ГИДРОУЗЕЛ НА ВОДОТОКЕ СЕЗОННОГО ДЕЙСТВИЯ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2011 года по МПК E02B7/04 

Изобретения относятся к гидротехническому строительству и могут быть использованы при создании на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтов преимущественно низконапорного водоснабженческого гидроузла.

На малорасходных водотоках сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов широко распространены гидроузлы, каждый из которых в своем составе содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, и водосброс открытого типа, выполненный на одном из береговых склонов. При этом водохранилище гидроузла чаще всего является единственным источником, приспособленным для водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов при них [1].

Основные конструктивные особенности таких эксплуатируемых гидроузлов заключаются в следующем.

1. Водонепроницаемым, противофильтрационным устройством плотины является непрерывная мерзлотная ледогрунтовая завеса (то же: стенка), которая обычно создана искусственным замораживанием грунтов ядра плотины, сопряжена с многолетнемерзлыми грунтами основания и в период эксплуатации постоянно поддерживается в мерзлом состоянии, т.е. плотина нефильтрующая, мерзлая.

2. Головная часть водосброса, как правило, выполнена из бетона и посредством заполненного связным грунтом зуба и мерзлотной ледогрунтовой завесы сопряжена с многолетнемерзлыми скальными грунтами склона.

Недостатки таких осуществленных гидроузлов заключаются в их низкой надежности и высокой стоимости и могут быть объяснены следующими причинами.

1. Заглубление водосброса в многолетнемерзлые скальные грунты склона приводит к нарушению верхнего водонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов (то же: плащ, панцирь, мерзлая корка), под которым часть глубинных трещин свободна ото льда и дисперсных грунтов - полые трещины. При выполнении выемки под водосброс цельность плаща нарушается, что приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из водосброса и соответственно аномально быстрому, оттаиванию многолетнемерзлых грунтов [2 и 3].

Цельность плаща может быть нарушена также при бурении скважин, производимом при изысканиях и выполнении цементационной и/или мерзлотной завесы плотины.

2. После выхода границы растепления за пределы водонепроницаемого плаща процесс оттаивания мерзлых грунтов проходит с участием системы незаполненных льдом разного порядка полых трещин путем последовательного отсекания от мерзлого массива мерзлых целиков, которые могут быть достаточно большими. Этому способствует то обстоятельство (гипотеза Ягина В.П.), что на торце потока пионерной воды образуется движущийся локальный криопег, высокая минерализация воды в котором при относительно благоприятных условиях (многолетнемерзлые грунты засолены, их температура относительно высокая, а толщина небольшая) может обеспечить прохождение потоком всей толщи многолетнемерзлых грунтов до их нижней границы.

Отсеченные талыми слоями мерзлые целики создают между талым грунтом и сплошным мерзлым грунтом переходный слой, толщина которого не выдержана. Этот переходный слой, понятие которого вводится впервые Ягиным В.П., при бурении создает видимость достижения скважиной сплошного мерзлого грунта, что не позволяет правильно назначить величину заглубления противофильтрационной завесы плотины.

Как показывает практика, современными экономически приемлемыми техническими средствами в многолетнемерзлых грунтах не удается создать в грунтовой плотине, находящейся в предаварийном состоянии, высоконадежную мерзлотную или иную завесу.

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

4. Сложность контроля над состоянием мерзлотной завесы, следовательно, и за фильтрационной надежностью плотины и водосброса.

Все это ставит под сомнение целесообразность проведения работ по восстановлению водоупорных элементов напорного фронта с помощью противофильтрационной завесы на ряде гидроузлов, находящихся практически в аварийном состоянии в условиях Крайнего Севера. Так на Сытыканском гидроузле распространение талика вправо и влево от водосброса достигало десятки метров в год, что превысило все ранее сделанные прогнозы, при этом по глубине и ширине талик вышел за контролируемые пределы [3].

Известна также грунтовая плотина мерзлого типа, которая возведена на предварительно промороженном основании из промороженных несвязных грунтов и покрыта со стороны верхнего бьефа эластичным противофильтрационным элементом (геомембрана из полимерного материала), сопряженным с мерзлым основанием посредством зуба [4].

Во-первых, сопряжение геомембраны с мерзлым основанием посредством зуба без искусственного промораживания его при эксплуатации не надежно, т.к. водонепроницаемость контакта суглинка с нарушенными при выполнении зуба коренными породами даже в промороженном состоянии не обеспечивается. Во-вторых, конструкция грунтовой плотины гидроузла не увязана с водосбросом, известные конструкции которого на многолетнемерзлых грунтах в обход грунтовой плотины сложны и/или ненадежны.

Из источника [5] 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 м² на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед. Осуществленный пример наглядно демонстрирует эффективность работы противофильтрационного пленочного экрана в условиях Крайнего Севера.

Известен гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, включающий грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, и водосброс открытого типа, расположенный между глухими участками грунтовой плотины. Грунтовая плотина снабжена противофильтрационным устройством в виде непрерывной вдоль плотины ледогрунтовой стенки, выполненной посредством замораживающих колонок в центральной зоне плотины и сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами основания. Водосброс выполнен в виде цельной гибкой габионной конструкции, усиленной выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами и поперечными элементами и заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану, выполненную из полимерного материала [6].

В известном гидроузле повышена надежность за счет выполнения водосброса открытого типа между глухими участками грунтовой плотины, т.е. 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 водосброса, следовательно, и гидроузла в целом. Однако из-за противофильтрационной ледогрунтовой стенки, которая относительно жесткая, конструктивно сложная, трудновыполнимая вдоль всей грунтовой плотины и трудноремонтируемая при эксплуатации, надежность водоснабжения потребителей остается низкой а затраты на создание гидроузла в целом - высокими.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности водоснабжения потребителей и экономия средств во время создания и эксплуатации гидроузла.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретений, заключается в том, что:

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

- повышена надежность противофильтрационных устройств гидроузла;

- упрощены конструкции противофильтрационных устройств;

- уменьшена площадь чаши водохранилища;

- упрощены работы по возведению сооружений;

- упрощено наблюдение за работой противофильтрационных устройств;

- упрощено прогнозирование оттаивания многолетнемерзлых грунтов в основании сооружений и наблюдение за их оттаиванием;

- повышена ремонтопригодность противофильтрационных устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, противофильтрационная водонепроницаемая геомембрана которого выполнена из полимерного материала и расположена на напорном откосе плотины и на дне чаши водохранилища, водосброс открытого типа, обеспечивающего сброс воды при превышении в водохранилище нормального подпорного уровня, входной порог, обеспечивающий впадение водотока в водохранилище, и сомкнутую с верхним слоем многолетнемерзлых грунтов водонепроницаемую мерзлотную насыпь. Эта мерзлотная насыпь расположена по периметру водохранилища и образует над многолетнемерзлыми грунтами нагорную канаву, которая осуществляет перехват и отвод поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды, при этом, по меньшей мере, на отдельном участке геомембрана защемлена в мерзлотной насыпе, а кромка геомембраны в узле защемления расположена ниже расчетного максимального уровня воды в водохранилище.

Дополнительно:

- водосброс выполнен в виде габионной конструкции, усиленной выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами и поперечными элементами и заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану, выполненную из полимерного материала и до заданного уровня водонепроницаемо сопряженную с геомембраной водохранилища;

- входной порог выполнен в виде габионной конструкции, заключенной снизу и с боков в теплоизоляционную оболочку и водонепроницаемую геомембрану, выполненную из полимерного материала и до заданного уровня водонепроницаемо сопряженную с геомембраной водохранилища, а посредством мерзлотной завесы - с многолетнемерзлыми грунтами основания и бортов;

- кромка геомембраны в узле защемления расположена ниже нормального подпорного уровня воды в водохранилище;

- мерзлотная насыпь усилена мерзлотной завесой, выполненной посредством охлаждающей установки, которая содержит установленные последовательно по длине насыпи на заданном расстоянии друг от другого три наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и расположенные последовательно вдоль мерзлотной завесы в грунте два грунтовых теплообменника, каждый из которых представляет собой пару замораживающих труб, расположенных в грунте вдоль насыпи между средним и крайним трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга;

- водохранилище посредством водовода сообщено с водоисточником, приспособленным для подачи из него в холодный период года в водохранилище дополнительной воды;

- мерзлотная завеса расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба и выполнена посредством охлаждающей установки, замораживающие трубы которой расположены вдоль зуба, а ее наружные теплообменники выполнены в виде трубчатых расширителей, которые расположены по одному на разных бортах входного порога и отдают тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции наружному холодному воздуху;

- кромка геомембраны в узле защемления расположена ниже нормального подпорного уровня воды в водохранилище;

- присоединение концов замораживающих труб к крайним трубчатым расширителям осуществлено посредством фланцевых соединений, каждое из которых снабжено прокладкой из теплоизоляционного материала.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - план гидроузла;

на фиг.2 - плотина, разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - водосброс, разрез Б-Б на фиг.1;

на фиг.4 - входной порог, разрез В-В на фиг.1;

на фиг.5 - входной порог, разрез Г-Г на фиг.4;

на фиг.6 - мерзлотная насыпь, разрез Д-Д на фиг.1;

на фиг.7 - мерзлотная насыпь, разрез Е-Е на фиг.1;

на фиг.8 - мерзлотная насыпь, разрез Ж-Ж на фиг.7;

на фиг.9 - мерзлотная насыпь, узел 1 на фиг.8.

Гидроузел содержит грунтовую плотину (далее: плотина) 1, которая на водотоке 2 сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов 3 создает водохранилище 4, включающем противофильтрационную водонепроницаемую геомембрану (далее: геомембрана) 5, водосброс 6 открытого типа, входной порог 7, расположенный при впадении водотока 2 в водохранилище 4 и мерзлотную насыпь (далее: насыпь) 8, расположенную по периметру водохранилища.

Грунтовая плотина 1 состоит из двух глухих частей 9 и расположенной между ними на правобережном пойменном участке водосливной части 10, непосредственно над которой выполнена головная часть 11 и прилегающая к ней часть лотка 12 водосброса 6.

Геомембрана 5 выполнена из полимерного рулонного материала и расположена на напорном откосе 13 тела 14 плотины 1 и на дне 15 чаши водохранилища 4 [фиг.2].

Водосброс 6 выполнен в виде габионной конструкции 16, заключенной снизу и с боков в геомембрану 17 (защитные прокладки геомембраны на фиг.3 условно не показаны). Эта геомембрана 17 выполнена водонепроницаемой из полимерного материала и в пределах головной части 11 водосброса 6 до заданного уровня, водонепроницаемо сопряжена с геомембраной 5 водохранилища 4. Водосброс 6 посредством отводящего канала 18 сопряжен с водотоком 2. Габионная конструкция 16 выполнена из связанных между собой проволокой габионов 19, корзины которых выполнены из проволочной сетки, имеют коробчатую прямоугольную форму с размерами, например, 1×1×2 метра и заполнены каменным материалом [7]. Габионная конструкция 16 усилена четырьмя продольными длинномерами 20, крайние из которых выполнены из тавра, а средние выполнены из труб и приспособлены к пропуску воды в режиме сифона, и поперечными элементами 21, выполненными, например, из труб.

Входной порог 7 (фиг.4, 5) выполнен из габионов 22, которые аналогичны габионам 19, связаны между собой и образуют цельную гибкую габионную конструкцию 23. Эта конструкция 23 снизу и с боков заключена в теплоизоляционную оболочку 24, выполненную, например, из пенополистирола, и водонепроницаемую геомембрану 25, выполненную из полимерного рулонного материала. Неплотности (полости) между габионами 22 заполнены, например, пенопластом 26. Геомембрана 25 до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена с геомембраной 5 водохранилища 4, а посредством мерзлотной завесы 27 - с многолетнемерзлыми грунтами 3 основания 28 и бортов 29. Мерзлотная завеса 27 расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба 30, который под руслом водотока 2 прорезает талик 31, а в бортах 29 - сезоннооттаивающий слой 32 (слой изображен на фиг.2 и фиг.6), причем до верхней границы 33 многолетнемерзлых грунтов 3. Мерзлотная завеса 27 выполнена посредством двух охлаждающих установок 34 (фиг.1), замораживающие трубы 35 и 36 которых изогнуты.

Входной порог 7 дополнительно снабжен диафрагмой 37 и двумя водосбросными трубами 38. Диафрагма 37 расположена поперек водотока и выполнена из геомембраны, которая сопряженной с геомембраной 25. Водосбросная труба 38 выполнена из полиэтилена, расположена между габионами 23 и водонепроницаемо пересекает диафрагму 37. Эта водосбросная труба 38 обеспечивает забор воды из талика 31 водотока 2 и сосредоточенный пропуск этой воды, способной образовать в холодный период года опасную наледь, через входной порог 7 в водохранилище 4.

Особенность конструкции охлаждающей установки 34 заключается в том, что она содержит два наружных теплообменника, установленных по одному на разных бортах 29 входного порога 7, и грунтовый теплообменник (фиг.5). Каждый наружный теплообменник представляет собой трубчатый расширитель 39 (левый борт) и 40 (правый борт), а грунтовый теплообменник - расположенные в грунте ранее указанные изогнутые по длине замораживающие трубы соответственно 35 и 36.

Трубчатые расширители 39 и 40 установлены друг от друга на минимально возможном заданном расстоянии, обычно не превышающем 20-25 м, и обеспечивают отдачу тепла жидкого теплоносителя, обычно керосина, при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху. Диаметр каждой замораживающей трубы 35 и 36 меньше диаметра трубчатого расширителя 39 и 40. При этом замораживающая труба 35 гидравлически сообщена входным (напорным) концом 41 с нижней по высоте частью трубчатого расширителя 39, а выходным (сливным) концом 42 - со средней частью трубчатого расширителя 40. Замораживающая труба 36 гидравлически сообщена входным концом 43 с нижней частью трубчатого расширителя 40, а выходным концом 44 со средней частью трубчатого расширителя 39. Сливные отверстия выходных концов 42 и 44 замораживающих труб 35 и 36 расположены на одном уровне 45 (фиг.5).

На относительно крутом левобережном склоне 46 (фиг.1) гидроузел содержит водонепроницаемую насыпь 8, образующую над многолетнемерзлыми грунтами 3 нагорную канаву 47, которая круглогодично обеспечивает перехват поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды и ее отвод. При этом нагорная канава 47 содержит водоприемную призму 48, в которой размещена выполненная из полиэтилена с перфорацией и выпусками отводящая труба 49 (фиг.6).

На пологом правобережном склоне 50 (фиг.1 и 7) насыпь 8 дополнительно предотвращает затопление пойменного участка 51 при форсированных уровнях воды (ФПУ) в водохранилище 4, что уменьшает площадь экранирования. На этом участке геомембрана 5 защемлена в насыпе 8, при этом кромка 52 геомембраны 4 в узле защемления расположена ниже расчетного максимального уровня воды в водохранилище 4, а местами - ниже нормально подпорного уровня (НПУ).

Эта насыпь 8 усилена мерзлотной завесой (стенкой) 53, выполненной посредством охлаждающей установки 54 (фиг.7).

Охлаждающая установка 54 содержит установленные последовательно по длине насыпи 8 на заданном расстоянии l₁ друг от друга три наружных теплообменника и два грунтовых теплообменника (фиг.8).

Каждый из наружных теплообменников представляет собой трубчатый расширитель соответственно 55, 56 (средний) и 57, который отдает тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху.

Каждый из грунтовых теплообменников представляет собой пару изогнутых по длине замораживающих труб 58 и 59. Эти трубы 58 и 59 расположены на заданном расстоянии l₂ друг от друга в грунте между двумя смежными трубчатыми расширителями 55 и 56 (средний), а также между трубчатыми расширителями 56 и 57.

Замораживающая труба 58 пары расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя 32 и гидравлически сообщена входным (напорным) концом 60 с нижней по высоте частью среднего трубчатого расширителя 56, а выходным (сливным) концом 61 - со средней частью крайнего трубчатого расширителя 55 или 57. Другая замораживающая труба 59 пары расположена в пределах насыпи 8 и гидравлически сообщена входным концом 62 с нижней частью крайнего трубчатого расширителя 55 или 57, а выходным концом 63 - со средней частью среднего трубчатого расширителя 56. Сливные отверстия всех четырех выходных концов обеих пар замораживающих труб 58 и 59 расположены на одном уровне 45.

Конструктивно входные концы 60 обеих труб 58 целесообразно объединить в одну трубу (см. фиг.8). Входные концы 63 обеих труб 59 также могут быть объединены в одну трубу - на фиг.8 эти концы 63 изображены раздельно.

Присоединение концов 61 и 62 замораживающих труб 58 и 59 к крайним трубчатым расширителям 55 и 57 осуществлено посредством фланцевых соединений 64 (фиг.9), каждое из которых снабжено прокладкой 65 из теплоизоляционного материала и болтами 66 из полимерного материала.

Диаметры среднего трубчатого расширителя D_cp, крайних трубчатых расширителей D_кр и замораживающих труб d_т удовлетворяют условию: D_cp>D_кp>d_т. При этом D_сp≈2 d_кр.

На теплый период года крайние трубчатые расширители 55 и 57 снабжают защитными коробами 78 (фиг.9), а средний трубчатый расширитель 56 - защитным шатром (не изображен).

На чертежах позициями обозначены и другие элементы конструкций и среды, а именно:

67 - защитная призма (плотины);

68 - питательная канавка;

69 - плащ (мерзлая корка);

70 - граница защищаемого пойменного участка;

71 - уровень керосина летом;

72 - уровень керосина зимой;

73 - уровень (плоскость) сравнения;

74 - дневная поверхность;

75 - верхняя граница мерзлых грунтов, установившаяся после создания гидроузла;

76 - крышка с резьбой;

77 - отверстия для слива;

78 - защитный короб (летний);

79 - поток воды;

80 - водосбросная труба;

L_ст - длина мерзлотной стенки, создаваемой одной охлаждающей установкой.

Создание гидроузла осуществляют в следующей последовательности.

Один-два теплых периода года возводят правобережную часть плотины 1 с водосбросом 6 и осуществляют укладку геомембраны 5 на подготовленное дно 15 чаши водохранилища 4 на всей незатопляемой водотоком 2 площади.

Затем за один холодный период года после прекращения поверхностного стока в водотоке 2 и до весенне-летнего паводка выполняют следующие работы:

- завершают возведение грунтовой плотины 1, включая укладку геомембраны 5 на напорный откос 13 тела 14, затем отсыпают защитную призму 67;

- завершают укладку геомембраны 5;

- возводят входной порог 7 и насыпь 8.

Особенность возведения входного порога 7 заключается в том, что работы осуществляют преимущественно после промерзания талика 31 водотока 2, а зуб 30 посредством охлаждающей установки 34 промораживают.

При возведении правобережной насыпи 8 сначала в пределах сезоннооттаивающего слоя 32 устанавливают замораживающие трубы 58, после чего до уровня замораживающих труб 59 возводят насыпь 8 с замораживанием грунта в холодный период года естественным холодным наружным воздухом, при этом грунт посредством питательных канавок 68 насыщают водой. Затем устанавливают замораживающие трубы 59, насыпь 8 возводят на полную высоту, устанавливают трубчатые расширители 55, 56 и 57 и по всей длине насыпи 8 и в холодный период года задействуют охлаждающие установки 54. Совместное воздействие на насыпь 8 холодного наружного воздуха и замораживающих труб 58 и 59 обеспечивает создание мерзлотной завесы 53 и ее качественное смыкание с геомембраной 5 и водонепроницаемым плащом 69 многолетнемерзлых грунтов 3.

Основная особенность работы гидроузла заключается в том, что мерзлотная насыпь 8 защищает правобережный пойменный участок 51 до границы 70 от непродуктивного затопления, прежде всего при форсированных уровнях воды, а также при более низком уровне, но не ниже, чем на 1 м от НПУ. В последнем случае на мелководье уменьшается непродуктивный расход воды на образование льда в начале холодного периода года. За счет всего этого площадь чаши водохранилища, в зависимости от местных условий, может быть уменьшена до 25% и более, что в такой же мере уменьшит площадь экранирования чаши водохранилища 4 геомембраной 5.

Другие особенности работы гидроузла при эксплуатации заключается в следующем.

1. Геомембраны 5 водохранилища 4, 17 водосброса 6 и 25 входного порога 7 обеспечивают полную гидроизоляцию этих сооружений гидроузла от многолетнемерзлых грунтов 3.

2. Мерзлотная завеса 27 входного порога 7 и мерзлотная насыпь 53 насыпи 8 круглогодично предотвращают проникновение воды из подруслового талика 31 и со склонов 46 и 50 под геомембрану 5 к многолетнемерзлым грунтам 3. Это предотвращает конвекционный вынос тепла из-под геомембраны 5, что замедляет оттаивание многолетнемерзлых грунтов 3.

3. При движении потока воды по головной части 11 и лотку 12 водосброса 6 его водонепроницаемая геомембрана 17 предотвращает водонасыщение плотины 1. Это повышает устойчивость всей габионной конструкции водосброса 6 на сдвиг в направлении потока и защищает многолетнемерзлые грунты 3 от оттаивания. При этом малые меженные расходы могут быть пропущены только малорасходными трубами-длинномерами 20, приспособленными для работающей в сифонном режиме.

4. Высокая эластичность геомембраны 5, 17 и 25, а также гибкость габионной конструкции 16 водосброса 6 и габионной конструкции 23 входного порога 7 обеспечивают высокую приспособляемость сооружений гидроузла к деформациям при оттаивании мерзлых грунтов 3. По этим наблюдаемым деформациям судят о работе геомембраны и делают прогноз дальнейшего оттаивания грунтов 3, а при необходимости производят ремонтные работы, прежде всего геомембраны 5.

5. В предложенном гидроузле оттаивание мерзлых грунтов 3 происходит сверху вниз, при этом в соответствии с законами теплотехники на растепление искусственно созданным водохранилищем насыщенного льдом мерзлого плаща 69 многолетнемерзлых грунтов 3 естественным путем требуется длительное время. Оттаявшие под геомембраной 5 грунты уплотняются гидростатическим давлением, при этом по мере оттаивания грунтов водонепроницаемый плащ 69 естественным путем опускается (утолщается) вниз в многолетнемерзлые грунты 3 без нарушения своей водонепроницаемости.

6. Принцип работы охлаждающей установки 54 основан на известном свойстве жидкого теплоносителя, изменять плотность в зависимости от температуры [8]. Так керосин при охлаждении на один градус уменьшает объем и увеличивает плотность на 0,11%. Поэтому свободная поверхность керосина в гидравлически сообщающихся трубчатых расширителях 55, 56 и 57 зимой опускается с летнего уровня 71 до зимнего уровня 72. При этом зимой на любом наземном уровне (плоскости) сравнения 73 (фиг.9), пересекающем концы замораживающих труб 58 и 59, гидростатическое давление более холодного керосина во входных концах 60 и 62 будет выше, чем гидростатическое давление менее холодного керосина в сливных концах 61 и 63. Именно это обстоятельство обеспечивает естественную конвекцию керосина в охлаждающей установке 54, при которой через наружную поверхность трубчатых расширителей 55, 56 и 57 происходит отдача холодному наружному воздуху тепла, вынесенного керосином из грунта.

7. Фланцевое присоединение замораживающих труб 58 и 59 к крайним расширителям 55 и 57 позволяет при неравномерных деформациях по длине насыпи 8 устанавливать трубчатые расширители 55 и 57, следовательно, и сливные отверстия выходных концов на уровне сливных отверстий среднего расширителя 56. При этом прокладка 65 предотвращает летнее растепление мерзлотной завесы 53 со стороны замораживающих труб 58 и 59.

Источники информации

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

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

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

4. Патент Российской Федерации №2310035, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.11.2007.

5. Патент Российской Федерации №2267576, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.01.2006.

6. Патент Российской Федерации №2374387, кл. Е02В 7/06 опубл. 27.11.2009.

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

8. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями. / Воронежский инж. строит. ин-т. М.: Транспорт, 1989. Приложение 9.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при создании на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов преимущественно низконапорного водоснабженческого гидроузла. Гидроузел содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, водосброс открытого типа, обеспечивающий сброс воды при превышении в водохранилище нормального подпорного уровня, входной порог, обеспечивающий впадение водотока в водохранилище, и водонепроницаемую мерзлотную насыпь, сомкнутую с верхним слоем многолетнемерзлых грунтов. На напорном откосе плотины и на дне чаши водохранилища расположена противофильтрационная водонепроницаемая геомембрана, выполненная из полимерного материала. Мерзлотная насыпь расположена по периметру водохранилища и образует над многолетнемерзлыми грунтами нагорную канаву, которая осуществляет перехват и отвод поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды. По меньшей мере, на отдельном участке геомембрана защемлена в мерзлотной насыпи. Кромка геомембраны в узле защемления расположена ниже расчетного максимального уровня воды в водохранилище. Повышается надежность водоснабжения потребителей и работы гидроузла. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, характеризующийся тем, что он содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, противофильтрационная водонепроницаемая геомембрана которого выполнена из полимерного материала и расположена на напорном откосе плотины и на дне чаши водохранилища, водосброс открытого типа, обеспечивающий сброс воды при превышении в водохранилище нормального подпорного уровня, входной порог, обеспечивающий впадение водотока в водохранилище, и сомкнутую с верхним слоем многолетнемерзлых грунтов водонепроницаемую мерзлотную насыпь, расположенную по периметру водохранилища и образующую над многолетнемерзлыми грунтами нагорную канаву, которая осуществляет перехват и отвод поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды, при этом, по меньшей мере, на отдельном участке геомембрана защемлена в мерзлотной насыпи, причем кромка геомембраны в узле защемления расположена ниже расчетного максимального уровня воды в водохранилище.

2. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что водосброс выполнен в виде габионной конструкции, усиленной выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами и поперечными элементами и заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану, выполненную из полимерного материала и до заданного уровня водонепроницаемо сопряженную с геомембраной водохранилища.

3. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что входной порог выполнен в виде габионной конструкции, заключенной снизу и с боков в теплоизоляционную оболочку и водонепроницаемую геомембрану, выполненную из полимерного материала и до заданного уровня водонепроницаемо сопряженную с геомембраной водохранилища, а посредством мерзлотной завесы - с многолетнемерзлыми грунтами основания и бортов.

4. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что кромка геомембраны в узле защемления расположена ниже нормального подпорного уровня воды в водохранилище.

5. Гидроузел по п.1, отличающийся тем, что мерзлотная насыпь усилена мерзлотной завесой, выполненной посредством охлаждающей установки, которая содержит установленные последовательно по длине насыпи на заданном расстоянии друг от друга три наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и расположенные последовательно вдоль мерзлотной завесы в грунте два грунтовых теплообменника, каждый из которых представляет собой пару замораживающих труб, расположенных в грунте вдоль насыпи между средним и крайним трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга.

6. Гидроузел по п.3, отличающийся тем, что мерзлотная завеса расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба и выполнена посредством охлаждающей установки, замораживающие трубы которой расположены вдоль зуба, а ее наружные теплообменники выполнены в виде трубчатых расширителей, которые расположены по одному на разных бортах входного порога и отдают тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции наружному холодному воздуху.

7. Гидроузел по п.4, отличающийся тем, что кромка геомембраны в узле защемления расположена ниже нормального подпорного уровня воды в водохранилище.

8. Гидроузел по п.5, отличающийся тем, что присоединение замораживающих труб к крайним трубчатым расширителям осуществлено посредством фланцевых соединений, каждое из которых снабжено прокладкой из теплоизоляционного материала.