Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании

Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области гидротехнического строительства в Северной строительно-климатической зоне, преимущественно в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием гидротехнических сооружений, и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации плотин, расположенных в указанной зоне.

Известна грунтовая плотина, включающая верховую и низовую призмы, ядро и верховые и низовые переходные слои (см., например, Пехтин В.А. О безопасности плотин в северной строительно-климатической зоне. Гидротехническое строительство. 2004. №10, с.6, рис.1). В этой известной плотине (Колымская ГЭС), где среднегодовые температуры воздуха доходят до минус 13°С, низовая призма промерзает, образуя льдогрунтовый массив, который смыкается с многолетнемерзлым основанием и с ядром плотины. В таких условиях промороженная низовая зона переходных слоев не может отводить профильтровавшуюся воду, а сохранившиеся ее локальные талые участки работают в непредсказуемых экстремальных режимах, что может привести к нештатным ситуациям.

Известна аналогичная грунтовая плотина, которая дополнительно включает в себя тепловую завесу, размещенную вдоль плотины в зоне низовых переходных слоев. В этой плотине тепловая завеса выполнена в виде капельно-фильтрующей по переходным слоям подогретой воды, которая подается по трубам на пленку, покрывающую гребень ядра. Подогретая вода, скатываясь с пленки, прогревает гребень ядра, переходные слои и создает в них запас тепла (а.с. СССР №1613531, кл. Е02В 7/06). Однако эта тепловая завеса предъявляет дополнительные требования к несуффозионности материала переходных слоев, усложняет контроль положения границы положительных температур и требует дополнительные технические средства для безопасного вывода воды за пределы льдогрунтовой низовой призмы.

Известна грунтовая плотина, включающая верховую и низовую призмы, ядро, верховые и низовые переходные слои и тепловую завесу. В случае включения в основание плотины подпорной стенки, выполненной из бетона, непосредственно и водонепроницаемо примыкающей к ядру со стороны нижнего бьефа, содержащей в своем теле галерею и обеспечивающей пропуск поверх себя весеннего строительного паводка, тепловая завеса выполнена воздушной. В этом случае галерея по длине снабжена средствами для подачи сначала в галерею, а затем из нее в низовую призму теплого летнего воздуха, который восходящим потоком поднимается от основания плотины к ее оголовку (Ягин В.П. Плотины из грунтовых материалов, возводимые в Северной строительно-климатической зоне. Гидротехническое строительство. 1997. №3). Такая воздушная тепловая завеса предотвращает промерзание низовых переходных слоев, ядра и в значительной мере низовой призмы. Однако в такой тепловой завесе энергия расходуется непроизводительно на подогрев большого объема низовой призмы. При этом за работой тепловой завесы требуются тщательный контроль, а также требуются дополнительные технические средства для безопасного вывода профильтровавшейся воды за пределы льдогрунтовой низовой призмы.

Прототипом заявляемого технического решения выбрана грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, ядро, верховые и низовые переходные слои, тепловую завесу, помещенную вдоль плотины в зоне низовых переходных слоев и выполненную в виде ряда последовательно расположенных скважин, каждая из которых оборудована, по меньшей мере, одним обогревательным устройством. С низовой стороны от ядра в нижней части плотины расположен дренаж. Водосборная часть дренажа расположена в зоне положительных температур, создаваемых тепловой завесой (пат. RU №2250296, опубл. 20.04.2005).

Такая плотина недостаточно надежна из-за низкой эффективности отвода воды из дренажа. Действительно, тепловая завеса помещена в пределах переходных слоев (фильтров) и только в случае ее глубокого заглубления в основание может создать положительные температуры в водосборной части дренажа. При этом водоотводящая часть дренажа может оказаться в мерзлой части низовой призмы и перестать функционировать. Это объясняется тем, что в тело низовой призмы практически всегда включается низовая строительная перемычка, причем вместе с ее противофильтрационным элементом. При эксплуатационных колебаниях уровней воды в нижнем бьефе реки перемычка препятствует теплообмену между отепленной до плюс 5-10°С речной водой и водой, охлажденной в порах каменной наброски до околонулевой температуры. Это ведет к промораживанию нижней части низовой призмы и к ее смыканию с многолетнемерзлым основанием (см. прототип, фиг.3). К тому же ни в описании прототипа, ни в его чертежах с очевидностью не указано место расположения водоотводящей части дренажа и не приведены технические средства, которые смогли бы обеспечить положительные температуры в водоотводящей части дренажа, без чего невозможно обеспечить высокую надежность данной плотины. Дополнительно плотина не снабжена средствами для защиты оголовка ядра от промерзания.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности грунтовой плотины на многолетнемерзлом основании. Технический же результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности создания положительных температур как в водосборной части дренажа, так и по всей длине его водоотводящей части.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, ядро, верховые и низовые переходные слои, тепловую завесу, помещенную вдоль плотины в зоне низовых переходных слоев и выполненную в виде ряда последовательно расположенных скважин, каждая из которых оборудована, по меньшей мере, одним обогревательным устройством, и расположенный с низовой стороны от ядра в нижней части плотины дренаж, водосборная часть которого расположена в зоне положительных температур, согласно изобретению снабжена средством для создания в оголовке ядра положительной температуры, а водоотводящая часть дренажа расположена в нижней части низовой призмы у дна русла реки и имеет непосредственный выход в реку. Одновременно с этим водоотводящая часть дренажа выполнена из каменной наброски (крупного камня), высокая водопроницаемость которой при эксплуатационных колебаниях в нижнем бьефе уровней воды в реке постоянно обеспечивает создание в водоотводящей части дренажа положительных температур за счет периодического входа-выхода отепленной речной воды в поры каменной наброски водоотводящей части дренажа при повышении-понижении уровня воды в реке. В случае включения в нижнюю часть плотины подпорной стенки, выполненной из бетона, непосредственно и водонепроницаемо примыкающей к ядру со стороны нижнего бьефа, содержащей в своем теле галерею и обеспечивающей пропуск поверх себя весеннего строительного паводка, галерея подпорной стенки снабжена отопительным устройством, обеспечивающим обогрев полости галереи, а водосборная часть дренажа расположена в зоне положительных температур, создаваемых теплом гидратации цемента подпорной стенки в первый период эксплуатации плотины и отопительным устройством галереи в последующий период.

В качестве средства для создания в оголовке ядра положительных температур целесообразно использовать электропроводящий слой, расположенный в верхней части плотины и включающий в себя электроды, которые тоководами соединены с источником электрического тока, или, например, размещенную в оголовке плотины отапливаемую галерею, внутри которой помещен участок свободной поверхности оголовка ядра.

Основная сущность технического решения заключается в том, что водоотводящая часть дренажа в плане расположена по тальвегу реки и выполнена из высокопроницаемой каменной наброски - слабопроницаемые элементы низовой строительной перемычки, перегораживающей реку, с ее пути удаляются. Поперечные размеры водоотводящей части дренажа и водопроницаемость ее каменной наброски назначены из условия обеспечения положительных температур в водоотводящей части дренажа при эксплуатационном режиме колебаний в нижнем бьефе уровня воды в реке. Все это позволяет получить указанный технический результат.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена предлагаемая плотина с галереей в основании ядра, поперечный разрез на русловом участке; на фиг.2 - плотина с двумя галереями, одна из которых размещена в бетонной стенке, примыкающей в основании к ядру со стороны нижнего бьефа, а другая - в оголовке плотины, поперечный разрез на русловом участке; на фиг.3 - то же, что и на фиг.2, поперечный разрез на береговом участке.

Пример 1. Грунтовая плотина возведена на многолетнемерзлом основании 1, которое в русле реки 2 включает неглубокий талик 3. Плотина включает верховую призму 4, низовую призму 5, ядро 6, переходные слои 7, тепловую завесу 8 и дренаж 9. В процессе эксплуатации плотины под отепляющим воздействием водохранилища 10 верховая призма 4 находится в талом состоянии, а низовая призма 5 из-за влияния отрицательных среднегодовых температур воздуха промерзает и может ликвидировать под собой талик 3. Тепловая завеса 8 выполнена в зоне низовых переходных слоев 7 и представляет собой ряд последовательно расположенных скважин 11, каждая из которых содержит омический электронагреватель (на чертеже не показан) с радиусом отепляющего действия R. При этом количество скважин 11 и расстояния между ними, а также параметры обогревающих устройств выбраны так, что переходные слои 7 постоянно находятся в зоне действия положительных температур (талая зона), создаваемой тепловой завесой 8. При этом граница 12 между талыми и мерзлыми грунтами как в элементах тела плотины, так и в ее основании 1 со временем смещается. В основании низовой призмы 5 вдоль реки 2 из крупного камня выполнен высокопроницаемый слой 13, который начинается у переходных слоев 7, а заканчивается выходом в реку 2. При этом противофильтрационный элемент строительной перемычки 14 (на чертеже изображен пунктиром) убирается. Размеры поперечного сечения слоя 13 и его водопроницаемость выбраны с учетом параметров колебаний уровня воды в нижнем бьефе и ее температурой так, чтобы в процессе теплообмена между отепленной речной водой и водой, охлажденной в порах слоя 13, обеспечивались положительные температуры в слое 13. В этом случае слой 13 будет эффективно выполнять функции как водосборной части 15 дренажа 9, так и его водоотводящей части 16, при этом заглубление тепловой завесы 8 в основание 1 не потребуется.

Дополнительно в плотине оголовок ядра от промерзания защищен электропроводящим слоем 17, который расположен в верхней части плотины и снабжен электродами 18, которые тоководами соединены с источником тока (не показаны), при этом электропроводящий слой 17 покрыт слоем 19 из термоизоляционного пенопласта.

Предлагаемая грунтовая плотина работает следующим образом. Благодаря действию тепловой энергии, выделяемой омическими электронагревателями, четко определяется и поддерживается постоянная граница 12 между талыми переходными слоями 7 и мерзлой низовой призмой 5. Благодаря же высокой проницаемости слоя 13, выполненного из крупного камня, осуществляется теплообмен между отепленной речной водой и водой, охлажденной в порах низовой призмы. За счет этого поддерживаются положительные температуры в слое 13, вмещающем в себя как водосборную часть 15 дренажа 9, принимающую в себя профильтровавшуюся воду, так и его (и это главное) водоотводящую часть 16, выводящую эту воду в нижней бьеф. Именно таким образом обеспечивается соответствие расчетных и фактических схем работы элементов плотины, включая оголовок плотины.

Пример 2. Грунтовая плотина возведена на многолетнемерзлом основании 1 и в конструктивном исполнении от предыдущей имеет два отличия, которые не входят в противоречие с совокупностью признаков, приведенных в первом (независимом) пункте предложенной формулы изобретения. Эти отличия заключаются в следующем.

1. В основание 1 плотины включена подпорная стенка 20, которая выполнена из бетона, непосредственно и водонепроницаемо примыкает к ядру 6 со стороны нижнего бьефа, содержит в своем теле галерею 21 и обеспечивает пропуск поверх себя весеннего строительного паводка. Галерея 21 снабжена средствами отопления, например вентиляторами (на чертежах не показаны), которые задействуются в теплое время года, или отопительными водяными трубами 22.

2. В оголовке ядра 6 выполнена галерея 23, внутри которой помещен участок свободной поверхности 24 оголовка ядра 6 и водяные трубы 25, обеспечивающие в галерее положительные температуры. Свободная поверхность 24 размещена выше выносных опор 26 галереи 23, которые, в свою очередь, размещены выше нормально-подпорного уровня воды в водохранилище 10. Галерея 23 выполнена из секционных железобетонных элементов, при этом межсекционные швы в стенах 27 герметизированы. Поэтому при высоком форсированном уровне перед плотиной галерея 23 включается в работу в качестве противофильтрационной диафрагмы.

Тепловая завеса 8 выполнена в зоне переходных слоев 7. Ее активная часть, определяющаяся греющими частями ее скважин 11, имеет высоту h и размещается в средней по высоте части плотины. Водосборная часть 15 дренажа 9 размещена у низовой грани подпорной стенки 20 в зоне положительных температур, создаваемых теплом гидратации цемента в подпорной стенке 20 и отопительными водяными трубами 22 в ее галерее 21. При переливе строительного паводка через подпорную стенку 20 происходит размыв низовой строительной перемычки, а также вынос речного аллювия, что упрощает создание водоотводящей части дренажа 16 в виде высокопроницаемого слоя 13 из крупного камня.

Плотина работает следующим образом.

Отапливаемая галерея 23 создает в верхней части ядра 6 благоприятный искусственный климат и обеспечивает доступ непосредственно к ядру 6 при эксплуатации, что позволяет осуществлять контроль состояния ядра и эффективно производить ремонтные работы (см. например, Ягин В.П., Давыдов И.А. Оголовок грунтовой плотины, возводимой в северной строительно-климатической зоне. Гидротехническое строительство. 2002. №4). Дополнительно галерея 23 уменьшает высоту h активной части тепловой завесы 8, которая обеспечивает положительные температуры в переходных слоях 7 в средней по высоте части плотины. Положительные температуры в нижней же части плотины, необходимые для качественной работы дренажа 9 (включая его части: водосборную и водоотводящую), обеспечиваются теплом гидратации цемента подпорной стенке 20, отопительными водяными трубами 22 галереи 21 и отепленной речной водой, периодически входящей в высокопроницаемый слой 13.

Сопряжение грунтового противофильтрационного элемента плотины с основанием посредством переливной бетонной стенки (а.с. СССР 1562391, кл. Е02В 7/06) с высокой эффективностью реализовано при возведении русловой плотины Курейской ГЭС. Это решение широко известно и получило высокую оценку специалистов (см., например, Пехтин В.А., Серов А.А. Пропуск строительных расходов при возведении гидроузлов на реках Крайнего Севера, Санкт-Петербург, 2001). Применительно рассматриваемой в изобретении задачи это решение упрощает (укорачивает) выполнение тепловой завесы 8, а в некоторых случаях, например, при выполнении в оголовке плотины галереи 23 и при умеренно суровом климате позволяет полностью отказаться от тепловой завесы 8.

На береговом участке плотины (фиг.3) ядро 6 целесообразно сопрягать с основанием 1 также посредством подпорной стенки 20. При этом профильтровавшаяся вода талым дренажем 9 отводится в высокопроницаемой слой 13 (фиг.2).

1. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, ядро, верховые и низовые переходные слои, тепловую завесу, помещенную вдоль плотины в зоне низовых переходных слоев и выполненную в виде ряда последовательно расположенных скважин, каждая из которых оборудована, по меньшей мере, одним обогревательным устройством, и расположенный с низовой стороны от ядра в нижней части плотины дренаж, водосборная часть которого расположена в зоне положительных температур, отличающаяся тем, что она снабжена средством для создания в оголовке ядра положительной температуры, а водоотводящая часть дренажа расположена в нижней части низовой призмы у дна русла реки и имеет непосредственный выход в реку, при этом водоотводящая часть дренажа выполнена из каменной наброски, высокая водопроницаемость которой при эксплуатационных колебаниях в нижнем бьефе уровней воды в реке постоянно обеспечивает создание в водоотводящей части дренажа положительных температур за счет периодического входа - выхода отепленной речной воды в поры каменной наброски водоотводящей части дренажа при повышении - понижении уровня воды в реке.

2. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что в случае включения в нижнюю часть плотины подпорной стенки, выполненной из бетона, непосредственно и водонепроницаемо примыкающей к ядру со стороны нижнего бьефа, содержащей в своем теле галерею и обеспечивающей пропуск поверх себя весеннего строительного паводка, галерея подпорной стенки снабжена отопительным устройством, обеспечивающим обогрев полости галереи, а водосборная часть дренажа размещена в зоне положительных температур, создаваемых теплом гидратации цемента подпорной стенки и отопительным устройством галереи.

3. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что средство для создания в оголовке ядра положительных температур выполнено в виде электропроводящего слоя, расположенного в верхней части плотины и включающего электроды, которые токовводами соединены с источником тока.

4. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что средство для создания в оголовке ядра положительных температур выполнено в виде снабженной системой водяного отопления галереи, внутри которой помещен участок свободной поверхности оголовка ядра.