УЗЕЛ СОПРЯЖЕНИЯ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ С БЕТОННЫМ СООРУЖЕНИЕМ
UNIT OF GROUND DAM COUPLING WITH CONCRETE STRUCTURE

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для сопряжения грунтовой и бетонной плотин преимущественно в северной строительно-климатической зоне.
Известен узел сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением, включающий сопрягающий устой и, по меньшей мере, одну вертикально расположенную, доведенную вниз до водоупора металлическую противофильтрационную диафрагму, один боковой торец которой водонепроницаемо соединен с сопрягающим устоем, а другой удален от него и расположен в теле плотины или в ее грунтовом противофильтрационном элементе (ядре). При этом вдоль бокового торца диафрагмы, удаленного от сопрягающего устоя, расположена металлическая труба, которая водонепроницаемо присоединена к диафрагме и содержит полость с размещенным в ней источником вибрации. Этот источник обеспечивает доуплотнение грунтового материала, уложенного вокруг диафрагмы [1].
Такой узел сопряжения надежно работает в умеренных климатических условиях, когда глубина сезонного промерзания обычно не превышает 2 м. В суровых же климатических условиях в теле грунтовой плотины возможно трещинообразование вследствие примерзания гребневой части грунтовой плотины к поверхности сопрягающего устоя и противофильтрационной диафрагме. В результате этого примерзания (то же: смерзания) гребневая часть грунтовой плотины отрывается от оседающей нижней талой ее части. Образующаяся при этом сквозная трещина является очагом сосредоточенной фильтрации, обычно сопровождающейся интенсивной суффозией грунтового материала, что обуславливает низкую фильтрационную прочность грунтовой плотины.
Известен узел сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением, включающий сопрягающий устой, в котором поверхность сопряжения устоя с грунтовой плотиной покрыта полимеросодержащим слоем с открытопористой поверхностью, обращенной в сторону грунтовой плотины [2].
Надежность такого узла сопряжения обеспечивается тем, что, во-первых, грунт плотины отделен от относительно гладкой поверхности сопрягающего устоя полимеросодержащим, следовательно, прочным и несуффозионным слоем, во-вторых, тем, что грунт заполняет открытые поры полимеросодержащего слоя, приобретая тем самым повышенную противофильтрационную устойчивость в узле сопряжения. Однако полимеросодержащий слой в недостаточной мере препятствует примерзанию грунта к сопрягающему устою, не обеспечивает значительное уменьшение сил трения материала грунтовой плотины о поверхность сопрягающего устоя и в недостаточной мере препятствует образованию у поверхности сопрягающего устоя прослойки льда в холодный период года. Поэтому этот аналог не исключает возможности образования трещины в области сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением и раскрытия трещины по контакту при таянии прослойки льда, что является его основным недостатком.
Известен узел сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением, включающий сопрягающий устой, в котором поверхность сопряжения с грунтовой плотиной в пределах ее возможного промораживания покрыта выполненной из полиэтилена и прикрепленной к сопрягающему устою геомембраной [3].
Недостаток такого узла сопряжения заключается в его недостаточной фильтрационной прочности, следовательно, и его надежности. Действительно, в холодный период года из влажного грунта плотины под действием температурных градиентов вода из тела грунтового сооружения беспрепятственно мигрирует к фронту промерзания, т.е. непосредственно к водонепроницаемой мембране, где с неизбежностью из этой воды образуется сплошная прослойка льда, чему способствуют температурные деформации грунтовой плотины и бетонного сооружения. В теплый период года в результате таяния этой прослойки льда образуется более опасный в сравнении с предыдущим аналогом щелеобразный канал, по которому может сосредоточенно двигаться напорная вода, производя размыв грунтового материала плотины. При этом гладкость поверхности геомембраны обуславливает увеличение пор грунта на контакте, что также снижает суффозионную устойчивость грунта.
Дополнительно, отсутствует возможность контроля количества воды, движущейся непосредственно по контакту сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением. Это обстоятельство не обеспечивает своевременное осуществление технических мероприятий по повышению фильтрационной прочности узла сопряжения в случае превышения фильтрующей водой допустимой из условия безопасности величины.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение фильтрационной прочности узла сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением, следовательно, повышение надежности этого узла сопряжения.
Технический результат от использования изобретения заключается в следующем:
- уменьшены сила примерзания материала грунтовой плотины к поверхности сопрягающего устоя бетонного сооружения и сила трения между ними, следовательно, уменьшена возможность трещинообразования в грунтовой плотине в области узла сопряжения;
- предотвращено прилегание грунта водоудерживающей части грунтовой плотины (тела, ядра, экрана) к твердой и гладкой поверхности сопрягающего устоя бетонного сооружения, следовательно, предотвращен размыв материала напорной водой, движущейся сосредоточенно непосредственно по контакту сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением;
- предотвращена миграция воды из тела грунтовой плотины к контакту сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением;
- обеспечен контроль количества воды, движущейся непосредственно по контакту сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что узел сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением содержит сопрягающий устой, поверхность которого в месте примыкания к нему грунтовой плотины покрыта полимеросодержащим слоем с открытопористой поверхностью, обращенной в сторону грунтовой плотины, при этом поверхность сопрягающего устоя, по меньшей мере, в пределах возможного промораживания покрыта геомембраной, которая выполнена из полиэтилена, расположена между полимеросодержащим слоем и сопрягающим устоем и прикреплена к сопрягающему устою. У низовой грани водоудерживающей части грунтовой плотины (тело, ядро, экран) расположен собирательный канал, образованный в поперечном сечении полутрубой, выполненной из полиэтилена, водонепроницаемо прикрепленной к геомембране с возможностью принимать в себя фильтрующую по узлу сопряжения воду и сосредоточенно направлять эту воду за пределы грунтовой плотины.
Дополнительно:
- внутри собирательного канала расположен греющий кабель;
- собирательный канал направляет воду за пределы грунтовой плотины посредством отводящей трубы и колодца, который оборудован водомерным устройством;
- полимеросодержащий слой выполнен из геотекстиля, преимущественно нетканого;
- полимеросодержащий слой выполнен из бентонитового мата (бентомата), состоящего из слоя тканого и нетканого геотекстиля, между которым расположены гранулы натриевого бентонита;
- геомембрана выполнена из полиэтилена, содержащего пластификатор в количестве, обеспечивающем получение «жирной» низкоэнергетической поверхности геомембраны;
- бентонитовый мат примыкает к сопрягающему устою слоем тканого геотекстиля.
Достижение ранее указанного технического результата стало возможным благодаря тому, что полимерсодержащий слой и геомембрана относительно слабо смерзаются и имеют относительно низкий коэффициент трения между собой. При этом полимерсодержащий слой и геомембрана являются материалами, устойчивыми против размыва движущейся между ними водой, а собирательный канал обеспечивает отвод профильтровавшей через узел сопряжения воды и контроль над ее количеством.
Достижению технического результата также способствует то, что геомембрана выполнена с «жирной» низкоэнергетической поверхностью, а полимерсодержащий слой выполнен из бентонитового мата. Разбухший бентонит предотвращает миграцию воды из грунтовой плотины к поверхности геомембраны, смазывает поверхность геомембраны и сохраняет у поверхности геомембраны пластичность в холодный период года.
На фиг.1 изображен узел сопряжения, план; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - участок полутрубы собирательного канала, вид со стороны грунтовой плотины; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3.
Пример. Узел сопряжения грунтовой плотины 1 с бетонной водосливной плотиной 2 содержит выполненный из бетона сопрягающий устой 3. Грунтовая плотина в качестве противофильтрационного элемента содержит ядро 4 (фиг.2), выполненное из связного грунта, а сопрягающий устой состоит из стенок: продольной 5, верховой 6 и низовой 7.
Поверхность продольной стенки 5 со стороны грунтовой плотины 1 покрыта полимерсодержащим слоем, например бентонитовым матом (то же: бентомат) 8, который состоит из слоя тканого 9 и нетканого 10 геотекстиля, а между геотекстилем расположены гранулы натриевого бентонита 11. При этом бентонитовый мат 8 примыкает к продольной стенке 5 слоем тканого геотекстиля 9, а к грунтовой плотине 1 слоем нетканого геотекстиля 10. Поверхность продольной стенки 5 в пределах возможного промораживания и на ее дополнительно заданных участках 12 покрыта геомембраной 13, которая выполнена из полиэтилена, расположена между бентонитовым матом 8 и продольной стенкой 5, прикреплена к стенке 5 и является ее составной частью. У низовой грани 14 ядра 4 (фиг.4) на всю высоту продольной стенки 5 расположен собирательный канал 15, который в поперечном сечении образован выполненной из полиэтилена полутрубой 16. Эта полутруба 16 прикреплена к геомембране 13 водонепроницаемым непрерывным сварным швом 17 со стороны нижнего бьефа, а прерывным сварным швом 18 - со стороны верхнего бьефа с образованием дренажных щелей 19 (фиг.3).
Необходимость покрытия геомембраной 13 дополнительных участков 12 поверхности продольной стенки 5 во всей ее нижней части или только в месте расположения собирательного канала 15, а также поверхности низовой стенки 7 всей или только ее части устанавливается проектом в зависимости от конструкции грунтовой плотины 1 и местных условий. При этом учитывается то обстоятельство, что прочность смерзания несвязных грунтов (боковые призмы плотины) с конструкциями существенно выше, чем связных грунтов (ядро плотины), а релаксация напряжений в несвязных грунтах, соответственно, ниже [4].
Внутри собирательного канала 15 расположен греющий кабель 20. Этот канал 15 направляет воду за пределы грунтовой плотины 1 посредством отводящей трубы 21 и колодца 22, который оборудован водомерным устройством. Водомерное устройство может быть выполнено, например, в виде сливного патрубка 23, снабженного запорным устройством 24, и мерной рейки (рейка на чертежах не показана) для измерения уровня воды в колодце.
С меньшей эффективностью полимерсодержащий слой может состоять только из нетканого геотекстиля, который имеет мелкие поры, открытые у поверхности, и низкую проницаемость в продольном направлении.
Целесообразно геомембрану 13 выполнить из полиэтилена, содержащего пластификатор в количестве, обеспечивающем получение «жирной» низкоэнергетической поверхности геомембраны. Увеличение в полиэтилене количества пластификаторов против обычного уменьшает примерзание грунта к геомембране 13 и уменьшает силу трения грунтового материала о геомембрану 13, а также повышает эластичность геомембраны 13. При этом геомембрана 13 прикреплена к сопрягающему устою 3 посредством, например, полиэтиленовых анкеров 25 (фиг.4).
На чертежах дополнительно позициями обозначены:
26 - основание;
27 - шов примыкания (плиты к водосливной плотине);
28 - бетонная плита (в основании ядра);
29 - низовая призма грунтовой плотины;
30 - продольная ось грунтовой плотины.
Особенность работы предлагаемого узла сопряжения заключается в следующем.
1. Бентонитовый мат 8 предотвращает размыв грунта ядра 4 водой, движущейся непосредственно по талому контакту сопряжения грунтовой плотины 1 с сопрягающим устоем 3. При этом уменьшена сила примерзания материала грунтовой плотины 1 к поверхности сопрягающего устоя 3, уменьшена сила трения между ними, а также повышено качество прилегания грунта ядра 4 к сопрягающему устою 3.
2. Бентонитовый мат 8 предотвращает миграцию воды из грунтовой плотины 1 к поверхности геомембраны 13, за счет чего предотвращается временное образование на поверхности геомембраны 13 слоя льда.
3. Нетканый геотекстиль 10 пропускает воду, необходимую для образования в процессе гидратации и набухания из бентонита 11 бентонитового геля, но он не проницаем для бентонитового геля и имеет слабую водопроницаемость в своем продольном направлении. Тканый геотекстиль 9 способен пропитаться бентонитовым гелем и смазать им поверхность геомембраны 13, дополнительно уменьшая тем самым действие сил трения.
4. На поверхности геомембраны 13, теплоизолированной бетоном сопрягающего устоя 3, на длительное время устанавливаются отрицательные температуры обычно от -1 до -5°С. При таких температурах бентонитовый гель находится в пластичномерзлом состоянии с большим содержанием незамерзшей воды. Поэтому он частично сохраняет ползучесть при длительном действии нагрузки и за счет релаксации напряжений в существенной мере уменьшает силы примерзания и трения грунта плотины 1 и сопрягающего устоя 3.
5. В эксплуатационный период движущаяся по неплотному контакту грунтовой плотины 1 и сопрягающего устоя 3 вода перехватывается собирательным каналом 15, подогревается в холодный период года греющим кабелем 20 и посредством отводящей трубы 21 и колодца 22 выводится за пределы грунтовой плотины.
Периодически при закрытом запорном устройстве 24 замеряют интенсивность поступления воды в колодец 22, т.е. определяют расход воды, движущейся непосредственно по контакту сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением. После чего при необходимости осуществляют мероприятие по уменьшению расхода воды, например, путем обработки виброштангой грунта ядра 4, прилегающего к сопрягающему устою 3 и находящегося в конце теплого периода года в талом состоянии.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2007511, кл. Е02В 7/06, опубл. 15.02.1994.
2. Авторское свидетельство СССР №1521811, кл. Е02В 7/06, опубл. 15.11.1989.
3. Патент Российской Федерации №2373330, кл. Е02В 7/06, опубл. 20.11.2009.
4. Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов. - М.: Высшая школа, 1973.