ОГОЛОВОК ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА В ПРИГРЕБНЕВОЙ ЗОНЕ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН ДЛЯ РАЙОНОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК E02B7/06 

Изобретение относится к области гидротехники для обеспечения надежной работы оголовка противофильтрационного устройства и всего грунтового сооружения, возведенного в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Оно может быть использовано как при реконструкции гребня плотины и оголовка противофильтрационного устройства, так и строительстве грунтовых плотин с ядром и экраном.

Известно устройство, взятое за прототип, - диафрагма в пределах противопучинистого оголовка, заделанная в противофильтрационный элемент каменно-земляной плотины (SU 1242566 А2, 07.07.1986).

Недостатком указанного устройства является отсутствие анкерных элементов и способов, обеспечивающих устойчивость диафрагмы, а также совместность работы всей конструкции плотины в районах распространения многолетнемерзлых грунтов на период, соответствующий классу капитальности сооружения.

Наиболее близким к предлагаемому оголовку противофильтрационного устройства по вар. №№ 1, 3 является противофильтрационный элемент в гребне грунтовой плотины, при способе его возведения, согласно патенту RU 2180934 С2, 27.03.2002, который располагается в пределах заданной толщины специально сформированного мерзлого слоя из несвязных грунтов. Связным грунтом в конце морозного и/или в начале безморозного периодов заполняют траншею, разрабатываемую землеройной машиной, на толщину созданного слоя несвязных грунтов, который предварительно увлажняется и замораживается в зимний период.

Принципиальными отличиями предлагаемого оголовка с диафрагмой (пять ее вариантов) являются:

- обязательное заглубление диафрагмы в оголовок противофильтрационного устройства грунтовой плотины;

- для вариантов №№ 2, 4 - обеспечение устойчивости диафрагмы и совместность работы всей плотины достигается применением анкерного устройства;

- для исключения действия сил пучения при промерзании-оттаивании оголовка противофильтрационного устройства диафрагма в вар. № 3 располагается в зоне перелетка (мерзлая зона). При образовании трещин в теле диафрагмы будет происходить их самозалечивание материалом обратного фильтра, расположенного со стороны верхнего бьефа.

Опыт эксплуатации каменно-земляных плотин (Вилюйская ГЭС-1-2, Усть-Хантайская, Колымская и Курейская ГЭС), возведенных в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, показал образование многолетней мерзлоты в оголовке противофильтрационного устройства (выше кривой депрессии) до деятельного слоя (перелеток) в гребне плотины (Пехтин В.А., Серов А.А., Суслопаров В.А. О конструкции гребней каменно-земляных плотин в северной строительно-климатической зоне// Гидротехническое строительство, 2002, № 4. - С.18÷20). Ежегодное весенне-летнее оттаивание перелетка со стороны дневной поверхности и его промерзание в период осенне-зимнего охлаждения приводит к возникновению криогенных процессов в деятельном слое с выпучиванием связного грунта противофильтрационного устройства. Недостатком ранее разработанных конструкций (Пехтин В.А., Серов А.А., Суслопаров В.А. О конструкции гребней каменно-земляных плотин в северной строительно-климатической зоне// Гидротехническое строительство, 2002, № 4 - С.18÷20; Малышев Л.И., Шишов И.Н., Кудрин К.П., Бардюков В.Г. Технические решения и результаты первоочередных работ по сооружению противофильтрационной "стены в грунте" в ядре и основании плотины Курейской ГЭС// Гидротехническое строительство, 2001, № 3. - С.31÷36; Патент RU 2180934 С2/ Ягин В.П., Давыдов И.А., опубл. 27.03.2002) является отсутствие в них противопучинных анкерных устройств, обеспечивающих их совместную работу с противофильтрационным устройством и другими элементами плотины в любых климатических и геокриологических условиях.

Наиболее близка к предлагаемому оголовку конструкция гребня каменно-земляной плотины (подтип фунтовых плотин), противофильтрационное устройство которой усилено диафрагмой ("стена в грунте"), выполненной в виде секущих свай из глинобетона или цементного раствора (Малышев Л.И., Шишов И.Н., Кудрин К.П., Бардюков В.Г. Технические решения и результаты первоочередных работ по сооружению противофильтрационной "стены в грунте" в ядре и основании плотины Курейской ГЭС// Гидротехническое строительство, 2001, № 3. - С.31÷36; Патент RU 2180934 С2/ Ягин В.П., Давыдов И.А., опубл. 27.03.2002). Однако такая конструкция не обеспечивает надежность и безопасность сооружения в районах сурового климата, где сохраняется в летние месяцы перелеток, а по контуру дневной поверхности плотины формируется деятельной слой, при осенне-зимнем промерзании которого в зависимости от типа грунта возникают силы пучения, что способствует развитию деформаций и перемещений внедряемых в оголовок противофильтрационного устройства тел (бетон, дерево, глинобетон, металл, всех типов полиэтиленовые пленки) и нарушению их сплошности, поэтому долгосрочная безопасность такой плотины не гарантируется.

Цель изобретения - конструкция оголовка противофильтрационного устройства и гребня грунтовой плотины с диафрагмой, обеспечивающая совместность работы противофильтрационного устройства со всеми ее элементами, повышающая надежность и безопасность сооружения на весь предусмотренный период его эксплуатации, что достигается:

- увеличением собственного веса (длины) диафрагмы из бетона любой марки по сравнению с силами пучения, а также, при необходимости, армированием арматурой на всю ее высоту;

- устройством анкерной плиты с наростком в нижней части железобетонной диафрагмы;

- использованием диафрагмы из связных грунтов или пленки в гребне плотины с заглублением в оголовок противофильтрационного устройства после предварительного оттаивания грунтов пригребневой зоны;

- нагнетанием непучинистого раствора в предварительно оттаявшие гребень и оголовок противофильтрационного устройства или цементацией с внедрением арматуры, а также использованием в качестве ее самих цементационных "трубок", и устройства цементационной анкерной плиты в оголовке противофильтрационного устройства.

Глубина заделки и геометрические размеры диафрагмы вышеуказанных вариантов определяются расчетом на основании напряженно-деформированного состояния (НДС) температурного и фильтрационного режимов, их конструктивных особенностей, а также инженерно-геологических и геокриологических условий региона.

Предлагаемое устройство может быть использовано при проектировании новых, а также реконструкции и ремонте грунтовых плотин как в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, так и в районах умеренного климата.

Оно позволяет улучшить технологию производства работ, уменьшить затраты на механическую разработку грунтов, а также несколько снизить требования к качеству и составу грунтов, укладываемых в гребне плотины и оголовке противофильтрационного устройства при его реконструкции или ремонтно-восстановительных работах, не уменьшая общей фильтрационной устойчивости сооружения.

Верхняя пригребневая часть грунтовой плотины, которая состоит из верховой 2, низовой 6 призм, противофильтрационного элемента - ядра 7, обратных фильтров 3, теплозащитного слоя 4, дорожного покрытия 5 и железобетонной диафрагмы 9 (вар. №1) с армированием 10, обеспечивающим ее устойчивость при действии сил пучения, возникающих при промерзании связного грунта оголовка противофильтрационного устройства, показана на фиг.1.

Максимальная величина силы пучения (W_п), действующей на один погонный метр длины диафрагмы вдоль плотины, при промерзании деятельного слоя, в общем случае, определяется как (см. фиг.1):

где Р_бок(у) - сумма длин боковых поверхностей диафрагмы, соприкасающихся с грунтом противофильтрационного устройства на один погонный метр вдоль плотины;

τ_см(G, t, y) - предельно допустимое сопротивление мерзлых грунтов в деятельном слое по координате у в зависимости от степени водонасыщения (G), температуры (t, °С), кгс/м²;

h_dc - максимальная величина деятельного слоя в гребне плотины, м;

P_гр - плотность материала диафрагмы, кг/м³;

F_с(y) - площадь поперечного сечения диафрагмы, м².

Зависимость (1) позволяет сформулировать условие равновесия диафрагмы, установленной в гребне грунтовых плотин. Предположим, что силы пучения равны удерживающим силам ниже деятельного слоя. Не конкретизируя величину этих сил, условие равновесия диафрагмы в данном случае можно определить как:

где W_рас - сила растяжения диафрагмы в поперечном ее сечении при y=h_dc, кгс;

- нормативно допустимое растягивающее напряжение материала диафрагмы, кгс/м²;

F_c(y=h_dc) - площадь поперечного сечения диафрагмы при y=h_dc, м².

Используя зависимость (2), с учетом знака силы τ_см(G, t, y), которая всегда направлена к дневной поверхности плотины, т.е. имеет знак "-", устойчивость диафрагмы в теле оголовка противофильтрационного устройства определяется следующими условиями:

1. W_рас≥0 - диафрагма устойчива, данная конструкция обеспечивает ее надежную работу в период эксплуатации. Длина диафрагмы определяется функциональной пригодностью из условия фильтрационной устойчивости пригребневой зоны плотины;

2. W_рас<0 - в поперечном сечении диафрагмы на глубине y=h_dc возникает сила растяжения, которая может компенсироваться при данной конструкции только увеличением площади поперечного сечения диафрагмы, что не всегда экономически оправдано, поэтому диафрагму следует армировать, площадь поперечного сечения арматуры (F_ap) определяется по формуле:

где W_рас - максимальная сила растяжения диафрагмы за счет пучения в грунтах оголовка противофильтрационного устройства, кгс;

- допустимое растягивающее напряжение в арматуре, кгс/см²;

F_ap - необходимая площадь поперечного сечения арматуры, см².

Армирование диафрагмы исключает образование в ней поперечных трещин и гарантирует ее функциональную надежность, но не обеспечивает устойчивого положения в теле плотины. Необходимая ее длина для данной конструкции определяется по зависимости:

где L - длина диафрагмы, м; остальные обозначения аналогичны указанным выше. Например, при F_c(y)=F_c·const

Величина L должна удовлетворять также условиям фильтрационной устойчивости, она определяется по зависимости (14), приведенной в источнике [8]. Толщина диафрагмы (δ, м) определяется с учетом напряженного состояния и минимизации экономических затрат.

Если полученная длина (L) такой диафрагмы и ее устройство не удовлетворяют по экономическим затратам, то целесообразно применить железобетонную диафрагму с анкерной плитой 10 и наростком 11, заглубленными в оголовок противофильтрационного устройства для обеспечения ее устойчивости против действия сил пучения, фиг.2. Элементы 1-8 аналогичны приведенным на фиг.1.

Толщина диафрагмы 9, ее длина (h_об), ширина плиты В', высота наростка (h_н) определяются расчетом из условия фильтрационной и статической устойчивости всей конструкции. Преимущество этой диафрагмы - возможность ее изготовления в заводских условиях и монтажа на гребне плотины - в специально пройденной согласно проекту траншее.

Существенным недостатком данной конструкции является необходимость полного демонтажа пригребневой зоны оголовка грунтовых плотин, что может привести к резкому увеличению стоимости строительно-монтажных работ.

Альтернативная конструкция гребня плотины - с диафрагмой из связных грунтов 9 в теплозащитном слое 4 и оголовке противофильтрационного устройства 7, фиг.3. Элементы 1÷8 аналогичны приведенным выше (фиг.1, 2).

В связи с тем что связный грунт подвержен ежегодному морозному пучению, которое необходимо исключить устройством тепло- и гидроизоляционного слоя 10 шириной δ'≥δ+2h_ст, а толщиной (h_из) равной:

где δ - толщина диафрагмы, м;

h_ст - мощность сезонно-талого слоя грунта шпунта (диафрагмы) на открытой местности м;

λ_ст - коэффициент теплопроводности грунта шпунта (диафрагмы), Дж/(м·час·К);

λ_из - коэффициент теплопроводности теплоизолирующего слоя, Дж/(м·час·К).

Гидроизоляция сохраняет гигроскопичность теплоизолирующего слоя 10, толщина определяется по формуле (6). Гидроизоляция прикрывается слоем песчано-гравийной смеси до отметки низа дорожного покрытия.

Основным преимуществом фунтовой диафрагмы является возможность самозалечивания возникающих в ней трещин материалом обратных фильтров 4 при ее оттаивании и возникновении усиленной фильтрации. Поэтому диафрагма из связных грунтов со стороны верхнего и нижнего бьефов должна быть защищена обратными фильтрами 4, одновременно обладающими и теплозащитными свойствами.

Предлагаемая конструкция отличается от наиболее близкой по патенту (RU 2180934 С2) тем, что шпунт из связных грунтов должен располагаться только в пределах перелетка, т.е. ниже деятельного слоя, с заглублением в оголовок противофильтрационного устройства плотины. Предпочтительное ее расположение - в сторону нижнего бьефа от оси противофильтрационного устройства.

На фиг.4 показана пригребневая часть грунтовой плотины с устройством диафрагмы 9 (вар. № 4) путем цементации грунта оголовка вдоль плотины с шагом (S) между скважинами на определяемую глубину (h_об), где в качестве арматуры оставляется цементационная скважина 10, при расчете эквивалентной площади поперечного сечения которой необходимо учитывать ее уменьшение за счет устройства щелей (отверстий) для проведения цементации. В случае необходимости для повышения устойчивости такой диафрагмы следует предусмотреть в нижней ее части цементационную "анкерную плиту" 11. Устройство цементационной диафрагмы выполняется после предварительного оттаивания перелетка и может быть доведено до отметки поверхности гребня плотины.

Верхняя отметка диафрагмы (фиг.1-4) должна быть равна (▿ФПУ+α), где α - величина запаса, определяемая СНиП-2-06-05-84, или больше - при дополнительном обосновании.

Источники информации

1. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов. - М.: Госстрой, 1985, 31 с.

2. Бардюков В.Г., Изотов В.Н., Гришин В.А., Радченко В.Г., Шишов И.Н. Ремонт плотины Курейской ГЭС// Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, том 238, 2000. Надежность гидротехнических сооружений. - С.92÷96.

3. Патент SU № 1242566. Каменно-земляная плотина/ Мухетдинов Н.А., Зальцман О.М., Бережнев С.И., опубл. 07.07.1986 г.

4. Пехтин В.А., Серов А.А., Суслопаров В.А. О конструкции гребней каменно-земляных плотин в северной строительно-климатической зоне// Гидротехническое строительство, 2002, № 4. - С.18÷20.

5. Малышев Л.И., Шишов И.Н., Кудрин К.П., Бардюков В.Г. Технические решения и результаты первоочередных работ по сооружению противофильтрационной "стены в грунте" в ядре и основании плотины Курейской ГЭС// Гидротехническое строительство, 2001, № 3. - С.31÷36.

6. Патент RU 2180934 С2/ Ягин В.П., Давыдов И.А., опубл. 27.03.2002 г.

7. Ягин В.П., Давыдов И.А. Оголовок грунтовой плотины, возводимой в северной строительно-климатической зоне// Гидротехническое строительство, 2002, №4. - С.18÷20.

8. Мухетдинов Н.А., Кузьмина С.А. Фильтрационный расчет проницаемого оголовка каменно-земляных плотин, возводимых в районах Крайнего Севера// Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, т.209. Фильтрационные исследования и расчеты. - С.20÷27.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Оголовок включает диафрагму, заделанную в противофильтрационный элемент в пределах пригребневой зоны. Диафрагма выполнена из бетона и армирована арматурой на всю высоту, а также в нижней части диафрагма снабжена анкерной плитой с наростком длиной не менее 0,5 м, жестко прикрепленным к нижней поверхности плиты. Диафрагма создана путем нагнетания непучинистого раствора в предварительно оттаявшую пригребневую зону и оголовок противофильтрационного элемента. Диафрагма в пригребневой зоне плотины и оголовке противофильтрационного элемента выполнена в виде шпунта из связных грунтов, который внедрен в предварительно оттаявшие пригребневую зону и не менее чем на 0,5 м в оголовок противофильтрационного элемента, причем диафрагма прикрыта теплозащитным слоем. Диафрагма в пригребневой зоне плотины и оголовке противофильтрационного элемента создана путем их цементации, причем в качестве арматуры использованы цементационные трубки в цементационных скважинах, а в нижней части диафрагмы выполнена цементационная анкерная плита. Изобретение повышает надежность сооружения, снижает экономические затраты. 4 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Оголовок противофильтрационного элемента в пригребневой зоне грунтовых плотин для районов распространения многолетнемерзлых грунтов, включающий диафрагму, заделанную в противофильтрационный элемент в пределах пригребневой зоны, отличающийся тем, что диафрагма выполнена из бетона и армирована арматурой на всю высоту, а также в нижней части диафрагма снабжена анкерной плитой с наростком длиной не менее 0,5 м, жестко прикрепленным к нижней поверхности плиты.2. Оголовок противофильтрационного элемента в пригребневой зоне грунтовых плотин для районов распространения многолетнемерзлых грунтов, включающий диафрагму, заделанную в противофильтрационный элемент в пределах пригребневой зоны, отличающийся тем, что диафрагма создана путем нагнетания непучинистого раствора в предварительно оттаявшую пригребневую зону и оголовок противофильтрационного элемента.3. Оголовок противофильтрационного элемента в пригребневой зоне грунтовых плотин для районов распространения многолетнемерзлых грунтов, включающий диафрагму, заделанную в противофильтрационный элемент в пределах пригребневой зоны, отличающийся тем, что диафрагма в пригребневой зоне плотины и оголовке противофильтрационного элемента выполнена в виде шпунта из связных грунтов, который внедрен в предварительно оттаявшие пригребневую зону и не менее чем на 0,5 м в оголовок противофильтрационного элемента, причем диафрагма прикрыта теплозащитным слоем.4. Оголовок противофильтрационного элемента в пригребневой зоне грунтовых плотин для районов распространения многолетнемерзлых грунтов, включающий диафрагму, заделанную в противофильтрационный элемент в пределах пригребневой зоны, отличающийся тем, что диафрагма в пригребневой зоне плотины и оголовке противофильтрационного элемента создана путем их цементации, причем в качестве арматуры использованы цементационные трубки в цементационных скважинах, а в нижней части диафрагмы выполнена цементационная анкерная плита.