ГИДРОУЗЕЛ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Российский патент 2011 года по МПК E02B7/06 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении на многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах низконапорного, реже средненапорного гидроузла, включающего грунтовую плотину и открытый водосброс.

Все грунтовые плотины, построенные и строящиеся в условиях Крайнего Севера, обычно делят на две группы: плотины с мерзлотной завесой (их часто называют мерзлыми, нефильтрующими или с сохранением отрицательных температур в основании на весь срок их эксплуатации - принцип строительства 1); плотины без мерзлотной завесы (их называют талыми, фильтрующими или с допущением оттаивания многолетнемерзлых грунтов - принцип строительства 2).

В России на Крайнем Севере на многолетнемерзлых грунтах (породах) в составе гидроузлов ГЭС построен ряд талых плотин 1 и 2 классов: Вилюйская ГЭС, Вилюйская ГЭС 3, Хантайская, Курейская, Колымская и Усть-Среднеканская (строится) и другие. Каждая из этих плотин перегораживает высокорасходный водоток, по меньшей мере, ее русловая часть возведена на коренных скальных породах, оттаивание которых не ведет к дополнительным осадкам и существенному повышению фильтрационных расходов. При этом русловой талик перекрывают цементационной завесой, выполняемой обычно из потерны, а на участках с мерзлыми породами - по мере оттаивания пород. Для этих плотин характерно применение затратных, но надежных способов строительства, конструктивных решений и высокое качество выполнения строительных работ, что и обеспечивает их надежность.

Иначе обстоят дела с плотинами 3 и 4 классов, построенных мерзлыми преимущественно на малорасходных перемерзающих в холодный период года водотоках. По данным источника [1], к концу XX века в криолитозоне (то же: зона многолетнемерзлых пород) России было построено свыше 800 низконапорных гидроузлов с мерзлыми грунтовыми плотинами, в том числе более 400 в Республике Саха (Якутия). Все они в той или иной мере подвержены деформациям, причем большинство из них были разрушены в первые три года эксплуатации.

Гидроузел на реке Ирелях [2 и 3] и гидроузел на реке Сытыкан [4], построенные в Республике Саха, соответственно в 1964 г. и 1977 г., создают водохранилища каждое емкостью более 17 млн. м³ и являются практически единственными источниками водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов при них.

Эти гидроузлы по своей значимости, особенностям возведения и эксплуатации являются уникальными, и они вошли во многие учебники по гидротехнике. Их грунтовые плотины имеют максимальную высоту около 20, а их открытые береговые водосбросы расположены на скальных основаниях и рассчитаны на пропуск расходов около 300 м³/с.

Гидроузлы характеризуются следующими общими особенностями.

1. Впервые оттаивание многолетнемерзлых грунтов было обнаружено в скальных основаниях водосбросов. Причем на Иреляхском гидроузле через 4 года после наполнения водохранилища, а на Сытыканском гидроузле - через 20 лет. Талики распространялись вправо и влево от водосброса с интенсивностью в десятки метров в год, что превышало все ранее сделанные прогнозы, при этом по глубине и ширине талики вышли за контролируемые пределы.

2. Гидроузлы находятся в практически аварийном состоянии. Работы по созданию различного типа комбинированной цементационно-мерзлотной совершенной (глухой) противофильтрационной завесы в фильтрующих грунтах пока что не увенчались серьезными успехами. При этом произведенные затраты на восстановление завесы и на перекачку воды из нижнего бьефа в верхний бьеф уже соизмеримы с затратами на создание альтернативного источника водоснабжения. Все это ставит под сомнение целесообразность производства дальнейших ремонтно-восстановительных работ на гидроузлах.

Низкая надежность и высокая стоимость этих двух и других им подобных гидроузлов на многолетнемерзлых грунтах может быть объяснена следующими причинами.

1. Заглубление водосброса в многолетнемерзлые скальные грунты склона приводит к нарушению верхнего водогазонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов (то же: плащ, панцирь, корка). Такой мерзлый плащ образовался в начальный период последнего похолодания (ледникового периода) при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в его морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков. При этом толщина плаща местами увеличивалась снизу вверх за счет отложения дисперсных грунтов и их последующего обводнения и промерзания. Одновременно с этим по наиболее крупным трещинам напряжений, образовавшихся как в предыдущие периоды оледенения-потепления, так и в другие геологические периоды, под действием гидравлического уклона вода из-под плаща вытекала в ближайшие места разгрузки - талики водотоков и водоемов, источники подземных вод, термокарсты и другие. В результате этого по мере дальнейшего опускания нижней границы многолетнемерзлых грунтов под плащом часть глубинных трещин навсегда, до следующего глобального потепления, осталась свободной ото льда и дисперсных грунтов - пустотелые промытые трещины [5].

В соответствии с законами теплотехники на растепление искусственно созданным водоемом насыщенного льдом мерзлого плаща естественным путем требуется длительное время. При выполнении же выемки под водосброс цельность плаща была нарушена, что привело к развитию интенсивной фильтрации воды из наполненного водою водосброса и, соответственно, аномально быстрому, оттаиванию многолетнемерзлых грунтов. Так на Иреляхском гидроузле на растепление нарушенного котлованом водосброса левого борта потребовалось 4 года, а на растепление не нарушенного правого борта - более 30 лет, причем, предположительно, в результате распространения оттаивания грунтов от водосброса.

Цельность плаща нарушалась также при бурении скважин, производимом при изысканиях и выполнении цементационной и/или мерзлотной завесы.

2. После выхода границы растепления за пределы водонепроницаемого ледонасыщенного мерзлого плаща процесс оттаивания мерзлых грунтов проходит с участием системы незаполненных льдом разного порядка полых трещин следующим образом.

Из талых проницаемых грунтов по полым трещинам вода входит в мерзлые грунты, под действием напора кратчайшим путем движется в обход противофильтрационной завесы в нижний бьеф к месту разгрузки и создает на своем пути в мерзлых грунтах тонкие талые слои. Эти талые слои последовательно отсекают от мерзлого массива мерзлые целики и начинают их интенсивно обогревать теплом фильтрующей по ним воды. Происходит растепление как целиков, так и противоположного от них борта мерзлого массива при одновременном отсечении в нем новых мерзлых целиков различной величины новыми талыми слоями.

Мерзлые целики могут быть достаточно большими. Этому способствует то обстоятельство (гипотеза автора), что за многие тысячи лет на поверхности полых трещин могли сохраниться и/или накопиться мелкодисперсные солесодержащие частицы, которые, растворяясь в пионерной воде (понятие вводится впервые), повышают ее минерализацию, следовательно, понижают температуру начала ее замерзания, что увеличивает незамерзающий путь пионерной воды по трещине. Более того, на торце потока такой пионерной воды образуется движущийся локальный криопег, высокая минерализация воды в котором при относительно благоприятных условиях (многолетнемерзлые грунты засолены, их температура высокая, а толщина не большая) может обеспечить прохождение потоком всей толщи многолетнемерзлых грунтов до их нижней границы.

Отсеченные талыми слоями мерзлые целики создают между талыми грунтами и сплошными мерзлыми грунтами переходный слой. Толщина этого переходного слоя, понятие которого вводится впервые, не выдержана. При этом большие мерзлые целики этого переходного слоя при бурении создают видимость достижения скважиной сплошного мерзлого грунта, что не позволяет правильно назначить величину заглубления противофильтрационной завесы.

3. Оголовок грунтовой плотины промерзает и образует монолитный свод, который зависает над оттаявшими грунтами, что способствует образованию фильтрующей водой промытых каверн.

4. Низкая ремонтопригодность гидроузла из-за неопределенности в оттаивании мерзлых ледонасыщенных грунтов на глубине, высокие затраты при восстановлении мерзлотной противофильтрационной завесы и сложность контроля за ее надежностью.

5. Высокие затраты при выполнении изначальной противофильтрационной завесы и длинного, выполненного в обход грунтовой плотины открытого водосброса.

Известна грунтовая плотина мерзлого типа, которая возведена на предварительно промороженном за счет постоянной очистки от снежного покрова основании из промороженных несвязных грунтов и покрыта со стороны верхнего бьефа эластичным противофильтрационным элементом (геомембрана из полимерного материала), сопряженным с мерзлым основанием посредством зуба [6].

Во-первых, сопряжение геомембраны с мерзлым основанием посредством зуба без искусственного промораживания его при эксплуатации не надежно, особенно в случае нарушения зубом цельности верхнего водонепроницаемого мерзлого слоя (плаща). Во-вторых, конструкция грунтовой плотины не увязана с открытым водосбросом, известные конструкции которого на многолетнемерзлых грунтах в обход грунтовой плотины сложны и/или ненадежны.

Из источника [7] известно, что на ранее описанном Сытыканском гидроузле в 2004 году была ликвидирована интенсивная фильтрация воды через береговую часть водохранилища путем создания посредством полимерной пленки противофильтрационного экрана. При этом пленочное полотнище площадью 6000 кв.м. на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед.

Этот осуществленный пример наглядно демонстрирует эффективность работы противофильтрационного пленочного экрана в условиях Крайнего Севера.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является гидроузел на многолетнемерзлых грунтах, включающий создающую на водотоке водохранилища грунтовую плотину, снабженную противофильтрационным устройством в виде непрерывной вдоль плотины ледогрунтовой стенки, выполненной посредством замораживающей системы в центральной зоне плотины и сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами основания, и открытый водосброс, выполненный между глухими участками грунтовой плотины. При этом ледогрунтовая стенка образована посредством расположенных в теле грунтовой плотины и ее основании охлаждающих элементов (замораживающих колонок) замораживающей системы, а открытый водосброс выполнен в виде цельной гибкой габионной конструкции, заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану из полимерного материала [8].

В известном гидроузле повышена надежность за счет выполнения открытого водосброса между глухими участками грунтовой плотины, т.е. открытый водосброс выполнен в виде водосливного участка грунтовой плотины, что предотвращает заглубление такого водосброса в многолетнемерзлые грунты, следовательно, не приводит к нарушению водонепроницаемого мерзлого плаща. Одновременно снижены затраты на выполнение открытого водосброса. Однако из-за противофильтрационной ледогрунтовой, относительно жесткой стенки, выполняемой вдоль всей длины грунтовой плотины, затраты на гидроузел в целом остаются высокими, а надежность гидроузла и его ремонтопригодность - низкими.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является экономия средств, повышение надежности и ремонтопригодности гидроузла.

Технический результат от использования изобретения заключается в том, что:

- полностью предотвращено нарушение водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при создании гидроузла;

- практически полностью предотвращено оттаивание мерзлых грунтов основания под всем телом грунтовой плотины;

- обеспечено превращение грунтов низовой призмы плотины и в ее основании в ледогрунты;

- ограничен максимальный уровень грунтовой воды перед ледогрунтовым элементом плотины, точнее: перед низовой призмой плотины;

- повышена гибкость и деформативность противофильтрационного устройства грунтовой плотины;

- повышена точность прогнозирования оттаивания грунтов.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в гидроузле на многолетнемерзлых грунтах, включающем создающую на водотоке водохранилища грунтовую плотину, снабженную противофильтрационным устройством и замораживающей системой, охлаждающие элементы которой расположены в грунтах основания грунтовой плотины, и открытый водосброс, выполненный между глухими частями грунтовой плотины в виде габионной конструкции, заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану из полимерного материала, согласно изобретению противофильтрационное устройство грунтовой плотины состоит из экрана и понура, выполненных с водонепроницаемой геомембраной из полимерного материала. Охлаждающие элементы замораживающей системы расположены в грунтах основания низовой призмы грунтовой плотины выше верхней границы многолетнемерзлых грунтов и обеспечивают на заданном участке грунтовой плотины замораживание грунтов сезоннооттаивающего слоя и руслового талика водотока. Подстилающий слой понура образован из слабоводопроницаемых местных грунтов сезоннооттаивающего слоя и/или карьерных грунтов, а геомембрана экрана, до уровня своей на участке грунтовой плотины верхней кромки водонепроницаемо сопряжена с геомембраной головной части открытого водосброса. Дополнительно:

- замораживающая система выполнена сезоннодействующей с принудительной циркуляцией посредством вентиляторов холодного воздуха по охлаждающим металлическим трубам большого диаметра, обеспечивающего осмотр и ремонт этих труб изнутри, при этом входные участки охлаждающих труб расположены в грунтах руслового талика;

- в пределах понура сильноводопроницаемые грунты сезоннооттаивающего слоя и в русловом талике заменены на слабоводопроницаемые грунты;

- гидроузел содержит на каждом от водотока склоне мерзлотную насыпь, образующую над многолетнемерзлыми грунтами нагорную канаву, которая круглогодично обеспечивает перехват со склона поверхностного стока, а из сезоннооттаивающего слоя - грунтового стока и отводит эти стоки в водохранилище за пределы понура и/или в нижний бьеф грунтовой плотины;

- под понуром в талых грунтах выполнена, по меньшей мере, одна канава, которая расположена вдоль свободной кромки геомембраны в непосредственной близости от нее и заполнена кольматантом, способным осуществить под понуром кольматаж талых грунтов;

- в теле верховой призмы плотины на заданном уровне выполнена трубчатая дрена, ограничивающая максимальный уровень грунтовой воды перед промороженной низовой призмой грунтовой плотины;

- внутренний диаметр охлаждающих труб превышает 1,2 метр;

- по мере удаления в сторону верхнего бьефа от грунтовой плотины водопроницаемость грунтов подстилающего слоя понура и руслового талика водотока уменьшается;

- нагорная канава содержит гидравлически сообщенную с сезоннооттаивающим слоем водоприемную призму, в которой размещена выполненная из полиэтилена с перфорацией отводящая труба;

- в качестве кольматанта использован микродисперсный (нанодисперсный) диоксид кремния и/или его модификации и состоящий в основном из частиц крупностью от 5 до 80 нм;

- в качестве кольматанта использован криогель, полученный из растворов полимеров и снижающий водопроницаемость грунтов при его проникновении в грунты и упрочняющий их при замораживании-оттаивании.

Предлагаемый гидроузел иллюстрируется десятью чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - план участка гидроузла;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;

на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1;

на фиг.5 - продольный разрез водосброса;

на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.1;

на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг.6;

на фиг.8 - разрез Е-Е на фиг.5;

на фиг.9 - разрез Ж-Ж на фиг.5;

на фиг.10 - разрез З-З на фиг.8.

Гидроузел содержит грунтовую плотину (далее: плотина) 1, которая на водотоке 2 создает водохранилище 3 и состоит из двух глухих частей 4 и водосливной части 5, над которой расположен водосброс 6 открытого типа. При этом водосливная часть 5 плотины 1 расположена на ее правобережном пойменном участке, а водосброс 6 сопряжен с водотоком 2 отводящим каналом 7.

Плотина 1 в поперечном сечении включает три призмы (фиг.2), которые выполнены из несвязных грунтов и по отношению к оси 8 плотины 1, бьефов гидроузла и водохранилища 3, соответственно, именованы: низовая 9, верховая 10 и защитная 11. Плотина 1 снабжена противофильтрационным устройством и работающей совместно с ней замораживающей системой.

Противофильтрационное устройство плотины 1 состоит из экрана 12 и понура 13, выполненных с водонепроницаемой геомембраной 14 из полимерного материала. Экран 12 покрывает низовой откос верховой призмы 10, а его геомембрана 14 водонепроницаемо сопряжена с такой же геомембраной 14 понура 13. Подстилающий слой 15 понура 13 образован из слабоводопроницаемых местных грунтов сезоннооттаивающего слоя 16 (фиг.3) и/или карьерных грунтов.

Замораживающая система выполнена сезоннодействующей с принудительной циркуляцией посредством двух вентиляторов 17 холодного воздуха по двум охлаждающим трубам (то же: охлаждающим элементам) 18 большого диаметра. Охлаждающие трубы 18 расположены в грунтах основания низовой призмы 9 плотины 1 выше верхней границы 19 многолетнемерзлых грунтов 20, выполнены из металла, их внутренний диаметр превышает 1,2 метра, а входные участки 21 расположены в грунтах руслового талика 22. При этом вентиляторы 17 расположены на разных относительно водотока 3 склонах. Такая замораживающая система обеспечивает на заданном участке низовой призмы 9 плотины 1, включающем русловую часть, замораживание грунтов сезоннооттаивающего слоя 16 и руслового талика 22 в основании низовой призмы 9 плотины 1 и превращения их в ледогрунт. При этом большой диаметр охлаждающих труб 18 обеспечивает их осмотр и ремонт изнутри, что повышает надежность и ремонтопригодность замораживающей системы.

Водосброс 6 выполнен между глухими частями 4 плотины 1 в виде гибкой габионной конструкции. Эта конструкция (фиг.5-10) снизу и с боков заключенной в водонепроницаемую геомембрану 23 из полимерного материала, которая в пределах головной части 24 водосброса 6 на заданную высоту водонепроницаемо сопряжена с верхней кромкой геомембраны 14 экрана 12. Габионная конструкция выполнена из связанных между собой проволокой габионов 25, корзины которых выполнены из проволочной сетки, имеют коробчатую прямоугольную форму с размерами, например, 1×1×2 метра и заполнены каменным материалом [9].

В пределах понура 13 сильноводопроницаемые грунты сезоннооттаивающего слоя 16 и руслового талика 22 заменены слабоводопроницаемыми грунтами. Эта замена грунтов осуществлена так, что по мере удаления в сторону верхнего бьефа от плотины 1 водопроницаемость грунтов подстилающего слоя 15 понура 13 и руслового талика 22 водотока 2 уменьшается.

Гидроузел на каждом от водотока 2 склоне содержит мерзлотную насыпь 26, которая образует над многолетнемерзлыми грунтами 20 нагорную канаву 27 (фиг.1 и 3). Мерзлотная насыпь 26 со стороны нагорной канавы 27 содержит гидравлически сообщенную с сезоннооттаивающим слоем 16 водоприемную призму 28 с размещенной в ней отводящей трубой 29, которая выполнена из полиэтилена и с перфорацией. Эта мерзлотная насыпь 26 круглогодично обеспечивает перехват со склона поверхностного стока, а из сезоннооттаивающего слоя 16 склона - грунтового стока, после чего отводит эти стоки в водохранилище 3, за пределы понура 13 и/или в нижний бьеф плотины 1.

Гидроузел может содержать канавы 30, которые расположены под понуром 13 в талых грунтах и заполнены кольматантом 31, способным осуществить под понуром кольматаж талых грунтов (фиг.1 и 4). Целесообразно одну такую канаву 30 расположить вдоль свободной кромки геомембраны 14 в непосредственной близости от кромки. В качестве кольматанта может быть использован микродисперсный (нанодисперсный) диоксид кремния и/или его модификации и состоящий в основном из частиц крупностью от 5 до 80 нм [10]. В качестве кольмотанта, особенно в пределах осушаемой в холодный период года части понура 13 до уровня 32 (фиг.1), может быть использован криогель, полученный из растворов полимеров. Этот криогель при проникновении в грунты снижает их водопроницаемость и упрочняет их при замораживании-оттаивании [11].

Кроме всего этого в теле верховой призмы 10 плотины 1 на заданном уровне выполнена продольная трубчатая дрена 33 (фиг.2), которая ограничивает максимальный уровень 34 грунтовой воды перед промороженной низовой призмой 9 плотины 1.

На чертежах обозначены и другие элементы гидроузла, а именно:

35 - основание (плотины);

36 - начальное положение нулевой изотермы (в теле плотины);

37 - конечное положение нулевой изотермы (в теле плотины);

38 - конечное положение нулевой изотермы (в основании, фиг.4);

39 - водонепроницаемый плащ;

40 - поток воды (то же: поток);

41 - лоток (сбросная часть водосброса);

42 - насыпь (лотка);

43 - водобойная стенка;

44 - двутавр;

45 - трубы;

46 - верховая ветвь (трубы);

47 - камень;

48 - подсыпка (замораживающей системы);

49 - крепление (верхового откоса плотины);

50 - защитный слой понура;

51 - воздухозаборный раструб;

52 - питательная траншея;

53 - прокладка из нетканого геотекстиля;

54 - концевая часть (водосброса);

55 - насадок гидравлический;

56 - тавр (фиг.6);

57 - габион (по месту);

58 - диафрагма (из геомембраны);

59 - водосливной порог (поверхность);

60 - опорный элемент (моста);

61 - мост;

62 - геотекстиль (концевая часть водосброса);

63 - водобойный колодец;

а_с - толщина сезоннооттаивающего слоя до создания гидроузла (фиг.4);

а_о - дополнительное оттаивание грунтов после создания гидроузла;

а_т - толщина слоя талых грунтов под геомембраной после создания гидроузла.

Гидроузел создают в следующей последовательности. Сначала в холодный период первого года строительства на правобережном пойменном участке после промораживания грунтов сезоннооттаивающего слоя 16 из переохлажденных несвязных грунтов возводят глухую 4 и водосливную 5 части плотины 1. Затем в теплый период года возводят над водосливной частью 5 плотины 1 водосброс 6, а на незатопляемых склонах водотока 2 - понур 13, включая замену сильноводопроницаемых грунтов сезоннооттаивающего слоя 16 на слабоводопроницаемые грунты и выполнение канавы 30 с кольматантом 31.

В последующий холодный период второго года строительства укладывают охлаждающие трубы 18, устанавливают вентиляторы 17 и задействуют замораживающую систему. Одновременно на подготовленное и промороженное за счет постоянной очистки от снега основание 35 плотины 1 послойно и с уплотнением укладывают переохлажденный несвязный грунт в низовую 9 и верховую 10 призмы плотины 1. После чего на верховой откос верховой призмы 10 укладывают геомембрану 14 экрана 12. Заканчивают возведение понура 13, а его геомембрану 14, водонепроницаемо сопрягают с геомембраной 14 экрана 12 и с геомембраной 23 водосброса 6. Возводят защитную призму 11 плотины 1, а на склонах выполняют мерзлотную (точнее: ледогрунтовую) насыпь 26 с нагорной канавой 27.

Работа гидроузла в строительный и эксплуатационный периоды характеризуется следующими особенностями.

1. Задействование замораживающей системы в строительный период обеспечивает опережающее замораживание руслового талика 22 под низовой призмой 9 плотины 1. Вода, поступающая по русловому талику 22 с околонулевой температурой к месту замораживания, позволяет под действием трубного и атмосферного охлаждения водопроницаемый переохлажденный грунт низовой призмы 9 превратить в водонепроницаемый ледогрунт. При этом нулевая изотерма после первого холодного периода года имеет положение начальное 36, а при дальнейшей эксплуатации гидроузла - конечное 37 (фиг.2).

2. В эксплуатационный период в результате отепляющего воздействия водохранилища 3 под ним происходит оттаивание мерзлых грунтов основания до конечного положения 38 нулевой изотермы (фиг.4). Оттаивание грунтов, прежде всего, происходит ниже уровня 32 (фиг.1) опорожнения водохранилища 3, причем в пределах площади понура 13. Выше уровня 32 временно оттаявшие при наполненном водохранилище грунты в холодный период года снова замерзают. Под верховой призмой 10 плотины 1 оттаивание грунтов уменьшается, а под низовой призмой 9 грунты охлаждаются замораживающей системой и атмосферным воздухом поэтому всегда находятся в мерзлом состоянии.

Оттаявшие под понуром 13 грунты уплотняются гидростатическим давлением, а их водопроницаемость дополнительно уменьшается действием кольматанта 31, который при эксплуатации гидроузла при сработанном водохранилище 3 может периодически добавляться под понур 13. По такому талому слою, вода поступает в тело верховой призмы 10 в ограниченном количестве и с низкой температурой, где ее уровень 34 (промежуточный бьеф), снижающий напор на экран 12 и понур 13, но создающий напор на ледогрунтовую низовую призму 9, ограничен трубчатой дреной 33. Одновременно с этим по мере оттаивания грунтов водонепроницаемый плащ 39 многолетнемерзлых грунтов 20 опускается вниз без нарушения своей водонепроницаемости (гипотеза автора).

3. При движении потока воды (то же: поток) 40 по головной части 24 и лотку 41 водосброса 6 его водонепроницаемая геомембрана 23 предотвращает водонасыщение плотины 1 и насыпи 42 (фиг.1 и 8). Это повышает устойчивость всей габионной конструкции водосброса 6 на сдвиг в направлении потока 40 и защищает многолетнемерзлые грунты 20 от оттаивания. При этом большая часть воды движется по лотку 41, водобойные стенки 43 которого совместно с двутаврами 43 обеспечивают перепадную форму течения воды по лотку 41 с образованием прыжка перед каждой водобойной стенкой 43, что обеспечивает интенсивное гашение энергии потока 40. При этом сдвигающее гидродинамическое воздействие потока 40 посредством двутавров 44 и труб 45 частично передается с габионов 25 на всю головную часть 24 водосброса и на плотину 1. Последнее достигается за счет того, что трубы 46 выполнены в виде сифонов, а их верховые ветви 46 пригружены камнем 47.

Малые меженные расходы могут быть пропущены только малорасходными трубами 45, работающими в сифонном режиме. Способ зарядки таких труб-сифонов и необходимые для этого устройства задаются и разрабатываются проектом. При этом в средней по ширине лотка 41 части трубы 45 могут быть заменены на металлические тавры большого профиля.

4. Мерзлотная насыпь 26, образующая над многолетнемерзлыми грунтами 20 нагорную канаву 27 перехватывает со склона поверхностный и грунтовый (наледный) сток и тем самым предохраняет понур 13 от повреждения. При этом нештатное замерзание воды в выполненной из полиэтилена водоотводящей трубе 29 не является для трубы опасным.

5. Противофильтрационную надежность плотины 1 обеспечивает совместная (одновременная) работа противофильтрационного устройства (экран 12 и понур 13), замораживающей системы (охлаждающие трубы 17 с вентиляторами 17), кольматанта 31 и трубчатой дрены 33.

При возведении предложенного гидроузла на многолетнемерзлых грунтах использование технических признаков, указанных в первом пункте формулы является обязательным. Необходимость использования дополнительных признаков, указанных в зависимых пунктах формулы, определяется проектом в зависимости от местных условий.

Предлагаемое изобретение в полной мере соответствует заповеди Павла Флоренского: «…не трогай мерзлоты ороченов… Не надо копаться в ее недрах».

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.

2. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983.

3. Гидроузел на реке Ирелях. Восстановление напорного фронта в теле и основании плотины. ТЭО. Пояснительная записка 023-ИШ-002-ПЗ. ООО «ПСК «Геостройпроект». Москва, 2003.

4. Алешин Д.В., Шишов И.Н., Федосеев В.И. Восстановление напорного фронта гидроузла на реке Сытыкан. // Гидротехническое строительство. 2004. №12.

5. Ягин В.П., Вайкум В.А. Опорная гидрогеологическая схема-гипотеза многолетней мерзлоты с учетом истории геокриологического развития территории и применительно гидротехнического строительства. Интеллектуальный продукт. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.

6. Патент Российской Федерации №2310035, кл. E02B 7/06, опубл. 10.11.2007.

7. Патент Российской Федерации №2267576, кл. E02B 7/06, опубл. 10.01.2006.

8. Патент Российской Федерации №2374387, кл. E02B 7/06, опубл. 27.11.2009.

9. ГОСТ 52132-2003. Изделия из сетки для габионных конструкций. Технические условия.

10. Зубченко Г.В. Микродисперсные реагенты и кольматанты - новые средства повышения технико-экономических и экологических показателей работы горно-обогатительных предприятий. // Горный журнал. 2005. №3.

11. Патент Российской Федерации №2289652, кл. E02B 3/16, опубл. 20.12.2006.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении на многолетнемерзлых грунтах низконапорного, реже средненапорного гидроузла, включающего грунтовую плотину и водосброс. Гидроузел на многолетнемерзлых грунтах включает создающую на водотоке водохранилище грунтовую плотину, снабженную противофильтрационным устройством и замораживающей системой, и открытый водосброс, выполненный между глухими частями грунтовой плотины. Противофильтрационное устройство состоит из экрана и понура, выполненных с водонепроницаемой геомембраной из полимерного материала. Подстилающий слой понура образован из слабоводопроницаемых местных грунтов сезоннооттаивающего слоя и/или карьерных грунтов. Охлаждающие элементы замораживающей системы расположены в грунтах основания низовой призмы грунтовой плотины выше верхней границы многолетнемерзлых грунтов и обеспечивают на заданном участке грунтовой плотины замораживание грунтов сезоннооттаивающего слоя и руслового талика водотока. Открытый водосброс выполнен в виде габионной конструкции, заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану из полимерного материала, которая в пределах головной части водосброса водонепроницаемо сопряжена с геомембраной экрана до уровня верхней кромки экрана на участке грунтовой плотины. Изобретение позволяет экономить средства при создании гидроузла, повысить его надежность и ремонтопригодность. 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Гидроузел на многолетнемерзлых грунтах, включающий создающую на водотоке водохранилища грунтовую плотину, снабженную противофильтрационным устройством и замораживающей системой, охлаждающие элементы которой расположены в грунтах основания грунтовой плотины, и открытый водосброс, выполненный между глухими частями грунтовой плотины в виде габионной конструкции, заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану из полимерного материала, отличающийся тем, что противофильтрационное устройство грунтовой плотины состоит из экрана и понура, выполненных с водонепроницаемой геомембраной из полимерного материала, а охлаждающие элементы замораживающей системы расположены в грунтах основания низовой призмы грунтовой плотины выше верхней границы многолетнемерзлых грунтов и обеспечивают на заданном участке грунтовой плотины замораживание грунтов сезоннооттаивающего слоя и руслового талика водотока, при этом подстилающий слой понура образован из слабоводопроницаемых местных грунтов сезоннооттаивающего слоя и/или карьерных грунтов, а геомембрана экрана до уровня своей на участке грунтовой плотины верхней кромки водонепроницаемо сопряжена с геомембраной головной части открытого водосброса.

2. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что замораживающая система выполнена сезоннодействующей с принудительной циркуляцией холодного воздуха по охлаждающим металлическим трубам большого диаметра, обеспечивающего осмотр и ремонт этих труб изнутри, при этом входные участки охлаждающих труб расположены в грунтах руслового талика.

3. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что в пределах понура сильноводопроницаемые грунты сезоннооттаивающего слоя и в русловом талике заменены на слабоводопроницаемые грунты.

4. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что он содержит на каждом от водотока склоне мерзлотную насыпь, образующую над многолетнемерзлыми грунтами нагорную канаву, которая круглогодично обеспечивает перехват со склона поверхностного стока, а из сезоннооттаивающего слоя - грунтового стока и отводит эти стоки в водохранилище за пределы понура и/или в нижний бьеф грунтовой плотины.

5. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что под понуром в талых грунтах выполнена, по меньшей мере, одна канава, которая расположена вдоль свободной кромки геомембраны в непосредственной близости от нее и заполнена кольматантом, способным осуществить под понуром кольматаж талых грунтов.

6. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что в теле верховой призмы плотины на заданном уровне выполнена продольная трубчатая дрена, ограничивающая максимальный уровень грунтовой воды перед промороженной низовой призмой грунтовой плотины.

7. Гидроузел по п.2, отличающийся тем, что размер внутреннего диаметра трубы более 1,2 метра.

8. Гидроузел по п.3, отличающийся тем, что по мере удаления в сторону верхнего бьефа от грунтовой плотины водопроницаемость грунтов подстилающего слоя понура и руслового талика водотока уменьшается.

9. Гидроузел по п.4, отличающийся тем, что нагорная канава содержит гидравлически сообщенную с сезоннооттаивающим слоем водоприемную призму, в которой размещена выполненная из полиэтилена с перфорацией отводящая труба.

10. Гидроузел по п.5, отличающийся тем, что в качестве кольматанта использован микродисперсный (нанодисперсный) диоксид кремния и/или его модификации и состоящий в основном из частиц крупностью от 5 до 80 нм.

11. Гидроузел по п.5, отличающийся тем, что в качестве кольматанта использован криогель, полученный из растворов полимеров, и снижающий водопроницаемость грунтов при его проникновении в грунты, и упрочняющий их при замораживании-оттаивании.