фильтрации, позволяющие находить необходимые параметры фильтрационного потока с достаточной для инженерных расчетов точностью; гидравлико-гидромеханические, применяемые для определения потерь воды из малых водоёмов с противофильтрационной защитой, путем увязки решений и основных факторов, влияющих на фильтрацию; моделирования характера движения фильтрационного потока через повреждения в противофильтрационном экране на электропроводной бумаге (по методу ЭГДА) и в грунтовом лотке; и моделирования противофильтрационной надежности экранов и их соединений на фильтрационной колонке и пространственной опытной установке; детерминистические и вероятностные, позволяющие оценить надежность инженерной защиты в разных условиях строительства и эксплуатации; экономико-математические для выбора эффективной инженерной защиты и обоснования проведения мелиоративных мероприятий.

Научная новизна работы заключается в том, что: впервые выполнено широкое обобщение природно-экологичес-ких проблем малых водоёмов с обоснованием их решения путём комплексных мелиораций и улучшения инженерной защиты; разработаны мелиоративные мероприятия для защиты водных ресурсов малых водоёмов, располагаемых в различных инженерно-геологических условиях, с рекомендациями их выполнения на стадиях проектирования и строительства; дана оценка работоспособности предлагаемой инженерной защиты при многофакторном негативном воздействии на неё и предложена методика расчёта надёжности отдельных элементов малых водоёмов; обоснованы методы расчёта фильтрации из малых водоёмов с противофильтрационной защитой и ранее не учитываемые факторы, оказывающие влияние на непроизводительные потери воды; разработан новый метод расчёта противофильтрационной защиты и даны рекомендации по общей методике оценки эффективности инженерной защиты; разработан новый подход к проектированию, строительству и эксплуатации малых водоёмов с организационным, правовым и эколого-экономическим обоснованием.

Практическая значимость работы характеризуется тем, что полученные в диссертации результаты открывают новые перспективы в использовании и охране водных ресурсов малых водоёмов.

Предложенные комплексные мелиорации позволяют более чем в два раза увеличить жизненный цикл малых водоёмов, а улучшенные конструкции и технологии — расширить зону гидротехнического строительства, снизить непроизводительные потери воды, повысить надёжность элементов малых водоёмов и защиту окружающей природной среды. Рекомендуемые расчётные зависимости и методики дают возможность достаточно быстро и точно определять общие потери воды из малых водоёмов с противофильтрационной защитой за весь период их работы, выполнять расчёт и оценку инженерной защиты. Разработанные организационно-правовые и экономические мероприятия позволяют более обоснованно с учетом реалий времени проектировать и строить малые водоёмы.

Результаты исследований и разработок использованы в проектах, составленных Тульским отделением института "Мосгипроводхоз", Белгородским отделением института "ЦЧО Гипроводхоз", Ростовским институтом "Гипрозем", проектными группами при Тульском и Ульяновском областных производственных управлениях мелиорации и водного хозяйства.

Внедрение осуществлено на малых водоёмах в совхозах: "Приволье", им. М. Горького, "Яснополянский" Тульской области, колхоза им. Ленина Белгородской области, колхозах "1 Мая", им. Мичурина, "Родина", "Заря" Ульяновской области, совхозе "Светлый путь", отстойниках НЗСП Ростовской области и др.

Для более широкого внедрения результатов исследований в производство разработаны и утверждены научно-техническим советом с управлением экспертизы проектов Минводхоза РСФСР "Рекомендации по применению противофильтрационных экранов из полимерных материалов на оросительных каналах и водоёмах в сложных инженерно-геологических условиях".

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе в пяти лекциях по курсу "Основы мелиораций вод и водных объектов".

Личный вклад в решение проблемы. Диссертационная работа является результатом двадцатилетних научных исследований автора. Постановка проблемы и определение задач для её решения с использованием натурных теоретических и экспериментальных методов исследования, научное обоснование и анализ, формирование всех итоговых выводов осуществлены лично автором диссертации. При разработке, исследовании и внедрении конструкций и технологий принимали участие студенты, инженеры, научные работники под научным руководством и постоянном непосредственном участии автора диссертации. При постановке и решении ряда задач, рассмотренных в диссертации, автор получил ценные советы от доктора технических наук, профессора Косиченко Ю.М. и профессора Шкуры В.Н.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были обсуждены и одобрены: на Всесоюзной конференции "Применение облегчённых конструкций гидротехнических сооружений в водохозяйственном строительстве" (г. Краснодар, 1980), Всесоюзном научно-техническом совещании "Полимерные материалы и научно-технический прогресс в мелиорации и водном хозяйстве" (г. Юрмала, 1980), Всесоюзном научно-техническом совещании "Применение полимерных материалов в мелиоративном строительстве" (г. Елгава, 1982), Всесоюзном научно-техническом совещании "Технология и механизация гидроизоляционных работ промышленных, гражданских и энергетических сооружений" (г. Ленинград, 1982), региональной научно-технической конференции "Рациональное использование орошаемых земель" (г. Новочеркасск, 1979),

Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве" (г. Новочеркасск, 1988), межрегиональной научно-технической конференции "Мягкие и гибкие оболочки в народном хозяйстве" (г. Краснодар, 1990), региональной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования и экологической защищённости мелиоративных систем" (г. Новочеркасск, 1991), научно-технической конференции НИМИ (г. Новочеркасск, 1992), выездной сессии РАСХН (г. Новочеркасск, 1999), научно-практической конференции "Проблемы строительства и инженерной экологии" (г. Новочеркасск, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликована 61 работа, в том числе монография "Противофильтрационные мероприятия на малых водоёмах" и 7 брошюр в виде учебных пособий, лекций, рекомендаций. Основные положения диссертации изложены в центральной печати и ведомственных сборниках, в том числе в журналах "Гидротехническое строительство", 1999; "Мелиорация и водное хозяйство", 1987, 1993, 1999; "Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Технические науки", 2000 и др. Автором получено 19 авторских свидетельств и 2 патента на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация имеет общий объем 495 страниц, включая 109 рисунков и 35 таблиц. Структурно состоит из введения, семи глав, основных выводов и списка литературы из 415 наименований.

Заключение диссертации по теме «Гидротехническое строительство», Белов, Виктор Александрович

Выводы по главе

1. Водные ресурсы занимают значительное место в жизнедеятельности человека. Однако их запасы не безграничны и есть острая необходимость в экономном расходовании и рациональном использовании воды. Особенно это актуально для степных и лесостепных районов России, где водные ресурсы восполняются в основном за счет снеготаяния и дождевых вод и аккумулируются в малых водоёмах. Имеется неотложная потребность и в охране водных ресурсов от загрязнения.

2. Малые водоёмы используются как водоисточники для орошения, водоснабжения, рыборазведения, рекреации, аккумулирования сточных вод и других социально-хозяйственных целей. В России насчитывается более 100 тыс. малых водоёмов, 70 % которых исчерпали допустимые сроки функционирования. Выход их из строя связан с непроизводительными потерями водных и земельных ресурсов, нарушением экологической безопасности. Новое строительство малых водоёмов во многом сопряжено с размещением их в сложных инженерно-геологических условиях.

3. Необходимость проведения мелиоративных работ на существующих и строящихся малых водоёмах вызвана возрастающими потребностями их законных владельцев в извлечении максимальной прибыли из своей собственности и расширением спектра направления водопользования и, в частности, рекреаций. Подавляющее количество имеющихся водных объектов нуждается в инженерном и эстетическом обустройстве, расчистке от отложений, мусора, растительности и продуктов внутриводных процессов, укреплении берегов, залесении, очистке воды, ликвидаций мелководий и других мелиоративных воздействиях.

4. Многие виды мелиоративных мероприятий для водных объектов в достаточной мере разработаны, но для малых водоёмов не применяются или применяются редко и не в комплексе. В плане частичного решения этой проблемы разработаны и предлагаются новые термины и понятия в области мелиораций малых водоёмов, впервые предложена общая их классификация, определены цель и задачи мелиораций малых водоёмов.

5. Особое место в мелиорации малых водоёмов занимает такое мелиоративное мероприятие как инженерная защита. На малых водоёмах в отличие от водохранилищ она предотвращает непроизводительные потери воды, защищает элементы водного объекта от повреждений, обеспечивает экологическую безопасность окружающей природной среде. От её надеж

69 ности во многом зависит жизнедеятельность малого водоёма. Проведенные натурные исследования на существующих водных объектах, возрастающие требования к охране и использованию природных ресурсов, а также ухудшающиеся условия строительства обязывают проведение дальнейших научных исследований по улучшению инженерной защиты малых водоёмов.

2. АНАЛИЗ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ МАЛЫХ ВОДОЁМОВ

2Л. Отечественные конструкции и способы борьбы с фильтрацией

2ЛЛ. Экранирование

В настоящее время предложено много различных конструкций и способов борьбы с фильтрацией, которые можно разделить на две группы:

1) мероприятия, уменьшающие водопроницаемость самого грунта ложа малого водоёма;

2) мероприятия, предусматривающие устройство искусственной изоляции малого водоёма.

Ниже дана их характеристика.

Солонцевание. Сущность метода, предложенного академиком А.Н. Соколовским в начале тридцатых годов, заключается в использовании водно-физических свойств солонцов [112, 128, 219]. Солонцы обладают очень плохой водопроницаемостью по причине наличия в них поглощенного натрия. Последний, находясь в поглощающем комплексе почвы, придает ей высокую гидратационную способность из-за чего солонцы при соприкосновении с водой сильно набухают. При этом мощные водные оболочки вокруг почвенных частиц ослабляют связь между отдельными частицами и это влечет за собой другое свойство солонца — высокую степень его дисперсности. В результате указанных свойств высокодисперсная почва полностью теряет "активную" межагрегатную порозность, а мелкие поры между тончайшими дисперсными частицами почвы заполняются водой, прочно связанную с поверхностью этих частиц, и не пропускают гравитационную воду.

Солонцевание грунта чаш прудов производилось из расчета 3-5 кг соли на 1 м2 по методу почвенных лабораторий ВНИИГиМ и АН УССР; рыхление грунта на глубину 30-45 см, рассев соли, заделка ее в грунт боронованием, уплотнение пятитонными катками-за 6-10 проходов.

Стоимость 1 га экрана в денежных знаках 1947 г. составляла 250-400 руб. Она зависит в основном от количества вносимой соли, ее цены и транспортных расходов.

Способ солонцевания является исключительно требовательным в отношении качества работы и может дать противофильтрационный эффект в том случае, если достигнуто создание сплошного солонцованного слоя. Примером может служить труд в колхозе им. Маленкова Орловского района Орловской области. Там в 1951 г. было проведено солонцевание ложа пруда. Все работы проводились поздней осенью при неблагоприятных погодных условиях. Вспаханная поверхность не поддавалась рыхлению и огромные куски плотной дернины остались неразрушенными. Солонцевание нормой соли 4 кг/м2, произведенное на такой поверхности, эффекта не дало. Весной 1952 г. пруд наполнился водой до отметки НПУ на глубину 5 м, но потерял всю воду почти так же быстро, как и до солонцевания [87].

К недостаткам этого метода следует отнести также и то, что требуется значительное количество соли, при освобождении от воды грунт растрескивается, теряя тем самым водонепроницаемость, имеет низкую эффективность при карстово-суффозионных процессах и, самое главное, является экологически грязным.

Эффект солонцевания сохраняется в течение первых 2-3 лет, в дальнейшем он снижается и для сохранения противофильтрационного действия необходимо повторное солонцевание [64, 131].

Оглеение. Искусственное оглеение впервые было предложено ГрузНИИГнМом, к использованию которого он приступил в 1948 г. [80]. Суть мероприятия заключается в искусственном развитии восстановительных (раскислительных) биохимических процессов растительных веществ в естественном грунте. По мере разложения прослойки органического вещества в условиях полного насыщения водой и высокой температуры, рас-кислительные процессы оглеения распространяются в толщу подстилающего грунта по направлению фильтрационного потока. Созданный таким образом в течение нескольких месяцев малопроницаемый слой уменьшает водопроницаемость естественных грунтов вследствие нарушения структуры грунта, повышения его дисперсности, пластичности и уменьшения аг-регированности. Следует отметить, что основной эффект оглеения определяется не столько водоупорностью прослойки с растительными веществами, сколько воздействием продуктов его разложения на свойства нижележащих слоев естественного слоя.

Оглеение проводится, как правило, на водоемах-копанях. Для этого вначале механизмами снимается грунт, а затем укладываются растительные вещества толщиной 7-10 см. В качестве растительных веществ чаще всего применяют солому, расход которой 2,5-5 кг на 1 м2. Сверху на растительность отсыпается защитная пригрузка, которая своей толщиной регулирует выделение газов, способствующих оглеению.

Такой биотехнический экран позволяет снизить водопроницаемость естественных грунтов в 68-315 раз, что вызывает различные мнения по этому поводу [1, 125,159].

Стоимость 1 м2 данного экрана в денежных знаках 1961 г. составляет 2,4 руб. [125].

Как было сказано выше, оглеение можно выполнить качественно лишь при постоянном наличии воды и жаркого климата в предэксплуатационный период. Это возможно осуществить только на водоемах-копанях и на юге страны. При этом экран достигает своей проектной эффективности по истечении трех месяцев. В качестве отрицательного примера можно привести строительство водоема в колхозе им.' Шаумяна Георгиевского района Ставропольского края, где пока происходило оглеение были подтоплены земельные участки и подвалы. Это вызвало негативное отношение сельчан к проводимому мероприятию. Трудоемким процессом для строителей является раскладка вручную соломы, которой и без этого на юге страны не хватает.

В случае отсутствия воды такой экран теряет свои противофильтра-ционные свойства. Он не эффективен в сложных инженерно-геологических условиях.

Таким образом, оглеение имеет целый ряд недостатков, ограничивающих его широкое применение.

Механическое уплотнение. Одним из основоположников уплотнения грунтов является профессор А.Ф. Лебедев [202]. В дальнейшем, применительно к гидромелиоративному строительству, этот метод был развит ГрузНИИГиМом, ВНИИГиМом и НИИ геологии МГУ [320, 341].

В основу способа уплотнения положено снижение числа пор, а также уменьшение их размеров за счет перемещения и сближения друг с другом грунтовых частиц. Для этого при однослойном укатывании грунт предварительно разрыхляют на глубину 30-45 см, увлажняют, а затем укатывают катком за 8-12 проходов. При двухслойном укатывании выполняется рыхление грунта, вывозка разрыхленного грунта скреперами за пределы участка экранирования, вторичное рыхление обнажившегося грунта, его увлажнение и уплотнение, завоз ранее разработанного грунта на прежнее место, его разравнивание, увлажнение и укатывание.

Оптимальная влажность грунтов, при которой уплотнение может дать наибольший эффект, принимается следующей: суглинки легкие —15-17 %, суглинки средние — 21-28%, суглинки тяжелые — 23-25 %, глины — 25-28 %.

Стоимость 1 га однослойного укатывания равна 200-300 руб., а двухслойного — 600-1000 руб. (в денежных знаках 1947 г.).

Качество и продолжительность срока действия данного противо-фильтрационного мероприятия значительно зависят от водно-воздушно-термических условий, то есть от набухания-высыхания и замерзания-оттаивания грунта, что происходит в связи с колебаниями уровня воды и температуры в течение года. По этой причине уплотненные грунты в некоторых прудах через один-два года разуплотняются и теряют свою водонепроницаемость [35, 64, 341].

В практике применения метода были случаи, когда при недостаточных геологических изысканиях проводилось уплотнение чаши пруда, а после наполнения ее водой в ложе малого водоема начинался карстово-суффозионный процесс, приводящий к образованию воронок и полному опорожнению пруда [341].

В настоящее время в мелиоративном строительстве для поверхностного уплотнения наиболее эффективным считается трамбование. Однако оно из-за невозможности соблюдения требования к состоянию грунта в ложе малого водоема в процессе уплотнения, то есть №0пт = ^р ± (2 ~ 3%), где ¡¥0пт — оптимальная влажность; 1¥р — влажность на границе раскатывания, практически не применимо. В пучи-нистых и набухающих грунтах возможности применения грунтоуплотняющих технологий относительно невелики и здесь уплотнение также нецелесообразно [131,153].

Взрывной способ. Вопросам уплотнения связных грунтов взрывом и снижения их фильтрационной способности посвящен ряд работ Г.И. Покровского, И.С. Федорова, Е.Д. Калиманова, Д.В. Афанасьева, H.A. Еро-хина, A.A. Вовка, Г.И. Черного, А.Г. Смирнова, Л.И. Демещука, Н.С. Тимченко, Д.М. Кушнарева, Б.Б. Шумакова и др. [36, 63, 111, 351, 383 ].

Технология ведения работ с применением траншейных зарядов выброса сводится к следующему. По оси будущей выемки выполняется зарядная траншея в форме вертикальной щели на глубину 0,5-0,8 глубины выемки, в траншею укладывается горизонтальный удлиненный заряд и засыпается грунтом, затем производится взрыв. Образовавшаяся выемка оказывается окруженной слоем уплотненного грунтового массива, так как только 50-55 % объема грунта из сечения выбрасывается, а остальная часть идет на уплотнение окружающего сечение грунта. Если необходимо выполнить только уплотнение грунта, то в этом случае используют метод подводного взрывания с использованием горизонтальных удлиненных зарядов. Сущность метода такова: канал или котлован заполняется водой, замачивается в течение 7-15 дней (в зависимости от свойств грунтов) до достижения определенной влажности окружающего массива, при которой происходит максимальное уплотнение грунта. После этого на дно опускается горизонтальный цилиндрический заряд в водозащитной оболочке и производится взрыв.

Примерами применения энергии взрыва в гидромелиоративном строительстве могут служить участки Средне-Чирчикского, Гиссарского, Северо-Ташкентского и других каналов.

Стоимость 1 м3 выемки, при применении взрывного способа, по прямым затратам в зависимости от расхода взрывчатого вещества и его стоимости, а.также от стоимости вспомогательных работ колеблется в широких пределах — от 18 коп. до 1 руб. 10 коп. в денежных знаках 1961 г.

Установлено, что проницаемость стенок канала, уплотненного подводным взрывом горизонтального удлиненного заряда, уменьшается по сравнению с естественной в 15-20 раз [351].

Наряду с преимуществами (сокращение сроков строительства, высокая производительность труда, сравнительно небольшие материально-технические и трудовые затраты), взрывной способ имеет следующие недостатки:

1) негативное влияние на близлежащие гидротехнические сооружения и посевы;

2) отрицательное воздействие на флору и фауну;

3) дороговизна мероприятия при небольшом объеме противофильт-рационных работ;

4) относительно опасные условия производства работ;

5) выполнение работ только специальными бригадами.

Кольматация. Исследованием процесса кольматации в СССР занимались C.B. Избаш, А.Н. Патрашев, В.И. Криштул, Ю.М. Шехтман, Д.М. Минц, Т.А. Неговская, Е.А. Замарин, Ф.И. Пикалов, В.М. Алексеев и др. За рубежом в этом направлении известны работы американских исследователей Элиассина, Аллена и Армстронга.

В результате проведенных исследований установлено, что кольматация не простое механическое закупоривание пор грунта под воздействием суспензии, а сложный процесс преобразования грунтов [8]. Он зависит от величины пор грунтов ложа малого водоема, их химико-минералогического состава, наличия частиц определенного диаметра, попадающих в водоем, от физико-механических, химических и биологических явлений.

Суть естественной кольматации заключается в том, что поступающие в малый водоем с водой дисперсные глинистые и илистые частицы увлекаются фильтрационными потоками и попадают в каналы пористой среды. Но, поскольку на пути частицы встречают сопротивление стенок поровых ходов, сужения, извилистость, скорость их уменьшается, вследствие чего они задерживаются, заполняют поры и благодаря физико-химическому процессу уплотняются, грунт цементируется и становится более водонепроницаемым [341].

Наряду с естественной проводится искусственная кольматация. Например, на одном из водоемов в Калужской области, где фильтрационный расход уменьшить за счет естественной кольматации было невозможно, выполнили следующее мероприятие. В зимний период на замерзшую поверхность водоема завезли тяжелый суглинок и разравняли его слоем 5-8 см. Во время таяния льда суглинок, опустившись на дно, надежно прикрыл песчаные породы. Водоем стал "держать воду" [12].

Согласно исследованиям В.М. Алексеева [8] оптимальный расход материалов на 1 м2 обрабатываемой поверхности в Воронежской области составил 5 кг глины и 0,4 кг технического едкого натра, а общая стоимость в денежных знаках 1947 г. — 1 руб. 56 коп.

По данным Воронежского университета кольматация не везде проявляется с одинаковой интенсивностью и эффективностью. Из 185 прудов, за которыми велись натурные наблюдения, в 137 произошло резкое сокращение скорости фильтрации, в 40 — она мало изменилась, а в 8 — увеличилась [341].

Установлено, что процесс естественной кольматации может проходить только при определенных природных условиях. Прежде всего грунты, залегающие в ложе малого водоема, должны быть пористыми, лучше всего песчаными, супесчаными и суглинками с большой пористостью. Необходимо, чтобы на водосборной площади пруда имелись соответствующие рельефные условия и выходящие на поверхность залежи глинистых грунтов [341].

Грунтополимерные экраны. Для снижения фильтрационных потерь с начала шестидесятых годов рекомендуются экраны с различными добавками [131, 156].

Исследования по использованию различных синтетических слоев для укрепления грунтов в СССР были начаты в 1954 г. Г.С. Петровым, И.В. Каменским, Н.Е. Огцевой, а затем продолжены Б.А. Ржаницыным, В.В. Аскалоновым, В.П. Подлинской, М.Т. Кострико, И.И. Черкасовым, Л.В. Гончаровой, Ю.Ф. Ковальчуком, В.М. Зубовым и рядом других исследователей.

Экраны с применением поверхностно-активных веществ приводят к образованию мощноразвитых полимолекулярных слоев, резко изменяющих природу и свойства грунтов. Поверхностно-активные вещества, взаимодействуя с минеральной частью грунта, образуют гидрофобные слои вокруг частичек почвы, которые препятствуют контакту воды с грунтом и ее расклинивающему действию. В качестве поверхностно-активных веществ применяют кубовые остатки высших жирных кислот и спиртов, по-лиакриламид, поливинилацетатную эмульсию и др.

Примером может служить водоем "Дальний" Ялтинского района Крымской области, имеющий следующие размеры: площадь зеркала — 1,3 га, объем — 43 тыс. м3, высота плотины — 6 м. Разведочными выработками на участке водоема было определено содержание валунов и щебенки до 85 %. Связующей породой служил темно-серый и темно-бурый суглинок. Выбранное под строительства ложе по заключению Крымской партии проектного института "Гипроспиртвино" (Краснодарское отделение) было оценено как неблагоприятное для строительства водоема из-за значительной фильтрационной способности грунта. Однако, водоем был построен, но наполнить водой его не представилось возможным из-за большой фильтрации. В 1966 г. на объекте был проведен комплекс проти-вофильтрационных мероприятий, который включал следующие работы:

1) обработка верхового откоса плотины 1 % водным раствором кубовых остатков высших жирных спиртов;

2) повторная обработка откоса 0,01 % водным раствором кубовых остатков полиакриламида;

3) рыхление дна водорма на глубину до 0,5 м с последующей обработкой кубовыми остатками синтетических жирных кислот в смеси с диз-топливом (1:1 по массе);

4) перемешивание кубовых остатков с грунтом и уплотнение.

Расход материалов составил 1 кг/м2.

Натурные наблюдения показали, что после проведения противо-фильтрационного мероприятия потери воды на фильтрацию практически отсутствовали [156].

Затраты на проведение экранирования (стоимость и добавка материала, работа механизмов и рабочей силы) в денежных знаках 1961 г. составили 1182 руб., тогда как на строительство водоема, эксплуатация которого не представлялась возможной, было затрачено 3700 руб.

Во ВНИИтеплоизоляции изучена возможность применения в качестве гидроизоляционного материала глины Швенгенляйского месторождения (Литва) в сочетании с добавками, в частности с фосфогипсом — отходом производства фосфорных удобрений [144]. На основе полученных результатов рекомендуется следующая технология устройства противо-фильтрационного экрана. На дно и откосы выемки наносят фосфогипс слоем не менее 50 мм и тщательно прикатывают его катком. На фосфогипс укладывают глину с кирпичных заводов в виде валюшки 250x250x120 мм.

При изготовлении валюшки в глину целесообразно ввести требуемое количество поваренной соли. Чтобы валюшка при транспортировке не слипалась, ее следует посыпать деревянными опилками, торфом или другими материалами. На объекте валюшки складывают в два ряда по откосам и днищу малого водоема. Коэффициент фильтрации такого экрана составляет 1,6Т0~2 м/сут.

Грунтоцементные экраны представляют собой сложную полидисперсную систему, в которой происходят активные физико-химические процессы взаимодействия между грунтом и цементом [86]. Этот тип облицовки распространения не получил из-за слабой механической прочности (15-20 кг/м2), низкой морозоустойчивости, дороговизны и большой потребности в наполнителе [156].

При строительстве грунтополимерных экранов необходимо обязательно получить разрешение санэпидстанции на экологическую чистоту применяемых добавок. Самостоятельное решение на внедрение таких экранов может привести к негативным процессам и явлениям.

Экраны из бетона и железобетона. Бетонные или железобетонные облицовки относятся к числу наиболее капитальных мероприятий по борьбе с потерями воды на фильтрацию. Они имеют широкое распространение в стране и за рубежом.

При покрытии монолитным бетоном толщину облицовки в зависимости от класса сооружений принимают равной 8-20 см, железобетонной — 5-8 см. Такую же толщину имеют сборные железобетонные плиты. Снижение потерь воды на фильтрацию достигает 80-90 % [38]. Иногда для повышения водонепроницаемости под бетон или железобетон укладывают один или два слоя полимерной плёнки.

Бетонные и железобетонные облицовки являются дорогостоящим мероприятием. Поэтому их следует применять только на бассейнах суточного регулирования, копанях, наливных водоёмах и накопителях.

Асфальтополимербетонные экраны. Асфальтополимербетон применяется в строительстве гидросооружений как в монолитном, так и в сборном исполнении [364]. Коэффициент фильтрации материала — 10"7.10"9 см/с. При обычном составе компонентов обеспечивается отсутствие трещин в покрытиях при низких температурах (до -50 °С) и оплывания покрытий при высоких температурах (до +70 °С), а также достаточно высокая прочность и пластичность. Такие свойства асфальтополимер-бетона достигаются благодаря добавке в битумное вяжущее синтетического каучука.

Характеристики асфальтополимербетона позволяют проектировать и строить гидроизолирующие покрытия высокой противофильтрационной надежности без устройства температурных и осадочных швов. Такие покрытия допускают проезд транспорта и могут служить в качестве волнозащитных устройств на откосах дамб.

Асфальтополимербетонные монолитные покрытия были уложены в 1973-1976 гг. на шламонакопителях Балаковского завода фосфорных удобрений и Балаковской ТЭЦ, Ворошиловградской ГРЭС и Армянской АЭС на площади 100 га.

В 1977-1980 гг. такие же экраны были уложены на шламонакопителях, прудах дождевых вод и свалках отходов Волгоградского и Таджикского алюминиевых заводов на площади 20 га. Конструкция покрытий по рекомендациям ВНИИГ им. Веденеева была принята следующей. Асфальтополимербетон толщиной 40 мм, уложенный по выравнивающему слою пористого асфальтобетона толщиной 60 мм, покрывали битумполимерным вяжущим слоем 4.5 мм и посыпали песком.

Стоимость монолитного асфальтополимербетонного экрана в денежных знаках 1961 г. составляла 4.5 руб/м2.

Для гидроизоляции откосов ограждающих дамб шламохранилища Николаевского завода была применена конструкция противофильтраци-онного экрана из асфальтополимербетонных матов (разработана ВАМИ совместно с ВНИИГом).

Маты (длина 35 м, ширина 2,4 м, толщина 60 мм, масса 13 т) изготавливали на бетонных стендах асфальтобетонного завода, армируя их понизу сеткой из проволоки {d = 4 мм). Готовые маты наматывали с помощью специальной намоточной тележки на стальные барабаны диаметром 2 м. Доставляли к месту работ трейлером и в ковше скрепера. Разгрузку матов и размотку их по откосу сверху вниз производили краном грузоподъемностью 16 т с тяговым тросом. Швы (ширина 50.150 мм) между матами заделывали асфальтополимербетонной смесью. Для доставки смеси по откосу и заделки ее в швы использовали бункерную тележку и каток на тяге крана. Поверхность экрана покрывали битумполимерным вяжущим слоем 5 мм, а затем посыпали песком. На углах поворота дамбы маты укладывали косо внахлестку.

Экран аналогичной конструкции уложен на откосах дамб шламохранилища Уральского алюминиевого завода.

Стоимость сборных асфальтополимербетонных экранов составила в денежных знаках 1961 г. 5.7 руб/м2 [364].

Устройство вышеназванных экранов целесообразно для различных накопителей. Для малых водоемов чистой воды такие экраны экономически и экологически не выгодны. Помимо этого, они сложны в исполнении для мелиоративных строительных организаций.

Экраны из местных грунтов. При наличии вблизи строящегося водоема в достаточном количестве глины или суглинка целесообразно выполнять экраны из этих грунтов. Технология строительства таких экранов идентична с технологией отсыпки качественных насыпей [127, 239, 276]. Толщину конструкции принимают в зависимости от глубины воды над экраном (таблица 13) [302].

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Белов, Виктор Александрович, 2001 год

1. Из сделанного обзора следует, что в данный период существует проблема с мероприятиями и расчетами инженерной защиты малых водоёмов и имеется необходимость в их совершенствовании и улучшении.1. Выводы по главе

2. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ

3. Разработка новых и усовершенствованных конструкций экранов из искусственных материалов и технологийих строительства

4. С помощью таких конструкций имеется возможность переноса природных принципов создания органического мира в технику с максимальным копированием строения живых организмов и достаточно точным воспроизводством рабочих функций отдельных органов.

5. Первая схема применяется в том случае, когда в основании встречаются крупные включения в виде щебня, гравия, гальки и т.д., вторая схема — во всех остальных случаях.

6. При работе по первой схеме растительный грунт не снимается, так как ухудшаются условия работ, повышается объём земляных работ, да и сам растительный слой становится непригодным для сельскохозяйственного использования.

7. Для исключения повреждаемости полимерных материалов растительностью и грызунами рекомендуется перед укладкой плёнки обрабатывать экранируемую площадь гербицидами 138, 303, 313.

8. Ниже в таблице 14 приведены некоторые данные по повреждаемости плёночных экранов грызунами и растительностью в процессе эксплуатации.