Способ изготовления противофильтрационного устройства грунтового гидротехнического сооружения

 

Изобретение относится к гидротехническому строительству. Способ включает отсыпку упорных призм, защитных слоев и укладку минераловолокнистых плит в тело противофильтрационного экрана в несколько слоев. Причем плиты укладываются таким образом, чтобы обеспечить надежное перекрытие как горизонтальных, так и вертикальных сочленений. После возведения гидротехнического сооружения и начала заполнения емкости водохранилища происходит кольматация пористого пространства минераловолокнистых плит взвешенными частицами фильтрационного потока с формированием экранирующего слоя в плитах со стороны верхового откоса. Изобретение обеспечивает возможность изготовления в любой климатической зоне, с использованием местных строительных материалов. 3 ил.

Изобретение относится к гидротехническому строительству, в частности к способу изготовления противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений.

Известен способ борьбы с фильтрацией через дно водоемов посредством введения заполняющих трещины материалов типа суспензий, эмульсий, отличающийся тем, что в непосредственной близости к зоне утечки воды в нее вводят нитеобразный материал, имеющий плотность, близкую к плотности воды, затем, после скопления его у трещин, к последним подают заполняющий трещины материал, обволакивающий нити (авт. св. 291471).

Данный способ имеет следующие недостатки.

Необходим близкий к плотности воды нитеобразный искусственный материал, причем этот материал не должен тонуть и в то же время не должен плавать на поверхности, что представляет сложность приготовления материала, а также представляется трудным вести контроль над процессом ликвидации фильтрации воды в трещинном пространстве под водой, необходимы также дополнительные искусственные компоненты для обволакивания и кольматации (кольматаж - естественное или искусственное вмывание (проникновение) глинистых и др. тонкозернистых частиц в поры горных пород (в т. ч. грубых фильтров), меняющее их водопроницаемость и водоемкость (Н.Ф. Раймарс "Природопользование" -М.: Мысль, 1990, стр. 237) трещин, что в значительной степени усложняет весь процесс борьбы с фильтрацией.

Известен способ возведения противофильтрационных завес для плотин посредством нагнетания в грунт песчано-цементного раствора с добавками (авт. св. 379727). К недостаткам данного способа следует отнести трудоемкость приготовления смеси применяемых компонентов их дозировки, применение специальных технических механизмов, как для приготовления нагнетаемых растворов, так и для их нагнетания в грунт.

Известен способ уменьшения фильтрации из каналов, водоемов посредством кольматации (авт. св. 220893), отличающийся тем, что с целью повышения эффективности, кольматацию осуществляют последовательным введением в воду убывающих по крупности фракций материала, имеющих плотность, примерно равную плотности воды. Данный способ отличается достаточной сложностью в обнаружении мест утечек, в последовательном подводе к этим местам убывающих по крупности фракций материалов, сложность в осуществлении качественного контроля за ходом процесса кольматации.

Известна противофильтрационная диафрагма грунтовой плотины (авт. св. 918383, М кл. 0285/16, опубл. 10.04.82), включающая заключенный в оболочку из ограждающих слоев слой асфальтобетона. Слой асфальтобетона выполнен из асфальтобетонной смеси на основе битумно-эмульсионной пасты, содержащей нефтяной битум, асбест порошкообразный и воду, а ограждающие слои выполнены из фильтрующего материала, например шлаковаты. Данное устройство принимаем за прототип.

Недостатки прототипа следующие.

1. Противофильтрационная диафрагма выполнена из многокомпонентной смеси, включающей в свой состав как искусственные, так и естественные материалы, что приводит к дополнительным затратам по их дозировке, смешиванию и окончательному приготовлению смеси.

2. Необходимость применения дополнительных технических средств для раздельной доставки всех компонентов и приготовления битумно-эмульсионной пасты, а также для доставки ее к месту укладки в диафрагму.

3. Трудность выдерживания одинаковой плотности битумно-эмульсионной смеси по глубине, поскольку ее уплотнение предусматривается осуществлять под действием гравитационных сил, т. е. не исключена вероятность слоистого строения тела диафрагмы по вертикали, что может привести к неоднородности ее прочностных характеристик по вертикальной оси.

Задача изобретения - создать экологически безопасное, простое в конструкции и сооружении, надежное в эксплуатации противофильтрационное устройство с возможностью его изготовления в любых климатических зонах.

Технический результат от использования способа изготовления противофильтрационного устройства заключается в повышении скорости возведения, долговечности, удобства и надежности в эксплуатации, в снижении затрат на возведение гидротехнических сооружений.

Сущность изобретения заключается в том, что в противофильтрационной диафрагме грунтовой плотины, содержащей упорные призмы, диафрагму, ограждающие прослойки из шлаковаты и слой диспергируемого битума, образующегося на контакте внутренней границы ограждающей прослойки и внешней поверхностью сооружаемой диафрагмы, согласно изобретению для изготовления противофильтрационного устройства применяются минераловолокнистые плиты, имеющие прямоугольную форму в плане, обладающие высокой пористостью, укладываемые в два и более слоев, причем плиты укладываются таким образом, чтобы обеспечить надежное перекрытие как горизонтальных, так и вертикальных сочленений, достигаемое перекрытием от 1:3 до 1:2 каждого последующего слоя к предыдущему с последующей кольматацией пористого пространства минераловолокннстых плит взвешенными частицами фильтрационного потока, приводящей к формированию в мпнераловолокннстых плитах экранирующего слоя со стороны верхового откоса.

Минераловолокнистые плиты при изготовлении противофильтрационного устройства исключают фильтрацию в сторону низового откоса за счет формирования в них экранирующего слоя путем кольматации пористого пространства взвешенными частицами фильтрационного потока, при этом происходит практически мгновенная кольматация пористого пространства минераловолокнистых плит при содержании взвешенных частиц в фильтрационном потоке не менее 10-15% по весу.

Многослойная укладка минераловолокнистых плит в тело экрана с перекрытием от 1:3 по вертикали до 1:2 по горизонтали каждого последующего слоя к предыдущему обеспечивает надежное перекрытие как горизонтальных, так и вертикальных смежных сочленений, что приводит к увеличению пути фильтрации и в конечном итоге повышает противофильтрационную устойчивость и надежность. Кроме того, изготовление противофильтрационного устройства из таких легких плит взамен изготовления асфальтобетонной противофильтрационной диафрагмы позволяет увеличить скорость строительства гидротехнических сооружений и снизить стоимость их возведения за счет того, что за один рейс можно завезти плит по объему и площади гораздо больше, чем сыпучих или жидких материалов.

Кольматация пористого пространства минераловолокнистых плит взвешенными частицами водного потока с формированием в них экранирующего слоя со стороны верхового откоса исключит фильтрацию водного потока в сторону низовой упорной призмы, что повышает противофильтрационную надежность гидротехнических сооружений.

Соответствие критерию "изобретательский уровень" доказывается следующим образом.

В описанном прототипе имеется признак, сходный с заявленным, а именно: известна противофильтрационная диафрагма (авт. св. 918383), в которой ограждающие слои выполнены из шлаковаты. Однако в известном устройстве шлаковату используют как защитные слои, обеспечивающие изготовление диафрагмы из асфальтобетона. В заявленном же изобретении минераловолокнистые плиты выполняют роль противофильтрационного устройства. В известном устройстве на контакте ограждающих слоев из шлаковаты и диафрагмой при фильтрации воды из тела диафрагмы по направлению к ограждающим слоям формируется диспергируемый слой, препятствующий фильтрации воды в сторону диафрагмы. В предлагаемом способе экранирующий слой формируется за счет кольматации пористого пространства минераловолокнистых плит противофильтрационного устройства при движении фильтрационного потока со стороны верхнего бьефа в сторону нижнего бьефа, при этом экранирующий слой формируется в минераловолокнистых плитах со стороны верхнего бьефа и таким образом препятствует фильтрации в прямом направлении, превращаясь в противофильтрационное устройство, обеспечивая функцию противофильтрационной надежности. В прототипе формирование диспергируемого слоя происходит до заполнения емкости водохранилища, а в предлагаемом способе формирование экранирующего слоя происходит после начала заполнения емкости водохранилища, т.е. в иное время.

Общеизвестен также признак кольматации во всех жидкостных фильтрах, однако там этот признак приводит к уменьшению фильтрационных свойств фильтров, т. е. к отрицательному результату, тогда как в предлагаемом изобретении он обеспечивает положительный эффект. Широко известны также методы кольматации водопроницаемых пород глинистыми грунтами, растворами, суспензиями при бурении скважин и ликвидации протечек из водоемов и бассейнов, однако в этих случаях кольматации подвергаются природные грунтовые сооружения в предлагаемом же способе, кольматации подвергаются искусственно созданные материалы, использующиеся для изготовления противофильтрационного устройства.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена грунтовая плотина, поперечный разрез плотины с противофильтрационным устройством в виде "стена в грунте"; на фиг. 2 изображен разрез грунтовой плотины с противофильтрационным устройством на верховом откосе; на фиг. 3 изображен разрез канала, водоема с противофильтрационным устройством на их дне.

Способ изготовления противофильтрационного устройства осуществляется в следующей последовательности.

Вначале вручную укладывают минераловолокнистые плиты в тело противофильтрационного устройства 1 в несколько слоев таким образом, чтобы обеспечить надежное перекрытие как горизонтальных, так и вертикальных сочленений, достигаемое перекрытием от 1:3 до 1:2 каждого последующего слоя к предыдущему. Необходимое пространственное положение экрана достигается путем укрепления уложенных в тело противофильтрационного экрана минераловолокнистых плит подручными материалами в виде деревянных стоек с натянутыми между ними канатами, а в промежутках между стойками путем защемления в землю обрезков деревянных досок или других подобных материалов. При изготовлении противофильтрационного экрана в наклонной плоскости на откосе плотины (дамбы) или на дне водоемов минераловолокнистые плиты крепятся к откосу в четырех местах подручными материалами, такими, например, как камни, валуны, куски шлака, обрезки арматуры и т.п. материалы. Можно также для крепления использовать укладку грунта защитного слоя вручную лопатой в нескольких местах. Затем осуществляют отсыпку ограждающих слоев низового 2 и верхового 3 с использованием местных песчано-глинистых грунтов с включениями крупнообломочных разностей без острых и режущих выступов. После чего отсыпают основную упорную призму 4 плотины из местных крупнообломочных грунтов, вскрышных горных пород горных предприятий, металлургического шлака и др. подобных материалов. Возведение конструктивных элементов плотины в зависимости от ее высоты осуществляют ярусами. По окончании возведения первого яруса возводят последующие по описанной выше последовательности. При этом минераловолокнистые плиты, используемые для изготовления противофильтрационного устройства 1, должны обладать высокими пористыми свойствами, т.е. должны иметь объемный вес от 50 до 150 кг/м³. Если объемный вес минераловолокнистых плит будет менее 50 кг/м³, то такие плиты будут иметь низкую прочность, что создаст проблему сохранения ими первоначальной геометрической формы при транспортировке и укладке в тело противофильтрационного устройства 1. При объемном весе минераловолокнистых плит более 150 кг/м³ они потеряют свойства эластичности и упругости, что отрицательно скажется на качестве и надежности контакта смежных слоев плит в теле противофильтрационного устройства 1.

Работа противофильтрационного устройства в гидротехническом сооружении осуществляется следующим образом.

После сооружения плотины (дамбы) осуществляется заполнение емкости бассейна паводковыми водами или промышленными шламами, хвостами (отходы обоготительно-металлургических производств), в результате чего фильтрационный поток, содержащий взвешенные частицы, фильтруется по направлению к низовому откосу, вовлекая дополнительно мелкодисперсные песчано-глинистые частицы из тела верховой упорной призмы 4 и верхового защитного слоя 3 кольматирует пористое пространство минераловолокнистых плит, формируя в них экранирующий слой, превращая в противофильтрационное устройство 1.

Изобретение может быть использовано при сооружении земляных плотин (дамб) водохранилищ, хвостохранилищ, шламонакопителей, каналов, водоемов в энергетической, горно-обогатительной, металлургической, мелиоративной и др. областях промышленности.

Предложенный способ изготовления противофильтрационного устройства имеет следующие преимущества.

1. Снижение сроков строительства гидротехнических сооружений за счет применения в качестве противофильтрационного устройства минераловолокнистых плит вместо асфальтобетонной диафрагмы.

2. Повышение долговечности за счет того, что изготовленное предложенным способом противофильтрационное устройство способно работать при высоких температурах и в агрессивных средах, поскольку минераловолокнистые плиты изготавливаются из высокотемпературных расплавов и из химически стойких пород или шлаков.

3. Повышение удобства сооружения дамбы достигается за счет того, что материал противофильтрационного устройства легко транспортируется - за один рейс спецвоз на базе автомобиля "КАМАЗ" доставляет к месту укладки 400 м² минераловолокнистых плит. Минераловолокнистые плиты легко укладываются на откосы, дно каналов, водоемов и в тело плотины, 20000 м² минераловолокнистых плит бригада из 10 человек укладывает за 20 дней.

4. Снижение стоимости строительства связано с уменьшением затрат на сооружение экрана.

5. Возможность возведения гидротехнических сооружений с применением противофильтрационного устройства, изготовленного предлагаемым способом, в любых климатических условиях обеспечивается их высокой морозо- и температуростойкостью.

Формула изобретения

Способ изготовления противофильтрационного устройства грунтового гидротехнического сооружения, включающий отсыпку упорных призм, возведение ограждающих защитных слоев и тела противофильтрационного устройства с использованием минераловолокнистых плит и кольматацией последних, отличающийся тем, что тело противофильтрационного устройства образуют из плит прямоугольной формы, которые укладывают в два и более слоев с перекрытием горизонтальных и вертикальных сочленений на величину 1:3 - 1:2 каждого последующего слоя к предыдущему, при этом плиты выполняют из материала с объемным весом 50 - 150 кг/м³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3