Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании
Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении плотин в северной строительно-климатической зоне. Плотина включает верховую и низовую призмы, ядро, переходные слои и расположенный в низовой призме дренаж. Также она содержит 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. 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. Обогревающим устройством может быть омический электронагреватель. Изобретение повышает надежность плотины, улучшает работу дренажа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области гидротехнического строительства в северной строительно-климатической зоне, в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием гидротехнических сооружений, и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации плотин, расположенных в указанной зоне.
Известно, что грунтовые плотины, сооружаемые в северной строительно-климатической зоне, возводятся и эксплуатируются по двум принципам: с сохранением мерзлоты в теле и основании плотины - 1-ый принцип (мерзлый) и допускающему оттаивание грунтов основания плотины в процессе эксплуатации - 2-ой принцип (талый).
Известны грунтовые плотины, эксплуатируемые по 1 принципу, включающие сопряженное с основанием ядро или экран, верховую и низовую призмы (см. например, а.с. СССР №331150, 1486558, Е 02 В 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.
Прототипом заявляемого технического решения выбрана грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, ядро, переходные слои и расположенный в низовой призме дренаж (см. прилагаемый чертеж ОАО “Ленгидропроект” №1562-10-28, Усть-Среднеканская ГЭС на р. Колыме. Земляная плотина. Санкт-Петербург, 1997 г.). Эта плотина запроектирована по 2-му (талому) принципу. Однако фактически она работает как таломерзлое сооружение, поскольку под отепляющим воздействием водохранилища верховая призма плотины находится в талом состоянии, а низовая призма под влиянием отрицательных среднегодовых температур воздуха (до -12°С) промерзает и смыкается с многолетнемерзлыми грунтами основания. Температурное поле низовой упорной призмы плотины имеет нестационарный характер (далее иллюстрируется графическими материалами). С течением времени граница между талыми и мерзлыми грунтами смещается вглубь основания и приближается к переходным слоям и ядру (экрану) с частичным их промораживанием.
Дренаж, расположенный в низовой призме плотины и предназначенный для отвода профильтровавшейся через тело и основание плотины воды, оказывается в мерзлой части плотины и перестает функционировать.
Упорные призмы плотин, выполненные из каменной наброски, в течение короткого периода времени (2-5 лет) промерзают полностью с заполнением пор в наброске льдом, смыкаются с многолетнемерзлыми грунтами основания и утрачивают способность отводить в нижний бьеф профильтровавшуюся воду.
В результате температурных процессов на мерзлой льдогрунтовой упорной призме возникает второй напорный горизонт, создающий нештатные и опасные для эксплуатации плотин ситуации, которые были зафиксированы на ряде действующих гидроузлов. Чтобы исключить подобные ситуации, необходимо обеспечить соответствие расчетных и фактических условий работы элементов плотин, создать для этого постоянный температурный режим в переходных слоях и дренаже с положительными температурами.
Настоящее изобретение направлено на решение задачи создания конструкции грунтовой плотины на многолетнемерзлом основании, обеспечивающей постоянный температурный режим в переходных слоях и дренаже, исключающий возможность промерзания указанных элементов плотины при сооружении и эксплуатации ее в жестких температурных условиях северной строительно-климатической зоны.
Решение указанной задачи достигается тем, что грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, ядро, переходные слои и расположенный в низовой призме дренаж, содержит 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.
При этом в качестве обогревающего устройства может быть выбран омический электронагреватель.
Заявителю не известны какие-либо технические решения, обладающие такой же совокупностью признаков, что и заявляемое. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию “новизна”.
Благодаря реализации отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупности с признаками, общими с прототипом, у заявляемого технического решения появляется новое свойство: тепловая завеса позволяет четко задавать и поддерживать постоянной границу между талой и мерзлой частями плотины, не допуская промерзания переходных слоев ее и дренажа, что и позволяет достичь цели изобретения.
Указанное обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет считать, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию “изобретательский уровень”.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена предлагаемая плотина, поперечный разрез; на фиг.2 отдельно показаны скважины, образующие тепловую завесу; фиг.3 иллюстрирует температурное поле, характерное для грунтовых плотин без тепловой завесы, возводимых и эксплуатируемых по талому принципу.
Грунтовая плотина возведена на многолетнемерзлом основании (отдельной позицией не обозначено). Она включает верховую призму 1, низовую призму 2, ядро 3 и переходные слои 4. В низовой призме 2 расположен дренаж 5. В зоне переходных слоев 4 выполнена тепловая завеса 6, представляющая собой ряд последовательно расположенных скважин 7 (фиг.2), каждая из которых содержит омический электронагреватель (на чертеже не показан) с радиусом R отепляющего действия. При этом количество и шаг L скважин 7, равно как и количество и параметры обогревающих устройств, выбраны так, что переходные слои 4 и дренаж 5 постоянно находятся в зоне действия положительных температур (талой зоне), создаваемой тепловой завесой 6, Граница между талыми и мерзлыми грунтами обозначена позицией 8. Позиция 9 на фиг.3 показывает границы между талыми и мерзлыми грунтами, характерные для грунтовых плотин без тепловой завесы, возводимых и эксплуатируемых по талому принципу, в разные периоды времени.
Предлагаемая грунтовая плотина работает следующим образом.
Благодаря действию тепловой энергии, выделяемой омическими электронагревателями, четко определяется и поддерживается постоянной граница 8 между талой и мерзлой частями плотины. При этом переходные слои 4 и дренаж 5 оказываются в талой зоне и в процессе работы плотины обеспечивают постоянный отвод профильтровавшейся воды в нижний бьеф. Таким образом исключается возможность промерзания указанных элементов, что обеспечивает соответствие расчетных и фактических схем работы элементов плотины. Тем самым повышаются надежность и безопасность эксплуатации плотин, т.к. исключаются опасные нештатные ситуации, связанные с нестационарным температурным режимом в теле плотин, возводимых на многолетнемерзлом основании в северной строительно-климатической зоне.
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано с помощью широко известных конструктивных элементов и технологий, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие его критерию “промышленная применимость”.
1. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, ядро, переходные слои и расположенный в низовой призме дренаж, отличающаяся тем, что она содержит 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.
2. Грунтовая плотина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве обогревающего устройства выбран омический электронагреватель.
