RU2785656C1

RU2785656C1 - Thaw-type embankment dam on a permafrost foundation

Info

Publication number: RU2785656C1
Application number: RU2022100178A
Authority: RU
Inventors: Георгий Иванович Кузнецов; Наталья Владимировна Крук; Анастасия Павловна Овсянникова
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-12-12

Abstract

FIELD: hydraulic engineering.

SUBSTANCE: invention relates to hydraulic engineering building and may be applicable in the erection of thaw-type embankment dams in the cryolithic zone when ice-rich thermal-collapsing soils are present in the upper layer of the dam foundation. The pre-construction preparation of such a foundation 2 is proposed to be done by filtration and drainage thawing to the full depth of the icy layer 3; therefor, deep drainage cuts 5 are made in the sides of the water reservoir and injected with water supplied from a natural watercourse 7, simultaneously acting as drainage; thermal filtration strains occur in the building period, while no strains on the structure are present in the operation period.

EFFECT: creation of a more efficient system for pre-construction filtration and drainage thermal preparation of the ice-rich foundation of a thaw-type dam using natural heat sources; underflow taliks may act as such sources, the preservation whereof on sites of frozen dams becomes increasingly less promising or even impossible; the entire process of heat and filtration preparation of the dam foundation in the proposed method can minimised.

1 cl, 2 dwg

Description

На большей части строящихся северных гидроузлов и отдельных сооружений до настоящего времени отдается предпочтение мерзлому типу плотин (Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - с. 35-41), тогда как мерзлотно-геологические условия все чаще предрасполагают к выбору сооружений талого типа, особенно если учитывать участившиеся случаи аварийных ситуаций на мерзлых плотинах и надвигающуюся остроту проблемы глобального потепления, особенно актуальную в криолитозоне. Поэтому в ближайшей перспективе строительство здесь талых плотин становится более предпочтительным.On most of the northern hydroelectric facilities and individual structures under construction, preference is still given to the frozen type of dams (G.F. Biyanov. Dams on permafrost. - 2nd ed. Revised and added. - M .: Energoatomizdat, 1983 - p. 35 -41), while the permafrost-geological conditions are increasingly predisposing to the choice of thawed structures, especially if we take into account the increasing number of accidents at frozen dams and the impending acute problem of global warming, which is especially relevant in the permafrost zone. Therefore, in the short term, the construction of melted dams here becomes more preferable.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении грунтовых плотин и дамб талого типа на термопросадочных льдонасыщенных вечномерзлых основаниях в криолитозоне (зоне вечной мерзлоты).The invention relates to hydraulic engineering and can be used in the construction of earth dams and melt-type dams on thermal subsidence ice-saturated permafrost bases in the permafrost zone (permafrost zone).

Известно техническое решение песчаных свай-дрен, прорезающих поверхностную зону льдонасыщенных пород основания плотины и рассматриваемое в качестве аналога. Наряду с технологическими трудностями (бурение многочисленных скважин и оборудование в них песчаных свай) не исключены и не ограничены значительная осадка и другие деформации полностью построенной плотины в течение длительного эксплуатационного периода. Данное решение использовалось в зарубежной практике (Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - с. 52, рис. 4.1) и пока не нашло применения в отечественном плотиностроении.Known technical solution of sand pile-drains, cutting through the surface zone of ice-saturated rocks of the base of the dam and considered as an analogue. Along with technological difficulties (drilling numerous wells and installing sand piles in them), significant settlement and other deformations of a fully constructed dam during a long operational period are not excluded and not limited. This solution was used in foreign practice (Biyanov G.F. Dams on permafrost. - 2nd ed. Revised and added. - M .: Energoatomizdat, 1983 - p. 52, Fig. 4.1) and has not yet found application in domestic dam construction.

Известна система дренирования оттаивающего мерзлого основания плотины (дамбы) в криолитозоне (Патент 2528700 Российская Федерация, МПК⁵¹ Е02 В7/06. Грунтовая плотина / Кузнецов Г.И., Балацкая Н.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ) - №2013114868/13; заявл. 02.04.2013; опубл. 20.09.2014). В этом техническом решении по внешнему контуру верхового и низового откосов в основании плотины устраиваются заполняемые песком (или другим дренирующим грунтом) питающая и отводящая дренажные прорези на глубину льдонасыщенного поверхностного слоя, а на дно отводящей прорези укладывается трубчатая дрена. По этой прорези отводится вода, выдавливаемая из основания по мере его оттаивания и консолидации грунта под весом постепенно наращиваемой насыпи. Питающая прорезь используется для фильтрационного питания системы с целью ускорения процесса оттаивания на этапе строительства. После завершения процесса оттаивания эту прорезь используют для продолжения процессов дренирования и консолидации в оттаянном слое.A known system for drainage of a thawing frozen foundation of a dam (dam) in the permafrost zone (Patent 2528700 Russian Federation, IPC ⁵¹ E02 B7/06. Earth dam / Kuznetsov G.I., Balatskaya N.V.; applicant and patent holder Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education education "Siberian Federal University" (SFU) - No. 2013114868/13; application 04/02/2013; published 09/20/2014). In this technical solution, along the outer contour of the upper and lower slopes at the base of the dam, supply and discharge drainage slots filled with sand (or other draining soil) are arranged to the depth of the ice-saturated surface layer, and a tubular drain is laid on the bottom of the discharge slot. Water is drained through this slot, squeezed out of the base as it thaws and the soil consolidates under the weight of a gradually growing embankment. The feed slot is used to filter feed the system in order to speed up the defrosting process during the construction phase. After the thawing process is completed, this slot is used to continue the drainage and consolidation processes in the thawed layer.

Данному техническому решению, рассматриваемому в качестве прототипа, также свойственны определенные недостатки, ограничивающие возможную сферу его применения. В частности, оттаивание льдистого слоя, дренирование и уплотнение оттаявшего грунта под действием веса сооружения продолжаются в течение ряда лет и растягиваются на весь период строительства и даже включают начальный этап эксплуатационного периода. Интенсивность оттаивания, дренирования и консолидации оттаявших грунтов зависит от температуры и заметно усложняется в зимний период. Сложно решается вопрос незамерзающего отвода воды, отжимаемой из оттаиваемого слоя, и, что наиболее важно, происходят деформации уже построенной части сооружения.This technical solution, considered as a prototype, also has certain disadvantages that limit the possible scope of its application. In particular, the thawing of the ice layer, drainage and compaction of the thawed soil under the influence of the weight of the structure continue for a number of years and extend over the entire construction period and even include the initial stage of the operational period. The intensity of thawing, drainage and consolidation of thawed soils depends on temperature and becomes noticeably more complicated in winter. It is difficult to solve the issue of non-freezing drainage of water squeezed out of the thawed layer, and, most importantly, deformations of the already constructed part of the structure occur.

В предлагаемом техническом решении питающие дренажные прорези располагаются вдоль водного потока и, соответственно, вдоль подруслового талика на обоих склонах долины реки (ручья), используемой для создания водохранилища. Функции же отводящей дрены выполняются подрусловым таликом, заполненным естественными водопроницаемыми отложениями -песком, песчано-гравийной смесью, гравием, щебнем и т.п.In the proposed technical solution, the supply drainage slots are located along the water flow and, accordingly, along the under-channel talik on both slopes of the river (stream) valley used to create the reservoir. The functions of the diverting drain are performed by an under-channel talik filled with natural permeable deposits - sand, sand-gravel mixture, gravel, crushed stone, etc.

В конце строительного периода в пределах фильтрующего талика выполняется локальное противофильтрационное устройство (инъекционная завеса, бетонная стенка и др.), сопрягающееся с водоупорными и слабопроницаемыми коренными породами в береговых склонах и в подошве талика. Создание этого устройства не требует предпостроечного оттаивания и может быть выполнено известными способами.At the end of the construction period, within the filtering talik, a local impervious device (injection curtain, concrete wall, etc.) is made, mating with water-resistant and low-permeable bedrock in the coastal slopes and at the foot of the talik. The creation of this device does not require pre-construction defrosting and can be performed by known methods.

Вода, необходимая для организации, фильтрационно-тепловых потоков в береговых склонах создаваемого водохранилища (включая подошву тела плотины и располагаемые в ней противофильтрационные или дренажные устройства) подается в питающие дренажные прорези из сохраняемого в строительный период руслового потока по временным строительным водоводам. В дальнейшем русловой сток используется для заполнения водохранилища и поглощается общим фильтрационным потоком.The water necessary for organizing filtration and heat flows in the coastal slopes of the created reservoir (including the base of the dam body and impervious or drainage devices located in it) is supplied to the supply drainage slots from the channel flow preserved during the construction period through temporary construction conduits. Subsequently, the runoff is used to fill the reservoir and is absorbed by the general seepage flow.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание более эффективной системы предпостроечной фильтрационно-дренажной тепловой подготовки льдонасыщенного основания плотины талого типа с использованием естественных источников тепла; такими источниками могут быть подрусловые талики, сохранение которых в створах мерзлых плотин становится бесперспективным или вообще невозможным.The technical result of the invention is the creation of a more efficient system of pre-construction filtration and drainage thermal preparation of the ice-saturated base of the thaw-type dam using natural heat sources; such sources can be under-channel taliks, the preservation of which in the sections of frozen dams becomes unpromising or even impossible.

В предлагаемом способе весь процесс тепловой и фильтрационной подготовки основания плотины может быть сокращен до минимума.In the proposed method, the entire process of thermal and filtration preparation of the dam base can be reduced to a minimum.

Сущность предлагаемого технического решения заключается прежде всего в том, что предпостроечное оттаивание основания плотины талого типа и льдонасыщенных грунтов береговых склонов водохранилища выполняется непременно в строительный период и не включает в себя начальный этап эксплуатационного периода. Процесс оттаивания не затрагивает работу полностью готового сооружения, не влияет на эксплуатацию водохранилища и не становится отрицательным фактором в отношении устойчивости плотины и бортов водохранилища. Энергозатраты, неизбежные при подаче воды в питающие дренажные прорези, также прекращаются с окончанием строительного периода.The essence of the proposed technical solution lies primarily in the fact that the pre-construction thawing of the base of the thaw-type dam and ice-saturated soils of the coastal slopes of the reservoir is carried out without fail during the construction period and does not include the initial stage of the operational period. The thawing process does not affect the operation of the fully completed structure, does not affect the operation of the reservoir, and does not become a negative factor in terms of the stability of the dam and the sides of the reservoir. Energy consumption, inevitable when water is supplied to the supply drainage slots, also stops with the end of the construction period.

Изобретение поясняется чертежами, на которых схематично изображены план (фиг.1) и поперечный разрез (фиг.2) плотины и фильтрационно-дренажной системы; сплошными линиями обозначено готовое сооружение, пунктирными - технологические детали, выполняющиеся в строительный период.The invention is illustrated by drawings, which schematically show a plan (figure 1) and a cross section (figure 2) of the dam and the filtration and drainage system; solid lines indicate the finished structure, dotted lines - technological details performed during the construction period.

Сооружение включает тело плотины 1, выполненное из карьерного грунта, размещенное на основании 2, верхний слой 3 которого сложен льдонасыщенными термопросадочными грунтами, подлежащими предпостроечному оттаиванию, а нижний слой 4 сложен малольдистыми породами.The structure includes a dam body 1 made of quarry soil, placed on a base 2, the upper layer 3 of which is composed of ice-saturated thermal subsidence soils subject to pre-construction thawing, and the lower layer 4 is composed of low-ice rocks.

На бортах водохранилища расположены питающие дренажные прорези 5, заполненные водопроницаемыми (дренирующими) грунтами и прорезающие слой 3 на всю его глубину. После завершения фильтрационно-тепловой предпостроечной подготовки основания плотины фильтрующий грунт из питающих прорезей 5 удаляется, и они заполняются нефильтрующим грунтом или заделываются иным способом (например, при локальной инъекции подземного контура плотины).On the sides of the reservoir there are feeding drainage slots 5 filled with permeable (draining) soils and cutting through layer 3 to its entire depth. After completion of the filtration-thermal pre-construction preparation of the dam base, the filter soil is removed from the supply slots 5, and they are filled with non-filter soil or sealed in another way (for example, with local injection of the underground contour of the dam).

По поверхности бортов будущего водохранилища прокладываются временные водоводы 6, подающие воду из руслового водотока 7 в питающие прорези и отводящие ее из них после завершения процедуры оттаивания. В русле водотока оборудуется временный (строительный) водозабор 8. Границы подруслового талика обозначены позицией 9. Отметка гребня плотины на Фиг. 2 обозначена позицией 10.Temporary conduits 6 are laid along the surface of the sides of the future reservoir, supplying water from the channel watercourse 7 to the supply slots and removing it from them after the thawing procedure is completed. A temporary (construction) water intake 8 is equipped in the channel of the watercourse. 2 is marked with 10.

Фильтрационно-тепловая подготовка основания 2 плотины 1 осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе в теплый период первого года строительства выполняется планировка основания 2 и проходка траншей для устройства питающих прорезей 5. Затем оборудуются прорези 5, временные водоводы 6 и русловой водозабор 8, водоводы подключаются к водозабору, и начинается подача воды в прорези 5 (этот процесс прерывается в периоды наиболее лютых морозов и продолжается в очередной теплый сезон года). Вода из прорезей постепенно просачивается в оттаивающий грунт слоя 3, содержащиеся в нем подземные льды и мелкие ледяные включения вытаивают, и происходит тепловая просадка всего слоя 3, его дренирование и консолидация в заданных проектом пределах. Этот процесс завершается в строительный период, что предусматривается календарным графиком строительства. После завершения работ по предпостроечному оттаиванию выполняются основные работы по возведению тела плотины 1. Избыточная вода, закачанная в питающие дренажные прорези 5 и не использованная в процессе фильтрации, отводится по временным канавам или перебрасывается в другие прорези.Filtration-thermal preparation of the base 2 of the dam 1 is carried out as follows. At the preparatory stage, during the warm period of the first year of construction, the base 2 is laid out and trenches are drilled for the device of supply slots 5. Then slots 5, temporary water conduits 6 and channel water intake 8 are equipped, water conduits are connected to the water intake, and water supply to slot 5 begins (this process interrupted during periods of the most severe frosts and continues in the next warm season of the year). Water from the slots gradually seeps into the thawing soil of layer 3, the underground ice and small ice inclusions contained in it melt, and the entire layer 3 heat sinks, drains and consolidates within the limits specified by the project. This process is completed during the construction period, which is provided for by the construction schedule. After pre-construction thawing is completed, the main works on the construction of the dam body 1 are carried out. Excess water pumped into the supply drainage slots 5 and not used in the filtration process is discharged through temporary ditches or transferred to other slots.

Claims

A method for erecting a thaw-type soil dam on a permafrost foundation, including making the dam body from quarry soil, characterized in that the preparation of the upper ice-saturated layer of the dam base and ice-saturated soils of the coastal slopes of the reservoir is performed during the construction period, while underground ice and ice inclusions from the upper ice-saturated layer the foundations of the dam and the sides of the reservoir are completely removed by pre-construction filtration and drainage thawing, for which drainage slots are arranged in the sides of the reservoir and at the base of the dam to the entire depth of the ice layer and filled with drainage material, temporary drainage systems and channel water intake are arranged and water is supplied for filtration and drainage systems, after completion of the filtration-thermal pre-construction preparation of the dam base, drainage material is removed from the drainage slots and sealed, after completion of pre-construction thawing, the dam body is erected.