RU2418134C1 - Water-engineering system at watercourse of seasonal action under conditions of permafrost soils, cooling unit and method to operate water-engineering system - Google Patents
Water-engineering system at watercourse of seasonal action under conditions of permafrost soils, cooling unit and method to operate water-engineering system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2418134C1 RU2418134C1 RU2010107856/21A RU2010107856A RU2418134C1 RU 2418134 C1 RU2418134 C1 RU 2418134C1 RU 2010107856/21 A RU2010107856/21 A RU 2010107856/21A RU 2010107856 A RU2010107856 A RU 2010107856A RU 2418134 C1 RU2418134 C1 RU 2418134C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- reservoir
- geomembrane
- permafrost
- watercourse
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретения относятся к гидротехническому строительству и могут быть использованы при создании на многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах преимущественно низконапорного водоснабженческого гидроузла, водохранилище которого в теплый период года аккумулирует приточную воду малорасходного водотока, а в холодный период года принимает дополнительно подаваемую из иного источника воду.The inventions relate to hydraulic engineering construction and can be used when creating on permafrost (permafrost) soils a predominantly low-pressure water supply hydroelectric complex, the reservoir of which accumulates supply water of a low-flowing watercourse in the warm period of the year, and in the cold season receives additional water supplied from another source.
На малорасходных водотоках сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов широко распространены гидроузлы, каждый из которых в своем составе содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, и водосброс открытого типа, выполненный на одном из береговых склонов и примыкающий к плотине. При этом стоимости плотины гидроузла и его водосброса близки или равны, а водохранилище гидроузла чаще всего является единственным источником, приспособленным для водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов при них [1].On low-flow seasonal seasonal watercourses in the conditions of permafrost soils, hydropower plants are widespread, each of which contains a soil dam, creating a reservoir on the watercourse, and an open type spillway made on one of the coastal slopes and adjacent to the dam. At the same time, the costs of the dam of the waterworks and its spillway are close or equal, and the reservoir of the waterworks is most often the only source adapted for water supply to industrial enterprises and settlements with them [1].
Основные конструктивные особенности таких эксплуатируемых гидроузлов заключаются в следующем:The main design features of such operating hydropower facilities are as follows:
1. Водонепроницаемым, противофильтрационным устройством плотины является непрерывная мерзлотная ледогрунтовая завеса (то же: стенка), которая обычно создана искусственным замораживанием грунтов ядра плотины, сопряжена с многолетнемерзлнми грунтами основания и в период эксплуатации постоянно поддерживаются в мерзлом состоянии, т.е. плотина нефильтрующая, мерзлая.1. The waterproof, antifiltration device of the dam is a continuous permafrost ice-soil curtain (the same as: wall), which is usually created by artificial freezing of the dam core soils, is associated with permafrost soils of the base and is constantly maintained in the frozen state during operation, ie non-filtering dam, frozen.
2. Головная часть водосброса, как правило, выполнена из бетона и посредством мерзлотной ледогрунтовой завесы сопряжена с многолетнемерзлыми скальными грунтами склона. Эта завеса расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба, создана искусственным замораживанием грунтов и в период эксплуатации охлаждающими установками постоянно поддерживается в мерзлом состоянии.2. The head part of the spillway, as a rule, is made of concrete and, by means of a permafrost ice-soil curtain, is interfaced with permafrost rocky soils of the slope. This curtain is located along a tooth filled with cohesive soil, created by artificial freezing of soils, and during operation by cooling units it is constantly maintained in a frozen state.
Недостатки таких осуществленных гидроузлов заключаются в их низкой надежности и высокой стоимости и могут быть объяснены следующими причинами.The disadvantages of such implemented hydroelectric facilities are their low reliability and high cost and can be explained by the following reasons.
1. Заглубление водосброса в многолетнемерзлые скальные грунты склона приводит к нарушению верхнего водогазонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов (то же: плащ, панцирь, корка). Такой мерзлый 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. Толщина плаща местами увеличивалась снизу вверх за счет отложения дисперсных грунтов и их последующего обводнения и промерзания. По трещинам напряжений, образовавшихся как правило в предыдущие периоды оледенения-потепления, под действием гидравлического уклона вода из-под плаща вытекала в ближайшие места разгрузки. В результате этого под плащом часть глубинных трещин осталась свободной ото льда и дисперсных грунтов - полые трещины [2].1. The deepening of the spillway into the permafrost rocky soil of the slope leads to a violation of the upper water-gas-tight ice-ground layer of permafrost soil (the same: raincoat, shell, crust). Such a frozen cloak was formed in the initial period of the last cooling (ice age) during unilateral freezing of soils from top to bottom under the conditions of continuous penetration of precipitation into its frost-cracked pores and water pores. The thickness of the cloak increased in places from the bottom up due to the deposition of dispersed soils and their subsequent flooding and freezing. According to the cracks of stresses, which formed as a rule in previous periods of glaciation-warming, under the influence of a hydraulic slope, water from under the cloak flowed to the nearest discharge points. As a result, under the cloak, part of the deep cracks remained free of ice and dispersed soils — hollow cracks [2].
При выполнении выемки под водосброс цельность плаща нарушается, что приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из наполненного водою водосброса и, соответственно, аномально быстрому, оттаиванию многолетнемерзлых грунтов. Так на Иреляхском гидроузле на растепление нарушенного котлованом водосброса левого борта потребовалось 4 года, а на растепление не нарушенного правого борта - более 30 лет, причем, предположительно, в результате распространения оттаивания грунтов от водосброса [3].When excavating under a spillway, the integrity of the cloak is violated, which leads to the development of intensive filtration of water from a spillway filled with water and, accordingly, anomalously fast, thawing of permafrost soils. So at the Irelyakhsky hydroelectric complex, it took 4 years to melt the spillway of the left side, broken by the pit, and more than 30 years to melt the unbroken right side, presumably as a result of the spread of thawing of soil from the spillway [3].
Цельность плаща может быть нарушена также при бурении скважин, производимом при изысканиях и выполнении цементационной и/или мерзлотной завесы плотины.The integrity of the cloak may also be impaired when drilling wells, performed during surveys and performing cementation and / or permafrost curtains of the dam.
2. После выхода границы растепления за пределы водонепроницаемого ледонасыщенного мерзлого плаща процесс оттаивания мерзлых грунтов проходит с участием системы незаполненных льдом разного порядка полых трещин путем последовательного отсекания от мерзлого массива мерзлых целиков, которые могут быть достаточно большими. Этому способствует то обстоятельство (гипотеза Ягина В.П.), что за многие тысячи лет на поверхности полых трещин могли сохраниться и/или накопиться мелкодисперсные солесодержащие частицы, которые, растворяясь в пионерной воде, повышают ее минерализацию, следовательно, понижают температуру начала ее замерзания, что увеличивает незамерзающий путь пионерной воды по трещине. Более того, на торце потока такой пионерной воды образуется движущийся локальный криопег, высокая минерализация воды в котором при относительно благоприятных условиях (многолетнемерзлые грунты засолены, их температура относительно высокая, а толщина не большая) может обеспечить прохождение потоком всей толщи многолетнемерзлых грунтов до их нижней границы.2. After the thawing boundary extends beyond the waterproof ice-saturated frozen cloak, the process of thawing frozen soils takes place with the participation of a system of unfilled ice of various orders of hollow cracks by sequentially cutting off the frozen array of frozen pillars, which can be quite large. This is facilitated by the circumstance (V.P. Yagin hypothesis) that for many thousands of years finely dispersed salt-containing particles could persist and / or accumulate on the surface of hollow cracks, which, dissolving in pioneer water, increase its mineralization, therefore, lower its freezing temperature , which increases the non-freezing path of pioneer water along the crack. Moreover, at the end of the flow of such pioneer water, a moving local cryopeg is formed, the high salinity of the water in which under relatively favorable conditions (permafrost soils are saline, their temperature is relatively high, and the thickness is not large) can ensure that the flow passes through the entire thickness of permafrost soils to their lower boundary .
Отсеченные талыми слоями мерзлые целики создают между талым грунтом и сплошным мерзлым грунтом переходный слой, толщина которого не выдержана. Этот переходный слой, понятие которого вводится впервые Ягиным В.П., при бурении создает видимость достижения скважиной сплошного мерзлого грунта, что не позволяет правильно назначить величину заглубления противофильтрационной завесы плотины.Frozen pillars cut off by thawed layers create a transitional layer between thawed soil and solid frozen ground, the thickness of which is not maintained. This transitional layer, the concept of which was introduced for the first time by V.P. Yagin, during drilling creates the appearance that the well is reaching solid frozen soil, which does not allow us to correctly set the burial depth of the dam barrier.
Как показывает практика, современными экономически приемлемыми техническими средствами не удается создать в грунтовой плотине, находящейся в предаварийном состоянии, высоконадежную мерзлотную или иную завесу.As practice shows, modern economically acceptable technical means cannot create a highly reliable permafrost or other curtain in a soil dam in a pre-emergency state.
3. Оголовок грунтовой плотины промерзает и образует монолитный свод, который зависает над оттаявшими грунтами, что способствует образованию фильтрующей водой промытых каверн и промоин.3. The head of the soil dam freezes and forms a monolithic arch, which hangs over thawed soils, which contributes to the formation of washed caverns and holes in the filtering water.
4. Сложность контроля над состоянием мерзлотной завесы, следовательно, и за фильтрационной надежностью плотины и водосброса.4. The complexity of control over the state of the permafrost curtain, and consequently, the filtering reliability of the dam and spillway.
Все это у нас ставит под сомнение целесообразность проведения работ по восстановлению водоупорных элементов напорного фронта с помощью противофильтрационной завесы на ряде гидроузлов, находящихся практически в аварийном состоянии в условиях Крайнего Севера. Так на Сытыканском гидроузле распространение талика вправо и влево от водосброса достигало десятки метров в год, что превысило все ранее сделанные прогнозы, при этом по глубине и ширине талик вышел за контролируемые пределы [4].All this casts doubt on us the feasibility of carrying out work to restore the water-resistant elements of the pressure front with the help of an anti-filtration curtain at a number of waterworks, which are practically in emergency condition in the Far North. So, on the Sytykan hydroelectric complex, talik distribution to the right and left of the spillway reached tens of meters per year, which exceeded all previously made forecasts, while the talik went beyond controlled limits in depth and width [4].
Известна также грунтовая плотина мерзлого типа, которая возведена на предварительно промороженном основании из промороженных несвязных грунтов и покрыта со стороны верхнего бьефа эластичным противофильтрационным элементом (геомембрана из полимерного материала), сопряженным с мерзлым основанием посредством зуба [5].Frozen type soil dam is also known, which was erected on a pre-frozen foundation from frozen frozen incoherent soils and is covered on the upstream side by an elastic anti-filter element (geomembrane made of polymeric material) conjugated to the frozen base by means of a tooth [5].
Во-первых, сопряжение геомембраны с мерзлым основанием посредством зуба без искусственного промораживания его при эксплуатации не надежно, особенно в случае нарушения зубом цельности верхнего водонепроницаемого мерзлого слоя (плаща), когда в процессе выполнения зуба коренные породы разуплотняются с образованием дополнительных трещин. В результате этого водонепроницаемость контакта суглинка с такими коренными породами даже в промороженном состоянии не обеспечивается. Во-вторых, конструкция грунтовой плотины гидроузла не увязана с водосбросом, известные конструкции которого на многолетнемерзлых грунтах в обход фунтовой плотины сложны и/или ненадежны.Firstly, the conjugation of a geomembrane with a frozen base by means of a tooth without artificial freezing is not reliable during operation, especially in the case of a tooth breaking the integrity of the upper waterproof frozen layer (cloak), when during the execution of the tooth the bedrock decomposes with the formation of additional cracks. As a result, the watertightness of the contact of loam with such bedrock even in the frozen state is not ensured. Secondly, the design of the soil dam of the waterworks is not linked to a spillway, the known designs of which on permafrost soils bypassing the pound dam are complex and / or unreliable.
Из источника [6] известно, что на ранее описанном Сытыканском гидроузле в 2004 году была ликвидирована интенсивная фильтрация воды через береговую часть водохранилища путем создания посредством полимерной пленки противофильтрационного экрана. При этом пленочное полотнище площадью 6000 кв. м на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед. Осуществленный пример наглядно демонстрирует эффективность работы противофильтрационного пленочного экрана в условиях Крайнего Севера.It is known from the source [6] that at the previously described Sytykan hydroelectric complex in 2004, intensive filtration of water through the coastal part of the reservoir was eliminated by creating an anti-filter screen using a polymer film. At the same time, a film panel of 6000 square meters. m at the bottom of the reservoir was laid in the winter by establishing a panel through the lane by means of ice cables. The implemented example clearly demonstrates the effectiveness of the anti-filter film screen in the Far North.
Известна охлаждающая установка, содержащая наружный теплообменник, который представляет собой объединенные коллекторами наружные трубы, отдающие тепло жидкого теплоносителя при его вынужденной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, представляющий собой расположенные в грунте и объединенные коллекторами замораживающие (охлаждающие) трубы [7].Known cooling installation containing an external heat exchanger, which is an outer pipe combined by collectors, which transfer the heat of the liquid coolant during its forced convection to the cold outside air in the installation, and a ground heat exchanger, which is a freezing (cooling) pipe located in the ground and combined by collectors [7] .
В такой установке замораживающие трубы по длине при необходимости могут быть изогнутыми и иметь переменную площадь поперечного сечения. Однако для конвекции жидкого теплоносителя установка должна быть снабжена насосом, постоянно работающим при низких температурах наружного воздуха, что усложняет эксплуатацию установки.In such an installation, the freezing tubes can be curved along the length if necessary and have a variable cross-sectional area. However, for convection of the liquid coolant, the installation must be equipped with a pump that is constantly operating at low outdoor temperatures, which complicates the operation of the installation.
Общеизвестен способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, плотина которого создает на водотоке водохранилище, из которого в течение года осуществляют забор воды для потребителя. При этом в теплое время года водохранилище до заданного безопасного уровня наполняю приточной водой с последующим выпуском избыточной воды из водохранилища посредством открытого водосброса, а в холодный период года забор воды для потребителя осуществляют с одновременной сработкой водохранилища до допустимого уровня [1, 3 и 4].It is a well-known method of operating a hydroelectric facility created on a seasonal watercourse in conditions of permafrost, the dam of which creates a reservoir on the watercourse, from which water is drawn for the consumer during the year. At the same time, in the warm season, I fill the reservoir to a predetermined safe level with supply water, followed by the release of excess water from the reservoir by means of an open spillway, and in the cold season, water is withdrawn for the consumer while the reservoir is discharged to an acceptable level [1, 3 and 4].
Недостатки такого способа эксплуатации гидроузла заключаются в следующем.The disadvantages of this method of operating the hydraulic system are as follows.
Во-первых, для обеспечения интенсивного потребления воды в течение всего холодного периода года необходима большая емкость водохранилища, поэтому плотина гидроузла будет высокой, а площадь ложа водохранилища может многократно превысить квадратный километр (например, площадь водохранилища Иреляхского гидроузла более 4-х км кв.). Во-вторых, в таком гидроузле в условиях многолетнемерзлых грунтов противофильтрационные устройства будут недостаточно надежными и/или чрезмерно затратными.Firstly, to ensure intensive consumption of water throughout the cold period of the year, a large reservoir capacity is required, therefore, the dam of the hydroelectric complex will be high, and the area of the reservoir bed can exceed many square kilometers (for example, the area of the reservoir of the Irelyakhsky hydroelectric complex is more than 4 km2) . Secondly, in such a hydraulic system in conditions of permafrost soils, anti-filtration devices will not be sufficiently reliable and / or excessively expensive.
Известен гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, включающий грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, и водосброс открытого типа, расположенный между глухими участками грунтовой плотины. Грунтовая плотина снабжена противофильтрационным устройством в виде непрерывной вдоль плотины ледогрунтовой стенки, выполненной посредством замораживающих колонок в центральной зоне плотины и сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами основания. Водосброс выполнен в виде цельной гибкой габионной конструкции, усиленной выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами и поперечными элементами и заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану, выполненную из полимерного материала [8].A known waterworks on a seasonal watercourse in permafrost soils, including a soil dam, creating a reservoir on the watercourse, and an open type spillway located between the blind sections of the soil dam. The soil dam is equipped with an anti-filtration device in the form of an ice-soil wall continuous along the dam, made by freezing columns in the central zone of the dam and paired with permafrost soils. The spillway is made in the form of an integral flexible gabion structure, reinforced with longitudinal lengths and transverse elements made of profile metal and enclosed from below and from the sides in a waterproof geomembrane made of polymer material [8].
В известном гидроузле повышена надежность за счет выполнения водосброса открытого типа между глухими участками грунтовой плотины, т.е. водосброс выполнен в виде водосливного участка грунтовой плотины, что предотвращает заглубление такого водосброса в многолетнемерзлые грунты, следовательно, не приводит к нарушению водонепроницаемого мерзлого плаща. Одновременно снижены затраты на выполнение водосброса, следовательно, и гидроузла в целом. Однако из-за противофильтрационной ледогрунтовой стенки, которая относительно жесткая, конструктивно сложная, трудно выполнимая вдоль всей грунтовой плотины и трудно ремонтируемая при эксплуатации, надежность водоснабжения потребителей остается низкой а затраты на гидроузел в целом - высокими, что препятствует решению нижеуказанной задачи и получению нижеуказанного технического результата.In the well-known hydraulic system, reliability is improved by performing an open type spillway between the blind sections of the soil dam, i.e. the spillway is made in the form of a spillway section of a soil dam, which prevents the deepening of such a spillway into permafrost soils, therefore, does not violate the waterproof frozen coat. At the same time, the cost of implementing the spillway, therefore, of the hydraulic system as a whole, was reduced. However, due to the anti-filtration ice-ground wall, which is relatively rigid, structurally complex, difficult to perform along the entire dam and difficult to maintain during operation, the reliability of water supply to consumers remains low and the cost of the water system as a whole is high, which prevents the solution of the following problem and obtaining the following technical result.
Известна охлаждающая установка, включающая наружный теплообменник, представляющий собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, представляющий собой расположенную в грунте изогнутую по длине замораживающую трубу, диаметр которой меньше диаметра трубчатого расширителя. Замораживающая труба входным (напорным) концом гидравлически сообщена с нижней частью трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью этого же трубчатого расширителя [9].A known cooling installation, including an external heat exchanger, which is a tubular expander, which transfers the heat of the liquid coolant during its natural convection in the installation to cold outside air, and a ground heat exchanger, which is a freezing pipe curved along the length of the soil, whose diameter is less than the diameter of the tubular expander. The freezing pipe inlet (pressure) end is hydraulically connected to the lower part of the tubular expander, and the output (drain) end is connected to the middle part of the same tubular expander [9].
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известной охлаждающей установки, является ее сложность и не достаточная эффективность при выполнении и эксплуатации линейной мерзлотной завесы, например, под входным порогом гидроузла, когда требуется выполнение охлаждающих установок, по меньшей мере, по одной на каждом борту входного оголовка. При этом эаправка (дозаправка) таких охлаждающих установок жидким теплоносителем может осуществляться только с обоих бортов входного порога. Все это обусловлено тем, что замораживающая труба охлаждающей установки в грунте изогнута на 180 градусов и возвращена назад к своему трубчатому расширителю.The reason that impedes the achievement of the technical result indicated below when using the known cooling unit is its complexity and insufficient efficiency when performing and operating a linear permafrost curtain, for example, under the inlet threshold of a waterworks, when at least one cooling unit is required to be installed board entry tip. At the same time, refueling (refueling) of such cooling units with a liquid coolant can be carried out only from both sides of the input threshold. All this is due to the fact that the freezing pipe of the cooling unit in the ground is bent 180 degrees and returned back to its tubular expander.
Известен способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, плотина которого создает на водотоке водохранилище, из которого в течение года осуществляют забор воды для потребителя. При этом в теплое время года водохранилище до заданного безопасного уровня наполняют приточной водой с последующим выпуском избыточной воды из водохранилища посредством водосброса, а в холодный период года забор воды для потребителя осуществляют при одновременном возврате из нижнего бьефа воды, профильтровавшей из водохранилища [1, 3 и 4].A known method of operating a hydroelectric facility created on a seasonal watercourse in permafrost soils, the dam of which creates a reservoir on the watercourse, from which water is drawn for the consumer during the year. At the same time, in the warm season, the reservoir is filled to the specified safe level with supply water, followed by the release of excess water from the reservoir by means of a spillway, and in the cold season, water is taken for the consumer while the water filtered from the reservoir is returned from the downstream [1, 3 and four].
Такие водохранилища, как правило, находятся в предаварийном состоянии, а их эксплуатация может носить только временный вынужденный характер.Such reservoirs, as a rule, are in a pre-emergency state, and their operation can only be temporary emergency.
Например, по данным источника [3] на Иреляхском гидроузле только за холодный период 1999-2000 г.г. потери на фильтрацию составили 12 млн. м3 или почти 70% полезного объема водохранилища. В это же время по данным источника [4] на Сытыканском гидроузле возврат воды из нижнего бьефа в водохранилище осуществлялся с еще большей интенсивностью. Там же высказано опасение, что фильтрационный расход может существенно увеличиться, а годовые фильтрационные потери могут многократно превысить емкость водохранилища.For example, according to the source [3] at the Irelyakhsky hydroelectric complex, only for the cold period of 1999–2000. filtration losses amounted to 12 million m 3 or almost 70% of the reservoir’s usable volume. At the same time, according to the source [4] at the Sytykansky hydroelectric complex, the return of water from the downstream to the reservoir was carried out with even greater intensity. There, it was feared that the filtration flow rate could increase significantly, and the annual filtration loss could significantly exceed the reservoir capacity.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, охлаждающая установка и способ эксплуатации гидроузла, является повышение надежности водоснабжения потребителей и экономия средств во время создании и эксплуатации гидроузла.The task, which is claimed by the claimed waterworks on a seasonal watercourse in permafrost soils, a cooling installation and a method of operating a waterworks, is to increase the reliability of water supply to consumers and save money during the creation and operation of the waterworks.
Единый технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в том, что:A single technical result achieved by the implementation of the claimed group of inventions is that:
- полностью предотвращено нарушение водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при создании и эксплуатации гидроузла;- completely impaired water resistance of the upper layer of permafrost soils (raincoat) during the creation and operation of the waterworks;
- повышена надежность противофильтрационных устройств гидроузла;- increased reliability of anti-filtration devices of the hydraulic system;
- упрощены конструкции противофильтрационных устройств;- simplified design of anti-filtration devices;
- упрощено наблюдением за работой противофильтрационных устройств;- simplified by monitoring the operation of anti-filtration devices;
- повышена ремонтопригодность противофильтрационных устройств;- increased maintainability of antifiltration devices;
- уменьшены площадь ложа водохранилища и высота грунтовой плотины;- reduced the area of the reservoir bed and the height of the soil dam;
- упрощены работы по возведению сооружений;- simplified construction work;
- упрощено прогнозирование оттаивания многолетнемерзлых грунтов в основании сооружений и наблюдение за их оттаиванием.- simplified prediction of thawing permafrost soils at the base of structures and monitoring their thawing.
Указанный технический результат достигается тем, что гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, противофильтрационная водонепроницаемая геомембрана которого выполнена из полимерного материала и расположена на напорном откосе плотины и на дне чаши водохранилища, водосброс открытого типа и входной порог. Водосброс выполнен между глухими частями грунтовой плотины в виде габионной конструкции, усиленной выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами и поперечными элементами и заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану из полимерного материала. Эта геомембрана в пределах головной части открытого водосброса до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена с геомембраной водохранилища. Входной порог расположен при впадении водотока в водохранилище, выполнен из габионов, связанных между собой и образующих цельную гибкую габионную конструкцию, снизу и с боков заключенную в теплоизоляционную оболочку и водонепроницаемую геомембрану, которая до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена с геомембраной водохранилища, а посредством мерзлотной завесы - с многолетнемерзлыми грунтами основания и бортов. Эта мерзлотная завеса расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба, прорезающего талик под руслом водотока и сезоннооттаивающий слой в бортах водотока до верхней границы многолетнемерзлых грунтов, а мерзлотная завеса выполнена посредством, по меньшей мере, одной охлаждающей установки, замораживающие трубы которой расположены вдоль зуба и изогнуты.The specified technical result is achieved by the fact that the waterworks on a seasonal watercourse in conditions of permafrost contains a soil dam creating a water reservoir on the watercourse, the waterproof membrane geomembrane of which is made of polymer material and is located on the pressure side of the dam and on the bottom of the reservoir bowl, open type spillway and inlet threshold. The spillway is made between the deaf parts of the soil dam in the form of a gabion structure, reinforced with longitudinal lengths and transverse elements made of profile metal, and enclosed from below and from the sides in a waterproof geomembrane made of a polymeric material. This geomembrane within the head of an open spillway to a predetermined level is watertightly interfaced with the geomembrane of the reservoir. The entrance threshold is located at the confluence of the watercourse in the reservoir, made of gabions interconnected and forming an integral flexible gabion structure, enclosed in the bottom and sides by a heat-insulating shell and waterproof geomembrane, which is watertightly connected to the reservoir’s geomembrane to a predetermined level, and by means of a permafrost curtain with permafrost soils of the base and sides. This permafrost curtain is located along a tooth filled with cohesive soil, cutting a talik under the channel of the watercourse and a seasonally thawing layer in the sides of the watercourse to the upper boundary of permafrost soils, and the permafrost curtain is made by at least one cooling unit, the freezing tubes of which are located along the tooth and bent.
Дополнительно:Additionally:
- входной порог снабжен диафрагмой, выполненной поперек водотока из геомембраны, и водосбросной трубой, расположенной между габионами, водонепроницаемо пересекающей диафрагму и обеспечивающей забор воды из талика водотока и сосредоточенный пропуск этой воды через входной порог в водохранилище;- the inlet threshold is provided with a diaphragm made across the watercourse from the geomembrane, and a spillway located between the gabions, watertight crossing the diaphragm and providing water intake from the watercourse talik and concentrated passage of this water through the inlet threshold into the reservoir;
- гидроузел по периметру водохранилища содержит водонепроницаемую мерзлотную насыпь, образующую над многолетнемерзлыми грунтами нагорную канаву, которая круглогодично обеспечивает перехват поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды и отвод этой воды в водохранилище или за его пределы;- the hydroelectric facility along the perimeter of the reservoir contains a waterproof permafrost embankment that forms a ditch over permafrost soils, which year-round ensures interception of surface and ground (permafrost) water and the removal of this water into the reservoir or beyond;
- усиливающие габионную конструкцию продольные длинномеры имеют тавровый профиль, а поперечные элементы - профиль круглой трубы;- longitudinal long-length reinforcing gabion structure have a T-shaped profile, and transverse elements - a profile of a round pipe;
- по меньшей мере, один продольный длинномер имеет профиль круглой трубы, приспособленной к пропуску воды в режиме сифона;- at least one longitudinal long meter has a profile of a round pipe adapted to allow water to pass in a siphon mode;
- водосбросная труба входного оголовка выполнена из полиэтилена;- the spillway of the inlet head is made of polyethylene;
- нагорная канава содержит водоприемную призму, в которой размещена выполненная из полиэтилена с перфорацией отводящая труба.- upland ditch contains a water intake prism, in which a discharge pipe made of polyethylene with perforation is placed.
Во-первых, полная гидроизоляция водохранилища и водосброса от многолетнемерзлых грунтов основания посредством водонепроницаемой геомембраны, во-вторых, предотвращение проникновения воды из руслового талика и с бортов водохранилища под геомембрану к многолетнемерзлым грунтам посредством входного порога и мерзлотной насыпи, причем без заглубления в многолетнемерзлые грунты, в существенной мере обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.Firstly, complete waterproofing of the reservoir and spillway from permafrost soils of the base by means of a waterproof geomembrane; secondly, preventing the penetration of water from the channel talik and from the sides of the reservoir under the geomembrane to permafrost soils by means of an entrance threshold and permafrost embankment, without deepening into permafrost substantially ensures the achievement of the above technical result.
Указанный технический результат достигается также тем, что охлаждающая установка содержит установленные на заданном расстоянии друг от другого два наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и два грунтовых теплообменника, каждый из которых представляет собой расположенную в грунте изогнутую по длине замораживающую трубу. Диаметр каждой замораживающей трубы меньше диаметра трубчатого расширителя. Одна замораживающая труба гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью одного (первого) трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью другого (второго) трубчатого расширителя. Другая замораживающая труба гидравлически сообщена входным концом с нижней частью второго трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью первого расширителя. Сливные отверстия выходных концов замораживающих труб расположены на одном высотном уровне.The indicated technical result is also achieved by the fact that the cooling installation comprises two external heat exchangers installed at a predetermined distance from each other, each of which is a tubular expander that transfers heat from the heat-transfer fluid during its natural convection to the cold outside air, and two ground heat exchangers, each of which is a freezing pipe bent along the length of the ground. The diameter of each freezing pipe is less than the diameter of the tubular expander. One freezing pipe is hydraulically communicated with an inlet (pressure) end with a lower height part of one (first) tubular expander, and an outlet (discharge) end with a middle part of another (second) tubular expander. Another freezing pipe is hydraulically connected by the inlet end to the lower part of the second tubular expander, and the outlet end to the middle part of the first expander. The drain holes of the outlet ends of the freezing pipes are located at the same height level.
Именно включение двух трубчатых расширителей (наружный теплообменник) и двух замораживающих труб (грунтовый теплообменник) в одну заполненную жидким теплоносителем охлаждающую установку по ранее указанным правилам упрощает конструкцию и эксплуатацию охлаждающей установки и повышает ее эффективность при выполнении и эксплуатации мерзлой завесы под входным порогом. Все это также способствует достижению вышеуказанного технического результата.It is the inclusion of two tubular expanders (external heat exchanger) and two freezing pipes (soil heat exchanger) in one cooling unit filled with liquid coolant according to the previously mentioned rules simplifies the design and operation of the cooling unit and increases its efficiency when performing and operating a frozen curtain under the entrance threshold. All this also contributes to the achievement of the above technical result.
Указанный технический результат достигается также тем, что способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, верховой откос плотины и чаша водохранилища которого покрыты противофильтрационной водонепроницаемой геомембраной, включает наполнение водохранилища приточной водой до безопасного уровня в теплый период года, последующий выпуск части приточной воды из водохранилища посредством водосброса и забор воды из водохранилища для потребителя в течение года с одновременной сработкой водохранилища до допустимого уровня к концу холодного периода года, который характеризуется превышением интенсивности забора воды из водохранилища Qзаб над интенсивностью притока воды в водохранилище Qприт. В холодный период года в водохранилище подают из приспособленного источника дополнительную воду интенсивностью Qдоп, удовлетворяющей условиюThe indicated technical result is also achieved by the fact that the method of operation of the waterworks created on a seasonal watercourse in conditions of permafrost, the uphill slope of the dam and the reservoir bowl of which are covered with waterproof waterproof geomembrane, includes filling the reservoir with fresh water to a safe level in the warm season, the subsequent release of the part supply water from the reservoir through the spillway and water intake from the reservoir for the consumer during the year while first drawdown of the reservoir to an acceptable level by the end of the cold season, which is characterized by excess water abstraction rate from the reservoir Q Zab on the intensity of water inflow into the reservoir Q attraction. In the cold season, additional water with an intensity of Q additional satisfying the condition is supplied to the reservoir from a suitable source
Qдоп≥Wпот-Wприт/Тхп,Q dop ≥W sweat -W attraction / T xn,
где Wпот - расчетный объем потребления' воды за холодный период года;where W sweat is the estimated amount of water consumed during the cold season;
Wприт - объем забираемой из водохранилища приточной воды за холодный период года, определяемой из водного баланса водохранилища;W prit - the volume of supply water taken from the reservoir for the cold season, determined from the water balance of the reservoir;
Тхп - продолжительность холодного периода года.T xn - the duration of the cold season.
Именно подача в холодный период года в водохранилище дополнительной воды из вновь приспособленного источника обеспечивает круглогодичное водоснабжение потребителей из «малого» водохранилища, созданного на водотоке посредством низкой плотины и имеющего в сравнении с обычными водоснабженческими водохранилищами меньшую площадь ложа. Это уменьшает площадь противофильтрационного устройства в виде водонепроницаемой геомембраны, следовательно, повышает надежность противофильтрационного устройства и уменьшает затраты на его создание и эксплуатацию. Сэкономленные при этом средства компенсируют затраты на подачу дополнительной воды из приспособленного источника. Все это способствует достижению вышеуказанного технического результата.It is the supply of additional water from a newly adapted source to the reservoir during the cold season that provides year-round water supply to consumers from the "small" reservoir created on the watercourse by means of a low dam and having a smaller bed area in comparison with conventional water supply reservoirs. This reduces the area of the anti-filter device in the form of a waterproof geomembrane, therefore, increases the reliability of the anti-filter device and reduces the cost of its creation and operation. The money saved in this way compensates for the cost of supplying additional water from an adapted source. All this contributes to the achievement of the above technical result.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемому гидроузлу на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, охлаждающей установке и способу эксплуатации гидроузла, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявляемых изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».The analysis of the prior art by the applicant has made it possible to establish that there are no analogues that are characterized by sets of features identical to all the features of the claimed waterworks on a seasonal watercourse under permafrost conditions, a cooling unit and a waterworks operation method. Therefore, each of the claimed invention meets the condition of patentability "novelty."
Результаты поиска известных решений в данной и смежной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с признаками каждого заявляемого изобретения, показал, что они не все следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния существенными признаками каждого из заявляемых изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The search results for well-known solutions in this and related technical fields in order to identify features that match the features of each claimed invention showed that they do not all follow explicitly from the prior art. From the prior art determined by the applicant, the influence of the essential features of each of the claimed inventions of the transformations on the achievement of the specified technical result is not known. Therefore, each of the claimed inventions meets the condition of patentability "inventive step".
В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения. Действительно, гидроузел, охлаждающая установка и способ эксплуатации гидроузла предназначены для создания и эксплуатации на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов водоснабженческого гидроузла, водохранилище которого в теплый период года аккумулирует приточную воду малорасходного водотока, а в холодный период года принимает дополнительно подаваемую из иного источника воду. Причем новая охлаждающая установка предназначена для устройства (изготовления) также нового входного порога заявляемого гидроузла. Заявляемые изобретения решают одну и ту же задачу - повышение надежности водоснабжения потребителей и экономия средств во время создания и эксплуатации гидроузла.In this patent application, the unity of invention has been met. Indeed, the waterworks, cooling installation and operation method of the waterworks is designed to create and operate a seasonal water supply system on the watercourse under permafrost soils, the water reservoir of which accumulates fresh water from the low-flow watercourse in the warm season, and receives water additionally supplied from another source in the cold season . Moreover, the new cooling unit is intended for the device (manufacturing) is also a new input threshold of the inventive hydraulic system. The claimed inventions solve the same problem - improving the reliability of water supply to consumers and saving money during the creation and operation of the waterworks.
Изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:
на фиг.1 - план гидроузла;figure 1 - plan of the hydraulic system;
на фиг.2 - плотина, разрез А-А на фиг.1;figure 2 - dam, section aa in figure 1;
на фиг.3 - водосброс, разрез Б-Б на фиг.1;figure 3 - spillway, section BB in figure 1;
на фиг.4 - входной порог, разрез В-В на фиг.1;figure 4 - input threshold, section bb in figure 1;
на фиг.5 - входной порог, разрез Г-Г на фиг.4;figure 5 - input threshold, section GG in figure 4;
на фиг.6 - мерзлотная насыпь, разрез Д-Д на фиг.1;figure 6 - permafrost embankment, section DD in figure 1;
на фиг.7 - наружный теплообменник охлаждающей установки, левый борт, узел А на фиг.5;in Fig.7 - external heat exchanger of the cooling installation, port side, node A in Fig.5;
на фиг.8 - изменение уровня воды в водохранилище в течение года.on Fig - change in water level in the reservoir during the year.
Гидроузел содержит грунтовую плотину (далее: плотина) 1, которая на водотоке 2 сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов 3 создает водохранилище 4, включающую противофильтрационную водонепроницаемую геомембрану (далее: геомембрана) 5, водосброс 6 открытого типа и входной порог 7, расположенный при впадении водотока 2 в водохранилище 4.The hydraulic unit contains a soil dam (hereinafter referred to as the dam) 1, which creates a
Грунтовая плотина 1 состоит из двух глухих частей 8 и расположенной между ними на правобережном пойменном участке водосливной части 9, непосредственно над которой выполнена головная часть 10 и прилегающая к ней часть лотка 11 водосброса 6.Soil dam 1 consists of two deaf parts 8 and located between them on the right-bank floodplain section of the
Геомембрана 5 выполнена из полимерного рулонного материала и расположена на напорном откосе 12 тела 13 плотины 1 и на дне 14 чаши водохранилища 4 [фиг.2].The
Водосброс 6 выполнен в виде габионной конструкции 15, заключенной снизу и с боков в геомембрану 16 (защитные прокладки геомембраны на фиг.3 условно не показаны). Эта геомембрана 16 выполнена водонепроницаемой из полимерного материала и в пределах головной части 10 водосброса 6 до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена с геомембраной 5 водохранилища 4. Водосброс 6 посредством отводящего канала 17 сопряжен с водотоком 2. Габионная конструкция 15 выполнена из связанных между собой проволокой габионов 18, корзины которых выполнены из проволочной сетки, имеют коробчатую прямоугольную форму с размерами, например, 1×1×2 метра и заполнены каменным материалом [10]. Габионная конструкция 15 усилена выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами 19 и поперечными элементами 20. Длинномеры 19 имеют тавровый профиль, а поперечные элементы 20 имеют профиль круглой трубы, как наиболее безопасный для прилегающих к ней габионов водобойной стенки 21. Целесообразно, например, расположенный по середине проточной части водосброса 6 продольный длинномер выполнить в виде круглой трубы 22, приспособленной к пропуску воды в режиме сифона.The spillway 6 is made in the form of a
Входной порог 7 (фиг.4 и фиг.5) выполнен из габионов 23, которые аналогичны габионам 18, связаны между собой и образуют цельную гибкую габионную конструкцию. Эта конструкция снизу и с боков заключена в теплоизоляционную оболочку 24, выполненную, например, из пенополистирола, и водонепроницаемую геомембрану 25, выполненную из полимерного рулонного материала. Неплотности (полости) между габионами 23 заполнены, например, пенопластом 26. Геомембрана 25 до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена непосредственно с геомембраной 5 водохранилища 4, а посредством мерзлотной завесы 27 - с многолетнемерзлыми грунтами 3 основания 28 и бортов 29. Мерзлотная завеса 27 расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба 30, который под руслом водотока 2 прорезает талик 31, а в бортах 29 - сезоннооттаивающий слой 32 (см. фиг.2 и фиг.6), причем до верхней границы 33 многолетнемерзлых грунтов 3. Эта мерзлотная завеса 27 выполнена посредством двух охлаждающих установок 34, замораживающие трубы 35 и 36 которых изогнуты.The input threshold 7 (figure 4 and figure 5) is made of
Входной порог 7 дополнительно снабжен диафрагмой 37, выполненной поперек водотока из геомембраны и сопряженной с геомембраной 25, и водосбросной трубой 38. Эта водосбросная труба 38 выполнена из полиэтилена, расположена между габионами 23, водонепроницаемо пересекает диафрагму 37 и обеспечивает забор воды из талика 31 водотока 2 и сосредоточенный пропуск этой воды, способной образовать в холодный период года опасную наледь, через входной порог 7 в водохранилище 4.The input threshold 7 is additionally equipped with a
Гидроузел по периметру водохранилища 4 содержит водонепроницаемую мерзлотную насыпь 39, образующую над многолетнемерзлыми грунтами 3 нагорную канаву 40, которая круглогодично обеспечивает перехват поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды и ее отвод. При этом нагорная канава 40 содержит водоприемную призму 41, в которой размещена выполненная из полиэтилена с перфорацией и выпусками отводящая труба 42 (фиг.6).A hydraulic unit around the perimeter of the
Особенность конструкции охлаждающей установки 34 заключается в том, что она содержит два наружных теплообменника, установленных по одному на разных бортах 29 входного порога 7, и два грунтовых теплообменника. Каждый наружный теплообменник представляет собой трубчатый расширитель, соответственно, 43 (левый борт) и 44 (правый борт), а каждый грунтовый теплообменник - расположенную в грунте ранее указанную изогнутую по длине замораживающую трубу, соответственно 35 и 36.The design feature of the cooling
Трубчатые расширители 43 и 44 установлены друг от друга на минимально возможном заданном расстоянии, обычно не превышающем 20-25 м, и обеспечивают отдачу тепла жидкого теплоносителя, обычно керосина, при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху. Диаметр каждой замораживающей трубы 35 и 36 меньше диаметра трубчатого расширителя 43 и 44. При этом замораживающая труба 35 гидравлически сообщена входным (напорным) концов 45 с нижней по высоте частью 46 трубчатого расширителя 43, а выходным (сливным) концом 47 - со средней частью 48 трубчатого расширителя 44. Замораживающая труба 36 гидравлически сообщена входным концом 49 с нижней частью 50 трубчатого расширителя 44, а выходным концом 51 - со средней частью 52 трубчатого расширителя 43. Сливные отверстия выходных концов 47 и 51 замораживающих труб 35 и 36 расположены на одном уровне 53 (фиг.7).
На чертежах позициями обозначены и другие элементы конструкций и среды, а именно:In the drawings, the positions denote other elements of structures and the environment, namely:
54 - защитная призма (плотины);54 - a protective prism (dam);
55 - водонепроницаемый плащ (мерзлая корка);55 - waterproof cloak (frozen crust);
56 - уровень керосина в трубчатом расширителе летом;56 - the level of kerosene in the tubular expander in the summer;
57 - уровень керосина в трубчатом расширителе зимой;57 - the level of kerosene in the tubular expander in the winter;
58 - уровень (плоскость) сравнения;58 - level (plane) of comparison;
59 - крышка с резьбой;59 - a cover with a thread;
60 - отверстие для слива;60 - hole for draining;
61 - водовод подачи воды из водохранилища потребителям;61 - water supply pipe from the reservoir to consumers;
62 - водовод подачи дополнительной воды в водохранилище из вновь приспособленного источника.62 - conduit for supplying additional water to the reservoir from a newly adapted source.
Создание гидроузла осуществляют в следующей последовательности.The creation of a waterworks is carried out in the following sequence.
Один-два теплых периода года возводят правобережную часть плотины 1 с водосбросом 6 и осуществляют укладку геомембраны 5 на подготовленное дно 14 чаши водохранилища 4 на всей незатопляемой площади.One or two warm periods of the year erect the right-bank part of the dam 1 with a spillway 6 and lay the
Затем за один холодный период года после прекращения поверхностного стока в водотоке 2 и до весенне-летнего паводка выполняют следующие работы:Then, for one cold period of the year after the cessation of surface runoff in
- завершают возведение грунтовой плотины 1, включая укладку геомембраны 5 на напорный откос 12 тела 13, затем отсыпают защитную призму 54;- complete the construction of the soil dam 1, including laying the
- завершают укладку геомембраны 5;- complete the laying of the
- возводят мерзлотную насыпь 39 и входной порог 7.- erect a
Особенность возведения входного порога 7 заключается в том, что работы осуществляют преимущественно после промерзания талика 31 водотока 2, а в зуб 30 укладывают послойно с уплотнением талый суглинок. Этот суглинок заготавливают в теплый период года и хранят его в теплоизолированном бурте. Затем зуб 30 посредством охлаждающей установки 34 промораживают.The peculiarity of the construction of the input threshold 7 is that the work is carried out mainly after freezing the
Особенность работы гидроузла при эксплуатации заключается в следующем.A feature of the operation of the hydraulic system during operation is as follows.
1. Геомембраны 5 плотины 1, 16 водосброса 6 и 25 входного порога 7 обеспечивает полную гидроизоляцию водохранилища 2 от многолетнемерзлых грунтов 3.1.
2. Мерзлотная завеса 27 входного порога 7 и мерзлотная насыпь 39 нагорной канавы 40 круглогодично предотвращают проникновение воды из подруслового талика 31 и с бортов водохранилища 2 под геомембрану 5 к многолетнемерзлым грунтам 3. Это предотвращает конвекционный вынос тепла из-под геомембраны 5, что замедляет оттаивание многолетнемерзлых грунтов 3.2. The permafrost curtain 27 of the entrance threshold 7 and the
3. При движении потока воды по головной части 10 и лотку 11 водосброса 6 его водонепроницаемая геомембрана 16 предотвращает водонасыщение плотины 1. Это повышает устойчивость всей габионной конструкции водосброса 6 на сдвиг в направлении потока и защищает многолетнемерзлые грунты 3 от оттаивания. При этом большая часть воды движется по лотку 11, водобойные стенки 21 которого совместно с поперечными элементами 20 обеспечивают перепадную форму течения воды по лотку 11 с образованием прыжка перед каждой водобойной стенкой 21, что обеспечивает интенсивное гашение энергии потока. При этом сдвигающее гидродинамическое воздействие потока посредством продольных длинномеров 19 и трубы 22 частично передается с габионов 18 на всю головную часть 10 водосброса 6 и на плотину 1. Малые меженные расходы могут быть пропущены только малорасходной трубой 22, работающей в сифонном режиме. Способ зарядки этой трубы-сифона и необходимые для этого устройства задаются и разрабатываются проектом.3. When the water flow moves along the head part 10 and the spillway tray 11, its
4. Высокая эластичность геомембраны 5, 16 и 25, а также гибкость габионной конструкции 15 водосброса 6 и габионной конструкции входного порога 7 обеспечивают высокую приспособляемость сооружений гидроузла к деформациям при оттаивании мерзлых грунтов 3. По этим деформациям судят о работе геомембраны и делают прогноз дальнейшего оттаивания грунтов 3.4. The high elasticity of the
5. Выполнение труб водосбросной 38 и отводящей 42 из полиэтилена обеспечивает высокую надежность этих труб при деформациях и замерзании в них воды.5. The implementation of the pipes spillway 38 and
6. В предложенном гидроузле оттаивание мерзлых грунтов 3 происходит сверху вниз, при этом в соответствии с законами теплотехники на растепление искусственно созданным водохранилищем насыщенного льдом мерзлого плаща 55 многолетнемерзлых грунтов 3 естественным путем требуется длительное время. Оттаявшие под геомембраной 5 грунты уплотняются гидростатическим давлением, поэтому интенсивность фильтрации воды, в случае ее проникновения под геомембрану 6, по такому уплотненному талому слою уменьшается. Одновременно с этим по мере оттаивания грунтов водонепроницаемый плащ 55 естественным путем опускается (утолщается) вниз в многолетнемерзлые грунты 3 без нарушения своей водонепроницаемости (гипотеза Ягина В.П.).6. In the proposed hydroelectric complex, thawing of
7. В случае утечки воды из водохранилища 2 в холодный период года, особенно после промерзания подруслового талика 31, в нижнем бьефе гидроузла с неизбежностью появится наледь. По величине этой наледи судят об интенсивности утечки воды из водохранилища 4.7. In case of leakage of water from
8. Принцип работы предложенной охлаждающей установки 34 основан на известном свойстве жидкого теплоносителя, например керосина, изменять плотность при изменении температуры. Так керосин при охлаждении на один градус уменьшает объем и увеличивает плотность на 0,11%. Поэтому свободная поверхность керосина в гидравлически сообщающихся трубчатых расширителях 43 и 44 зимой опускается с летнего уровня 56 до зимнего уровня 57. При этом зимой на любом наземном уровне (плоскости) сравнения 58 (фиг.5), пересекающем концы замораживающих труб 35 и 36, гидростатическое давление более холодного керосина в напорных концах 45 и 49 будет выше, чем гидростатическое давление менее холодного керосина в сливных концах 47 и 51. Именно это обстоятельство обеспечивает естественную конвекцию керосина в охлаждающей установке 34, при которой через наружную поверхность трубчатых расширителей 43 и 44 происходит отдача холодному наружному воздуху тепла, вынесенного керосином из грунта.8. The principle of operation of the proposed
Эффективность работы расширителей 43 и 44 может быть повышена их оребрением - ребра на чертежах не показаны. Геометрические параметры теплообменников охлаждающей установки, объем керосина и его уровней в установке при разных условиях, а также холодопроизводительность установки определяются при проектировании расчетом. При этом приспосабливают известные методики, например, из источника [9].The efficiency of
Способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке 2 сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов 3, верховой откос плотины 1 и дно 14 чаши водохранилища 4 которого покрыты противофильтрационной водонепроницаемой геомембраной 5, осуществляют следующим образом (фиг.8).The method of operation of the hydroelectric system created on a
В теплый период года водохранилища 2 наполняют приточной водой до нормального подпорного уровня (НПУ), после чего приточную воду посредством открытого водосброса 6 из водохранилища 2 выпускают в нижний бьеф гидроузла с допущением поднятия уровня воды (УВ) в водохранилище 2 до форсированного подпорного уровня (ФПУ). Одновременно с этим непрерывно в течение года по водоводу 61 осуществляют подачу воды из водохранилища 2 для потребителей при одновременной сработке водохранилища 2 в холодный период года до уровня запаской регулирующей емкости (ЗРЕ). Этот уровень ЗРЕ выше уровня мертвого объема (УМО) или, как крайний случай, равен ему. При этом холодный период года характеризуется превышением интенсивности забора воды из водохранилища Qзаб над интенсивностью притока воды в водохранилище Qприт. В такой холодный период года, не дожидаясь сработки уровня воды в водохранилище 2 до ЗРЕ или УМО, в водохранилище 2 (на фиг.8 такой уровень изображен пунктиром) из вновь приспособленного источника по водоводу 62 подают дополнительную воду интенсивностью Qдоп, удовлетворяющей условиюIn the warm period of the year,
Qдоп≥Wпот-Wприт/Tхп,Q add ≥W sweat -W pri / T hp
где Wпот - расчетный объем потребления воды за холодный период года;where W sweat is the estimated volume of water consumption during the cold season;
Wприт - объем забираемой из водохранилища приточной воды за холодный период года, определяемой из водного баланса водохранилища;W prit - the volume of supply water taken from the reservoir for the cold season, determined from the water balance of the reservoir;
Тхп - продолжительность холодного периода года.T xn - the duration of the cold season.
Источником дополнительной воды может служить водоток, действующий непрерывно в течение всего года. Однако на Крайнем Севере сеть таких водотоков исключительно редкая, и они часто находятся на большом расстоянии от потребителя. Поэтому круглогодичное водоснабжение потребителя только из такого непрерывно действующего, но удаленного от потребителя водотока связано с высокими затратами на выполнение и эксплуатацию длинного высокорасходного водовода. При этом для обеспечения надежности водоснабжения необходимо создание при потребителе запасной регулирующей емкости, т.е. водохранилища.A source of additional water may be a watercourse that operates continuously throughout the year. However, in the Far North, the network of such watercourses is extremely rare, and they are often located at a great distance from the consumer. Therefore, year-round water supply to the consumer only from such a continuously operating, but remote from the consumer watercourse is associated with high costs for the implementation and operation of a long highly consumable water conduit. At the same time, to ensure the reliability of water supply, it is necessary to create a spare regulatory capacity with the consumer, reservoirs.
В таких условиях предложенный гидроузел, во-первых, снижает продолжительность и интенсивность подачи дополнительной воды из отдаленного источника, примерно, в два раза, во-вторых, гидроузел выполняет функцию запасной регулирующей емкости.In such conditions, the proposed waterworks, firstly, reduces the duration and intensity of the supply of additional water from a remote source, by about half, and secondly, the waterworks serves as a reserve control capacity.
На ранее упомянутых Иреляхском и Сытыканском гидроузлах, находящихся в предаварийном состоянии, вследствие деградации мерзлоты естественным путем образовались подземные хранилища, водовместимость каждого из которых оценочно превысила миллион м3. Эти хранилища после выведения гидроузлов из эксплуатации также могут быть использованы в качестве источника дополнительной воды для вновь создаваемого вблизи гидроузла.In the previously mentioned Irelyakh and Sytykan hydropower plants, which are in pre-emergency condition, underground storages naturally formed as a result of permafrost degradation, the water storage capacity of each of which was estimated to exceed one million m 3 . These storages after decommissioning of hydropower facilities can also be used as a source of additional water for newly created near the hydropower facility.
Приведенные сведения показывают, что при осуществлении заявленной группы изобретений выполняются следующие условия:The above information shows that when implementing the claimed group of inventions, the following conditions are met:
- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при создании водоснабженческих гидроузлов в условиях Крайнего Севера;- funds that embody the invention in their implementation, are intended for use in industry, namely when creating water supply hydroelectric facilities in the Far North;
- для заявленных изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов;- for the claimed inventions in the form as described in the independent claims, the possibility of their implementation using the described or other means and methods known before the filing date of the application is confirmed;
- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.- means embodying the invention in their implementation, are able to provide the specified technical result.
Следовательно, заявленные изобретения соответствуют условию патентоспособности «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "industrial applicability".
Источники информацииInformation sources
1. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983.1. Biyanov G.F. Dams on permafrost. - M .: Energoizdat, 1983.
2. 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 73200700080.2. Yagin V.P., Vaikum V.A. The basic hydrogeological scheme is the hypothesis of permafrost, taking into account the history of geocryological development of the territory and with regard to hydraulic engineering construction. Intellectual product. FGUP VNTIC is registered under the number 73200700080.
3. Гидроузел на реке Ирелях. Восстановление напорного фронта в теле и основании плотины. ТЭО. Пояснительная записка 023-ИШ-002-ПЗ. ООО «ПСК «Геостройпроект». М., 2003.3. Waterworks on the river Irelyakh. Restoration of the pressure front in the body and base of the dam. Feasibility study. Explanatory Note 023-ISh-002-PZ. LLC PSK Geostroyproekt. M., 2003.
4. Алешин Д.В., Шишов И.Н., Федосеев В.И. Восстановление напорного фронта гидроузла на реке Сытыкан. // Гидротехническое строительство. 2004. №12.4. Aleshin D.V., Shishov I.N., Fedoseev V.I. Restoration of the pressure head of the hydroelectric complex on the Sytykan River. // Hydraulic engineering. 2004. No. 12.
5. Патент Российской Федерации №2310035, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.11.2007.5. Patent of the Russian Federation No. 2310035, cl. ЕВВ 7/06, publ. 11/10/2007.
6. Патент Российской Федерации №2267576, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.01.2006.6. Patent of the Russian Federation No. 2267576, cl. ЕВВ 7/06, publ. 01/10/2006.
7. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я.Вели, В.И.Докучаева, Н.Ф.Федорова. Л., Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1977. С.246-252.7. Directory of construction on permafrost. Ed. Yu.Ya. Veli, V.I. Dokuchaev, N.F. Fedorov. L., Stroyizdat, Leningrad. Separation, 1977. S. 246-252.
8. Патент Российской Федерации №2374387, кл. Е02В 7/06, опубл. 27.11.2009.8. Patent of the Russian Federation No. 2374387, cl. ЕВВ 7/06, publ. 11/27/2009.
9. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями / Воронежский инж. строит, ин-т. М.: Транспорт, 1989. Приложение 9.9. Guidelines for the design, construction and operation of artificial structures for roads on watercourses with ice / Voronezh Ing. builds, in. M .: Transport, 1989.
10. ГОСТ 52132-2003. Изделия из сетки для габионных конструкций. Технические условия.10. GOST 52132-2003. Mesh products for gabion structures. Technical conditions
Claims (9)
Qдоп≥Wпот-Wприт/Tхп,
где Wпот - расчетный объем потребления воды за холодный период года;
Wприт - объем забираемой из водохранилища приточной воды за холодный период года, определяемой из водного баланса водохранилища;
Тхп - продолжительность холодного периода года. 9. A method of operating a hydroelectric facility created on a seasonal watercourse under permafrost soils, the upper slope of the dam and the reservoir bowl of which are covered with a waterproof impermeable geomembrane, including filling the reservoir with fresh water to a safe level in the warm season, and then releasing part of the fresh water from the reservoir through the spillway and water withdrawal from the reservoir for the consumer during the year with simultaneous discharge of the reservoir to an acceptable level by the end of cold period of the year, which is characterized by excess water intake from the reservoir intensity Q Zab intensity over water inflow in the reservoir Q attraction, while in the cold season in the reservoir is fed from a water source adapted additional intensity Q dop satisfying
Q add ≥W sweat -W pri / T hp
where W sweat is the estimated volume of water consumption during the cold season;
W prit - the volume of supply water taken from the reservoir for the cold season, determined from the water balance of the reservoir;
T xn - the duration of the cold season.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010107856/21A RU2418134C1 (en) | 2010-03-03 | 2010-03-03 | Water-engineering system at watercourse of seasonal action under conditions of permafrost soils, cooling unit and method to operate water-engineering system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010107856/21A RU2418134C1 (en) | 2010-03-03 | 2010-03-03 | Water-engineering system at watercourse of seasonal action under conditions of permafrost soils, cooling unit and method to operate water-engineering system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2418134C1 true RU2418134C1 (en) | 2011-05-10 |
Family
ID=44732694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010107856/21A RU2418134C1 (en) | 2010-03-03 | 2010-03-03 | Water-engineering system at watercourse of seasonal action under conditions of permafrost soils, cooling unit and method to operate water-engineering system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2418134C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2518456C2 (en) * | 2012-08-20 | 2014-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "БЕРЕГ" | Method to erect underflow filtering water intake of combined design |
| RU2685476C1 (en) * | 2018-04-23 | 2019-04-18 | Михаил Иванович Лоскин | Method for preventive protection of hydraulic structures by pre-winter lowering of water level in reservoir |
-
2010
- 2010-03-03 RU RU2010107856/21A patent/RU2418134C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями. Воронежский инженерно-строительный институт. - М.: Транспорт, 1989, прил.9. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2518456C2 (en) * | 2012-08-20 | 2014-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "БЕРЕГ" | Method to erect underflow filtering water intake of combined design |
| RU2685476C1 (en) * | 2018-04-23 | 2019-04-18 | Михаил Иванович Лоскин | Method for preventive protection of hydraulic structures by pre-winter lowering of water level in reservoir |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bhattacharya | Artificial ground water recharge with a special reference to India | |
| Baba et al. | Developments in water dams and water harvesting systems throughout history in different civilizations | |
| Abdullah et al. | Irrigation projects in Iraq | |
| CN104234007B (en) | A kind of river saline-alkali soil levee slope greening method | |
| Stevanovic | Utilization and regulation of springs | |
| AU2018375503B2 (en) | Express flood mitigation works using elevated and or at ground level with tunnel integrated large scale aqueduct with numerous functions, with main function to divert flood water or river water away from cities in order to fight or mitigate flood events and effect of global warming, with discharge invert levels to the sea higher than high tide levels | |
| Stevanović | Damming underground flow to enhance recharge of karst aquifers in the arid and semi-arid worlds | |
| RU2418134C1 (en) | Water-engineering system at watercourse of seasonal action under conditions of permafrost soils, cooling unit and method to operate water-engineering system | |
| RU2394962C1 (en) | Procedure for protection of mines against water inrush from side of water flow under conditions of permafrost | |
| RU2374387C1 (en) | Water-engineering system on perpetually frozen soils | |
| RU2416692C1 (en) | Water engineering system on permafrost soils | |
| CN103510486A (en) | Method for carrying out south-to-north water diversion along coastline cofferdam | |
| CN114411617B (en) | Ecological management system for converting rain and flood into dry river with available water quantity | |
| TW201311971A (en) | Strata structure maintenance and underground water recharge/storage device | |
| RU2370590C1 (en) | Culvert under embankment in permafrost soils at periodically operating waterway | |
| CN205776113U (en) | Tunnel formula is imitated nature fish pass and is combined the comprehensive layout of fish lock | |
| RU2381327C1 (en) | Culvert under banked earth in conditions of permanently frozen grounds in periodic water course | |
| RU187757U1 (en) | Culvert culvert | |
| RU2424397C1 (en) | Waterworks facility at waterway of seasonal action under conditions of permafrost soils | |
| Gotoh et al. | Flood control and small-scale reservoirs | |
| CN106351677A (en) | Underground water step-freezing method for deeply-buried tunnel station construction in water rich sand cobble stratum | |
| CN105064264A (en) | Super-large-scale water conservancy project and construction technology thereof | |
| CN105804005B (en) | A kind of wall-hanging eco-concrete dyke and its construction method | |
| CN205296060U (en) | One set of new structural type's water conservancy building | |
| CN201125367Y (en) | Road saliva floe ice multi-exit port water drain ice blocking system |