Технологии определения мест фильтрационных потерь на гидротехнических сооружениях

Протяженность оросительных каналов мелиоративных систем Украины составляет несколько тысяч километров. Существующая сеть магистральных и распределительных каналов а также сооружения на них после 40-50 лет эксплуатации под действием техногенных нагрузок и агрессивных факторов внешней среды получили значительные повреждения и имеют неудовлетворительное техническое состояние.

Места фильтрационных потерь

Фильтрационные потери воды из каналов часто приводят к подтоплению прилегающих территорий, создание аварийных ситуаций на каналах и важных народнохозяйственных сооружениях, ухудшение экологической ситуации. Основными очагами фильтрации воды является разрушены

деформационные швы, трещины и места разуплотнения бетона плит облицовки, поврежденные грунтовые откосы и бермы каналов.

Отсутствие постоянного контроля за техническим состоянием гидротехнических сооружений, несвоевременное техническое обслуживание могут привести к разрушению отдельных участков каналов и их полной остановки. Проведение диагностики технического состояния гидротехнических сооружений способствовать своевременному выявлению повреждений на ранней стадии, что существенно уменьшит расходы на капитальные ремонты и позволит предотвратить аварийные ситуации. Специалистами лаборатории восстановления гидротехнических сооружений Института гидротехники и мелиорации НААН Украины проведено исследование по обоснованию и разработке электрометрических методов и средств определения мест фильтрационных потерь на гидротехнических сооружениях действующих мелиоративных систем.

Электрометрические методы

Электрометрические методы основываются на изучении различных физических полей, величина и распределение которых в пространстве зависят от физических свойств элементов гидротехнических сооружений и окружающего пространства и включают: метод природного электрического поля (ПЭП), метод микроэлектрозондирование (МЭЗ) и метод электропрофилирование (ЭП).

Основной рабочей гипотезой разработки электрометрических методов принималась возможность установления зависимостей параметров фильтрационных естественных полей и электрофизических показателей окружающей среды от фильтрационных утечек поверхности фильтрационных сооружений и окружающей среды.

Фильтрационные поля относятся к классу электрокинетических явлений, известных в физической химии под названием «потенциалов течения», или «потенциалов протекания». Фильтрационные поля создаются движением воды в пористых средах: при движении воды возникает электрическое поле. Фильтрующее естественное поле, выраженное через электрический потенциал, является положительным в направлении фильтрационной воды и отрицательным в месте входа воды в окружающее пространство или сооружение. Это обусловлено тем, что при фильтрации вода является положительно заряженным средой относительно твердых частиц капиллярно-пористого тела (закрепленного слоя пленочной воды).

Смещение частиц положительно заряженной воды относительно закрепленного слоя пленочной воды образует соответствующее направление фильтрационного поля. Фильтрационные природные поля широко распространены и регистрируются при работах методом естественного электрического поля электроразведки в геофизике.

Пористых пространство бетона гидротехнических сооружений является сложной системой сообщения капилляров, пор и трещин. Фильтрационные процессы, происходящие в них, является одним из главных механизмов, который приводит к возникновению природного электрического поля (ПЭП). Физическая сущность его такова: в бетоне через адсорбцию отрицательных ионов (анионов) на стенках капилляров образуется двойной электрический слой. Внутри капилляра остаются свободные диффузионно распределены положительные ионы (катионы), которые подхватываются движущейся водой, и накапливаются на выходе из капилляра. Это продолжается до тех пор, пока внутреннее электрическое поле, возникающее и действующее вдоль капилляра против потока, который перемещает катионы, НЕ уравновесит процесс. Итак, в капилляре действует электрическое поле, имеющий определенную напряженность, которую можно измерить. Естественное электрическое поле изучают, измеряя его потенциал (способ потенциалов) или градиент потенциалов (способ градиента потенциалов).

Методом потенциалов

Сущность разработанных способов определения мест фильтрации воды через железобетонные облицовки каналов методом потенциалов заключается в том, что потенциал всех точек определенной сети наблюдений участка канала, исследуют, измеряют относительно одной точки, которую принимают за исходную. За такую ​​точку выбирают точку «0», где устанавливают неподвижный электрод «N». Другой электрод «М» последовательно перемещают во все определенные точки, измеряя разность потенциалов. Для оценки стабильности собственной поляризации электродов «М» и «N» измерения начинают на опорной точке «0». Детализацию аномалий ПЭП проводят с использованием одной опорной точки «0». Потенциалы измеряют мультиметром типа М-43313.2, предназначенным для выполнения электроразведочных работ методом естественного электрического поля.

Для проведения работ используют медно-сульфатные электроды, не поляризуются. Они состоят из керамической емкости с медным штырем, заполненной насыщенным раствором медного купороса.
Последний осуществляет ионную проводимость электрического тока от поверхности сооружения или почвы для исключения поляризации медных штырей (изменения собственных потенциалов в процессе измерений).

Технологии определения мест фильтрационных потерь на гидротехнических сооружениях

Схема установки для определения мест фильтрации через железобетонные облицовки магистральных каналов:
1 - мультиметр специализированный;
2 - измерительные проводнику линии;
3, 4 - медно-сульфатные электроды сравнения (МСЭ) «М» и «N»;
5 - поверхность железобетонных плит облицовки;
6 - определенная сеть наблюдений.

Сущность методов электропрофилирование и микроэлектрозондирование

Сущность методов электропрофилирование и микроэлектрозондирование заключается в измерении удельного сопротивления ρy почв, непосредственно примыкающих к ГТС. Фильтрационные потоки вызывают изменение влажности и водонасичености почв на контакте с сооружениями мелиоративных каналов или способствуют повышению уровня грунтовых вод (УГВ). Измеряя ρy почв, устанавливают изменения этого показателя, вызванные действием фильтрационных утечек. Показатель почв при наличии фильтрации может увеличиваться для грунтов типа солончаков, болотных, глинистых и снижаться для грунтов типа песков, сланцевых, известняков и др.

Методы электропрофилирование и микроэлектрозондирование выступают как вспомогательные к методам потенциалов, но могут использоваться и как основные исследования в тех случаях, когда невозможно выполнять работы методами ПЭП и градиентов ПЭП. В этом случае методика исследований методами электропрофилирование и микроэлектрозондирование заключается в том, что натурные исследования проводят сначала на незаполненных каналам, а затем в тех же точках сети наблюдений при заполненных водой каналах. Участки со значительным отклонением показателей ρy почв, полученными при заполненных и незаполненных каналам, как правило и являются местами фильтрационных потерь.

Технологии определения мест фильтрационных потерь на гидротехнических сооружениях

Методы электропрофилирование и микроэлектрозондирование выполняются следующим образом.

Метод электропрофилирование

Исследования по методу электропрофилирование проводят симметричной установкой Веннера типа АМNВ .

Технологии определения мест фильтрационных потерь на гидротехнических сооружениях

Схема измерения кажущегося удельного электрического сопротивления грунтов:
a - расстояние между электродами, м;
А - амперметр;
V - вольтметр;
M, N - потенциальные электроды заземлений,
А, В - токовые электроды заземлений,
J - сила тока генератора.
Измерения кажущегося удельного электрического сопротивления грунтов осуществляют измерителями сопротивления заземления типа М-416, Ф 4103-М1. Величину кажущегося удельного электрического сопротивления грунтов определяют из выражения:
ρy = 2 π а Δ U / Н,
где ρy - удельное электрическое сопротивление грунта:
а - расстояние между электродами, м;
ΔU - разность потенциалов, В;
Н - сила тока, А
В случае применения измерительных приборов М-416, Ф4103-М1 формула (1) будет иметь так:
ρy = 2 π а N,
где N - величина отсчета снимается с прибора М-416 или Ф4103-М1.
В простейшем варианте исследований методом электропрофилирование симметричной установкой Веннера типа АМNВ эффективную глубину h исследований определяют для различных типов почв по выражению:
а ≤ h ≤ 2а,
где а = АМ = МN = NВ - расстояние между электродами заземлений измерительных установок.
Для проведения исследований была разработана и изготовлена ​​измерительные установки с размерами расстояния между электродами (а), равные 1,59 м; 3,18 м; 6,37 м; 12,73 г.
Могут быть использованы измерительные установки с другими значениями размера (а), например 1 м и 3 м. При глубине канала более 6 м дополнительно должна быть проведена ряд замеров с разносом установки h ≤ а ≤ 2h, д е h - глубина канала.
Шаг измерений принимается равным от 50 м до 100 м вдоль трассы канала при использовании метода электропрофилирование качестве вспомогательного и равным от 25 м до 100 м при использовании метода электропрофилирование как основного из сгущением от 10 м до 15 м на пересечении естественных и искусственных препятствий.

Метод микроэлектрозондирование

Микроэлектрозондирование выполняют для определения геоэлектрических разреза вдоль трассы каналов, на площадках накопительных бассейнов, а также для установления уровня грунтовых вод и их аномальных отклонений, связанных с фильтрацией. Схему построения геоэлектрических разреза или параметров верхних слоев почвы (мнимые удельные электроопоры-ρy методом микроэлектрозондирование.

Метод микроэлектрозондирование проводится установкой типа АМNВ, где электрод В относят в «бесконечность», а электроды А, М, N размещают в верхнем слое земли по определенным схемам в соответствии с Инструкцией по электроразведки. В качестве измерительной аппаратуры используют станции Анч-3, «ЭРА», измеритель Ф 4103 - М1 и их аналоги. Электрод заземления служат стальные, латунные и медные штыри. В методе микроелектро-зондирования электрод А рекомендуется максимально относить на расстояние от 50 до 65 метров. Шаг измерений выбирают в зависимости от природных условий и поставленной задачи и составляет от 100 до 1000 метров. Измерительную установку частично монтируют в базовых условиях, а окончательно - на месте производства работ. Исследования методом микроэлектрозондирование должны согласовываться с данными опорных скважин для установки параметризации (соответствия) геоэлектрических разреза (распределением в пространстве слоев грунта с различными удельными электрическими сопротивлениями) геологическом строении подстилающих пород и положению уровня грунтовых вод.

Приемлемой считается ситуация, когда на 10 точек выполнения микроэлектрозондирование есть одна параметрическая скважина или данные о геологическом строении.

Точность определения мест возможных фильтрационных утечек методом естественного электрического поля составляет примерно 10 см, методами электропрофилирование и микроэлектрозондирование около 50 см.

Для установления количественных корреляционных связей между выявленными аномальными электрическими полями в местах повышенной фильтрации через дно и откосы канала по элементах облицовок (бетон тела облицовки, трещины и швы) дополнительно при натурных исследованиях может быть использован метод фильтратомирив с использованием фильтратомиру ФМ-2, фильтратомиру конструкции ИГиМ или фильтратомиру конструкции Укрводпроекта. Электроразведочных методы диагностики технического состояния гидротехнических сооружений и установки для определения мест фильтрации воды через железобетонные облицовки мелиоративных каналов было успешно применен при обследовании водопропускных сооружений в зоне пересечения Северо-Крымского канала с рекой Салгир.

Выводы

Применение комплекса электроразведочных методов диагностики технического состояния гидротехнических сооружений, разработанного на основе измерений электрофизических параметров составляющих элементов гидротехнических сооружений позволяет быстро и своевременно установить места развития дефектов и коррозионных повреждений облицовок мелиоративных каналов, определить места возможных фильтрационных утечек.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *