ПЛОТИНА Российский патент 1998 года по МПК E02B7/06 E02B3/16 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении плотин из местных материалов в суровых климатических условиях, а также при реконструкции оголовков таких плотин.

Известна плотина с грунтовым противофильтрационным элементом, покрытым от промерзания грунтовым защитным слоем (Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. Глухие плотины. Учеб. для втузов. - М.: Высшая школа, 1975, с. 52).

Недостатком такой плотины является то, что при ее эксплуатации в районах с отрицательной среднегодовой температурой воздуха, даже если толщина защитного слоя существенно превышает глубину сезонного промерзания, в верхней части грунтового противофильтрационного элемента может возникнуть и развиться многолетняя мерзлота, что снижает надежность плотины.

Известна также плотина, включающая грунтовый противофильтрационный элемент, выполненный с уклоном поверхности гребня в сторону нижнего бьефа, боковые призмы, оголовок из фильтрующего непучинистого грунта, водонепроницаемый элемент из рулонного материала, покрывающий гребень грунтового противофильтрационного элемента и выведенный за пределы гребня в сторону нижнего бьефа, и водоподающее устройство, выполненное в виде перфорированной трубы, расположенной вдоль плотины в верхней ее части (на гребне грунтового противофильтрационного элемента) над водонепроницаемым элементом из рулонного материала и соединенной посредством трубы и насоса с водоисточником теплой воды (SU, авторское свидетельство N 1613531, кл. E 02 B 7/06, 1990).

Недостатки такой плотины следующие:
- низкие надежность и ремонтопригодность вследствие подачи под давлением воды в грунтовой материал оголовка из трубы, размещенной на гребне грунтового противофильтрационного элемента;
- высокие затраты на создание плотины вследствие вынужденного завышения отметки гребня плотины из-за промерзания оголовка при обязательном размещении гребня грунтового противофильтрационного элемента выше максимального форсированного уровня воды в верхнем бьефе, а также на прогрев оголовка плотины вследствие неэффективного использования естественного тепла окружающей среды в летнее время.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении надежности и ремонтопригодности плотины и в снижении затрат на создание плотины и на прогрев ее оголовка.

Этот технический результат достигается тем, что в плотине, включающей грунтовый противофильтрационный элемент, выполненный с уклоном поверхности гребня в сторону нижнего бьефа, боковые призмы, оголовок из фильтрующего непучинистого грунта, водонепроницаемый элемент из рулонного материала, покрывающий гребень грунтового противофильтрационного элемента и выведенный в сторону нижнего бьефа за пределы гребня, и водоподающее устройство, обеспечивающее подачу отепляющей воды на водонепроницаемый элемент из рулонного материала, согласно изобретению конец водонепроницаемого элемента из рулонного материала своей частью, обращенной в сторону верхнего бьефа, выведен выше уровня воды в верхнем бьефе с образованием из этого элемента в оголовке плотины противофильтрационной диафрагмы, наклоненной в сторону верхнего бьефа и сопряженной с грунтовым противофильтрационным элементом, а водоподающее устройство выполнено в виде водосборной канавы, размещенной на гребне плотины в фильтрующем оголовке и над противофильтрационной диафрагмой, при этом поверхность гребня плотины выполнена с уклоном в сторону водосборной канавы. Дополнительно, в водосборной канаве выполнены перегородки, делящие канаву на участки, а высота оголовка превышает глубину сезонного промерзания его грунта.

Сущность технического решения заключается в том, что выполнение в пределах оголовка плотины водонепроницаемого элемента из рулонного материала частично в виде противофильтрационной диафрагмы и частично в виде покрытия гребня грунтового противофильтрационного элемента позволяет безвредно для плотины принять из водосборной канавы теплую дождевую воду в основание оголовка и этой водою прогреть основание оголовка, что, в свою очередь, позволяет предотвратить в зимнее время промерзание грунтового противофильтрационного элемента без завышения отметки гребня плотины.

На чертеже показана плотина, поперечный разрез.

Плотина содержит грунтовый противофильтрационный элемент в виде ядра 1, выполненного с уклоном поверхности гребня в сторону нижнего бьефа, фильтры 2 и 3 с верховой стороны, фильтры 4 и 5 с низовой стороны, верховую 6 и низовую 7 боковые призмы из каменной наброски, оголовок 8 из фильтрующего непучинистого грунта, водонепроницаемый элемент 9 и водосборную канаву 10. Водонепроницаемый элемент своей верховой частью, крутонаклоненной в сторону верхнего бьефа, образует в пределах оголовка плотины противофильтрационную диафрагму, а своей низовой частью, пологонаклоненной в сторону нижнего бьефа, образует покрытие гребня ядра 1 и низового фильтра 4. В конструктивном отношении водонепроницаемый элемент 9 выполнен многослойным из рулонных материалов: нижние слои 11, собственно образующие собою противофильтрационную диафрагму, выполнены, например, из стеклорубероида, а верхний слой 12, перекрывающий в поперечном сечении плотины оба конца слоев 11, выполнен из полимерной пленки. Нижние слои 11 своими низовыми концами водонепроницаемо сопряжены с грунтовым противофильтрационным элементом, а их верховые концы выведены выше максимального форсированного уровня (max ФУ) воды в верхнем бьефе. На гребне 13 плотины в фильтрующем оголовке и над верховой частью слоя 12 выполнена водосборная канава 10, поверхность гребня 13 плотины выполнена с уклоном в сторону водосборной канавы 10.

По длине водосборная канава 10 грунтовыми перегородками 14 разделена на питательные участки, а высота h_o оголовка 8 превышает глубину h_м его сезонного промерзания.

Плотина работает следующим образом.

В период эксплуатации плотины практически весь напор воды со стороны верхнего бьефа при нормальном подпорном уровне НПУ воспринимается ядром 1, а при более высоком (форсированном) уровне включается в работу противофильтрационная диафрагма - водонепроницаемый элемент 9. Уже в первый год эксплуатации плотины ее оголовок 8 в зимнее время промерзает на глубину h_м, превышающую глубину сезонного оттаивания h_m, происходящего под воздействием только теплого летнего воздуха, при этом граница 15 мерзлого грунта в оголовке 8 не достигает поверхности гребня ядра 1. В летнее же время теплые дождевые воды из водосборной канавы 10 инфильтруют в оголовок 8 и по водонепроницаемому элементу 9 скатываются в низовой фильтр 5 и далее по контакту фильтров 4 и 5 в основание плотины. В результате оттаивание оголовка 8 в летнее время происходит как сверху со стороны гребня 13 плотины, так и снизу, со стороны гребня ядра 1, что обеспечивает полное оттаивание грунта оголовка 8 в течение теплого периода года или по меньшей мере отодвигает границу 15 мерзлого грунта от гребня ядра 1. Одновременно с этим происходит накопление тепла как у гребня ядра 1, так и по высоте низовых фильтров 4 и 5, что уменьшает промерзание как оголовка 8, так и фильтров 4 и 5 в последующую зиму.

При сезонном промерзании оголовка 8 водонепроницаемый элемент 9 предотвращает миграцию влаги из ядра 1 к границе 15, в результате чего в оголовке 8 образуется "сухая" мерзлота, что не препятствует инфильтрации воды из канавы 10. При недостаточности водопроницаемости материала оголовка 8 водонепроницаемый элемент 9 с безнапорной стороны может быть покрыт слоем (на чертеже не показан) из более проницаемого сыпучего материала.

В случае малой величины превышения max ФУ над НПУ выполнение условия превышения высоты оголовка h_o над глубиной его сезонного промерзания h_м может привести к завышению отметки гребня плотины, определенной из обычных гидравлических условий. В этом случае может оказаться оправданным устройство в оголовке дополнительного слоя (на чертеже не показан) из высокоэффективного теплоизоляционного материала, который только при совместном воздействии с отепляющим потоком воды, движущейся по водонепроницаемому элементу 9, может способствовать предотвращению образования и накопления многолетней мерзлоты в оголовке плотины.

Контроль за температурным режимом у подошвы оголовка 8 осуществляется с помощью дистанционных преобразователей температуры, размещаемых в трубах 16, которые закладываются в основании оголовка 8 при его создании. При необходимости в водосборную траншею 10 подается дополнительная теплая вода, например летом - из верхнего слоя водохранилища, а зимою - по трубам 17 из системы охлаждения оборудования предприятия.

При реконструкции оголовка плотины, содержащего зону многолетней мерзлоты, например, в случае просадки гребня грунтового противофильтрационного элемента ниже НПУ использование изобретения после частичной разборки оголовка плотины позволяет надежно восстановить работоспособность плотины без завышения отметки ее гребня и одновременно навсегда ликвидировать в верхней части грунтового противофильтрационного элемента мерзлую зону, возникшую до реконструкции оголовка. В результате последнего обстоятельства ликвидируется мерзлое "перекрытие" над ядром, а следовательно, увеличивается вертикальная нагрузка на ядро. Это уменьшает опасность трещинообразования в виде гидравлического разрыва в ядре, склонном к зависанию на фильтрах, а в случае возникновения такой трещины способствует ее закрытию.

Изобретение предназначено для использования в области гидротехнического строительства, в частности при возведении плотин из местных материалов в суровых климатических условиях. Плотина содержит ядро (1), фильтры (2-5) с верховой и низовой стороны, верховую (6) и низовую (7) боковые призмы, оголовок (8) из фильтрующего непучинистого грунта, водонепроницаемый элемент (9) и водосборную канавку (10). Водонепроницаемый элемент (9) выполнен из рулонных материалов и своей верховой частью, крутонаклоненной в сторону верхнего бьефа, образует в пределах оголовка плотины противофильтрационную диафрагму, а своей низовой частью, пологонаклоненной в сторону нижнего бьефа, образует покрытие гребня ядра (1) и низового фильтра (4). На гребне (13) плотины в фильтрующем оголовке (8) и над верховой частью водонепроницаемого элемента (9) выполнена водосборная канава (10), а поверхность гребня (13) плотины выполнена с уклоном в сторону водосборной канавы (10). По длине канава (10) грунтовыми перегородками (14) разделена на питательные участки, а высота h_o оголовка (8) превышает глубину h_м его сезонного промерзания. Данная конструкция плотины позволяет повысить ее надежность и ремонтопригодность, а также снизить затраты на прогрев оголовка плотины. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Плотина, включающая грунтовый противофильтрационный элемент, выполненный с уклоном поверхности гребня в сторону нижнего бьефа, боковые призмы, оголовок из фильтрующего непучинистого грунта, водонепроницаемый элемент из рулонного материала, покрывающий гребень грунтового противофильтрационного элемента и выведенный в сторону нижнего бьефа за пределы гребня, и водоподающее устройство, обеспечивающее подачу отепляющей воды на водонепроницаемый элемент из рулонного материала, отличающаяся тем, что водонепроницаемый элемент из рулонного материала своей частью, обращенной в сторону верхнего бьефа, выведен выше уровня воды в верхнем бьефе с образованием из этого элемента в оголовке плотины противофильтрационной диафрагмы, наклоненной в сторону верхнего бьефа и сопряженной с грунтовым противофильтрационным элементом, а водоподающее устройство выполнено в виде водосборной канавы, размещенной на гребне плотины в фильтрующем оголовке и над противофильтрационной диафрагмой, при этом поверхность гребня плотины выполнена с уклоном в сторону водосборной канавы. 2. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что в водосборной канаве выполнены перегородки, делящие канаву на участки. 3. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что высота оголовка превышает глубину сезонного промерзания его грунта.