ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 2012 года по МПК E02B7/06 E02B3/16 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, преимущественно в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием гидротехнических сооружений.

Низконапорные грунтовые плотины 3 и 4 классов в северной строительно-климатической зоне обычно возводятся с мерзлотной завесой (плотины мерзлые, нефильтрующие) - принцип строительства 1 [1, 2 и 3].

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 [3].

Известна грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, тело которой содержит центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого (песчаного или глинистого) грунта, верховую и низовую боковые призмы и льдогрунтовую мерзлотную завесу в центральной части плотины и в ее основании. Мерзлотная завеса образует противофильтрационный элемент грунтовой плотины и она выполнена посредством замораживающих (охлаждающих) колонок, которые могут быть воздушными, жидкостными или парожидкостными [2, черт. 2.1 и черт.6.1,б].

Основной причиной, приводящей к аварии на мерзлой плотине, является нарушение цельности мерзлотной завесы как в теле плотны, так и многолетнемерзлом основании. Это происходит, прежде всего, из-за низкой надежности замораживающих колонок, из которых происходят утечки хладоносителя, а в воздушных колонках образуются ледяные пробки.

Известна грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, которая в качестве противофильтрационного устройства содержит железобетонную диафрагму. Рабочий проект такой плотины, расположенной в Читинской области на р.Олонгро, в 1993 году выполнен институтом Красноярскгидропроект. Высота диафрагмы достигает 22 м, а с фундаментной плитой - до 27 м при глубине котлована до 15,0 м, что превосходит высоту наземной части плотины. Эта плотина описана в источнике [4] и получила высокую оценку в источнике [5]. Однако в последнем не точно указан источник [4], именно: ошибка в фамилии одного из авторов, неверно указан год и номер журнала.

Недостатком такой плотины является большой объем работ при выполнении сопряжения диафрагмы с многолетнемерзлым основанием и недостаточная надежность этого сопряжения, следовательно, и самой плотины.

Известна грунтовая плотина, тело которой 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 из секущихся буронабивных свай, заглубленных в основание на заданную величину [6].

Тело диафрагмы, по данным «Гидроспецпроекта», может иметь коэффициент фильтрации около 0,005 м/сутки. Дополнительно при выполнении диафрагмы могут произойти расхождения буронабивных свай. В этих местах образуется сосредоточенная фильтрация, которая ведет к суффозии грунтов и нарушению температурного состояния в теле плотины и в ее основании. В результате оттаявшая верховая призма и основание непредсказуемо деформируют с нарушением цельности диафрагмы.

Таким образом, плотина как с льдогрунтовой мерзлотной завесой, так и с диафрагмой, выполненной из секущихся буронабивных свай, на многолетнемерзлом основании не достаточно надежна.

Наиболее близкой к предлагаемой грунтовой плотине на многолетнемерзлом основании является плотина, содержащая 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. Эти буронабивные сваи выполнены из пластичного глинобетона и заглублены в основание на заданную величину. С низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме. С верховой стороны противофильтрационная диафрагма может быть покрыта консистентным слоем, созданным из заинъектированного глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме. С низовой стороны противофильтрационная диафрагма может быть покрыта грунтобетонным слоем, созданным из заинъектированного цементно-глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме [7].

Повышение надежности в этой плотине обеспечивается за счет совместной работы противофильтрационной диафрагмы, льдогрунтовой мерзлотной завесы и их мерзлого основания, где они смерзанием объединены в единую водонепроницаемую конструкцию. Устойчивость и водонепроницаемость такой конструкции мало зависит как от температурного состояния верховой призмы и ее основания, так и от происходящих в них деформаций.

Однако при недостаточно интенсивной работе всех замораживающих колонок через противофильтрационную диафрагму и мерзлотную завесу может проникнуть отепляющее воздействие водохранилища с созданием гидравлической связи верхнего бьефа плотины с ее нижним бьефом. Под действием тепла водохранилища оттаивание грунтов основания может распространиться до узла сопряжения диафрагмы и мерзлотной завесы с основанием. Это может нарушить водонепроницаемость узла сопряжения, а также привести к недопустимым деформациям в верховой призме. Все это обуславливает недостаточную надежность и долговечность принятой за прототип этой известной грунтовой плотины.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, является повышение надежности и долговечности плотины. Технический же результат от использования изобретения заключается в предотвращении проникновения отепляющего воздействия водохранилища через противофильтрационную диафрагму и через узел ее сопряжения с основанием.

Указанный технический результат достигается тем, что грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, содержащая 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, а с низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме, согласно изобретению материал буронабивных свай в своем составе содержит полые микрошарики из химических соединений, содержащих кремний. Количество полых микрошариков обеспечивает уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до заданной величины.

Дополнительно:

- микрошарики могут быть керамическими, силикатными, силиконовыми и стеклянными;

- микрошарики обеспечивают уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до 1 ккал/(м·ч·°С) или еще менее;

- микрошарики имеют размеры преимущественно до 100 микрон, при этом микрошарики равномерно занимают не менее 5% объема буронабивной сваи;

- микрошарики получены из твердого остатка, образующегося при сжигании ископаемого угля, и имеют размеры преимущественно до 350 микрон, при этом микрошарики равномерно занимают не менее 10% объема буронабивной сваи;

- буронабивные сваи выполнены из пластичного глинобетона;

- подошва замораживающей колонки помещена ниже подошв, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай;

- в основании верховой призмы выполнен теплозащитный слой, примыкающий к противофильтрационной диафрагме;

- теплозащитный слой выполнен из синтетического или минерального теплоизолятора;

- теплозащитный слой выполнен из грунтового материала, содержащего в своем составе микрошарики;

- теплозащитный слой содержит полимерную пленку, которая сопряжена с противофильтрационной диафрагмой посредством призмы из связного грунта.

Именно уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай путем введения в состав материала полых микрошариков из химических соединений, содержащих кремний, а также выполнение в основании верховой призмы теплозащитного слоя, примыкающего к противофильтрационной диафрагме, обеспечивает достижение ранее указанного технического результата.

На фиг.1 показан поперечный разрез грунтовой плотины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Грунтовая плотина возводится на многолетнемерзлом основании в суровых климатических условиях при отсутствии разведанных карьеров качественных глинистых грунтов и коротком дождливом лете. Грунты основания 1 характеризуются дисперсностью на большую глубину при чрезвычайной пестроте литологии и сильной льдистостью и просадочностью при оттаивании. Обычно это пылеватые льдистые суглинки 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 7 из гравийно-галечникового грунта. В центральной части 3 плотины вертикально и по всей высоте центральной части 6 расположена противофильтрационная диафрагма (далее - диафрагма) 8, которая выполнена из секущихся буронабивных свай 9 (фиг.2), заглубленных в основание до поверхности коренных пород 2. С низовой стороны к диафрагме 8 примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса (искусственно промороженный обильно увлажненный 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.

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, который в своем составе содержит полые микрошарики (далее - микрошарики) 14 из химических соединений, содержащих кремний. Подошва 15 каждой замораживающей колонки 11 помещена ниже на заданную величину «в» подошвы 16, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай 9.

Микрошарики 14 могут быть керамическими, силикатными, силиконовыми и стеклянными. Микрошарики 14 имеют размеры преимущественно до 100 микрон, и они равномерно занимают не менее 5% объема буронабивной сваи, что обеспечивает уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до 1 ккал/(м·ч·°С) или еще меньше, т.е меньше коэффициента теплопроводности вмещающих диафрагму 8 грунтов. Микрошарики 14 могут быть получены из твердого остатка, образующегося при сжигании ископаемого угля, и иметь размеры 10-350 микрон, при этом микрошарики равномерно занимают не менее 10% объема буронабивной сваи. Такие микрошарики 14, как наиболее легкие в отстойном пруде золоотвала, плавают на поверхности воды, откуда они и извлекаются.

В основании верховой призмы 5 выполнен теплозащитный слой 17, который примыкает к диафрагме 8. Этот теплозащитный слой 17 может быть выполнен из синтетического или минерального теплоизолятора, а также из грунтового материала, содержащего в своем составе микрошарики 14. Он также может содержать полимерную пленку, сопряженную с диафрагмой 8 посредством призмы из связного грунта - пленка и призма на чертежах не показаны.

В русловой части плотины, на участке естественного талика (не показан) замораживающие колонки 11 целесообразно выполнить в два ряда.

Как и в прототипе, целесообразно диафрагму 8 с ее верховой стороны покрыть консистентным слоем 18, который может быть создан глинистым раствором посредством инъекционных скважин 19. С низовой стороны диафрагму 8 также следует покрыть грунтобетонным слоем 20, который может быть создан цементно-глинистым раствором посредством цементационных скважин 21.

На чертежах обозначены и другие элементы плотины, а именно:

22 - слой грунта;

23 - водохранилище;

24 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в предложенной плотине;

25 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в плотине, принятой за прототип;

26 - экран;

27 - понур;

28 - слой камня.

Особенности возведения грунтовой плотины следующие:

1. После выполнения теплозащитного слоя 17 грунт в элементы плотины укладывают во влажном состоянии послойно, промораживая его в холодный период года. Технологические параметры укладки грунта задают из расчета получения в центральной части 3 плотины, после выравнивания в слоях 22 температур пластично-мерзлого грунта.

2. 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 18 и грунтобетонного слоя 20 и осуществляют установку замораживающих колонок 11. Диафрагму 8 выполняют из секущих буронабивных свай 9 захватками посредством бурового агрегата, например «Casagrande». Сваи выполняют из пластичного бетона, содержащего в своем составе заданное количество микрошариков 14, которые вводят в состав бетона при его приготовлении.

3. Местоположение и конструкция водопропускного сооружения для пропуска строительных и эксплуатационных расходов (не показаны) зависят от местных условий и его выполняют так же как и плотину, с повышенной надежностью.

Особенности работы предлагаемой плотины относительно известной плотины по прототипу следующие:

1. Уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай 9 путем введения в состав материала полых микрошариков 14 из химических соединений, содержащих кремний, обеспечило диафрагме 8 новое, ранее не присущее ей свойство теплозащитной завесы, которая существенно ограничила тепловое взаимодействие водохранилища 23 с мерзлотной завесой 10. В результате этого, с одной стороны, увеличилась вероятность распространения нулевой изотермы 24 внутрь верховой призмы 5 до диафрагмы 10, что обеспечивает талое состояние консистентному слою 18, а с другой стороны, предотвращено дальнейшее проникновение нулевой изотермы 24 через диафрагму 10, что обеспечивает сохранение мерзлотной завесы и ее смерзание с диафрагмой 10.

2. Теплозащитный слой 17, выполненный в основании верховой призмы 5 и примыкающий к противофильтрационной диафрагме 8, существенно уменьшает оттаивание грунтов основания 1 в наиболее ответственном месте - перед узлом сопряжения диафрагмы 8 и мерзлотной завесы 10 с основанием 1. Это, в свою очередь, предотвращает нарушение водонепроницаемости узла сопряжения и уменьшает деформации в верховой призме 5.

3. Полые микрошарики 14 в глинобетоне диафрагмы 9, а также в грунтовом материале теплозащитного слоя 17 производят такую же теплоизоляционную работу, какую они производят в нашедших широкое применение утепляющих красках. Разреженный воздух в микрошариках 14 обеспечивает теплоотражательный эффект - возврат тепла в обратном направлении.

Обозначения:

1 - основание

2 - поверхность коренных пород

3 - центральная часть

4 - гребень плотины

5 - верховая призма

6 - низовая призма

7 - переходная зона

8 - противофильтрационная диафрагма (далее с- диафрагма)

9 - буронабивные сваи

10 - мерзлотная завеса

11 - замораживающие колонки

12 - ось замораживающих колонок

13 - ось диафрагмы

14 - полые микрошарики (далее - микрошарики)

15 - подошва замораживающей колонки

16 - подошва буронабивной сваи

17 - теплозащитный слой

18 - консистентный слой

19 - инъекционная скважина

20 - грунтобетонный слой

21 - цементационная скважина

22 - слой грунта

23 - водохранилище

24 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в предложенной плотине

25 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в плотине, принятой за прототип

26 - экран

27 - понур

28 - слой камня.

Источники информации

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

2. СНиП 2. 06. 05-84*. Плотины из грунтовых материалов. - М., 1991.

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

4. Ягин В.П., Давыдов И.А., Мик В.В., Лейманн Т.В. К вопросу о плотинах из грунтовых материалов с бетонной и железобетонной диафрагмами. // Гидротехническое строительство. 1998. №2.

5. Давыденко В.М., Фотиев П.И. Противофильтрационные конструкции грунтовых плотин для суровых климатических условий // Гидротехническое строительство. 2008. №10.

6. Малышев Л.И., Рассказов Л.Н., Солдатов П.В. Состояние плотины Курейской ГЭС и технические решения по ее ремонту // Гидротехническое строительство. 1999. №1.

7. Патент РФ №2307891. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании. / Ягин В.П., Вайкум В.А., Оголь В.Г., Руднов В.М., Гришин В.А. Е02В 7/06, опубл. 2007.10.10.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, преимущественно в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием гидротехнических сооружений. Грунтовая плотина содержит центральную часть, выполненную от основания плотины 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, заглубленных в основание на заданную величину. С низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к диафрагме. Материал буронабивных свай в своем составе содержит полые микрошарики из химических соединений, содержащих кремний. Количество полых микрошариков обеспечивает уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до заданной величины. В основании верховой призмы выполнен теплозащитный слой, примыкающий к противофильтрационной диафрагме. Предотвращается проникновение отепляющего воздействия водохранилища через противофильтрационную диафрагму и через узел ее сопряжения с основанием. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, содержащая 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, а с низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме, отличающаяся тем, что материал буронабивных свай в своем составе содержит полые микрошарики из химических соединений, содержащих кремний, при этом количество полых микрошариков обеспечивает уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до заданной величины.

2. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что микрошарики могут быть керамическими, силикатными, силиконовыми и стеклянными.

3. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что микрошарики обеспечивают уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до 1 ккал/(м·ч·°С) или менее.

4. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что микрошарики имеют размеры преимущественно до 100 мкм.

5. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что микрошарики получены из твердого остатка, образующегося при сжигании ископаемого угля, и имеют размеры преимущественно до 350 мкм.

6. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что буронабивные сваи выполнены из пластичного глинобетона.

7. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что подошва замораживающей колонки помещена ниже подошв, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай.

8. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что в основании верховой призмы выполнен теплозащитный слой, примыкающий к противофильтрационной диафрагме.

9. Плотина по п.4, отличающаяся тем, что микрошарики равномерно занимают не менее 5% объема буронабивной сваи.

10. Плотина по п.5, отличающаяся тем, что микрошарики равномерно занимают не менее 10% объема буронабивной сваи.

11. Плотина по п.8, отличающаяся тем, что теплозащитный слой выполнен из синтетического или минерального теплоизолятора.

12. Плотина по п.8, отличающаяся тем, что теплозащитный слой выполнен из грунтового материала, содержащего в своем составе микрошарики.

13. Плотина по п.8, отличающаяся тем, что теплозащитный слой содержит полимерную пленку, которая сопряжена с противофильтрационной диафрагмой посредством призмы из связного грунта.