RU2790448C1

RU2790448C1 - Coastal protection structure of frozen type

Info

Publication number: RU2790448C1
Application number: RU2022115251A
Authority: RU
Inventors: Георгий Иванович Кузнецов; Наталья Владимировна Крук
Filing date: 2022-06-06
Publication date: 2023-02-21

Abstract

FIELD: hydraulic engineering.

SUBSTANCE: invention relates to hydraulic engineering and can be used in the construction of bank protection and mooring embankments, as well as dams, dams in permafrost. The structure includes, respectively, the body of the riprap embankment and the permafrost zone created in the central part of its profile, mating with the permafrost soils of the base and the coastal massif. The frozen zone, frozen during the construction period, and the frozen state of the structure as a whole are preserved in a frozen state by natural or forced cooling ventilation in the winter. The freezing of the permafrost zone and the conservation of the permafrost soils of its base in the frozen state are achieved by creating a porous medium with free pores in the massif of the embankment, capable of filtering cold air in the pore space. This becomes possible with the construction of an embankment of riprap with a given diameter of sufficiently strong stones in the complete absence of fine earth and other inclusions in the pores that impede air filtration. The outer side wall 5 is made of precast concrete elements in the process of layer-by-layer filling of the embankment. A heat-insulating layer 7 is laid on the surface of the embankment, protecting the air-permeable cooling element of the structure from negative thermal and moisture effects. The supply of cold air during the winter ventilation of the embankment is carried out with the help of a fan or in a natural way through the supply air duct 6. The exhaust (heated) air is removed through the exhaust air duct 6. Protection from snow and other negative influences is provided at the system inlets and outlets (eg snow, rain, dust, etc.).

EFFECT: invention makes it possible to substantially simplify the design of the bank protection structure without compromising the reliability of the proposed system.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении берегозащитных и причальных насыпей, а также плотин, дамб в криолитозоне.The invention relates to hydraulic engineering and can be used in the construction of bank protection and mooring embankments, as well as dams, dams in permafrost.

Известен способ возведения плотин и других водоподпорных гидросооружений с мерзлым противофильтрационным ядром, образованным в центральной части профиля плотины при работе мерзлотной завесы, созданной системой воздушных замораживающих колонок (Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - 176 с.) и термосифонов (Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве - Новосибирск: Наука, 1985 - 165 с.). Но для возведенных таким способом гидросооружений существенными становятся ограничения в применении при глубоком оттаивания мерзлого основания под подрусловым таликом и чашей оттаивания под водохранилищем. Решение проблемы может достигаться устройством двухъярусных мерзлотных завес в теле его основания сооружения. При возведении протяженной берегозащитной насыпи мерзлого типа с центральным мерзлым противофильтрационным ядром стоимость таких сооружений становится чрезвычайно высокой.A known method of erecting dams and other water-retaining hydraulic structures with a frozen impervious core formed in the central part of the dam profile during the operation of a permafrost curtain created by a system of air freezing columns (Biyanov G.F. Dams on permafrost. - 2nd ed. Revised and additional . - M.: Energoatomizdat, 1983 - 176 p.) and thermosiphons (Makarov V.I. Thermosiphons in northern construction - Novosibirsk: Nauka, 1985 - 165 p.). But for hydraulic structures erected in this way, limitations in their use become significant during deep thawing of the frozen base under the under-channel talik and the thawing bowl under the reservoir. The solution to the problem can be achieved by the installation of two-tier permafrost curtains in the body of its base structure. During the construction of an extended frozen-type bank protection embankment with a central frozen impervious core, the cost of such structures becomes extremely high.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Грунтовая плотина с мерзлотная завесы в теле его основании» (патент №2649021 C1 Е02В 7/06, опубл. 26.03.2018, бюл. №10). Это техническое решение основано на послойном возведение насыпи при одновременном устройстве двух бетонных стенок охлаждающей полости, эксплуатируемой зимой и отключаемой в теплый период года.The closest to the claimed technical solution is "Soil dam with a permafrost screen in the body of its base" (patent No. 2649021 C1 E02B 7/06, publ. 03/26/2018, bull. No. 10). This technical solution is based on the layer-by-layer construction of the embankment with the simultaneous installation of two concrete walls of the cooling cavity, which is operated in winter and is turned off during the warm season.

Но в этом техническом решении имеют место такие конструктивные недостатки, как необходимость устройства двух бетонных стенок, образующих охлаждающую полость, и существенное расширение профиля насыпи для размещения в нем относительно широкой охлаждающей полости, и соответствующее возрастание объема работ и стоимости сооружения.But this technical solution has such design flaws as the need for two concrete walls forming a cooling cavity, and a significant expansion of the embankment profile to accommodate a relatively wide cooling cavity in it, and a corresponding increase in the volume of work and the cost of construction.

В основу изобретения положена задача существенно упростить конструкцию берегозащитного сооружения и соответственно уменьшить затраты на строительство без снижения надежности предлагаемой системы по сравнению с более сложными и дорогими техническими решениями, рассматриваемыми как аналоги и прототип предлагаемого конструктивно-технологического решения.The invention is based on the task of significantly simplifying the design of a bank protection structure and, accordingly, reducing construction costs without reducing the reliability of the proposed system in comparison with more complex and expensive technical solutions considered as analogues and a prototype of the proposed structural and technological solution.

Поставленная задача решается за счет того, что берегозащитное сооружение мерзлого типа, включающее насыпь из каменной наброски и внешнюю бетонную стенку, отличающийся тем, что насыпь выполняется из сортированной каменной наброски, в которой диаметр отдельных камней позволяет создать воздухопроницаемая паровое пространство, необходимое для естественного или принудительного движения холодного зимнего воздуха, который осуществляется с помощью установленных на гребне насыпи питающих и отводящих воздуховодов, на входах и выходах которых предусмотрены задвижки, регулирующие поступление и отвод воздуха системы охлаждения. При необходимости более эффективной принудительной вентиляции в порах мерзлотного фрагмента насыпи на входе в питающий воздуховод устанавливаются вентиляторы, нагнетающие зимний воздух. На выходе из отводящего воздуховода также могут быть предусмотрены вентиляторы, повышающие эффективность отвода отработанного (нагревшегося) воздуха из системы замораживания. Количество и диаметр воздуховодов, конструкция и марка вентиляторов определяются проектом по известным методикам.The problem is solved due to the fact that a frozen-type bank protection structure, including an embankment of rockfill and an external concrete wall, is characterized in that the embankment is made of sorted rockfill, in which the diameter of individual stones allows creating a breathable vapor space necessary for natural or forced movement of cold winter air, which is carried out with the help of supply and exhaust air ducts installed on the crest of the embankment, at the inlets and outlets of which valves are provided that regulate the intake and exhaust of air from the cooling system. If more efficient forced ventilation is required, fans are installed in the pores of the permafrost fragment of the embankment at the inlet to the supply air duct, which blow winter air. Fans can also be provided at the outlet of the exhaust duct, which increase the efficiency of exhaust (heated) air removal from the freezing system. The number and diameter of air ducts, the design and brand of fans are determined by the project according to well-known methods.

Промораживание мерзлый зоны насыпи и консервация в мертвом состоянии вечномерзлых грунтов ее основания достигается путем создания в массиве насыпи пористой среды со свободными порами, способными фильтровать холодный воздух в поровом пространстве. Это становится возможным при устройстве насыпи с каменной наброски соблюдением заданного диаметра достаточно прочных камней при отсутствии в порах наброски мелкозема и иных включений, затрудняющих фильтрацию воздуха.Freezing of the frozen zone of the embankment and preservation of the permafrost soils of its base in a dead state is achieved by creating a porous medium in the massif of the embankment with free pores capable of filtering cold air in the pore space. This becomes possible when building an embankment from a rockfill, observing a given diameter of sufficiently strong stones in the absence of fine earth and other inclusions in the pores that impede air filtration.

На фиг. 1 схематично представлена берегозащитная насыпь с мерзлотной зоной в центральной части профиля насыпи (поперечный разрез): 1 - толщина малольдистый вечномерзлых грунтов; 2 - прибрежная территория, защищаемая от размыва льдонасыщенный вечномерзлый грунт, содержащий тела подземных льдов; 3 - слой оттаявшего и уплотнившегося грунта, образовавшийся в процессе заполнения и в начальный период эксплуатации водохранилища (водоема); 4 - уровень воды; 5 - внешняя бетонная стенка, разделенная по длине просадочными швами; 6 - питающий и отводящие воздуховоды; 7 - теплоизоляционный поверхностный экран; 8 - естественный мохо-торфяной покров; 9 - крепление откоса насыпи; 10 - нижний контур мерзлотной зоны в теле насыпи; 11 - движение воздуха в порах наброски.In FIG. 1 schematically shows a bank protection embankment with a permafrost zone in the central part of the embankment profile (cross section): 1 - thickness of low-ice permafrost soils; 2 - coastal territory protected from erosion by ice-saturated permafrost soil containing bodies of underground ice; 3 - a layer of thawed and compacted soil formed during the filling process and during the initial period of operation of the reservoir (reservoir); 4 - water level; 5 - external concrete wall, divided along the length by subsidence joints; 6 - supply and exhaust ducts; 7 - heat-insulating surface screen; 8 - natural moss-peat cover; 9 - fastening the slope of the embankment; 10 - the lower contour of the permafrost zone in the body of the embankment; 11 - movement of air in the pores of the outline.

На подготовленное известным способом основание насыпи 10 поярусно отсыпано тело насыпи, выполненное из каменной сортированной наброски; при этом в каждом ярусе установлены сборные железобетонные элементы внешней стенки 5. На поверхности насыпи установлены питающие и отводящие воздуховоды 6 (вентиляторы установлены на входах в питающие и отводящие воздуховоды и на фиг. 1 не показаны); также на поверхности насыпи выполнен теплоизоляционный экран 7. За пределами насыпи сохранен естественный мохо-торфяной покров 8. На нижней части внешнего откоса насыпи, подверженного затоплению, предусмотрено крепление из несортированной каменной наброски 9 стандартной конструкции. Стрелками условно показано движение воздуха в порах воздухопроницаемой части насыпи в зимний (т.н. охлаждающий) период. На входах воздуховоды оборудованы задвижки, позволяющие открывать и закрывать систему в зимний (охлаждающий) период и закрывать ее в теплый период года, а также зимой при оттепелях и метелях, чтобы исключить прогрев, оттаивание и засорения снегом, льдом и инеем парового пространства в каменной наброски мерзлотное зоны между питающим (охлаждающими) и отводящим и воздуховодами. Конструктивные особенности задвижек и марки вентиляторов выбираются при детальном проектировании системы для конкретного объекта.On the base of the mound 10 prepared in a known way, the body of the mound, made of sorted stone fill, is backfilled in tiers; at the same time, prefabricated reinforced concrete elements of the outer wall 5 are installed in each tier. Supply and exhaust ducts 6 are installed on the surface of the embankment (fans are installed at the inlets to the supply and exhaust ducts and are not shown in Fig. 1); a heat-insulating screen 7 is also made on the surface of the embankment. A natural moss-peat cover 8 is preserved outside the embankment. On the lower part of the external slope of the embankment, subject to flooding, a fastening of unsorted rock fill 9 of a standard design is provided. Arrows conditionally show the movement of air in the pores of the breathable part of the embankment in the winter (so-called cooling) period. At the inlets of the air ducts, valves are equipped that allow you to open and close the system in the winter (cooling) period and close it in the warm season, as well as in winter during thaws and blizzards, to prevent heating, thawing and clogging of the steam space with snow, ice and hoarfrost in rockfill permafrost zone between the supply (cooling) and outlet and air ducts. Design features of dampers and brands of fans are selected during detailed design of the system for a specific facility.

Внешняя боковая стенка 5 выполняется из сборных железобетонных элементов в процессе послойной отсыпки насыпи.The outer side wall 5 is made of precast concrete elements in the process of layer-by-layer filling of the embankment.

На поверхности насыпи укладывается теплоизоляционный слой 7, защищающий воздухопроницаемое паровое пространство от негативных тепловых и влажных воздействий.A heat-insulating layer 7 is laid on the surface of the embankment, protecting the breathable steam space from negative thermal and wet influences.

Подача холодного воздуха в период зимней вентиляции насыпи осуществляется по питающему воздуховоду 6 с помощью вентилятора или естественным путем. Отвод отработанного (нагревшегося) воздуха осуществляется по отводящему воздуховоду 6. На входах в систему и на выходах из нее предусматриваются защитные задвижки.The supply of cold air during the winter ventilation of the embankment is carried out through the supply air duct 6 using a fan or naturally. The discharge of exhaust (heated) air is carried out through the outlet air duct 6. Protective valves are provided at the system inlets and outlets.

Эксплуатации системы начинается после полного промораживания мерзлотно-каменнонабросной зоны профиля насыпи 3 и ее основания 2, естественное мерзлое состояние которого повреждено (нарушено) при строительстве (на это может потребоваться ориентировочно два зимних периода). Затем водохранилище 4 (или другой водоем, канал и т.п.) заполняется и начинается эксплуатационный период, на протяжении которого ежегодно проводится цикл зимнего поддержания отрицательных температур в мерзлотной зоне насыпи и в постоянной мерзлом основание 1 под ней. Тем самым обеспечивается температурная устойчивость и надежность всего сооружения. Холодный зимний воздух поступает в питающий (охлаждающий) воздуховод 6 при открытых задвижках и отключенных вентиляторах и далее фильтруется в паровом пространстве каменнонабросной мерзлотные зоны насыпи; при необходимости более глубокого проникновения в массив фильтрующие наброски и, соответственно, более эффективного охлаждения этой зоны включаются вентиляторы. Следовательно, всю конструкцию насыпи можно рассматривать как сооружение мерзлого типа, в котором функции охлаждающего замораживающего устройства выполняет центральная воздухопроницаемая зона тела насыпи. В этом качестве она может быть использована в плотинах, дамбах, причальных насыпях и т.п.The operation of the system begins after the complete freezing of the permafrost-rockfill zone of the embankment profile 3 and its base 2, the natural frozen state of which was damaged (disturbed) during construction (this may require approximately two winter periods). Then the reservoir 4 (or another reservoir, canal, etc.) is filled and the operational period begins, during which a cycle of winter maintenance of negative temperatures is annually carried out in the permafrost zone of the embankment and in the permanent frozen base 1 under it. This ensures thermal stability and reliability of the entire structure. Cold winter air enters the supply (cooling) air duct 6 with open dampers and switched off fans and is then filtered in the vapor space of the rockfill permafrost zones of the embankment; if it is necessary to penetrate deeper into the array, the filtering strokes and, accordingly, more efficient cooling of this zone, the fans are turned on. Consequently, the entire structure of the embankment can be considered as a structure of a frozen type, in which the functions of a cooling freezing device are performed by the central breathable zone of the body of the embankment. As such, it can be used in dams, dikes, mooring embankments, etc.

Зона тела насыпи, в которой осуществляется контролируемое охлаждение за счет вентиляции воздуха, по сути выполняет функции воздушного замораживающий его устройства, но в отличие от известных технических решений, не требует устройство более сложных и дорогих элементов охлаждающей системы (например, бурения скважин, оборудования морозильных колонок и т.п.). Предлагаемое замораживающее устройство может найти применение в причальных насыпях, плотинах и дамбах мерзлого типа в криолитозоне.The area of the embankment body, in which controlled cooling is carried out due to air ventilation, essentially performs the functions of an air-freezing device, but unlike known technical solutions, it does not require the installation of more complex and expensive elements of the cooling system (for example, drilling wells, equipment for freezing columns and so on.). The proposed freezing device can be used in mooring embankments, dams and frozen-type dams in the permafrost zone.

Claims

1. A frozen-type bank protection structure, including a rockfill embankment and an external concrete wall, characterized in that the embankment is made of sorted rockfill, in which the diameter of individual stones allows creating a breathable vapor space necessary for the natural or forced movement of cold winter air, which It is carried out with the help of supply and exhaust air ducts installed on the crest of the embankment, at the inlets and outlets of which valves are provided that regulate the intake and exhaust of air from the cooling system.

2. A frozen-type bank protection structure according to claim 1, characterized in that, if more efficient forced ventilation is required, fans are installed in the pores of the permafrost fragment of the embankment at the inlet to the supply air duct, which blow winter air.

3. A frozen-type bank protection structure according to claim 1, characterized in that fans can also be provided at the outlet of the exhaust duct, which increase the efficiency of exhaust (heated) air removal from the freezing system.

4. A frozen-type bank protection structure according to claim 1, characterized in that the number and diameter of air ducts, the design and brand of fans are determined by the project according to known methods.