Способ ослабления монолита ледового покрытия рек и устройство для его реализации

Способ ослабления монолита ледового покрытия рек и устройство для его реализации

Реферат

Изобретение относится к инженерно-техническим мероприятиям, проводимым при подготовке к весеннему паводку, и направлено на снижение интенсивности воздействия воды в руслах рек на прибрежную инфраструктуру путем создания условий для свободного сброса, прохода талых вод.

Как правило, паводок рек, текущих с юга на север, сопровождается ледовыми запрудами - заторами и зажорами, образующимися как результат торможения, остановки, загромождения плывущих льдин ледовыми монолитами, которые самостоятельно не разрушаются, обладают очень высокой прочностью, устойчивостью даже в условиях плюсовых температур окружающего воздуха, так как они, и в том числе, и примерзают к берегам.

Для нарушения целостности ледового монолита применяются следующие способы.

Самым распространенным является способ разрушения монолита путем подрыва взрывчатых веществ, опускаемых в пробуренные во льду лунки. Этот способ не обладает высокой эффективностью, так как взрывная волна уходит вертикально вверх из лунки, нарушается экология, да и способ подготовки к взрыву небезопасен для операторов.

Нарушение целостности ледового монолита тепловыми ледорезами (Акимов В.А. и др. Катастрофические затопления начала XXI века. - М.: ДЕКС-ПРЕСС, 2003. - 326 с.), распиловка льда цепными тракторными пилами и последующая уборка ледяных кусков экскаваторами (5-й канал ТВ - 11.03.2010) очень затратны, не имеют технологичного оборудования и используются лишь в экстремальных случаях.

Наиболее эффективным способом ослабления ледового монолита (Акимов В.А. и др. Катастрофические затопления начала XXI века. - М.: ДЕКС-ПРЕСС, 2003. - 14 с.), принятым в качестве прототипа предлагаемого решения, является закладка под лед при начале ледостава взрывчатого вещества, его вмораживания в ледовый монолит при наращивании толщины и подрыв при приближении паводка, в результате чего и появляется майна, ослабляющая ледовой монолит. Недостатком этого способа являются:

- опасность инициирования взрыва, низкая эффективность, экологические последствия от загрязнения реки и ущерб живому миру реки;

- сложность установки зарядов, проводимой при небольшой толщине льда;

- большая вероятность утраты зарядов как в результате нарушения ледового покрытия, так и банального хищения их местными жителями.

Указанные недостатки могут быть устранены в случае установки до замерзания реки на уровне ледового покрытия пустотелых инородных конструкций - модулей с целью вмораживания их в лед при замерзании реки. Их размещение в ледовом покрытии обеспечивает нарушение его монолитности. При повышении температуры воздуха до плюсовой талая вода будет просачиваться по границе вертикальной поверхности модуля и освобождать границу от жесткого сцепления модуля с ледовым монолитом. Одновременно снизу, из глубины такой же процесс будет развиваться под действием относительно теплой воды.

Процесс оттаивания границы модуля может быть усилен, если внутреннюю полость модуля заполнить водой из нижних слоев, выпустив из него воздух.

Таким образом, под действием природных факторов - замерзания воды и оттаивания (плавления) льда будет формироваться в монолите льда ослабляющая его полость - майна.

Эффективность проходящих процессов увеличивается при естественном утоплении модуля, что позволяет прекратить какое-либо взаимодействие ледового монолита и модуля и сохранить модуль для повторного использования, не допустив его утраты при ледоходе.

В качестве прототипа конструкции модуля принята конструкция «Зимний колодец водоема» (патент РФ, №75201, E02B 15/02, F25C 5/02, 27.07.08, Соболев Г.П.), представляющая собой корпус круглого сечения, постоянного по высоте, имеющий на верхнем торце съемную крышку с пневматическим клапаном, размещаемый в воде таким образом, что верхний торец остается над верхней кромкой ледового покрытия, а нижний, открытый для доступа воды, остается ниже нижнего уровня ледового покрытия.

Применительно к решаемой задаче конструкция имеет следующие недостатки: сложность золотника и его низкая надежность при работе в условиях низких температур, высокой влажности и возможного контакта с водой.

Реализация предлагаемого способа возможна модулем, выполненным следующим образом.

Модуль (фиг.1) представляет собой пустотелую конструкцию, состоящую из корпуса 1 и герметичного купола 2, к которому присоединен воздухопровод 3 с механическим вентилем 4. Вентиль 4 и воздухопровод 3 должны располагаться над снежным покровом в зоне свободного доступа к ним. Установка механического вентиля позволяет стабилизировать, сделать надежными те процессы, которые проходят с его участием, а именно обеспечение герметичности модуля и санкционированного выпуска воздуха. Нижняя часть модуля открыта по торцу и имеет шарниры 5 для крепления тросов 6, соединяющих модуль с донными опорами 7.

Верхние и нижние размеры сечения модуля должны соответствовать форме раструба с расширением его вниз, что позволит ему беспрепятственно перемещаться вниз относительно ледового монолита под действием силы тяжести, а высота модуля должна быть больше ожидаемой толщины ледового покрытия.

Реализация способа происходит следующим образом. В проблемных местах русла реки устанавливаются донные опоры 7 с шарнирами 5. До становления ледового покрытия с плавсредства в воду опускается модуль 1, который тросами 6 крепится к донным опорам 7 и заполняется воздухом через воздухопровод 3 при открытом вентиле 4. Вентиль 4 закрывается. Модуль зафиксирован тросами и удерживается на плаву. Купол 2 модуля должен быть выше водной (ледовой) поверхности, а нижний торец должен размещаться ниже уровня ожидаемого ледового покрытия.

При понижении температуры воздуха река замерзает и модуль вмораживается в лед, а его внутренняя полость, заполненная воздухом, сохраняет свое агрегатное состояния. Воздухопровод должен быть каким-то образом обозначен на снежном покрытии поверхности ледового покрытия.

При повышении температуры окружающего воздуха до плюсовой начнется процесс таяния снега и талая вода, устремляясь вниз, будет разрушать сцепление по границе лед - вертикальные стенки модуля, освобождая их от сцепления со льдом. Одновременно такой же процесс будет происходить и в нижней части модуля. При встрече этих процессов на какой-то высоте произойдет полное освобождение от контакта по границе лед - вертикальные стенки модуля. В монолите ледового покрытия будет образовано вертикальное отверстие - майна, ослабляющая его. При открывании вентиля 4 воздух уходит из модуля и его полость будет заполнена водой из нижних слоев, что позволит ускорить процесс разрушения (таяния) льда на границе «лед - вертикальные стенки модуля», т.е. сделать его более интенсивным, а результаты более надежными.

Так как модуль выполнен в виде раструба, то он под действием силы тяжести просто опустится вниз, выскальзывая из формы отверстия в ледовом монолите. Затопление модуля позволяет добиться прекращения контакта ледового монолита с ним и сохранить модуль для повторного использования.

Для облегчения поиска модуля с целью его повторного использования к куполу при открывании вентиля необходимо закрепить трос 8 из материала, обладающего положительной плавучестью и имеющего гладкую поверхность, обеспечивающую малое поверхностное сцепление со льдом и другими возможно плывущими по реке объектами. Крепление троса при затоплении модуля предотвратит вмерзание его в снег и возможный обрыв.

Таким образом, предлагаемый способ и модуль, как реализующее его устройство, позволяют проводить ослабление ледового монолита, используя естественные климатические факторы для формирования и образования майны, и обеспечить возможность проведения повторного процесса, не применяя «силового» воздействия на реку и гарантируя «комфортные» условия для операторов при проведении технологических работ. Установка нескольких модулей в русле реки позволит создать условия для самопроизвольного естественного разрушения ледового монолита, опережая обычный ход начала ледохода.

1. Способ ослабления монолита ледового покрытия рек, заключающийся в размещении в ледовом покрытии модулей путем установки их до замерзания реки, причем купол модуля размещают выше водной поверхности, а нижний торец модуля - ниже уровня ожидаемого ледового покрытия, заполняют модуль воздухом через воздухопровод, присоединенный к герметичному куполу модуля, при открытом механическом вентиле, после чего вентиль закрывают, с последующим вмораживанием модулей в лед при замерзании реки, при этом в процессе образования майны под действием климатических факторов путем открывания механического вентиля производят выпуск воздуха из модуля с заполнением его полости водой из нижних слоев.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после заполнения модуля водой производится его затопление.

3. Модуль для ослабления монолита ледового покрытия рек, состоящий из корпуса, устанавливаемого на донных опорах с расположением его торцов вне границ ледового монолита, и герметичного купола, к которому присоединен воздухопровод с механическим вентилем, причем модуль выполнен в форме раструба с расширением вниз.

4. Модуль по п.3, отличающийся тем, что воздухопровод с размещенным на нем механическим вентилем расположен за пределом снегового покрытия на ледовом монолите.

5. Модуль по п.3, отличающийся тем, что к куполу закреплен трос, устанавливаемый при выпуске воздуха, выполненный из материала, обладающего положительной плавучестью и малым поверхностным сцеплением.