Ледяная плотина Советский патент 1940 года по МПК E02B7/02 

Лед, как строительный материал, давно применяется для различных временных сооружений в северных районах, а также ив районах с более теплым климатом для некоторых специальных сооружений. Замороженные неремычки из воды гфи постройке гидротехнических сооружений и железных дорог применяются уже несколько десятков лет и вполне оправдали себя как в отношении роста постройки, так и стоимости сооружений; временное замораживание грунтов также давно известно и нередко применяется на стройках. Устраивались и временные железнодорожные ветви с ледяным полотном. Таким образом, практическое использование льда как, строительного материала не представляет новизны. В последнее время предлагалось возводить из льда плотины с применением системы охлаждающих труб, поддерживающих низкую температуру льда, но практического применения эти плотины не получили. Описываемое предложение также относится к ледяным плотинам, имеющим систему охлаждающих труб. Особенностью предлагаемой плотины является то, что над плотиной сделано покрытие, под которое выведены концы охлаждающих труб. Кроме того, в предложенной плотине предусмотрен экран, расположенный на некотором расстоянии от напорной поверхности плотины. В плотине может быть предусмотрен также один или несколько охлаждающих коридоров, служащих распределителями для системы охлаждающих труб. Трубы, расположенные у напорной грани плотины, могут быть объединены в целую пространственную ферму. Указанные особенности конструкции плотины имеют в виду использовать следующие свойства льда и ледяных плотин. Во всех возможных случаях строительства из льда имеется в виду обычный лед, имеющий удельный вес на 10-140/0 меньще воды. Строительная прочность обычного пресного льда в наибольшей степени зависит от температуры и частично от внешних условий. При достаточно низких температурах, например, при минус 20° и ниже, прочность льда приближается к прочности самых слабых горных пород. При одностороннем давлении лед течет с некоторой незначительной скоростью, зависящей от температуры и от давления; текучесть, льда при 0° совершенно ясно выражена, при малых отрицательных температурах - то же; следовательно текучесть не может быть игнорирована при возведении постоянных сооружений. Поэтому, невозможно сооружать плотины из льда, замораживая воду, например до минус 5° или минус 10°, а нужно замораживать ее гораздо глубже. Равным образом, должно быть учитываемо и таяние льда под давлением. Упомянутая выше текучесть- льда также происходит вследствие таяния льда под давлением, например, подпора воды и собственного веса. Современное изучение льда дает возможность предполага-ть, что при температурах минус 22° и ниже и средних давлениях лед практически уже не имеет свойств текучести и ие плавится под давлением. Следовательно, плотины из льда, как строительного материала, должны в массиве, а также и в. промороженных грунтах основания, получить температуры не выше минус 22°, причем желательны еш,е более низкие температуры, например минус 25-30°. При температурах выше минус 22° плотинные массивы как будто должны обнаружить свойство самопередвижения, аналогично самосползанию ледников с перемешениями на нисколько метров в год, что недопустимо; плотины же с температурами ниже минус 22° уже могут считаться практически неспособными к самопередвижению, и соответствуюш;ий лед может считагься надежным строительным материалом при, условии, конечно, поддержания низких температур неопределенно долгое время. Однако эти требования следует рассматривать, как трудно выполняемые на практике; в действительности придется итти на более высокие температуры замораживания- минус 20° и даже минус 15°, имея в виду незначительные сушествуюш,ие давления. Наибольший расход энергии потребуется на самый процесс замораживания. В дальнейшем неизбежно установятся значительные потери отрицательного тепла; наружные слои массива получат температуры более высокие, чем минус 18-20° и поверхностные слои плотины будут срабатываться; неизменность контура и положения плотины может быть поэтому достигнута лишь непрерывным восстановлением, непрерывным намораживанием потерь контура как со стороны подпора воды, так и с низовой стороны. Таким образом, ледяная плотина, будучи сначала объектом строительства, в последуюш,ем, т. е. Б эксплоатации, должна быть объектом непрерывного самовосстановления. На чертеже фиг. 1 изображает попере;чный разрез предложенной плотины; фиг. 2 - вид со стороны верхнего бьефа; фиг. 3 - поперечный разрез плотины в процессе возведения ее; фиг. 4 - план; фиг. 5 и 5а - варианты расЛоложения водоспускных устройств; фиг. 6 - продольный разрез, плотины в процессе возведения ее; фиг. 7 - вариант расположения охлаждающих коридоров плотины; фиг. 8 - поперечный разрез плотины во втором варианте расположения охлаждающих труб с напорной стороны. Со стороны подпора воды плотина должна иметь вертикальную стенку для минимального контакта с более теплой водой. Вся нижняя зона массива плотиньь / должна получить температуру порядка минус 25-30°, а верхняя и откосная зоны -- минус 22-18°. Температуры порядка минус 25-30° устанавливаются и в прилегающей к подошве плотины зоне грунтов основания 2, так что между телом плотины и замороженным основанием устанавливается монолитная связь и -сцепление, обусловливающее прочность плотины на опрокидывание, на срезывание и на всплывание; особая подготовка основания не нужна, так как пропитанный водой грунт по мере промерзания по самому непра- . аильному контуру постепенно превращается в надежное основание, надлежаще сцепленное с прилегающими породами. Реакция от давления воды вверх (всплывание) отпадает, так как самой воды здесь нет, а если бы она появилась при какой-либо трещине, то была бы превращена в лед. Для установления начального (во время постройки) и последующего - восстановительного (в эксплоатации) отрицательного теплообмена, в нижней части плотины устраивается основной холодильный коридор (тоннель) 4, в котором непрерывно поддерживается потребная низкая температура, например, минус 35°, при помощи холодильных труб 5 (фиг. 3), идущих от холодильной компрессорной станции 5. В случае надобности, если плотина вообще очень длинна или высока, может быть устроенонесколько охлаждающих коридоров, как показано, например, на фиг. 7. Холодильный коридор 4 является центром распределения холодильной энергии по всем холодильным трубопроводам массива плотины. При постройке все эти трубопроводы наращиваются постепенно по мере надобности, т. е. по мере намерзания горизонтальных слоев плотины. В системе холодильных труб плотины циркулирует воздух, а в холодильных трубах 4 основного холодилъного коридор(а - холодильный рассол от станции 5. В массиве плотины, непосредственно у вертикальной стенки плотины, со стороны подпора воды устраивается трубчатая пространственная ферма 6, состоящая из ряда двойных трубчатых, стоек, связанных между собой трубчатыми поясами и раскосами; такая трубчатая ферма устанавливается . по всему вертикальному фронту плотины. Все трубы вверху открыты и по ним проходит холодный воздух из основного холодильного коридора 4. Холодный воздух, выходящий из всей системы труб фермы 6, попадает вверху под покрытие 7, защищающее верх и откос плотины от солнечного нагревания и от ветра. Пройдя между телом (откосом) плотины и покрытием 7, воздух подается вентилятором обратно в основной холодильный коридор 4. В самом массиве плотины устанавливаются еще одиночные трубы 8 (фиг. 1), также открытые вверху и отходящие от холодильного коридора; таким образом, охлаждённый воздух циркулирует из основного холодильного коридора 4 по всей системе труб в теле плотины, попадает из них под покрытие 7 и из последнего - обратно в коридор 4, отдавая по пути следования отрицательное тепло. Вся система труб пространственной решетки 6 соединяется еще с напорными и обратными трубами 9 в канавках на откосах боковых примыканий плотины, как показано на фиг. 6. Эти же трубы 9 питают V-образные I ответвления 10, опускаемые в неболь щие скважины, что необходимо для промораживания основания плотины. ; Наконец, готовая ледяная плотина может быть снабжена экраном II, устраиваемым из дерева и подвешенным параллельно вертикал{|ной стенке плотины на некотором расстоянии. I Значение этого экрана следующее. Если бы его не было, то теплая вода, подпертая плотиной, нагревала бы лед своим теплообменом с ледяным ; массивом, довоДя его до темпера:Тур, ; не выдерживающих давлений. При наличии экрана, между ним и стенкой ; I плотины устанавливается спокойная j вода. Для обеспечения этого можно еще сделать и перпендикулярные к экрану перегородки. Таким образом, ; вода, даже в самое жаркое время, получит температуру, весьма б.тазкую к нулю, т. е. всегда готовую к замерзанию за счет потерь прилегающего к ней ледяного массива. Холодильные I трубы фермы 6 расположены очень близко от границы стенки массива, : следовательно, на известном этапе i структурного разрушения льда, сейчас же начнется подмерзание нового слоя льда по всему фронту труб. Для аналогичного самовосстановления по откосу плотины, .под покрытием 7, можно установить небольшие воДяные распылители: водяные мелкие брызги, попадающие на ледяной откос, имеющий температуру ниже нуля, будут быстро замерзать. Изображенный на фиг. 8 второй вариант плотины отличается от предыдущего тем, что ферма 6 только

частично состоит из охлаждающих труб, расположенных в массиве плотины, а остальная часть состоит из сплошных стержней.

Все перечисленные устройства предполагают, что холодильная станция 5 работает аммиаком или сернистым ангидридом в качестве рабочего вещества; если же будет принят тип холодильной станции с рабочим веществом - воздухом, то в эксплоатации можно все поднавесное пространство вверху и на откосе плотины использовать как расширительное пространство, причем образующийся при расширении снег будет также участвовать в восстановительном процессе. В этом случае в общей конструкции плот;ины отпадают только холодильные трубы 5 в основном холодильном коридоре 4,

Работа по сооружению ледяной плотины ведется следующим порядком.

1.Сооружается строительная холодильная установка на полную холодильную мощность.

2.Устраивается, как и во всех обычных постройках плотин, отвод воды в форме водоспускного сооружения. Водоспускные устройства обычного типа из бетона, железобетона можно конструктивно связать и с ледяным массивом плотины по схемам, изображенным на фиг. 5 и 5а {водоспускные устройства обозначены цифрой 12).

3.После элементарной очистки места и разбивки плотины закладывают и сооружают основной холодильный коридор 4 на полную длину; коридор может быть сооружен из бутовой кладки, из бетона или железобетона.

4.Заготовляют ручным или машинным бурением всю начальную группу скважин для труб 10 в нижней части плотины, т. е. в примыкании к холодильному коридору 4.

5.Оборудуют основной холодильный тоннель 4 всеми необходимыми трубопроводами, именно:

а)основным холодильным трубопроводом 3 с холодильным раствором;

б)трубопроводом 13 (фиг. 3), подающим воздух, забирая его в зоне

замораживания под защитным навесом;

в) трубами 14 (фиг. 6) для прикрепления к ним всех отводящих труб холодильной сети.

6.Укладывают в особых канавках нижние поясные трубы 9 восстановительной фермы 6; делают от них Vобразные отводы 10 в скважины основания и наращивают первые нижние звенья стоек фермы 6. .

7.Трубы в скважинах 15 (фиг. 4) по всему основанию плотины устанавливаются также по мере надобности (сначала лишь в нижней зоне замораживания) и питаются также . от труб, укладываемых в канавках, аналогично трубам 9.

8.Устанавливают нижние вертикальные трубчатые звенья фермы 6 и первый ряд горизонтальных и диагональных связей ее, а также и нижние звенья вертикальных труб 8.

9.Устанавливают на деревянных стойках (крепятся сначала на землю, а потом на лед) начальную нижнюю часть защитного покрытия 7 и временного навеса 16 (фиг. 3) с подшивкой термоизоляцией.

10.У самых нижних стоек защитного навеса 16 укрепляют первые формовочные щиты 17 (фиг. 3); такие же формовочные щиты 18 устанавливают и со стороны подпора воды, укрепляя их на трубах фермы 6.

11.Устанавливают первую нижнюю часть экрана 11, укрепляя его доски на горизонтальные трубы фермы 6.

12.Устанавливают под навесом 17 переносный питающий водопроводпульверизатор 19 (на фиг. 3 показано положение не в самом начале, а когда отштрихованная часть ледяного массива уже, заморожена).

13.Когда все означенное готово (все вертикальные трубы открыты в

поднавесное пространство), пускают в ход холодильную установку 5 на полную мощность примерно на 6-10

суток, во время которых устанавливается первое замораживание грунта

в самой нижней части и общая весьма низкая температура во всем поднавесном пространстве (7, 16). Когда

установится потребная температура от минус 20 до минус 30°, пускают

соду в пульверизаторы и с этого момента начинают намораживание массива плотины.

14. По мере намораживания горизонтальных слоев плотинного массива, лед подымается до краев первых щитков 17 и 18; тогда ставят следующий ряд таких же щитков и т. д., одновременно наращивая, по мере надобности, и покрытия 7, 16 и переставляя выше пульверизующий водопровод. Когда лед доходит до концов трубных звеньев фермы 6 и всех прочих .труб, их наращивают новыми звеньями, работая уже под навесным покрытием; наращивают также и экран 1L - /

Предмет изобретения.

1. Ледяная плотина,, в которойприменена система охлаждающих труб.

отличающаяся тем, что над плотиной сделано покрытие 7, под которое выведены открытые концы охлаждающих труб.

2.Плотина по п. 1, отличающаяся тем, что на некотором расстоянии от напорной поверхности плотины установлен экран //.

3.Форма выполнения плотины по пп. К и 2, отличающаяся тем, что в ней имеется один или несколько охлаждающих коридоров 4, служащих распределителями для системы труб, охлаждающих тело плотины и ее основание.

4.Форма выполнения плотины по пп. 1-3, отличающаяся тем, что охлаждающие трубы, расположенные с напорной стороны плотины, соединены между собой в виде пространственной фермы 6. к авторскому свидетельству В. 56638 А. Покшишевского