ЗАМОРАЖИВАЮЩАЯ СИСТЕМА ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ И ПЛОТИНА С ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК E02B7/06 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к эксплуатации сооружений в условиях северной строительно-климатической зоны.

При разработке полезных ископаемых в криолитозоне вскрываются подземные воды повышенной минерализации (рассолы), имеющие отрицательные температуры и мешающие добычным работам в котлованах. Для производства работ «насухо» рассолы перекачивают в специально создаваемые рассолохранилища, образуемые с помощью грунтовых плотин.

Проблема обеспечения устойчивости грунтовых плотин в криолитозоне в процессе эксплуатации до сих пор является актуальной. Практика показала, что плотины мерзлого типа, где противофильтрационная и статическая устойчивость обеспечивается мерзлыми грунтами, на 30% экономичнее плотин талого типа. Кроме того, в суровых природно-климатических и сложных геокриологических условиях (наличие ледового комплекса) в большинстве случаев возможно использовать только плотины мерзлого типа.

Гидроузлы для хранения рассолов в условиях криолитозоны являются специфическими гидротехническими сооружениями. Специфичность их проявляется в том, что рассолохранилища в процессе эксплуатации приобретают по глубине характерный температурный и гидрохимический режим. Установлено, что придонные слои круглый год имеют устойчивую отрицательную температуру в пределах от - 4,0°С до - 8,3°С [1, 8]. Однако в силу того, что рассолы имеют высокую концентрацию солей (120-130 г/л), они замещают в мерзлых грунтах лед и превращают его в рассол при наличии отрицательных значений температур. Перейдя в новое криогенное состояние, грунт приобретает свойства, близкие к талым, и резко теряют свою фильтрационную и статическую устойчивость. Отсюда и возникают проблемы устойчивости плотин в целом, а это в свою очередь связано с экологическими проблемами, особенно гидрологическими, биологическими и другими системами целых регионов.

Известна «ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ» RU 2453655 [7], содержащая центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму, а с низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме. Плотина содержит экран, переходящий в понур.

Недостатком является низкая надежность плотины, обусловленная некруглогодичной работой замораживающих устройств и возможностью потери герметичности плотины. Недостатком также является низкая устойчивость известной плотины к растворам солей и невозможность использования водохранилища, ограниченного плотиной, для хранения природного рассола.

Наиболее близким к изобретению по решаемой задаче является система охлаждения и замораживания грунтов тела и основания плотины, содержащая скважины, пробуренные с определенным шагом вдоль плотины в один или два ряда [6]. Скважины объединены в коллекторные системы, через которые прогоняют предварительно охлажденный в замораживающих станциях искусственно приготовленный раствор. Обычно в качестве рассола используется раствор соли хлористого кальция. Известное решение [6] рассматривается авторами как прототип.

Недостатком известной системы является:

- необходимость наличия солей для приготовления охлаждающего раствора;

- необходимость приготовления рассола;

- наличие специальных установок для охлаждения раствора;

- необходимость охлаждение раствора до заданной температуры.

Задачей изобретения является повышение устойчивости плотины, эффективности применения системы за счет использования естественных криогенных ресурсов - рассолов с отрицательными температурами, хранящихся в рассолохранилище и рассматриваемых как природная холодильная машина для создания мерзлого противофильтрационного массива в теле и основании, а также использование геосинтетического солезащитного экрана с понуром, обеспечивающим дополнительную фильтрационную устойчивость сооружения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и круглогодичной стабильности работы плотины, получение возможности хранения рассолов в водоеме.

Технический результат достигается тем, что замораживающая система грунтовой плотины в зоне вечной мерзлоты (на многолетнемерзлом основании), содержащая противофильтрационное ядро со встроенными замораживающими колонками, выполненными с возможностью прохода сквозь колонки жидкой охлаждающей среды, в качестве охлаждающей среды (теплоносителя) используется рассол (водный раствор солей), характеризуется тем, что рассол используют природный (естественный), рассолы в замораживающую систему подают из рассолохранилища с помощью насоса по подающему рассолопроводу, а отработанные рассолы по отводящему рассолопроводу отводят обратно в рассолохранилище. Указанное выполнение позволит сохранить экологичность системы в целом.

Рассолозаборный узел конструктивно может быть оформлен в виде телескопической трубы, которая обеспечивает вертикальное перемещение рассолозаборника по всей глубине рассолохранилища и способно отбирать рассол с нужной глубины.

Минимально рассолозаборник может быть расположен на расстоянии h от дна ложа рассолохранилища для исключения попадания твердых частиц в рассолозаборник.

Противофильтрационное ядро плотины может отсыпаться из грунта (например, суглинка), увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости, что позволяет при замораживании грунта образовать сплошной мерзлый водонепроницаемый монолит (ледогрунтовая мерзлотная завеса - все поры в мерзлом массиве грунта заполнены льдом) и сохранить его стабильное состояние при относительно небольших отрицательных температурах теплоносителя, обеспечиваемых круглогодичным прокачиванием рассола по замораживающим колонкам.

Плотина может содержать верховую и низовую упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски, переходные зоны из песка, со стороны верхнего бьефа в переходной зоне устроен противофильтрационный геосинтетический солезащитный экран, переходящий в понур, что позволит повысить устойчивость плотины.

Устройство схематически показано на фиг. 1 (разрез), где:

1 - многолетнемерзлое основание;

2 - мерзлое противофильтрационное ядро из суглинка;

3 - геосинтетический солезащитный экран переходящий в понур;

4 - верховая упорная призма;

5 - низовая упорная призма;

6 - верховая переходная зона из песка;

7 - низовая переходная зона из песка;

8 - замораживающее устройство;

9 - рассолозаборник;

10 - насос;

11 - подающий рассолопровод;

12 - отводящий рассолопровод;

13 - подводящий коллектор;

14 - отводящий коллектор;

15 - рассолохранилище.

Устройство действует следующим образом.

В состав гидроузла входят сооружения: грунтовая плотина, замораживающая система, рассолохранилище.

Грунтовая плотина возводится на многолетнемерзлом основании 1 и содержит мерзлое противофильтрационное ядро из суглинка 2; геосинтетический солезащитный экран 3, переходящий в понур; верховую и низовую упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски 4 и 5; переходные зоны из песка 6 и 7; замораживающее устройство 8. Противофильтрационное ядро 2 отсыпается из грунта, увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости. Замораживающая система содержит следующие конструктивные элементы: замораживающее устройство 8; телескопический рассолозаборник 9; насос 10; подающий 11 и отводящий 12 рассолопроводы; подводящий 13 и отводящий 14 коллекторы; рассолохранилище естественных природных рассолов 15.

Со стороны верхнего бьефа на откос ядра и в основании верховой упорной призмы в виде понура плотины уложен геосинтетический экран 3 (типа HDPE) по переходному слою из песка 7. Со стороны нижнего бьефа к противофильтрационному экрану 3 примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая создается посредством колонок замораживающей системы 8 и герметически присоединена к экрану в результате смерзания.

Использование изобретения позволит повысить надежность плотины за счет эффективности круглогодичной работы замораживающей системы, образующих мерзлую противофильтрационной завесу в теле и основании, а использование геосинтетического экрана с понуром обеспечивает дополнительную фильтрационную, в том числе солезащитную, устойчивость сооружения.

Технический результат достигается за счет использования рассолохранилища как природной замораживающей машины, обеспечивающей формирование и длительное существование рассолов с низкими отрицательными температурами, используемых для поддержания тела и основания плотины в мерзлом состоянии, а также использование геосинтетического экрана с понуром, обеспечивающего фильтрационную, в том числе солезащитную, устойчивость сооружения.

Новым является то, что в циркуляционном контуре охлаждения используются природные растворы, низкие отрицательные температуры, в которых формируются за счет теплообмена рассолохранилища с окружающей средой.

Известны системы для охлаждения и замораживания грунта [2-5]. Рабочим флюидом в устройствах используются воздух, жидкости (керосин, специально приготовленные растворы и др.), парожидкости (диоксид углерода, аммиак, фреон и др.) Движение флюида в охлаждающих и замораживающих устройствах может осуществляться как за счет естественной конвекции, так и искусственной принудительной конвекции. В большинстве случаев эти установки являются сезонного действия (СОУ). Работают при установлении устойчивых отрицательных значениях температуры воздуха.

В качестве аналогов рассматривались плотины промышленных предприятий: плотина на р. Долгой, на р. Мяунджа, на р. Сытыкан и др. [6], включая плотину рассолохранилища на руч. Тымтыйдаах [1].

Натурные исследования показали, как уже было отмечено выше по тексту, что в рассолохранилище в процессе эксплуатации образуется специфический температурный и геохимический режимы. В вертикальном разрезе в течение года устанавливается несколько зон, температура в которых значительно ниже постоянных отрицательных температур в придонных слоях рассолохранища [1]. Для повышения эффективности охлаждающей системы целесообразно использовать этот феномен. Это можно достичь конструктивно, применив телескопическую трубу, способную перемещать рассолозаборник по вертикали для забора рассола. Рассолозаборник опускается до расстояния h от дна, которое назначается из условия исключения размыва дна рассолохранилища при работе системы.

Технический результат, обеспечиваемый за счет сочетания конструктивных особенностей и использования природного рассола с отрицательной температурой, состоит в повышении эффективности применения системы за счет отсутствия необходимости в приготовлении специального охлаждающего раствора с применением специальной машины для охлаждения приготовленного раствора до заданной температуры и отсутствия требования к определенной конфигурации замораживающих скважин, а использование геосинтетического солезащитного экрана и понура обеспечивают фильтрационную устойчивость сооружения и экологическую безопасность окружающей среды.

Новым является то, что для заполнения охлаждающей системы плотины хладоносителем используются природные растворы повышенной минерализации, имеющих в результате теплообмена рассолохлонилища с окружающей средой постоянно отрицательные значения температуры в необходимом количестве для поддержания тела и основания плотины температурно-криогенного режима, а использование геосинтетического солезащитного экрана и понура обеспечивают фильтрационную устойчивость сооружения и экологическую безопасность окружающей среды.

Технический результат - повышение надежности и стабильности работы - достигается использованием природной холодильной машины круглогодичного действия, образующейся в рассолохранилище.

Технический результат - круглогодичная стабильность - достигается использованием противофильтрационного ядра из грунта, увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости, что обеспечивает круглогодичную стабильность ядра в мерзлом состоянии.

Дополнительный технический результат - появление возможности хранения рассолов в водоеме, ограниченном плотиной, обеспечивается противофильтрационным геосинтетическим солезащитным экраном, переходящим в понур, обеспечивая изоляцию ядра плотины, содержащего пресный лед.

Промышленное применение. Изобретение может быть применено при сооружении плотин в зоне вечной мерзлоты.

Источники информации

1. Алексеев С.В. Криогидрогеологические системы Якутской алмазоносной провинции. - Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2009. - 319 с.

2. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л.: Стройиздат - 1969. - 104 с.

3. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве Новосибирск: Наука. - 1985. - 169 с.

4. Долгих Г.М., Долгих Д.Г., Окунев С.М. Технические решения по замораживанию грунтов оснований, применяемые НПО «Фундаментстройаркос» // Материалы междунар. Конф. «Криосфера нефтегазовых провинций». Тюмень, 2004. - с. 56.

5. Сидняев Н.И., Храпов П.В., Разгуляев С.В. Обзор и анализ систем для охлаждения и замораживания грунтов. Материалы Международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, посвященной XX-летию создания ООО НПО «Фундаментстройаркус». Тюмень: «Сити-Пресс». - 2011. - с. 156-183 (456 с).

6. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. М.: Энергия. - 1975. - 184 с.

7. Патент РФ №2453655. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании. / Ягин В.П., Вайкум В.А., Оголь В.Г., Гришин В.А. Е02В 7/06, опубл. 28.02.2011.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к эксплуатации сооружений в условиях северной строительно-климатической зоны. Замораживающая система грунтовой плотины в зоне вечной мерзлоты на многолетнемерзлом основании 1 содержит противофильтрационное ядро 2 со встроенными замораживающими колонками 8, выполненными с возможностью прохода сквозь колонки жидкой охлаждающей среды. В качестве охлаждающей среды (теплоносителя) используется природный (естественный) рассол. Рассолы в замораживающую систему 8 подают из рассолохранилища 15 с помощью насоса 10 по подающему рассолопроводу 11, а отработанные рассолы по отводящему рассолопроводу 12 отводят обратно в рассолохранилище 15. Рассолозаборный узел конструктивно может быть оформлен в виде телескопической трубы. Минимально рассолозаборник 9 может быть расположен на расстоянии от дна ложа рассолохранилища 15, исключающем попадание твердых частиц в рассолозаборник 9. Противофильтрационное ядро 2 плотины может отсыпаться из грунта (например, суглинка), увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости. Плотина может содержать верховую 4 и низовую 5 упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски, переходные зоны 6 и 7 из песка, со стороны верхнего бьефа в переходной зоне устроен противофильтрационный геосинтетический солезащитный экран 3, переходящий в понур. Технический результат – повышение надежности и стабильности работы – достигается использованием природной холодильной машины круглогодичного действия, образующейся в рассолохранилище. Технический результат – круглогодичная стабильность – достигается использованием противофильтрационного ядра из грунта, увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости, что обеспечивает круглогодичную стабильность ядра. Дополнительный технический результат – появление возможности хранения рассолов в водоеме, ограниченном плотиной обеспечивается противофильтрационным геосинтетическим солезащитным экраном, переходящим в понур, обеспечивая изоляцию ядра плотины, содержащего пресный лед. Изобретение может быть применено при сооружении плотин в зоне вечной мерзлоты. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Замораживающая система грунтовой плотины в зоне вечной мерзлоты, содержащая противофильтрационное ядро со встроенными замораживающими колонками, выполненными с возможностью прохода сквозь колонки жидкой охлаждающей среды, в качестве охлаждающей среды используется рассол, отличающаяся тем, что рассол используют природный, рассолы в замораживающую систему подают из рассолохранилища с помощью насоса по подающему рассолопроводу, а отработанные рассолы по отводящему рассолопроводу отводят обратно в рассолохранилище.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что конструктивно рассолозаборный узел оформлен в виде телескопической трубы, которая обеспечивает вертикальное перемещение рассолозаборника по всей глубине рассолохранилища.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что минимально рассолозаборник расположен на расстоянии от дна ложа рассолохранилища, исключающем попадание твердых частиц в рассолозаборник.

4. Плотина с замораживающей системой по п.1, отличающаяся тем, что противофильтрационное ядро отсыпается из грунта, увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости.

5. Плотина по п.4, отличающаяся тем, что содержит верховую и низовую упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски, переходные зоны из песка, со стороны верхнего бьефа в переходной зоне устроен противофильтрационный геосинтетический солезащитный экран, переходящий в понур.