грунтовая плотина мерзлого типа

Формула изобретения

ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА МЕРЗЛОГО ТИПА, содержащая ядро из малофильтрующего связного грунта, упорные верховую и низовую призмы из каменной наброски, переходные зоны между ядром и упорными призмами и колонки мерзлотной завесы, заглубленные нижней частью в основании плотины, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена насыпью из малофильтрующих грунтов, выполненной высотой не менее глубины сезонного протаивания грунта, отсыпанной вдоль подошвы низового откоса, с гребня которой установлены колонки мерзлотной завесы, и примыкающим к насыпи со стороны ядра плащом из связного грунта, расположенными под низовой упорной призмой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидротехнического строительства в суровых климатических условиях и может быть использовано при строительстве плотин мерзлого типа.

Известна плотина из грунтовых материалов на мерзлом основании с мерзлым противофильтрационным центральным ядром, верховой и низовой упорными призмами. Низовая призма имеет внутреннюю зону из каменной крупнопористой наброски, прикрытой грунтом из более мелких фракций, а гребень плотины и низовой откос покрыты водонепроницаемым глинистым слоем. Плотина оборудована трубами-выпусками по гребню и низовой берме, а также вентиляционной системой, по которым осуществляется естественная и принудительная конвекция воздуха в порах внутренней зоны низовой призмы из каменной наброски [1].

Недостаток плотины данной конструкции - невысокая надежность при эксплуатации. Во-первых, конструкция плотины не предусматривает глубокого промораживания основания, обеспечивающего его водонепроницаемость. Во-вторых, покрытие поверхности гребня и низового откоса плотины более мелким грунтом и экраном из глины препятствует естественной конвекции воздуха и создает условия образования конденсата и морозного куража в порах каменной наброски, что может привести к полной закупорке льдом пор и выходу из строя всей системы охлаждения. То же самое может произойти и в горизонтальных трубах - выпусках, которыми снабжена плотина, причем очистке они практически не поддаются и выходят из строя в первый же год эксплуатации.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является каменно-земляная плотина с мерзлым ядром из связного грунта [2]. Плотина содержит также верховую и низовую упорные призмы из каменной наброски, переходные зоны между ядром и призмами и замораживающую завесу по оси ядра, обеспечивающую проморозку ядра и основания плотины, создавая единую водонепроницаемую льдогрунтовую стену.

Наиболее ответственным и дорогостоящим элементом плотины является мерзлотная завеса. Но при высоте плотины 25 м и более невозможно обеспечить вертикальность колонок меpзлотной завесы. Это приводит к изменению заданного расстояния между ними по глубине и возникает опасность несмыкания мерзлых цилиндров, т.е. сплошной льдогрунтовой стенки не будет. Монтаж колонок мерзлотной завесы глубиной более 10 м производится обычно при их установке опусканием в скважины секций со сваркой стыков секций у устья скважины. При ведении монтажных работ в холодный период года менее -20^о гарантировать качество сварки проблематично. При принятии напора на недостаточно промороженное ядро возможны его горизонтальные сдвижки с повреждением целостности замораживающих колонок. Все это скажется на качестве и надежности работы плотины.

Цель изобретения - повышение надежности работы плотины за счет поддержания основания и ядра плотины в мерзлом состоянии с одновременным снижением объема работ и трудоемкости по возведению.

Поставленная цель достигается в грунтовой плотине мерзлого типа, содержащей противофильтрационное ядро из малофильтрующего связного грунта, упорные верховую и низовую призмы из каменной наброски, переходные зоны между ядром и упорными призмами и мерзлотную завесу, которая дополнительно снабжена насыпью из малофильтрующих грунтов, высотой не менее глубины сезонного протаивания грунта, отсыпанной вдоль подошвы низового откоса, с гребня которой установлены колонки мерзлотной завесы, и плащом из связного грунта, расположенным под низовой упорной призмой, а переходная зона низовой призмы имеет минимальную толщину.

В процессе возведения плотины ядро, возводимое в теплый период года, в холодный период года будет промерзать как с низовой, так и с верховой стороны. Для уменьшения теплового воздействия водоема на ядро после принятия напора ширина переходного слоя между ядром и верховой призмой принимается возможно большей (не менее 3 м) в зависимости от наличия в зоне строительства необходимого вида грунта (песчано-гравийная смесь или дресвяно-щебнистый грунт).

В процессе эксплуатации под тепловым воздействием водоема верховая сторона ядра будет оттаивать и нулевая изотерма 9 со временем займет свое равновесное стационарное положение внутри ядра. Такой же процесс будет происходить и в плаще, соединяющем ядро с насыпью мерзлотной завесы.

Отсыпка насыпи из малофильтрующих грунтов вдоль подошвы низового откоса обеспечивает поднятие нулевой изотермы сезонной оттайки в нижнем бьефе выше уровня естественного рельефа. Установка колонок мерзлотной завесы с гребня насыпи вдоль подошвы низового откоса позволяет сократить их длину до минимума, что гарантирует сохранение расчетного расстояния между колонками по всей глубине, обеспечивает поддержание основания в мерзлом состоянии, экономит потребность в трубах и уменьшает объем работ по возведению меpзлотной завесы.

Отсыпка плаща из связного грунта под низовой упорной призмой обеспечивает соединение ядра плотины с мерзлотной завесой, создавая единый противофильтрационный фронт плотины и основания. Необходимая толщина ядра плотины и плаща определяется расчетом из условия конечного положения нулевой изотермы внутри ядра и плаща с обеспечением необходимой толщины мерзлой зоны малофильтрующих грунтов. Толщина переходной зоны низовой призмы принимается минимально возможной, чтобы максимально снизить ее теплоизоляционные свойства, препятствующие промерзанию ядра и плаща, что позволяет поддерживать основание и ядро плотины в мерзлом состоянии.

На фиг.1 показана плотина, поперечное сечение (стрелками показано направление воздуха в порах низовой упорной призмы); на фиг.2 - плотина, продольный профиль.

Плотина состоит из ядра 1 из связного грунта, верховой упорной призмы 2 из каменной наброски и низовой упорной призмы 3. Между ядром 1 и верховой призмой 2 уложен переходный слой 4, а между ядром 1 и низовой упорной призмой 3 - переходной слой 5. По подошве низового откоса выполнена насыпь 6 из связных грунтов. С гребня насыпи 6 установлены на расчетную глубину колонки 7 мерзлотной завесы. Между переходным слоем 5 и ядром плотины 1 уложен соединительный плащ 8 из связного грунта.

В процессе эксплуатации образуются нулевая изотерма 9 верхнего бьефа и нулевая изотерма 10 в нижнем бьефе.

Плотина возводится следующим образом.

С контура естественного рельефа 13 роется котлован, глубина 15 которого определяется геологическими условиями. Отсыпается насыпь 6 из связного грунта. Для этой цели возможно использование грунта выемки котлована. Высота насыпи - не менее сезонного протаивания грунта.

Низ мерзлотной завесы 14, определяющий заглубление колонок, назначается на основе теплотехнического расчета многолетнего ряда. Практически необходимое заглубление колонок 7 мерзлотной завесы не превышает 8-10 м. Устанавливаются колонки 7. Отсыпается плащ 8 из связного грунта и часть ядра 1 на уровень гребня 12 насыпи под мерзлотную завесу. Затем отсыпается часть верховой упорной призмы 2 из каменной наброски и часть переходного слоя 4 из песчано-гравийной смеси или дресвяно-щебнистого грунта, ярус низовой призмы 3 с переходным слоем 5. И так далее, цикл повторяется до завершения отсыпки гребня 11 плотины до проектной отметки.

Основное тело плотины возводится обычным способом, регламентированным СНиПом. Укладка связного грунта производится преимущественно в теплый период года, а каменной наброски - круглогодично. В зимний период низовой и верховой откосы возведенной части плотины очищаются от снега для лучшей промерзаемости.