Результаты экспериментальных исследований элементов мобильной деривационной микро ГЭС
, г. Новочерскасск, Россия
Основанием для проведения экспериментальных исследований деривационной микро ГЭС является новое техническое решение по заявке на изобретение № 000 106761 от 01.01.2001 г. «Составной деривационный водовод и способ его возведения».
Общая схема мобильной деривационной микрогидроэлектростанции (МДМкГЭС) представлены на рис. 1.
Рисунок 1 – Общая схема МДМкГЭС: 1 – водоподпорное сооружение ГГУ; 2 – ДВ; 3 –подпорная стенка; 4 – вантовая система закрепления ДВ; 5 – грутонаполняемое сооружение по трассе ДВ; 6 – грунтоармированное подпорное сооружение
В качестве подпорных защитных элементов её нами предложены грунтоармированные и грунтонаполняемые, представленные на рис. 2.
Рисунок 2 – Грунтоармированные подпорные стенки: а – для защиты ДВ от оползня поперек трассы прокладки ДВ; в – защиты участка закрепления гибкого ДВ вантовой системой; 1 – водовод; 2 – лицевая стенка; 3 – армирующие элементы
Последовательность имитационного моделирования грунтонаполняемых конструкций, которое в дальнейшем использовалось для обоснования физического моделирования, включала в себя следующее:
- построение начальных сечений грунтонаполняемых конструкций с использованием эластиков Эйлера;
- определение напряжённо-деформированного состояния (НДС) с учётом свойств материала оболочки грунтонаполняемой конструкции;
- моделирование контакта между заполнителем, оболочкой и её основанием;
- создание 3-Д моделей грунтонаполняемых конструкций из замкнутых и незамкнутых оболочек с использованием программного обеспечения Simulation (приложение Solid Works);
- проверка формы при статическом состоянии для условий перемещений и деформаций;
- сравнение полученных по аналитическим зависимостям деформаций и результатам численного моделирования;
- отклонение по горизонтальной и вертикальной проекциями поперечного сечения грунтонаполняемой конструкции.
Основными параметрами грунтонаполняемых конструкций по трассе водовода являются: протяжённость; ширина; нагрузка от водовода; допустимый уклон основания. Техническими критериями обоснования грунтонаполняемой конструкцией приняты: давление; устойчивость к опрокидыванию; градиент фильтрации; осадка.
Для определения формы поперечного сечения грунтонаполняемых оболочек использованы следующие параметрические уравнения эластики:
(1)
где 0 ≤ k ≤ ∞ и ц = б / 2.
Результаты численного моделирования представлены на рис. 3-5.
Рисунок 3 – Задание граничных условий: а) крепление нижней части оболочки; б) имитация силы тяжести, действующей на модель (9,81 с/м2); в, г) давление грунта на оболочку (2,159 кН/м2); д) давление водовода на грунтонаполянемую оболочку; е) контакты элементов оболочки
Рисунок 4 – Численное моделирование грунтонаполняемой оболочки под углом наклона основания 180: а) сетка конечных элементов; б) напряжение по оси Х
Рисунок 5 – Численное моделирование грунтонаполняемой оболочки под углом наклона основания 180: а) сетка конечных элементов; б) напряжение по оси Y
Испытательный стенд на рис. 6 и 7 представлял собой 13 метровый лоток с переменным углом наклона от 10 до 18°. На лоток испытательного стенда размещалась физическая модель однооболочкового и двухоболочкового ДВ с элементами инженерных защитных систем.
Рисунок 6 - Схема испытательного стенда: 1 – наклонное основание, 2 – магистральный трубопровод; 3 – задвижки магистрального трубопровода; 4 – энергоблок; 5 – насосная станция; 6 – бак постоянного напора; 7, 8 – трубы подводящие воду к магистральному трубопроводу; 9 – водосбросная труба;10 – циркуляционный бак;11 – водосбросная галерея
На рис. 7 представлены экспериментальные исследования грунтонаполняемых и грунтоармированных конструкций
Рисунок 7 - Экспериментальные исследования грунтонаполняемых и грунтоармированных конструкций
Модели выполнялись из тканных Unisol 650 (
Н/м3). В качестве заполнителя применялся сухой песок.
Материал моделей был ортотропным с характерными показателями анизотропии 
, где 
, 
- модули упругости основы и утка, при этом соблюдались соотношения подобия: геометрический масштаб 
для вертикального и горизонтального расстояния между одиночной арматурой 
, где 
;
;
; 
- линейные размеры армированного грунта; 
;
;
;
;
;
- соответственно, ширина, длина, толщина гибкой арматуры и модели. Для натуры и модели использовались критические подобия для грунта.
Отклонение лицевой стенки от вертикали допускалось в пределах 
. Относительные перемещения минимальной отметки 
.
Грунтоармированное сооружение применяется в качестве подпорных стен и укрепления оползневых участков по трасе ДВ, а также демпфирующих устройств.
Общая эмпирическая зависимость грунтоармированных конструкций имеет вид:
, (2)
где 
- оценка надёжности конструкции, сооружения; 
- соотношение параметров армирования; 
- эмпирические коэффициенты, которые получены для различных грунтов.
Допустимые параметры армолент и эмпирических коэффициентов армирования в физических моделях выполнялись согласно выполненным данным компьютерным моделированием, которое проводилось с помощью программы PLAXIS BVP. OBOX.572.2600 ANTHE NETHERLANDS version 7.1.
Результаты экспериментальных исследований грунтоармированных и грунтонаполняемых конструкций подтвердили полученные данные теоретических исследований с достоверностью 10-15 %, что позволяет рекомендовать их в практику строительства.
Выводы:
1. В результате анализа технического решения и его физической модели выявлены наиболее сложные участки прохождения деривационного водовода и обосновано применение подпорных конструкций и сооружений инженерной защиты из грунтоармированных грунтонаполняемых элементов.
2. В результате проведённых экспериментальных исследований обоснованы параметры грунтоармированных и грунтонаполняемых конструкций с учётом ранее полученных математических моделей и получены эмпирические зависимости и коэффициенты для создания рекомендаций по возведению МДМкГЭС.
Список использованных источников
Заявка на изобретение № 000 2015106761 от 01.01.2001 года «Составной деривационный водовод и способ его возведения» Кашарин, для мобильных деривационных гидроэлектростанций трубопроводов из композитных материалов , , // Гидротехническое строительство. 2014. № 10. С. 32-37. Кашарина карта по устройству грунтоармированных конструкций защитных ГТС. / , / Южводпроект– Ростов-на-Дону: – 2005 Кашарина по применению грунтонаполняемых и грунтоармированных элементов при использовании вторичных ресурсов. Ростов-на-Дону: 2008. 25с. Кашарина исследования грунтонаполняемых и грунтоармированных конструкций / Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: материалы международной научно-технич. конференции, посвящ. 80-ти летию образования кафедры геотехники СПбГАСУ и 290-летию российской науки. – СПб.: СПбГАСУ. 2014. С.280. Кашарин инженерные сооружения из композитных материалов в водохозяйственном строительстве / // Министерство образования и науки Российской Федерации; Южно-Российский государственный технический университет (НПИ). - Новочеркасск, 2012. – 51-119 с.
