КАМЕННО-ЗЕМЛЯНАЯ ПЛОТИНА С ПРОМЕРЗАЕМОЙ ВЕРХНЕЙ ЧАСТЬЮ Российский патент 1997 года по МПК E02B7/06 E02B3/16 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено при возведении плотин в районах с суровыми климатическими условиями.

Плотины из грунтовых материалов в зависимости от температурного состояния грунтов противофильтрационного элемента делят на талые и мерзлые. При этом по высоте противофильтрационного элемента одновременно талое и мерзлое состояние грунта не допускается СНиП 2.06.05-84*, табл.3.1 и черт. 1.1. Однако в настоящее время верхняя часть грунтовых противофильтрационных элементов плотин, построенных в северной и северо-восточных районах России, уже проморожена от гребня плотины на глубину до 9 м и более Вилюйская, Усть-Хантайская, Курейская, Колымская и др. По этой причине указанные плотины существуют как бы "незаконно" и имеют, как будет показано ниже, недостаточную надежность.

Одновременно с этим возникла необходимость в особых случаях предъявлять высокие требования к надежности плотин независимо от их высоты с отнесением их к 1-му классу капитальности создание водохранилищ на АЭС, мощных ГРЭС, накопителей особовредных промстоков и отходов. В настоящее время невозможно указать эксплуатируемую в стране и за рубежом каменно-земляную плотину, как и любую другую плотину из грунтовых материалов, которая по надежности и ремонтнопригодности в условиях Крайнего Севера соответствовала бы 1-му классу капитальности. При этом, в случае потепления климата, например, ожидаемого планетарного, под отепляющим воздействием водохранилища может начаться процесс деградации мерзлоты от ее подошвы, а поскольку наступление нулевой изотермы на ядро при промораживании на разуплотненный грунт, то надежность существующих и строящихся плотин в таких предлагаемых условиях будет существенно снижена.

Известна каменно-земляная плотина, в которой для повышения надежности работы верхняя часть ядра выполнена из непучинистого материала песка с коэффициентом фильтрации, определяемым по формуле [1] Дополнительно в пределах верхней части такого ядра выполнена диафрагма из металлического шпунта [2]
Такая плотина имеет следующие недостатки:
высокие градиенты фильтрации в ядре (F приблизительно равно 1) обуславливают необходимость укладки в верхнюю часть ядра в большом количестве весьма качественного песка, улучшенного искусственным путем, что в условиях Крайнего Севера представляется проблематичным;
сильная проницаемость верхней песчаной части ядра создает значительный фильтрационный поток по низовой грани ядра, что, помимо непроизводительной потери воды, может привести к размыву ядра потребуются слабо качественные фильтры;
песчаный грунт верхней части ядра при промораживании также может омонолититься и, при значительных запоздалых деформациях самоуплотнения нижележащей талой части ядра, привести к разуплотнению суглинка в верхней части талого ядра;
устройство шпунтовой диафрагмы [2] частично устраняет вышеуказанные недостатки, но оно связано с расходом дефицитного материала в большом количестве, при этом внедрение в грунт ядра твердого инородного тела (шпунта) в фильтрационно-суффозионном отношении не является абсолютно надежным.

Известна каменно-земляная плотина [3] в которой верхняя часть ядра выше нормального подпорного уровня воды в водохранилище выполнена из слабопучинистого мерзлого грунта.

Такая плотина имеет следующие недостатки:
поскольку мерзлая часть ядра допускается только выше нормального подпорного уровня, то такая плотина может рассматриваться только для климата более умеренного, чем на Крайнем Севере;
высота мерзлой верхней части ядра с учетом сезонного протаивания составит всего 2-3 м, поэтому существует опасность появления в мерзлой части ядра сквозных поперечных трещин как морозобойных, так и вследствие неравномерности осадки плотины по длине;
самоуплотнение боковых призм из каменной наброски происходит быстро (низовая призма к тому же омоноличивается промерзанием), а самоуплотнение консолидирующегося суглинка ядра медленно (особенно, если в него при возведении были включены мерзлые зоны), поэтому при эксплуатации и свода "перекрытия" возникает разуплотнение суглинка и, как худший случай, образование в ядре сквозной щели на контакте талого и мерзлого грунтов.

Техническое решение [3] создано группой известных специалистов, представляющих три ведущих в области гидротехнического строительства отечественных научных центра: МИСИ (Москва), ВНИИГ (С.Петербург) и СибВНИИГ (Красноярск). Этим только обращаем внимание экспертизы на актуальность решаемой задачи и на тот факт, что до настоящего времени не предложена (по нашим сведениям и нашему мнению) надежная и экономически приемлемая конструкция оголовка каменно-земляной плотины для условий Крайнего Севера. По-видимому, не удастся существенно повысить надежность такой плотины без существенных дополнительных издержек материальных и технологических. Нами просматриваются два пути:
защита верхней части ядра от промораживания, авт.св. N 1006577, 1067131, 1301913, 1613531, 1618823, 1640275, 1698355;
допущение промораживания верхней части ядра с одновременным повышением надежности сопряжения мерзлой части ядра с его талой, авт.св. N 1242566, 1330250, 1583521, 1613530.

Ниже описываются плотины по прототипу и предлагаемая, допускающая промораживание верхней части ядра второй путь.

Известна [4] каменно-земляная плотина с промораживаемой верхней частью, включающая низовую и верховую призмы из каменной наброски, переходные зоны, ядро из связного грунта с наклоненными в сторону оси ядра боковыми гранями в пределах промерзаемой части, защитный слой над гребнем ядра из несвязных грунтов и полимерную пленку, одна часть которой расположена со стороны верхнего бьефа на боковой грани верхней части ядра, а другая часть расположена в ядре горизонтально на уровне глубины промерзания или наклонно с пересечением ядра по всей его толщине и снабжена с обоих сторон защитными слоями, выполненными из эластичного полимера с открыто-пористой поверхностью.

Недостатком известной плотины является ее недостаточная надежность. Действительно, при деформациях самоуплотнения в нижней талой части ядра и при зависании промороженного оголовка плотины на призмах происходит разуплотнение грунта ядра в его верхней талой части непосредственно у границы раздела мерзлого и талого грунтов. Такое разуплотнение является опасным в суффозионном отношении, особенно в случае использования в ядре грунтов с низким, менее 7, числом пластичности именно такие грунты преобладают в условиях Крайнего Севера. Требуется особо тщательный подбор многослойных фильтров, устраиваемых в условиях сузившейся верхней части плотины. Дополнительно, при первом резком подъеме уровня воды перед плотиной (готовой или почти готовой), омоноличенные смерзанием блоки верховой призмы при подтоплении водою деформируют и отклоняются от ядра и тянут за собой примороженную его часть, раскалывая таким образом ядро по длине продольными трещинами, которые на участках примыкания плотины к бортам переходят в косые и даже в поперечные.

Указанные недостатки в существенной степени устраняются тем, что в известной каменно-земляной плотине с промерзаемой верхней частью, включающей низовую и верховую призмы из каменной наброски, переходные зоны, ядро из связного грунта с наклоненными в сторону от ядра боковыми гранями в пределах промерзаемой части, защитный слой над гребнем ядра из несвязных грунтов и полимерную пленку, расположенную со стороны верхнего бьефа на боковой грани верхней части ядра, согласно изобретению, низ пленки размещен ниже границы ожидаемого разуплотнения материала ядра при эксплуатации плотины, а верх выведен в защитный слой выше границы его сезонного протаивания, при этом пленка со стороны верхнего бьефа покрыта слоем фильтра из полимерного материала и, по меньшей мере, в пределах промерзаемой части плотины боковая грань ядра со стороны верхнего бьефа выполнена гладкой, а полимерная пленка со стороны ядра покрыта слоем смазки. Дополнительно:
плотина снабжена дополнительным фильтром из полимерного материала, расположенным со стороны нижнего бьефа на боковой грани верхней части ядра, причем в пределах промерзаемой части плотины боковая грань ядра со стороны нижнего бьефа выполнена гладкой, а между фильтром и боковой гранью ядра расположена дополнительная полимерная пленка, покрытая со стороны ядра слоем смазки;
полимерные пленки и/или фильтры выполнены электропроводящими.

Сущность технического решения заключается в том, что повышением надежности каменно-земляной плотины, как при ее эксплуатации, так и при ее возведении, осуществляется одновременно тремя путями, реализация которых осуществляется задействованием одних и тех же дополнительных конструктивных элементов, а именно:
наиболее ненадежная в противофильтрационном отношении верхняя часть ядра экранируется полимерной пленкой со стороны верхнего бьефа;
дополнительно верхняя часть ядра со стороны верхнего и нижнего бьефов покрывается фильтром (синтетический мелкопористый фильтровый материал - геотекстиль), способным отфильтровывать мелкие частицы грунта и быть защитным слоем для полимерной пленки;
полимерные пленки, уложенные по особым правилам со слоем смазки, отрезают верхнюю мерзлую часть ядра от мерзлых переходных зон, предотвращая ее зависание над талой частью ядра и, в первую очередь, со стороны верхнего бьефа, как наиболее ответственного, а выполнение пленок и/или фильтров электропроводящими позволяет пропусканием по ним тока (при низком уровне воды в водохранилище) образовывать тонкий слой талого грунта вокруг пленок и фильтров и подогревать их до эластичного состояния, что повышает качество расчленения мерзлого оголовка плотины, необходимого для создания давления отрезанной верхней частью ядра (особенно, при приложении к ней с гребня плотины дополнительной динамической нагрузки) на нижележащей талый грунт ядра и предотвратить таким образом его разуплотнение и одновременно доуплотнить его в момент эластичного состояния пленки и фильтров.

Выполнение грунтовой сужающейся вверх призмы с гладкой поверхностью ее боковых граней при одновременном покрытии полимерной пленки с одной стороны полимерным фильтром, а с другой стороны слоем смазки может быть осуществлено с использованием переставных по высоте плотины щитов в местах сопряжения переходных зон с ядром. При этом при извлечении щита из грунта (сопровождаемом вибрацией) фильтровый полимерный слой, скрепленный с полимерной пленкой, удерживает пленку в грунте и защищает ее от повреждения со стороны материала переходной зоны, а слой консистенции смазки обеспечивает беспрепятственное скольжение полимерной пленки по гладкой поверхности щита подробнее в описании к авт.св. N 1802035, кл. Е 02 В 7/06, 1993.

При ограниченной дискретной проницаемости пленки, покрывающей верховую часть ядра, линии тока сгущаются у отверстия в пленке, например, на стыках, с образованием высоких градиентов. Однако при фильтрации через ядро в направлении нижнего бьефа градиенты являются входными и неопасными. При фильтрации же в обратном направлении высокие градиенты являются выходными и опасными (временно при сработке водохранилища). В этом случае в работу вступает качественный мелкопористый (медленный) фильтр. Однако по указанной причине низовая грань ядра покрывается пленкой только в пределах промерзаемой части для предотвращения зависания верхней части ядра на низовых переходных зонах. Таким образом, пленка на верховой грани ядра в противофильтрационном отношении выполняет функции диафрагмы (шпунта), только в отличие от [2] эта диафрагма является эластичной, нематериалоемкой и одновременно выполняет дополнительную функцию расчленяют заданным образом промороженную верхнюю часть плотины.

На фиг.1 изображена плотина, поперечный разрез; на фиг.2 то же, в период ее возведения; на фиг.3 поперечный разрез верхней части плотины.

Плотина содержит грунтовый противофильтрационный элемент в виде ядра 1 из связного грунта, переходные зоны 2 и 3 с верховой стороны ядра 4 и 5 с низовой стороны ядра, боковые призмы из каменной наброски верховую 6 и низовую 7 и защитный слой 8 над гребнем ядра из несвязных грунтов. Боковые грани ядра, верховая 9 и низовая 10, по меньшей мере, выше границы 11 промерзания верхней части плотины выполнены гладкими и наклонены в сторону оси ядра. В верхней части плотины к верховой грани 9 ядра последовательно примыкают полимерные пленки 12 и медленный (мелкопористый) фильтр 13, а к низовой грани 10 ядра полимерные пленка 14 и медленный фильтр 15. Низ пленок 12 и 14 и фильтров 13 и 15 размещен ниже границы 16 ожидаемого разуплотнения материала ядра, расположенного ниже границы 11 промерзания, их верх выведен в защитный слой 8 выше границы 17 его сезонного протаивания, а пленка 14 расположена в пределах промерзаемой верхней части плотины.

Пленки 12 и 14 и/или медленные фильтры 13 и 15 выполнены из электропроводящего полимера и снабжены электродами 18 у верховой грани 9 ядра и электродами 19 у низовой грани 10 ядра. Пленки 12 и 14 со стороны ядра 1 покрыты слоем консистентной смазки (не показан). При необходимости низ фильтра 15 (на чертеже показан пунктиром) по низовой грани 10 ядра доводят до бетонной (сливной) стенки 20.

На чертеже дополнительно обозначены позициями: 21 водосборный лоток; 22 водовод; 23 водомерный бак; 24 галерея, 25 временная мерзлая зона в талой нижней части ядра; 26 и 27 уровни возведения плотины, соответственно, к первому и второму весенним паводкам после перекрытия реки; 28 переставные щиты; 29 подъемный механизм; 30 вибраторы.

Плотина работает следующим образом.

В период эксплуатации ядро 1 плотины воспринимает практически весь напор, действующий на плотину от воды в верхнем бьефе. Профильтровавшая через ядро вода скатывается по низовой грани 10 ядра в лоток 21, разделенный перегородками (не показаны) на участки, и/или изливается из него через бетонную стенку 20 в нижний бьеф или по водоводам 22 направляется для поучасткового контроля в водомерные баки 23, расположенные в галерее 24. При этом, уже в начальный период эксплуатации верхняя часть плотины промерзает на значительную глубину и образует над нижележащей талой частью ядра "перекрытие" из омоноличенных промерзанием грунтов, опертое на фильтры и боковые призмы, которые в значительной степени уже уплотнились, а со стороны нижнего бьефа дополнительно омонолитились промерзанием. По мере консолидации и уплотнения талого материала ядра, замедленных оттаиваемыми мерзлыми зонами 25, в верхней части плотины, непосредственно у границы 11 талого грунта с мерзлым и выше границы 16 появляется тенденция к опасному разуплотнению талого материала ядра. В этом случае полимерные пленка 12 и медленные фильтры 13 и 15 повышают противофильтрационную надежность этой разуплотняемой талой части ядра. Одновременно пленки 12 и 14, покрытые со стороны ядра консистенции смазкой, предотвращают смерзания ядра 1 и переходными зонами 2 и 4, отчленяя верхнюю промороженную часть ядра от промороженных фильтров с образованием на гладких гранях ядра скольких поверхностей. Поэтому мерзлые грунты, заключенные между пленками 12 и 14, давят на нижележащую такую часть ядра и препятствуют разуплотнению в ядре, а в случае деградации мерзлоты уплотняют оттаявший грунт ядра.

Плотину возводят и эксплуатируют следующим образом.

Паводок первого после перекрытия реки года пропускают переливом через плотины, возведенную до уровня 26 под защитой стенки 21, последующий паводок
через береговой водосброс (не показан) при возведенной плотине до уровня 27. Оставшуюся верхнюю часть плотины доводят в теплое время года послойной укладкой грунтов с использованием переставных по высоте плотины щитов 28 в местах сопряжения переходных зон 2 и 4 с ядром 1. При этом гладкие боковые поверхности щитов, обращенные в сторону переходных зон, покрывают полимерными пленкой и фильтром, скрепленными между собою, или только полимерным фильтром (часть низовой грани ядра) с нанесением на поверхность щита слоя консистентной смазки, частично оставшейся на пленке или фильтре после извлечения из грунта щитов подъемным механизмом 29 с помощью вибраторов 30.

При эксплуатации плотины периодически, особенно в начальный период при пониженном уровне воды в водохранилище (перед весенним паводком), к электродам 18 и 19 подводят электрический ток и пропускают его по электропроводящим полимерным пленкам 12 и 14 и/или фильтрам 13 и 15. В результате в пределах мерзлой верхней части плотины, непосредственно у полимерных пленок 12 и 14 фильтров 13 и 15 образуются тонкие слои талого грунта, повышающие качество отчленения верхней промороженной части ядра от промороженных переходных зон, а полимерные пленки и фильтры получают возможность значительно деформировать вследствие их эластичности при положительной температуре, поддерживаемой на расчетном уровне проходящим по ним электрическим током. Одновременно с этим с гребня плотины на отчлененную верхнюю часть ядра воздействуют дополнительной динамической нагрузкой в виде колонных тяжелых подвижных средств не показаны. В результате увеличивается эффективность давления верхней промороженной части ядра на нижнюю, что повышается надежность предотвращения образования в ядре уплотненного слоя между границами 11 и 16. Одновременно с этим дополнительной нагрузкой может быть спровоцировано образование поперечной трещины в промороженной верхней части ядра, например, на перегибе местности. В этом случае пленки и фильтры, находящиеся в подогретом эластичном состоянии и заключенные в талый грунт, предотвращают опасную фильтрацию по трещине, которая, находясь в мерзлом грунте, еще до подъема уровня воды в водохранилище заполнится льдом. При этом улучшается напряженное состояние в мерзлой верхней части ядра, что предотвращает образование такой трещины при дальнейшей эксплуатации плотины, когда пленки и фильтры заключены в мерзлые грунты.

О состоянии плотины на различных ее участках судят по количеству воды, поступающей в водомерные баки 23 и другим показаниям измерительной аппаратуры.

Использование изобретения позволит повысить надежность каменно-земляной плотины с промерзаемой верхней частью за счет устройства в верхней части плотины дополнительных полимерных пленок и фильтров, повышающих противосуффозионную устойчивость ядра в зоне ожидаемого разуплотнения его грунта в верхней части и обеспечивающих доуплотнение грунта в этой зоне ядра путем отчленения по гладким граням ядра верхней промораживаемой части ядра от промораживаемых переходных зон.

Использование: в гидротехническом строительстве при возведении плотин в районах с суровыми климатическими условиями. Сущность изобретения: в плотине, включающей ядро 1 из связного грунта, переходные зоны 2-5, боковые призмы из каменной наброски, верховую 6 и низовую 7, и защитный слой 8 над гребнем ядра из несвязных грунтов, боковые грани ядра 9 и 10 выше границы 11 промерзания верхней части плотины выполнены гладкими и наклонены в сторону оси ядра. В верхней части плотины к верховой грани 9 ядра последовательно примыкают полимерная пленка 12 и фильтр 13, а к низовой грани 10 ядра - полимерная пленка 14 и фильтр 15. Низ пленки 12 и фильтров 13 и 15 размещен ниже границы 16 ожидаемого разуплотнения материала ядра, их верх выведен в защитный слой 8 выше границы 17 его сезонного протаивания, а пленка 14 расположена в пределах промерзаемой верхней части плотины. Пленки 12 и 14 и/или фильтры 13 и 15 выполнены из электропроводящего полимера и снабжены электродами 18 и 19. Пленки 12 и 14 со стороны ядра 1 покрыты слоем смазки. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Каменно-земляная плотина с промерзаемой верхней частью, включающая верховую и низовую призмы из каменной наброски, переходные зоны, ядро из связного грунта, верховая и низовая боковые поверхности которого в пределах его промерзаемой части наклонены в сторону оси ядра, защитный слой над гребнем ядра из несвязного грунта и полимерную пленку, расположенную непосредственно на верховой боковой поверхности промерзаемой части ядра, отличающаяся тем, что низ пленки размещен ниже границы промерзания ядра, а верх выведен в защитный слой выше границы его сезонного протаивания, пленка покрыта слоем фильтра из полимерного материала со стороны верхнего бьефа, причем в пределах промерзаемой части верховая боковая поверхность ядра выполнена гладкой, а полимерная пленка со стороны ядра покрыта слоем смазки. 2. Плотина по п. 1, отличающаяся тем, что на низовой боковой поверхности ядра выполнен фильтр из полимерного материала, низ которого размещен ниже границы промерзания ядра, а верх выведен в защитный слой выше границы его сезонного протаивания, причем в пределах промерзаемой части низовая боковая поверхность ядра выполнена гладкой, а между фильтром и низовой боковой поверхностью ядра расположена полимерная пленка, покрытая со стороны ядра слоем смазки. 3. Плотина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что полимерная пленка и/или фильтр из полимерного материала на верховой боковой поверхности ядра, а также фильтр из полимерного материала на низовой боковой поверхности ядра выполнены электропроводящими.