Для защиты откосов живого сечения канала от повреждения и предотвращения чрезмерных потерь воды в русле канала в большинстве случаев устраиваются различные крепления. Если канал проходит в слабофильтрующих грунтах и потери воды из канала в результате фильтрации невелики, применяются упрощенные крепления верховой части откосов в виде каменной наброски, отсыпки естественной гравийно-песчаной смеси или щебня. При больших фильтрационных потерях воды может оказаться экономически оправданным применение специальных мер, уменьшающих потери воды, к которым относятся устройство противофильтрационной облицовки дна и откосов канала, экранов из слабофильтрующих грунтов или пластических материалов, а также кольматаж грунта специальными растворами.
При строительстве водопроводных каналов устройство облицовки обусловливается требованиями к качеству воды. На отдельных участках каналов, проходящих в особо сложных инженерно-геологических условиях, где ожидается возникновение оползневых явлений на склонах
или подтопление прилегающей территории, также приходится прибегать к устройству крепления.
Следует, однако, иметь в виду, что устройство на канале любых креплений резко увеличивает трудоемкость и стоимость его строительства. Поэтому при назначении крепления канала проводится тщательное технико-экономическое обоснование. Экономически наиболее выгодно устройство каналов без крепления, в связи с чем гари трассировании каналов и назначении их поперечного сечения поиску возможности отказа от облицовки уделяется большое внимание.
При устройстве облицовок каналов, особенно противофильтрационных, следует иметь в виду, что срок службы их зависит от применяемых материалов и конструктивных особенностей креплений, качества производства работ и условий эксплуатации.
Бетонные и железобетонные облицовки
Бетонные и железобетонные облицовки каналов являются наиболее распространенными. Они позволяют снизить фильтрационные потери воды из канала, защитить слабые грунты от размыва и тем самым повысить скорость течения и сократить живое сечение канала. Железобетонные облицовки применяются практически всегда, когда необходимо устройство прочного трещиностойкого крепления канала. Применение бетонных облицовок нежелательно на пучинистых и просадочных грунтах, на участках каналов с резким колебанием уровня воды, а также на участках с выходом напорных грунтовых вод на откос канала. Поскольку бетонные и железобетонные облицовки являются самыми дорогими типами одежды каналов, их применение, особенно в большом объеме, должно быть тщательно обосновано.
Рис. 14.4. Конструкция швов бетонной облицовки.
1 — мастика; 2 — двухкулачковая резиновая шпонка; 3 — фанерная прокладка; 4 — резиновая шпонка самоуплотняющегося профиля; 5 — стеклоткань.
Наиболее сложным гари устройстве бетонной и железобетонной облицовки является уплотнение деформационных швов. Выбор типа уплотнения с учетом его эксплуатационных данных, а также требований к технологии работ имеет большое значение для успешной работы всей облицовки. В настоящее время разработано много конструкций уплотнения швов бетонных и железобетонных облицовок, наиболее перспективные из которых приведены на рис. 14.4.
В качестве мастик и герметиков для заполнения деформационных швов в настоящее время широко применяются различного рода соединения на основе битума и полимерных материалов, в том числе битумные, битумно-полимерные, тиоколовые, полиизобутиленовые, эпоксидные и другие. Их обязательными свойствами должны быть хорошая адгезия к бетону и сохранение эластичности в течение длительного времени и в различных условиях эксплуатации канала. Следует иметь в виду, что применение стыка с заполнением швов уплотняющим материалом требует строгого соблюдения технологии его укладки. Хорошо зарекомендовал себя стык с двухкулачковой резиновой шпонкой, который при соответствующем качестве бетона является надежным и долговечным уплотнением, однако несколько сложным в изготовлении и при укладке в связи с трудностью механизации работ. Стык с применением резины самоуплотняющегося профиля устраивается после укладки бетона и набора им прочности путем прорези специальным механизмом паза и укладки в него профилированной резины в натянутом состоянии. Такая конструкция стыка позволяет механизировать весь процесс устройства бетонной облицовки. В последние годы начали широко применяться с использованием в качестве уплотняющего элемента стеклоткани, стеклопластик, тиоколовые ленты и пр. Герметики приклеиваются к бетону специальными клеями, преимущественно на эпоксидной основе. Эти стыки наиболее удобны при применении сборных железобетонных облицовок.
Сборные железобетонные облицовки канала позволяют ускорить строительство. Размер плит крепления назначается максимально большим по условиям изготовления, транспорта и монтажа с целью максимального сокращения общей длины швов. При укладке монолитных бетонных облицовок в настоящее время широко применяются бетоноукладочные машины, позволяющие выполнять облицовку при широком диапазоне параметров канала.
Асфальтобетонные облицовки
Основными преимуществами асфальтобетона для использования его в качестве противофильтрационных покрытий гидротехнических сооружений являются: высокая степень водонепроницаемости; пластичность, позволяющая применять его при деформируемых и просадочных основаниях без устройства швов в облицовке; возможность изменения свойств материала в достаточно широком диапазоне путем изменения его состава; возможность применения для приготовления и укладки асфальтобетона обычных асфальтосмесительных установок и дорожных машин.
Стоимость асфальтобетонных облицовок ниже стоимости железобетонных в аналогичных условиях на 30—40%. Улучшение технических показателей асфальтобетонных облицовок возможно путем введения в конструкцию дополнительных элементов, в частности, армирования металлической сеткой. Армированные асфальтобетонные покрытия применяются при сильно деформируемом основании и в отдельных случаях практически незаменимы.
Однако указанные положительные качества асфальтобетонных облицовок могут быть обеспечены только при правильном подборе состава гидротехнического асфальтобетона, соответствующего конкретным условиям работы облицовки, при строгом соблюдении этого состава в процессе производства работ, качественной подготовке основания под облицовку и безупречном производстве работ по ее укладке, особенно в части соблюдения требований по уплотнению. Полного эффекта от применения асфальтобетонных облицовок можно достичь лишь при механизации всех работ по их устройству, включая подготовку основания, укладку, уплотнение асфальтобетонной смеси и поверхностную обработку. В подавляющем большинстве случаев при строительстве каналов может быть в этих целях применен комплекс обычных дорожных машин.
Рис. 14.5. Конструкция асфальтовых покрытий.
а — покрытие, уложенное непосредственно на грунт основания; б — то же при пучинистом грунте основания; в — усиленное покрытие по слою черного фильтра; 1 — грунт основания; 2 — слой грунта основания, обработанный гербицидами; 3 — асфальтобетонное покрытие; 4 — слой поверхностной обработки; 5 — подстилающий слой из песчаных материалов при пучинистых основаниях; 6 — переходный слой из пористого асфальтобетона (черный фильтр)
Однако применение специальных механизмов более эффективно и позволяет получить высокое качество облицовки. Опыт применения отечественных асфальтоукладочных машин для крепления откосов канала показал их большие возможности.
Конструкция асфальтобетонных покрытий зависит от физико-механических свойств основания и требований к облицовке. Наиболее распространенные конструкции покрытия приведены на рис. 14.5. Собственно асфальтобетонная облицовка представляет собой однослойное или многослойное покрытие из гидротехнического водонепроницаемого асфальтобетона. В зависимости от условий работы облицовки и свойств грунтов основания применяются плотные песчаный и мелкозернистый гидротехнические асфальтобетоны и пористые средне- и крупнозернистые асфальтобетоны. Толщина однослойного покрытия составляет 4— 6 см, а для многослойного определяется специальным расчетом.. Поверхность облицовки обрабатывается горячим битумом с каменной крошкой или крупнозернистым песком.
Экраны из полимерных материалов
Полимерные пленочные материалы, полученные на основе синтетических высокомолекулярных соединений, при малой толщине практически водонепроницаемы, имеют большую эластичность и прочность. Благодаря этим свойствам они на протяжении последних 25— 30 лет находят все более и более широкое применение в качестве противофильтрационных экранов при строительстве водоемов различного назначения и каналов.
Массовому применению полимерных материалов в гидротехническом строительстве предшествовали широкие исследования их эксплуатационных свойств и прежде всего срока службы в условиях подземного заложения, сохранности противофильтрационных свойств, возможности повреждения пленки растительностью и грызунами. В нашей стране проделана и ведется в этом направлении большая работа, в результате которой установлено, что наиболее существенное влияние на продолжительность срока службы пленочных материалов оказывают солнечная радиация и повышенные температуры.
Для повышения долговечности полимерных материалов в их состав вводят вещества, тормозящие процесс старения — стабилизаторы, что существенно повышает защитные свойства пленок. Проведенные исследования и опыт эксплуатации полимерных материалов в СССР и за рубежом показали, что в условиях центральных районов страны срок службы стабилизированных пленок не менее 35—40 лет, а в южных районах — 25—30 лет. Повреждение пленочных экранов растительностью и грызунами носит случайный характер.
Рис. 14.6. Сечение канала с экраном из полимерной пленки.
1 — полиэтиленовая пленка толщиной 0,4 мм; 2 — экран из уплотненного суглинка толщиной 1 мг; 3 — монолитный железобетон.
В СССР пленочные материалы в качестве экранов применяются с начала 60-х годов. В 70-х годах на строительстве Каховской и Куйбышевской систем, Каршинском, Большом Ставропольском и других каналах полиэтиленовая стабилизированная пленка толщиной 0,2—0,4 мм с грунтовыми и бетонными защитными покрытиями применена на участках каналов общей длиной несколько сот километров. Наибольшее распространение в СССР получили пленки из полиэтилена и пластифицированного поливинилхлорида. В зарубежной практике помимо этих материалов применяются виниловые пленки, пленки из бутилового каучука и другие полимерные материалы.
Большое значение для нормальной эксплуатации канала с экраном из полимерной пленки имеют надежность и устойчивость защитного покрытия, выполняемого из грунта и бетона, причем имеется опыт покрытия пленки как монолитным бетоном, так и сборными железобетонными плитами. Бетонные покрытия имеют толщину около 15 см и помимо защиты пленки от солнечной радиации и чрезмерного нагревания надежно предохраняют ее от механических повреждений. Грунтовые защитные покрытия, обычно толщиной 1,0—1,2 м, в практике строительства распространены шире и при соблюдении всех требований по подготовке основания под пленку, а также по укладке самого защитного слоя также достаточно надежны.
Опыт эксплуатации ряда каналов показал, что грунтовые покрытия имеют достаточную устойчивость при заложении откоса 1:2,5 и положе в отдельных случаях для улучшения устойчивости применяют пленку с шероховатой поверхностью. Следует отметить, что при строительстве пленочных экранов с грунтовым покрытием используются обычные землеройные механизмы, это необходимо учитывать при выборе типа противофильтрационной одежды каналов. Конструкция канала с экраном из полимерной пленки дана на рис. 14.6.
Другие виды облицовок и экранов
Для снижения фильтрационных потерь из каналов применяются грунтоцементные облицовки, а также уплотнение грунтов на откосах канала, искусственный кольматаж, битумизация и другие способы.
Грунтовые экраны весьма эффективны для борьбы с фильтрацией из каналов. Они наиболее предпочтительны как по условиям производства работ, так и по экономическим соображениям при наличии в районе строительства слабофильтрующих грунтов необходимого качества. При хорошем качестве работ грунтовые экраны полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к противофильтрационным покрытиям, и имеют большой срок службы.
14.3.8. Крепления из каменных материалов
Крепление откосов и дна канала каменными материалами является самым распространенным видом защитного покрытия на участках каналов, не требующих противофильтрационной облицовки. Такие одежды применяются при необходимости защиты откосов каналов от подсечки ветровой волной, оплывания, механического повреждения льдом и плавающими предметами, некоторого улучшения общего санитарного состояния подаваемой воды за счет уменьшения мутности и замедления развития низшей водной растительности.
При строительстве каналов широко применяются все виды каменных материалов: гравий, щебень, камень, естественные гравийно-песчаные смеси. Выбор вида материалов, кроме особых случаев крепления небольших участков, определяется наличием местных каменных материалов, а также их сравнительной стоимостью. Каменные крепления обладают высокой эластичностью всего слоя, что особенно важно при прохождении канала в грунтах, склонных к некоторым деформациям.
Наиболее распространенным видом каменного крепления являются крепления из гравия и щебня. Естественные гравийно-песчаные смеси при скорости течения воды в каналах до 1 м/с обладают всеми положительными свойствами гравийных и щебеночных покрытий. При креплении оплывающих и суффозионных грунтов гравий и щебень укладываются по песчаной подготовке. Толщина гравийных и щебеночных покрытий не превышает 20—30 см, а гравийно-песчаных 30—35 см. С целью удешевления строительства в большинстве случаев толщину слоя каменного крепления задают переменной по всей высоте откоса либо крепят только верхнюю его часть. В этом случае следует обратить внимание на предотвращение оползания каменного материала вниз по откосу, для чего применяют полки, переломы откосов, реже устраивают специальные упоры.
