Геомат композиционный «ЭНКАМАТ А20»

Область применения

Геомат композиционный марки «Энкамат А20» применяется для защиты грунтов подтопляемых участков, сложенных глинистыми, суглинистыми и песчаными грунтами, с целью предотвращения развития эрозионных процессов в сочетании с биологическими типами укрепления.

Область применения материала геомата композиционного распространяется на:

• укрепление подтопляемых откосов насыпей;
• берегоукрепление;
• укрепление кюветов и лотков открытых систем дренажа.

Эффективность применения геомата композиционного определяется возможностью выполнения функций защиты от воздействия водного потока при скорости до 3,0 м/с.

Цели применения геомата композиционного «Энкамат А20»:

• обеспечение работоспособности автомобильных дорог в сложных погодно-климатических и грунтово-геологических условиях;
• повышение транспортно-эксплуатационной надёжности конструкции земляного полотна автомобильной дороги;
• снижение затрат и повышение технологичности производства дорожных работ.

Решаемые задачи:

• повышение устойчивости откосов земляного полотна автомобильных дорог в условиях совместного воздействия энергии падающих капель дождя и водного потока при временном и постоянном течении воды;
• повышение устойчивости водоотводных канав, сезонно и постоянно подтопляемых откосов насыпей автомобильных дорог, от разрушения под воздействием водной нагрузки, в том числе энергии набегающих волн;
• повышение эрозионной стойкости поверхностей откосов земляного полотна и водоотводных канав;
• защита водопропускных лотков и перепадов от разрушения под воздействием водной нагрузки;
• формирование оптимальных условий для закрепления корневой системы растений при использовании биологических способов укрепления поверхностей;
• снижение затрат на производство дорожных работ за счёт сокращения объёмов использования традиционных дорожно-строительных материалов.

Технология монтажа

Поверхность откоса должна быть выровнена и уплотнена. Анкерные канавки глубиной не менее 300 мм устраиваются по верхней бровке и при необходимости по подошве подтопляемого откоса (рисунок 1).

Рисунок 1 – Выравнивание откоса и устройство анкерной канавы, посев

Производится засев семян участка (рисунок 2), расположенного выше уровня воды. Рекомендуемый расход семян по высеву 40–80 г/м². Участки укрепления, расположенные ниже уровня воды, рекомендуется засевать семенами корневищных растений или водорослей.

Рисунок 2 – Засев семенами трав неподтопляемого участка откоса

Один край материала помещается в одну из анкерных канавок. Через каждые 50 см геомат крепится металлическим анкером в канаве, после чего материал раскатывают. Работать можно как снизу вверх, так и сверху вниз. Не рекомендуется продольная укладка геомата на крутых откосах. Во избежание случайного разматывания рулона его необходимо держать близко к поверхности откоса (рисунок 3). Не рекомендуется укладывать геомат марки «Энкамат А20» при температуре воздуха ниже 5 °C.

а) б)

Рисунок 3 – Раскатывание рулона (а) и крепление геомата в анкерных канавах (б)

При монтаже геомата композиционного выполняются следующие контрольные операции:

• контроль ровности поверхности материала по откосу;
• контроль стыковки по величине и прямолинейности;
• контроль отсутствия пустот под материалом и плотного прилегания к поверхности откоса.

С помощью лопаты или отрезного диска отрезается нужный по длине кусок геомата композиционного. При необходимости производится дополнительная анкеровка по откосу металлическим анкером. Во время монтажа не допускается сток воды по защищаемой поверхности откоса.

а) б) в)

Рисунок 4 – Обрезка геомата композиционного (а), узел стыковки (б) и анкеровка по поверхности откоса (в)

Поперечный нахлест геомата композиционного на откосе должен составлять не менее 300 мм. В особо сложных случаях необходимо дополнительно закрепить геомат марки «Энкамат А20» металлическими анкерами с шагом по шву стыковки 250 мм.

Введение

Настоящий научно-технический отчет представляет собой изложение результатов лабораторных гидравлических исследований работы покрытия из композитного материала – геомата марки Энкамат А20 с травой и без нее и Enkamat 7225 с заполнением каменным материалом, укреплённого пророщенной травой. Геомат Энкамат А20, заполненный щебнем с битумным вяжущим материалом, и Enkamat 7225, заполненный щебнем, используются для защиты глинистых, суглинистых и песчаных грунтов, подверженных эрозионному воздействию текущей воды поверхностного ливневого и фильтрационного стока с целью предотвращения развития эрозионных процессов.

Область применения материала геомата Энкамат А20 и Enkamat 7225:

• укрепление откосов насыпей;
• берегоукрепление;
• укрепление кюветов и лотков открытых систем дренажа;
• укрепление водоотводных лотков и каналов.

Задачей исследований в соответствии с техническим заданием было изучение:

1. Кинематических характеристик потока воды.
2. Гидравлических сопротивлений материала исследования.
3. Предельных средних скоростей, при которых нарушается устойчивость крепления материала геомата.
4. Распределение гидродинамического давления по поверхности материала крепления.
5. Фильтрационных характеристик противоэрозионного материала геомата Энкамат А20.

Актуальность проведенных исследований фрагмента канала с покрытием из геокомпозиционных материалов – геомата Энкамат А20 и Enkamat 7225 состояла в получении недостающих данных для гидравлического расчета водопропускных сооружений с подобной противоэрозионной защитой и диапазона их устойчивой безопасной работы.

1 ЭТАП

Исследования проводились в лотке с переменным уклоном длиной 8643 мм. Начальный участок лотка длиной 1800 мм выполнен неподвижным с горизонтальным дном, а остальной участок длиной 6843 мм с возможностью изменения уклона дна. Максимальный уклон дна лотка, который можно было установить, составлял iмакс=0.053. Этот уклон позволял получить в лабораторных условиях среднюю скорость потока, достигающую Vмакс=2,6 м/с.

Изучение коэффициентов гидравлического трения λ и коэффициента шероховатости n выполнялось на контрольном участке, стенки и дно которого покрывались геоматом Энкамат А20. Длина этого участка с исследуемым материалом составила 4,3 м. Перед рабочим участком и после него на длине порядка по 2.0 м по периметру сечения уложен геомата марки Enkamat 7225 без щебня с целью обеспечения более быстрого перехода кинематической структуры потока, выходящего из приёмного бака к структуре, формирующейся при движении по геомату Энкамат А20 в бытовых условиях, и препятствования её метаморфозе в конце лотка. Основные исследования проведены в лотке с прямоугольным поперечным сечением. Опыты проведены при разных расходах и уклонах лотка.

Детально методика обработки экспериментов описана в соответствующих разделах, в которых излагаются результаты исследований по данному вопросу.

Для определения коэффициента Кориолиса  изучалась кинематика потока по всему поперечному сечению. С этой целью по длине контрольного участка были выполнены замеры скоростей трубкой Пито диаметром 2мм.

Как следует из приведенных материалов изучения коэффициента "n", для гидравлических расчётов каналов с покрытием из геомата Энкамата А20 можно рекомендовать значение n=0.0168, полученное при использовании формулы Маннинга, впредь до накопления более обширных экспериментальных и натурных данных.

Использование этого значения коэффициента шероховатости при расчётах пропускной способности с использованием формулы Н.Н. Павловского для определения коэффициента Шези С влечёт некоторое увеличение размеров поперечного сечения канала, что идёт в запас надёжности расчётов.

Влияние стыков на коэффициент Шези "n"

Укладка геомата Энкамат А20 в натурных условиях выполняется с формированием стыков "внахлёст" по течению потока.

Для учёта влияния стыков на гидравлические сопротивления и на устойчивость покрытия были выполнены соответствующие эксперименты.

Исследования определения влияния стыка на гидравлические потери по длине канала проводились в прямоугольном лотке со стыком, выполненным "внахлёст" по всему периметру поперечного сечения. Ось стыка располагалась на расстоянии 430см от начала лотка.

Для определения влияния стыка на гидравлические потери по длине канала были проведены измерения кинематических характеристик потока в створах на расстоянии х1=330 см и х2=625см при расходе Q=174л/с.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО 1 ЭТАПУ

1.Защитное покрытие из геомата Энкамат А20 показало высокую сопротивляемость влекущим силам потока даже без усиления крепления. Ковёр «геомат Энкамат А20», уложенный на плоском дне канала при соединении полотнищ "встык" и удержании от подвижек только пригрузкой коврами, уложенными на откосах, в процессе проведения исследований не деформировался при средних скоростях потока, достигавших величины 2.6 м/с.

2. При свободной укладке ковров "встык" и без их закрепления к основанию канала, в экспериментах устойчивость ковра удалось достичь до значения придонной скорости Vдон = 1.0 м/с.

3.Исследования пульсационного воздействия потока на ковёр показали, что в широком диапазоне расходов не существует опасности возникновения пульсационного давления потока на нижнюю поверхность ковра, превосходящего давление на его верхнюю поверхность. Минимальная пригрузка ковра при этом может снижаться до 0.08…0.14 величины гидростатического давления.

4. Изучение значения коэффициента шероховатости "n" показало, что его значение зависит от формулы, которая принимается за основу для вычисления коэффициента Шези "С".

5.Для "гладкого" ковра, при укладке "встык" с заглаживанием стыка, значение коэффициента шероховатости "n" можно принимать равным:

• при вычислении коэффициента Шези "С" по формуле Гангилье-Куттера n=0.0161;
• при вычислении коэффициента Шези "С" по формуле Маннинга n=0.0168
• при вычислении коэффициента Шези "С" по формуле Н.Н.Павловского n=0.0162.

6. При укладке ковров из геомата Энкамат А20 "внахлёст" с перекрытием 0.5м, увеличение значений коэффициента шероховатости "n" составляет примерно 10% в пересчёте на сопротивление, соответствующее шагу стыков. При этом за расчётное значение коэффициента шероховатости "n" можно принять n=0.0176.

7. Изучение фильтрационных свойств геомата Энкамат А20 в поперечном направлении показало, что процесс свободной и напорной установившейся фильтрации соответствует переходной зоне сопротивления. При безнапорной фильтрации показатель степени при градиенте напора относительно верхней поверхности ковра, практически равен показателю степени при напорной фильтрации и может быть принят равным 0.662. И в то же время, скорость напорной фильтрации меньше скорости безнапорной фильтрации на 17.5%.

8.При поперечной фильтрации ковёр геомата Энкамат А20 можно рассматривать как гидравлическое сопротивление. При восходящей фильтрации возникает подъёмная сила, отрывающая ковёр от грунта. Величина этой силы различна для безнапорной и напорной фильтрации. Коэффициент лобового сопротивления Схб безнапорной фильтрации может быть определён как Схб=20/J0.425, а Схн напорной фильтрации может быть определён как Схн=20/J0.3.

2 ЭТАП

Сначала был уложен гумусный растительный грунт на дно и левый откос лотка толщиной ~14мм. На левый борт канала была уложена стальная сетка с сечением проволоки 1 мм и с ячейками 1х1см для лучшего сцепления грунта с пластиковым модельным откосом. Затем увлажнили уложенный слой грунта (дно лейкой, а откос пульверизатором для исключения сползания грунта вниз).

Высев семян на гумусный слой был выполнен из расчета 100г на 1 м2, после чего увлажнили семена мелкодисперсным пульверизатором воды фото.

Затем семена были закрыты слоем грунта толщиной 7-8 мм с укаткой и затем вся засеянная площадь была увлажнена в щадящем режиме.

сеткой, ячейки которой заполнены мелким щебнем. Правый вертикальный борт был обшит по всей длине лотка баннерной тканью. Оба участка для исследований получились длиной 5,3м, а посеянная площадь – 4,5 м2. Начальный (1,8-2 м) и конечный (1-1,2 м) участки канала по периметру сечения закрыли армирующей сеткой для создания идентичных условий движения жидкости.

В соответствии с рекомендациями поддерживали агротехнический режим в течение вегетационного периода (приблизительно 1,5 месяца) до образования растительного покрова высотой ~15 см в соответствии с техническим заданием на исследования

Состояние растительного грунта под материалами покрытий после проведенных экспериментальных исследований

Рекомендации по второму этапу исследований.

1.Как следует из приведенных материалов изучения коэффициента “n” для гидравлических расчетов каналов, впредь, до накопления более обширных экспериментальных и натурных данных можно рекомендовать использовать: с покрытием из Энкамата А20, пророщенного травой, n=0,0294, а с покрытием из Enkamat 7225 заполненного каменным материалом, укрепленных пророщенной травой, значение n=0,032, полученные по формуле Маннинга.

2. Больший разброс значений “n” по сравнению с гладким покрытием связан с тем, что эксперименты проводились не одномоментно. В период между экспериментами происходили изменения качества травяного покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ЭТАПУ 2

Проведенные гидравлические исследования защитных покрытий из материалов Энкамат А20 и Enkamat 7225 позволяют сделать следующие общие выводы.

1.Покрытие из материала Энкамат А20 представляет собой надёжное защитное покрытие, допускающие скорости 3 м/с и более.

2.При гидравлических расчётах пропускной способности русел, покрытых материалом Энкамат А20, при пользовании формулой Маннинга для определения коэффициента Шези «С» следует принимать значение коэффициента шероховатости n=0.0168 для покрытия без нахлёста и n=0.0176 при укладке покрытия внахлёст по направлению течения.

3. Фильтрационные исследования показали, что фильтрационные свойства материала в поперечном направлении соответствуют переходной зоне сопротивления между ламинарной и турбулентной фильтрации с коэффициентом фильтрации, соответствующем показателю степени 0.662.

4. При использовании покрытия из материала Энкамат А20 с засевом травой коэффициент сопротивления возрастает. По данным исследований при пользовании формулой Маннинга для определения коэффициента Шези «С» можно принять среднее значение коэффициента шероховатости nср=0.0294.

5. Покрытие ложа канала из материала Enkamat 7225 значительно уступает покрытию из материала Энкамат А20. Заполнитель из гранитной крошки с диаметром зёрен 3…5 мм смывается с откосов уже при средней скорости потока порядка 1м/с. При этом засев покрытия травой в зонах с густым покровом, частично увеличивает стойкость против смыва гранитной крошки до 1.5 м/с.

6. Гранитная крошка материала Enkamat 7225 создает большее гидравлическое сопротивление, чем имеет материал Энкамат А20. В совокупности с травяным покровом при пользовании формулой Маннинга для определения коэффициента Шези «С» значение коэффициента шероховатости nср=0.032.

7. Разрезы защитных покрытий из материала Энкамат А20 и Enkamat 7225 и гумусного слоя, размещённого под ними, выполненные после проведения гидравлических исследований, показали их отличную сохранность.

8. Оценка состояния корневой системы покрова столкнулась с затруднениями, поскольку она выполнялась по прошествии достаточно продолжительного срока после завершения исследований. За это время корневая система значительно высохла и частично отмерла. Тем не менее, тесты по определению прочности удержания травяного покрова позволили установить значительную стойкость против выдёргивании, что говорит о достаточной стойкости травяного покрова против выдёргивания влекущими силами гидравлического сопротивления воды.