RU2374387C1 - Гидроузел на многолетнемерзлых грунтах - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к возведению гидроузлов на многолетнемерзлых грунтах. Гидроузел содержит грунтовую плотину с замораживающими колонками, расположенными вдоль плотины и образующими в центральной зоне плотины непрерывную ледогрунтовую стенку, сопряженную с многолетнемерзлыми грунтами основания, и водосброс, расположенный между двумя глухими участками плотины и состоящий из головной части, водосливной порог с боковыми стенками которой выполнен из бетона, расположен над центральной зоной плотины или над многолетнемерзлыми грунтами и смерзанием с корпусами замораживающих колонок водонепроницаемо скреплен с ними, сбросной части, выполненной в виде лотка с быстротечным продольным уклоном и с обеспечивающими образование гидравлических прыжков водобойными стенками, расположенными на дне лотка между его боковыми стенками, к каждой из которых примыкает низовая призма глухого участка плотины, концевой части, выполненной в виде водобоя. Корпус замораживающей колонки выполнен из металла, имеет заданные размеры диаметра и толщины стенки, а в пределах водосливного порога водосброса наземная часть каждой замораживающей колонки выполнена приспособленной к частичному затоплению ее потоком воды. Дополнительно водосброс содержит, по меньшей мере, две трубы, которые выполнены из металла, расположены вдоль лотка на его дне по одной у каждой боковой стенки лотка и обеспечивают пропуск через водосброс малых меженных расходов воды. Входные участки труб пересекают тело водосливного порога и прикреплены к этому порогу, а выходные участки труб расположены в пределах концевой части водосброса или за ее пределами, причем дно лотка, его боковые и водобойные стенки выполнены из заполненных камнями габионов, связанных между собой проволокой и образующих цельную гибкую габионную конструкцию лотка, которая снизу и с боков заключена в водонепроницаемую мембрану. Габионы водобойной стенки расположены с верховой, по отношению к направлению потока воды, стороны от прикрепленного к трубам жесткого поперечного элемента и прилегают к нему. Изобретение сокращает объемы земляных и бетонных работ, повышает надежность и ремонтопригодность водосброса. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении низконапорного или средненапорного гидроузла на многолетнемерзлых грунтах.

Известен гидроузел, в состав сооружений которого входит образующая водохранилище грунтовая плотина, состоящая из водосливного участка и сопряженных с ним двух глухих участков. При этом водосливной участок плотины защищен устойчивым в водном потоке и деформирующимся при осадке креплением, образующим лоток и обеспечивающим пропуск поверх плотины расчетных расходов воды и льда (если это необходимо по условиям эксплуатации). Этим требованиям отвечают крепления из каменной наброски, сортированного камня, сборных железобетонных элементов [1, стр.382-388] и заполненных камнями габионов, связанных между собой проволокой и образующих цельную габионную конструкцию лотка [1, стр.409-410] и [2].

Основным недостатком такого относительного экономичного гидроузла является то, что вследствие высокой проницаемости крепления (лотка) происходит насыщение движущейся водой низовой призмы плотины, что снижает надежность водосливного участка плотины, а в случае многолетнемерзлых грунтов делает создание такого гидроузла недопустимым.

Известен гидроузел на многолетнемерзлых грунтах, грунтовая плотина которого выполнена мерзлой, преимущественно однородной с естественным промерзанием, а водосброс выполнен сифонного типа в виде группы металлических труб, уложенных по поверхности плотины или частично в теле плотины. Трубы снабжены анкерными элементами, обеспечивающими устойчивость труб от динамического воздействия на них водного потока, а входные сечения труб располагают на различных отметках для обеспечения заданного режима уровней воды в верхнем бьефе [3, стр.80-82].

Недостатком такого гидроузла являются высокие затраты на многочисленную группу металлических труб, каждая из которых является малорасходной. Поэтому такой гидроузел осуществляется обычно при низких напорах и малых расходах.

Известен в Якутии Иреляхский гидроузел на многолетнемерзлых грунтах [4, стр.74-77, 140-141, 144-148], который содержит грунтовую плотину с замораживающими колонками, расположенными вдоль плотины и образующими в ядре (тоже: центральной части) плотины непрерывную ледогрунтовую стенку, сопряженную с многолетнемерзлыми грунтами основания, и открытый водосброс, расположенный на берегу в обход плотины. Водосброс содержит подводящий канал и выполненные из бетона части: головную часть, промежуточный канал, сбросную часть и концевую часть. В пределах головной части расположен водосливной порог с боковыми стенками, который посредством ледогрунтовой стенки сопряжен с многолетнемерзлым основанием и бортами. Ледогрунтовая стенка была выполнена сначала посредством горизонтально расположенных в суглинистом зубе металлических труб, а затем - посредством расположенных в галерее под водосливным порогом воздушных термосифонов [3, стр.76-77], при этом сбросная часть водосброса выполнена в виде многоступенчатого перепада с горизонтальным дном между ступенями.

Недостатки такого гидроузла на многолетнемерзлых грунтах заключаются в следующем:

1. Высокие затраты из-за большого объема земляных и бетонных работ длинного, выполненного в обход грунтовой плотины водосброса. При этом около половины затрат в общей стоимости такого гидроузла относится к водосбросному сооружению [4, стр.138, 143].

2. Низкая надежность из-за высокой уязвимости водосброса [3, стр.66, 67]. Это может быть объяснено [5] тем, что заглубление водосброса в многолетнемерзлые грунты склона может привести к нарушению верхнего водогазонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов 3 (тоже: плаща, понятие вводится впервые). Такой плащ образовался в начальный период последнего (позднеголоценового) похолодания при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в его морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков сверху и мигрирующей в зону промерзания воды снизу. Одновременно с этим по наиболее крупным трещинам напряжений, образовавшихся в предыдущие периоды оледенения-потепления, под действием гидравлического уклона вода из-под плаща вытекала в ближайшие места разгрузки - талики водотоков и водоемов, криопеги, источники подземных, в том числе подмерзлотных, вод, термокарсты и другие. Газы, скопившиеся местами под плащом, создавали давление, превышающее атмосферное, что ускоряло вытекание воды из таких «ручейковых» (тоже: русловых) трещин в места разгрузки. В результате этого по мере дальнейшего опускания нижней границы многолетнемерзлых грунтов под плащом часть глубинных трещин оказалась свободной ото льда - пустотелые трещины.

При выполнении выемки под водосброс цельность плаща местами нарушается, что часто приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из наполненного водою водосброса и, соответственно, аномально быстрому, превышающему все ранее сделанные прогнозы, трудноустраняемому оттаиванию многолетнемерзлых грунтов. Это приводит к недопустимым деформациям основания под водосбросом (Иреляхский гидроузел в Якутии [4, стр.144-148]), а фильтрующая из канала вода в недопустимом объеме втекает в накопитель отходов (хвостохранилище Надеждинского металлургического завода в Норильске, хвостохранилище №8, п.Айхал в Якутии и другие).

О степени проницаемости мерзлых пород под плащом можно судить, например, по исследованию, которое было осуществлено на Вилюйской ГЭС-3, где воздух с дымом закачивали в изыскательскую штольню, выполненную в борту реки. При этом дым выходил через пустотелые скважины на расстоянии от 90 до 160 метров от источника задымления [6].

3. Воздушные термосифоны, расположенные в галерее, работают недостаточно надежно, а при выполнении многоступенчатого перепада, у которого дно между ступенями горизонтально, заглубление в многолетнемерзлые грунты происходит неравномерно, что увеличивает вероятность нарушения цельности плаща. Одновременно с этим гашение энергии потока воды по длине многоступенчатого перепада также происходит неравномерно. Эти обстоятельства также снижают надежность гидроузла в целом.

4. Проведение ремонтных работ на водосбросе без полного прекращения пропуска по нему воды затруднено и возможно, чаще всего только в зимнее время.

5. В зимнее время возможно обледенение водосброса.

6. Недостаточная функциональная эффективность работы ледогрунтовой стенки (мерзлого ядра) плотины.

Известен в Якутии гидроузел на многолетнемерзлых грунтах на ручье Ойуур-Юреге [7], который является наиболее близким к заявляемому гидроузлу и который имеет следующие отличия от ранее описанного гидроузла.

1. Замораживающие колонки в пределах порога водосброса выполнены в виде жидкостных термосифонов с естественной конвекцией теплоносителя, при этом наземная часть каждого термосифона приспособлена к частичному затоплению ее потоком воды, т.е. такой термосифон содержит надводную часть.

2. Сбросная часть водосброса выполнена в виде лотка с быстротечным продольным уклоном.

Указанные отличия повышают надежность гидроузла за счет более эффективной работы термосифонов, расположенных на пороге водосброса, и за счет уменьшения неравномерного, в сравнении с многоступенчатым перепадом, заглубления такого лотка водосброса в многолетнемерзлые грунты. Однако затраты на выполнения гидроузла из-за большого объема земляных и бетонных работ длинного выполненного в обход грунтовой плотины водосброса остаются высокими, а надежность гидроузла из-за возможного нарушения водонепроницаемости плаща остается недостаточной. При этом течение воды по быстротечному лотку без образования прыжков обуславливает опасное увеличение скорости потока воды в лотке, что снижает надежность водосброса, следовательно, и гидроузла в целом. Дополнительно, проведение ремонтных работ на водосбросе остается сложным, а обледенение водосброса в зимнее время года не устраняется.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является экономия средств, повышение надежности и ремонтопригодности водосброса.

Технический результат от использования изобретения заключается в том, что:

- уменьшены объемы земляных и бетонных работ при выполнении водосброса;

- предотвращено нарушение водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при выполнении водосброса;

- повышена интенсивность гашения энергии потока в лотке водосброса;

- уменьшена передача сдвигающего гидродинамического воздействия потока с лотка водосброса в его основание;

- предотвращено фильтрационное воздействие в основании лотка водосброса;

- снижены удельные расходы открытого потока воды в лотке водосброса;

- предотвращено течение воды по дну лотка при пропуске через водосброс малых меженных расходов воды;

- предотвращено обледенение лотка;

- повышена эффективность работы ледогрунтовой стенки (мерзлого ядра).

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что гидроузел на многолетнемерзлых грунтах содержит грунтовую плотину с замораживающими колонками, расположенными вдоль плотины и образующими в центральной зоне плотины непрерывную ледогрунтовую стенку, сопряженную с многолетнемерзлыми грунтами основания, и водосброс, расположенный между двумя глухими участками плотины. Водосброс состоит из головной части, сбросной части и концевой части. Головная часть содержит водосливной порог с боковыми стенками, который выполнен из бетона, расположен над центральной зоной плотины или над многолетнемерзлыми грунтами смерзанием и посредством корпусов замораживающих колонок водонепроницаемо скреплен с ними. Сбросная часть выполнена в виде лотка с быстротечным продольным уклоном и с обеспечивающими образование гидравлических прыжков водобойными стенками, расположенными на дне лотка между его боковыми стенками, к каждой из которых примыкает низовая призма глухого участка плотины. Концевая часть выполнена в виде водобоя. Корпус замораживающей колонки выполнен из металла, имеет заданные размеры диаметра и толщины стенки, а в пределах водосливного порога водосброса наземная часть каждой замораживающей колонки выполнена приспособленной к частичному затоплению ее потоком воды. Водосброс содержит, по меньшей мере, две трубы, которые выполнены из металла, расположены вдоль лотка на его дне по одной у каждой боковой стенки лотка и обеспечивают пропуск через водосброс малых меженных расходов воды. Входные участки этих труб пересекают тело водосливного порога и прикреплены к этому порогу, а выходные участки труб расположены в пределах концевой части водосброса или выведены за ее пределы. Дно лотка, его боковые и водобойные стенки выполнены из заполненных камнями габионов, связанных между собой проволокой и образующих цельную гибкую габионную конструкцию лотка, которая снизу и с боков заключена в водонепроницаемую мембрану. Габионы водобойной стенки расположены с верховой, по отношению к направлению потока воды, стороны от прикрепленного к трубам жесткого поперечного элемента и прилегают к нему.

Дополнительно:

- замораживающие колонки выполнены в виде термосифонов, при этом в пределах водосливного порога корпус термосифона имеет диаметр и/или толщину стенки больше, чем у термосифона, расположенного в пределах глухой части плотины;

- головная часть водосброса содержит открылки, которые выполнены из заполненных камнями габионов и прикреплены к боковым стенкам водосливного порога;

- головная часть водосброса содержит крепление, которое расположено перед водосливным порогом, выполнено из заполненных камнями габионов и прикреплено к водосливному порогу;

- низовая призма плотины содержит присыпку, при этом лоток водосброса расположен на низовой призме плотины и на ее присыпке;

- лоток водосброса расположен на подстилающем слое, выполненном из непучинистого при промерзании грунта;

- величина продольного уклона дна лотка водосброса i, доля единицы, удовлетворяет условию: 0,33>i>0,20;

- водонепроницаемая мембрана выполнена из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль;

- габионы, прилегающие к трубе, прикреплены к ней;

- габионы, прилегающие к водосливному порогу, прикреплены к нему;

- жесткий поперечный элемент представляет собой металлический двутавр, расположенный боком на трубах и упирающийся концами посредством дополнительных элементов в габионы боковых стенок лотка;

- выходной участок трубы, расположенный в пределах концевой части водосброса, снабжен плоским опорным элементом и гидравлическим насадком, направляющим поток воды из трубы от основания.

Именно:

- выполнение лотка водосброса из габионов в виде цельной гибкой конструкции позволяет выполнить водосброс непосредственно в пределах водонапорного фронта грунтовой плотины и, прежде всего, в виде водосливного участка плотины;

- выполнение водосброса в виде водосливного участка плотины позволяет уменьшить объемы земляных и бетонных работ и избежать нарушения водопроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при выполнении водосброса;

- выполнение в лотке из габионов водобойных стенок обеспечивает интенсивное гашение энергии потока;

- трубы и жесткие поперечные элементы повышают надежность габионной конструкции лотка;

- передача части сдвигающего гидродинамического воздействия потока с габионов посредством жестких поперечных элементов и труб на бетонную головную часть водосброса повышает устойчивость всей габионной конструкции лотка на сдвиг в направлении потока;

- заключение габионной конструкции лотка в водонепроницаемую мембрану полностью предотвращает фильтрационное воздействие воды в основании лотка и прежде всего существенно уменьшает размораживание прилегающих к лотку грунтов;

- скрепление водосливного порога с мерзлой центральной зоной плотины и/или с многолетнемерзлыми грунтами посредством термосифонов по описанным правилам, позволяет эффективно использовать водосливной порог в качестве анкера труб, что повышает надежность водосброса и одновременно позволяет в его головной части выполнить открылки и крепление из габионной кладки;

- использование труб для пропуска малых меженных расходов воды предотвращает обледенение водосбросной части и упрощает проведение ремонтных работ на водосбросе;

- при пропуске высоких расходов воды трубы, работающие в напорном режиме при высоких скоростях воды в них, снижают в открытом лотке удельные расходы воды.

Анализ существующей патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемая совокупность признаков для достижения указанного нового технического результата в настоящее время не известна, что позволяет сделать вывод о наличии как новизны, так и изобретательского уровня.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1-6 изображен гидроузел, водосброс которого расположен в пределах русловой части плотины, пример 1, а именно: на фиг.1 показан план участка гидроузла; на фиг.2 - продольный разрез водосброса; на фиг 3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - разрез С-С на фиг.2; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.4. На фиг.7 и 8 изображен гидроузел, водосброс которого расположен в пределах пойменной части плотины, пример 2, а именно: на фиг 7 показан план участка гидроузла; на фиг.8 - разрез Е-Е на фиг.7.

Пример 1 (фиг.1-6). Гидроузел содержит плотину 1, которая выполнена из грунта, образует водохранилище 2 и состоит из двух глухих частей 3 и водосливной части 4, над которой расположен водосброс 5 открытого типа. При этом водосливная часть 4 плотины 1 расположена на ее русловом участке.

Плотина 1 включает ядро 6, верховую призму 7 и низовую призму 8. Ядро 6 выполнено из глинистого грунта и посредством расположенных вдоль плотины 1 замораживающих колонок, выполненных в виде термосифонов 9, проморожено до образования непрерывной ледогрунтовой стенки 10, сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами основания 11. Корпус термосифона 9 выполнен из металла и имеет заданные размеры диаметра и толщины стенки. Верховая призма 7 выполнена преимущественно из гравийно-галечникового грунта и находится обычно в талом состоянии. Низовая призма 8 и присыпка 12 к ней выполнены также из гравийно-галечникового грунта и находятся обычно в сыпучемерзлом состоянии.

Водосброс 5 сопряжен с глухими участками 3 плотины 1 и состоит из головной части 13, сбросной части 14 и концевой части 15.

Головная часть 13 содержит водосливной порог 16 с боковыми стенками 17, открылки 18 и крепление 19.

Водосливной порог 16 расположен над ядром 6, выполнен из бетона и посредством смерзания и корпусов 20 термосифонов 9 скреплен с ледогрунтовой стенкой 10. В пределах водосливного порога 16 корпус 20 каждого термосифона 9 имеет диаметр и толщину стенки больше, чем у термосифона 9, расположенного в пределах глухой части 3 плотины 1. При этом наземная часть термосифона 9 возвышается над максимальным уровнем воды в водохранилище 2 (макс. ▼УВ) и приспособлена к частичному затоплению со стороны водохранилища 2.

Открылки 18 и крепление 19 расположены перед водосливным порогом 16 в пределах верховой призмы 7 и выполнены из заполненных камнями габионов и прикреплены к водосливному порогу 16.

Сбросная часть 14 выполнена в виде лотка 21, который имеет быстротечный продольный уклон и водобойные стенки 22 на его дне 23, а концевая часть 14 выполнена в виде расширяющегося в плане водобойного колодца 24.

Дно 23, боковые стенки 25 и водобойные стенки 22 лотка 21 выполнены из заполненных камнями габионов 26, связанных между собой проволокой и образующих цельную гибкую габионную конструкцию лотка 21, снизу и с боков заключенную в водонепроницаемую мембрану 27, которая выполнена из полимерной пленки и заключена в геотекстиль.

Водосброс 5 содержит две трубы 28, которые являются малорасходными, выполнены из металла и расположены вдоль лотка 21 на габионах 26 его дна 23 по одной у каждой боковой стенки 25. Входной участок 29 трубы 28 пересекает тело водосливного порога 16 и прикреплен к этому порогу 16. Выходной участок 30 трубы 28 расположен в пределах концевой части 15 водосброса 5, снабжен плоским опорным элементом 31 и гидравлическим насадком 32.

Габионы 26 водобойной стенки 22 расположены с верховой, по отношению к направлению потока воды 33 (далее: поток) в лотке 21, стороны от жесткого поперечного элемента, который представляет собой двутавр 34, расположен боком на трубах 28 и посредством крепежного элемента 35 прикреплен к ним (фиг.6). Металлический двутавр 34 упирается концами в габионы 26 боковых стенок 25 лотка 21 посредством дополнительных элементов 36, а габионы 26 водобойной стенки 22 плотно прилегают к двутавру 34.

Габионы 26, прилегающие к водосливному порогу 16 с боковыми стенками 17 головной части 13, прикреплены к ним, а габионы 26, прилегающие к трубам 28, прикреплены к этим трубам 28.

Продольный уклон дна 23 лотка 21 в соответствии с работой труб 28 на растяжение - постоянный или увеличивается в направлении потока. При этом продольный уклон обеспечивает быстротечное (турбулентное) движение воды в лотке 21, а его средняя величина i_cp, доля единицы, обычно удовлетворяет условию: 0,33>i_cp>0,20. Это соответствует заложению дна 23 лотка 21 как 3<m<5. При более крутом уклоне i_cp в трубах 28 возникают высокие растягивающие усилия и усложняются работы по выполнения лотка 21. При более пологом уклоне i_cp увеличивается длина сбросной части 14 и снижается эффективность работы труб 28 в части восприятия ими сдвигающего воздействия потока 23 на лоток 21.

На чертеже обозначены и другие элементы водосливной части 4 плотины 1, а именно:

37 - геотекстиль;

38 - берма;

39 - откосное крепление;

40 - сифонная ветвь;

41 - стенки водобойного колодца;

42 - дно водобойного колодца;

43 - обратная засыпка;

44 - граница мерзлых грунтов.

Гидроузел создают в следующей последовательности.

Сначала возводят плотину 1, причем глухую ее часть 3 возводят на полную высоту, водосливную часть 4 - до гребня ее ядра 6 и выполняют присыпку 12. По всей длине плотины устанавливают термосифоны 9 и в холодный период года промораживают ядро 6 до создания в нем непрерывной ледогрунтовой стенки 10.

Одновременно с этим выполняют следующие работы по созданию водосброса 5.

На подготовленное основание в пределах концевой части 15 водосброса 5 в два слоя укладывают геотекстиль 37, а в пределах сбросной части 14 снизу вверх укладывают мембрану 27. Выполняют габионную кладку водобойного колодца 24 и последовательно снизу вверх выполняют габионную кладку лотка 21 с водобойными стенками 22. Далее укладывают трубы 28 и двутавры 34. В головной части 13 бетонируют водосливной порог 16 с боковыми стенками 17 (доковая конструкция) и выполняют габионную кладку открылков 18 и крепления 19. Через головную часть 8 устраивают мост (на чертежах не показан), завершают отсыпку присыпки 12, выполняют берму 38 и откосное крепление 39. При необходимости к трубе 28 присоединяют сифонную ветвь 40.

Габионы 26 изготовляют из коробчатых сеток, которые заполняют каменным материалом. Габионы 26 имеют прямоугольную форму с размерами, принятыми, например, в метрах 1×1×2, а диаметр труб 28 принят 0,5 метра. При выполнении кладки габионы 26 связывают между собой проволокой с цинковым покрытием. Изготовление габионов 26 и выполнение из них кладки осуществляют в соответствии со стандартами [8-10].

Гидроузел работает следующим образом.

При всех уровнях воды в водохранилище 2 в водопроницаемой низовой призме 8 и присыпке 12 отсутствует грунтовая вода, поэтому лоток 21 не испытывает взвешивающего воздействия. При движении потока 33 по лотку 21 водонепроницаемая мембрана 27 предотвращает водонасыщение низовой призмы 8 плотины и присыпки 12, что повышает устойчивость всей габионной конструкции лотка 21 на сдвиг в направлении потока 33 и защищает многолетнемерзлые грунты основания 11 от оттаивания.

Малые меженные расходы пропускаются малорасходными трубами 28, что предотвращает в пределах сбросной части 14 всякое воздействие потока на габионную конструкцию лотка 21 и не создает помехи при осмотре и ремонте лотка 21. Опорный элемент 31 предотвращает кручение трубы 28, а гидравлический насадок 32 направляет поток воды из трубы 28 от дна 41 водобойного колодца 24. Трубы 28 и двутавры 34 с дополнительными элементами 36 воспринимают боковое давление грунта, передаваемое на них боковыми стенками 25, что повышает устойчивость стенок 25.

Труба 28, выведенная в нижнем бьефе за пределы концевой части 15, при благоприятных условиях позволяет осуществить безнасосную подачу воды потребителю, а снабженная сифонной ветвью 40 эта труба позволяет осуществлять в целях водоснабжения сработку водохранилища 2.

За отметку нормально подпорного уровня (▼ НПУ) можно принять отметку низа трубы 29 (фиг.2), которая расположена ниже отметки водосливного порога 16 (▼_пор).

При высоких расходах вода в водохранилище 1 может подняться до своего максимального уровня (макс. ▼УВ). В этом случае большая часть воды движется по лотку 21, водобойные стенки которого совместно с двутаврами 34 обеспечивают перепадную форму течения воды по лотку 21 с образованием прыжка перед каждой водобойной стенкой 22, что обеспечивает интенсивное гашение энергии потока 33. При этом сдвигающее гидродинамическое воздействие потока 33 посредством двутавров 34 и труб 29 передается с габионов 26 сначала на бетонный водосливной порог 16, а с него на открылки 18, крепление 19 и на скрепленное с водосливным порогом 16 находящееся в мерзлом состоянии ядро 6.

Вовлечение мерзлого ядра 6 в такую ранее не присущую ему работу обеспечивают термосифоны 9, которые помимо основного своего назначения (создание в ядре ледогрунтовой стенки) обеспечивают высокопрочное скрепление водосливного порога 16 с ядром 6. Выполнение в пределах водосливного порога 16 термосифонов 9 с повышенной прочностью корпуса (диаметр корпуса, толщина его стенок) и с надводной частью обеспечивает их высокую эффективность и надежность. При этом устойчивость термосифонов 9 против ограниченных ледовых нагрузок может быть дополнительно повышена, например, путем снабжения каждого термосифона ледорезным элементом (не показан). При необходимости перед термосифонами 9 может быть выполнено специальное ледозащитное сооружение.

Пример 2 (фиг 7 и 8). Гидроузел, как и в примере 1, содержит плотину 1, которая выполнена из грунта, образует водохранилище 2 и состоит из двух глухих частей 3 и водосливной части 4, на участке которой расположен водосброс 5 открытого типа.

В целях экономии средств на создание гидроузла, повышения надежности и эффективности гидроузла при его эксплуатации он может характеризоваться следующими, относительно примера 1, отличиями.

1. Водосливная часть 4 плотины 1 расположена на ее пойменном участке, а водосброс 5 содержит отводящий канал 45.

2. Водосброс 5 содержит дополнительную трубу 46, которая расположена посередине дна лотка 21 и преобразует таким образом однопролетный лоток 21 в двухпролетный, а при большем числе дополнительных труб 46 - в многопролетный лоток 21.

3. Боковые стенки 25 лотка 21 выполнены из габионов 26 в виде откосного крепления 47.

Такой гидроузел в сравнении с гидроузлом, описанным в примере 1, может иметь следующие технические преимущества:

- упрощена схема пропуска строительных расходов;

- уменьшены объемы работ по выполнению присыпки 12;

- уменьшены объемы работ по выполнению наиболее металлоемких термосифонов 9, расположенных в пределах водосброса 5 (термосифоны стали более короткими);

- сопряжение водосливного порога 16 с многолетнемерзлыми грунтами 11 осуществляется посредством более низкой ледогрунтовой стенки 10 (ядро 6 практически отсутствует) и является более надежным;

- увеличена ширина водосброса 5, следовательно, и его пропускная способность;

- эффективность работы труб 29 повышена (трубы являются упором для габионов откосного крепления), а их диаметр, как и диаметр дополнительной трубы 46, не требует увязки с размерами габионов 26.

Однако в примере 2 увеличиваются объемы земляных работ на создание отводящего канала 45, а лоток 22 водосброса 5 располагается на подстилающем слое (на чертежах не показан), который выполняется из непучинистого при промерзании грунта и который частично заменяет собой насыщенный льдом верхний слой многолетнемерзлых грунтов 11.

Изобретение позволяет создать гидроузел на многолетнемерзлых грунтах с водосбросом, выполненным из габионной кладки при высоте сооружения до 20-25 м и с удельным расходом воды в лотке водосброса до 10-15 м³/с на 1 м.

Источники информации

1. Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч.1 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивцев и др. Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1999.

2. Патент Российской Федерации №2239021, кл. Е02В 8/06, опубл. 27.10.2004.

3. Чжан Р.В. Проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений низкого напора в криолитозоне (на примере Якутии). - Якутск: Издательство Института мерзлотоведения СО РАН, 2000.

4. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоатомиздат, 1983. С.144-148.

5. 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.

6. Фрункин В.Н., Шерман М.М. О строительстве Вилюйской ГЭС-3 на многолетнемерзлом полускальном основании. // Гидротехническое строительство. 2003. №12).

7. Сухно А.М. Опыт эксплуатации грунтовой плотины в условиях Крайнего Севера (Айхальский горно-обогатительный комбинат АК «АЛРОСА»). // Гидротехническое строительство. 2008. №1).

8. ГОСТ Р 52132-2003 Изделия из сетки для габионных конструкций. Технические условия.

9. ГОСТ Р 51285-99 Сетки проволочные крученые с шестиугольными ячейками для габионных конструкций. Технические условия.

10. ГОСТ Р 50575-93 Проволока стальная. Требования к цинковому покрытию и методы испытания покрытия.

Claims (12)

1. Гидроузел на многолетнемерзлых грунтах, характеризующийся тем, что он содержит грунтовую плотину с замораживающими колонками, расположенными вдоль плотины и образующими в центральной зоне плотины непрерывную ледогрунтовую стенку, сопряженную с многолетнемерзлыми грунтами основания, и водосброс, расположенный между двумя глухими участками плотины и состоящий из головной части, водосливной порог с боковыми стенками которой выполнен из бетона, расположен над центральной зоной плотины или над многолетнемерзлыми грунтами и смерзанием с корпусами замораживающих колонок водонепроницаемо скреплен с ними, сбросной части, выполненной в виде лотка с быстротечным продольным уклоном и с обеспечивающими образование гидравлических прыжков водобойными стенками, расположенными на дне лотка между его боковыми стенками, к каждой из которых примыкает низовая призма глухого участка плотины, концевой части, выполненной в виде водобоя, при этом корпус замораживающей колонки выполнен из металла, имеет заданные размеры диаметра и толщины стенки, а в пределах водосливного порога водосброса наземная часть каждой замораживающей колонки выполнена приспособленной к частичному затоплению ее потоком воды, дополнительно водосброс содержит, по меньшей мере, две трубы, которые выполнены из металла, расположены вдоль лотка на его дне по одной у каждой боковой стенки лотка и обеспечивают пропуск через водосброс малых меженных расходов воды, при этом входные участки труб пересекают тело водосливного порога и прикреплены к этому порогу, а выходные участки труб расположены в пределах концевой части водосброса или за ее пределами, причем дно лотка, его боковые и водобойные стенки выполнены из заполненных камнями габионов, связанных между собой проволокой и образующих цельную гибкую габионную конструкцию лотка, которая снизу и с боков заключена в водонепроницаемую мембрану, а габионы водобойной стенки расположены с верховой, по отношению к направлению потока воды, стороны от прикрепленного к трубам жесткого поперечного элемента и прилегают к нему.

2. Гидроузел по п.1, в котором замораживающие колонки выполнены в виде термосифонов, при этом в пределах водосливного порога корпус термосифона имеет диаметр и/или толщину стенки больше, чем у термосифона, расположенного в пределах глухой части плотины.

3. Гидроузел по п.1, в котором головная часть водосброса содержит открылки, которые выполнены из заполненных камнями габионов и прикреплены к боковым стенкам водосливного порога.

4. Гидроузел по п.1, в котором головная часть водосброса содержит крепление, которое расположено перед водосливным порогом, выполнено из заполненных камнями габионов и прикреплено к водосливному порогу.

5. Гидроузел по п.1, в котором низовая призма плотины содержит присыпку, при этом лоток водосброса расположен на низовой призме плотины и на ее присыпке.

6. Гидроузел по п.1, в котором лоток водосброса расположен на подстилающем слое, выполненном из непучинистого при промерзании грунта.

7. Гидроузел по п.1, в котором величина продольного уклона дна лотка водосброса i, доля единицы, удовлетворяет условию:
0,33>i>0,20.

8. Гидроузел по п.1, в котором водонепроницаемая мембрана выполнена из полимерной пленки, заключенной в геотекстиль.

9. Гидроузел по п.1, в котором габионы, прилегающие к трубе, прикреплены к ней.

10. Гидроузел по п.1, в котором габионы, прилегающие к водосливному порогу, прикреплены к нему.

11. Гидроузел по п.1, в котором жесткий поперечный элемент представляет собой металлический двутавр, расположенный боком на трубах и упирающийся концами посредством дополнительных элементов в габионы боковых стенок лотка.

12. Гидроузел по п.1, в котором выходной участок трубы, расположенный в пределах концевой части водосброса, снабжен плоским опорным элементом и гидравлическим насадком, направляющим поток воды из трубы от основания.

Images