ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 2007 года по МПК E02B7/06 

Предлагаемое изобретение относится к области гидротехнического строительства в северной строительно-климатической зоне, в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием гидротехнических сооружений. Оно может быть использовано при проектировании и строительстве низких, реже средних, сейсмостойких плотин на многолетнемерзлых основаниях, в том числе на сильнольдистых нескальных (дисперсных), при отсутствии карьеров качественных глинистых грунтов и в условиях короткого дождливого лета.

Все грунтовые плотины, построенные и строящиеся в условиях Крайнего Севера, обычно делят на две группы: плотины с мерзлотной завесой (их часто называют мерзлыми или нефильтрующими - принцип строительства 1); плотины без мерзлотной завесы (их называют талыми или фильтрующими - принцип строительства 2).

В России на Крайнем Севере в составе гидроузлов ГЭС построен ряд талых плотин 1 и 2 классов: Вилюйская ГЭС, Вилюйская ГЭС 3, Хантайская, Курейская, Колымская и Усть-Среднеканская (строится). Каждая из этих плотин перегораживает высокорасходный водоток, ее русловая часть, по меньшей мере, возведена на коренных скальных породах, оттаивание которых не ведет к дополнительным осадкам и существенному повышению фильтрационного расхода, при этом русловой талик перекрывают цементационной завесой. Проектирование этих плотин осуществлено на основании качественных и всесторонних изысканий, а их возведение, контроль и эксплуатация осуществляются высококвалифицированными специалистами специализированных строительных организаций. Плотины эксплуатируются безаварийно.

Иначе обстоят дела с плотинами 3 и 4 классов, построенных мерзлыми. По данным источника [1], к концу XX века в криолитозоне (то же: зона многолетнемерзлых пород) России построено свыше 800 низконапорных гидроузлов, в том числе более 400 в Якутии. Все они в той или иной мере подвержены деформациям. Анализ работы гидроузлов промышленного водоснабжения свидетельствует о том, что более 40% отказов произошло из-за нарушения температурного режима сооружений. Причем в первые три года эксплуатации произошло до 53% отказов, между тремя и пятью годами - 31%, остальные - в последующие годы. До 90% низконапорных гидроузлов мелиоративного назначения в Якутии по выше указанной причине разрушаются в первый год эксплуатации. Согласно же нормативному требованию [2], вероятность возникновения аварии на гидротехническом сооружении 3 класса в течение 1 года не должна превышать величину 0,003 (то же: 0,3%). Таким образом, надежность мерзлых плотин, построенных в России, в десятки раз ниже нормативной. Несмотря на то, что общепризнанным считается строительство мерзлых плотин дешевле, чем талых, массовость разрушений мерзлых плотин приводит в целом к обратному экономическому результату.

Основной причиной, приводящей к аварии на мерзлой плотине, является нарушение цельности мерзлотной завесы в теле плотины и в ее сопряжении с многолетнемерзлым основанием. Это происходит, прежде всего, из-за низкой надежности замораживающих устройств, а именно:

а) недоброкачественность замораживающих труб и их соединений приводит к разрывам и утечкам хладоносителя из замораживающих колонок, что является причиной перевода мерзлого грунта при отрицательных температурах в талый и препятствует в дальнейшем обратному замораживанию грунта;

б) образование ледяных пробок в трубах замораживающих колонок при воздушном замораживании грунта является причиной выхода из строя колонок.

Дополнительно, при сильном землетрясении мерзлая плотина по длине, особенно на границах с русловым таликом, может быть повреждена водопроводящими поперечными трещинами.

Все это способствует укоренению мнения о непреодолимости трудностей на пути практического достижения надлежащей надежности мерзлых плотин посредством известных и экономически приемлемых технических решений.

Известна грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, тело которой содержит центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и льдогрунтовую мерзлотную завесу в центральной части плотины и в ее основании, выполненную посредством замораживающих колонок и образующей льдогрунтовый противофильтрационный элемент [3].

Недостатком известной плотины является ее недостаточная надежность и недостаточная долговечность. При этом ледогрунтовую мерзлотную завесу обычно создают до подъема уровня воды перед плотиной, а ее выполнение связано или с использованием в центральной части плотины качественного глинистого грунта или со сложными работами при отрицательных температурах наружного воздуха по послойному замораживанию в водонасыщенном состоянии иного мелкозернистого грунта [4].

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известной грунтовой плотины, является то, что создаваемая льдогрунтовая мерзлотная завеса является единственным и по ранее указанным причинам недостаточно надежным противофильтрационным устройством в теле плотины и в ее основании.

Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, является повышение надежности и долговечности плотины, снижение требований к качеству грунтов, укладываемых в центральную часть тела плотины, и к грунтам ее основания. Техническим же результатом при осуществлении изобретения является высокая степень надежности предотвращения гидравлической связи верхнего бьефа плотины с ее нижним бьефом как через тело плотины, так и через ее основание.

Указанный технический результат достигается тем, что грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании содержит центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму, которая расположена в центральной части плотины и выполнена вертикальной по всей высоте центральной части из секущихся (то же: пересекающихся) буронабивных свай, заглубленных в основание на заданную величину. С низовой стороны (то же: со стороны нижнего бьефа) к диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме. Буронабивные сваи выполнены из пластичного глинобетона, а подошва каждой замораживающей колонки помещена ниже подошвы, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай. Противофильтрационная диафрагма с верховой стороны (то же: со стороны верхнего бьефа) покрыта консистентным слоем, который создан из заинъектированного глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме, а с низовой стороны противофильтрационная диафрагма покрыта грунтобетонным слоем, который создан из заинъектированного цементно-глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме (далее сокращенно: диафрагма).

Из ранее изложенного следует, что надежность построенных плотин, содержащих противофильтрационный элемент только в виде льдогрунтовой мерзлотной завесы, недостаточна и не отвечает нормативным требованиям. Включение в тело плотины и в ее многолетнемерзлое основание в качестве противофильтрационного элемента только диафрагмы из секущихся буронабивных свай, также не обеспечивает достаточную надежность плотины. Тело диафрагмы, по данным ООО "Гидроспецпроекта" может иметь коэффициент фильтрации около 0,005 м/сутки (то же: 6×10^-6 см/сек). Так, после проведения ремонтных работ на аномальном участке талой плотины Курейской ГЭС путем выполнения с гребня плотины диафрагмы высотой до 35 метров секущимися буронабивными сваями диаметром 1,2 метра, фильтрация на этом участке уменьшилась в 3 раза, но полностью не была исключена. Поэтому профильтровавшая через диафрагму в ограниченном количестве вода, хотя и медленно и в тонком слое, все же образует оттаивание грунтов низовой призмы и ее основания. В результате этого диафрагма по длине плотины утрачивает скрепление с мерзлыми грунтами низовой призмы и основания. При деформировании грунтов в верховой призме и оттаявших сильнольдистых грунтов в основании под ней, диафрагма непредсказуемо деформирует с нарушением своей цельности. Дополнительно, при выполнении диафрагмы могут произойти расхождения буронабивных свай. В этих местах может образоваться сосредоточенная фильтрация, которая может привести к суффозии грунтов и нарушению температурного состояния в теле плотины и в ее основании.

Высокая надежность мерзлой плотины может быть обеспечена только при совместной работе диафрагмы, льдогрунтовой мерзлотной завесы, мерзлой низовой призмы и их мерзлого основания, когда они все смерзанием объединены в единую водонепроницаемую конструкцию. Устойчивость и водонепроницаемость такой конструкции не зависят ни от температурного состояния верховой призмы и ее основания, ни от происходящих в них деформаций. Такое состояние мерзлой плотины создает новый технический результат, превышающий простую сумму отдельно взятых результатов от льдогрунтовой мерзлотной завесы и от диафрагмы и для мерзлых плотин и не известный из уровня техники.

Этот новый технический результат позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию "изобретательский уровень".

Новым является также то, что диафрагма с верховой стороны покрыта консистентным слоем, а с низовой стороны - грунтобетонным слоем.

Осуществление изобретения показывается на двух примерах. Чертежами поясняется только пример 1, а именно: на фиг.1 показан поперечный разрез грунтовой плотины, все элементы которой, кроме льдогрунтовой мерзлотной завесы, выполнены в течение одного зимне-летнего периода; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, горизонтальный разрез центральной части плотины; на фиг.3 - вид А, сверху на гребень плотины при выполнении диафрагмы.

Пример 1. Грунтовая плотина возводится на многолетнемерзлом основании в суровых климатических условиях при отсутствии разведанных карьеров качественных глинистых грунтов и коротком дождливом лете. Грунты основания характеризуются дисперсностью на большую глубину при чрезвычайной пестроте литологии и сильной льдистостью и просадочностью при оттаивании. Обычно это пылеватые льдистые суглинки 1 с включением песчаных линз и прослоек и обломков коренных пород у их поверхности 2.

Плотина включает центральную часть 3, выполненную от основания 1 до ее гребня 4 из мелкозернистого грунта, и боковые призмы: верховую 5 из гравелистого песка и низовую 6 из каменной наброски. Между центральной частью 3 и низовой призмой 6 помещена переходная зона из гравийно-галечникового грунта. В центральной части 3 плотины вертикально и по всей высоте центральной части расположена диафрагма 8 (стена в грунте), которая выполнена из секущихся буронабивных свай 9 (фиг.2), заглубленных в основание до поверхности 2 коренных пород. С низовой стороны к диафрагме 8 примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса (искусственно промороженный грунт) 10, которая выполнена посредством замораживающих колонок (термосифонов) 11 и смерзанием присоединена к диафрагме 8. Замораживающие колонки 11 установлены в один ряд по оси 12 на заданном расстоянии "а" от оси 13 диафрагмы 8. При необходимости замораживающие колонки 11 могут быть установлены в 2 ряда (второй ряд не показан).

В центральной части 3 плотины в качестве мелкозернистого грунта использованы глинистые, песчаные, песчано-гравийные и другие грунты, имеющиеся на площадке строительства. Буронабивные сваи 9 выполнены из пластичного глинобетона, а подошва 14 каждой замораживающей колонки 11 помещена ниже на заданную величину "b" подошвы 15, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай 9. Диафрагма 8 с ее верховой стороны покрыта консистентным слоем 16, который создан из заинъектированного из скважин 17 глинистым раствором (бентонитовым, буровым и другим) мелкозернистого грунта, прилегающего к диафрагме 8. С низовой стороны диафрагма 8 покрыта грунтобетонным слоем 18, который создан из заинъектированного из скважин 19 цементно-глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к диафрагме 8.

В русловой части плотины, на участке естественного талика (не показан), диафрагма 8 или перекрывает талик на всю его глубину, или, в зависимости от возможностей применяемого бурового оборудования, она выполняется "висячей". В последнем случае талик пересекается замораживающими колонками 11, которые на участке талика целесообразно выполнить в два ряда.

На чертежах обозначены и другие элементы плотины и устройства, необходимые для ее возведения, а именно:

20 - естественная поверхность земли;

21 - слой грунта;

22 - буровой агрегат;

23 - дорожные плиты;

24 - шаблонные плиты;

25 - экран;

26 - понур;

27 - слой камня;

28 - расчетное конечное положение нулевой изотермы.

Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании возводится следующим образом.

В зимнее время после подготовки основания 1 путем снятия растительного слоя с естественной поверхности земли 20 осуществляют послойную укладку грунтов во все грунтовые элементы плотины. В центральную часть 3 укладывают увлажненный, обычно суглинистый, грунт слоями 21, толщина и интенсивность укладки которых обеспечивают их неполное промораживание естественным холодом. Эти технологические параметры укладки грунта задают из расчета получения, после выравнивания в слоях 21 температур, пластично-мерзлого грунта. Такой грунт не создает трудностей при бурении в будущем скважин под набивные сваи 9, но предотвращает не продуктивное растекание инъекционных растворов.

В летнее время с гребня 4 плотины в ее центральной части 3 выполняют работы по устройству диафрагмы 8, созданию на ее боковых поверхностях консистентного слоя 16 и грунтобетонного слоя 18 и осуществляют установку замораживающих колонок 11.

Диафрагму 8 выполняют из секущихся буронабивных свай 9 последовательными по ее длине захватками (фиг.3). Бурение скважин под набивные сваи 9 осуществляют посредством бурового агрегата 22, например, "Casagrande," передвигающегося по переставным плитам 23 и осуществляющего бурение с заданным шагом посредством шаблонных плит 24. Длина "с" этих плит определяет длину захватки диафрагмы 8. Заполнение скважин осуществляют пластичным глинобетоном.

Во время создания захватки диафрагмы 8 слой мелкозернистого грунта 3, толщина которого обычно не превышает 0,2-0,4 метра, по обе стороны диафрагмы 8 оттаивает. Инъектированием этого талого слоя с верховой стороны диафрагмы 9 глинистым раствором создают на его боковой поверхности консистентный слой 16, а инвестированием с его низовой стороны цементно-глинистым раствором создают грунтобетонный слой 18. Слои 16 и 18 создают малым количеством раствора. Каждый этот слой со своей стороны обжимает и уплотняет диафрагму 8, повышая тем самым ее водонепроницаемость, прежде всего в местах пересечения буронабивных свай 9, особенно при их возможном расхождении. После этого в очередную зиму задействуют замораживающие колонки 11 для создания льдогрунтовой мерзлотной завесы 10.

Местоположение и конструкция водопропускного сооружения для пропуска строительных и эксплуатационных расходов (не показано) зависят от местных условий и его выполняют, также как и плотину, с повышенной надежностью. При этом плотину возводят после выполнения водосброса, например, в скальном борту с временной (пониженной) отметкой водосливного порога. Временный же (пониженный) уровень воды перед плотиной воспринимается экраном 25 и его понуром 26, которые возводят и промораживают в зимнее время. С наступлением положительных температур на экран 25 и понур 26 укладывают слой 27 из камня.

Плотина работает следующим образом.

Плотина воспринимает проектный напор воды (НПУ) после выполнения диафрагмы 9 и работы замораживающих колонок в зимнее время. В последующие зимы завершается создание льдогрунтовой мерзлотной завесы в границах 10. При этом влага в эту мерзлотную завесу мигрирует как из водохранилища через диафрагму 8, так и из атмосферы через низовую боковую призму 6 и переходную зону 7. При длительной эксплуатации плотины вся низовая боковая призма 7 под влиянием отрицательных среднегодовых температур промерзает и смыкается с льдогрунтовой мерзлотной завесой 10 и с многолетнемерзлым основанием 1. При этом поры в каменной наброске со временем также заполняются льдом, образующимся из влаги, поступающей как из атмосферных осадков, так и в результате конвекции влажного наружного воздуха.

В результате всего этого диафрагма 8, льдогрунтовая мерзлотная завеса 10, мерзлая низовая боковая призма 6, переходная зона 7 и мерзлое основание 1 под ними смерзанием объединяются в единую водонепроницаемую конструкцию. Устойчивость и водонепроницаемость этой конструкции практически не зависят ни от температурного состояния верховой боковой призмы 5 и ее основания 1, ни от происходящих в них деформаций.

Одновременно с этим консистентный слой 16, созданный из бентонитового или бурового раствора, сохраняет пластичность при отрицательных температурах 2-3°С и более низких, что предотвращает зависание мерзлого грунта на диафрагме 8 с ее верховой стороны, а наличие грунтобетонного слоя 18 усиливает прочность присоединения диафрагмы 8 к льдогрунту мерзлотной завесы 10.

Диафрагма 8, расчлененная по длине плотины на отдельные буронабивные сваи, более приспособлена в сравнении с льдогрунтовой мерзлотной завесой к восприятию неравномерных осадок по длине плотины, в том числе и при сейсмическом воздействии.

Пример 2, дополнительными чертежами не поясняется.

Плотина аналогична описанной в примере 1, но ее конструкция имеет следующие отличия. Во-первых, диафрагма не покрыта консистентным слоем с одной стороны и грунтобетонным слоем - с другой стороны. Во-вторых, в случае выполнения центральной части плотины из несвязного сыпучего грунта замораживающие колонки расположены в два ряда вдоль гребня всей плотины.

Плотину возводят обычно за два летне-осенних периода. В первый период послойно и с уплотнением укладывают талый грунт в плотину на всю ее высоту, а во второй период в плотине выполняют диафрагму и устанавливают замораживающие колонки. При этом, по меньшей мере, ближайший (первый) к диафрагме ряд замораживающих колонок выполняют жидкостными с принудительной циркуляцией хладоносителя, охлаждаемого в зимнее время естественным холодом, а в летнее - холодильной машиной. Круглогодичная работа замораживающих колонок первого ряда, при сезонно работающих замораживающих колонках второго ряда, позволяет в начальный период эксплуатации плотины (год-два) создать качественную льдогрунтовую мерзлотную завесу путем замораживания профильтровавшей через диафрагму воды практически в любом песчаном и/или гравийном грунте центральной части плотины.

Дальнейшая работа плотины при ее эксплуатации аналогична работе плотины, описанной в примере 1. При этом в случае образования на диафрагме со стороны водохранилища зависания грунта, его ликвидируют, например, путем создания с верховой стороны диафрагмы и на заданном расстоянии от нее тепловой завесы. Такую завесу создают только в верхней части плотины в виде ряда последовательно расположенных тепловых скважин.

Предлагаемая грунтовая плотина может быть реализована с помощью известных строительных материалов и технологий их использования, что свидетельствует о соответствии заявляемого предложения условию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Чжан Р.В. Температурный режим и устойчивость низконапорных гидроузлов и грунтовых каналов в криолитозоне /Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. - Якутск, 2001. - 44 с.

2. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. - М., 2004. С.9, п.5.3.9.

3. СНиП 2. 06. 05-84*. Плотины из грунтовых материалов. - М., 1991. С.24, черт. 6.1, а, б.

4. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983. С.88-93.

Изобретение относится к гидротехническому строительству. Плотина содержит центральную часть, выполненную от основания до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму. Диафрагма расположена в центральной части плотины и выполнена вертикальной по всей высоте центральной части из секущихся буронабивных свай, которые заглублены в основание на заданную величину и выполнены из пластичного глинобетона. С низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме. Подошва замораживающей колонки помещена ниже подошв двух ближайших к ней буронабивных свай. Противофильтрационная диафрагма может быть покрыта с верховой стороны консистентным слоем из заинъектированного глинистым раствором мелкозернистого грунта, а с низовой стороны - грунтобетонным слоем из заинъектированного цементно-глинистым раствором мелкозернистого грунта. Изобретение повышает устойчивость и надежность работы мерзлой плотины. 6 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, характеризующаяся тем, что она содержит центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму, которая расположена в центральной части плотины и выполнена вертикальной по всей высоте центральной части из секущихся буронабивных свай, заглубленных в основание на заданную величину, при этом с низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, выполненная посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединенная к противофильтрационной диафрагме.2. Плотина по п.1, в которой буронабивные сваи выполнены из пластичного глинобетона.3. Плотина по п.1, в которой подошва замораживающей колонки помещена ниже подошв, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай.4. Плотина по п.1, в которой противофильтрационная диафрагма с ее верховой стороны покрыта консистентным слоем.5. Плотина по п.1, в которой противофильтрационная диафрагма с ее низовой стороны покрыта грунтобетонным слоем.6. Плотина по п.4, в которой консистентный слой создан из заинъектированного глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме.7. Плотина по п.5, в которой грунтобетонный слой создан из заинъектированного цементно-глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме.