Инновационные технологии противофильтрационной облицовки при строительстве и реконструкции оросительных каналов

Во введении показана актуальность темы исследования, выбран объект и опре-
делен предмет исследования, сформулированы цель, задачи и научная новизна ис-
следования, отражены основные положения, выносимые на защиту, теоретическая и
практическая значимость работы, методология и методы исследования, а также
апробация результатов исследования и объем публикаций по теме диссертации.
В первой главе рассмотрены вопросы, связанные со строительством и эксплуа-
тацией оросительных каналов в Саратовском Заволжье: описаны их виды и назна-
чение, существующие технологии строительства, способы обслуживания, машины
и вспомогательная техника, используемые при строительстве, реконструкции, ре-
монте и обслуживании оросительной сети. Представлены традиционные и иннова-
ционные облицовки оросительных каналов.
В результате литературного обзора выявлено, что оросительные каналы Саратов-
ского Заволжья находятся в состоянии физического износа, что негативно влияет на
транспортирующую и пропускную способность каналов и сети в целом (таблица 1).
Таблица 1 – Состояние постоянно действующей оросительной сети Заволжья
Оросительная сетьПротяженность, кмТребуется восстановление, %
В целом5887,381,5
В том числе каналы1205,535*
в облицованном русле82130*
в земельном русле384,540*
*примерные значения

Наиболее полные данные о потерях оросительной воды приводят ученые
Ю.М. Косиченко, О.А. Баев, А.В. Ищенко (рисунок 1).

Рисунок 1 – Потери оросительной воды по элементам системы
По результатам обзора и анализа использования облицовочных материалов бы-
ло выявлено, что помимо традиционной бетонной облицовки каналов возможно
применение современных облицовочных материалов, в виде бетонного полотна
(рисунок 2).
Структура бетонного полотнаПример применения бетонного
полотна

аб
Рисунок 2 – Структура (а) и общий вид (б) бетонного полотна
Исследования проводили для определения наиболее экономичных и технически
прогрессивных путей развития с применением математических методов и компью-
терной программы.
В таблице 2 представлен сравнительный анализ инновационного материала
бетонного полотна и бетонной облицовки.
Таблица 2 – Сравнительный анализ характеристик облицовочных материалов
Бетонное полотно Бетонная облицовка
Показатель
СС8ПКН 60.20
Стоимость 1 м2, руб.1424939
Масса 1 м2, кг9,2150
Скорость укладки 1 м2, дни80080
Приобретение необходимой прочности 80 %, ч2472
Приобретение необходимой марочной прочности, ч240672
Морозостойкость, циклы300400
Прочность, МПа31,444,95
Срок эксплуатации, лет5050
На основании выполненного анализа дается обоснование, что поднимаемые в рабо-
те вопросы могут быть решены с помощью использования инновационных облицовоч-
ных материалов в виде бетонного полотна, способных решить проблему потерь воды из
каналов.
Вторая глава посвящена технологическим и теоретическим предпосылкам
строительства, реконструкции и ремонта оросительных каналов, математическому
описанию технологического процесса и технологий.
Разработанный алгоритм оптимизации выбора облицовки состоит из пяти
блоков, первые четыре обеспечивают реализацию последнего пятого блока с
наименьшими затратами. Каждый блок является предшествующим следующему.
На рисунке 3 в общем виде представлен комплексный алгоритм оптимиза-
ции выбора варианта облицовки оросительных каналов с учетом применения
инновационных материалов.

Рисунок 3 – Комплексный алгоритм оптимизации выбора варианта облицовки
оросительного канала с учетом применения инновационных материалов
Нами была разработана компьютерная программа технико-экономического
расчета рациональных облицовочных решений на оросительных каналах,
принцип работы которой представлен на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 – Общий интерфейс программы
Рисунок 5 – Принцип работы программы технико-экономического расчета рациональ-
ных облицовочных решений на оросительных каналах
Третья глава включает в себя программу и методику экспериментальных ис-
следований для определения фильтрационных свойств бетонного полотна.
При проведении эксперимента использован метод точечных фильтромеров
(рисунок 6), предназначенный для локального определения фактических потерь
воды на фильтрацию. Данный метод хорошо известен по работам таких ученых,
как П.Д. Глебов, В.А. Казаков, В.И. Ольгаренко и др.

Рисунок 6 – Модель проводимого эксперимента

Эксперимент проводили в несколько этапов: подготовка материалов; сбор уста-
новки; наблюдение и регистрация данных; анализ зарегистрированных данных.
Структура установки представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Установка для проведения эксперимента в рабочем состоянии: 1 – цилиндр;
2– образец бетонного полотна или бетонной плиты; 3 – основание для укладки материала;
4 – ёмкость для замера фильтрационных потерь; 5 – вода
На основании многочисленных исследований состояния бетонной облицов-
ки установлено, что наибольшие фильтрационные потери в каналах происходят в
связи с возможными просадками грунта и температурными перепадами, особенно в
стыковых соединениях за счет сдвига и деформационной нагрузки. Для предотвра-
щения таких последствий разрушения облицовки нами был проведен эксперимент
по установлению надёжности стыковой части полотна.
При проведении лабораторных испытаний на растяжение за основу был
выбран действующий ГОСТ Р 56785-2015 «Композиты полимерные». Сущ-
ность метода заключается в растяжении образца в виде бетонного полотна до
момента его деформации или разрыва.
Варианты крепления представлены на следующем рисунке 8.

абв
Рисунок 8– Варианты крепления бетонного полотна саморезами:
а, б – заявленные производителем; в – предлагаемый
Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований бе-
тонного полотна. Рассчитан фильтрационный расход для бетонного полотна в со-
ответствии с контрольным материалом – бетонной облицовкой. Итоговые расчеты
фильтрационного расхода для бетонного полотна были сопоставлены с реальными
потерями в каналах. Представлены результаты эксперимента на растяжение. На
основе проведенных экспериментов был предложен более надежный способ креп-
ления отрезков бетонного полотна.
Результаты эксперимента представлены в таблице 3 и на рисунке 9.
Таблица 3 – Результаты эксперимента водопроницаемости
Снижение уровня воды, см
Время замера
бетонная облицовкабетонное полотно
Через 12 ч0,3–
Через 24 ч20,4
Через 48 ч4,11,2
Через 96 ч6,52
Через 192 ч12,52,6
Падение уровня воды,

1512,5

106,5
4,1
см

2,6Бетонное
0 0,30,41,2полотно
0Бетонная
Через 12Через 24Через 48Через 96 Через 192облицовка
часовчасачасовчасовчаса
Время после начала исследования

Рисунок 9 – Оценка водопроницаемости облицовочных материалов
После того, как были получены данные о водопроницаемости, был определен
фильтрационный расход. Его рассчитали для каждого облицовочного материала
как отношение объема воды ко времени изучаемого процесса (таблица 4).
Таблица 4 – Фильтрационный расход
Экспериментальный
Время, сОбъём, лФильтрационный расход, л/c
образец
1728000,211,21∙10–6
Бетонное полотно3456000,351,01∙10–6
6912000,466,65∙10–7
1728000,724,16∙10–6
Бетонная плита3456001,153,32∙10–6
6912002,213,19∙10–6
На основании формул Г.К. Ризенкампфа и А.Н. Костякова, а также общеиз-
вестных исследований ученых в области фильтрационных потерь воды из ка-
нала использовали усреднённые коэффициенты фильтрации противофильтра-
ционных покрытий (ТКП 45-3.04-8-2005):
kt dc mt2 ,
Q f  0, 0116b ( d c  t )  2d c   1  m
t 2 1  m2

где kt – коэффициент фильтрации экрана, м/сут.; t – толщина облицовки, м; b –
ширина канала по дну, м; dc – глубина наполнения канала при расчетном рас-
ходе, м; m – коэффициент заложения откосов.
Коэффициент фильтрации позволяет определять фильтрационные потери
на основании фактических их замеров в характерных точках смоченного пери-
метра канала с достаточной степенью точности с последующим пересчетом и
получением потерь воды на фильтрацию для всей фильтрующей площади ка-
нала (таблица 5, рисунок 10).
Таблица 5 – Сравнительный анализ фильтрационных показателей
различных типов противофильтрационных облицовок
Показатели канала
Коэф. фильтрации на 1
Вид облицовкирасход воды,потери на 1 км,
м2, м/сут.
м3/cм3/c
0,201…0,5000,0012
Бетонное полотно СС80,000380,501…1,0000,0016
1,001…2,0000,0022
0,201…0,5000,0036
Железобетонные обли-
0,00070,501…1,0000,0054
цовки ПКН 60.20
1,001…2,0000,0075
0,201…0,5000,0031
Монолитные облицовки0,00050,501…1,0000,0042
1,001…2,0000,0057
0,008
0,007y = 0,002x + 0,0016Бетонное
0,006полотно
R² = 0,998
м3/c на 1 км

0,005y = 0,0013x + 0,0017
Потери

0,004R² = 0,9922Сборные-
железобетонные
0,003y = 0,0005x + 0,0007плиты
0,002R² = 0,9868
Монолитный
0,001бетон
0,201…0,5000,501…1,0001,001…2,000
Расход воды, м3/c
Рисунок 10 – Фильтрационные потери от вида облицовки и расхода воды в канале
Для исследования места стыковки бетонного полотна проводился эксперимент
на разрыв. Метод испытания заключается в растяжении образца ПКМ с постоянной
скоростью нагружения или деформирования до момента разрыва. На рисунке 11
представлены установка и испытуемые образцы, зажатые в тисках с обеих сторон.

абв
Рисунок 11 – Процесс растяжения скреплённых отрезков бетонного полотна:
а, б – варианты крепления, заявленные производителем; в – предлагаемый
В результате проведённых испытаний доказана неэффективность способов
закрепления бетонного полотна, заявленных производителем (способы a и б на
рисунке 9). При этом предложенный нами вариант крепления в выдержал все
испытания (рисунок 12, таблица 6).

Рисунок 12 – Визуальные результаты испытаний
Таблица 6 – Технические результаты испытаний
на растяжение
Вариант крепления
Испытание
абв
Первое93,7 кг117,5 кг164,2 кг
Второе90,5 кг119,3 кг162,5 кг
Третье91,2 кг116,6 кг162,8 кг
Предлагаемый нами вариант крепления в имеет максимальный предел прочно-
сти – 164,2 кг (2,05 МПа), вариант а – 93,7 кг (1,17 МПа), б – 119,3 кг (1,49 Мпа).
Таким образом, вариант крепления в на 75,21 % превосходит по прочности вариант
а и на 37,58 % вариант б. Следовательно, для создания герметичного соединения он
будет подходить наилучшим образом.
Для повышения эффективности бетонной облицовки был разработан новый
способ крепления отрезков бетонного полотна. Технической задачей данного спо-
соба является повышение его надежности, исключающее возможность разрыва
крепления и утечек воды через стыки материала в нахлесте полотен. При приме-
нении данного способа крепления реализуется весь потенциал предела прочности
бетонного полотна (рисунок 13).

Рисунок 13 – Предлагаемый способ крепления бетонного полотна

Пятая глава содержит расчеты экономической эффективности применения бе-
тонного полотна, сравнительный анализ затрат при облицовке канала бетонным по-
лотном и бетонной облицовкой.
На основе оптимизации выбора варианта реконструкции оросительных каналов,
представленной во второй главе, приведено технико-экономическое сравнение раз-
личных видов облицовки. Для расчетов был выбран оросительный канал Приволж-
ской оросительной системы «Р-1 оросительный» с заложением откосов 1:1 и протя-
жённостью обновляемого участка 500 м (общая площадь укладки 5450 м2). Резуль-
таты расчетов сведены в таблицу 7.
Таблица 7 – Оптимизация выбора варианта реконструкции оросительного канала
I. Оценка оросительного канала Приволжский Р-1
ПараметрыПротяжённость, кмСтепень износа, %КПД, %
m = 1:1; поперечное
3,63068
сечение – 10,5 м
Примечание. Оросительный канал имеет трапецеидальное сечение и находится в земляном русле.
II. Обновление оросительного канала
Вариант обновления
железобетонныемонолитныйкомбинированный
бетонное полотно
облицовкибетонвариант
+++–
Примечание. Вариант модернизации отсутствует, так как канал не облицован.
III. Расчетная стоимость вариантов обновления
Текущие затраты,ПриведённыеЭкономический
Материал
руб.затраты, руб.результат, руб.
Бетонные плиты НПК
6539500520910011748600
60.20
Бетонное полотно
СС8 + обычная тех-1106545017427711239727
нология укладки
Бетонное полотно
СС8 + усовершен-
1056247516772010730195
ствованная техноло-
гия укладки
Примечание. Возможность проведения работ без использования тяжелой техники и простота монта-
жа бетонного полотна, вариант обновления с помощью данного материала является актуальным.
IV. Выбор наилучшей технологии монтажа и контроль качества проводимых работ
Использование технологии укладки, рекомендованной производителем. Однако при
совершенствовании операции по закреплению материала рекомендуется предлагае-
мый нами способ.
V. Эксплуатация оросительного канала

Общий экономический эффект при выборе бетонного полотна с использовани-
ем нашей технологии укладки бетонного полотна

Эобщ = Збп − ЗбпУ =
11239727-10730195= 509532 руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Мониторинг современного технического состояния оросительных каналов
Саратовского Заволжья позволил установить высокий (35 %) уровень физического
износа оросительных каналов. Лабораторные и натурные исследования облицовоч-
ных материалов оросительных каналов показали, что надежным и экономичным
материалом является бетонная облицовка. При этом отмечается, что бетонное по-
лотно, рассматриваемое в работе, отвечает высоким требованиям и может считаться
инновационным облицовочным материалом, так как обладает достойными характе-
ристиками по массе и прочности, имеет невысокую трудоемкость укладки, а глав-
ное – исключает использование специализированной техники.
2. На основе разработанного нами комплексного алгоритма оптимизации выбо-
ра варианта облицовки оросительного канала, были получены технико-
экономические показатели оросительного канала Приволжской оросительной си-
стемы «Р-1 оросительный». Данный алгоритм позволяет оценить каждый ороси-
тельный канал оросительной сети и выбрать наиболее приемлемый вариант обли-
цовки в зависимости от текущего состояния с помощью компьютерной программы.
Техническая новизна предложенной программы для расчета подтверждена свиде-
тельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.
3. Получены экспериментальные данные влагопроводности и фильтрационных
потерь оросительной воды из каналов, облицованных бетонным полотном, по срав-
нению с традиционными покрытиями. На основании проведенного лабораторного
эксперимента водопроницаемости был рассчитан фильтрационный расход для бе-
тонного полотна и бетонной плиты относительно нашего эксперимента. По итого-
вому замеру (через 192 ч) фильтрационный расход для бетонного полотна составил
6,65∙10–7 л/c, для бетонной плиты – 3,19∙10–6 л/c. Фильтрационные потери в канале
(расход воды 1,0–2,0 м3/с) с облицовкой из бетонного полотна – 0,0022 м3/c, из
сборных железобетонных плит – 0,0075 м3/c, из монолитного бетона – 0,0057 м3/c.
Таким образом, эффективность бетонного полотна выше за счет снижения фильтра-
ционных потерь и, соответственно, повышения КПД
4. Разработан более надежный способ крепления бетонного полотна в канале на
основе лабораторного эксперимента. Он имеет сравнительно высокие показатели
предела прочности, среднее значение которого 164,2 кг (2,05 МПа). Пределы проч-
ности известных креплений составляют 93,7 кг (1,17 МПа) и 119,3 кг (1,49 МПа).
5. Экономический эффект от использования предложенной технологии укладки
бетонного полотна на каналах составляет 509532 руб. на 5450 м2 .
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
1. При строительстве новых оросительных каналов, а также при ремонте и
реконструкции существующих необходимо использовать современные обли-
цовочные материалы, сочетающие в себе надёжность, низкую трудоёмкость и
наименьшие совокупные расходы. Предлагаемый в работе материал позволяет
на порядок ускорить процесс облицовки с наименьшими расходами матери-
альных и трудовых ресурсов.
2. Выбор облицовочного материала рекомендуем проводить с помощью компь-
ютерной программы, позволяющей рассчитать общую стоимость и обосновать вы-
бор технологического решения наиболее рационального варианта облицовки.
3. При облицовке оросительных каналов бетонным полотном необходимо ис-
пользовать более плотное и надёжное крепление нахлеста отрезков. Фиксацию по-
лотен бетонного полотна осуществляют саморезами по длине поперечного сечения
с шагом 20 см и 2–3 см от края стыка. Для улучшения водонепроницаемости стыка
до стяжки полотен саморезами между слоями бетонного полотна наносят первый
слой строительного герметика, укладывают отрезок геомембраны толщиной не ме-
нее 1,5 мм и наносят второй слой герметика. После этого образуется плотный гео-
композит, исключающий фильтрационные потери.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ
Особый интерес для дальнейшего развития темы представляют исследования в
области разработки технологий обслуживания и проведения ежегодного ремонта
существующих каналов, покрытых бетонным полотном. Появление новых знаний о
современных облицовочных материалах позволит на этапе проектирования техно-
логических процессов определять оптимальные методы обслуживания ороситель-
ных каналов. Представляется перспективной разработка технологии применения
бетонного полотна при строительстве, ремонте и реконструкции земляных плотин
малых водохранилищ и других гидротехнических сооружений на мелиоративных
объектах.