Технология ремонта грунтовых водоподпорных сооружений

Размещено на http://allbest.ru

18

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

(ФГБОУ ВПО «НГМА»)

УДК 627.8.03

Технология ремонта грунтовых водоподпорных сооружений

Васильева Елена Викторовна

младший научный сотрудник

Согласно мировому регистру плотин в мире построено более 100 тыс. водоподпорных сооружений. Среди них более 80 % составляют грунтовые плотины и дамбы, значительная часть которых относится к средне- и низконапорным [1, 2]. По данным Росприроднадзора и Ростехнадзора продолжительность эксплуатации этих сооружений составляет 30-50 лет, средний процент износа - более 50 %. Их аварийность превысила среднемировой показатель более чем в два раза. Ежегодно на них происходит 50-60 аварий, ущерб от которых исчисляется миллиардами рублей [1-3].

Среди основных причин аварий и разрушений грунтовых водоподпорных сооружений следует назвать несвоевременное устранение дефектов (просадок гребня, обрушений и оползаний откосов, трещин, фильтрационных ходов и др.) и некачественное выполнение ремонтно-восстановительных работ из-за использования низкоэффективных технологий. Применяемые в настоящее время технологии ремонтно-восстановительных работ предусматривают производство досыпки тела плотин и восстановление обрушенных откосов грунтом того же состава, что и тело сооружения, а заделки трещин, фильтрационных ходов, нор и других подобных дефектов - им же или суглинком, глиной, смесью суглинка (глины) с навозом, мешками с грунтом и т. п.

Но со временем из-за низких прочности, водо- и морозостойкости досыпанных и восстановленных элементов плотин (дамб) их защитные свойства (прочностные, противофильтрационные, теплоизоляционные и др.) будут утрачены и дефекты появятся вновь.

Ниже предложены технологии ремонтно-строительных работ по восстановлению грунтовых плотин и дамб путем их досыпки до требуемых отметок грунтосмесями, улучшенными высевкой и золой, способствующими образованию высокопрочной и водостойкой камневидной структуры в восстановленных элементах (откосах, гребне), обладающих повышенной сопротивляемостью к дефектообразованию [4]. Необходимость досыпки (наращивания) гребня и откосов плотины возникает в случае потребности в увеличении высоты плотины или при просадке ее тела ниже проектных отметок (рисунок 1).

а)

б)

Рисунок 1 - Схема поперечного сечения плотины

а, б - для случаев подъема высоты гребня плотины и ликвидации просадки гребня и откосов; 1 - плотина; 2, 3 - поперечное сечение плотины соответственно до и после проведения ремонтных работ

Целью исследования является разработка технологии ремонта низконапорных грунтовых плотин и дамб с использованием грунтоматериалов. Задачи исследований - усовершенствование отдельных технологических процессов, разработка схем производства работ, подбор состава грунтовых смесей с повышенными прочностными свойствами. Для приготовления грунтосмеси рекомендуется использовать грунтосмесительную установку типа, например, ДС-50 с дополнительным бункером для золы (рисунок 2). Перечень ремонтно-строительных операций по досыпке гребня и откосов плотины до требуемых (увеличенных, проектных) отметок приведен в таблице 1.

Рисунок 2 - Технологическая схема модернизированной грунтосмесительной установки ДС-50

1 - бункер цемента; 2 - бункер золы; 3 - цистерна с насосными установками; 4 - бункера грунта и заполнителей; 5 - транспортер; 6 - смесительный агрегат

Выбор средств механизации определяется размерами плотин (дамб) и их элементов, видом грунта, дальностью его перемещения и т. д.

Таблица 1 - Перечень ремонтно-восстановительных операций по досыпке гребня и откосов плотины до проектных отметок

При пологих откосах плотин (m = 4-6) смешивание высевки с грунтом (рисунок 3), а затем с цементом и золой (рисунок 4) может производиться и на месте проведения работ - откосе или гребне.

Для этого грунт на откосе измельчают, подвозят и равномерно распределяют по нему высевку, перемешивают фрезой. По принятым дозировкам вносят цемент и золу, вновь перемешивают, увлажняют до оптимальной влажности и уплотняют.

Рисунок 3 - Схема перемешивания высевки с грунтом на откосе специальной фрезой

1 - плотина; 2 - верховой откос; 3 - фреза; 4 - измельченная и перемешанная фрезой смесь высевки с грунтом; 5 - высевка, 6 - грунт

Рисунок 4 - Схема перемешивания цемента и золы с высевкой и грунтом

1 - плотина; 2 - верховой откос; 3 - фреза; 4 - перемешанная фрезой смесь высевки и грунта с цементом и золой; 5 - цемент, зола; 6 - смесь высевки с грунтом

К опасным дефектам в грунтовых плотинах и дамбах относятся также норы землеройных животных и трещины, создающие условия для появления сосредоточенного движения воды и возможного прорыва плотин и дамб. Обнаруженные норы и трещины следует заделывать до поднятия уровня воды в верхнем бьефе (рисунки 5, 6).

Рисунок 5 - Разработка грунта в траншее с превышением глубины над высотой норы (трещины)

1 - траншея; 2 - экскаватор; 3 - разработанный грунт; 4 - нора

Рисунок 6 - Обратная засыпка траншеи (устройство замка) слоями

1 - доставленная грунтосмесь; 2 - плотина (дамба); 3 - нора (трещина); 4 - траншея; 5 - уплотненные слои грунтосмеси

При заделке нор и трещин эффективнее использовать не грунт, а грунтовую смесь в виде грунтоцемента с добавлением высевки и золы [4], что обеспечит высокие прочность, водо- и морозостойкость заделке (замку), а значит, снизит вероятность появления фильтрационных ходов, просачиваний воды через тело плотины или дамбы и их прорыва.

Состав ремонтно-строительных операций и средств механизации представлен в таблице 2. грунтобетон водоподпорный сооружение плотина

Таблица 2 - Перечень ремонтно-строительных операций по заделке нор и трещин

Для определения прочностных свойств затвердевшей грунтосмеси были проведены экспериментальные исследования, позволяющие с помощью математических моделей, изменяя входные параметры, оценивать качество грунтосмеси.

В основу решения был положен двухфакторный [5] симплекс-суммируемый план типа правильного шестиугольника. В качестве двух варьируемых факторов были выбраны расход цемента (Ц, % от массы грунтосмеси), расход (количество) грунта (ГР, % от массы грунтосмеси).

Расход цемента и количество грунта в плане эксперимента варьировались от 3,0 до 15 % и от 40 до 85 % соответственно, что подтверждается результатами предварительных исследований и априорной информации о рациональном дозировании вышеуказанных компонентов грунтосмеси [6]. Для приготовления грунтовых смесей использовались материалы (компоненты) со следующими показателями: Новороссийский портландцемент марки 400; грунт - легкий слабоводопроницаемый суглинок; высевка - отход камнедробления известняка фракции 0-5 мм с модулем крупности М_кр = 2,98; зола-унос сухого отбора с электрофильтров Новочеркасской ГРЭС.

При этом соблюдались следующие условия: цемент + зола = 15 %, грунт + высевка = 85 %.

В связи с этим состав грунтосмеси по опыту № 1 включал цемент, золу, грунт и высевку в следующем соотношении: 9,0 %; 6,0 %; 62,5 %; 22,5 %, по опыту № 2 - 3,0 %; 12,0 %; 62,5 %; 22,5 %, и т. д.

Условия кодирования и варьирования факторов представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Кодирование и варьирование факторов

Графический план эксперимента представлен на рисунке 7.

Из рисунка 7 видно, что точки принятого плана эксперимента имеют координаты вершин правильного шестиугольника, построенного в пределах варьирования факторов ± 1 в кодированной форме.

План удобен тем, что переход от кодированных значений факторов к натуральным и наоборот можно осуществить графически по соответствующим осям.

Рисунок 7 - План эксперимента на шестиугольнике

По результатам семи опытов (шесть вершин и центр шестиугольника) вычисляются неизвестные коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:

,

где;(1)

;(2)

;(3)

.(4)

Матрица и результаты эксперимента приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Реализация плана эксперимента

По формулам (1-4) были подсчитаны коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:

;

;

;

;

;

.

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

.(5)

Анализ модели (5) произведен после определения ее типа и построения геометрического образа.

Для этого использована общая теория поверхностей второго порядка.

Принято:

.(6)

Инварианты кривой второго порядка составили:

- сумма коэффициентов при квадратичных членах:

;

- определитель, составленный из коэффициентов при старших членах:

;(7)

- определитель третьего порядка, составленный из всех коэффициентов:

.(8)

С использованием инвариантов (6), (7) и (8) уравнение (5) приведено к удобной для анализа и геометрической интерпретации канонической форме:

.(9)

Коэффициенты канонической формы вычислены через инварианты:

;

;

;

.(10)

С геометрической точки зрения переход к уравнению (9) означает перенос начала координат в центр кривой (поверхности) и поворот их на некоторый угол до совмещения с главными осями кривой (поверхностями) второго порядка. С учетом вычисленных коэффициентов каноническая форма уравнения (5) примет вид:

.(11)

По канонической форме (11) полуоси эллипсов определены следующим образом:

;

.(12)

Геометрический образ модели (R₂₈) изображен на рисунке 11.

Рисунок 8 - Геометрический образ модели прочности грунтобетона через 28 суток твердения и полного водонасыщения

Анализ математической модели и ее графического представления позволяет сделать следующие выводы:

1. Прочность затвердевшей через 28 суток грунтосмеси (грунтобетона) повышается при уменьшении количества грунта в составе грунтосмеси и увеличении расхода цемента и высевки.

2. Дозировка цемента и высевки в высокопрочных (13-15 МПа) грунтобетонах должна быть соответственно не менее 8,0-10,0 % и не менее 25-30 % от массы грунтосмеси.

3. Уменьшение дозировки цемента в равнопрочных грунтобетонах следует компенсировать увеличением расхода высевки в составе грунтосмеси. Одинаковыми прочностными свойствами обладают затвердевшие грунтосмеси с нижеприведенными расходами компонентов (цемента, грунта, высевки, золы):

Ц = 9,0 % , ГР = 46-48 %, Выс = 37-39 %, З = 6,0 %;

Ц = 10,5 % , ГР = 63-65 %, Выс = 20-22 %, З = 4,5 %;

Ц = 12,0 % , ГР = 69-71 %, Выс = 14-16 %, З = 3,0 % и т. д.

4. Использование высевки и золы-уноса для экономного расхода цемента в равнопрочных грунтобетонах в количестве соответственно 20-40 % и 4-6 % от массы грунтосмеси следует считать оптимальным.

5. Уменьшение количества высевки ниже 20 % и увеличение дозировки золы cвыше 6 % не обеспечивают затвердевшей грунтосмеси высокой прочности без увеличения расхода цемента.

Список использованных источников

1. Щедрин, В. Н. Вопросы контроля технического состояния и безопасности гидротехнических сооружений / В. Н. Щедрин, Ю. М. Ко-сиченко, Г. А. Сенчуков // Сб. тр. ФГНУ « РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2003. - Ч. 1. - С. 207-220.

2. Щедрин, В. Н. О проблемах безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко // Гидротехническое строительство. - 2011. - № 5. - С. 33-38.

3. Ачкасов, Г. П. Технология и организация ремонта мелиоративных гидротехнических сооружений / Г. П. Ачкасов, Е. С. Иванов. - М.: Колос, 1984. - 174 с.

4. Пат. 2419705 Российская Федерация, МПК № Е02В 3/16 (2006.01). Способ устранения дефектов в дамбах из однородного грунта / Васильева Е. В., Федоров В. М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «НГМА». - № 2009147689/21; заявл. 21.12.2009; опубл. 27.05.11, Бюл. № 15. - 4 с.

5. Вознесенский, В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях / В. А. Вознесенский. - М.: Финансы и статистика, 1981. - 262 с.

6. Горелышев, Н. В. Материалы и изделия для строительства дорог / Н. В. Горелышев, И. Л. Гурячкова, Э. Р. Пинус. - М.: Транспорт, 1986. - 287 с.

Аннотация

УДК 627.8.03

Технология ремонта грунтовых водоподпорных сооружений. Васильева Елена Викторовна - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), младший научный сотрудник. Контактный телефон: 89085080528. E-mail: karalenka5@yandex.ru

Разработана усовершенствованная технология борьбы с дефектами и повреждениями на грунтовых водоподпорных сооружениях, предусматривающая проведение ремонтных работ с использованием грунтосмесей, улучшенных добавлением высевки и золы, обеспечивающих образование в затвердевшей грунтосмеси высокопрочной и жесткой камневидной структуры, усиливающей сопротивляемость отремонтированных (восстановленных) элементов (откосов, гребня и др.) плотин и дамб к дефектообразованию, усовершенствованы отдельные технологические процессы.

Разработана схема производства работ, осуществлен подбор состава грунтовых смесей с повышенными прочностными свойствами. Ремонт грунтовых плотин и дамб грунтовыми смесями, улучшенными высевкой и золой, обеспечит восстановленным (отремонтированным) откосам и гребню сооружений высокие показатели прочности (до 13-15 МПа) и водостойкости, повышая тем самым эффективность и качество проведенных ремонтно-восстановительных работ.

Дозировка цемента и высевки в высокопрочных (13-15 МПа) грунтобетонах должна быть соответственно не менее 8,0-10,0 % и не менее 25-30 % от массы грунтосмеси.

Использование высевки и золы-уноса для экономного расхода цемента в равнопрочных грунтобетонах в количестве соответственно 20-40 % и 4-6 % от массы грунтосмеси следует считать оптимальным.

Уменьшение количества высевки ниже 20 % и увеличение дозировки золы cвыше 6 % не обеспечивают затвердевшей грунтосмеси высокой прочности без увеличения расхода цемента.

Ключевые слова: технология, трещина, грунтосмесь, план эксперимента, уравнение регресcиии.

Annotation

Repair technology for earth water-retaining constructions. Vasilyeva Yelena Viktorovna - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA), Junior Researcher. Contact telephone number: 89085080528. E-mail: karalenka5@yandex.ru

To control defects and damages of earth water-retaining constructions, the enhanced technology was developed. The technology includes repair works using soil mixtures improved by adding fines and ash. Those additives facilitate to form in hardened soil mixture high-strength and stiff calculus structure which reinforces the resistance of repaired (restored) elements (dam slope, crest of dam, and other) of dams for damage process. Several technological processes were improved as well. The scheme for work execution were developed, the selection of components for soil mixtures with high mechanical properties was made. The repair of earth dams using soil mixtures improved by adding fines and ash provides high indices of mechanical properties (up to 13-15 MPa) and water resistance, thereby increasing the efficiency and quality of carried out repair works. The dosage of cement and fines in high-strength (13-15 MPa) soil-concrete have to be not less than 8.0-10.0 % and not less than 25-30 % respectively. The optimal ratio of fines and fly ash for economic consumption of cement in full-strength soil-concretes is seemed to be 20-40 % and 4-6 % from the total mass of soil mixture respectively. While decreasing the ratio of fines lower than 20 % and increasing the dosage of ash higher than 6 %, high strength to hardened soil mixture can't be provided without increasing the content of cement.

Keywords : technology, crack, soil mixture, experiment plan, regression equation.

Размещено на Allbest.ru