РУСЛООТВОДНОЕ СООРУЖЕНИЕ СЕЗОННОДЕЙСТВУЮЩЕГО ВОДОТОКА НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
RIVERBED-DIVERSION STRUCTURE OF SEASONAL WATERWAY ON PERMAFROST

Изобретение относится к строительству, а именно к гидротехническим сооружениям, осуществляющим отвод сезоннодействующего водотока от защищаемого горного объекта в районах распространения вечной мерзлоты и сильной снегозаносимости.
Освоение обводненных месторождений связано с комплексом работ по их осушению, причем капитальные и эксплуатационные затраты на осушение достигают соответственно 20 и 15% от общей себестоимости сырья [1].
В районах распространения вечной мерзлоты при открытой разработке полезных ископаемых затраты на осушение могут быть малыми, а работы могут ограничиваться, главным образом, только отводом от горного объекта поверхностного стока. Однако, если месторождение в плане пересекает водоток сезонного действия, то выполняется затратное руслоотводное сооружение (то же: искусственное русло), преимущественно самотечное. Такое сооружение состоит из водоподъемной плотины и водовода, выполненного в виде гидротехнического канала [2, стр.210-230] или гидротехнического туннеля [2, стр.248-265]. Этот гидротехнический водопроводный туннель (далее: туннель) включает подводящий канал, входной оголовок, подземный участок, устраиваемый без удаления лежащей выше массы грунта, выходной оголовок и отводящий канал [2, стр.250, рис.28.2].
Недостатки такого руслоотводного сооружения на вечной мерзлоте заключаются в следующем.
1. Врезки в вечную мерзлоту, осуществляемые при выполнении руслоотводного сооружения, могут привести к нарушению верхнего водогазонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов (то же: плаща). Такой плащ образовался в начальный период последнего (позднеголоценового) похолодания при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в его морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков сверху и мигрирующей в зону промерзания воды снизу. Образование плаща происходило практически повсеместно ниже границы сезонного оттаивания грунтов в пределах коры выветривания, а проникновение воды в плащ происходило в дозированном естественным путем количестве. Одновременно с этим по наиболее крупным трещинам напряжений, образовавшихся в предыдущие периоды оледенения-потепления, под действием гидравлического уклона вода из-под плаща вытекала в ближайшие места разгрузки. Газы, скопившиеся местами под плащом, создавали давление, превышающее атмосферное, что ускоряло вытекание воды из таких «ручейковых» (то же: русловых) трещин в места разгрузки. В результате этого по мере дальнейшего опускания нижней границы многолетнемерзлых грунтов под плащом часть глубинных трещин оказалась свободной ото льда - пустотелые трещины [3].
Особо качественный такой плащ образовался в условиях обилия влаги у подошвы таликов неглубоких водоемов.
Врезки в вечную мерзлоту, включая бурение скважин, местами нарушают цельность плаща, что часто приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из водохранилища, наполненного канала или туннеля и соответственно аномально быстрому протаиванию мерзлых грунтов: Иреляхский гидроузел в Якутии [4], хвостохранилище Надеждинского металлургического завода в Норильске [5], хвостохранилище №8, п.Айхал в Якутии и другие.
Более того, например, при разработке глубокого карьера изменяется напряженное состояние пород в бортах, что обуславливает раскрытие в породах существующих трещин и образование новых. Этому способствуют природные и техногенные сотрясения.
О степени проницаемости мерзлых пород под плащом можно судить, например, по исследованию, которое было проведено на Вилюйской ГЭС-3, где воздух с дымом закачивали в изыскательскую штольню, выполненную в борту реки (тот же борт карьера). При этом дым выходил через пустотелые скважины на расстоянии от 90 до 160 метров от источника задымления [6].
Первоначальное проникновение воды из обводненной врезки в карьер может произойти только по одной самой крупной трещине. Этому будет способствовать возможная минерализация воды в трещине, что понизит температуру замерзания воды. В дальнейшем с неизбежностью пойдет интенсивное и неуправляемое растепление (размораживание) вечной мерзлоты.
2. Водоподъемная плотина перегораживает как наземную русловую часть водотока, так и его поземную таликовую часть. После наступления отрицательных температур воздуха (холодный период года), в период между прекращением поверхностного стока со склонов и полным промораживанием слоя сезонного оттаивания и руслового талика, низкотемпературная грунтовая вода может проникнуть в водовод (канал и/или туннель) и образовать в нем наледь. Эта наледь, особенно в условиях сильной снегозаносимости местности, усложняет пропуск по водоводу весенних паводков и, как крайний случай, может сделать пропуск паводков невозможным.
3. В случае работы туннеля (точнее: его подземного участка) в напорном режиме руслоотводное сооружение дополнительно имеет следующие недостатки:
- из условия работы предпочтительной формой туннеля является круглая или, по меньшей мере, овальная, что в производственном отношении менее удобно;
- предпочтительно безотрывное обтекание потока на всем протяжении туннеля, что при частом изменении расхода трудно осуществимо, особенно в многокилометровом туннеле, так как требуется искусственный перевод туннеля в напорный режим (сегментный затвор на выходном оголовке);
- работа туннеля в напорном режиме увеличивает нагрузку на обделку и неизбежно связана со значительным подъемом уровня воды перед входным оголовком и образованием водохранилища, что может привести к растеплению большого объема многолетнемерзлого грунта между руслоотводным сооружением и защищаемым горным объектом, что создаст проблему, которую будут трудно устранить даже при высоких затратах.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности работы руслоотводного сооружения. Достигаемый при этом технический результат заключается в предотвращении растепления вечной мерзлоты между руслоотводным сооружением и защищаемым горным объектом, в предотвращении образования наледи в туннеле и в освобождении входного оголовка туннеля от наледи и снега естественным путем.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что руслоотводное сооружение сезоннодействующего водотока на вечной мерзлоте содержит плотину, перегораживающую русло и талик водотока, туннель, выполненный в обход защищаемого горного объекта, имеющего подошву ниже дна русла, и малорасходный водовод. Этот малорасходный водовод обеспечивает в холодное время года в обход горного объекта пропуск грунтовых вод руслового талика, способных в пределах сооружения образовать наледь. Плотина снабжена противофильтрационным устройством, сопряженным с вечной мерзлотой. В туннеле дно подводящего канала и низовая плита входного оголовка расположены на уровне или ниже сопрягающегося с ними дна русла, высота полости и величина продольного уклона дна постоянно обеспечивают безнапорный режим потока воды на подземном участке туннеля, снабженном обделкой, дно и стенки которой образуют водонепроницаемой лоток, а выходной оголовок посредством отводящего канала сопряжен с водотоком. Малорасходный водовод содержит водоприемник, расположенный в фильтрующем водосборнике, а проточная полость малорасходного водовода теплоизолирована. Подводящий канал туннеля в пределах вечной мерзлоты снабжен противофильтрационным покрытием, которое непосредственно у границы руслового талика водонепроницаемо сопряжено с вечной мерзлотой.
Дополнительно:
- противофильтрационное устройство плотины выполнено в виде ледогрунтовой стенки, образованной замораживающими колонками;
- входной оголовок туннеля выполнен коридорного типа и образует собой продолжение лотка обделки подземного участка туннеля, при этом верх боковых стенок коридора расположен на незатопляемом в теплое время года уровне;
- малорасходный водовод расположен в туннеле и самотечным путем отводит грунтовую воду из руслового талика в полость подземного участка туннеля или в выходной оголовок туннеля;
- водоприемник малорасходного водовода выполнен в виде трубы, перфорированной продольными щелями;
- фильтрующий водосборник малорасходного водовода выполнен из крупнообломочного грунта и является частью присыпки к плотине;
- входной оголовок снабжен противоналедным порогом, гребень которого расположен выше водоприемника малорасходного водовода;
- малорасходный водовод по длине частично или полностью выполнен из полиэтиленовых труб;
- отводящий канал туннеля в пределах вечной мерзлоты снабжен противофильтрационным покрытием, которое непосредственно у границы руслового талика водонепроницаемо сопряжено с вечной мерзлотой.
- сопряжение противофильтрационного покрытия подводящего канала и противофильтрационного покрытия отводящего канала с вечной мерзлотой у границы руслового талика осуществлено посредством зуба из глинистого грунта, промороженного при его выполнении;
- по меньшей мере, часть коридора, непосредственно примыкающая к подземному участку туннеля, снабжена водопроницаемым перекрытием, на котором расположена фильтрующая призма из крупнообломочного грунта и которое гидравлически сообщает поровое пространство фильтрующей призмы с полостью подземного участка туннеля;
- водопроницаемое перекрытие снабжено снегозащитным козырьком.
Именно безнапорный режим работы туннеля позволяет осуществить забор воды из водотока посредством низконапорной земляной насыпной плотины практически без повышения уровня воды в водотоке, т.е. без создания водохранилища, а противофильтрационное покрытие затопляемых врезок позволяет эквивалентно восстановить водонепроницаемый плащ, поврежденный врезками (каналами). Это предотвращает фильтрацию воды под плащом по пустотелым трещинам, что предотвращает растепление вечной мерзлоты. Дополнительно выполнение по ранее указанным правилам малорасходного водовода и входного оголовка туннеля предотвращает образование наледи в туннеле, а при заполнении входного оголовка наледью и занесении его снегом, как крайний случай, обеспечивает освобождение входного оголовка от наледи и снега естественным путем в начале теплого периода года. Все это позволяет достигнуть ранее указанный технический результат.
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг.1 изображено руслоотводное сооружение, схематичный план;
- на фиг.2 - узел I на фиг.1, план;
- на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2;
- на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2;
- на фиг.5 - разрез С-С на фиг.4;
- на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.4;
- на фиг 7 - конструкция сопряжения противофильтрационного покрытия подводящего канала с вечной мерзлотой, разрез по продольной оси подводящего канала.
Сооружение на вечной мерзлоте 1 осуществляет отвод сезоннодействующего водотока 2, пересекающего в плане месторождение полезного ископаемого, намеченного к добыче открытым способом путем разработки глубокого карьера 3 (то же: горный объект). Сооружение содержит плотину 4, перегораживающую русло 5 и русловой талик (временный или постоянный) 6 водотока 2 (фиг.3), водопроводный туннель (то же: туннель) 7, выполненный в обход защищаемого карьера 3, имеющего подошву 8 ниже дна 9 русла 5, и малорасходный водовод 10. Этот водовод 10 обеспечивает в холодное время года в обход горного объекта пропуск грунтовых вод руслового талика, способных в пределах сооружения образовать наледь (фиг.2).
m
m
Плотина 4 снабжена противофильтрационным устройством, которое выполнено в виде ледогрунтовой стенки 11, образованной замораживающими колонками (термосифонами) 12 и сопряженной с вечной мерзлотой 1 (фиг.3). Дно 13 подводящего канала 14, низовая плита 15 входного оголовка 16 туннеля 7 расположена на уровне или ниже сопрягающегося с туннелем 7 дна 9 русла 5 (фиг.4). Высота h полости 17 и величина продольного уклона дна i на подземном участке 18 туннеля 7 постоянно обеспечивают безнапорный режим потока воды на подземном участке 18 туннеля 7. На этом участке 18 туннель 7 снабжен несущей и/или облицовочной обделкой 19, дно 20 и стенки 21 которой образуют водонепроницаемой лоток 22 (фиг.6). Выходной оголовок 23 посредством отводящего канала 24 сопряжен с водотоком 2.
Малорасходный водовод 10 содержит водоприемник 25, который выполнен в виде трубы, перфорированной продольными щелями 26 (фиг.3). Водоприемник 25 расположен в водосборнике 27, который выполнен из фильтрующего (крупнообломочного) грунта в виде нижней части присыпки 28 к плотине 4 (фиг.2). Эта присыпка 28 образует перед плотиной незатопляемую площадку 29 и теплоизолирует водоприемник 25. Малорасходный водовод 10 расположен в туннеле 7 и путем самотека отводит грунтовую воду из руслового талика 6 в полость 17 подземного участка 18 туннеля 7 в заданное место или в выходной оголовок 23 туннеля 7. Проточная полость 30 малорасходного водовода 10 теплоизолирована, прежде всего тем, что этот водовод 10 частично или полностью выполнен из полиэтиленовых труб и укрыт грунтовым материалом присыпки 28.
Подводящий канал 14 туннеля 7 в пределах вечной мерзлоты 1 снабжен противофильтрационным покрытием. Это покрытие выполнено, например, в виде заключенной в геотекстиль полимерной пленки (то же: мембрана) 31, уложенной на выполненный из глинистого грунта подстилающий слой 32, и накрыто защищенными плитами 33. Такое покрытие посредством противофильтрационного зуба 34 непосредственно у границы руслового талика 6 водонепроницаемо сопряжено с вечной мерзлотой 1, точнее с естественным водонепроницаемым плащом 44 (фиг.7).
Входной оголовок 16 туннеля 7 выполнен коридорного типа, при этом его коридор 35 является продолжением лотка 22 обделки 19 подземного участка 18 туннеля 7, а верх его боковых стенок 36 расположен на незатопляемом в теплое время года уровне (фиг.4).
Входной оголовок 16 снабжен противоналедным порогом 37, гребень которого расположен выше водоприемника 25 малорасходного водовода 10. Место выпуска воды из малорасходного водовода 10 и конструктивное выполнение теплоизоляции его проточной полости 30 устанавливается проектом на основании теплотехнического расчета, а конструкция крепления малорасходного водовода 10 в туннеле 7 - на основании исследования.
Часть коридора 35, непосредственно примыкающая к подземному участку туннеля 18, снабжена водопроницаемым перекрытием 38, на котором расположена фильтрующая призма 39 из крупнообломочного грунта и которое гидравлически сообщает поровое пространство фильтрующей призмы 39 с полостью 17 подземного участка 18 туннеля 7 (фиг.4 и 5).
Необходимость снабжения отводящего канала 24 в пределах вечной мерзлоты 1 противофильтрационным покрытием и его водонепроницаемого сопряжения с вечной мерзлотой 1 непосредственно у границы руслового талика 6 устанавливается проектом в зависимости от местных условий.
Малорасходный водовод 10 при благоприятных условиях может быть проложен в обход горного объекта по поверхности местности, а подача по нему грунтовой воды из руслового талика 6 может быть осуществлена насосами.
На чертежах обозначены и другие элементы сооружения и среды, а именно:
40 - свободная поверхность потока (в коридоре);
41 - максимальный уровень потока в подводящем канале (то же: перед плотиной);
42 - максимальный уровень потока на подземном участке туннеля;
43 - таломерзлый слой (слой сезонного оттаивания-замерзания);
44 - водонепроницаемый плащ;
45 - поверочный уровень наледи и снега;
46 - снегозащитный козырек;
m
h - высота полости туннеля;
o
h - нормальная глубина в туннеле;
m
i - продольный уклон дна в туннеле;
в
i- продольный уклон русла водотока.
Особенностью создания такого руслоотводного сооружения является то, что на момент начала эксплуатации к первому теплому периоду года должны быть возведены все три основных технологических узла сооружения: плотина 4, туннель 7 и противоналедные средства (малорасходный водовод 10 и фильтрующая призма 39). При этом оценка эффективности противоналедных средств и уточнение их конструкции осуществляют при эксплуатации сооружения, а разработку карьера 3 в пределах осушенного участка русла 5 водотока 2 производят после первого года эксплуатации сооружения и создания в плотине 4 ледогрунтовой стенки 11.
Сооружение работает следующим образом.
o
m
m
m
В теплый период года плотина 4 без существенного подъема уровня воды, т.е. без создания водохранилища, направляет поверхностный и грунтовый сток водотока 2 в туннель 7. Во входном оголовке 16, в пределах его коридора 35, происходит интенсивное понижение свободной поверхности 40 потока. Эта поверхность 40 понижается от максимального уровня 41, установившегося в подводящем канале 14 при максимальном расходе, до максимального уровня 42, установившегося на подземном участке 18 туннеля 7 с нормальной глубиной h<h, где h - высота полости 17 туннеля 7. Это обстоятельство обеспечивает возможность выполнить полость 17 туннеля 7 с постоянной высотой h. Одновременно с этим грунтовый сток осуществляется по малорасходному водоводу 10.
В холодный период года поверхностный сток прекращается. Грунтовый же сток посредством теплоизолированного малорасходного водовода 10 выводится из руслового талика 6 и концентрированно направляется в полость 17 подземного участка 18 туннеля 7. При этом противоналедный порог 37 обеспечивает самотечный режим в малорасходном водоводе 10 и предотвращает проникновение грунтовой воды во входной оголовок 16, следовательно, предотвращает образование в нем наледи. Одновременно с этим противофильтрационный зуб 34 (фиг.7) предотвращает весьма опасное проникновение грунтовой воды со стороны руслового талика 6 в таломерзлый слой (слой сезонного оттаивания-замерзания) 43, который может образоваться в вечной мерзлоте ниже удаленного в подводящем канале 14 водонепроницаемого плаща 44 в теплое время года.
Входной оголовок 16, как крайний случай, может забиться наледью и снегом до поверочного уровня 45, а уровень воды перед верховым оголовком 16 с наступлением теплого периода года временно может подняться выше водопроницаемого перекрытия 38. В этом случае вода по фильтрующей призме 39 через перекрытие 38 поступит в полость 17 подземного участка 18 туннеля 7 и раскроет входной оголовок 16. Указанное обстоятельство следует учитывать при назначении отметки гребня плотины 4.
В примере описан наиболее простой и предпочтительный вариант водоотводного сооружения, создающего искусственное русло в условиях вечной мерзлоты для отвода водотока от горного объекта.
В настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от его объема, например:
- малорасходная труба 10 может быть помещена в закрытый лоток, который выполняется в основании туннеля 7;
- малорасходная труба 10 может быть коаксиально помещена в дополнительную трубу большего диаметра с образованием кольцевого зазора, заполняемого теплоизоляционным материалом;
- водопроницаемое перекрытие 38 может быть снабжено стационарным или съемным снегозащитным козырьком 46 (козырек на фиг.4 и 5 показан пунктиром), а поровое пространство фильтрующей призмы 39 может быть гидравлически сообщено с полостью 17 туннеля 7 коротким водоводом (не показан);
- грунтовая вода в холодный период года может аккумулироваться в водосборном колодце и насосами, при необходимости с подогревом, подаваться в малорасходный водовод 10, конструкция и режим работы которой уточняется в первый же год эксплуатации.
Дополнительно противофильтрационное покрытие врезки в канале 14 и 24 может быть выполнено без полимерной пленки 31, т.е. может состоять из геотекстильного слоя и выполненного из глинистого грунта подстилающего слоя 32. Такое покрытие обеспечивает проникновение под него воды в весьма ограниченном количестве. Эта вода в виде капель проникает в возможные пустотелые трещины и под действием отрицательных температур вечной мерзлоты 1 превращается в лед и восстанавливает, таким образом, водонепроницаемость плаща 44.
Предложенное руслоотводное сооружение в виде туннеля может быть осуществлено, например, при разработке одного из крупнейшего в России Нежданинского золоторудного месторождения (Якутия).
m
p
m
p
В горной местности обычно выполняться условие: i<i, где i - продольный уклон туннеля; i, - продольный уклон русла водотока.
Исходя из этого условия и принимая режим потока в туннеле безнапорный, а водонепроницаемый лоток туннеля из бетона, рекомендуется следующая последовательность проектирования туннеля:
осн
пов;
- исходя из гидрологических данных и назначенного класса капитальности туннеля определяются расходы воды основного Q и поверочного Q;
доп
nom
осн
доп
- с учетом в потоке наносов назначается допустимая средняя скорость потока ν и определяется площадь поперечного сечения потока w=Q /ν;
m
m
o
осн
пов;
- исходя из анализа возможного горного давления принимается профиль туннеля, включая ширину b, и высоту h полости после выполнения обделки, а также нормальную глубину потока h при Q и Q;
осн
m
доп
o
- при Q гидравлическими расчетами определяется продольный уклон туннеля i, при котором обеспечивается вышеуказанный режим потока в туннеле: скорость потока ν и его глубина h;
осн
пов
- принимается конструкция оголовков и каналов туннеля, после чего определяется высотное положение свободной поверхности потока по всей длине туннеля при Q и Q.
осн
доп
m
m
o
m
3
2
Пример: Q=150 м/с; ν=10 м/с; скальная порода прочная, горное давление незначительное, а боковое давление отсутствует (f>8). Принимаем поперечное сечение туннеля прямоугольное с пологим сводом и размерами полости после выполнения обделки: ширину в=4,5 м и высоту h=5,5. Таким размерам полости соответствует глубина потока h=3,5 м. Далее следует продолжить гидравлический расчет туннеля, т.е. определить продольный уклон туннеля i и положение свободной поверхности потока.
Использованные источники
1. Цыгельнюк Е.Ю., Рыжков А.Н., Кравцов А.В. Испытание тампонажной смеси ЛП на Коашвинском карьере Восточного рудника ОАО «Апатит» // Горный журнал. 2006. №1.
2. Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч.2 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивцев и др.; Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1999.
3. Ягин В.П., Вайкум В.А. Опорная гидрогеологическая схема-гипотеза многолетней мерзлоты с учетом истории геокриологического развития территории и применительно гидротехнического строительства. Интеллектуальный продукт. 2007. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.
4. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоатомиздат, 1983. С.144-148.
5. Ягин В.П., Вайкум В.А., Поваренкин В.А., Давыдов И.А., Нейланд Н.Н. К вопросу размещения твердых водосодержащих отходов ТЭЦ и других производств // Гидротехническое строительство. 1998. №6.
6. Фрункин В.Н., Шерман М.М. О строительстве Вилюйской ГЭС-3 на многолетнемерзлом полускальном основании. // Гидротехническое строительство. 2003. №12.
Обозначения
1 - вечная мерзлота
2 - водоток
3 - карьер
4 - плотина
5 - русло (водотока)
6 - русловой талик (временный или постоянный)
7 - водопроводный туннель (то же: туннель)
8 - подошва (карьера)
9 - дно (русла)
10 - малорасходный водовод (далее: водовод 10)
11 - ледогрунтовая стенка
12 - замораживающие колонки (термосифоны)
13 - дно (подводящего канала)
14 - подводящий канал
15 - низовая плита (входного оголовка)
16 - входной оголовок (туннеля)
17 - полость (туннеля)
18 - подземный участок (туннеля)
19 - обделка туннеля (несущая и/или облицовочная)
20 - дно (обделки, то же туннеля)
21 - стенки (обделки)
22 - лоток (обделки)
23 - выходной оголовок
24 - отводящий канал
25 - водоприемник (противоналедного водовода)
26 - продольные щели
27 - водосборник (противоналедного водовода)
28 - присыпка (к плотине)
29 - площадка
30 - проточная полость (противоналедного водовода)
31 - полимерная пленка
32 - подстилающий слой
33 - защитные плиты
34 - противофильтрационный зуб
35 - коридор (входного оголовка)
36 - боковые стенки (коридора)
37 - противоналедный порог
38 - водопроницаемое перекрытие
39 - фильтрующая призма
40 - свободная поверхность потока (в коридоре)
41 - максимальный уровень потока в подводящем канале (то же: вперед плотиной)
42 - максимальный уровень потока на подземном участке туннеля
43 -таломерзлый слой (слой сезонного оттаивания-замерзания)
44 - водонепроницаемый плащ;
45 - поверочный уровень наледи и снега;
46 - снегозащитный козырек;
m
h - высота полости туннеля
o
h - нормальная глубина в туннеле
m
i - продольный уклон дна в туннеле
в
i - продольный уклон русла водотока