ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ
GROUND DAM ON PERMAFROST FOUNDATION

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, преимущественно в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, служащих основанием гидротехнических сооружений.
Низконапорные грунтовые плотины 3 и 4 классов в северной строительно-климатической зоне обычно возводятся с мерзлотной завесой (плотины мерзлые, нефильтрующие) - принцип строительства 1 [1, 2 и 3].
Надежность мерзлых плотин, построенных в России, в десятки раз ниже нормативной. Несмотря на то, что общепризнанным считается строительство мерзлых плотин дешевле, чем талых, массовость разрушений мерзлых плотин приводит в целом к обратному экономическому результату [3].
Известна грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, тело которой содержит центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого (песчаного или глинистого) грунта, верховую и низовую боковые призмы и льдогрунтовую мерзлотную завесу в центральной части плотины и в ее основании. Мерзлотная завеса образует противофильтрационный элемент грунтовой плотины и она выполнена посредством замораживающих (охлаждающих) колонок, которые могут быть воздушными, жидкостными или парожидкостными [2, черт. 2.1 и черт.6.1,б].
Основной причиной, приводящей к аварии на мерзлой плотине, является нарушение цельности мерзлотной завесы как в теле плотны, так и многолетнемерзлом основании. Это происходит, прежде всего, из-за низкой надежности замораживающих колонок, из которых происходят утечки хладоносителя, а в воздушных колонках образуются ледяные пробки.
Известна грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, которая в качестве противофильтрационного устройства содержит железобетонную диафрагму. Рабочий проект такой плотины, расположенной в Читинской области на р.Олонгро, в 1993 году выполнен институтом Красноярскгидропроект. Высота диафрагмы достигает 22 м, а с фундаментной плитой - до 27 м при глубине котлована до 15,0 м, что превосходит высоту наземной части плотины. Эта плотина описана в источнике [4] и получила высокую оценку в источнике [5]. Однако в последнем не точно указан источник [4], именно: ошибка в фамилии одного из авторов, неверно указан год и номер журнала.
Недостатком такой плотины является большой объем работ при выполнении сопряжения диафрагмы с многолетнемерзлым основанием и недостаточная надежность этого сопряжения, следовательно, и самой плотины.
Известна грунтовая плотина, тело которой содержит центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму, которая расположена в центральной части плотины и выполнена из секущихся буронабивных свай, заглубленных в основание на заданную величину [6].
Тело диафрагмы, по данным «Гидроспецпроекта», может иметь коэффициент фильтрации около 0,005 м/сутки. Дополнительно при выполнении диафрагмы могут произойти расхождения буронабивных свай. В этих местах образуется сосредоточенная фильтрация, которая ведет к суффозии грунтов и нарушению температурного состояния в теле плотины и в ее основании. В результате оттаявшая верховая призма и основание непредсказуемо деформируют с нарушением цельности диафрагмы.
Таким образом, плотина как с льдогрунтовой мерзлотной завесой, так и с диафрагмой, выполненной из секущихся буронабивных свай, на многолетнемерзлом основании не достаточно надежна.
Наиболее близкой к предлагаемой грунтовой плотине на многолетнемерзлом основании является плотина, содержащая центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму, которая расположена в центральной части плотины и выполнена вертикальной по всей высоте центральной части из секущихся буронабивных свай. Эти буронабивные сваи выполнены из пластичного глинобетона и заглублены в основание на заданную величину. С низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме. С верховой стороны противофильтрационная диафрагма может быть покрыта консистентным слоем, созданным из заинъектированного глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме. С низовой стороны противофильтрационная диафрагма может быть покрыта грунтобетонным слоем, созданным из заинъектированного цементно-глинистым раствором мелкозернистого грунта, прилегающего к противофильтрационной диафрагме [7].
Повышение надежности в этой плотине обеспечивается за счет совместной работы противофильтрационной диафрагмы, льдогрунтовой мерзлотной завесы и их мерзлого основания, где они смерзанием объединены в единую водонепроницаемую конструкцию. Устойчивость и водонепроницаемость такой конструкции мало зависит как от температурного состояния верховой призмы и ее основания, так и от происходящих в них деформаций.
Однако при недостаточно интенсивной работе всех замораживающих колонок через противофильтрационную диафрагму и мерзлотную завесу может проникнуть отепляющее воздействие водохранилища с созданием гидравлической связи верхнего бьефа плотины с ее нижним бьефом. Под действием тепла водохранилища оттаивание грунтов основания может распространиться до узла сопряжения диафрагмы и мерзлотной завесы с основанием. Это может нарушить водонепроницаемость узла сопряжения, а также привести к недопустимым деформациям в верховой призме. Все это обуславливает недостаточную надежность и долговечность принятой за прототип этой известной грунтовой плотины.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, является повышение надежности и долговечности плотины. Технический же результат от использования изобретения заключается в предотвращении проникновения отепляющего воздействия водохранилища через противофильтрационную диафрагму и через узел ее сопряжения с основанием.
Указанный технический результат достигается тем, что грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании, содержащая центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму, которая расположена в центральной части плотины и выполнена вертикальной по всей высоте центральной части из секущихся буронабивных свай, заглубленных в основание на заданную величину, а с низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме, согласно изобретению материал буронабивных свай в своем составе содержит полые микрошарики из химических соединений, содержащих кремний. Количество полых микрошариков обеспечивает уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до заданной величины.
Дополнительно:
- микрошарики могут быть керамическими, силикатными, силиконовыми и стеклянными;
- микрошарики обеспечивают уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до 1 ккал/(м·ч·°С) или еще менее;
- микрошарики имеют размеры преимущественно до 100 микрон, при этом микрошарики равномерно занимают не менее 5% объема буронабивной сваи;
- микрошарики получены из твердого остатка, образующегося при сжигании ископаемого угля, и имеют размеры преимущественно до 350 микрон, при этом микрошарики равномерно занимают не менее 10% объема буронабивной сваи;
- буронабивные сваи выполнены из пластичного глинобетона;
- подошва замораживающей колонки помещена ниже подошв, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай;
- в основании верховой призмы выполнен теплозащитный слой, примыкающий к противофильтрационной диафрагме;
- теплозащитный слой выполнен из синтетического или минерального теплоизолятора;
- теплозащитный слой выполнен из грунтового материала, содержащего в своем составе микрошарики;
- теплозащитный слой содержит полимерную пленку, которая сопряжена с противофильтрационной диафрагмой посредством призмы из связного грунта.
Именно уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай путем введения в состав материала полых микрошариков из химических соединений, содержащих кремний, а также выполнение в основании верховой призмы теплозащитного слоя, примыкающего к противофильтрационной диафрагме, обеспечивает достижение ранее указанного технического результата.
На фиг.1 показан поперечный разрез грунтовой плотины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Грунтовая плотина возводится на многолетнемерзлом основании в суровых климатических условиях при отсутствии разведанных карьеров качественных глинистых грунтов и коротком дождливом лете. Грунты основания 1 характеризуются дисперсностью на большую глубину при чрезвычайной пестроте литологии и сильной льдистостью и просадочностью при оттаивании. Обычно это пылеватые льдистые суглинки с включением песчаных линз и прослоек и обломков коренных пород у их поверхности 2.
Плотина включает центральную часть 3, выполненную от основания 1 до ее гребня 4 из мелкозернистого грунта, и боковые призмы: верховую 5 - из гравелистого песка и низовую 6 - из каменной наброски. Между центральной частью 3 и низовой призмой 6 помещена переходная зона 7 из гравийно-галечникового грунта. В центральной части 3 плотины вертикально и по всей высоте центральной части 6 расположена противофильтрационная диафрагма (далее - диафрагма) 8, которая выполнена из секущихся буронабивных свай 9 (фиг.2), заглубленных в основание до поверхности коренных пород 2. С низовой стороны к диафрагме 8 примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса (искусственно промороженный обильно увлажненный грунт) 10, которая выполнена посредством замораживающих колонок (термосифонов) 11 и смерзанием присоединена к диафрагме 8. Замораживающие колонки 11 установлены в один ряд по оси 12 на заданном расстоянии «а» от оси 13 диафрагмы 8.
В центральной части 3 плотины в качестве мелкозернистого грунта использованы глинистые, песчаные, песчано-гравийные и другие грунты, имеющиеся на площадке строительства. Буронабивные сваи 9 выполнены из пластичного глинобетона, который в своем составе содержит полые микрошарики (далее - микрошарики) 14 из химических соединений, содержащих кремний. Подошва 15 каждой замораживающей колонки 11 помещена ниже на заданную величину «в» подошвы 16, по меньшей мере, двух ближайших к ней буронабивных свай 9.
Микрошарики 14 могут быть керамическими, силикатными, силиконовыми и стеклянными. Микрошарики 14 имеют размеры преимущественно до 100 микрон, и они равномерно занимают не менее 5% объема буронабивной сваи, что обеспечивает уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай до 1 ккал/(м·ч·°С) или еще меньше, т.е меньше коэффициента теплопроводности вмещающих диафрагму 8 грунтов. Микрошарики 14 могут быть получены из твердого остатка, образующегося при сжигании ископаемого угля, и иметь размеры 10-350 микрон, при этом микрошарики равномерно занимают не менее 10% объема буронабивной сваи. Такие микрошарики 14, как наиболее легкие в отстойном пруде золоотвала, плавают на поверхности воды, откуда они и извлекаются.
В основании верховой призмы 5 выполнен теплозащитный слой 17, который примыкает к диафрагме 8. Этот теплозащитный слой 17 может быть выполнен из синтетического или минерального теплоизолятора, а также из грунтового материала, содержащего в своем составе микрошарики 14. Он также может содержать полимерную пленку, сопряженную с диафрагмой 8 посредством призмы из связного грунта - пленка и призма на чертежах не показаны.
В русловой части плотины, на участке естественного талика (не показан) замораживающие колонки 11 целесообразно выполнить в два ряда.
Как и в прототипе, целесообразно диафрагму 8 с ее верховой стороны покрыть консистентным слоем 18, который может быть создан глинистым раствором посредством инъекционных скважин 19. С низовой стороны диафрагму 8 также следует покрыть грунтобетонным слоем 20, который может быть создан цементно-глинистым раствором посредством цементационных скважин 21.
На чертежах обозначены и другие элементы плотины, а именно:
22 - слой грунта;
23 - водохранилище;
24 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в предложенной плотине;
25 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в плотине, принятой за прототип;
26 - экран;
27 - понур;
28 - слой камня.
Особенности возведения грунтовой плотины следующие:
1. После выполнения теплозащитного слоя 17 грунт в элементы плотины укладывают во влажном состоянии послойно, промораживая его в холодный период года. Технологические параметры укладки грунта задают из расчета получения в центральной части 3 плотины, после выравнивания в слоях 22 температур пластично-мерзлого грунта.
2. В летнее время с гребня 4 плотины в ее центральной части 3 выполняют работы по устройству диафрагмы 8, созданию на ее боковых поверхностях консистентного слоя 18 и грунтобетонного слоя 20 и осуществляют установку замораживающих колонок 11. Диафрагму 8 выполняют из секущих буронабивных свай 9 захватками посредством бурового агрегата, например «Casagrande». Сваи выполняют из пластичного бетона, содержащего в своем составе заданное количество микрошариков 14, которые вводят в состав бетона при его приготовлении.
3. Местоположение и конструкция водопропускного сооружения для пропуска строительных и эксплуатационных расходов (не показаны) зависят от местных условий и его выполняют так же как и плотину, с повышенной надежностью.
Особенности работы предлагаемой плотины относительно известной плотины по прототипу следующие:
1. Уменьшение коэффициента теплопроводности материала буронабивных свай 9 путем введения в состав материала полых микрошариков 14 из химических соединений, содержащих кремний, обеспечило диафрагме 8 новое, ранее не присущее ей свойство теплозащитной завесы, которая существенно ограничила тепловое взаимодействие водохранилища 23 с мерзлотной завесой 10. В результате этого, с одной стороны, увеличилась вероятность распространения нулевой изотермы 24 внутрь верховой призмы 5 до диафрагмы 10, что обеспечивает талое состояние консистентному слою 18, а с другой стороны, предотвращено дальнейшее проникновение нулевой изотермы 24 через диафрагму 10, что обеспечивает сохранение мерзлотной завесы и ее смерзание с диафрагмой 10.
2. Теплозащитный слой 17, выполненный в основании верховой призмы 5 и примыкающий к противофильтрационной диафрагме 8, существенно уменьшает оттаивание грунтов основания 1 в наиболее ответственном месте - перед узлом сопряжения диафрагмы 8 и мерзлотной завесы 10 с основанием 1. Это, в свою очередь, предотвращает нарушение водонепроницаемости узла сопряжения и уменьшает деформации в верховой призме 5.
3. Полые микрошарики 14 в глинобетоне диафрагмы 9, а также в грунтовом материале теплозащитного слоя 17 производят такую же теплоизоляционную работу, какую они производят в нашедших широкое применение утепляющих красках. Разреженный воздух в микрошариках 14 обеспечивает теплоотражательный эффект - возврат тепла в обратном направлении.
Обозначения:
1 - основание
2 - поверхность коренных пород
3 - центральная часть
4 - гребень плотины
5 - верховая призма
6 - низовая призма
7 - переходная зона
8 - противофильтрационная диафрагма (далее с- диафрагма)
9 - буронабивные сваи
10 - мерзлотная завеса
11 - замораживающие колонки
12 - ось замораживающих колонок
13 - ось диафрагмы
14 - полые микрошарики (далее - микрошарики)
15 - подошва замораживающей колонки
16 - подошва буронабивной сваи
17 - теплозащитный слой
18 - консистентный слой
19 - инъекционная скважина
20 - грунтобетонный слой
21 - цементационная скважина
22 - слой грунта
23 - водохранилище
24 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в предложенной плотине
25 - расчетное конечное положение нулевой изотермы в плотине, принятой за прототип
26 - экран
27 - понур
28 - слой камня.
Источники информации
1. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983.
2. СНиП 2. 06. 05-84*. Плотины из грунтовых материалов. - М., 1991.
3. Чжан Р.В. Температурный режим и устойчивость низконапорных гидроузлов и грунтовых каналов в криолитозоне / Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. - Якутск, 2001.
4. Ягин В.П., Давыдов И.А., Мик В.В., Лейманн Т.В. К вопросу о плотинах из грунтовых материалов с бетонной и железобетонной диафрагмами. // Гидротехническое строительство. 1998. №2.
5. Давыденко В.М., Фотиев П.И. Противофильтрационные конструкции грунтовых плотин для суровых климатических условий // Гидротехническое строительство. 2008. №10.
6. Малышев Л.И., Рассказов Л.Н., Солдатов П.В. Состояние плотины Курейской ГЭС и технические решения по ее ремонту // Гидротехническое строительство. 1999. №1.
7. Патент РФ №2307891. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании. / Ягин В.П., Вайкум В.А., Оголь В.Г., Руднов В.М., Гришин В.А. Е02В 7/06, опубл. 2007.10.10.