Грунтовая плотина в суровых климатических условиях
Полезная модель относится к области гидротехнического строительства в северной строительно-климатической зоне. Грунтовая плотина в суровых климатических условиях включает верховую и низовую призмы, гребневую часть, ядро и переходные слои обратного фильтра. В зоне гребневой части плотины выполнена горизонтальная тепловая завеса, которая размещена на отметке верха ядра, представляющая собой ряд последовательно расположенных по длине плотины труб, по которым в зимнее время циркулирует теплоноситель. Количество труб в ряду и расстояние между ними, а также параметры теплоносителя выбраны так, что ядро в гребневой части плотины находится в талом состоянии, создаваемом горизонтальной тепловой завесой. Полезная модель позволяет поддерживать ядро в гребневой части плотины в талом состоянии и тем самым исключает возможность промерзания связных грунтов в ядре плотины со всеми вытекающими криогенными последствиями. 3 ил.
Полезная модель относится к области гидротехнического строительства в северной строительно-климатической зоне, в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием гидротехнических сооружений, и может быть использована при проектировании, строительстве и эксплуатации плотин, расположенных в указанной зоне.
Северная строительно-климатическая зона характеризуется суровыми климатическими, сложными инженерно-геологическими и геокриологическими условиями:
- зимы с температурами воздуха до минус 60-70°С, коротким летом с максимальными температурами 30-40°С и среднегодовыми температурами воздуха до минус 8-14°С;
- наличием сплошной или островной мерзлоты, сквозных или замкнутых таликов;
- мерзлые грунты и скальные трещиноватые породы, как правило, обладают резким снижением несущей способности и высокой водопроницаемостью после оттаивания.
Конструктивно-технологические и компоновочные решения, разработанные для умеренного климата, в полной мере здесь не подходят и должны быть дополнены новыми решениями, отвечающими условиям Крайнего Севера.
Для оценки новизны заявленного технического решения, рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.
Известно, что грунтовые плотины, сооружаемые в северной строительно-климатической зоне, возводятся и эксплуатируются по двум принципам: с сохранением мерзлоты в теле и основании плотины - первый принцип (мерзлый) и с возможным теплым ядром или понуром и оттаиванием грунтов основания плотины в процессе эксплуатации - 2-ой принцип (талый).
Известны грунтовые плотины, возведенные и эксплуатируемые по первому (мерзлому) принципу, включающие сопряженное с основанием ядро или экран, верховую и низовую призмы (см. например, а.с. СССР №331150, 1486558, Е02В 7/06). Для надежной эксплуатации подобных плотин необходимо обеспечивать сохранность противофильтрационных устройств и основания в мерзлом
состоянии, для чего в теле плотины и основании устраиваются искусственные мерзлотные завесы.
Известны грунтовые плотины на многолетнемерзлом основании, возведенные и эксплуатируемые по второму (талому) принципу строительства, включающие гребень, верховую и низовую призмы, противофильтрационный элемент (ядро) и примыкающие к нему переходные слои (см., например, а.с. СССР №1583521, Е02В 7/06)
Гребни таких плотин находятся под объемным температурным воздействием наружного воздуха и водохранилища. В зимний период при сработке водохранилища гребень плотины промерзает на глубину 8-12 м. Весной и летом при наполнении водохранилища гребень плотины с примыкающей к нему верхней частью ядра (оголовком) оттаивают. В результате попеременного замораживания-оттаивания в гребне возникают сложные криогенные процессы вызывающие пучение грунтов, снижение фильтрационной и суффозионной прочности ядра плотины, что может привести к снижению надежности и безопасности эксплуатации сооружения.
Чтобы избежать пучения грунтов, в упомянутом аналоге оголовок ядра предлагается возводить из непучинистого мерзлого грунта, поддерживаемого в период эксплуатации плотины в многолетнемерзлом состоянии.
Известна грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, ядро, переходные слои и расположенный в низовой призме дренаж, содержащая тепловую завесу, которая размещена в поперечном сечении плотины, в зоне переходных слоев, и выполнена в виде ряда последовательно расположенных скважин, каждая из которых оборудована, по меньшей мере, одним обогревающим устройством, при этом количество и шаг скважин, а также количество и параметры обогревающих устройств выбраны так, что переходные слои и дренаж находятся в зоне действия положительных температур, создаваемой тепловой завесой, см. патент РФ №2250296, Е02В 7/06. В качестве обогревающего устройства в тепловой завесе может быть выбран омический электронагреватель.
Известна грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании при наличии в нем сквозного фильтрующего талика, включающая верховую и низовую призмы, ядро и переходные слои фильтра (см. прилагаемый чертеж №1158-10-436,
"Институт Ленгидропроект", Колымская ГЭС на р. Колыма. Земляная плотина. Л., 1970 г.).
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при их использовании результату, данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемой полезной модели,
Эта плотина запроектирована и построена по второму принципу с допущением оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания на береговых участках створа и с таликом в русле реки. В период эксплуатации гидроузла верховая призма и ядро плотины в результате отепляющего воздействия водохранилища прогреваются и во внутригодовом цикле находятся в талом состоянии, за исключением гребневой ее части. Переходные слои обратного фильтра на конец строительства в большинстве случаев находятся в мерзлом состоянии и только при возникновении фильтрационного потока, профильтровавшегося через ядро (экран) в нижний бьеф, первый, а затем частично и второй слои фильтра начинают более интенсивно оттаивать.
Низовая призма и гребневая часть плотины в результате теплообмена поверхности грунтов с атмосферой при среднегодовых отрицательных температурах воздуха минус 12°С охлаждаются и во внутригодовом цикле находятся в мерзлом состоянии. Таким образом, рассматриваемая плотина относится таломерзлому сооружению.
Ядро плотины промерзает на глубину до 15-20 м, причем в зимний период при сработке водохранилища гребневая часть плотины, включая грунты ядра, промерзает, а весной и летом при наполнении водохранилища частично оттаивает.Процессы замораживания и оттаивания связных грунтов приводят к структурным криогенным образованиям с нарушением фильтрационной и суффозионной их прочности. Наибольшую опасность представляет граница между оттаявшей и мерзлой зонами, которая следует за кривой депрессии, опускаясь к низовой призме плотины. Промороженное ядро ниже отметки НПУ приводит к созданию на плотине напорной фильтрации. Кроме того, промороженная гребневая часть плотины образует мерзлый массив, под которым в результате неравномерной осадки грунтов тела и основания плотины могут образоваться сквозные трещины, приводящие к возникновению опасной фильтрации воды.
Полезная модель решает задачу обеспечение безопасной и надежной работы грунтовой плотины на многолетнемерзлом основании, для чего необходимо сохранить связные грунты в гребневой части плотины в талом состоянии.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения поставленной цели.
Грунтовая плотина в суровых климатических условиях, включающая верховую и низовую призмы, гребневую часть, ядро, переходные слои обратного фильтра, характеризуется тем, что она содержит горизонтальную тепловую завесу, которая размещена в поперечном сечении плотины на отметке расположения верха ядра и выполнена в виде ряда последовательно расположенных по длине плотины труб для циркулирования теплоносителя, при этом количество труб в ряду и расстояние между ними, а также параметры теплоносителя выбраны так, что ядро в гребневой части плотины находится в талом состоянии, создаваемым горизонтальной тепловой завесой.
Заявленное техническое решение характеризуются наличием новой совокупности признаков, отсутствующей в известных из уровня техники технических решениях. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "новизна".
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на сриг.1 изображен поперечный разрез по грунтовой плотине, на фиг.2 - тепловые трубы, образующие горизонтальную тепловую завесу, на фиг.3 - температурное поле, характерное для грунтовых плотин без горизонтальной тепловой завесы.
Грунтовая плотина возведена в суровых климатических условиях на многолетнемерзлом основании при наличии в нем сквозного фильтрующего талика (отдельной позицией не обозначено). Она включает верховую призму 1, низовую призму 2, ядро 3 и переходные слои фильтра 4. В гребневой части плотины выполнена горизонтальная тепловая завеса, расположенная на отметке верха ядра, представляющая собой ряд последовательно расположенных по длине плотины труб 5 на расстоянии S друг от друга, по которым в зимнее время циркулирует теплоноситель. При этом количество труб в ряду и расстояние между ними, а также параметры теплоносителя выбраны так, что ядро в гребневой части плотины постоянно находится в зоне действия положительных температур (талой зоне), создаваемой горизонтальной тепловой завесой. Граница
между талыми и мерзлыми грунтами в гребневой части плотины при наличии тепловой завесы обозначена позицией 6. Позиция 7 показывает границу между талыми и мерзлыми грунтами, характерные для грунтовых плотин без тепловой завесы, возводимых в разные периоды времени в северной строительно-климатической зоне.
Грунтовая плотина работает следующим образом.
Благодаря циркуляции по трубам 5 тепловой завесы теплоносителя (теплый воздух или жидкий теплоноситель) в зимнее время четко формируется и поддерживается постоянной граница 6 между талыми и мерзлыми грунтами в гребневой части плотины, В результате чего связные грунты в ядре плотины в течение всего периода эксплуатации сохраняются в талом состоянии, исключаются процессы замораживания - оттаивания грунтов, приводящие к структурным криогенным образованиям с нарушением фильтрационной и суффозионной их прочности. Тем самым повышаются надежность и безопасность эксплуатации плотин, возводимых в северной строительно-климатической зоне. Предварительные результаты теплотехнических расчетов по устройству площадной горизонтальной тепловой завесы применительно к условиям Колымской ГЭС показывают, что возможно в течение эксплуатации сооружения сохранять связные грунты в талом состоянии. Разгрузка фильтрационного потока, профильтровавшегося в нижний бьеф, осуществляется на нижних отметках обратного фильтра 4 с постепенным оттаиванием его на полную высоту и перетеканием в русловой талик.
Заявленное решение в строительный период реализуется без дополнительных затрат, а в период реконструкции плотины - с помощью широко известных конструктивных элементов и технологий, что обуславливает, по мнению заявителя, соответствие его критерию "промышленная применимость".
Грунтовая плотина в суровых климатических условиях, включающая верховую и низовую призмы, гребневую часть, ядро, переходные слои обратного фильтра, отличающаяся тем, что она содержит горизонтальную тепловую завесу, которая размещена в поперечном сечении плотины на отметке расположения верха ядра и выполнена в виде ряда последовательно расположенных по длине плотины труб для циркулирования теплоносителя, при этом количество труб в ряду и расстояние между ними, а также параметры теплоносителя выбраны так, что ядро в гребневой части плотины находится в талом состоянии, создаваемым горизонтальной тепловой завесой.
