Сборник докладов ИСИ 2015

2. Для обеспечения непрерывной подачи воды потребителям рекомендуется во время промывки камеры отстойника увеличить проектный расход водозабора из р. Асса с 2,4 м3/с

до 3,6 м3/с.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Отчет о НИР «Физическое моделирование и обоснование водоотведения от водозаборного сооружения на р. Асса Республики Ингушетия» (Договор № 143101401). СПбПУ-КРСУ, 2014. 120 с.

2.Сидоров А.А., Близняк Е.В., Олешкевич Л.В. Справочник по гидротехнике. – М: Государственное издат. литературы по строительству и архитектуре, 1955. – 831 с.

3.Лавров Н.П., Логинов Г.И., Шипилов А.В. Новые типы водозаборных сооружений для малых ГЭС// Гидротехника. XXI век. №1 (8). СПб: РусГидро, ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 2012. С. 51-53

4.Бухарцев В.Н., Лавров Н.П. Речные гидротехнические сооружения. Водозаборные и деривационные гидроузлы. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. 112 с.

УДК 627

Т.Т.Данг, В.Н.Бухарцев Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ С НЕПЛОСКОЙ ПОДОШВОЙ

При проектировании водосливных плотин низконапорных гидроузлов на нескальных основаниях сталкиваются с проблемой выбора значения удельного расхода, влияющего на длину водослива и толщину крепления в нижнем бьефе [1, 2]. В большинстве случаев удельный расход назначают по компоновочным соображениям из условия минимального стеснения русла река при организации котлована первой очереди строительства [3]. Увеличение удельного расхода сбрасываемого через водослдив потока приводит к увеличению глубины котлована. Для уменьшения объемов выемки подошву плотины делают ломаного профиля (рис. 1). Отметка подошвы такой плотины со стороны нижнего бьефа определяется толщиной крепления, а со стороны верхнего бьефа условиями пропуска расходов реки во вторую очередь строительства.

Рис. 1. Конструктивная схема плотины

Для расчетного обоснования работоспособности такой плотины приходится применять более сложные расчетные методы. Например, для определения напряжений на контакте сооружения, имеющего подошву ломаного профиля, с основанием использован обобщающий метод [4].

Выполнению расчетов предшествует сбор нагрузок на сооружение, представленных на рис. 2.

111

Рис. 2. Расчетная схема

Результаты вычисления напряжений на контакте сооружения с основанием представлены в виде эпюр на рис. 3.

Рис. 3. Эпюры напряжений у подошвы сооружения (напряжения представлены в тс/м2)

112

Оценка устойчивости плотины по горизонтальной и наклонной плоскостям показала, что создание ломаного профиля подошвы приводит к снижению коэффициента запаса примерно на 8%.

Выводы:

1.Создание подошвы ломаного профиля приводит к увеличению объема бетона плотины для обеспечения нормативного запаса устойчивости и, вместе с тем, к снижению объема выемки грунта и уменьшению затрат на водоотлив в строительный период.

2.Целесообразность применения такой конструкции определяется техникоэкономическим сопоставлением вариантов конструкции.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Гидротехническое сооружение / Под ред. Р.Р. Чугаева. М.: Агропромиздат, 1985. 302с.

2.Гидротехническое сооружение / Под ред. Л.Н. Рассказова. М.: Стройиздат, 1996. 435с.

3.Речные гидротехнические сооружения. Водосбросные сооружения низконапорных гидроузлов: учеб. пособие / В.Н. Бухарцев. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 88с.

4.Бухарцев В.Н., Лукашевич А.А. Решение задачи о взаимодействии неплоской подошвы сооружения с нескальным основанием // Гидротехническое строительство. 2009. №3.

УДК627

М.А.Пустовалов, Г.В.Евдокимов, И.Е.Фролова Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ФИЛЬТРАЦИЯ В ОСНОВАНИИ ВОДОЗАБОРНОГО СООРУЖЕНИЯ НА Р.АССА В ИНГУШЕТИИ

Значительное количество аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях, таких как бетонные плотины, подпорные стенки, водозаборные сооружения и др., связано с работой подземного контура. Поэтому при проектировании таких гидротехнических сооружений одной из основных задач является назначение рационального подземного контура, который максимально снизит давление на подошву и скелет грунта при обеспечении суффозионной прочности грунта основания и уменьшения фильтрационной потери воды [2-4].

В данной работе представлены результаты фильтрационного расчета основания водозаборного сооружения на р. Асса для водоснабжения с. Галашки и других населенных пунктов Сунженского района, Республика Ингушетия. Для решения поставленной задачи исходные данные (конструкция водозаборного сооружения, гидрологические, геологические

итопографические сведения) были получены от Кисловодской комплексной мастерской (ККМ) ОАО «Проектный институт Ставрополькоммунпроект» (ПСП).

Расход реки в створе сооружения колеблется от 425 м3/с однопроцентной обеспеченности до 3 м3/с минимального расхода, что говорит о непостоянных напорах и уровнях бьефов. Исходя из этого, была предложена компоновочная схема бесплотинного водозаборного сооружения, которая определяет необходимость устройства плавкой вставки в виде размываемой грунтовой дамбы в основном русле реки и головного регулятора на отводящем канале.

Подземный контур головного сооружения представляет собой комплекс маловодопроницаемых элементов из железобетонной конструкции с основанием из бетонной

игравийной подготовки. Такое основание увеличивает путь фильтрации до необходимой по условию суффозионной прочности. Плавкая вставка представляет собой размываемую грунтовую дамбу, которая отсыпается из местного грунта, а ее основание делается из бутобетона (рис. 5).

113

Так как задачей исследования было определение сопротивляемости грунта к разрушению и суффозионной стойкости основания головного сооружения и плавкой вставки [1], для расчета в качестве основного был выбран максимальный расчетный расход 425 м3/с, как самый опасный для основания сооружений. Геологические данные были представлены в виде состава отложений наносов в пойме реки, а также информации о мощности, выветренности и других особенностях земляного массива (рис. 3).

Исходя из вышесказанного, для расчета был выбран метод коэффициентов сопротивления ζ Р.Р. Чугаева [5, 6]. Являясь чисто инженерной, эта методика хорошо подходит для проектирования подземного контура гидротехнических сооружений на нескальном основании.

В частном случае, когда водоупор расположен близко к поверхности земли (глубина залегания водоупора Т мала; см. рис. 2), мы получаем линейную задачу фильтрации воды в так называемой горизонтальной трубе, имеющей отдельные местные гидравлические сопротивления (шпунт, длина и т.д.).

Рис. 1. Геологическое строение основания

Рис. 2. Схема положения водоупора

Зная величины коэффициентов сопротивления ζ для отдельных фрагментов трубы, считается, что общая потеря напора Z распределяется между отдельными фрагментами прямо пропорционально их величинам ζ. Скоростным напором пренебрегается. Исходя из специфики расчета, схема сооружения была заменена фиктивной эквивалентной трубой. В данной работе использовалась идеализированная модель – водоупор невыветренный.

Расчет проводился по двум продольным сечениям водозаборного сооружения (А-А, Б-Б) и по сечению плавкой вставки (рис. 3-5). Причем нижняя часть плавкой вставки в этой модели (бутобетон) не фильтрует воду.

Рис. 3. Расчетная схема сечения А-А

114

Рис. 4. Расчетная схема сечения Б-Б

Рис. 5. Расчетная схема сечения плавкой вставки

Были использованы шаблоны коэффициентов сопротивления ζ, с помощью которых можно вычислить местную потерю напора каждого элемента. Исходя из выше перечисленного, нетрудно найти скорость фильтрации по формуле Дарси:

			= .	(1)
	Были получены следующие результаты (табл. 1)
				Таблица 1
	Сечение	Скорость фильтрации	Градиент напора J	Удельный фильтрационный
		u, м/сут.		расход q, м2/сут
	А-А	1350	0,450	7,020
	Б-Б	2520	0,840	13,05
	Плавкая вставка	1275	0,425	7,070

Для обеспечения общей фильтрационной прочности нескального основания

необходимо, чтобы обеспечивалось определенное неравенство [3]:
	≤ [ ] =		.	(2)
вых		γ

Неравенства по всем сечениям были выполнены.

Основание сооружений прошло проверку на суффозионную прочность на выходном участке. Значит, устройство дополнительных элементов и вставок не требуется. Примечание: для сечения Б-Б крупные величины выходных параметров нивелируются достаточно малой средней шириной по сравнению с остальным сооружением. Расчет подземного контура плавкой вставки показал результаты, схожие с итогами расчета сечения А-А, что говорит о схожести процессов в основании сооружений. Значит, дополнительные укрепления плавкой вставки не требуются, т.к. основная масса потока пройдет не под сооружением, а через тело плотины.

115

Исходя из полученных данных, можно считать, что подземный контур сооружения суффозионно прочный. Однако при определении фильтрационного расхода в основании сооружения для более высокой точности необходимо принять коэффициент фильтрации К после проведения лабораторно-полевых исследований.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Отчет о научно-исследовательской работе «Физическое моделирование и обоснование водоотведения от водозаборного сооружения на р.Асса Республики Ингушетия» (Договор №143101401)

2.СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Нормы проектирования.

3.СП 23.13330.2011. Основания гидротехнических сооружений. Нормы проектирования.

4.СП 39.13330.2012. Плотины из грунтовых материалов. Нормы проектирования.

5.Чугаев Р.Р. Гидравлика. «Энергия», 1975.

6.Чугаев Р.Р. Подземный контур гидротехнических сооружений. «Энергия». 1974.

УДК 627

К.Ф.Ершов Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ОПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Металлы, применяемые при строительстве причальных и иных сооружений, содержащие какие-либо добавки и примеси, находящиеся в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, неизбежно начинают ржаветь. При контакте с солёной водой рек, озер и морей скорость окисления увеличивается в разы вследствие электрохимических реакций. Гидрофобный слой позволяет изолировать конструкции от контакта с водой, тем самым защитив их от окисления (образования ржавчины и дальнейшего разрушения).

Самостоятельно сохранить свои первоначальные качества не способен ни один материал, вне зависимости от своей стоимости и технологий его производства. Для того чтобы уберечь поверхности различных материалов от воздействия на них агрессивных факторов внешней среды используются защитные нанопокрытия.

Немецкий ботаник Вильгельм Бартлотт в 1990 годах изучил «эффект лотоса» – эффект крайне малой смачиваемости поверхности водой и самоочищения, который происходит за счет того, что рельеф поверхности листьев и лепестков лотоса представлен упорядоченным рельефом микронного и нанометрового размера, который покрыт тонким воскоподобным (гидрофобным) слоем [1]. Попадая на эту поверхность, капля принимает практически идеальную сферическую форму и с легкостью скатывается с нее, унося с собой частицы пыли и грязи (рис. 1).

а)

б)

Рис. 1. Скатывание капли: а – незащищенная поверхность; б – поверхность с нанопокрытием

В основе создания защитных покрытий нового поколения лежит так называемый «метод химической прививки»: нанопокрытие наносится на поверхность материала, который необходимо защитить от воздействия агрессивных агентов окружающей среды и закрепляется на ней за счет прочных химических связей [2].

116

Формирование защитного слоя на обрабатываемой поверхности происходит путем взаимодействия активных групп поверхности материала и якорных групп молекул защитного нанопокрытия.

Подобный эффект воспроизводим на каждой поверхности. Обработанное изделие устойчиво к различного рода загрязнениям, обледенению, коррозии, а также обладает теплоизоляционными качествами. Таким образом, защитное нанопокрытие продлевает срок службы материала, сохраняя его первоначальные свойства.

Применение гидрофобных жидкостей позволяет создавать на материале слой, который не позволяет капле растечься по поверхности, а держит ее в форме шара, лишенного контакта с материалом. Для того чтобы капля проникла в материал, нужно совершить работу, равную

= ,

где = ; m – масса капли; S – площадь контакта капли с поверхностью материала; g – ускорение свободного падения.

В итоге получаем

= .

Чтобы исключить способность проникновения капли в поверхность материала, необходимо увеличить площадь контакта капли с поверхностью.

Эффект гидрофобизации (несмачиваемости) возникает в соответствии с классическими физическими явлениями.

Все дело в том, что на поверхности формируется слой так называемых «нано-иголок», который в разы увеличивает площадь контакта капли с поверхностью, тем самым увеличивая необходимую работу для проникновения капли вглубь поверхности материала. Но сила, с которой капля давит на поверхность, также как и работа, которую необходимо совершить, осталась прежней, так как вес капли и ускорение свободного падения остались неизменными. Получается, что силы гравитации теперь недостаточно, чтобы совершить работу по преодолению защитного слоя. Именно так и формируется эффект гидрофобности, вследствие которого капля принимает форму шара и скатывается с поверхности, собирая в себя всю пыль и грязь [3].

Гидрофобный слой неразличим на ощупь и позволяет сохранить способность материала дышать (в отличие от краски, лака, силикона, каучука, воска и прочего). Это связано с тем, что слой формируется не в виде полимерной пленки, а плотным скоплением отдельно стоящих «гвоздиков», высота которых не превышает 80 нм, что в тысячу раз тоньше, чем человеческий волос.

Ультратонкие нанослои характеризуются не только гидрофобными функциями, но и защитой:

от огня;

от абразии;

от коррозии;

антибактериальной (при добавлении ионов серебра);

поверхностей от различных механических воздействий;

от агрессивных воздействий кислот и щелочей;

от ультрафиолетового излучения.

Нанопокрытие подбирается под каждый материал отдельно. Это связано с тем, что каждый материал индивидуален и имеет определенное строение (металл, стекло, ткань, камень, дерево или др.), а значит и особые активные группы на своей поверхности [4]. При разработке нанопокрытий учитываются свойства носителя (твердого тела) и его поверхностного слоя; и, чтобы столь тонкая пленка крепко с ней держалась, индивидуально

117

Рис. 2. Поверхность листа лотоса (а) и нанопокрытие (б)

б)

подбираются якорные группировки, которые в дальнейшем будут взаимодействовать с активными группами конкретного материала, образуя прочнейшую химическую связь, основанную на максимально точной «стыковке» гидрофобного слоя с поверхностью.

а) При исследовании на атомно-силовом микроскопе полученных защитных покрытий оказалось, что нанорельеф, образованный на обрабатываемом материале, практически полностью соответствует поверхности листьев лотоса (рис. 2).

Таким образом, защитные нано покрытия способны воспроизводить «эффект лотоса» на поверхности любого материала. Это позволяет увеличить срок службы причальных сооружений, сохраняя первоначальные свойства используемых материалов и их внешний вид с защитой от коррозии и эффектом самоочищения.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Богданов К.Ю. Что могут нанотехнологии? М. Просвещение, 2009, 96 с.

2.Aryeh B.N. Hydrophobic Interaction. Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X).

3.Принцип работы гидрофобных жидкостей. http://www.nanohim.com/pub/nanotechnology.

4.Фролов Ю.Г. Поверхностные явления и дисперсные системы. M.: Химия, 1988. 464 с.

УДК 528

А.А.Неманов, А.Н.Лебедев, П.О.Майоров Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

О ВЛИЯНИИ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ТОЧНОСТЬ ОЦЕНКИ ОБЪЕМА ОТВАЛОВ ГРУНТА С ПОМОЩЬЮ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

В настоящее время в производственной деятельности человека все более широкое применение получают современные геодезические приборы [1, 2].

Они используются, в частности, в следующих областях: в строительстве, в процессе инженерно-геодезических изысканий, при возведении зданий и сооружений, водохозяйственных и гидротехнических объектов, а также при обследовании их в процессе эксплуатации [3-14]; при решении задач природообустройства; при добыче полезных ископаемых.

При выполнении этих работ необходим подходящий для конкретных условий комплект геодезического оборудования и программного обеспечения, позволяющий найти оптимальное решение поставленной задачи.

Наряду с оптическими теодолитами и нивелирами, все большую популярность приобретают электронные теодолиты и тахеометры, цифровые нивелиры, а также спутниковые системы. Они позволяют автоматизировать процесс сбора геодезической информации, минимизировать ошибки и, как следствие, повысить точность геодезических работ [10].

Требования к повышению точности и оперативности геодезических измерений постоянно возрастают, что заставляет, помимо прочего, учитывать влияние погодных условий на точность измерений.

118

В представленной работе оценивалась эффективность использования электронных геодезических приборов на примере определения формы и объема отвалов грунта. Данная задача актуальна при добыче полезных ископаемых, при мониторинге наличия строительных материалов и эксплуатации портовых гидротехнических сооружений. В качестве объекта исследования был выбран холм в парке «50-летия октября», г. Санкт-Петербурга. Работа является продолжением более ранних исследований, описанных в [10].

Вблизи холма с помощью электронного теодолита Vega Teo 20 была разбита и закреплена на местности базовая линия, направленная на север при помощи буссоли Pentax SC6. Также при помощи теодолита и рулетки была разбита квадратная в плане сетка 5×5 м, в результате получился охватывающий холм прямоугольник с размерами 75×40 м.

Для определения формы и объема холма использовались четыре метода.

Первый метод базировался на применении геометрического нивелирования с использованием цифрового нивелира Leica Sprinter 150 и штрих-кодовой нивелирной рейки Leica Geosystems AG. При этом цифровой нивелир располагался на вершине холма, а штрихкодовая рейка устанавливалась в углах квадратной сетки.

Полученные данные по геометрическому нивелированию были обработаны с помощью программного обеспечения Pythagoras, позволившего произвести построения горизонталей и подсчитать объем холма. Затем эти данные были импортированы в программу Autodesk 3ds Max для построения трехмерной модели местности. При использовании этого способа объем холма составил 1221 м3.

Второй метод заключался в использовании электронного тахеометра Sokkia CX-105 и однопризменного отражателя Vega SPO2T. Результаты, полученные при использовании электронного тахеометра, были обработаны с помощью программного обеспечения TopoCad, в котором существует функция импорта данных из памяти тахеометра, а также были построены горизонтали и выполнен подсчет объема холма, который составил 1246 м3.

Третий метод базировался на применении спутникового навигатора Garmin eTrex 30, позволяющего работать сразу в двух навигационных системах GPS и ГЛОНАСС. При одновременном использовании двух приборов, что делалось для повышения качества съёмки, определялись отметки углов квадратной сетки. Обнулив показания навигаторов на начальной точке базовой линии, определялись превышения углов квадратной сетки с вычислением среднего значения из показаний двух навигаторов.

Данные, полученные со спутниковых навигаторов, обрабатывались с помощью программного обеспечения Pythagoras. Объем в этом случае составил 1196 м3.

Четвертый метод основан на применении геодезического спутникового приемника Sokkia GRX I и полевого контроллера SCH 236 с программным обеспечением SSF GPS +.

Спутниковая система состоит из базового и мобильного приемников. Топографическая съемка местности выполнялась посредством проведения кинематических спутниковых измерений, позволяющих получать координаты и высоты точек за короткие промежутки времени. Для этого базовый приёмник на штативе устанавливался на пункте съемочного обоснования, которым служила начальная точка базовой линии.

Мобильный спутниковый приёмник, оснащенный приёмной антенной и контроллером, перемещался в процессе съемки с точки на точку. Точность способа кинематических измерений составляет 2-3 см в плане и 6-8 см по высоте.

По окончанию съемки местности, полученные данные переносились в компьютер с использованием программного обеспечения и обрабатывались. Результат вычисления объема холма был получен с помощью программного обеспечения Pythagoras и составил 1235 м3.

По результатам съемки при помощи программного обеспечения AutoCad была построена трехмерная модель холма, изображенная на рис 1.

119

		Для	оценки влияния внешних
	факторов на результаты, геодезические
	измерения		проводились в			следующих
	погодных условиях (табл. 1).
						Таблица 1
			Погодные условия
		Погода		Температура		Ветер,
				воздуха, оС		м/с
		Солнечно		+8… +19		4,7… 6,1
		Пасмурно		+1… +8		7,2… 10,2
		Туман		-5… +5		3,3… 7,1
		Мороз		-10… -1		5,5… 8,2
Рис. 1. Трехмерная модель холма		Снегопад		-10… -1		7,8… 10,1

Для получения более достоверной информации, измерения в каждом из методов повторялись пять раз при одних и тех же погодных условиях. Средние значения объемов холма, определенные с помощью четырех рассмотренных методов, представлены в табл. 2.

				Таблица 2
	Результаты измерений
		Вычисленные объемы, м3
Погодные условия	Цифровой	Электронный	Спутниковый	Спутниковый
	нивелир	тахеометр	навигатор	приемник
Солнечно	1221	1246	1196	1235
Пасмурно	1257	1263	1215	1246
Туман	1189	1254	1140	1235
Мороз	1230	1238	1202	1228
Снегопад	1289	1201	1304	1253
Разброс результатов, %	8,4	4,8	13,3	2,4

Принимая результаты, полученные в наилучших погодных условиях за основу, был оценен в процентах максимальный разброс результатов для каждого из четырех методов, также приведенный в табл. 2.

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1.Эффективное использование цифровых нивелиров ограничено длиной нивелирной рейки и возможно при высоте отвала не более четырех метров. Кроме того, на полученные результаты могут оказать существенное влияние неблагоприятные погодные условия.

2.Возможность использования электронных тахеометров высотой отвала не ограничивается, но, для успешного проведения съемки должна быть обеспечена прямая видимость отражателя, установленного на характерных точках местности. По сравнению с цифровым нивелиром, электронный тахеометр менее подвержен влиянию погодных условий.

3.Наиболее эффективным для решения поставленной задачи является применение спутниковых приемников, не имеющих недостатков, присущих цифровым нивелирам и электронным тахеометрам и, кроме того, имеющим наименьшую зависимость от погодных условий.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и её применение. 2-е изд. М.: Академический проспект, 2008. 591 с.

2.Инженерная геодезия. Использование современного оборудования для решения геодезических задач: учеб. пособие / Е.Б. Михаленко [и др.]. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. 98 с.

120