Способ строительства напорного сооружения в многолетнемерзлых грунтах и напорное сооружение в многолетнемерзлых грунтах

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено в эксплуатации напорного грунтового гидротехнического сооружения в северных климатических условиях, характеризующихся наличием многолетнемерзлых грунтов. Способ включает сооружение дренажного устройства, напорного сооружения и емкости для сбора фильтрационной воды, профильтровавшейся через тело и основание этого напорного сооружения. За емкостью для сбора воды отрывают замораживающую траншею на пути прохождения подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость, и оборудуют ее противоосадковым навесом. Способ осуществляется с помощью устройства, включающего дренажное устройство и емкость для сбора фильтрационной воды. Оно дополнительно содержит за емкостью для сбора фильтрационной воды не менее чем одну замораживающую траншею, расположенную на пути прохождения подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость, на расстоянии, достаточном для сохранения в естественном состоянии целика между этой емкостью и замораживающей траншеей в период между зимними сезонами. Траншею снабжают в частных случаях съемным защитным покрытием, трубой и источником холодного воздуха или пакетированным хладагентом, и противоосадковым навесом. Предотвращается распространение подземного потока, профильтровавшегося через емкость для сбора фильтрационной воды, и повышается противофильтрационная эффективность напорного сооружения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено в эксплуатации напорного грунтового гидротехнического сооружения в северных климатических условиях, характеризующихся наличием многолетнемерзлых грунтов.

Регионы Крайнего Севера характеризуются также отсутствием природного грунтового противофильтрационного материала, что придает специфику строительным работам, повышает их стоимость.

Для снижения и предотвращения фильтрационных потерь через тело и основание напорного сооружения используют различные конструкции напорных сооружений, включающие дренажные устройства и различные противофильтрационные элементы, а также применяют различные способы их строительства.

Так, известен способ возведения противофильтрационного элемента напорного сооружения в виде плотины в суровых климатических условиях, при котором мерзлый грунт взрыхляют в карьере и дробят. Затем в него вводят охлажденные мелкозернистый заполнитель и портландцемент. Приготовленную смесь в мерзлом состоянии укладывают в тело противофильтрационного элемента и укатывают до необходимой (максимально возможной) плотности. При оттаивании избыточная влага глинистого грунта расходуется на гидролиз и гидратацию цемента, а также на смачивание и адсорбцию мелкозернистого заполнителя. Консолидировавшийся грунтоцемент после оттаивания обеспечивает необходимую суффозионно-фильтрационную и деформационную устойчивость противофильтрационного элемента [АС SU 1518441. Бюл. №40 30.10.89].

Недостатком этого напорного сооружения является то, что его конструктивное решение не предусматривает перехват подземного проскока профильтровавшейся через его основание воды, что ведет к неблагоприятным экологическим последствиям.

Известен также северный способ возведения грунтовой плотины, который предусматривает поярусную отсыпку грунтового противофильтрационного элемента из мерзлых связных грунтов, возведение противофильтрационного элемента и устройство запитывающей траншеи между противофильтрационными элементами. При возведении упорных призм из несвязных грунтов подают воду в гребень каждого яруса, при этом воду подают в зону контакта упорной призмы и противофильтрационного элемента. Также производят подачу воды в запитывающую траншею и ее отведение. Противофильтрационный элемент устраивают путем промораживания грунта на период стабилизации прочности тела сооружения. После этого замораживающую систему отключают [АС SU №1476049. Бюл. №16, 30.04.89].

Недостатком гидротехнического сооружения, устроенному по этому способу, являются высокие затраты на его строительство и возможность подземного проскока профильтровавшейся воды ниже устройства для сбора фильтрационной воды.

Известен способ возведения грунтовой плотины, включающий выполнение до заданного промежуточного уровня из связанного грунта противофильтрационного элемента и из несвязанного грунта боковых призм, формирование над ними слоя несвязанного грунта заданной толщины и выполнение противофильтрационного элемента в пределах толщины этого слоя путем заполнения связным грунтом траншеи, разрабатываемой землеройной машиной на всю толщину слоя несвязного грунта, при этом в несвязном грунте части слоя, размещенной над противофильтрационным элементом, непосредственно вначале морозного периода года обеспечивают влажность в количестве, достаточном для омоноличивания этого грунта при промерзании, а разработку траншеи и заполнение ее связным грунтом осуществляют в конце морозного периода и/или в начале безморозного периода [Заявка RU №2000108903, 04.10.00].

Как и предыдущие аналоги, напорное сооружение по этому способу решает задачу повышения противофильтрационной эффективности только за счет конструкции противофильтрационного элемента и не предусматривает перехвата подземного проскока профильтровавшейся воды через емкость для сбора фильтрационной воды типа дренажного колодца.

Таким образом, конструкции напорных сооружений предшествующего поколения не предусматривают вероятность размораживания дна и стенок емкости для сбора фильтрационной воды в процессе эксплуатации и, соответственно, фильтрацию через них воды.

Задачей изобретения является разработка способа строительства напорного сооружения в условиях северной строительно-климатической зоны, характеризующихся многолетнемерзлыми грунтами, и конструкции напорного сооружения, предотвращающей распространение подземного фильтрационного потока, фильтрующегося через емкость для сбора фильтрационной воды.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются:

- создание естественного водоупора между емкостью для сбора фильтрационной воды и замораживающей траншеей на период между зимними сезонами;

- предотвращение распространения фильтрационного потока, фильтующегося через емкость для сбора фильтрационной воды;

- повышение противофильтрационной эффективности напорного сооружения.

Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможно

- для способа: благодаря тому, что в известном способе строительства напорного сооружения в условиях многолетнемерзлых грунтов естественного основания, включающем сооружение дренажного устройства, напорного сооружения и емкости для сбора фильтрационной воды, профильтровавшейся через тело и основание напорного сооружения, за емкостью для сбора фильтрационной воды отрывают замораживающую траншею на пути прохождения подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость, для поддержания в естественном замороженном состоянии целика между этой емкостью и замораживающей траншеей в период между зимними сезонами и оборудуют ее противоосадковым навесом,

- для устройства: благодаря тому, что напорное сооружение в условиях многолетнемерзлых грунтов, включающее дренажное устройство и емкость для сбора фильтрационной воды, обеспечивающие возможность перехвата профильтровавшейся через тело и основание этого напорного устройства воды, содержит за емкостью для сбора фильтрационной воды не менее чем одну замораживающую траншею, расположенную на пути прохождения подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость, на расстоянии от емкости для сбора фильтрационной воды, достаточном для сохранения в естественном состоянии целика между этой емкостью и замораживающей траншеей в период между зимними сезонами.

В частных примерах выполнения напорного сооружения противоосадковый навес выполнен из светоотражающего материала, замораживающая траншея дополнительно снабжена съемным защитным покрытием, источником холодного воздуха, трубой для подачи холодного воздуха или пакетированным хладогентом.

Заявляемое изобретение иллюстрируют следующие чертежи.

Фиг.1. Разрез заявляемого напорного сооружения, на котором показаны плотина, емкость для сбора фильтрационной воды, дренажная труба, замораживающая траншея.

Фиг.2. Фрагмент напорного сооружения, на котором показаны замораживающая траншея с противоосадковым навесом и целик.

Фиг.3. Замораживающая траншея с противоосадковым навесом, съемным защитным покрытием и трубой для холодного воздуха.

Заявляемое напорное сооружение из местных материалов в условиях северной климатической зоны (фиг.1) выполнено в виде плотины 1 на естественном основании 2 из многолетнемерзлых грунтов и включает дренажное устройство (не показано), состоящее из дренажа (не показан) в основании 2 плотины 1, и емкость для сбора фильтрационной воды 3, профильтровавшейся через тело (не показано) и основание 2 плотины 1. Дренаж выполнен в виде траншеи 4, вырытой под основанием 2 плотины 1 перпендикулярно ее оси. На дно траншеи 4 уложена перфорированная труба 5, торец которой выходит в емкость для сбора фильтрационной воды 3. За емкостью для сбора фильтрационной воды 3, на пути прохождения подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость расположена замораживающая траншея 6, выполненная с возможностью создания естественного водоупора путем сохранения в естественном состоянии промороженного целика 7 между емкостью для сбора фильтрационной воды 3 и замораживающей траншеей 6 в течение периода между зимними сезонами, что позволяет предотвратить распространение фильтрации через эту емкость в процессе эксплуатации. Замораживающая траншея 6 заполнена холодным воздухом (не показан) и снабжена противоосадковым навесом 8, обеспечивающим сохранение полости (не показана) этой траншеи в сухом состоянии. При растеплении стенок замораживающей траншеи 6 в процессе эксплуатации возможно сооружение за ней еще одной аналогичной траншеи.

В частных примерах выполнения напорного устройства в качестве материала для противоосадкового навеса 8 может быть использован светоотражающий материал, что дополнительно предохраняет воздух, которым заполнена замораживающая траншея 6, от перегрева под действием лучей солнца. Для поддержания низкой температуры холодного воздуха в полости замораживающая траншея 6 может быть снабжена трубой 9, проложенной по длине этой траншеи (фиг.2), и системой охлаждения (не показана) для принудительной подачи по трубе 9 холодного воздуха или пакетированным хладогентом (не показан), который используют как дополнительный резерв в период резкого потепления. Кроме этого, замораживающая траншея 6 напорного сооружения может быть дополнительно снабжена съемным защитным покрытием 10 для предотвращения быстрого размораживания грунта, примыкающего к ее стенкам и попадания в нее осадков.

Заявляемый способ строительства напорного сооружения в виде плотины 1 из местных материалов в условиях северной климатической зоны, характеризующейся многолетнемерзлыми грунтами, осуществляют следующим образом. Снимают поверхностный слой из-под основания 2 плотины и чаши хвостохранилища (не показаны), включая органику на глубину около 0,5 м.

Под основанием 2 напорного сооружения в виде плотины 1 сооружают дренажное устройство, включающее дренаж (не показан) и емкость для сбора фильтрационной воды 3. Для выполнения дренажа прорывают перпендикулярно оси плотины 1 на глубину около 2 м траншею 4 шириной около 1 м. На дно траншеи 4 укладывают перфорированную дренажную трубу 5, например асбестоцементную, торец которой выводят в отрытую емкость для сбора фильтрационной воды 3, которая фильтруется через тело (не показано) и основание 2 плотины 1. Траншею 4 заполняют гравийно-галечным грунтом и покрывают геотекстилем (не показаны). Защищают геотекстиль гравийным грунтом от повреждений при дальнейших технологических операциях. Возводят плотину 1 из местных материалов. Уплотнение грунтов, отсыпанных в тело плотины, производят используемыми при строительстве механизмами.

За емкостью для сбора фильтрационной воды 3 отрывают замораживающую траншею 6, которую размещают на пути подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость. Сооружают над замораживающей траншеей 6 противоосадковый навес 8, предотвращающий попадание осадков в полость этой траншеи и, соответственно, повышение температуры находящегося в ней воздуха. Холодный воздух, находящийся в замораживающей траншее 6, обеспечивает поддержание целика 7 в естественном замороженном состоянии в период между зимними сезонами, что позволяет создать на пути прохождения естественный водоупор и предотвратить распространение фильтрационного потока путем его замораживания.

Практическую применимость заявляемого изобретения показывают следующие модельные примеры.

Пример 1.

При сооружении напорного сооружения в виде плотины из местных материалов в условиях многолетнемерзлых грунтов для хвостохранилища на опытном участке разрабатывают грунты из-под основания плотины и ложа хвостохранилища на глубину 0,5 м. Под основанием плотины, перпендикулярно ее оси, на глубину около 2 м отрывают траншею шириной 1 м, укладывают на дно траншеи перфорированную асбоцементную трубу, конец которой выводят в емкость для сбора фильтрационной воды. Заполняют дренажную траншею гравийно-галечным грунтом, покрывают геотекстилем и защищают фильтрующим грунтом.

Возводят плотину на высоту 4 м путем уплотнения разработанных грунтов механизмами, используемыми при строительстве.

Противофильтрационный элемент выполняют путем укладки хвостов обогатительной фабрики в ядро плотины слоями по 0,5 м с последующим их уплотнением путем замачивания с целью оттаивания имеющихся льдистых включений.

После устройства противофильтрационного элемента верховой откос пригружают грунтом.

Прорывают замораживающую траншею на расстоянии 5 м за емкостью для сбора фильтрационной воды. Глубина замораживающей траншеи равна 5 м, ширина 2 м, длина 20 м.

Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в зимний период, град.С	35,0
Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в летний период, град.С	4,5
Средняя температура целика в зимний период, град.С	10
Средняя температура целика в летний период
к конце сезона, град.С	3,0

Пример 2.

По примеру 1.

В качестве напорного сооружения сооружена дамба без противофильтрационного элемента.

Замораживающая траншея защищена противоосадковым навесом из светоотражающего материала. Летом замораживающая траншея укрыта съемным защитным покрытием для предотвращения быстрого размораживания грунта, примыкающего к стенкам траншеи.

Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в зимний период, град.С	35,0
Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в летний период, град.С	5,5
Средняя температура целика в зимний период, град.С	10,0
Средняя температура целика в летний период к концу сезона, град.С	4,0

Пример 3.

По примеру 2.

По дну замораживающей траншеи проложена труба, связанная с источником холодного воздуха

Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в зимний период, град.С	35,0
Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в летний период, град.С	5,5
Средняя температура целика в зимний период, град.С	10,0
Средняя температура целика в летний период к концу сезона, град.С	4,0

Пример 4.

По примеру 2.

На период поднятия температуры воздуха выше среднестатистической замораживающую траншею заполняют пакетированным сухим хладагентом.

Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в зимний период, град.С	35,0
Средняя температура холодного воздуха в замораживающей траншее в летний период, град.С	5,0
Средняя температура целика в зимний период, град.С	10,0
Средняя температура целика в летний период к концу сезона, град.С	5,0

Как видно из представленных примеров, заявляемая совокупность существенных признаков заявляемого изобретения позволяет решить поставленную задачу и обеспечить в течение эксплуатационного периода предотвращение распространения подземного потока, профильтровавшегося через емкость для сбора фильтрационной воды, за счет поддержания в естественном состоянии замороженного целика в период между зимними сезонами с помощью холодного воздуха, заполняющего дополнительно сооруженную на пути этого потока замораживающую траншею, т.е. повысить противофильтрационную эффективность напорного сооружения.

Изобретательским шагом заявляемого технического решения является предотвращение распространения подземного потока, фильтрующегося через емкость для сбора фильтрационной воды, путем его круглогодичного замораживания за счет поддержания в естественном состоянии промороженного целика между этой емкостью и замораживающей траншеей.

1. Способ строительства напорного сооружения в условиях многолетнемерзлых грунтов естественного основания, включающий сооружение дренажного устройства, напорного сооружения и емкости для сбора фильтрационной воды, профильтровавшейся через тело, и основание этого напорного сооружения, отличающийся тем, что за емкостью для сбора фильтрационной воды отрывают замораживающую траншею на пути прохождения подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость, для поддержания в естественном замороженном состоянии целика между емкостью для сбора фильтрационной воды и замораживающей траншеей в период между зимними сезонами, и оборудуют ее противоосадковым навесом.

2. Напорное сооружение в условиях многолетнемерзлых грунтов, включающее дренажное устройство и емкость для сбора фильтрационной воды, обеспечивающие возможность перехвата профильтровавшейся через тело и основание этого напорного сооружения воды, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит за емкостью для сбора фильтрационной воды не менее чем одну замораживающую траншею, расположенную на пути прохождения подземного фильтрационного потока, профильтровавшегося через эту емкость, на расстоянии от емкости для сбора фильтрационной воды, достаточном для сохранения в естественном состоянии целика между этой емкостью и замораживающей траншеей в период между зимними сезонами, и противоосадковый навес над замораживающей траншеей.

3. Напорное сооружение по п.2, отличающееся тем, что противоосадковый навес выполнен из светоотражающего материала.

4. Напорное сооружение по п.2, отличающееся тем, что замораживающая траншея дополнительно снабжена съемным защитным покрытием.

5. Напорное сооружение по п.2, отличающееся тем, что замораживающая траншея дополнительно снабжена источником холодного воздуха.

6. Напорное сооружение по п.2, отличающееся тем, что замораживающая траншея дополнительно оборудована трубой для холодного воздуха.

7. Напорное сооружение по п.2, отличающееся тем, что замораживающая траншея дополнительно снабжена пакетированным хладагентом.