ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА Российский патент 2003 года по МПК E02B7/06 

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

Недостатком такой плотины является то, что при ее эксплуатации в районе с отрицательной среднегодовой температурой воздуха, даже если толщина защитного слоя превышает глубину сезонного промерзания, в верхней части ядра со временем может возникнуть и развиваться многолетняя мерзлота, что снижает надежность плотины.

Известна грунтовая плотина, включающая противофильтрационное ядро, боковые призмы, оголовок из непучинистого грунта и устройство для обогрева верхней части ядра, выполненного в виде электропроводящего слоя с электродами, соединенными с источником электрического тока (Авторское свидетельство СССР 1618823, кл. Е 02 В 7/06, опубл. 07.01.91).

Недостатками такой плотины являются сложности при ведении наблюдений за всесторонним состоянием верхней части ядра и при обеспечении равномерности ее температурного режима по длине плотины, что обуславливает недостаточную надежность плотины и перерасход электрической энергии. Дополнительно, как оголовок такой плотины, так и ее обогревающее устройство, имеют низкую ремонтопригодность.

Известна грунтовая плотина, включающая противофильтрационное ядро, боковые призмы, оголовок из непучинистого материала и водонепроницаемый элемент из рулонного материала, одна половина которого образует в поперечном сечении оголовка наклонную диафрагму, принимающую на себя фильтрующую из канавы отепляющую воду, а другая - покрытие гребня ядра, отводящего эту воду в боковую призму (Патент России 2123556, кл. Е 02 В 7/06, опубл. 20.12.98).

Недостатки такой плотины аналогичны недостаткам ранее описанной: сложности при ведении наблюдений за всесторонним состоянием верхней части ядра и при обеспечении равномерности ее температурного режима, а также низкая ремонтопригодность оголовка и обогревающего устройства.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является грунтовая плотина, включающая противофильтрационное ядро, боковые призмы, оголовок, вмещающий выполненную из секционных железобетонных элементов галерею, боковые стенки которой в верхней части сопряжены с ее перекрытием, а в нижней части снабжены выносными опорами, между которыми в галерее размещен участок свободной поверхности гребня ядра (Авторское свидетельство СССР 977558, кл. Е 02 В 7/06, опубл. 30.11.82).

Недостатками этой плотины являются недостаточная надежность в случае ее эксплуатации в суровых климатических условиях и в случае превышения уровнем воды перед плотиной гребня ядра, низкая ремонтопригодность и высокие затраты на обеспечение строительной высоты плотины и/или на реконструкцию ее оголовка в процессе эксплуатации.

Действительно, наличие галереи внутри оголовка плотины не защищает верхнюю часть ядра от промерзания, вследствие чего под мерзлым "перекрытием" в талом ядре происходит опасное разуплотнение грунта. Одновременно из условия пучения промерзающий оголовок не может быть выполнен из слабопроницаемого грунта, поэтому гребень ядра должен быть всегда выше максимального форсированного уровня, что ведет к завышению отметки гребня плотины, а следовательно, и к увеличению затрат на создание плотины. При этом низкая точность определения конечной величины осадки плотины, влияющей на строительную высоту плотины и ее ядра, может при эксплуатации плотины привести к необходимости проведения высокозатратных восстановительно-усилительных работ вплоть до реконструкции оголовка плотины с его разборкой. Дополнительно, плотина не допускает даже малейшего перелива воды через гребень вследствие быстрого снижения отметки размываемого гребня (сток превысил расчетный, недостаточная предпаводковая сработка водохранилища, несвоевременное открытие затворов, волна прорыва, ополозень в водохранилище и т.д.). Так, для грунтовых плотин перелив воды через гребень плотины привел к разрушению 31% плотин из числа подвергшихся разрушению (Семенов А.Н. - 68- Исполком и 20-й Конгресс Международной комиссии по большим плотинам. // Гидротехническое строительство, 2001, 4).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности плотины и экономия средств при ее эксплуатации в суровых климатических условиях, а также в случае превышения уровнем воды перед плотиной расчетного, включая перелив воды через гребень плотины в каких-либо особых условиях. Технический же результат от использования изобретения заключается в:
- создании надежно контролируемого обогрева верхней части ядра при малых теплопотерях;
- предотвращении фильтрации через оголовок плотины, выполненный из высокопроницаемого грунта, при форсировке уровня воды перед плотиной;
- возможности ремонта верхней части ядра, включая устранение зависания ее на фильтрах и реконструкцию оголовка с подъемом гребня ядра и гребня плотины без существенной разборки оголовка и с сохранением обогореваемости верхней части ядра;
- повышении неразмываемости плотины в случае кратковременного перелива воды через ее гребень.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что грунтовая плотина, включающая противофильтрационное ядро, боковые призмы, оголовок, вмещающий выполненную из секционных железобетонных элементов галерею, боковые стенки которой в верхней части сопряжены с ее перекрытием, а в нижней части снабжены выносными опорами, между которыми в галерее размещен участок свободной поверхности гребня ядра, согласно изобретению плотина снабжена отопительным устройством, обеспечивающим обогрев полости галереи, а ее оголовок выполнен из непучинистого материала, при этом боковые стенки галереи, обращенные в сторону верхнего и нижнего бьефа, выполнены с герметизацией межсекционных швов и со сглаженными углами между их внутренней поверхностью и подошвой каждой выносной опоры, а участок свободной поверхности гребня ядра расположен выше подошв выносных опор. Верхняя часть боковой стенки галереи, обращенной в сторону верхнего бьефа, возвышается над перекрытием галереи. Целесообразно перекрытие галереи выполнять из элементов, сопряженных с боковыми стенками галереи и между собою с возможностью их отсоединения, а галерею снабжать теплоизоляционным покрытием. В случае размещения при плотине электрической станции отопительное устройство выполнено в виде водяной трубы, размещенной в галерее с возможностью подачи по ней теплой воды из системы охлаждения оборудования электростанции и/или в виде воздухонагнетательной установки с возможностью подач и в галерею воздуха из системы вентиляции здания электростанции. Межсекционные швы галереи герметизированы армированными асфальтовыми матами, покрывающими эти швы в стенке галереи со стороны верхнего бьефа. Оголовок со стороны верхнего бьефа от галереи выполнен из мелкозернистого грунта, а со стороны нижнего бьефа - из крупнозернистого грунта. Дополнительно, верхняя часть боковой стенки галереи выполнена на уровне грунтового гребня плотины или возвышается над ним.

Отличительными признаками предлагаемой грунтовой плотины от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются снабжение галереи отопительным устройством, герметизация межсекционных швов галереи, сглаживание ее углов, расположение свободной поверхности гребня ядра выше подошв выносных опор на заданную величину и выполнение оголовка из непучинистого материала.

Благодаря наличию этих признаков предотвращается промерзание верхней части ядра при эксплуатации плотины в суровых климатических условиях, а также предотвращается фильтрация воды через оголовок плотины при форсировке уровня воды выше гребня ядра.

Другие же ранее указанные отличительные признаки усиливают этот результат и дополнительно облегчают ремонт верхней части ядра и реконструкцию оголовка, а также до определенного уровня предотвращают размыв плотины при переливе воды через ее гребень.

Предлагаемая грунтовая плотина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.

На фиг.1 показан поперечный разрез плотины.

На фиг.2 - разрез по А-А.

Плотина содержит противофильтрационное ядро 1, фильтры 2 и 3 с верхней стороны, фильтры 4 и 5 с низовой стороны, верховую 6 и низовую 7 боковые призмы из каменной наброски, оголовок 8 из фильтрующего непучинистого грунта и выполненную из железобетона галерею 9, размещенную в оголовке 8 и вдоль него и с разрезкой по длине на секции 10 посредством межсекционных швов 11. Боковые стенки - верховая 12 и низовая 13 галереи 9 в верхних частях сопряжены с элементами 14 перекрытия 15 с возможностью их рассоединения, а в нижней части они снабжены выносными опорами - соответственно верховой 16 и низовой 17, между которыми в галерее 9 размещен участок свободной поверхности 18 ядра 1. Этот участок 18 расположен выше подошв опор 16 и 17 обычно на величину а= 0,4-0,6 метра, которая зависит от ожидаемого форсированного уровня ФУ воды перед плотиной и в процессе эксплуатации может быть увеличена. Галерея 9 снабжена нагревательным устройством в виде водяной трубы 19 и теплоизоляционным покрытием 20, ее межсекционные швы 11 герметизированы посредством армированных асфальтовых матов 21 (фиг.2), покрывающих эти швы 11 в боковых стенках 12 и 13 и в их выносных опорах 16 и 17 галереи 9 со стороны верхнего бьефа, а углы между боковыми стенками 12 и 13 и подошвами соответствующих им выносных опор 16 и 17 сглажены путем выполнения срезов 22.

Верховая боковая стенка 12 галереи 9 возвышается над перекрытием 15 галереи 9 и выполнена преимущественно из монолитного бетона с дополнительной герметизацией межсекционных швов 11 металлическими шпонками 23. Верхняя часть 24 боковой стенки 12 может быть выведена на уровень грунтового гребня 25 плотины или возвышаться над ним. В этом случае оголовок 8 со стороны верхнего бьефа от стенки 12 целесообразно выполнить из мелкозернистого грунта 26, а со стороны нижнего бьефа - из крупнозернистого 27.

Отопительное устройство галереи 9 может быть выполнено в виде электрокалориферов (не показаны), а в случае размещения при плотине электрической станции (ГЭС, ТЭС, АЭС) в водяную трубу 19 подается теплая вода из системы охлаждения оборудования электростанции и/или воздухонагревательной установкой (не показана) в галерею 9 подается теплый воздух из системы вентиляции здания электростанции.

Галерея 9 выполнена по всей длине плотины и снабжена верхними 28 и боковыми 29 люками последние размещены у торцов галереи. В нижней части галереи 9 установлены распорные элементы 30.

Плотина работает следующим образом.

При эксплуатации плотины в холодное время года по водяной трубе 19 подают теплую воду, в результате чего в полости галереи 9 круглогодично поддерживается положительная температура, чем и предотвращается промерзание верхней части ядра 1, состояние которого контролируют как визуально, так и с применением измерительных приборов.

В начальный период эксплуатации плотина имеет значительное в 1-2 метра превышение отметки гребня ядра 18 над нормальным подпорным уровнем НПУ, весь напор при котором воспринимается ядром 1, а при более высоком форсированнном уровне ФУ включается в работу противофильтрационная диафрагма-галерея 9, боковые стенки 12 и 13 которой выполнены водонепроницаемыми - межсекционные швы 11 герметизированы. Выявленные в период форсировки уровня протечки в диафрагме-галерее 9 устраняют преимущественно путем втрамбовывания в местах срезов 22 под выносные опоры 16 и 17 дополнительного связанного грунта, подаваемого в галерею 9 через люки 28 и 29.

В последующем вследствие осадки плотины гребень 18 ядра 1 вместе с галереей 9 может недопустимо понизиться, например до НПУ и ниже. В этом случае в полости галереи 9 убирают распорные элементы 30 и осуществляют наращивание ядра 1 до нового уровня, уменьшая высоту полости галереи, но сохраняя отопительное устройство - водяную трубу 19.

В крайнем случае, особенно если будет принято решение о подъеме НПУ на 1-2 метра, перекрытие 15 вскрывают, элементы 14 снимают и осуществляют между боковыми стенами 12 и 13 галереи 9 довозведение ядра 1 до нового заданного положения ее гребня 18. Целесообразно при этом уплотнение грунта ядра 1 осуществлять трамбованием, обеспечивающим устранение сформировавшегося зависания верхней части ядра 1 на фильтрах 2 и 4 на глубину 10 и более метров - граница 31. После этого наращивают низовую боковую стенку 13, на новом высотном уровне выполняют перекрытие 15, довозводят плотину до нового положения ее гребня и восстанавливают отопительное устройство галереи.

В процессе длительной эксплуатации плотины временное заполнение при форсировке водою полости галереи 9 не является катастрофическим, а возникшие повреждения выявляют и после спада уровня воды устраняют. Плотина может не утратить работоспособность даже при кратковременном переливе воды через ее гребень, поскольку ее переливной порог 32 (гребень боковой стенки 12) во время перелива сохраняет неизменным свое высотное положение вплоть до потери устойчивости самой галереи 9, присыпанной сверху и со стороны нижнего бьефа крупнозернистым грунтом 27, устойчивым против размыва.

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано при возведении плотин из местных материалов в суровых климатических условиях, а также при реконструкции оголовков таких плотин. Сущность изобретения: выполненная в непучинистом оголовке плотины и вдоль его по особым правилам из секционных железобетонных элементов галерея размещена на гребне противофильтрационного ядра с образованием на нем участка свободной поверхности, расположенного выше подошв выносных опор боковых стенок галереи на заданную высоту. Межсекционные швы в стенках галереи герметизированы, углы между внутренними поверхностями стенок и подошвами их выносных опор сглажены, а верх боковой стенки, обращенной в сторону верхнего бьефа, возвышается над разборным перекрытием. Галерея снабжена нагревательным устройством и теплоизоляционным покрытием. Перекрытие галереи выполнено из элементов, сопряженных с боковыми стенками и между собой с возможностью отсоединения. Изобретение обеспечивает возможность надежной работы грунтовой плотины в условиях вечной мерзлоты даже при переливе воды через гребень плотины. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Грунтовая плотина, включающая противофильтрационное ядро, боковые призмы, оголовок, вмещающий выполненную из секционных железобетонных элементов галерею, боковые стенки которой в верхней части сопряжены с ее перекрытием, а в нижней части снабжены выносными опорами, между которыми в галерее размещен участок свободной поверхности гребня ядра, отличающаяся тем, что она снабжена отопительным устройством, обеспечивающим обогрев полости галереи, а ее оголовок выполнен из непучинистого материала, при этом боковые стенки галереи, обращенные в сторону верхнего и нижнего бьефов, выполнены с герметизацией межсекционных швов и со сглаженными углами между их внутренней поверхностью и подошвой каждой выносной опоры, а участок свободной поверхности гребня ядра расположен выше подошв выносных опор. 2. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть боковой стенки галереи, обращенной в сторону верхнего бьефа, возвышается над перекрытием галереи. 3. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что перекрытие галереи выполнено из элементов, сопряженных с боковыми стенками галереи и между собою с возможностью их отсоединения. 4. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что галерея снабжена теплоизоляционным покрытием. 5. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что в случае размещения при плотине электростанции отопительное устройство выполнено в виде водяной трубы, размещенной в галерее с возможностью подачи по ней теплой воды из системы охлаждения оборудования электростанции и/или в виде воздухонагнетательной установки с возможностью подачи в галерею воздуха из системы вентиляции здания электростанции. 6. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что межсекционные швы галереи герметизированы армированными асфальтовыми матами, покрывающими эти швы в стенке галереи со стороны верхнего бьефа. 7. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что оголовок со стороны верхнего бьефа от галереи выполнен из мелкозернистого грунта, а со стороны нижнего бьефа - из крупнозернистого грунта. 8. Грунтовая плотина по п.2, отличающаяся тем, что верхняя часть боковой стенки галереи выполнена на уровне грунтового гребня плотины или возвышается над ним.