Способ создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия

Изобретение относится к области гидротехнического, гидромелиоративного и природоохранного строительства и может быть использовано при создании противофильтрационных покрытий с использованием геокомпозитных материалов в основаниях сооружений. Способ создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия включает подготовку грунтового основания, укладку на него водонепроницаемой геомембраны, состоящей из герметично соединенных между собой полотнищ полимерного материала, и устройство защитного слоя из геотекстильного материала. Для исключения интенсивной боковой фильтрации по контакту геотекстиля с геомембраной геотекстильный материал выполняют с полимерными ребрами в виде ячеек. При этом толщину противофильтрационного элемента из геомембраны, необходимость применения защитных прокладок из геотекстиля и оценку водопроницаемости при наличии отверстия определяют по расчетным зависимостям. Изобретение обеспечивает надежную противофильтрационную защиту гидротехнических сооружений в основаниях, а также исключает контактную фильтрацию по контуру геомембраны и геотекстиля. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области гидротехнического, гидромелиоративного и природоохранного строительства и может быть использовано при создании противофильтрационных покрытий с использованием геокомпозитных материалов в основаниях сооружений.

Известен способ создания противофильтрационного покрытия на накопителях жидких отходов (RU 2555450, опубл. 10.04.2015), включающий подготовку грунтового основания, устройство на нем защитного покрытия, помещенного между двух слоев геотекстиля, укладку слоя из минерального грунта и обработку его поверхности полимерным закрепителем на основе жидкой эмульсии из отходов полиизобутилена.

Недостатком данного технического решения является сложность производства работ, в том числе связанная с закреплением грунтовой поверхности жидкой полимерной эмульсией. Кроме этого, используемая эмульсия на основе отходов полиизобутилена будет иметь ограничения по применению, в частности на водохозяйственных объектах.

Известен комбинированный противофильтрационный экран (RU 2579482, опубл. 01.04.2016), включающий полимерную геомембрану, а также для исключения повреждаемости полотнища тканого и нетканого геотекстиля (см. фиг. 3).

Недостатком данного технического решения является то, что при образовании проколов в полимерной геомембране тканый (верхний) геотекстиль будут выступать сильнофильтрующим слоем (с коэффициентом фильтрации более 30 м/сут), тем самым способствуя образованию интенсивной фильтрации, в том числе боковой. Кроме того, в данном техническом решении не ясно, в каких случаях целесообразно применение защитных полотнищ из геотекстиля и какую необходимо принимать толщину противофильтрационного элемента (полимерной геомембраны).

Наиболее близким техническим решением является способ создания противофильтрационного экрана с геомембраной из полимерного материала (RU 2374386, опубл. 27.11.2009), включающий подготовку грунтового основания, укладку на него водонепроницаемой геомембраны, состоящей из герметично соединенных между собой полотнищ полимерного материала, устройство компенсаторов деформаций геомембраны со стыковым соединением полотнищ в местах устройства компенсаторов, устройство защитного слоя экрана из грунта или иных материалов.

Недостатком данного способа является то, что выполненные защитные прокладки из геотекстиля будут являться сильнофильтрующим покрытием, при наличии в полимерной геомембране сквозных повреждений эти прокладки по существу превращаются в искусственные горизонтальные фильтрационные ходы по контакту геотекстиля с геомембраной, снижающие противофильтрационную эффективность экрана из геомембраны. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что прокладки из геотекстиля не всегда применимы в качестве защитных слоев, а для их применения необходимо соответствующее обоснование (в том числе расчетное). Кроме этого, способ характеризуется низкой эксплуатационной надежностью, так как возможны размывы и сползания защитного слоя противофильтрационного экрана из грунтовых материалов.

Таким образом, известные на сегодняшний день технические решения в виде способов создания противофильтрационных экранов с геомембраной и защитными прокладками из геотекстиля не позволяют решать задачу исключения интенсивной (в том числе боковой) фильтрации по контакту геотекстиля с геомембраной и целесообразности применения защитных прокладок из геотекстиля.

Целью данного изобретения является разработка способа создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия.

Задачи, на решение которых направлено заявленное изобретение:

- надежная противофильтрационная защита гидротехнических сооружений в основаниях;

- исключение контактной фильтрации по контуру геомембраны и геотекстиля, а также при повреждаемости геомембран;

использование расчетных зависимостей для определения целесообразности применения защитных прокладок из геотекстиля в конструкциях противофильтрационных покрытий;

- расчетное определение толщины полимерной геомембраны в конструкциях противофильтрационных геокомпозитных покрытий.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке способа создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия с применением геомембран и геотекстилей.

Технический результат достигается за счет способа создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия, который включает подготовку грунтового основания, укладку на него водонепроницаемой геомембраны, состоящей из герметично соединенных между собой полотнищ полимерного материала, устройство защитного слоя из геотекстильного материала. При этом для исключения интенсивной боковой фильтрации по контакту геотекстиля с геомембраной геотекстильный материал выполняют с полимерными ребрами в виде ячеек, а толщину противофильтрационного элемента из полимерной геомембраны, необходимость применения защитных прокладок из геотекстиля и оценку водопроницаемости противофильтрационного геокомпозитного покрытия при наличии единичного малого отверстия в геомембране определяют по расчетным зависимостям.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг. 1 - противофильтрационное геокомпозитное покрытие; фиг. 2 - схема расположения полимерных ребер в геотекстиле; фиг. 3 - схема водопроницаемости противофильтрационного покрытия с одной защитной прокладкой из геотекстиля; фиг. 4 - схема водопроницаемости противофильтрационного покрытия с двумя защитными прокладками из геотекстиля.

Цифрами на чертежах обозначено:

1 - грунтовое основание; 2 - геотекстильный материал; 3 - полимерная геомембрана; 4 - полимерные ребра; 5 - тканый (покрывающий) геотекстиль; 6 - защитное покрытие.

Способ создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия выполняется следующим образом (фиг. 1-2).

Производится подготовка грунтового основания 1 под противофильтрационное покрытие, включающее удаление растительности, камней, крупных и острых включений, а также разравнивание грунтовой поверхности. На подготовленном грунтовом основании 1 устраивается защитный слой из геотекстильного материала (геотекстиля) 2, который для исключения интенсивной боковой фильтрации по контуру геотекстиля 2 с полимерной геомембраной 3 выполнен с полимерными ребрами 4 в виде ячеек со следующими параметрами: шириной ячейки В_яч=0,3 м, высотой ячейки L_яч=0,3 м. Для защиты полимерной геомембраны 3 (состоящей из герметично соединенных между собой полотнищ полимерного материала) от механических повреждений (например, на накопителях отходов) выполняется укладка защитных прокладок из тканого (покрывающего) геотекстиля 5 поверх полимерной геомембраны и устраивается защитное покрытие 6 (например, из грунта - на водоемах и накопителях отходов, из бетона или щебня - на оросительных каналах). При этом толщина противофильтрационного элемента из полимерной геомембраны 3 определяется по зависимости:

- из условия неповреждаемости:

где q - нагрузка, принимаемая как большее из двух значений: в строительный или эксплуатационный период, МПа; E - модуль упругости полимерного материала, МПа; d_ф - минимальный размер максимальной фракции грунта, мм; К_ф - коэффициент формы грунтовых частиц, принимаемый K_ф=1 - при хорошей окатанности и K_ф=2 - при наличии остроугольных зерен; К_д - динамический коэффициент, принимаемый в зависимости от типа применяемого механизма при отсыпке грунтового защитного слоя для бульдозера К_д=2,0; К_п - коэффициент эффективности защитных прокладок, при их отсутствии К_п=1;

- из условия работы противофильтрационного элемента как геомембраны:

где q - величина гидростатического давления, МПа; σ_р - допускаемое напряжение при растяжении полимерного материала, МПа; α_э - коэффициент эффективности, зависящий от размера максимальной фракции и толщины полотнища α_э≤1.

Необходимость применения защитных прокладок из геотекстиля 4 для полимерной геомембраны 3 определяется по следующим выведенным зависимостям:

где δ_гм - толщина геомембраны, мм.

При наличии единичных малых отверстий в полимерной геомембране оценка водопроницаемости противофильтрационного геокомпозитного покрытия производится по следующим полученным зависимостям:

- с одним слоем из геотекстиля в основании:

- для 1-го фрагмента в защитном слое:

- для 2-го фрагмента в пределах сильнофильтрующего слоя геотекстиля:

где q₁, q₂ - фильтрационный расход через отверстие в геомембране соответственно 1-го и 2-го фрагментов, м³/сут; k₁, k₂ - коэффициенты фильтрации соответственно грунта защитного слоя 1-го фрагмента и слоя геотекстиля 2-го фрагмента; r₀ - радиус отверстия прокола в геомембране, мм; h₀ - глубина воды в канале/водоеме, м; δ₀ - толщина защитного слоя, м; h₁ - пьезометрический напор в отверстии экрана, м; δ_сл - толщина слоя геотекстиля, мм.

Пьезометрический напор h₁ в месте отверстия в силу неразрывности фильтрационного потока q₁ и q₂ определяем по следующей зависимости:

При расчетной схеме экрана из полимерной геомембраны с двумя слоями геотекстиля в основании и защитном слое грунта:

- для 1-го фрагмента в защитном слое грунта:

- для 2-го фрагмента, представляющего собой слой геотекстиля в защитном слое:

- для 3-го фрагмента в слое геотекстиля в основании геомембраны:

где R₁ - радиус активной зоны фильтрации к отверстию геомембраны;

δ_сл1, δ_сл2 - толщина слоя геотекстиля соответственно в защитном слое и подстилающем слое грунта.

Параметр h₁ находим из условия q₂=q₃:

Преимущество разработанного способа создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия заключается в том, что обеспечивается надежная противофильтрационная защита гидротехнических сооружений в основаниях, исключается контактная фильтрация по контуру геомембраны и геотекстиля благодаря выполнению полимерных ребер в геотекстиле. Целесообразность применения защитных прокладок из геотекстиля в конструкциях противофильтрационных покрытий определяется по полученным расчетным зависимостям.

Пример расчета

Произведем расчет минимального диаметра максимальной фракции грунта, при превышении которого необходимо применение защитных прокладок из геотекстиля.

Исходные данные для расчета приняты в соответствии с таблицей 1.

Результаты выполненных расчетов по формулам (3, 4) и с учетом вышеприведенных данных представлены в таблице 2. В качестве противофильтрационного элемента была принята полимерная геомембрана (по ТУ 5779-002-39504194-97) толщиной 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 мм.

Представленные расчеты позволяют сделать вывод о необходимости применения защитных прокладок из геотекстиля в том или ином случае в зависимости от толщины гоемембраны и диаметра фракций подстилающего и защитного покрытий из грунта.

Так, при толщине полимерной геомембраны не менее 1,0 мм защитные прокладки из геотекстиля следует применять при d_ф≥7,5 мм, а при толщине полимерной геомембраны 1,5 мм - при d_ф≥11,25 мм, при толщине полимерной геомембраны 2,5 мм - при d_ф≥18,75 мм.

1. Способ создания противофильтрационного геокомпозитного покрытия, включающий подготовку грунтового основания, укладку на него водонепроницаемой геомембраны, состоящей из герметично соединенных между собой полотнищ полимерного материала, устройство защитного слоя из геотекстильного материала, отличающийся тем, что для исключения интенсивной боковой фильтрации по контакту геотекстиля с геомембраной геотекстильный материал выполняют с полимерными ребрами в виде ячеек, а толщину противофильтрационного элемента из геомембраны, необходимость применения защитных прокладок из геотекстиля и оценку водопроницаемости при наличии отверстия определяют по расчетным зависимостям.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщину противофильтрационного элемента из полимерной геомембраны определяют по зависимости:

- из условия неповреждаемости:

где q - нагрузка, принимаемая как большее из двух значений: в строительный или эксплуатационный период, МПа; Е - модуль упругости полимерного материала, МПа; d_ф - минимальный размер максимальной фракции грунта, мм; K_ф - коэффициент формы грунтовых частиц, принимаемый K_ф=1 - при хорошей окатанности и K_ф=2 - при наличии остроугольных зерен; K_д - динамический коэффициент, принимаемый в зависимости от типа применяемого механизма при отсыпке грунтового защитного слоя для бульдозера K_д=2,0; K_п - коэффициент эффективности защитных прокладок, при их отсутствии K_п=1;

- из условия работы противофильтрационного элемента как геомембраны:

где q - величина гидростатического давления, МПа; σ_p - допускаемое напряжение при растяжении полимерного материала, МПа; α_э - коэффициент эффективности, зависящий от размера максимальной фракции и толщины полотнища, α_э≤1.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что необходимость применения защитных прокладок из геотекстиля для полимерной геомембраны определяют по расчетным зависимостям:

где δ_гм - толщина геомембраны, мм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценку водопроницаемости противофильтрационного геокомпозитного покрытия при наличии единичного малого отверстия в геомембране производят по зависимостям:

- с одним слоем из геотекстиля в основании:

- для 1-го фрагмента в защитном слое:

- для 2-го фрагмента в пределах сильнофильтрующего слоя геотекстиля:

где q₁, q₂ - фильтрационный расход через отверстие в геомембране соответственно 1-го и 2-го фрагментов, м³/сут; k₁, k₂ - коэффициенты фильтрации соответственно грунта защитного слоя 1-го фрагмента и слоя геотекстиля 2-го фрагмента; r₀ - радиус отверстия прокола в геомембране, мм; h₀ - глубина воды в канале/водоеме, м; δ₀ - толщина защитного слоя, м; h₁ - пьезометрический напор в отверстии экрана, м; δ_сл - толщина слоя геотекстиля, мм;

пьезометрический напор h₁ в месте отверстия в силу неразрывности фильтрационного потока q₁ и q₂ определяем по зависимости:

при расчетной схеме покрытия из геомембраны с двумя слоями геотекстиля в основании и защитном слое грунта:

- для 1-го фрагмента в защитном слое грунта:

- для 2-го фрагмента, представляющего собой слой геотекстиля в защитном слое:

- для 3-го фрагмента в слое геотекстиля в основании геомембраны:

где R₁ - радиус активной зоны фильтрации к отверстию геомембраны; δ_сл1, δ_сл2 - толщина слоя геотекстиля соответственно в защитном слое и подстилающем слое грунта;

параметр h₁ находим из условия q₂=q₃: