ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА МЕРЗЛОГО ТИПА Российский патент 2007 года по МПК E02B7/06 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства в суровых климатических условиях и может быть использовано при строительстве плотин мерзлого типа.

Известна грунтовая плотина на мерзлом основании, содержащая ядро из связного грунта, верховую и низовую призмы, выполненные из каменной наброски и отделенные от ядра переходными зонами, и мерзлотную завесу в ядре и основании, создаваемую замораживающим устройством в виде замораживающих колонок [1].

Такая плотина недостаточно надежна, а ее возведение и эксплуатация связаны с высокими затратами средств. Эти недостатки плотины обусловлены тем, что высота замораживающих колонок обычно существенно превышает высоту плотины. По мере же увеличения высоты замораживающих колонок надежность их работы снижается, а затраты на их устройство и эксплуатацию увеличиваются.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является грунтовая плотина мерзлого типа, перекрывающая русло реки между ее бортами и содержащая ядро из связного грунта, верховую и низовую призмы, выполненные из каменной наброски и отделенные от ядра переходными зонами, и помещенный под низовой призмой противофильтрационный плащ, выполненный из связного грунта и водонепроницаемо сопряженный с мерзлым основанием посредством мерзлотной завесы. Эта завеса создается замораживающим устройством в виде замораживающих колонок, заглубленных в основание плотины на заданную глубину, и включает в себя нижнюю часть насыпи, выполненной из малофильтрующих грунтов вдоль подошвы низового откоса плотины [2].

Эта плотина также недостаточно надежна и относительно затратив. В первые годы эксплуатации плотины, возведенной в летний период, под ядром и под противофильтрационным плащом, по меньшей мере, верхний слой основания, обычно высокопроницаемый, а на участке руслового талика особенно, находится в талом состоянии. По этому слою вода из водохранилища проникает под ядро и под плащ. Одна часть этой воды входит в ядро через его подошву и увеличивает фильтрацию через ядро в целом, а другая, причем многократно большая первой, - фильтрует через плащ. Вся вода, профильтровавшая через ядро и плащ, вносит в низовую призму тепло. Это препятствует промораживанию естественным наружным холодом низовой призмы, ядра, плаща и фильтрующего талого слоя в их основании, что снижает надежность плотины. Одновременно через этот талый слой грунта из водохранилища передается давление воды на водоупорный мерзлый слой в плаще, который в начальный период его промерзания образуется в виде мерзлой корки у верхней поверхности плаща. Это, из условия устойчивости низовой призмы, обуславливает увеличение высоты насыпи, а следовательно, и увеличение высоты замораживающих колонок, выполняемых с гребня этой насыпи, что увеличивает затраты на возведение плотины. Дополнительно, во-первых, создание мерзлотной завесы замораживающими колонками на всей длине плотины затратное; во-вторых, выполнение плаща связано с расходованием дефицитного для условий северной строительно-климатической зоны связных грунтов, объем которых сопоставим с объемом талых грунтов ядра плотины; в-третьих, вода, профильтровавшая через ядро и плащ, скатывается по плащу в русловой участок плотины, где она накапливается и переливается через насыпь, что приводит к неорганизованному образованию наледей у подошвы низового откоса плотины; в-четвертых, перейти от связного (обычно малосвязного) грунта ядра к каменной наброске низовой призмы путем помещения между ними одной тонкой переходной зоны, выполненной только из грунтового материала, не представляется возможным или из-за отслоения грунта ядра и/или из-за просыпания грунта переходной зоны в каменную наброску.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая грунтовая плотина мерзлого типа, является повышение надежности плотины и экономия средств на ее возведение. Техническим результатом при осуществлении изобретения является, во-первых, ускорение промерзания талых грунтов ядра, плаща и основания под ними, во-вторых, уменьшение объемов работ и расхода дефицитных строительных материалов и трудозатрат при возведении плотины, в-третьих, предотвращение образования неорганизованных наледей у подошвы низового откоса плотины при ее эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в грунтовой плотине мерзлого типа, перекрывающей реку между ее бортами и содержащей ядро из связного грунта, верховую призму, низовую призму, выполненную из каменной наброски и отделенную от ядра переходной зоной, и помещенный под низовой призмой противофильтрационный плащ, водонепроницаемо сопряженный с мерзлым основанием посредством мерзлотной завесы, создаваемой замораживающим устройством и включающей в себя нижнюю часть насыпи, выполненной из малофильтрующих грунтов вдоль подошвы низового откоса плотины, согласно изобретению противофильтрационный плащ выполнен водонепроницаемым с включением в себя полимерной пленки. Верховая часть плаща в поперечном сечении плотины помещена под ядром, а гребень насыпи не менее чем на глубину ее сезонного протаивания возвышается над полимерной пленкой.

Дополнительно:

- замораживающее устройство выполнено в виде замораживающей трубы, помещенной у дна, выполненной в основании насыпи траншеи, которая заполнена грунтом мерзлотной завесы, включающей в себя низовую кромку полимерной пленки плаща;

- на русловом участке плотины в ее низовой призме помещена труба, выводящая из низовой призмы в нижний бьеф воду, профильтровавшуюся через ядро (в первые годы эксплуатации плотины);

- переходная зона включает в себя слой гравийно-галечникового грунта и слой синтетического фильтрового материала, причем последний непосредственно примыкает к ядру;

- в случае наличия в основании плотины руслового талика, с дном которого совмещено дно траншеи, замораживающее устройство на участке руслового талика выполнено в виде поярусно расположенных в траншее двух или более замораживающих труб;

- в случае наличия глубокого руслового талика мерзлотная завеса, создаваемая замораживающей трубой на бортовом участке плотины, водонепроницаемо сопряжена с мерзлотной завесой, создаваемой на русловом участке плотины с насыпи рядом замораживающих колонок, заглубленных нижней частью в основание плотины на заданную глубину;

- выпускная труба коаксиально помещена в теплоизолирующую трубу с образованием кольцевого зазора, при этом водоприемная часть выпускной трубы выполнена Т-образной и с перфорацией, а теплоизолирующая труба снабжена наружной теплоизоляцией.

Основная сущность технического решения заключается в том, что в состав противофильтрационного плаща включена полимерная пленка, которая обеспечивает водонепроницаемость плаща и его малую толщину, а также то, что эта пленка помещена и под ядром. Именно эти два отличия обеспечивают основной технический результат: ускорение промерзания грунтов талика, плаща и основания под ними посредством естественного наружного холода, а также то, что в отличие от плотины с плащом только из связного грунта предотвращается образование на повышенных отметках действующего водоупора. Такой технический результат для грунтовых плотин мерзлого типа с мерзлотной завесой, создаваемой вдоль подошвы низового откоса плотины, из уровня техники не известен. Это позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «изобретательский уровень».

Новым является также то, что замораживающее устройство в такой плотине выполнено в виде одной или более замораживающей трубы, помещенной в траншее, выполненной по особым правилам, а в низовой призме помещена выпускная труба, а также то, что переходная зона включает в себя слой синтетического фильтрового материала.

На фиг.1 показана плотина, продольный разрез, совмещенный с видом с нижнего бьефа; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, случай 1 неглубокого руслового талика; на фиг.4 - то же, что и на фиг.3, случай 2 глубокого руслового талика; на фиг.5 - разрез С-С на фиг.3.

Грунтовая плотина перекрывает русло реки 1 (фиг.1) между ее бортами, правым 2 и левым 3, и возводится на многолетнемерзлом основании 4 в суровых климатических условиях при ограниченном объеме качественных глинистых (связных) грунтов в разведанных карьерах и при коротком дождливом лете. Плотина включает ядро 5 (фиг.2) из связного грунта, боковую верховую призму 6 из гравийного песка и боковую низовую призму 7 из каменной наброски. Между ядром 5 и низовой призмой 7 помещена переходная зона 8. В нижней части плотины на подготовленное основание 4 помещен противофильтрационный плащ 9, который выполнен водонепроницаемым за счет включения в себя полимерной пленки 10. В поперечном сечении плотины верховая часть полимерной пленки 10 помещена под ядром 5 (по меньшей мере, под низовой половиной подошвы ядра), наибольшая, по размерам средняя, - под низовой призмой 7, а низовая водонепроницаемо сопряжена с мерзлым основанием 4 посредством вмораживания ее кромки в мерзлотную завесу 11. Пленка 10 помещена на подстилающий слой 12, который в пределах низовой призмы 7 выполнен из песка, а в пределах ядра 5 - из связного грунта. Сверху пленка 10 покрыта слоем 13 из высокопрочного геотекстиля, а в пределах низовой призмы 7 пленка 10 дополнительно покрыта слоем 14 из гравийно-галечникового грунта. Мерзлотная завеса 11 включает в себя нижнюю часть насыпи 15, выполненной из связных грунтов вдоль подошвы низового откоса 16. Гребень 17 насыпи 15 не менее чем на глубину сезонного протаивания насыпи 15 возвышается над полимерной пленкой 10.

Мерзлотная завеса 11 создается замораживающим устройством в виде замораживающей трубы 18, помещенной в траншею 19 у ее дна 20. В случае наличия в основании плотины неглубокого руслового талика 21 (фиг.3), с дном 22 которого совмещено дно 20 траншеи 19 (случай 1), замораживающее устройство на этом участке выполнено в виде поярусно расположенных в траншее 19 двух (фиг.3) или более замораживающих труб 18. В случае наличия глубокого руслового талика 21 (случай 2) мерзлотная завеса 11, создаваемая замораживающей трубой 18 на бортовом участке плотины, водонепроницаемо сопряжена с мерзлотной завесой 11, создаваемой на участке руслового талика 21 с гребня 17 насыпи 15 рядом замораживающих колонок 23 (фиг.4), которые заглублены своей нижней частью в основание 4 плотины на заданную глубину.

В указанных случаях на русловом участке 1 и на бортовых участках 2 и 3 замораживающие устройства выполнены преимущественно сезоннодействующими и автономными участками. При этом замораживающие трубы 18 выполнены воздушного вида, а замораживающие колонки - любого вида (вентиляторы и другое оборудование замораживающих устройств на чертежах не показаны).

На русловом участке плотины в ее низовой призме 7 помещена выпускная труба 24 (фиг.1), выводящая из низовой призмы 7 в нижний бьеф воду, профильтровавшуюся через ядро 5 в первые годы эксплуатации плотины. Выпускная труба 24 коаксиально помещена в теплоизолирующую трубу 25 с образованием кольцевого зазора 26 (фиг.5). Теплоизолирующая труба 25 снаружи покрыта слоем 27 теплоизоляционного материала, а водоприемная часть выпускной трубы 24 выполнена Т-образной и с перфорацией (чертежом не пояснено).

Переходная зона 8 включает в себя слой гравийно-галечникового грунта 28 и слой 29 синтетического фильтрового материала, причем последний непосредственно примыкает к ядру 5.

На чертежах обозначены и другие элементы плотины:

30 - естественный рельеф,

31 - удаляемый слой в основании,

32 - положение нулевой изотермы перед первым весенним подъемом уровня воды перед плотиной,

33 - талый слой грунта под полимерной пленкой,

34 - расчетное положение нулевой изотермы,

35 - коллектор замораживающих труб,

36 - крепление откоса плотины,

37 - граница руслового участка плотины.

Плотина возводится следующим образом.

С естественного рельефа 30 удаляют разуплотненный и заторфованный слой 31, толщина которого определяется геологическими условиями. В теплый период года выполняются противофильтрационный плащ 9 и работы, обеспечивающие создание мерзлотной завесы: роется траншея 19, укладывается в нее замораживающая труба (одна или более) 18, заполняется связным грунтом траншея 19 и отсыпается насыпь 15 из связного грунта.

Грунтовые элементы тела плотины возводятся обычным способом. Укладка связного грунта производится преимущественно в теплый период года, а несвязного - круглогодично. Одновременно создаются условия для промораживания или, по меньшей мере, охлаждения ядра и призм плотины. Укладку слоя 28 гравийно-галечникового грунта в переходную зону 8 целесообразно осуществить с использованием специальных переставных по высоте плотины щитов в месте сопряжения переходной зоны 8 с ядром 5. Это позволит выполнить переходную зону 8 тонкой, а ее сопряжение с ядром - в виде плоскости (без «елочки») и одновременно осуществить укладку слоя синтетического фильтрового материала 29 на боковую грань ядра [3].

С наступлением холодного периода года задействуется замораживающая труба 18, а на участке глубокого руслового талика 21 - замораживающие колонки 23. Этим к наступлению теплого периода года создается мерзлотная завеса 11 с границей нулевой изотермы 32. Мерзлотная завеса 11 вместе с ядром 5 и плащом 9 образует в плотине единую противофильтрационную преграду. После этого плотина готова принять на себя напор воды.

Плотина работает следующим образом.

В поставленной под напор плотине отсутствует вододвижение под полимерной пленкой 10 в высокопроницаемом талом слое 33, который образовался в процессе выполнения плаща 9 или является естественным русловым таликом 21. Вода из водохранилища проникает в ядро 5 через его верховую грань в малом количестве, поэтому, фильтруя через ядро 5, эта вода вносит малое количества тепла в низовую призму. Далее вода по плащу 9 скатывается в русловой участок плотины, где она накапливается и по выпускной трубе 24 отводится в нижний бьеф на безопасное для плотины расстояние.

В каждый последующий холодный период года увеличивается промерзание сначала низовой призмы 7, а затем ядра 5 и основания под ними. Нулевая изотерма займет расчетное (безопасное) положение 34 сначала на более низких бортовых участках плотины, а затем на более высоком русловом участке, последнее, примерно через 7-10 лет при высоте плотины 25-35 метров.

В процессе промерзания плотины полимерная пленка 10 не подвергается опасному для нее переменному замораживанию-оттаиванию, при этом в промороженной части плотины полимерная пленка 10 особых полезных функций не выполняет. Сохранность пленки при неравномерных деформациях основания, особенно над бортами талика 21, в существенной мере обеспечивается слоем высокопрочного геотекстиля 31. Подобный слой геотекстиля может быть помещен и под пленкой 10. В промерзшей плотине прекращается функционирование выпускной трубы 24, обогрев которой в начальный период эксплуатации при необходимости осуществлялся путем создания циркуляции теплоносителя по кольцевому зазору 26; средства для создания циркуляции теплоносителя не показаны.

В таком мерзлом состоянии плотина имеет высокую надежность, а при дальнейшей эксплуатации плотины ее надежность, как правило, будет повышаться, и она сможет безотказно эксплуатироваться неограниченное число лет.

Источники информации

1. СНиП 2.06.05-84^*. Плотины из грунтовых материалов. / Госстрой СССР.-М.: АЛЛ ЦИТП, 1991, С.24, черт. 6.1, а.

2. Патент Российской Федерации №2029016, кл. Е02В 7/06, опубл. 20.02.95.

3. Авторское свидетельство СССР №1802034, кл. Е02В 7/06, опубл. 15.03 95.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при строительстве плотин мерзлого типа. Плотина содержит ядро из связного грунта, верховую призму, низовую призму, выполненную из каменной наброски и отделенную от ядра переходной зоной, и помещенный под низовой призмой противофильтрационный плащ, водонепроницаемо сопряженный с мерзлым основанием посредством мерзлотной завесы. Мерзлотная завеса включает нижнюю часть насыпи, выполненной из малофильтрующих грунтов вдоль подошвы низового откоса плотины. Противофильтрационный плащ выполнен водонепроницаемым за счет включения полимерной пленки, верховая часть которой в поперечном сечении плотины помещена под ядром. Гребень насыпи возвышается над полимерной пленкой не менее чем на глубину сезонного протаивания насыпи. Мерзлотная завеса создается замораживающим устройством в виде замораживающей трубы, помещенной в траншею, дно которой в случае неглубокого руслового талика совмещено с дном талика. В случае глубокого руслового талика мерзлотная завеса на его участке создается рядом замораживающих колонок, выполняемых с гребня насыпи. Повышается надежность плотины за счет ускорения ее промерзания под действием естественного наружного холода и экономия средств на возведение плотины. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Грунтовая плотина мерзлого типа, перекрывающая русло реки между ее бортами и содержащая ядро из связного грунта, верховую призму, низовую призму, выполненную из каменной наброски и отделенную от ядра переходной зоной, и помещенный под низовой призмой противофильтрационный плащ, водонепроницаемо сопряженный с мерзлым основанием посредством мерзлотной завесы, создаваемой замораживающим устройством и включающей нижнюю часть насыпи, выполненной из малофильтрующих грунтов вдоль подошвы низового откоса плотины, отличающаяся тем, что противофильтрационный плащ выполнен водонепроницаемым с включением полимерной пленки, верховая часть которой в поперечном сечении плотины помещена под ядром, а гребень насыпи не менее чем на глубину сезонного протаивания насыпи возвышается над полимерной пленкой.2. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что замораживающее устройство выполнено в виде замораживающей трубы, помещенной у дна выполненной в основании насыпи траншеи, которая заполнена грунтом мерзлотной завесы, включающей низовую кромку полимерной пленки плаща.3. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что на ее русловом участке в низовой призме помещена выпускная труба, выводящая из низовой призмы в нижний бьеф воду, профильтровавшуюся через ядро.4. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что переходная зона включает слой гравийно-галечникового грунта и слой синтетического фильтрового материала, причем последний непосредственно примыкает к ядру.5. Плотина по п.2, отличающаяся тем, что в случае наличия в основании руслового талика, с дном которого совмещено дно траншеи, замораживающее устройство на участке руслового талика выполнено в виде расположенных в траншее двух или более замораживающих труб.6. Плотина по п.2, отличающаяся тем, что в случае наличия глубокого руслового талика мерзлотная завеса, создаваемая замораживающей трубой на бортовом участке плотины, водонепроницаемо сопряжена с мерзлотной завесой, создаваемой на русловом участке плотины с гребня насыпи, рядом замораживающих колонок, заглубленных нижней частью в основание плотины на заданную глубину.7. Плотина по п.3, отличающаяся тем, что выпускная труба коаксиально помещена в теплоизолирующую трубу с образованием кольцевого зазора, при этом водоприемная часть выпускной трубы выполнена Т-образной и с перфорацией, а теплоизолирующая труба снабжена наружной теплоизоляцией.