Совершенствование метода расчетного обеспечения эксплуатационной надежности сетевых гидротехнических сооружений мелиоративных систем, возводимых на просадочных основаниях
На правах рукописи
БУДИКОВА Айгуль Молдашевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
эксплуаТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СЕТЕВЫХ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ, ВОЗВОДИМЫХ НА ПРОСАДОЧНЫХ ОСНОВАНИЯХ
Специальность 05.23.07 – Гидротехническое строительство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2008
Работа выполнена в ФГОУ ВПО Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Основания и фундаменты».
| Доктор технических наук, профессор Фролов Николай Николаевич |
Научные руководители:
кандидат технических наук, профессор
Юрченко Светлана Геннадьевна
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ
Каганов Григорий Михайлович
кандидат технических наук
Виноградова Ганна Николаевна
Ведущая организация – ЗАО производственное объединение «Совинтервод»
Защита состоится « » 2008г. в …….. на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, аудитория 201/1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.
Отзывы по диссертации можно отправлять по адресу: МГУП, 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, по факсу: (495)976-10-46 или по электронной почте: [email protected]
Автореферат разослан « » 2008г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук: И.М.Евдокимова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Оросительная сеть представляет собой техническую систему последовательно соединенных гидротехнических элементов (водозабор – орошаемое поле), конечная эксплуатационная надежность которой складывается из надежной работы каждого из элементов. Наиболее важным и ответственным элементом является гидротехническое сооружение на каналах, которое обеспечивает плановую подачу воды из водоисточника на орошаемые поля.
Большая часть оросительной сети на территориях, сложенных лёссовыми просадочными грунтами, представлена каналами в земляном русле. В последние годы для уменьшения потерь транспортируемой по ним воды широко используются различного рода антифильтрационные покрытия, а внутрихозяйственную сеть обычно выполняют в виде железобетонных лотков или трубопроводов. Каждая тысяча гектаров орошаемой площади получает воду из этих каналов с помощью более ста гидротехнических сооружений. Однако результаты обследования работы сетевых гидротехнических сооружений на каналах, проходящих в лёссовых грунтах, показали, что почти половина из них уже после первых двух лет эксплуатации приходят в аварийное состояние из-за различного рода повреждений, вызванных просадочными явлениями. Приблизительно треть из имеющихся отказов и аварий гидротехнических сооружений происходит из-за неправильного расчетного прогноза ожидаемой величины перемещения фундаментной части гидросооружения на лёссовом основании при его замачивании.
В связи с этим проблема достоверности расчетного прогноза совместного перемещения гидросооружения и просадочного основания и как следствие обеспечение его эксплуатационной надежности для районов широкого распространения просадочных грунтов, является актуальной.
С целью выяснения соответствия прогнозируемых перемещений натурным перемещениям существующих гидротехнических сооружений на оросительных системах в лёссовых грунтах, а также для возможности выбора более достоверного метода расчета был изучен и обобщен опыт проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений оросительных систем в районах распространения просадочных грунтов Казахстана. Статистический анализ материалов обследования показал значительные расхождения проектных значений от натурных перемещений и в связи с этим имеющееся большое количество аварий. Эксплуатационная надежность сетевых гидротехнических сооружений Казахстана на практике не превышает 0,5.
Поэтому разработка более обоснованного метода прогноза перемещений гидротехнических сооружений оросительных систем на лёссовых основаниях для обеспечения их надежной эксплуатации является актуальной как с практической, так и с научной точек зрения.
Цель и задачи исследований.
Цель работы: для обеспечения эксплуатационной надежности мелиоративной сети разработать научно-обоснованный метод прогноза совместных перемещений гидротехнических сооружений и их лёссовых оснований при замачивании.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
научные задачи:
- изучить и обобщить опыт проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений оросительных систем в районах распространения просадочных грунтов Казахстана. Для этого изучить имеющиеся в архивах проектных и эксплуатационных организаций материалы по расчету сетевых гидротехнических сооружений в этом регионе и данные натурных обследований построенных сооружений и систематизировать основные причины отказов и аварий в их работе;
- провести испытания замоченных до различной влажности лёссовых грунтов в лотке с целью получения качественной картины совместного перемещения штампа, имитирующего подошву гидросооружения, и его просадочного основания под действием нагрузки;
- получить путем статистической обработки результатов испытаний корреляционные зависимости для определения физико-механических и прочностных характеристик лёссового грунта при различных значениях влажности при возможном замачивании его под гидросооружением;
- разработать научно-обоснованный метод прогноза совместного перемещения фундаментной части гидросооружений и их просадочных оснований с учетом области замачивания при изменениях влажности;
- оценить достоверность предлагаемого расчетного метода путем сопоставления расчетного значения с натурным перемещением существующего гидросооружения на мелиоративных системах Казахстана;
- рекомендовать внести изменения в типовых конструкциях сетевых гидротехнических сооружений с учетом прогнозируемого расчетом по предлагаемой методике ожидаемого совместного перемещения сооружения и его лёссового основания, которые позволят повысить эксплуатационную надежность системы;
- разработать мероприятия по защите дна и бортов канала в земляном русле на просадочных грунтах для уменьшения фильтрационных потерь транспортируемой по ним воды.
Объект исследований: гидротехнические сооружения оросительных систем юга Казахстана на просадочных лёссовых грунтах.
Научная новизна заключается:
- в выявлении и системном анализе основных причин отказов сетевых гидросооружений мелиоративных систем на лёссовых грунтах;
- в получении в лотке качественной картины совместного перемещения лёссового основания и штампа, имитирующим подошву гидротехнических сооружений, в результате проведения оригинальных экспериментов по замачиванию и нагружению лёссового грунта;
- в создании метода расчетного обеспечения эксплуатационной надежности сетевых гидротехнических сооружений мелиоративных систем на лёссовых грунтах путем разработки методики прогноза их вертикального перемещения при замачивании.
Практическая значимость работы состоит в том, что предлагаемый метод определения совместных перемещений подошв мелиоративных гидротехнических сооружений и их лёссовых оснований дает более точный их прогноз, что позволяет усовершенствовать технологию строительства каналов и сооружений в лёссовых грунтах с учетом изменения их свойств при замачивании и может послужить в качестве материалов при проектировании оросительных систем на просадочных грунтах для региональных условий юга Казахстана.
Апробация работы. Результаты исследования и основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях в Московском государственном университете природообустройства и опубликованы в научно-технических журналах и в трудах МГУП и Томского государственного архитектурно-строительного университета. Разработанный метод определения ожидаемой величины совместного перемещения гидросооружения и его лёссового основания был использован при проектировании сетевых сооружений внутрихозяйственного канала «Кара-Арык» Казалинского района Кызылординской области, о чем имеется акт внедрения Комитета по водным хозяйствам Кызылордаводхоза МСХ республики Казахстан.
Публикации. По теме диссертации опубликовано десять статей общим объемом 5 п.л., в том числе статья в журнале, рекомендованном ВАК - Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, в том числе 20 таблиц, 27 рисунков, список литературы состоит из 112 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общая характеристика работы, излагается содержание и актуальность темы. Сформулированы цель, задачи и методика исследования, научная новизна и практическое значение диссертационной работы, ее апробация и опубликованные по теме диссертации печатные работы.
В первой главе рассматриваются особенности взаимодействия гидросооружений оросительных систем с лёссовыми основаниями, приводятся результаты обследования сооружений мелиоративных систем Казахстана и дается анализ существующих методов расчета по определению ожидаемого совместного перемещения гидротехнических сооружений и их лёссовых оснований.
Отмечается большой вклад в проблему строительства на лёссовых грунтах Ю.М.Абелева, М.Ю.Абелева, В.П.Ананьева, Л.Г.Балаева, Г.Н.Виноградовой, Я.Д.Гильмана, М.И.Гольдштейна, А.А.Григорян, В.П.Денисова, А.А.Кириллова, Н.И.Кригера, В.И.Крутова, А.В.Колманова, Г.М.Ломизе, Н.Н.Маслова, А.А.Мустафаева, С.С.Савватеева, С.Т.Ухова, Н.Н.Фролова и др.
Несмотря на столь многочисленные и обширные изучения, многие вопросы работы гидротехнических сооружений оросительных систем на просадочных грунтах, методы их проектирования и строительства остаются еще нерешенными. Свидетельством этого являются значительные трудности, с которыми приходится сталкиваться при эксплуатации оросительных систем в этих условиях
Как известно, все сетевые мелиоративные сооружения разделяются на регулирующие (водовыпуски, перегораживающие и сбросные вододелители), сопрягающие (перепады, быстротоки) и водопроводящие (дюкеры, трубы, акведуки, ливнепроводы и т.д.). Особенностью гидротехнических сооружений на лёссовых грунтах, по сравнению с гражданскими и промышленными, является то, что грунты в их основаниях практически все время находятся в увлажненном состоянии, что способствует проявлению просадочных и послепросадочных деформаций, наблюдающихся в толще лёссовых грунтов при длительном и интенсивном увлажнении. Плановое водораспределение и рациональное использование оросительной воды зависит от оснащенности оросительных систем гидротехническими сооружениями и безаварийной их работы. Проведенный нами статистический анализ материалов Гипроводхоза Казахстана по натурному обследованию работы сетевых сооружений на просадочных грунтах показал, что на мелиоративных системах юга Казахстана на 1 тыс.га орошаемой площади приходится в среднем 170 сооружений. Более 95% всех сооружений оросительных систем составляют сетевые гидросооружения на каналах внутрихозяйственных и межхозяйственных сетей с расходом до 10м3/с. В таблице 1 и на рисунках 1, 2 и 3 приведены основные типы гидротехнических сооружений, применяемых на орошаемых землях Казахстана. По материалам обследования технического состояния гидросооружений оросительных систем, возведенных на просадочных грунтах Казахстана, нами были выявлены основные причины повреждений и аварий сетевых гидросооружений, которые были систематизированы и показаны в таблице 2. Одной из основных причин опасных перемещений и повреждений сооружений является отсутствие или некачественное выполнение искусственного основания. Если от общего числа повреждений сооружений 19,6% объясняется ошибками проектной документации по расчету оснований сооружений, то из них 11,5% – по причине отсутствия или недостаточной проработки в проектах рекомендаций по устройству искусственного основания. И даже в тех случаях, когда проектом такие мероприятия предусмотрены, то строители не на должном уровне выполняют технологические требования по их устройству. Другой важной причиной отказов гидротехнических сооружений являются ошибки в прогнозе совместных перемещений бетонных фундаментных частей гидросооружений и их лёссовых оснований, которые составляют почти 20% от общего числа повреждений и отказов. Поэтому прогнозирование просадочных перемещений является одним из наиболее важных вопросов при проектировании и строительстве гидросооружений на лёссовых основаниях, так как позволяет правильно выбрать вид, конструкцию и технологию устройства гидросооружения, что, в конечном счете, обеспечит его безаварийную работу. Анализ основных нормативных методик по определению ожидаемой совместной величины вертикального перемещения фундаментной части гидротехнического сооружения и его лёссового основания показал, что в них просадочные деформации рекомендуется определять по методике, основанной на определении относительной просадки по модели компрессионного сжатия, моделирующей сжатие небольшой мощности слоя основания под сооружением без возможности его бокового расширения. По-видимому, это упрощающее допущение является одной из возможных причин, приводящих в некоторых случаях к значительным расхождениям между расчетным прогнозом и действительно наблюдаемыми размерами просадок, вызывающими аварийные ситуации при эксплуатации сооружений. Из анализа рассмотренных наиболее известных методов определения ожидаемой величины деформации лёссового основания под гидротехническими сооружениями можно сделать вывод о том, что в предлагаемых расчетах в полном объеме не учитывается область замачивания и тип гидросооружения и во всех них характеристики сжимаемости лёссового грунта предлагается определять по результатам компрессионных испытаний. Сравнения результатов расчетов многих исследователей ожидаемой просадки с натурными данными, показывают, что компрессионные испытания дают заниженные величины перемещений фундаментной части гидросооружений, возникающих при увлажнении их лёссовых оснований.
Во второй главе приводятся результаты лабораторного исследования лёссовых грунтов как оснований гидротехнических сооружений. Лабораторные методы обеспечивают получение материала в объеме, необходимом для статистической обработки данных с целью выявления корреляционных зависимостей между изменениями влажностного режима лёссовых грунтов и их деформируемостью.
Для приближения модели лабораторного исследования совместной работы сооружений и их лёссовых оснований к реальным условиям работы нешироких сетевых гидротехнических сооружениями и для получения качественной картины деформированного состояния образцов лёссового грунта после их замачивания под нагрузкой нами были проведены штамповые испытания такого грунта в лотке. Поскольку в реальном грунтовом основании под сооружением возможно боковое расширения грунта и область замачивания за пределами контура фундамента гидросооружения, размеры основания под штампом, имитирующим подошву фундамента гидросооружения, были приняты в несколько раз больше размеров штампа как в ширину, так и в глубину для того, чтобы не было влияния стенок и дна лотка на возможное расширение грунта под действием нагрузки и увлажнения.
Полученные результаты экспериментов показали, что существует предельное значение влажности при замачивании лёссового основания под штампом, после достижения которой величина перемещения штампа быстро возрастает вследствие перехода грунта под ним в состояние пластического течения, а затем и разрушения, хотя нагрузка при этом не увеличивалась и оставалась постоянной. Полученную качественную картину деформирования при различных значениях критической влажности мы фотографировали и переносили на кальку. При проведении экспериментов замерялись вертикальные перемещения штампа при различных нагрузках и влажностях замачивания, а также определялись плотности замоченного грунта. На рис.4 показана одна из полученных в эксперименте качественных картин деформирования лёссового грунта под штампом, имитирующим осесимметричную модель гидросооружения, при передаче на грунт нагрузки р=0,07МПа и замачивании его до критической влажности wsl=19%.
Лабораторные эксперименты в лотке, имитирующим фундамент–штамп и его грунтовое основание из монолитов ненарушенной структуры, позволяют получить в качественном отношении большой объем информационных материалов о взаимодействии системы «просадочное основание – гидросооружение». Получение таких данных в полевых производственных условиях связано с большими потерями времени, труда и средств.
В третьей главе анализируются данные статистической обработки результатов эксперимента. В результате типического выборочного исследования получены регрессионные уравнения для определения характеристик лёссового грунта при различных значениях критической влажности при возможном замачивании грунта под гидросооружениями. Все исследуемые выборки отличаются статистической достоверностью при принятом уровне значимости =0,05. В результате эксперимента статистически достоверно доказано, что при исследуемых вариантах влажности лёссового грунта он будет иметь различные перемещения при одинаковых давлениях, и возможен вывод регрессионных зависимостей вида sl=f(wsl,p), wsl=f(p), sl=f(wsl), csl=f(wsl). Эмпирические кривые, полученные и исследованные с помощью методов регрессионного анализа, приведены на рис.5-9.
Путем аппроксимации графиков получены следующие эмпирические формулы, которые необходимы при определении совместного перемещения гидросооружения и его лёссового основания по разработанной нами методике:
- для определения средней критической влажности при различных ступенях нагрузки:
wsl=32,6е-7,4р, %. (1)
- для определения угла внутреннего трения зам и величины удельного сцепления сзам замоченного грунта:
зам =46,64е-0,0332w, град.; (2)
cзам =2,42е-0,284w, МПа. (3)
- для определения относительной просадки замоченного до критической влажности грунта при различных ступенях нагрузки:
1) р=0; sl =0,73Ln(w)-1,55,
2) р=0,04МПа; sl =0,24e0,116w, %,
3) р=0,05МПа; sl=1,21e0,055w, %, (4)
- р=0,1МПа; sl =1,30e0,071w, %,
5) р=0,2МПа; sl=1,48e0,83w, %.
Полученные корелляционные зависимости применимы для лёссовидных суглинков, имеющих характеристики в природном состоянии в следующих пределах: удельный вес 0=14,5-16,5 кН/м3; влажность w0=8-10%; влажность на пределе пластичности wp=16-18%; влажность на пределе текучести wL=25-28%; пористость n0=46-49%; коэффициент пористости е0=0,870-0,990.
В четвертой главе изложена предлагаемая методика расчета ожидаемого совместного просадочного перемещения гидротехнических сооружений на лёссовых основаниях с учетом области замачивания, а также дана оценка достоверности результатов расчетов совместных перемещений гидротехнических сооружений и их лёссовых оснований, полученных по разработанной нами методике.
Просадочные основания гидросооружений, испытывающие постоянное увлажнение, необходимо рассчитывать на их прочность и на его основе определять их несущую способность, так как просадочные перемещения происходят в результате изменения свойств лёссовых грунтов при увлажнении до критической влажности, после достижения которой происходит непрерывное возрастание пластических деформаций. Если принять, что с наступлением просадочных пластических деформаций предел пропорциональности между перемещениями S и напряжениями нарушается и появляется перелом на кривой зависимости S=f(), то для определения допустимой нагрузки на лёссовое основание можно воспользоваться формулой Н.Н.Маслова. Формула может быть иcпользована для расчета лёссовых оснований с учетом закономерностей изменения прочностных характеристик в зависимости от влажности замачивания, так как принята пластическая природа просадочных грунтов. Тогда формула для определения критического напряжения будет иметь вид:
кр=(Mb2b+Mhd)slср+Mc Сslср+0d, кПа, (5)
где Mb=tgsl ср/(ctg sl ср+ sl ср–/2); Mh=(Mb/tgsl ср) +1; Mc=Mb/tg2sl ср;
b - половина ширины подошвы фундамента, м; d – глубина заложения фундамента, м; slср и slср – среднее значение по глубине просадочной толщи замоченного до критической влажности грунта соответственно удельной плотности грунта, кН/м3, и угла внутреннего трения, кПа.
В соответствии с теорией предельного равновесия максимальную глубину области предельного равновесия можно найти по формуле, преобразовав её для замоченных до критической влажности лёссовых грунтов:
, м, (6)
где p – давление от сооружения, ' – удельный вес грунта, находящегося выше подошвы фундамента, sl, sl и csl - соответственно удельный вес, угол внутреннего трения и удельное сцепление замоченного грунта, определяемые по формулам (2) и (3).
Для определения действующей вертикальной нагрузки на нижней границе замоченного грунта, находящегося в условии предельного равновесия, необходимо определить границы области замачивания под фундаментами гидросооружений. Размеры деформированной зоны грунта при замачивании под гидротехническими сооружениями зависят от многих факторов, таких как количество поступающей от гидросооружения воды, размеры источника увлажнения, величина напора и др. Проникая в лёссовый грунт сверху от гидросооружения, вода распространяется и перемещается в нем как сверху вниз, так и в стороны, образуя увлажненную зону грунта. В.Н. Крутов, анализируя экспериментальные данные разных авторов по распространению воды в однородных по проницаемости лёссовых грунтах, рекомендует принимать распространение воды в сторону от источника замачивания по прямой, наклоненной под углом к вертикали, при этом для лёссовидных супесей =2540, для лёссовидных суглинков =4555. Тогда величина отклонения от края источника будет равна: lзам=hsltg, где hsl=zmax – максимальная глубина области предельного равновесия, если грунт находится в состоянии предельного равновесия.
В вертикальном направлении деформируемая зона под подошвой гидросооружения при замачивании грунта распространяется до глубины hsl, на которой суммарные напряжения от собственного веса грунта и нагрузки от сооружения равны величине начального просадочного давления n. При этом ее можно разбить на две зоны: верхняя часть под подошвой фундамента равна максимальной глубине zmax области предельного равновесия, в пределах которой замоченный грунт находится в состоянии предельного равновесия от суммарной нагрузки slz. Если на нижней границе предельного равновесия на уровне zmax суммарное давление slz окажется больше начального просадочного давления, то деформируемая зона будет продолжаться до глубины, где суммарное напряжение slр на глубине hп=hsl-zmax будет равно начальному просадочному давлению n. Толщину деформируемой зоны hsl можно найти графически на расчетной схеме (рис.10), она равна расстоянию от подошвы фундамента до уровня, где выполняется условие: slp+gsl+w=n, где slp- напряжение от сооружения, gs+w – суммарное напряжение от веса грунта и воды.
Начальным просадочным давлением принято считать давление от внешней нагрузки и собственного веса грунта, при передаче которого на лёссовый грунт при полном водонасыщении начинается процесс просадки, то есть просадка происходит при некотором начальном давлении на замоченный до водонасыщения грунт в результате потери сил сцепления между частицами и уменьшения пористости. Можно считать, что до достижения напряжения на нижней границе замоченного грунта лёссового основания гидросооружения значения sl меньше начального просадочного давления n основание находится в устойчивом состоянии, то есть при этом давлении отсутствует явление просадки. Однако для практических целей в нормативных документах грунт считается просадочным при равенстве относительной просадки sl=1% и величина начального просадочного давления при этом, как правило, определяется по результатам компрессионного испытания образцов лёссового грунта в одометре. Выше было показано, что компрессионные испытания дают заниженные значения относительной просадки. Поэтому нами предлагается следующая методика для определения начального просадочного давления. По кривым sl=f(p), полученным при испытании образцов лёссового грунта, замоченного до различной влажности в лотке, находим значения n при sl=1% для каждого значения критической для данной нагрузки влажности. Затем строим график зависимости n=f(wsl) и находим путем аппроксимации кривой формулу для определения начального просадочного давления:
n=0,171е-0,075w, кПа. (7)
Так как начальное давление является наименьшим действующим в области просадки напряжением, то оно соответствует наибольшему возможному значению критической влажности.
Можно предположить, что объем замоченного грунта представляет собой объем усеченного эллипсоида, имеющего в верхнем основании площадь поперечного сечения в виде эллипса с размерами по осям, равными половине ширины b и длины l источника увлажнения.
Нами предлагается следующий порядок определения ожидаемой величины перемещения гидросооружения:
1. Определяется начальное просадочное давление n и давление sl, передаваемое по подошве замоченного грунта. Если sln, это говорит о том, что ни в одной точке грунта основания нет состояния предельного равновесия, просадочных деформаций нет, и гидросооружение находится в безопасности.
2. Если sl>n, т.е. давление, передаваемое по подошве замоченного грунта, больше начального критического давления, то необходимо определить ожидаемую совместную величину вертикального перемещения гидросооружения и основания, так как грунт находится в области пластических просадочных деформаций.
Cовместное перемещение гидросооружения и лёссового основания Ssl определяем методом послойного суммирования в пределах деформируемой зоны hsl по формуле:
, см. (8)
где n – коэффициент надежности по ответственности сооружения, n=1,15;
n и i – соответственно количество и порядковый номер расчетных слоев, на которое разбито основание в пределах просадочной толщи hsl; hi- мощность расчетного слоя; sl.i – расчетное значение относительной просадки i-го слоя грунта, которое получается умножением нормативной величины 
на коэффициенты надежности по грунту 
, учитывающий случайные изменения просадки, вызванные жесткостью сооружения и условиями замачивания, 
=1,1; для расчета просадки слоя при напряжении от собственного веса величина g. равняется единице (g =1), sl.i=
.
3. Если sl>кр, то замоченный грунт основания находится в состоянии разрушения, при этом произойдет обвальная деформация просадки, на графике зависимости Ssl=f(w) при влажности w>wsl. При этом условии отпадает необходимость проводить расчет по деформациям, так как становится очевидным, что необходимо применение одного из способов устранения просадочности лёссовых грунтов основания гидросооружений в пределах области замачивания.
Чтобы убедиться в сходимости результатов предлагаемого метода с натурным перемещением построенного гидросооружения, нами были произведены расчеты по определению прогнозируемой величины совместного перемещения быстротока на лёссовом суглинке по предлагаемой методике, а также для сравнения - по действующим нормам СП 55-101-2004. Полученные результаты были сопоставлены с замеренным вертикальным перемещением быстротока, построенного на лёссовых суглинках на оросительном канале кормового севооборота, расположенном на правом берегу р.Сыр-Дарьи в Кызылординской области для передачи воды для орошения земель Караозякского района. Замеры вертикального перемещения были произведе-ны после двух лет эксплуатации отделом эксплуатации Казгипроводхоза. Значение величины просадочного перемещения быстротока, определенной по предлагаемой методике отличается на 8% от натурного перемещения быстротока, в то время как при расчете по нормативной методике расхождение составляет 24,3%. Кроме того, необходимо обратить внимание на то, что коэффициент Ksl, входящий в формулу по определению ожидаемой величины просадки по методике СП, принят, по мнению многих ученых, без достаточного научного обоснования. Поэтому если определить просадку по этой методике без повышающего коэффициента, она будет еще больше отличаться от реальной просадки.
В пятой главе рассматриваются особенности строительства гидросооружений на оросительных каналах, проходящих в просадочных грунтах, и инженерные мероприятия для обеспечения эксплуатационной надежности этих гидросооружений на оросительных системах.
Строительство гидросооружений мелиоративной сети на просадочных грунтах имеет свои особенности, отличающиеся от условий строительства и эксплуатации промышленно-гражданских зданий и сооружений на таких же грунтах. Увлажнение лёссовых оснований зданий и промышленных сооружений обычно носит случайный и кратковременный характер, в то время как замачивание просадочных оснований гидротехнических сооружений является неизбежным и практически постоянным. Поэтому просадочные деформации под гидросооружениями проявляются более интенсивно и неравномерно, что обязательно учитывают при их строительстве путем предварительной ликвидации просадочных свойств лёссового грунта с применением дополнительных инженерных мероприятий в случае необходимости.
Обзор и анализ имеющихся в технической литературе сведений о применяемых в современной практике строительства на лёссовых грунтах инженерных мероприятиях по обеспечению нормальной эксплуатации сооружений показал, что многие способы устройства искусственных оснований для гражданских и промышленных сооружений не всегда применимы при гидромелиоративном строительстве. Нами были рассмотрены применяемые для обеспечения нормальной эксплуатации сооружений инженерные мероприятия и указаны причины их возможного неудачного применения:
1. Проектирование сооружений с контактным давлением по подошве р, не превышающим для лёссового грунта начального просадочного давления.
В существующих нормативных документах рекомендуется определение начального просадочного давления по результатам компрессионных испытаний по графику зависимости sl=f(р), что для нешироких сооружений на большой мощности лёссовых грунтах, как показали и наши исследования, не является допустимым, так как приводит к заниженным значениям начального просадочного давления и, как следствие, к проявлению неожидаемых просадочных деформаций.
2. Исключение возможности замачивания и фильтрации воды через грунты основания сооружений.
Эта рекомендация дана для гражданских и промышленных зданий и сооружений. В гидромелиоративном строительстве исключение возможности замачивания применимо к малому числу гидросооружений, имеющих надежную водонепроницаемую конструкцию, герметизацию стыков и гибких соединений, не допускающих переливов воды через борта. К таким сооружениям относятся дюкеры, каналы в трубопроводах, лотках или в земляном русле с надежными водонепроницаемыми облицовками, что трудно осуществимо на практике.
3. Конструктивные мероприятия, обеспечивающие безопасную работу гидросооружений при повышенных неравномерных деформациях основания без ущерба для эксплуатации.
Такие разработки необходимых конструкций сооружений могут быть эффективными только при достаточно точном прогнозе возможных деформаций оснований и сооружений на них.
4. Устройство искусственных оснований, исключающих или снижающих до допустимых пределов вертикальные перемещения гидротехнических сооружений или их отдельных фрагментов.
Методов устройства искусственных оснований рекомендуется достаточно много, но как показали результаты обследования построенных сооружений на гидромелиоративных системах Казахстана, подавляющее большинство из них строятся на грунтовых подушках или на предварительно замоченных грунтах основания. Но в связи с некачественным исполнением или неточным прогнозом возможного совместного просадочного перемещения такие искусственные основания часто приводят к невозможности нормальной эксплуатации сооружений на них.
5. Применение фундаментов, прорезающих полностью просадочные слои основания и передающие нагрузку на недеформирующиеся подстилающие слои (различного типа сваи, опоры-стойки и т.п.). Такого типа фундаменты для небольших сооружений мелиоративных систем на лёссовых грунтах большой мощности, имеющих более низкую капитальность, обычно не применяются из-за несовместимо больших затрат на их устройство.
6. Комбинация упомянутых выше приемов.
Это наиболее перспективное в технико-экономическом отношении направление. Например, возможно устройство типовых гидросооружений, модифицированных для условий работы на просадочных сильнодеформирующихся основаниях, на улучшенных лёссовых грунтах.
При устройстве гидросооружений гидромелиоративных систем на лёссовых просадочных грунтах необходимо применение конструктивных приемов, обеспечивающих безопасное восприятие ими неравномерных деформаций просадочного основания. Обычно применяют следующие конструктивные решения:
1. Сооружения разрезают осадочными швами на части, передающие на грунт различные давления. Швы допускают свободное перемещение в пределах расчетных деформаций этих частей относительно друг друга с обеспечением водонепроницаемости.
2. Проектный запас над горизонтом воды в сооружении повышается на величину ожидаемой величины просадки для обеспечения невозможности перелива воды через борта.
3. Для предотвращения недопустимых относительных деформаций плиты крепления в обоих бьефах соединяются между собой по монтажным петлям металлическими связями.
Недостатками применяемых инженерных приемов являются необходимость изготовления индивидуальных оголовков сложной конфигурации и обеспечение в них надежного и герметичного шарнирного соединения с торцами труб водопроводящей части с учетом предполагаемой очень большой разности просадочных вертикальных и угловых перемещений оголовков относительно трубы. От проектировщиков требуется надежный расчетный прогноз взаимных перемещений взаимосвязанных фрагментов гидросооружения.
С целью обеспечения безопасного совместного перемещения гидротехнического сооружения на лёссовом основании мы предлагаем, наряду с использованием перечисленных выше инженерных решений, внести следующие изменения в типовые конструкции сетевых гидротехнических сооружений с учетом прогнозируемого расчетом по предлагаемой методике ожидаемого совместного перемещения сооружения и его лёссового основания, которые позволят повысить эксплуатационную надежность системы:
1) из-за сильной размываемости лёссовых грунтов увеличить длину противоэррозионных диафрагм 6 (рис.1) по сравнению с необходимой по фильтрационным расчетам, которую предлагается определять с учетом рассчитанного по предлагаемой методике ожидаемого вертикального просадочного перемещения;
2) в днище водопропускного сооружения предусмотреть затампонированные отверстия 4 для нагнетания инъекционного раствора в случае образования под ним просадочных полостей, для определения возникновения полостей предусмотреть марки (рис.2).
Для уменьшения фильтрационных потерь транспортируемой по каналу воды дно и откосы каналов в земляных руслах нами предлагается облицовывать матрацами «Рено», укладываемыми по геотекстильному нетканому противофильтрационному материалу, что позволяет также существенно снизить их деформируемость. Применение матрацев «Рено» по геотекстильному нетканому материалу нами было предложено при реконструкции отводящего канала «Караозек». На рисунке 11 показан план головного сооружения «Айтек» с подводящим и отводящим каналами. После пяти лет эксплуатации дно и откосы каналов в результате эрозийных процессов были деформированы, откосы потеряли свою устойчивость и в результате происходили большие потери воды при прохождении ее по каналам. Требовалась реконструкция каналов по укреплению откосов и дна. Дамбы имели ширину гребня 4м, внутренний откос 1:3 и наружный откос 1:2. По ним необходимо уложить качественную насыпь до проектной отметки. Нами было предложено ниже водобойного колодца русло канала закрепить от размыва бетонной плитой длиной 25м и толщиной 30см. Чтобы уменьшить противодавление, швы между плитами должны быть оставлены открытыми. Из-за опасности вымывания мелких отложений на откосы и дно канала предложено уложить между подстилающим слоем грунта и бетонными плитами в местах расположения швов полосы геотекстиля шириной 1м с перехлестом. Ниже бетонных плит русло канала необходимо защитить от эрозии матрацами «Рено» толщиной 30см, уложенными на геотекстиль. Откосы отводящего канала закрепить бетонными плитами толщиной 15см, уложенными на бетонную подготовку и геотекстиль. В месте перехода плиты крепления от размыва к естественному руслу канала сформировать зуб, заполненный камнем. На рисунке 12 показан поперечный разрез отводящего канала с предложенными мероприятиями по реконструкции канала. Здесь геотекстиль служит как защитная противоэрозийная, противофильтрационная и одновременно армирующая прослойка.
Все предложенные мероприятия должны обеспечить нормальную, безаварийную эксплуатацию сооружений на оросительных каналах и соответственно повысить эксплуатационную надежность мелиоративной сети.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В результате статистической обработки архивных материалов Минводстроя Казахстана по обследованию существующих гидросооружений на оросительных системах юга Казахстана выявлены и систематизированы причины и характер отказов (повреждений и аварий) гидросооружений оросительных систем юга Казахстана.
2. В результате проведенных экспериментов в лотке получены качественные картины деформирования образцов лёссового грунта ненарушенной структуры различной влажности и ступенях нагрузки, передаваемой через штамп, имитирующий подошву фундамента гидросооружения на лёссовом основании. Полученные картины показывают, что перемещение грунта основания под гидросооружением небольшой площади подошвы происходит с поперечными деформациями.
3. Путем сопоставления величин относительной просадки, вычисленной при испытаниях лёссовых грунтов в лотке и в одометре, получены учитывающие боковое расширение грунта коэффициенты К для пересчета результатов компрессионных испытаний.
4. Путем статистической обработки результатов испытания образцов замоченного грунта под нагрузкой в лотке получены эмпирические формулы для определения характеристик лёссового замоченного грунта, которые могут быть использованы для расчетов, так как имеют удовлетворительные статистические оценки (коэффициент детерминации R>0,95, критерий Стьюдента р<0,05, значимость F<0,05).
5. Разработан метод прогноза ожидаемого совместного перемещения гидросооружения и его лёссового основания при изменениях влажности, позволяющий обеспечить эксплуатационную надежность сетевых гидротехнических сооружений мелиоративной сети, возводимых на просадочных грунтах.
6. Дана оценка достоверности предлагаемого расчетного метода путем сравнения расчетного значения с натурным перемещением существующего гидросооружения на мелиоративной сети.
7. Разработанный метод определения ожидаемой величины совместной деформации гидросооружения и его лёссового основания был использован при проектировании сетевых сооружений внутрихозяйственного канала «Кара-Арык» Казалинского района Кызылординской области, о чем имеется акт внедрения Комитета по водным хозяйствам Кызылордводхоза МСХ республики Казахстан.
8. С целью обеспечения совместного безопасного перемещения фундаментной части гидротехнического сооружения и его лёссового основания рекомендованы изменения в типовых конструкциях сетевых гидротехнических сооружений с учетом прогнозируемого расчетом по предлагаемой методике ожидаемого совместного перемещения сооружения и его лёссового основания.
9. Предложены мероприятия по защите дна и бортов канала в земляном русле на просадочных грунтах путем облицовки их матрацами «Рено», укладываемыми по геотекстильному нетканому противофильтрационному материалу, что позволяет существенно снизить их деформируемость и потерю воды при пропуске ее по каналу.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Кубенов Р.Т., Будикова А.М. Особенности геотехнического обоснования строительства гидросооружений на лёссовых просадочных грунтах // Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов // Труды международной геотехнической конференции. Алматы, 2004.
2. Фролов Н.Н., Кубенов Р.Т., Будикова А.М., Черных О.Н. Фактор надежности при проектировании сооружений оросительных систем на просадочных грунтах // Вопросы мелиорации // ЦНТИ Мелиоводинформ, М., 2005.
3. Юрченко С.Г., Будикова А.М. Лабораторные исследования свойств лёссовых грунтов при использовании их в качестве оснований гидротехнических сооружений // Роль природообустройства в обеспечении устойчивости функционирования и развития экосистем // Материалы международной научно-практической конференции. М.: МГУП, 2006, ч.1.
4. Будикова А.М., Фролов Н.Н. Повышение надежности расчетов гидросооружений на лёссовых основаниях по просадочным деформациям // Мелиорация и водное хозяйство // М., 2007, №2.
5. Юрченко С.Г., Будикова А.М. Методика расчета ожидаемой совместной просадочной деформации гидротехнических сооружений и их лёссовых оснований с учетом области замачивания // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета // Томск, 2008, №2.
Основные характеристики ГТС оросительных систем
Кызылординской области по состоянию на 10 января 2005г.
Таблица 1
| № | Технические показатели | Ед.изм. | Кол-во |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | Наличие орошаемых земель – всего, в том числе: а) регулярно орошаемых б) условно орошаемых, из них: на обычных грунтах на набухающих грунтах на сильнопросадочных грунтах на среднепросадочных грунтах на слабопросадочных грунтах | тыс.га - « - - « - - « - - « - - « - - « - - « - | 430,8 172,5 42,9 71,6 35,8 11,9 53,8 42,3 |
| 2 | Количество гидротехнических сооружений на оросительных системах, в том числе: на расход более 100м3/с 50…100м3/с 10…50м3/с 5…10м3/с до 5м3/с | шт. - « - - « - - « - - « - - « - | 644 230 180 200 19 15 |
| 3 | Гидросооружения на коллекторно-дренажной сети | шт. | 377 |
| 4 | Количество гидросооружений на искусственных основаниях, в том числе: на предварительно замоченных на утрамбованных на «подушках» из замененного грунта, на свайных | шт. шт. - « - - « - | 1848 122 76 1650 |
| 5 | Протяженность оросительной сети – всего, в т.ч.: межхозяйственной, из них: с пропускной способностью от 2 до 5м3/с от 5 до 10м3/с от 10 до 25м3/с от 25 до 50м3/с от 50 до 100м3/с свыше 100м3/с внутрихозяйственной – всего, в том числе: на государственных системах из них: на балансе органов водного хозяйства | км - « - - « - - « - - « - - « - - « - - « - - « - - « - - « - | 2286 1241,1 201,3 435,9 148,8 77,5 100,4 81 5743,12 3395,62 2347,5 |
| 6 | Каналы с искусственной одеждой – всего в том числе: а) с бетонной одеждой б) железобетонные лотки в) пленки, цементы внутрихозяйственные: а) с бетонной одеждой б) железобетонные лотки | км/тыс.м2 - « - - « - - « - - « - - « - - « - | 1048,12 427,6 138,1 482,4 77,4 89,8 30,2 |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 7 | Типы конструкций гидротехнических сооружений: открытого типа трубчатые | шт. - « - - « - | 1802 832 970 |
Рис.1.Трубчатый регулятор-переезд.
1–переезд; 2–водобойный колодец; 3–служебный мостик; 4, 6 – противо-эрозионные диафрагмы; 5 – гаситель; 7 – звенья водопропускной трубы.
Рис.2. Водопроводящее сооружение на просадочном грунте
1 - мостик; 2 – ребра жесткости; 3 – съемные пробки ; 4 - затампонированные отверстия; 5 – герметики; 6 – противоэрозионная диафрагма; 7 – сваи.
Рис.3. Быстроток-регулятор прямоугольный на расход до 2,5м3/с.
- переработанный и уплотненный грунт; 2 - гравийно-песчаная отсыпка;
3 - бетонная подготовка.
Количество, причины и характер отказов (повреждений и аварий) сетевых сооружений оросительных систем юга Казахстана
Таблица 2
| № | Причины и характер повреждений и разрушений сооружений | Количество поврежден- ных сооружений, шт. | |
| Общее кол-во | % от общего числа | ||
| 1 | Чрезмерные средние деформации оснований (просадка, осадка) | 2 | 2,3 |
| 2 | Ярко выраженные неравномерные деформации оснований | 14 | 16,1 |
| 3 | Размывы: в том числе: а) в нижнем бьефе б) в верхнем бьефе в) в обход сооружений г) через швы, стыки и трещины д) поверхностными водами | 22 10 2 3 6 1 | 25,3 11,5 2,3 3,5 6,9 1,2 |
| 4 | Недостатки конструкций: в т.ч.: а) мелкоразмерность сборных элементов б) недостаточная прочность и простран- ственная жесткость конструкции в) неудовлетворительная конструкция деформационных швов и стыков | 10 5 3 2 | 11,5 5,8 3,5 2,3 |
| 5 1 | Ошибки проектной документации по расчету оснований: в т.ч.: а) недостаточность объема и деталь- ности изысканий б) ошибки в прогнозе деформаций ос- нования 2 | 28 1 17 3 | 32,2 1,2 19,6 4 |
| в) отсутствие или недостаточность ме- роприятий по устройству искусствен- ных оснований | 10 | 11,5 | |
| 6 | Нарушение технологии работ при строитель- стве: в т.ч.: а) некачественное выполнение искусственного основания б) неплотная засыпка грунта в) некачественное выполнение деформа- ционных швов и стыков г) применение некачественных материалов д) отступление от проектных решений | 17 3 2 2 2 8 | 19,6 3,5 2,3 2,3 2,3 9,2 |
| 7 | Нарушение правил эксплуатации | 8 | 9,2 |
| 8 | Стихийные бедствия (сели, оползни, ливни) | 3 | 3,5 |
| 9 | Совокупность всех указанных причин | 11 | 12,7 |
| 10 | ИТОГО: | 115 | 100 |
Рис.4. Картина деформации лёссового грунта под штампом
при нагрузке р=0,07МПа и wsl=19%
(имитация осесимметричной модели гидросооружения)
 Рис.5. График зависимости sl=f(wsl) при разных давлениях р для плоской модели |  Рис.6. График зависимости sl=f(wsl) |
 Рис.7. График зависимости сsl=f(wsl) |  Рис.8. График зависимости wsl=f(p) |
Рис.9. График зависимости sl=f(p) при разных влажностях
 Рис.10. Расчетная схема к определению совместного ожидаемого перемещения гидросооружения и его основания |
Рис.11. План головного сооружения «Айтек» с подводящим и отводящим
каналами
1, 4 – крепление откосов - бетонные плиты, 2 – шпунтовая стенка, 3, 6 –
окончание крепления – засыпка камнем, 5 – крепление русла – габионы.
Рис.12. Предлагаемая реконструкция отводящего канала «Караозек»
1, 8 – щебень t=10см 2040мм; 2 – качественная насыпь; 3 – матрац «Рено» 3х2х0,3м по геотекстилю; 4 – засыпка пазух камнем ср-1520см; 5 – ось отводящего канала; 6 – засыпка пазух камнем ср-1520см; 7 – матрац «Рено» 3х2х0,3м по геотекстилю; 9 – качественная насыпь. Узел А: 1 - матрац «Рено» 3х2х0,3м; 2, 4 – геотекстиль «Геоком»-Д-250; 3 - засыпка пазух камнем ср-1520см.
