Противопаводковая фильтрующая плотина
Владельцы патента RU 2552361:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" (RU)
Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, предназначенным для защиты территорий от наводнений путем регулирования стока рек. Плотина сооружается на притоках главных рек с возможностью образования в зоне формирования паводка временного водохранилища и укладывается поперек русла притока в виде трапециевидной призмы. Плотина выполнена из водонепроницаемых мешков с сыпучим наполнителем. Мешки уложены вдоль русла притока послойно, с чередованием слоев с продольным 6 и поперечным 7 относительно русла расположением мешков. Нижний слой образован из продольно расположенных мешков. В свою очередь продольные ряды мешков уложены на расстоянии друг от друга. Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в возможности возведения противопаводковой плотины в руслах рек любой конфигурации и в любых геологических условиях. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, предназначенным для защиты территорий от наводнений путем регулирования стока рек.
Известны сооружения в виде дамб - запруд, обеспечивающие защиту территорий от наводнения путем регулирования стока рек. Дамбы выполнены из бетона с отверстиями, обеспечивающими сброс воды при паводках (патент РФ №2116401, МПК Е02В 3/02, опубл. 27.07.1998).
Недостатком возводимых дамб является высокая стоимость строительства бетонных дамб и невозможность их возведения в горных условиях из-за отсутствия транспортных путей.
Известна система защиты территорий от наводнения по пат. №41739, МПК Е02В 3/00, опубл. 10.11.2004. Система включает комплекс временных противопаводковых водохранилищ с плотинами, установленными на притоках главной реки водосбора. В каждой плотине имеется сквозное отверстие в виде полуцилиндрических труб для пропуска расчетного объема воды, который не вызывает наводнения.
Недостатком системы является также высокая стоимость и трудоемкость ее возведения, связанная с необходимостью прокладки в плотине трубчатых водосбросов.
Одним из наиболее близких аналогов предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является противопаводковая фильтрующая плотина в составе системы защиты территории от наводнений (пат. RU №2389845, МПК Е02В 3/02, опубл. 20.05.2010). Плотину возводят на притоке главной реки с возможностью образования в зоне формирования паводка временного водохранилища. Сооружение представляет собой каменную насыпь, уложенную поперек русла реки в виде трапециевидной призмы. В нижней зоне укладывают крупные камни, в верхней зоне - более мелкие. Место расположения плотины выбирают в узких скальных каньонах и сооружают взрывным способом.
Недостатком сооружения является ограниченная область его применения из-за обязательного наличия вблизи защищаемой территории скальных берегов и каменного материала, необходимых при возведении сооружения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке усовершенствованного сооружения, которое при сохранении всех достоинств прототипа позволило бы получить новый по сравнению с ним технический результат, а именно, возможность возведения противопаводковой плотины в руслах рек любой конфигурации и в любых геологических условиях.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: противопаводковая фильтрующая плотина, так же как и прототип сооружаемая на притоке главной реки с возможностью образования в зоне формирования паводка временного водохранилища и уложенная поперек русла притока в виде трапециевидной призмы, в отличие от прототипа выполнена из водонепроницаемых мешков с сыпучим наполнителем, при этом мешки уложены вдоль русла притока послойно, с чередованием слоев с продольным и поперечным относительно русла расположением мешков, при этом нижний слой образован из продольно расположенных мешков, в свою очередь продольные ряды мешков уложены на расстоянии друг от друга.
Указанная совокупность обеспечивает регулирование потоков воды, направленных к главному руслу реки, за счет создания условий, при которых во время выпадения повышенных осадков и интенсивного таяния снегов через продольные каналы, образуемые в слоях с продольным расположением мешков, пропускается безопасный объем стока, а излишек воды удерживается во временном водохранилище до полного стока воды и освобождения водохранилища.
В плотине поперечные ряды могут плотно прилегать один к другому или для увеличения ее пропускной способности могут быть уложены на расстоянии друг от друга. В последнем случае пропускная способность плотины увеличивается за счет вертикального перетока воды между рядами, что необходимо при засорении наносами входных участков продольных рядов.
Расстояние между поперечными рядами мешков равно , где l - длина мешка.
Для устойчивости продольных каналов мешки нижнего поперечного ряда уложены под углом 30…45°, с возможностью формирования водопропускного отверстия в виде свода в форме треугольной арки.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - возможность возведения плотины для любой конфигурации русла и в любых геологических условиях - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь проведенный информационный поиск в области гидротехнического строительства не выявил отдельных отличительных признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлен план-схема расположения временных водохранилищ в речном бассейне,
на фиг.2 - продольный разрез реки с каскадным расположением временных водохранилищ,
на фиг.3 - продольный разрез плотины из мешков с песком с продольными каналами,
на фиг.4 - поперечный разрез плотины с продольными каналами в основании,
на фиг.5 изображен вид плотины с продольным каналом и арочным отверстием,
на фиг.6 представлен график режима пропуска паводковых расходов через плотину,
на фиг.7 представлена схема пропуска воды через поперечные ряды при засорении наносами нижних каналов.
Речной бассейн, где выпадают осадки, можно разделить на две зоны (фиг.1): зона формирования паводка 1 и зона затопления 2, где расположен населенный пункт 3. В зоне 1 на речных притоках устанавливают плотины 4, которые в период образования паводка создают временные водохранилища 5. Каждая плотина 4 формируется из отдельных слоев водонепроницаемых мешков с сыпучим материалом, которые укладываются в продольные (вдоль русла) 6 и поверх них поперечные 7 (поперек русла) ряды. Между продольными рядами 6 образуются продольные каналы 8. Поперечные ряды 7 могут укладываться плотно или с промежуточными каналами. Высота плотины выбирается из расчета уровня воды в притоке в период паводка, при этом гребень плотины устанавливается на отметке, превышающей уровень на 0,5…1,0 м. Профиль плотины формируется с уклонами напорной верховой грани 5:1, низовой грани 1:1.
Для формирования водопропускного отверстия в теле плотины между продольными рядами 6 укладывают мешки под углом 30…45°, при этом отверстие имеет вид треугольной арки (фиг.5).
Для обеспечения надежности и устойчивости плотины мешки изготавливают из прочной водонепроницаемой ткани, например из полипропилена. Мешки могут быть заполнены песком или другими видами грунтовых материалов (гравием, щебнем и др.) Ширина мешка к его длине составляет 1:2, заполнение грунтом мешков продольных рядов производят на 0,7 объема мешка, поперечных рядов - на 0,9 объема. После заполнения грунтом мешки сшивают поперечным швом.
Предлагаемое сооружение действует следующим образом.
Дождевые осадки в зоне паводка задерживаются плотинами на притоках главной реки, образуя временные водохранилища - «ловушки». Во время паводка временные водохранилища задерживают часть стока, срезая пик паводка. При этом плотина через продольные каналы 8 пропускает часть расхода воды Qp, который меньше, чем бытовой паводковый расход Qб. В результате время прохождения паводка t1 увеличивается до величины t2, при этом высота пика паводка уменьшается. При выполнении вертикальных каналов между поперечными рядами пропуск воды будет происходить не только по продольным каналам, но и по поперечным, что обеспечивает функционирование плотины при засорении нижних каналов (фиг.7).
Пропускная способность заявляемой плотины определяется зависимостью
где µ - коэффициент расхода;
ωi - площадь поперечного сечения продольного канала;
Hi - напор до центра отверстия канала;
n - количество продольных каналов в плотине.
Создание предлагаемых сооружений возможно на территориях, где до створа плотины нет транспортных путей и все работы можно выполнить с использованием ручного труда или малой механизации.
Предлагаемая конструкция разработана специалистами кафедры Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования плотины в составе схемы защиты г. Крымска и других населенных пунктов Кавказа, Приморского края и др. от паводковых затоплений. В дальнейшем предполагается рекомендовать конструкцию для использования в бассейнах боковых рек, впадающих в реку Амур.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».
1. Противопаводковая фильтрующая плотина, сооружаемая на притоках главных рек с возможностью образования в зоне формирования паводка временного водохранилища и уложенная поперек русла притока в виде трапециевидной призмы, отличающаяся тем, что выполнена из водонепроницаемых мешков с сыпучим наполнителем, при этом мешки уложены вдоль русла притока послойно, с чередованием слоев с продольным и поперечным относительно русла расположением мешков, причем нижний слой образован из продольно расположенных мешков, в свою очередь продольные ряды мешков уложены на расстоянии друг от друга.
2. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что поперечные ряды мешков плотно прилегают друг к другу.
3. Плотина по п.1, отличающаяся тем, что поперечные ряды мешков расположены на расстоянии друг от друга.
4. Плотина по п.1 или 3, отличающаяся тем, что расстояние между поперечными рядами мешков равно , где l - длина мешка.
5. Плотина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что мешки, расположенные в нижнем поперечном ряду, уложены под углом 30…45°, с возможностью формирования водопропускного отверстия в виде свода в форме треугольной арки.
