ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ Российский патент 1995 года по МПК E02B3/06 

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям различного назначения, возводимых из тонкостенных оболочек большого диаметра, а именно к оградительным и причальным сооружениям, в том числе к палам.

Известно оградительное сооружение ячеистой конструкции цилиндрического типа, выполненное из плоского стального шпунта с ячейками, засыпанными грунтом, и с верхним строением, включающим уголок жесткости и железобетонное покрытие, которое уложено на поверхность грунта засыпки [1]
Отдельные ячейки в рассматриваемом оградительном сооружении соединены между собой козырьками, также выполненными из плоского стального шпунта.

Недостатком данного оградительного сооружения является его недостаточная надежность, так как с увеличением диаметра ячейки и ее высоты резко возрастают усилия в замках стального шпунта и, кроме того, ячейка не обладает необходимой жесткостью при воздействии внешних нагрузок, приложенных с ее наружной стороны в диаметральной плоскости ячейки, так как она выполнена из отдельных стальных шпунтин, связанных между собой замками. Помимо этого, такое оградительное сооружение, представляющее собой сплошную стенку, не может обеспечить водообмен между открытым водоемом и защищаемой акваторией.

Известно гидротехническое сооружение из железобетонных оболочек большого диаметра, имеющих на наружной поверхности выступы, расположенные в шахматном порядке, внутри которых выполнены отверстия, проходящие по оси каждого выступа через стенку оболочки; при этом заполнение полостей оболочек состоит из крупноразмерного материала [2]
Недостатком рассматриваемого гидротехнического сооружения является малая его надежность, поскольку выступы, имеющиеся на наружной поверхности железобетонных оболочек в период эксплуатации сооружения легко могут быть повреждены и даже разрушены.

Другой недостаток указанного гидротехнического сооружения заключается в том, что при его возведении не может быть обеспечена такая пористость материала заполнителя, которая бы отвечала нормальным условиям существования гидробионтов внутри оболочек.

Кроме того, со временем, материал заполнителя оболочек будет уплотняться и слеживаться, особенно в нижней их части, вследствие чего пористость этого материала будет постоянно уменьшаться.

К тому же, в связи с трудоемкостью изготовления железобетонных оболочек с выступами, имеющими сквозные отверстия, проходящие через их стенки, исключается возможность выполнения такого количества отверстий, которое оказалось бы достаточным для достижения требуемой водопроницаемости оболочек, от чего также зависит создание нормальных условий существования гидробионтов внутри оболочек.

Задачей изобретения является повышение надежности гидротехнического сооружения при одновременном снижении материалоемкости его конструкции и трудоемкости возведения, а также расширение функциональных возможностей сооружения путем придания ему санитарно-экологических функций.

Для решения указанной задачи в известном гидротехническом сооружении, включающем верхнее строение, опирающееся на оболочки с перфорированными стенками, заполненные крупноразмерным материалом, согласно изобретению отверстия перфорации выполнены по всей поверхности стенки каждой оболочки, а крупноразмерный материал заполнения уложен слоями по высоте оболочки в несколько ярусов, между которыми горизонтально уложены плоские сетки.

При этом каждая сетка выполнена из арматурной стали с радиально расположенной рабочей арматурой и кольцевой распределительной арматурой.

Кроме того, отверстия в стенках оболочек изнутри закрыты решетками, размер ячеек которых в свету не превышает размера наименьшей фракции материала заполнения оболочек.

Предусматривается также, что крупноразмерный материал заполнения оболочек засеян зооспорами бурых водорослей, преимущественно, ламинарии.

На фиг.1 показаны вид сбоку и поперечный разрез пала гравитационной конструкции, выполненного из оболочки большого диаметра; на фиг.2 сетка из арматурной стали в плане, используемая для армирования заполнения оболочки.

Пал гравитационной конструкции включает верхнее строение, опирающееся на вертикально установленную цилиндрическую оболочку большого диаметра, стенка 1 которого образована из заранее перфорированного стального полотнища заводской рулонной заготовки.

Оболочка нижней кромкой своей стенки через каменную постель 2 опирается на поверхность 3 грунта основания.

Перфорация стенки 1 оболочки выполнена таким образом, чтобы она после установки оболочки на каменную постель 2 оказалась ниже зоны переменного горизонта воды, причем отверстия 4 в стенке имеют круглую форму и расположены в шахматном порядке.

Заполнение 5 полости оболочки состоит из крупноразмерного материала, например из камня.

С внутренней стороны стенки 1 оболочки на отверстиях 4 установлены решетки 6, имеющие ячейки, размеры которых в свету меньше размеров наименьшей фракции материала заполнения 5 оболочки.

Заполнение 5 армировано сетками 7 из арматурной стали, уложенными горизонтально между слоями крупноразмерного материала в несколько ярусов по высоте оболочки.

Сетки 7 имеют радиальную рабочую арматуру 8 и кольцевую распределительную арматуру 9, которая расположена концентрично относительно центра сетки.

Рабочая арматура приварена к плоскому стальному диску анкеру 10, размещенному в центральной части сетки 7.

Толщина стенки оболочки определяется расчетом стенки на прочность, с учетом ослабления ее сечения отверстиями 4, а также воздействия на оболочку внешних нагрузок, в том числе нагрузок от судов, ледовых и волновых нагрузок.

Количество сеток 7, укладываемых горизонтально ярусами между слоями крупноразмерного материала внутри заполнения 5 оболочки, их взаимное расположение по высоте оболочки и диаметр рабочей арматуры 8 сеток также устанавливаются расчетом с учетом физико-механических характеристик материала заполнения 5 оболочек.

При этом должно быть удовлетворено требование, заключающееся в сохранении постоянной минимальной толщины стенки оболочки при минимальном суммарном расходе стального листа, используемого для создания стенки оболочки, и стальной арматуры, служащей для изготовления необходимого числа сеток 7.

Верхнее строение пала состоит из кольцевого оголовка 11, расположенного с наружной стороны стенки оболочки, кольцевого пояса жесткости 12, размещенного с внутренней стороны стенки, и круглой плиты покрытия 13, опирающейся на верхнюю кромку стенки.

Пал снабжен швартовной тумбой 14 и отбойным приспособлением 15, расположенными с той его стороны, к которой причаливают суда, а также ограждением 16.

Для предохранения материала стенки 1 оболочки от коррозии используется ее катодная защита (на чертеже не показана). Кроме того, предусмотрено, что материал заполнения 5 полости оболочки засеян зооспорами бурых водорослей, например ламинарии.

В случае, когда предлагаемое гидротехническое сооружение используется в качестве оградительного сооружения, ряд оболочек, установленных в одну линию, образует сплошную конструкцию. В этом случае наличие отверстий 4 в стенке 1 каждой из оболочек способствует гашению энергии волнения и одновременно позволяет сооружению эффективно выполнять санитарно-экологические функции, что связано с улучшением условий водообмена между открытым водоемом и защищаемой акваторией.

Работает предлагаемое гидротехническое сооружение следующим образом.

При воздействии на пал гравитационной конструкции внешних нагрузок, в том числе нагрузок от судов, а также ледовых и волновых нагрузок, возникают усилия, которые передаются через кольцевой оголовок 11, кольцевой пояс жесткости 12 и круглую плиту покрытия 13 на стенку 1 оболочки и на заполнение 5, а затем через каменную постель 2, на поверхность 3 грунта основания и далее в толщу грунта основания.

Боковое давление материала заполнения 5, действующее изнутри оболочки, вызывает растягивающие усилия в ее стенке 1, возникающие в плоскостях диаметральных сечений оболочки. Величина этих усилий определяет требуемую толщину стенки оболочки.

В предлагаемом гидротехническом сооружении для снижения величины бокового давления материала заполнения 5 оболочки и более равномерного его распределения по высоте стенки 1 оболочки служат сетки 7 из арматурной стали, уложенные горизонтально внутри заполнения 5.

Снижение величины бокового давления грунта происходит благодаря появлению сил трения, действующих по контрактам сеток 7 из арматурной стали с материалом заполнения 5 оболочки при радиальных смещениях стенки 1 оболочки в стороны от ее вертикальной оси. При этом полная реализация указанных сил трения обусловлена тем, что в пределах каждой сетки 7 происходит зацепление отдельных составляющих материала заполнения 5 между собой и с элементами каркаса сетки 7, а именно с рабочей арматурой 8 и с распределительной арматурой 9.

Одновременно с возникновением сил трения по контактам каждой сетки 7 с материалом заполнения 5 оболочки в стержнях радиальной рабочей арматуры 8 сетки 7 появляются растягивающие напряжения, которые передаются диску-анкеру 10, загруженному вышележащим материалом заполнения 5, что гарантирует неизменность положения сетки 7.

Армирование заполнения 5 оболочки сетками 7 способствует созданию благоприятных условий работы оболочки.

В частности, в связи с тем, что сетки 7 представляют собой распределительные элементы, удается получить более равномерную эпюру вертикальных нормальных напряжений от веса материала заполнения 5 оболочки в плоскости ее подошвы.

Кроме того, наличие сеток 7 в заполнении 5 позволяет снизить величины горизонтальных растягивающих нормальных напряжений в стенке 1 оболочки, которые вызываются распором материала заполнения 5 при радиальном смещении стенки оболочки в стороны от ее вертикальной оси и передаются от материала заполнения 5 на внутреннюю сторону стенки оболочки, поскольку в этих условиях полностью реализуются силы трения по контактам сеток 7 с материалом заполнения 5.

Размещение нескольких сеток 7 внутри заполнения 5 на нескольких установленных расчетом уровнях по высоте оболочки позволяет не только добиться уменьшения требуемой толщины стенки 1 оболочки, но и получить равнопрочную стенку постоянной толщины по высоте оболочки.

При этом облегчается процесс установки оболочки, выполняемой из одного заранее перфорированного стального полотнища заводской рулонной заготовки.

Процесс работ по созданию отверстий 4 в стенке оболочки облегчается и соответственно снижается стоимость указанных работ в связи с тем, что оболочка изготовлена не из железобетона, а из стали или другого листового конструкционного материала, т.е. является тонкостенной.

Для предотвращения коррозии стальной тонкостенной оболочки возникающей, в первую очередь, в зоне переменного уровня воды, предусматривается ее катодная защита.

Армирование заполнения 5 оболочки, выполненного из несортированного камня, которое произведено с помощью сеток 7 из арматурой стали, уложенных в горизонтальных плоскостях по высоте оболочки, позволяет искусственно повысить пустотность материала заполнения 5.

Таким образом, при наличии большого количества отверстий 4 в стенке 1 оболочки и значительной пустотности материала заполнения 5 обеспечивается требуемая водопроницаемость стенки оболочки и тем самым достигается необходимый водообмен в ее полости.

Тем самым создаются благоприятные условия для осуществления гидробионтов в полости оболочки внутри ее заполнения 5.

Для интенсификации процесса расселения гидробионтов предусмотрен также засев материала заполнения оболочек зооспорами бурых водорослей, например ламинарии.

В том случае, когда гидротехническое сооружение предполагается использовать в качестве оградительного сооружения, оно должно возводиться из оболочек предлагаемой конструкции, образующих сплошной ряд, что достигается, например, с помощью козырьков, которыми оболочки соединяются друг с другом. При этом значительная водопроницаемость оболочек способствует гашению энергии волнения, а также создает условия для водообмена между открытым водоемом и защищаемой акваторией, благодаря чему предотвращается образование застойных зон в пределах защищаемой акватории.

Использование: при строительстве гидротехнических сооружений различного назначения, возводимых из тонкостенных оболочек большого диаметра, а именно оградительных и причальных сооружений, в том числе палов. Задача: повышение надежности гидротехнического сооружения при одновременном снижении материалоемкости его конструкции и трудоемкости возведения, а также расширение функциональных возможностей сооружения путем придания ему санитарно-экологических функций. Сущность изобретения: в гидротехническом сооружении, включающем верхнее строение, опирающееся на оболочки с перфорированными стенками 1, заполненные крупноразмерным материалом, согласно изобретению отверстия 4 перфорации выполнены по всей поверхности каждой оболочки, а крупноразмерный материал заполнения 5 уложен слоями по высоте оболочки в несколько ярусов, между которыми горизонтально уложены плоские сетки 7, причем все сетки изготовлены из арматурной стали с радиально расположенной рабочей арматурой 8 и кольцевой распределительной арматурой 9. При этом отверстия в стенках оболочек изнутри закрыты решетками 6, размер ячеек которых в свету не превышает размера наименьшей фракции материала заполнения оболочек. Предусматривается также, что крупноразмерный материал заполнения оболочек засеян зооспорами бурых водорослей, преимущественно ламинарии. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ, включающее верхнее строение, опирающееся на оболочки с перфорированными стенками, заполненные крупноразмерным материалом, отличающееся тем, что отверстия перфорации выполнены по всей поверхности стенки каждой оболочки, а крупноразмерный материал заполнения уложен слоями по высоте оболочки в несколько ярусов, между которыми горизонтально уложены плоские сетки. 2. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что каждая сетка выполнена из арматурной стали с радиально расположенной рабочей арматурой и кольцевой распределительной арматурой. 3. Сооружение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что отверстия в стенках оболочек изнутри закрыты решетками, размер ячеек которых в свету не превышает размера наименьшей фракции материала заполнения оболочек. 4. Сооружение по пп.1 3, отличающееся тем, что крупноразмерный материал заполнения оболочек засеян зооспорами бурых водорослей, преимущественно ламинарии.