Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано при возведении и эксплуатации плотин в северной строительно-климатической зоне. Плотина содержит верховую и низовую призмы, гребень, противофильтрационный элемент и примыкающие к нему переходные слои. Также она содержит тепловую завесу, которая размещена между противофильтрационным элементом и близлежащим к нему переходным слоем и выполнена в виде ряда последовательно расположенных скважин. Скважины оборудованы, по меньшей мере, одним обогревающим устройством. Глубина, количество и шаг скважин, а также количество и параметры обогревающих устройств выбраны так, что противофильтрационный элемент и близлежащий к нему переходный слой, между которыми размещена тепловая завеса, находятся в зоне действия положительных температур, создаваемой указанной тепловой завесой. В качестве обогревающего устройства может быть выбран электронагреватель или жидкостный теплоноситель. Изобретение повышает надежность и безопасность эксплуатации плотин на многолетнемерзлом основании. 2 з.п. ф-лы, 2 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 - I-й принцип (мерзлый) и допускающему оттаивание грунтов основания плотины в процессе эксплуатации - II-й принцип (талый).

Известны грунтовые плотины на многолетнемерзлом основании, возведенные по II-му (талому) принципу строительства, включающие гребень, верховую и низовую призмы, противофильтрационный элемент (ядро) и примыкающие к нему переходные слои (см., например, а.с. СССР №1583521, М. кл. Е 02 В 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.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемой является грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, включающая верховую и низовую призмы, гребень, противофильтрационный элемент и примыкающие к нему переходные слои (см. прилагаемый чертеж №1158-10-436 института «Гидропроект»: «Колымский гидроузел на р.Колыме», г.Ленинград, 1987 г.). В данном техническом решении гребень и оголовок ядра выполнены из непучинистого грунта.

Недостатками прототипа, равно как и вышеназванного аналога, являются низкие надежность и безопасность эксплуатации грунтовой плотины на многолетнемерзлом основании. Это объясняется тем, что коэффициент фильтрации непучинистых грунтов на порядок выше, чем у связных грунтов, в результате значительно возрастают фильтрационные расходы воды через оголовок ядра, сохраняется опасность суффозии грунтов. Особо «слабым» местом является зона контакта между связным грунтом основной части ядра и непучинистым грунтом оголовка. Именно в этой зоне наиболее вероятна авария с прорывом воды и образованием воронки размыва.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи создания конструкции грунтовой плотины на многолетнемерзлом основании, обеспечивающей постоянство заданной фильтрационной и суффозионной прочности противофильтрационного элемента за счет исключения возможности промерзания указанного элемента плотины при 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, гребень, противофильтрационный элемент и примыкающие к нему переходные слои, содержит тепловую завесу, которая размещена между противофильтрационным элементом и близлежащим к нему переходным слоем, и выполнена в виде ряда последовательно расположенных скважин, каждая из которых оборудована, по меньшей мере, одним обогревающим устройством, при этом глубина, количество и шаг скважин, а также количество и параметры обогревающих устройств выбраны так, что противофильтрационное устройство и близлежащий к нему переходный слой, между которыми размещена тепловая завеса, находятся в зоне действия положительных температур, создаваемой указанной тепловой завесой.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение вышеуказанного технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме этого, заявляемое решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в частных случаях его выполнения, а именно:

- в качестве обогревающего устройства может быть выбран электронагреватель;

- в качестве обогревающего устройства может быть выбран жидкостный теплоноситель.

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 регулировать температурный режим и поддерживать в талом состоянии основной противофильтрационный элемент плотины - ядро и близлежащий к нему переходный слой (слой фильтра), не допуская их промерзания, 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 грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, на фиг.2 - отдельно показаны скважины, образующие тепловую завесу. Грунтовая плотина возведена на многолетнемерзлом основании (отдельной позицией не обозначено) и включает противофильтрационный элемент - ядро 1, переходные слои, состоящие из первого слоя 2 фильтра и второго слоя 3 фильтра, низовую призму 4, верховую призму 5 и гребень 6.

Между ядром 1 плотины и близлежащим к нему слоем 2 фильтра выполнена тепловая завеса (отдельной позицией не обозначена, представляющая собой ряд последовательно расположенных скважин 7 (фиг.2), каждая из которых оборудована электронагревателем - обогревающим устройством (на чертеже не показано) с радиусом R отепляющего действия.

При этом глубина, количество и шаг L скважин 7, равно как и параметры электронагревателей, выбраны так, что ядро 1 и первый слой 2 фильтра постоянно находятся в зоне действия положительных температур (талой зоне).

В данном конкретном примере тепловая завеса расположена только со стороны нижнего бьефа - наиболее охлаждаемой поверхности низовой призмы плотины. В случае необходимости может быть создана дополнительная тепловая завеса со стороны верхнего бьефа. Позицией 8 на фиг.1 показана глубина промерзания плотины при отсутствии тепловой завесы. Граница между талыми и мерзлыми грунтами обозначена позицией 9, а зоны положительных и отрицательных температур показаны соответственно знаками (+) и (-).

Предлагаемая грунтовая плотина работает следующим образом. В результате действия тепловой энергии, выделяемой обогревающими устройствами, расположенными в скважинах 7, вокруг них возникают талые зоны грунта с радиусом R, которые смыкаются и образуют сплошную талую зону, препятствующую промерзанию грунтов в ядре 1.

Таким образом, использование заявляемой грунтовой плотины на многолетнемерзлом основании обеспечивает следующие преимущества по сравнению с прототипом:

- исключается возможность промерзания связных грунтов в противофильтрационном элементе (ядре, экране) и их пучение;

- сохраняется постоянство заданных характеристик фильтрационной и суффозионной прочности противофильтрационного элемента независимо от параметров пучинистости использованных в нем грунтов;

- обеспечивается свобода деформаций гребня плотины совместно с противофильтрационным элементом ее,

- исключается возможность возникновения опасной зоны контакта между талыми и мерзлыми грунтами в противофильтрационном элементе.

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, гребень, противофильтрационный элемент и примыкающие к нему переходные слои, отличающаяся тем, что она содержит тепловую завесу, которая размещена между противофильтрационным элементом и близлежащим к нему переходным слоем и выполнена в виде ряда последовательно расположенных скважин, каждая из которых оборудована, по меньшей мере, одним обогревающим устройством, при этом глубина, количество и шаг скважин, а также количество и параметры обогревающих устройств выбраны так, что противофильтрационный элемент и близлежащий к нему переходный слой, между которыми размещена тепловая завеса, находятся в зоне действия положительных температур, создаваемой указанной тепловой завесой.

2. Плотина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве обогревающего устройства выбран электронагреватель.

3. Плотина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве обогревающего устройства выбран жидкостный теплоноситель.