Мероприятий по уменьшению фильтрационных потерь из водохранилищ и каналов в условиях сирии

На правах рукописи

Мохамад Раиан

ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО УМЕНЬШЕНИЮ

ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩ И

КАНАЛОВ В УСЛОВИЯХ СИРИИ

05.23.07 – Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Февралев Аркадий Валентинович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Жарницкий Валерий Яковлевич

Доктор технических наук, профессор

Правдивец Юрий Петрович

Ведущая организация: ЗАО Производственное объединение «СОВИНТЕРВОД»

Защита состоится 22 июня в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: г. Москва, ул. Прянишникова, 19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства».

Автореферат разослан «____»_________________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Евдокимова И. М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Сирия обладает благоприятным климатом, позволяющим получать не менее двух урожаев в год; здесь имеются обширные плодородные земли; сельское хозяйство Сирии насчитывает положительный многовековой опыт производства различных сельскохозяйственных культур.

Однако сельскохозяйственное производство осложняется нехваткой воды в вегетативный период. Поэтому ее приходится запасать во время зимних паводков во множестве водохранилищ, а затем использовать для орошения.

Сосредоточение воды в водохранилищах, передача ее по каналам на поля сопровождаются значительными фильтрационными потерями, уменьшающими обеспеченность водой орошаемых угодий. В результате снижаются площади орошения и производство сельскохозяйственной продукции.

Поэтому разработка и обоснование мероприятий по уменьшению фильтрационных потерь является для Сирии весьма актуальным.

Целью исследований явилась разработка методики обоснования мероприятий по уменьшению фильтрационных потерь из водохранилищ и каналов в условиях Сирии.

Основные задачи диссертационных исследований:

провести обзор и анализ мероприятий по уменьшению фильтрационных потерь, из которых выбрать наиболее приемлемые для условий Сирии;

изучить физико-математические модели для оценки фильтрационных потерь;

разработать цифровые модели фильтрации из водохранилищ и каналов применительно к условиям Сирии;

составить численную аппроксимацию этих моделей и предложить компьютерную программу для её реализации;

провести натурные наблюдения фильтрационного режима для сравнения результатов этих наблюдений и компьютерных фильтрационных расчетов;

разработать методику технико-экономического обоснования оптимальных вариантов противофильтрационных мероприятий;

– выполнить расчеты по обоснованию противофильтрационных мероприятий гидроузла Кастун; гидроузла Афамия, состоящим из трех водохранилищ; мелиоративного канала G3.

Научная новизна исследований состоит в разработке методики обоснования противофильтрационных мероприятий в гидротехнических сооружениях Сирии, в частности:

разработаны цифровые трехмерные модели водохранилищ и мелиоративных каналов;

разработана компьютерная программа расчета фильтрационных потерь;

выполнены расчеты фильтрационных потерь для конкретных объектов в Сирии;

проведено натурное исследование фильтрационного режима гидроузла Кастун и мелиоративного канала G3;

разработана методика технико-экономического анализа противофильтрационных мероприятий;

обоснованы на основе фильтрационных и технико-экономических расчетов оптимальные противофильтрационные мероприятия для гидроузлов Кастун и Афамия, а также мелиоративного канала G3.

Практическое значение работы заключается в том, что на основе ее результатов могут быть обоснованы противофильтрационные мероприятия в сооружениях гидроузлов Сирии, существенно уменьшающие фильтрационные потери и увеличивающие в связи с этим площадь орошаемых земель.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических объектов в Сирии.

Внедрение. Результаты исследований внедрены на гидроузле Кастун, Афамия и канале G3: предложены мероприятия по уменьшению фильтрационных потерь, которые реализуются в период строительства.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались: в Организации водных ресурсов бассейна реки Альаси в 2005 г. (г. Хама, Сирия); в университете Халеб, на кафедре мелиорации, в 2006 г. (г. Халеб, Сирия); на международных научно-промышленных форумах «Великие реки – 2005», «Великие реки – 2006», «Великие реки – 2007» (г. Нижний Новгород, Россия); на кафедре гидротехнических сооружений Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета в 2009 г. (г. Нижний Новгород, Россия) и Московского государственного университета природообустройства в 2009 г. (г. Москва, Россия).

На защиту выносятся:

цифровые трехмерные модели гидроузлов Кастун и Афамия, а также мелиоративного канала G3;

компьютерные программы расчета фильтрационных потерь;

методика и результаты расчетов фильтрации из водохранилищ и каналов;

результаты натурных исследований фильтрационного режима на гидроузле Кастун и мелиоративном канале G3;

выбор оптимальных противофильтрационных мероприятий для гидроузлов Кастун и Афамия, а также мелиоративного канала G3.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных трудах, в том числе в двух журналах, рекомендованных ВАК России для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объем диссертации. Объем диссертационной работы составляет 196 с., включая аннотацию, введение, 5 глав с 63 рисунками и 40 таблицами, заключение, список литературы из 179 наименований и приложение.

Основное содержание работы

Во введении определены актуальность темы, научная и практическая значимость диссертационных исследований.

В главе 1 дается характеристика современного состояния исследований фильтрационных потерь, приводится обзор научно-технической литературы по вопросам фильтрационных потерь из водохранилищ и каналов, обозначаются причины фильтрационных потерь и их влияние на водное хозяйство Сирии. Рассматриваются вопросы противофильтрационных мероприятий в гидротехнических сооружениях, в плотинах и их основаниях, в водохранилищах и в каналах.

Вопросам фильтрации и фильтрационных потерь посвящены труды М. Е. Альтовского, В. И. Аравина, В. Д. Бабушкина, Ф. М. Бочевера, В. В. Ведерникова, Н. Н. Веригина, Н. К. Гиринского, М. М. Гришина, Е. А. Замарина, Г. Н. Каменского, В. В. Малаханова, Н. Т. Мелещенко, А. М. Мхитаряна, С. Н. Нумерова, В. П. Недриги, Ф. Б. Нелсон-Скорнякова, Н. Н. Павловского, П. Я. Полубариновой-Кочиной, Л. Н. Рассказова, И. С. Румянцева, П. Ф. Фильчакова, Р. Р. Чугаева, В. М. Шестакова, Д.В. Штеренлихта, M. M. Ahmad, H. H. Walid, H. F. Wang, H. M. Alt, H. R. Cedergren, P. A. Domenico и др.

Делается вывод о том, что на сегодняшний день недостаточно изученной является проблема обоснования противофильтрационных мероприятий и выбора оптимальных мероприятий. Особенно важно решение этой проблемы для условий Сирии, так как для неё характерны значительные фильтрационные потери в силу специфических инженерно-геологических (аномальные зоны, ухудшающие фильтрационные условия ложа водохранилищ), гидрогеологических (в частности, низкий уровень подземных вод), гидрологических условий, а также нарушение проектных и технологических требований при производстве работ.

Водное хозяйство Сирии испытывает существенную нехватку воды, особенно в вегетационный период. Это обстоятельство снижает эффективность производства сельскохозяйственных культур, уменьшает объемы производства и т. п.

Одним из путей повышения водообеспеченности сельского хозяйства в условиях Сирии является накопление воды в водохранилищах сезонного регулирования в зимний и весенний период и использование накопленной воды для полива во время развития сельхозкультур.

Однако накопление воды и передача ее по ирригационным каналам приводит к существенным фильтрационным потерям. Для снижения этих потерь применяются различные противофильтрационные мероприятия, из которых для условий Сирии наиболее предпочтительными являются:

в грунтовых плотинах:

экраны из глинистых материалов, при глубоком залегании водоупора – в сочетании с понуром; ядра из глинистых грунтов; экраны из полимерных материалов;

в основании водохранилищ

инъекционные завесы, в частности, цементные и глинисто-цементные завесы; буробетонные завесы; экраны из глинистых материалов;

в мелиоративных каналах

полимерные пленки; бетонные и железобетонные облицовки; асфальтобетонные облицовки.

Наличие большого количества противофильтрационных мероприятий требует выбора наиболее целесообразных из них в условиях конкретных гидротехнических сооружений. Очевидно, что такой выбор должен учитывать снижение фильтрационных потерь, что, в свою очередь, требует расчета последних.

Поэтому целью настоящих диссертационных исследований является разработка методики обоснования противофильтрационных мероприятий, учитывающей реальные инженерно-геологические, гидрогеологические, гидрологические условия водохранилищ и/или ирригационных каналов, конструктивные особенности гидротехнических сооружений (гидроузлов), режимы наполнения-сработки и другие особенности конкретных объектов для условий Сирии.

В главе 2 даются теоретические основы определения фильтрационных потерь, описывается физическая и математическая модель фильтрации в гидротехнических сооружениях.

Рассмотрены причины и виды фильтрации, фильтрационные свойства грунтовых материалов, при этом обращается большое внимание на причины значительных фильтрационных потерь в условиях Сирии.

Изучена математическая сторона определения фильтрационных потерь, приведены дифференциальные уравнения фильтрации, начальные и граничные условия, условия однозначности.

В диссертации рассматривается ламинарная фильтрация по закону Дарси, неустановившийся режим движения воды; трехмерная модель фильтрации; где коэффициенты переноса зависят от координат, времени и температуры воды, условия фильтрации анизотропные.

Для нестационарного режима фильтрации, кроме условий на границах, задаются начальными условиями.

Для фильтрационных задач разработана цифровая модель гидротехнических объектов, представляющая собой область фильтрации с соответствующими границами, характеристиками грунтов, гидрогеологическими условиями, характеристиками гидросооружений, уровнями верхнего и нижнего бьефов и т. п.

Условия на границах задаются следующим образом:

– на верхней границе модели в пределах водных объектов

h=h (x, y, z, t); (1)

где h – пьезометрический напор; x, y, z – декартовы координаты, причем z – аппликата (вертикальная); t – время;

– на боковых границах принимаются следующие условия

(2)

– на свободной поверхности грунтовых вод

, h = z, (3)

здесь z – высота поверхности депрессии;

– на границах водных бассейнов

h =h(t). (4)

Начальные условия:

начальные фильтрационного состояния задается в виде некоторого распределения пьезометрического напора:

h (x, y, z, t=0)= h(x, y, z) (5)

Расход фильтрационного потока определятся по формуле

Q=F Vdf, (6)

где F – площадь ложа водохранилища под водой; V – скорость фильтрации

V=. (7)

Проекции скорости фильтрации

VX = - k, VY= - k , VZ = - k, (8)

Пьезометрический напор определяется уравнением, записываемым для пространственной нестационарной задачи в виде

(k ) + (k )+ (k ), (9)

где – коэффициент водоотдачи.

Объем фильтрационных потерь определяется по формуле:

(10)

В главе 3 предложена методика расчетов фильтрационных потерь. Для решения используется численный метод конечных разностей. Он заключается в замене уравнений (6)…(10) конечно-разностными аналогами по неявной схеме:

а) фильтрационный расход определяется по формуле:

; (11)

б) пьезометрический напор определяется по зависимости:

, (12)

где h – пьезометрический напор в момент времени t; – то же, в момент времени t+t; G1…G6 – коэффициент вида

(13)

в) проекции скорости фильтрации определяются формулами типа

. (14)

г) Объем фильтрационных потерь определяется по формуле:

(15)

Краевые условия также представляются в разностной форме.

Разработан алгоритм численного расчета неустановившейся пространственной фильтрации.

Решение системы разностных уравнений (12) осуществляется методом итераций (последовательных приближений), для чего разработана и реализована программа для ЭВМ на языке Visual Basic 6.0.

Выполнение программы начинается с ввода исходной информации: механических и фильтрационных характеристик грунтов, размеров расчетной области, временных шагов, периода расчетов (в реальном времени), начальных и граничных условий и т. п.

Затем производится итерационное вычисление напора в узлах разностной сетки с контролем сходимости по формуле

, (16)

где s номер итерации; Н заданная точность вычисления напора, а также количества итераций по зависимости

ssН, (17)

где sН – задаваемый предел количества итераций напора.

Вычисление напора заканчивается или при достижении заданной точности по (17) или при исчерпании количества итераций. В последнем случае выполнение программы может быть прервано с сообщением о том, что решение расходится. При достижении сходимости расчетов напора производится вычисление фильтрационного расхода.

На рисунке 1 приводится пример результатов расчета.

В главе 4 разработана методика обоснования противофильтрационных мероприятий. Методика состоит из несколько блоков: составление характеристики объекта; выбор расчетной области; разработка цифровой пространственной модели; представление расчетной области в разностной форме; ввод данных в программу; счет на компьютере; получение результатов и их интерпретация; выполнение технико-экономических расчетов; выбор оптимального мероприятия.

Выбор мероприятия осуществляется по минимуму стоимости противофильтрационного мероприятия и стоимости потерянной воды по формуле:

, (18)

где Ks стоимость элемента противофильтрационного мероприятия; С – цена потерянной воды, принимаемая равной цене воды на орошение; W – объем фильтрационных потерь за предполагаемый период эксплуатации гидроузла ; n – количество мероприятий; i – номер элемента.

Глава 5 посвящена обоснованию противофильтрационных мероприятий для сокращения фильтрационных потерь из водохранилищ и каналов в условиях Сирии.

Гидроузел Кастун. Плотина гидроузла создана из каменно-грунтовых материалов; её максимальная высота 15 м; в теле плотины противофильтрационное ядро из глинистых грунтов; длина плотины по гребню 1600 м, отметка гребня 217 м абс. Полный объем водохранилища 0,027 км3, площадь водной поверхности (при НПУ) 3,4 км2. Водохранилище используется для ирригации сельскохозяйственных земель.

Приводится цифровая трехмерная модель гидроузла Кастун (рисунок 2).

Построение объемной модели гидроузла Кастун было выполнено на основе использования данных инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий. Модель имеет размеры 10250 х 12750 х (215 – 170 м). Она была аппроксимирована разностной сеткой с размерами ячеек, не превышающими 15 м. Общее количество узлов сетки 528308.

Одной из особенностей гидроузла Кастун является наличие зон со значительными коэффициентами фильтрации – аномальных зон (рисунок 3). Фильтрационные аномалии установлены как на правом, так и на левом бортах – эти аномалии А1, А2, А3, А4, А5, А6, А7,. Особого внимания заслуживают аномалии, выявленные в приплотинной части – аномалии А8, А9, А10, как показано на рисунке 3.

Для оценки водного баланса водохранилища автором были организованы натурные наблюдения, которые проводились в 2007 г.

Были оборудованы гидрометрические посты у ирригационного водовыпуска и на водохранилище (для измерений уровня воды); пункты наблюдений за испарением и за приходными водами; для определения уровня подземных вод сооружены пьезометры.

Результаты натурных наблюдений были сопоставлены с результатами расчетов фильтрационного режима гидроузла Кастун без противофильтрационных мероприятий (таблица 1).

Как следует из этой таблицы, результаты расчетов достаточно близки результатам натурных наблюдений. Это подтверждает достоверности расчетов.

Таблица 1 – Сравнение результатов расчетов с натурными наблюдениями

Фильтрационные потери	Объем		Разность объемов по расчету и по наблюдениям
	млн. м3/год	% от полного объема водохранилища	млн. м3/год	% от полного объема водохранилища
По наблюдениям	7	25,93	1,6	5,93
По расчету	8,6	31,85