Способ защиты плотины гидротехнического сооружения от разрушения

Способ защиты плотины гидротехнического сооружения от разрушения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации плотин, обеспечивающих комплексное использование водных ресурсов для нужд энергетики, орошения, водоснабжения, судоходства, рыболовства, а также охрану водных источников от истощения, и предназначено для защиты указанных сооружений от разрушения путем размыва. Разрушение плотин очень часто приводит к тяжелым последствиям: человеческим жертвам, уничтожению жилых домов и других народнохозяйственных объектов, а также сельскохозяйственных угодий.

Так, из истории плотиностроения известна [1, 2] одна из наиболее разрушительных аварий, которая произошла в 1889 г. на плотине Аут Форк в США (высота плотины 21,5 м, объем водохранилища около 20 млн. м³).

Причиной разрушения плотины был перелив воды через гребень вследствие ливневых дождей и недостаточной пропускной способности открытого берегового водосброса. В результате образовалась промоина, которая имела ширину понизу 15,5 м и поверху около 130 м. Через эту промоину водохранилище было опорожнено в течение 45 мин. Поток воды, с высотой волны до 10-12 м понесся по нижележащей долине со скоростью 22 м/с. При этом погибло 2500 человек, были смыты все мосты, железнодорожные насыпи и пути; горные массивы массой 60 т перенесены потоком на несколько сотен метров.

Несмотря на то что со времени указанной катастрофы прошло более ста лет, подобные события, может быть, только с меньшим количеством человеческих жертв, происходят регулярно до последнего времени, пример тому, например, наводнение 2002 года в Краснодарском крае. Подобные многочисленные катастрофы с человеческими жертвами, по нашему мнению, являются самым убедительным доказательством отсутствия способа (технического решения), сколько-нибудь кардинально решающего эту важнейшую для жизни людей проблему.

Основными причинами разрушения плотин в результате перелива воды через гребень являются:

- неправильный выбор расчетного паводкового расхода, в связи с чем пропускная способность водосбросов и водоспусков оказывается недостаточной;

- неисправное состояние водопропускных сооружений в период паводка;

- авария плотины, расположенной выше по течению.

Во всех перечисленных случаях уровень воды в водохранилищах перед плотинами поднимается достаточно быстро (десятки сантиметров в час), достигая гребня плотины в течение менее суток, поэтому традиционные известные способы защиты плотин, к которым следует отнести: строительство дополнительного водосбросного канала, наращивание высоты плотины, создание бетонированных устройств для пропуска паводковых вод по схемам быстротока или водослива путем фильтрации через каменную наброску, - неэффективны, так как их применение требует не только больших материальных и финансовых ресурсов, но и значительного времени их реализации. Например, время достижения бетоном хотя бы 50% прочности исчисляется многими сутками. Таким образом, последнее (временное) ограничение, как правило, является определяющим, снижающим эффективность известных способов решения поставленной задачи к нулю.

Из перечисленных способов защиты плотины при переполнении водохранилища и переливе воды через ее гребень следует считать способ, заключающийся в строительстве дополнительного водосбросного канала [1], если его выполнять, разумеется, взрывным способом.

Данное техническое решение [1, стр.282] принято в качестве наиболее близкого аналога заявленному способу.

К основным недостаткам прототипа следует отнести:

- высокую вероятность размыва русла дополнительного канала с последствиями, соизмеримыми с последствиями размыва тела плотины, из-за низкой прочности грунта;

- невозможностью широкомасштабного применения данного способа из-за возможного разрушения других близлежащих зданий и сооружений;

- отсутствия на месте взрывчатых веществ и специалистов для оперативного решения данной задачи.

В связи с изложенным для защиты плотины от разрушения, недопущения непосредственного перелива воды через гребень предлагается сброс воды из водохранилища осуществить посредством быстровозводимых трубчатых каналов, в виде сифонов [3], каждый из которых представляет изогнутую вверх трубу, находящуюся под вакуумом, с коленами разной длины, при этом короткое колено опускают под уровень воды в верхнем бьефе, а длинное колено - под уровень воды в нижнем бьефе.

Новой в заявленном изобретении является операция создания дополнительных водосбросных каналов в виде множества самотечных сифонов, переброшенных через гребень плотины, причем при опасном подъеме воды в водохранилище на гребень плотины доставляют заранее подготовленные узлы и собирают из них сифоны, при этом короткое колено каждого сифона опускают под уровень воды в верхнем бьефе, а длинное колено - под уровень воды в нижнем бьефе, одновременно собирают вакуумную установку, всасывающую камеру которой соединяют трубопроводом с высшей точкой сифона, затем сифоны вакуумируют, заполняя их водой.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

Новые признаки в совокупности позволяют оперативно, без выполнения традиционных трудоемких земляных и бетонных работ (без строительства дополнительных водосбросных земляных каналов и туннелей) понизить уровень воды в водохранилище и не допустить образования промоин и прорыв плотины и тем самым не допустить многочисленные человеческие жертвы и огромные материальные потери, которые часто неизбежны, к сожалению, при подобных катастрофах.

В материалах IX Международного конгресса по большим плотинам отмечается, что при прорыве плотины материальный ущерб от наводнения может колебаться от 1 до 100 млн. долл на 1 км затопления или от 1 до 10 долл на 1 м³ воды, прорвавшейся в нижний бьеф. При аварии плотины «Титон», стоимость которой составляла 39,5 млн. долл., полный ущерб был оценен в 400 млн. долл. [1].

Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства для реализации предлагаемого способа (фиг.1), где изображена плотина 1, разделяющая водохранилище 2 и русло реки 3, которые соединены с посредством сифона 4, с коротким коленом 5 и длинным коленом 6. В высшей точке сифона присоединена труба вакуумноой установки (вакуумного насоса). В данном примере в качестве такого устройства представлен эжектор (струйный насос) 8 с гибкими водоводами 9 и 10, имеющими на концах задвижки 11 и 12.

Заявленный способ реализуется следующим образом. При опасном подъеме воды в водохранилище 2 на гребень плотины 1 доставляют и собирают сифон 4 из заранее подготовленных узлов. При этом короткое 5 и длинное 6 колена сифона могут быть установлены стационарно, поскольку они не мешают движению транспорта по плотине в режиме обычной ее эксплуатации. Одновременно собирают вакуумную установку - эжектор 8 с гибкими трубопроводами 9 и 10 с задвижками 11 и 12, одна из которых должна быть закрыта, например, задвижка 12. Всасывающую камеру эжектора 8 соединяют трубопроводом 7 с верхней точкой сифона 4. Далее, через открытую задвижку 9 заполняют водой гибкие шланги 9 и 10, а также эжектор 8. После этого задвижку 9 закрывают, и гибкие шланги 9 и 10 опускают в воду, одновременно открывая задвижки 11 и 12. За счет разности уровней воды в водохранилище 2 и русле реки 3 по системе: гибкий шланг 9, эжектор 8 и гибкий шланг 10 начнется движение воды, которое создает вакуум в эжекторе 8. За счет этого вакуума посредством трубопровода 7 создается разряжение в сифоне 4, вода под атмосферным давлением заполняет внутренний объем сифона 4 и начинает переливаться полным сечением через плотину 1, снижая уровень воды в водохранилище 2, не допуская неорганизованный перелив ее через гребень плотины 1, образования промоин и разрушения последней.

Заявленное техническое решение позволяет организовать аварийные сбросы воды через плотины практически неограниченной производительности за счет увеличения диаметров сифонов (теоретически до 10 м) и их числа. Простота решения, низкая трудоемкость строительства сифонных сбросов воды, особенно при наличии заранее изготовленных узлов, позволяет их ввести в действие в течение считанных часов, а для небольших плотин в течение десятков минут.

Применение заявленного способа на практике позволит исключить катастрофические последствия с гибелью людей и колоссальными материальными потерями при разрушении плотин гидротехнических сооружений.

Источники информации

1. Розанов Н.Н. Плотины из грунтовых материалов. М.: Стройиздат, 1983. 296 с. - прототип.

2. Гидротехнические сооружения. М.: Стройиздат, 1978.

3. Френкель Н. 3. Гидравлика. М.-Л. Государственное энергетическое издательство, 1947.

1. Способ защиты плотины гидротехнического сооружения от разрушения, заключающийся в создании дополнительного водосбросного канала, отличающийся тем, что дополнительный водосбросной канал выполняют в виде множества самотечных сифонов, переброшенных через гребень плотины, причем при опасном подъеме воды в водохранилище на гребень плотины доставляют заранее подготовленные узлы и собирают из них сифоны, при этом короткое колено каждого сифона опускают под уровень воды в верхнем бьефе, а длинное колено - под уровень воды в нижнем бьефе, одновременно собирают вакуумную установку, всасывающую камеру которой соединяют трубопроводом с высшей точкой сифона, затем сифоны вакуумируют, заполняя их водой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что короткое и длинное колена сифона устанавливают стационарно.