Результаты экспериментальных исследований элементов

Результаты экспериментальных исследований элементов мобильной деривационной
микро ГЭС
Кашарина Т.П.
ООО «Импульс», г. Новочерскасск, Россия
Основанием для проведения экспериментальных исследований деривационной микро
ГЭС является новое техническое решение по заявке на изобретение № 2015 106761 от
26.02.2015 г. «Составной деривационный водовод и способ его возведения».
Общая схема мобильной деривационной микрогидроэлектростанции (МДМкГЭС)
представлены на рис. 1.
6
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.
2
2
1
3
3
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:
y
2
2
 h  1  1  k sin  ;


2
 x  E 2 , k  1  k  Е1 , k ,
 h
2

 
где
 
(1)
0 ≤ k ≤ ∞ и φ = α / 2.
Результаты численного моделирования представлены на рис. 3-5.
б
а
г
в
д
е
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
а
б
Рисунок 4 – Численное моделирование грунтонаполняемой оболочки под углом наклона
основания 180: а) сетка конечных элементов; б) напряжение по оси Х
а
б
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 (   17,8 Н/м3). В качестве заполнителя
применялся сухой песок.
Материал моделей был ортотропным с характерными показателями анизотропии
E0
, где E0 , E y - модули упругости основы и утка, при этом соблюдались соотношения
Ey
подобия: геометрический масштаб  L для вертикального и горизонтального расстояния между
H н ba ,н tн Lн tн
одиночной арматурой
, где H н ; H м ; t н ; t м - линейные размеры



H м ba , м t м Lм t м
армированного грунта; ba ,н ; ba , м ; Lн ; L м ; tн ; t м - соответственно, ширина, длина, толщина
C
гибкой арматуры и модели. Для натуры и модели использовались критические подобия для
грунта.
Отклонение лицевой стенки от вертикали допускалось в пределах 40    20 .
Относительные перемещения минимальной отметки п 
max
.
h
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
h
h
B  K1    K 2    K 3 ,
l
l
(2)
В - оценка надёжности конструкции, сооружения;  h  - соотношение параметров
l
армирования;  K1 , K 2 , K3  - эмпирические коэффициенты, которые получены для различных
где
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
1. Заявка на изобретение № 2015106761 2015106761 от 26.02.2015 года «Составной
деривационный водовод и способ его возведения»
2. Кашарин, Д.В. Использование для мобильных деривационных гидроэлектростанций
трубопроводов из композитных материалов Д.В. Кашарин, Т.П. Кашарина, П.А. Годин,
М.А. Годин // Гидротехническое строительство. 2014. № 10. С. 32-37.
3. Кашарина Т.П. Технологическая карта по устройству грунтоармированных конструкций
защитных ГТС. / Кашарина Т.П., Кашарин Д.В./ Южводпроект– Ростов-на-Дону: – 2005
4. Кашарина Т.П. Руководство по применению грунтонаполняемых и грунтоармированных
элементов при использовании вторичных ресурсов. Ростов-на-Дону: 2008. 25с.
5. Кашарина Т.П. Методы 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.
6. Кашарин Д. В. Защитные инженерные сооружения из композитных материалов в
водохозяйственном строительстве / Д. В. Кашарин // Министерство образования и науки
Российской Федерации; Южно-Российский государственный технический университет
(НПИ). - Новочеркасск, 2012. – 51-119 с.