Технология работ при досыпке грунтовых водоподпорных сооружений

Аннотация

Е.В. Васильева

Дата поступления статьи: 18.11.2013

В статье предложена технология ремонта грунтовых водоподпорных сооружений грунтосмесями улучшенного качества с использованием и без грунтосмесительной установки.Применение грунтосмесей, улучшенных 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 проведённых ремонтно-восстановительных работ и повышенную сопротивляемость элементов сооружений к дефектообразованию. Наличие в составе грунтосмеси высевки не только обеспечивает повышение прочности на 30-40%, но и даёт существенный прирост водо- и морозостойкости (на 20-30%), что предотвратит или существенно снизит фильтрационные просачивания воды через тело водоподпорных сооружений, так как высокопрочный и морозостойкий грунтобетон, будучи уложенным на откос (при восстановлении обрушенных откосов) и гребень (при досыпке и наращивании до или сверх проектных отметок), надёжно защитит тело плотин (дамб) от просадки, размыва, выпучивания, суффозии и других деформаций.

Ключевые слова: технология, досыпка, грунтосмесь, высевка, цемент, зола, плотина, ремонтно – строительные операции, грунтосмесительная установка, факторы, план эксперимента, регрессионное уравнение

05.23.08 - Технология и организация строительства

Согласно мирового регистра плотин, в мире построено более 100тыс. водоподпорных сооружений. Среди них более 80% составляют грунтовые плотины и дамбы, значительная часть которых относится к средне- и низконапорным [1-7].
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 [3,7].
К числу основных причин аварий и разрушений грунтовых водоподпорных сооружений следует отнести несвоевременное устранение дефектов (просадок гребня, размывов, обрушений и оползаний откосов, трещин, фильтрационных ходов и др.) и некачественное выполнение ремонтно- восстановительных работ, из-за использования низкоэффективных технологий. Ведь применяемые в настоящее время технологии ремонтно- восстановительных работ предусматривают досыпку тела плотин и восстановление обрушенных откосов производить грунтом того же состава что и тело сооружения, а заделку трещин, фильтрационных ходов, нор и других подобных дефектов осуществлять им же или суглинком, глиной, смесью суглинка (глины) с навозом, мешками с грунтом и т.п. Но со временем, из-за низкой 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 путём их досыпки до требуемых отметок грунтосмесями, улучшенных высевкой и золой, способствующих образованию высокопрочной и водостойкой камневидной структуры в восстановленных элементах (откосах, гребне), обладающих повышенной сопротивляемостью к дефектообразованию [8].  
Необходимость досыпки (наращивания) гребня и  откосов плотины возникает в случае потребности в увеличении высоты плотины или при просадке её тела ниже проектных отметок (рисунок 1) .

а)

б)

а, б – для случаев, соответственно, подъёма высоты гребня плотины и 
ликвидации просадки гребня и откосов
1-плотина; 2,3 –поперечное сечение плотины, соответственно, до и
после проведения ремонтных работ
Рисунок 1 - Схема поперечного сечения плотины

Для приготовления грунтосмеси рекомендуется использовать грунтосмесительную установку типа, например, ДС-50 с дополнительным бункером для золы  (рисунок 1).  Перечень ремонтно-строительных операций по досыпке гребня и откосов плотины до требуемых (увеличенных, проектных) отметок приведён в таблице 1.

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

                           
1-бункер цемента; 2- бункер золы; 3- цистерна с насосными установками;
4- бункера грунта и заполнителей; 5- транспортёр; 6 –смесительный агрегат
Рисунок 2- Технологическая схема модернизированной грунтосмесительной установки ДС-50

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.

1 - плотина;  2 - верховой откос;  3 - фреза; 4 -измельчённая и
перемешанная фрезой смесь высевки с грунтом; 5- высевка, 6- грунт
Рисунок 3- Схема перемешивания высевки с грунтом на откосе специальной фрезой

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

Для определения прочностных свойств затвердевшей грунтосмеси были проведены экспериментальный исследования, позволяющие с помощью математических моделей, изменяя входные параметры, оценивать качество грунтосмеси.
В основу решения был положен двухфакторный [9] 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, соответственно, от 3,0 % до 15% и от 40% до 85%, что соответствует результатам предварительных исследований и априорной информации о рациональном дозировании вышеуказанных компонентов грунтосмеси [10].
Для приготовления грунтовых смесей использовались материалы (компоненты) со следующими показателями: Новороссийский портландцемент марки 400; грунт – лёгкий слабоводопроницаемый суглинок; высевка – отход камнедробления известняка фракции 0-5мм с модулем крупности Мкр=2,98; зола- унос сухого отбора с электрофильтров Новочеркасской ГРЭС.
Условия кодирования и варьирования факторов представлены в таблице 2.

Таблица  2- Кодирование и варьирование факторов

Графический план эксперимента представлен на рисунке 5.
Из рисунка  видно, что точки принятого плана эксперимента имеют координаты вершин правильного шестиугольника, построенного в пределах варьирования факторов  ± 1в кодированной форме. План удобен тем, что переход от кодированных значений факторов к натуральным и наоборот можно осуществить графически по соответственным осям. По результатам семи опытов (шесть вершин и центр шестиугольника) вычислялись неизвестные коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:       

Рисунок 5 –План эксперимента на шестиугольнике

, где
;
;
;
.                                                                                 (1.1)
Матрица и результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Таблица 3– Реализация плана эксперимента

По формулам (1.1) были подсчитаны коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:
;
;
;
;
;  
;
Для прочности образцов через 28 суток твердения и полного водонасыщения получено регрессионное уравнение вида:

                                    (1.2)
Регрессионный анализ модели (1.2) произведём после определения ошибки эксперимента и расчёта ошибок коэффициентов уравнения. С учётом 3-ёх кратной повторности опытов дисперсия воспроизводимости и ошибка эксперимента по воспроизводимости составят:
, .
Таблица 4 -Расчет ошибок коэффициентов

где Ti – расчётные коэффициенты для оценки ошибок коэффициентов регрессии;
t – критерий Стьюдента, t =1,761 [2].
Таблица 5 -Регрессионный анализ модели

Сумма квадратов SS:
.
Средний результат каждого опыта возводим в квадрат и эти величины суммируем:

Проводим проверку адекватности модели при риске α = 0,05, и числе степеней свободы fна =7-6=1 и fэ = N (n-1) =14. Сумма квадратов SSна:
,
дисперсия неадекватности:
,
критерий Фишера:

,

Таким образом, можно допустить, что модель (1.2) с риском α = 0,05 адекватно описывает результаты эксперимента.
Инварианты кривой второго порядка составят:
- сумма коэффициентов при квадратичных членах:
;                                                                          (1.3)      
- определитель, составленный из коэффициентов при старших членах:
;                                                             (1.4)
- определитель третьего порядка, составленный их всех коэффициентов:
.                                   (1.5)
Коэффициенты канонической формы вычисляем через инварианты:

;
;
;
.                                                                                             1.6)
   С учётом вычисленных коэффициентов каноническая форма уравнения (1.2) примет вид:
,                                                                       (1.7)
а полуоси эллипсов определятся следующим образом:
; .                                                                        (1.8)
Геометрический образ модели ŷR (R28)  изображен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Геометрический образ модели ŷR прочности грунтобетона
через 28 суток твердения и полного водонасыщения

Анализ математической модели и её графического представления (рис.5) 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 нижеприведёнными 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.

1. Использование высевки и золы-унос для экономного расхода цемента в равнопрочных грунтобетонах в количестве, соответственно, 20-40% и 4-6% от массы грунтосмеси, следует считать оптимальным.
2. Уменьшение количества высевки ниже 20% и увеличение дозировки золы cвыше 6%, не обеспечивают затвердевшей грунтосмеси высокой прочности без увеличения расхода цемента.

Ниже, в таблице 6 представлены результаты сравнительных испытаний образцов цилиндров после 28 суток твердения и 50 циклов замораживания - оттаивания. Определены пределы прочности образцов при сжатии Rмор и коэффициенты морозостойкости, подтвердившие соответствие грунтосмесей с высевкой критериям морозостойкости (Rмор/R28> 0,95) [3].
Таблица 6 – Результаты испытаний стандартных образцов

 Как следует из приведённых в таблице данных наличие в составе грунтосмеси высевки не только обеспечивает повышение прочности на 30-40%, но и даёт существенный прирост водо- и морозостойкости (на 20-30%), что предотвратит или существенно снизит фильтрационные просачивания воды через тело водоподпорных сооружений, так как высокопрочный и морозостойкий грунтобетон, будучи уложенным на откос (при восстановлении обрушенных откосов) и гребень (при досыпке и наращивании до или сверх проектных отметок), надёжно защитит тело плотин (дамб) от просадки, размыва, выпучивания, суффозии и других деформаций.

Литература

1. Бандурин М.А. Проблемы оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Текст] // Инженерный вестник Дона 2012 № 3. – Режим доступа:  http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/891 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
2. Бандурин М.А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Текст] // Инженерный вестник Дона 2012 №2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/861 (доступ свободный) - Загл. с экрана. – Яз. рус.
3. Шкура В.Н., Мордвинцев М.М. Мелиорация вод и водных объектов. Терминология и классификация. Новочеркасск: изд. НГМА, 1999. - 34с.
4. Bruun P. Breakwaters ror Coastal Protection, Hydraulic Principkes in Design. Sec. 2, Question 1, XVIII International Congress, Rome, 1953. - SII - Q1
5.  Leila Sharifi, Mohamad Karami.Assessment of suitable Location for Con struction of groundwater dams. Life Science Journal 2012;9(4). - p.p. 1233 - 1236
6. Ачкасов Г.П., Иванов Е.С. Технология и организация ремонта мелиоративных гидротехнических сооружений.  -  М.: Колос, 1984.  - 174с.
7. Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М. О проблемах безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения.// Гидротехническое строительство,  2011,  №5.  – С. 33 - 38.
8. Патент 2419705,  РФ. Способ устранения дефектов в дамбах из однородного грунта / Е.В. Васильева, В.М.Федоров. Опубл.27.05.2011. -  Бюл. № 15.
9. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях.  – М.: Финансы и статистика,  1981. -  262с.
10. Горелышев Н.В., Гурячкова И.Л., Пинус Э.Р.  Материалы и изделия для строительства дорог. - М.: Транспорт, 1986. - 287с.