ESTIMATION OF EFFICIENCY OF IMPERVIOUS SCREEN AT THE DON MAIN CHANNEL

Full Text

В последние годы в России обостряется проблема потребления пресной воды. Одним из крупных водопотребителей является орошаемое земледелие, где до 80 % используют воды поверхностного стока с последующей доставкой воды от водоисточника до орошаемого поля посредством каналов. Согласно Водной стратегии Российской Федерации, одними из основных факторов нерационального использования водных ресурсов являются применение устаревших производственных технологий и высокий уровень потерь воды при транспортировке, составляющих до 8 км3 в год. При этом более 4 км3 воды в год теряется только в орошаемом земледелии из-за низкого технического уровня и значительной степени износа гидротехнических сооружений (в том числе каналов гидромелиоративных систем). Необходимо отметить, что запасы пресной воды не бесконечны и не так уж велики. Как отмечает проф. В. И. Данилов-Данильян [1], к 2025 г. половина населения Земли будет страдать от нехватки пресной воды. Поэтому важными вопросами на сегодняшний день являются экономия водных ресурсов, разработка и применение ресурсосберегающих технологий и материалов, в том числе при реконструкции каналов, осуществляющих транспортировку воды для целей питьевого водоснабжения, орошения, обводнения и др. В Ростовской области насчитывается более 7 крупных каналов (Донской магистральный, Азовский, Верхне-Сальский, Багаевский и др.) общей протяженностью межхозяйственных сетей около 8000 км; противофильтрационные покрытия выполнены лишь на 10-15 % от общей протяженности. Расходы воды на участках магистральных каналов составляют 20-50 м3/с, а на одном из самых крупных на юге России - Донском магистральном канале (ДМК) - 80 м3/с, с его общей протяженностью 195 км [2]. Донской магистральный канал, построенный еще в 50-х гг. прошлого столетия, забирает воду из Цимлянского водохранилища (рассчитан на забор воды до 250 м3/с), которое, в частности, за 64 года эксплуатации до недавнего времени также испытывало проблемы с водой. В связи с длительным сроком эксплуатации гидротехнических сооружений, составляющим от 40 до 65 лет, около 40 % каналов находятся в неудовлетворительном техническом состоянии и нуждаются в реконструкции, в то время как в удовлетворительном состоянии - только 5,8 % (рис. 1) [3]. Значительная фильтрация из каналов обусловливает, как правило, нежелательные последствия - подтопление, заболачивание и засоление прилегающих к каналам территорий, вплоть до вывода их из сельскохозяйственного использования, существует риск образования аварийных ситуаций [4, 5]. Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 68 ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО Выполненные в 2006 г. обследования показали, что за более чем 60-летний период эксплуатации сооружения участок русла ДМК значительно деформировался (рис. 2), что привело не только к интенсивной фильтрации, но и подтоплению прилегающих к каналу территорий. Для снижения образования негативных явлений, повышения пропускной способности (до проектных 110 м3/с), обеспечения фильтрационной безопасности с 2006 г. в Ростовской области осуществлялась реконструкция участков ДМК, которая проводилась в рамках реализации Федеральной целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы и на период до 2013 года». На участке ДМК (от ПК 3 + 00 до ПК 9 + 00, вторая Рис. 1. Техническое состояние оросительных систем юга России Рис. 2. Участок Донского магистрального канала до проведения реконструкции (дата проведения обследований - 08.12.2006 г.) очередь) в 2013 г. в условиях пониженных температур и повышенной влажности (при инфильтрации воды в канал) [6] была проведена реконструкция канала с применением современных строительных материалов на основе минерального бентонита [7]. Конструкция применяемого покрытия [7] (рис. 3) содержит противофильтрационный элемент из водонепроницаемых геокомпозитных бентонитовых матов «Bentofix» (коэффициент фильтрации, по данным компаний-производителей, составляет 10-12 м/с) и защитное покрытие из каменной наброски. Проведенная реконструкции участка ДМК позволит увеличить пропускную способность до 110 м3/с, что в свою очередь приведет не только к увеличению орошаемых площадей, стабильному водоснабжению Орловского, Ремонтненского, Дубовского, Заветинского и Зимовнековского районов 69 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 А.В. Ищенко, О.А. Баев Ростовской области, но и позволит частично снизить минерализацию Манычских водохранилищ. Участок ДМК после проведения реконструкции в 2013 г. с применением противофильтрационных геокомпозитных бентонитовых матов представлен на рис. 4. Необходимо отметить, что благодаря принятию Федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы» в последующем работы по реконструкции ДМК продолжаются, и в 2015- 2017 гг. на участках, характеризующихся повышенной фильтрацией, также применялись геокомпозитные бентонитовые маты с защитным покрытием из каменной наброски. Всего, согласно ФЦП [8], только в Южном федеральном округе планируется проведение комплекса мероприятий по реконструкции 10 магистральных и распределительных каналов, что в целом позволит предотвратить выбытие из оборота по Южному федеральному округу (согласно ФЦП [8]) около 220170 га сельскохозяйственных угодий. Целью настоящих исследований являлась оценка эффективности выполненной конструкции противофильтрационного экрана на участке ДМК по следующим показателям: потери воды на фильтрацию, срок службы, сохранение (повышение) пропускной способности участка канала. Для достижения поставленной цели было проведено предварительное технико-экономическое сравнение для трех вариантов устройства противофильтраhк 1:4 bк 1:4 УВ Каменная наброска, t=0,3 м Бентонитовые маты, t=0,04 м Рис. 3. Конструкция противофильтрационного экрана на участке реконструкции Донского магистрального канала: hk - глубина воды в канале, м; bk - ширина канала по дну, м Рис. 4. Участок Донского магистрального канала после проведения реконструкции (дата проведения обследований - 08.04.2014 г.) Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 70 ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО ционного экрана (рассматриваемых до реконструкции участка канала) из следующих материалов: монолитного бетона, полимерной геомембраны (геокомпозита с двумя защитными прокладками из геотекстиля) и геокомпозитных бентонитовых матов (табл. 1). При расчете стоимости 1 м2 противофильтрационного экрана для геомембраны с защитными слоями из геотекстиля и для бентонитовых матов предусматривалось устройство защитного покрытия из габионов (толщиной 0,3 м). В расчете учитывались основные виды строительных работ, включающих планировку дна и откосов канала, устройство противофильтрационного экрана, устройство подстилающего слоя (для геомембраны и бентонитовых матов), а также работы по устройству защитного слоя. Для теоретического обоснования противофильтрационной эффективности конструкции покрытия выполнялись исследования на основе метода электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), с последующим сопоставлением фильтрационных потерь до и после реконструкции участка ДМК. Решение задачи производилось путем построения гидродинамической сет ки движения фильтрационного потока. После того, как модель была изготовлена и соблюдены все необходи мые граничные условия, приступили к решению фильтрационной задачи. Для этого, задаваясь исходными данными, были произведены сравнительные расчеты для участка канала, выполненного до реконструкции в земляном русле и после - с облицовкой из геокомпозитных бентонитовых матов по нижеследующим формулам. 1. Определяем удельный фильтрационный расход ( qФ, м2/с) по гидродинамической сетке, приняв для расчета пояс равного напора (в данном примере - шестой) [9]: Ф 1 n i i i l q k h  S       (1) где k - коэффициент фильтрации, м/с; h - потери напора в пределах рассматриваемого пояса (h = (h0-)/N); N - количество поясов; li - высота криволинейного квадрата гидродинамической сетки; Si - средняя ширина криволинейного квадрата гидродинамической сетки; h0 - действующий напор на облицовку, м [9]. 2. Задаваясь исходными данными (k= 1,510-6 м/с, h = 0,110 = 1 м), производим соответствующие расчеты: 3. Удельный фильтрационный расход (q, м2/с) на глубине (T, м) определяем по формуле q = k(B+2h0), (2) где B - ширина канала по дну, м. Таким образом, удельный фильтрационный расход будет равен: q = 1,510-6(67+26,2) = 1,1910-5 м2/с. Полученное значение удельного фильтрационного расхода на глубине T примерно совпадает с его значением по гидродинамической сетке для выделенного пояса равного давления в пределах точности ее построения (q = 1,1910-5 м2/с). 4. Вычисляем максимальные (Vmax, м/с) и минимальные (Vmin, м/с) скорости фильтрации [9]: , (3) где h - расстояние между линиями равного напора, м; Sm - расстояние между линиями тока, м. Находим максимальные и минимальные скорости фильтрации в точках 2, 3 и 1, 4: м/с, м/с. Таблица 1 Технико-экономическое сравнение вариантов противофильтрационных покрытий Технико-экономические показатели Тип противофильтрационного экрана из монолитного бетона (марки М-400) из геокомпозита (геомембраны и двух слоев геотекстиля) из геокомпозитных бентонитовых матов Показатель долговечности (срок службы), лет 25 50 75 Показатель водонепроницаемости (коэффициент фильтрации), см/с 10-9 10-8 10-11 Требования к толщине защитного покрытия, м - 0,3 0,3 Средняя стоимость, руб./м2 1670 310 295 Примечание. Средняя стоимость противофильтрационных покрытий дана по результатам обобщения цен на геосинтетические и геокомпозитные материалы различных (отечественных) компаний (на 3-й квартал 2017 г.), а также с учетом проведенных расчетов, включающих затраты на строительство 1 м2 экрана. , мах m h V kJ k S     5 6 мах 2,3 10 1,5 10 0,5 10 3,0 V V         5 6 min 1,4 10 1,5 10 0,4 10 3,5 V V         71 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 А.В. Ищенко, О.А. Баев 5. Определяем потери воды при фильтрации (QФ, м2/с) из канала по формуле В.В. Ведерникова при условии B/h0= 4,5/1,0 = 4,5 > 4,0: QФ = 0,0116k(B+Ah0) (4) Задаваясь исходными данными, получаем: QФ = 0,01160,130(67+2,46,2) = 0,123 м/с. 6. Определяем удельный фильтрационный расход (q, м2/с): q = QФ /1000 = 0,123/1000 = 1,2310-5 м2/с. (5) Полученное значение удельного фильтрационного расхода по расчетной формуле (5) совпадает со значением по гидродинамической сетке в пределах точности построения (q = 1,2310-5 м2/с м2/с). 7. Для расчета фильтрации из канала с защитным противофильтрационным покрытием используем зависимость , (6) где kобл = 1,110-11 - коэффициент фильтрации противофильтрационного покрытия (облицовки), см/с; h0 - глубина воды в канале, м; δ0 - толщина защитного покрытия, м; Hk = 1,0 - величина капиллярного вакуума, м. Подставляя исходные данные, получаем: м2/с. 8. Удельные потери воды на фильтрацию (qобл, м2/с) из канала с противофильтрационным покрытием, для сравнения, определяем по формуле Н.Н. Веригина [10]: . (7) В нашем случае получаем: м2/с. На основе проведенной работы по оценке эффективности конструкции противофильтрационного экрана из геокомпозитных бентонитовых матов и защитного покрытия из каменной наброски на участке ДМК можно сделать следующие выводы: 1. Полученные результаты на основании моделирования с использованием метода электрогидродинамических аналогий и последующие расчеты подтвердили эффективность использования конструкции противофильтрационного экрана из геокомпозитных бентонитовых матов, что в дальнейшем позволит обеспечить высокий противофильтрационный эффект (с коэффициентом фильтрации 10-11-10-12 м/с) и значительный срок службы (прогнозный срок службы 70 лет и более). 2. Выполненные натурные обследования реконструируемого участка ДМК с противофильтрационным экраном из бентонитовых матов показали, что на облицовке канала отсутствуют какие-либо повреждения, деформации откосов или сползание защитного покрытия. Вблизи канала подтопление и заболачивание прилегающих территорий не наблюдается. Сопоставляя удельные потери воды при фильтрации на участке ДМК до реконструкции из земляного русла с потерями из облицованного канала (после реконструкции), определяем эффективность устройства противофильтрационного экрана из геокомпозитных бентонитовых матов: Таким образом, применение противофильтрационного экрана из бентонитовых матов на участке ДМК обеспечивает повышенную эффективность и надежность, а также снижение потерь воды на фильтрацию в 1,64106 раз по сравнению с вариантом до проведения реконструкции.

About the authors

Aleksandr V. ISHCHENKO

Don State Agrarian University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Oleg A. BAEV

Russian Research Institute of Land Reclamation Problems

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files