Грунтовая плотина на многолетнемерзлых грунтах

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении на многолетнемерзлых грунтах грунтовой плотины, перегораживающей малорасходный водоток. Грунтовая плотина включает тело и противофильтрационное устройство, расположенное в пределах центральной части тела грунтовой плотины и водонепроницаемо сопряженное с многолетнемерзлыми грунтами. Сопряжение осуществлено посредством ледогрунтовой призмы, выполненной из влажного связного грунта, расположенной в пределах средней части подошвы грунтовой плотины на естественной поверхности многолетнемерзлых грунтов и примороженной к ним. Нижний конец противофильтрационного устройства на заданную величину водонепроницаемо защемлен в ледогрунтовой призме. Охлаждающие элементы замораживающей системы расположены в ледогрунтовой призме и обеспечивают в период эксплуатации грунтовой плотины поддержание этой призмы в мерзлом, ледогрунтовом состоянии. Предотвращается нарушение водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов при возведении грунтовой плотины и ее эксплуатации, повышается качество водонепроницаемого сопряжения противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами и повышается точность прогнозирования оттаивания грунтов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении на многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах грунтовой плотины, перегораживающей малорасходный водоток, и высота которых обычно не превышает 20-25 метров.

Грунтовые плотины на многолетнемерзлых грунтах в условиях Крайнего Севера, создающие водохранилища на малорасходных, перемерзающих в холодный период года водотоках, практически всегда возводят с сохранением отрицательных температур в основании на весь их период эксплуатации - принцип строительства 1. Такие общеизвестные плотины часто называют мерзлыми или нефильтрующими.

Противофильтрационное устройство в такой грунтовой плотине расположено в пределах центральной части ее тела, выполнено посредством замораживающих колонок в виде ледогрунтовой завесы, водонепроницаемо сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами посредством глубокого зуба, заполняемого суглинком, и путем погружения нижних частей замораживающих колонок через этот зуб на заданную величину в многолетнемерзлые грунты [1].

Основными и общеизвестными недостатками такой грунтовой плотины являются непредсказуемость оттаивания грунтов, особенно в месте сопряжения противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами [1]. Этому способствует то, что в процессе выполнения зуба коренные породы разуплотняются, в результате чего водонепроницаемость контакта суглинка с коренными породами не обеспечивается [2]. Все это снижает надежность грунтовой плотины.

Низкая надежность грунтовой плотины объясняется так же тем, что при выполнении зуба и бурении скважин под замораживающие колонки происходит нарушение верхнего водогазонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов (то же: плащ, панцирь, корка). Такой мерзлый насыщенный льдом плащ образовался в начальный период последнего похолодания (ледникового периода) при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в его морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков. При этом толщина плаща местами увеличивалась снизу вверх за счет отложения дисперсных грунтов и их обильного обводнения осадками и последующего промерзания. Одновременно с этим по наиболее крупным трещинам напряжений, образовавшихся в предыдущие геологические периоды, под действием гидравлического уклона вода из-под плаща вытекала в ближайшие места разгрузки - талики водотоков и водоемов, источники подземных вод, термокарсты и другие. В результате этого по мере дальнейшего опускания нижней границы многолетнемерзлых грунтов под плащом часть глубинных трещин навсегда, до следующего глобального потепления, осталась свободной ото льда и дисперсных грунтов - пустотелые промытые трещины [3].

В соответствии с законами теплотехники на растепление искусственно созданным водоемом насыщенного льдом мерзлого плаща естественным путем требуется длительное время. При выполнении же зуба и бурении скважин цельность плаща нарушается, что приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из водохранилища и соответственно аномально быстрому оттаиванию многолетнемерзлых грунтов с участием системы незаполненных льдом разного порядка полых трещин [2].

Задача, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности грунтовой плотины.

Технический результат от использования изобретения заключается в том, что полностью предотвращено нарушение водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при возведении грунтовой плотины и ее эксплуатации, повышено качество водонепроницаемого сопряжения противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами и повышена точность прогнозирования оттаивания грунтов.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в грунтовой плотине на многолетнемерзлых грунтах, включающей тело и противофильтрационное устройство, расположенное в пределах центральной части тела грунтовой плотины и водонепроницаемо сопряженное с многолетнемерзлыми грунтами, согласно изобретению, сопряжение противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами осуществлено посредством ледогрунтовой призмы, выполненной из влажного связного грунта, расположенной в пределах средней части подошвы грунтовой плотины на естественной поверхности многолетнемерзлых грунтов и примороженной к ним. Нижний конец противофильтрационного устройства на заданную величину водонепроницаемо защемлен в ледогрунтовой призме, а охлаждающие элементы замораживающей системы расположены в ледогрунтовой призме и обеспечивают в период эксплуатации грунтовой плотины поддержание этой призмы в мерзлом, ледогрунтовом состоянии.

Дополнительно:

- противофильтрационное устройство выполнено в виде водонепроницаемой геомембраны из полимерного материала, а охлаждающие элементы замораживающей системы - в виде металлических труб большого диаметра, обеспечивающего осмотр и ремонт этих труб изнутри, при этом посредством входного и выходного участка каждая эта труба сообщена с атмосферой, а размер ее внутреннего диаметра более 1,2 метра;

- противофильтрационное устройство выполнено в виде расположенной вертикально в центральной части тела грунтовой плотины ледогрунтовой завесы, созданной посредством замораживающих колонок, нижние части которых на заданную величину расположены в ледогрунтовой призме;

- геомембрана в поперечном сечении грунтовой плотины имеет ломаный вид, а входные участки охлаждающих труб замораживающей системы выполнены с теплоизоляцией или из полиэтилена.

Именно введение в состав плотины ледогрунтовой призмы, выполненной по ранее указанным правилам, позволяет выполнить сопряжения противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами без его углубления в многолетнемерзлые грунты, следовательно, и без нарушения водонепроницаемости их плаща, что обеспечивает достижение ранее указанного технического результата.

На фиг.1 изображен поперечный разрез руслового участка грунтовой плотины с противофильтрационным устройством в виде геомембраны из полимерного материала, пример 1; на фиг.2 - вид на плотину со стороны нижнего бьефа; на фиг.3 - поперечный разрез руслового участка грунтовой плотины с противофильтрационным устройством в виде ледогрунтовой завесы, пример 2.

Пример 1 (фиг.1 и 2). Плотина содержит тело 1, противофильтрационное устройство в виде водонепроницаемой геомембраны 2 из полимерного материала, ледогрунтовой призмы 3 и замораживающую систему, охлаждающие элементы которой выполнены в виде металлических труб (охлаждающие трубы) 4 большого диаметра.

Геомембрана 2 расположена в пределах центральной части тела 1 плотины, имеет ломаный вид. Нижняя часть 5 геомембраны 2 на заданную величину водонепроницаемо защемлена в ледогрунтовой призме 3, выполненной из влажного связного грунта. Эта призма 3 расположена в пределах средней части подошвы 6 плотины на естественной поверхности 7 многолетнемерзлых грунтов 8 и приморожена к ним. Замораживающая система выполнена сезонно-действующей с принудительной посредством вентиляторов 9 циркуляцией холодного воздуха по одной или двум охлаждающим трубам 4 в каждом поперечном сечении плотины на 3-х ее участках: русловом 10, правобережном 11 и левобережном 12. Каждая охлаждающая труба 4 выполнена из металла, расположена внутри ледогрунтовой призмы 3 и входным участком 13, и выходным участком 14 через соответственно воздухозаборный раструб 15 и работающий в режиме всасывания вентилятор 9, сообщена с атмосферой. Размер внутреннего диаметра охлаждающей трубы более 1,2 метра, что обеспечивает осмотр и ремонт такой большой трубы 4 изнутри.

Входные участки 13 металлических охлаждающих труб 4 целесообразно выполнить с теплоизоляцией или из полиэтилена, имеющего относительно низкую теплопроводность.

При прогнозируемом конечном положении нулевой изотермы 16 геомембрана 2 в изображенном на фиг.1 варианте находится в пределах талой части тела 1 плотины, а в возможном варианте, изображенном пунктиром - в пределах ее промерзающей части.

На чертежах дополнительно позициями обозначены:

17 - водохранилище;

18 - водонепроницаемый плащ;

19 - русловой талик;

20 - берма.

При возведении плотины основные работы выполняют в один холодный период года, точнее: до подъема уровня воды в водохранилище 17 в первой половине теплого периода года, т.е. за 8-9 месяцев. При этом особое внимание уделяют качеству примораживания ледогрунтовой призмы 3 непосредственно к ледонасыщенным многолетнемерзлым грунтам 8, точнее - к их ледогрунтовому плащу 18, особенно в пределах руслового талика 19 (фиг.2). Для этого в проекте предусматривают известные технические приемы и средства для осуществления качественного примораживания ледогрунтовой призмы 3.

В эксплуатационный период ведут наблюдения за температурой грунтов, особенно в месте примораживания ледогрунтовой призмы 3 к водонепроницаемому плащу 18. При этом в проекте предусматривают средства для ведения этого наблюдения, а также средства для понижения температуры грунтов на случай возникновения необходимости, например, с бермы 20.

По мере оттаивания многолетнемерзлых грунтов 8 их водонепроницаемый плащ 18 опускается вниз без нарушения своей водонепроницаемости [3].

Пример 2 (фиг.3). Отличие этой грунтовой плотины от плотины, приведенной в примере 1, заключается, прежде всего, в выполнении противофильтрационного устройства, которое представляет собой расположенную в центральной части грунтовой плотины вертикальную ледогрунтовую завесу 21. Эта завеса 21 создана и постоянно поддерживается в мерзлом состоянии посредством замораживающих колонок 22, нижние части 23 которых на заданную величину расположены в ледогрунтовой призме 3 и, охлаждая, поддерживают эту призму в мерзлом, ледогрунтовом состоянии.

Тип и конструкция замораживающих колонок 22, а также необходимость выполнения в плотине охлаждающих труб 4 (на чертеже трубы изображены пунктиром) устанавливаются проектом в зависимости от конструкции грунтового тела 1 плотины и местных условий.

Источники информации

1. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983. С.64-101.

2. Алешин Д.В., Шишов И.Н., Федосеев В.И. Восстановление напорного фронта гидроузла на реке Сытыкан. // Гидротехническое строительство. 2004. №12.

3. Ягин В.П., Вайкум В.А. Опорная гидрогеологическая схема-гипотеза многолетней мерзлоты с учетом истории геокриологического развития территории и применительно гидротехнического строительства. Интеллектуальный продукт. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.

1. Грунтовая плотина на многолетнемерзлых грунтах, включающая тело и противофильтрационное устройство, расположенное в пределах центральной части тела грунтовой плотины и водонепроницаемо сопряженное с многолетнемерзлыми грунтами, отличающаяся тем, что сопряжение противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами осуществлено посредством ледогрунтовой призмы, выполненной из влажного связного грунта расположенной в пределах средней части подошвы грунтовой плотины на естественной поверхности многолетнемерзлых грунтов и примороженной к ним, при этом нижний конец противофильтрационного устройства на заданную величину водонепроницаемо защемлен в ледогрунтовой призме, а охлаждающие элементы замораживающей системы расположены в ледогрунтовой призме и обеспечивают в период эксплуатации грунтовой плотины поддержание этой призмы в мерзлом, ледогрунтовом состоянии.

2. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что противофильтрационное устройство выполнено в виде водонепроницаемой геомембраны из полимерного материала, а охлаждающие элементы замораживающей системы - в виде металлических труб большого диаметра, обеспечивающего осмотр и ремонт этих труб изнутри, при этом посредством входного и выходного участка каждая эта труба сообщена с атмосферой.

3. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что противофильтрационное устройство выполнено в виде расположенной вертикально в центральной части тела грунтовой плотины ледогрунтовой завесы, созданной посредством замораживающих колонок, нижние части которых на заданную величину расположены в ледогрунтовой призме.

4. Грунтовая плотина по п.2, отличающаяся тем, что геомембрана в поперечном сечении грунтовой плотины имеет ломаный вид, а входные участки охлаждающих труб замораживающей системы выполнены с теплоизоляцией или из полиэтилена.

5. Грунтовая плотина по п.1, отличающаяся тем, что размер внутреннего диаметра охлаждающей трубы более 1,2 м.