ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЙ КАНАЛ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ СКЛОНА
HYDROTECHNICAL CHANNEL UNDER CONDITIONS OF PERMAFROST SOILS OF SLOPE

Изобретение относится к гидротехнике, а точнее к строительству каналов на многолетнемерзлых грунтах склона, имеющих жильные льды у поверхности склона и периодически встречающиеся незаполненные льдом глубинные трещины, в частности, при создании канала в обход накопителя промышленных отходов.
Известен гидротехнический канал в условиях многолетнемерзлых грунтов склона, отводящий воду поверхностного стока от защищаемого горного объекта и содержащий ложе, образованное дном и откосами бортов канала, заглубленного в многолетнемерзлые грунты склона, и мерзлотную завесу, выполненную из ледогрунта в низовом, по отношению к склону, борту канала. Посредством верхового и низового сооружения канал сопряжен с водотоком [1, 2].
Недостатки известного канала заключаются в следующем.
1. В криолитозоне в период похолодания в процессе одностороннего промерзания грунтов сверху, происходящего в условиях постоянного проникновения в морозобойные трещины и поры грунта воды атмосферных осадков, ниже границы сезонного оттаивания грунтов в пределах коры выветривания практически повсеместно образовалась водонепроницаемая ледогрунтовая мерзлая корка (плащ). Под этой мерзлой коркой до настоящего времени сохранились отдельные пустотелые трещины напряжений, по которым в предыдущие периоды промерзания под действием уклонов каждый раз из-под аналогичных мерзлых корок вода вытекала в ближайшие места разгрузки [3].
При выполнении канала цельность мерзлой корки часто местами нарушается, что приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из канала и, соответственно, аномально быстрому протаиванию многолетнемерзлых грунтов. Это приводит к недопустимым деформациям канала, а фильтрующая из канала вода в недопустимом объеме, часто в виде прорыва, втекает в защищаемый горный объект: хвостохранилище Надеждинского металлургического завода в Норильске [1], хвостохранилище №8 в п. Айхал в Якутии и другие.
2. Наледь, образующаяся при осенне-зимнем промерзании на склоне слоя сезонного протаивания, заполняет канал со стороны его верхового борта, что препятствует промерзанию грунтов, образующих канал, и усложняет пропуск по каналу вод весенних паводков.
Указанные недостатки известного канала обуславливают его недостаточную надежность при эксплуатации. При этом экранирование ложа канала, например, полимерным рулонным материалом связано с высокими затратами на выполнение экрана с клапанами и противоналедного устройства.
В случае выполнения канала в насыпи [4] увеличиваются объемы земляных работ, следовательно, и затраты. Надежность такого канала также может оказаться недостаточной из-за теплового воздействия воды на дно и борта канала. При этом поток воды препятствует интенсивному промерзанию образующих канал грунтов в первую половину холодного периода года, когда грунты еще не покрыты толстым слоем снега.
Задачей, на решение которой направлен заявляемый гидротехнический канал, является повышение надежности канала. Технический же результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что в холодный (осенне-зимний) период года уменьшается тепловое воздействие потока воды на дно и борта канала и предотвращается образование наледи в канале.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в гидротехническом канале в условиях многолетнемерзлых грунтов склона, содержащем ложе, образованное дном канала и откосами его бортов, мерзлотную завесу, выполненную из ледогрунта в низовом, по отношению к склону, борту канала, при этом канал посредством верхового и низового сооружения сопряжен с водотоком, согласно изобретению канал снабжен двумя трубами, расположенными вдоль канала у его дна и закрытыми грунтом. Одна труба, из этих двух, покрыта теплоизолирующим материалом, в пределах верхового сооружения снабжена водоприемным раструбом и обеспечивает пропуск воды водотока, по меньшей мере, в объеме начала холодного периода года. Другая труба снабжена перфорацией, заключена в фильтрующий материал, гидравлически сообщена с сезоннопротаивающим слоем склона и обеспечивает в холодный период года отвод из сезоннопротаивающего слоя воды, способной образовать в канале наледь.
Дополнительно:
- верховое сооружение содержит водоподъемную плотину, перегораживающую водоток, и входной оголовок, снабженный водосливным порогом, при этом верховое сооружение направляет воду из водотока в канал и в водоприемный раструб трубы, а водоподъемная плотина и входной оголовок, каждый посредством мерзлотных завес, создаваемых сезоннодействующими охлаждающими устройствами, водонепроницаемо сопряжен с многолетнемерзлыми грунтами;
- в случае заглубления канала в многолетнемерзлые грунты склона первая труба примыкает к низовому борту канала, а вторая - к верховому;
- в случае выполнения ложа канала над сезоннопротаивающим слоем склона обе трубы расположены рядом и примыкают к низовому борту канала;
- мерзлотная завеса входного оголовка создана посредством сезоннодействующего охлаждающего устройства (СОУ) с изогнутыми охлаждающими трубами.
Именно пропуск воды водотока по теплоизолированной трубе обеспечивает уменьшение теплового воздействия потока воды на грунты ложа канала в наиболее важный начальный период их промерзания, когда грунты еще не покрыты толстым слоем снега. Одновременно с этим отвод перфорированной трубой из сезоннопротаивающего слоя склона воды предотвращает образование в канале наледи, препятствующей промерзанию грунтов ложа канала и усложняющей пропуск по каналу весеннего паводка. Все это обеспечивает решение поставленной задачи и получение ранее указанного технического результата.
Авторам не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, идентичную заявленной, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «новизна». Приведенные сведения, по мнению авторов, также подтверждают соответствие заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг.1 изображен гидротехнический канал, выполненный в обход хвостохранилища в условиях многолетнемерзлых грунтов склона, схематичный план;
- на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, поперечный разрез канала, пример 1;
- на фиг.3 - узел I на фиг.1, план верхового сооружения;
- на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3, разрез по входному оголовку вдоль потока;
- на фиг.5 - разрез С-С на фиг.3, разрез по входному оголовку поперек потока;
- на фиг.6 - разрез А-А на фиг.1, поперечный разрез канала, пример 2.
Пример 1 (фиг.1-5)
Канал 1 (далее: канал) представляет собой искусственное русло сезоннодействующего водотока 2, проложенного в обход функционирующего или выведенного из эксплуатации «типового» наливного балочно-овражного хвостохранилища (шламохранилища) 3, грунтовая емкость которого образована русловой плотиной 4 и водоподъемной плотиной 5, создающей к тому же регулирующую емкость 6 на водотоке 2. От поверхностного стока хвостохранилище 3 защищено со стороны левобережного склона 7 нагорной канавой 8, а со стороны правобережного склона 9 - непосредственно каналом. Канал сопряжен с водотоком 2 посредством верхового сооружения 10, включающего водоподъемную плотину 5, и низового сооружения, выполненного в виде быстротока 11.
Канал заглублен в многолетнемерзлые грунты склона 9, выполнен в полунасыпи-полувыемке и в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму. Канал включает выработку 12, создающую дно 13 канала и его верховой, по отношению к склону 9, борт 14 с верховым откосом 15 канала, а также насыпь 16, создающую низовой борт 17 с низовым откосом 18 канала. Низовой борт 17 насыпи 16 проморожен и он образует собой ледогрунтовую мерзлотную завесу 19, сопряженную с многолетнемерзлыми грунтами правобережного склона 9. Дно 13, верховой откос 15 и низовой откос 18 - все покрыто защитным слоем 20, выполненным из несвязного фильтрующего грунта заданного зернового состава, например гравелистого песка, и образующим собой ложе канала. Кроме этого канал снабжен двумя трубами 21 и 22, расположенными вдоль канала у его дна 13 и закрытыми грунтом, аналогичным грунту защитного слоя 20. Труба 21 примыкает к низовому борту 17, покрыта теплоизоляционным слоем 23, выполненным, например, их пенополистирола, в пределах верхового сооружения 10 снабжена водоприемным раструбом 24 и обеспечивает пропуск воды водотока, по меньшей мере, в объеме начала холодного периода года - период устойчивых отрицательных температур наружного воздуха. Труба 22 примыкает к верховому борту 14, снабжена перфорацией, заключена в фильтр 25, посредством защитного слоя 20 гидравлически сообщена с сезоннопротаивающим слоем 26 склона 9 и обеспечивает в холодный период года отвод из сезоннопротаивающего слоя 26 воды, способной образовать в канале наледь.
Верховое сооружение 10 содержит водоподъемную плотину 5, выполненную из грунтовых материалов и перегораживающую водоток 2, и входной оголовок 27, выполненный из бетона и снабженный водосливным порогом 28. Водоподъемная плотина 5 и входной оголовок 27 каждый посредством мерзлотной завесы 29, создаваемой сезоннодействующими охлаждающими устройствами (СОУ) 30 и 31, водонепроницаемо сопряжены с многолетнемерзлыми грунтами. СОУ 30 содержат вертикальные охлаждающие трубы [5], а СОУ 31 - изогнутые охлаждающие трубы [6].
На чертежах дополнительные позиции обозначают:
32 - увлажнительная канава;
33 - мерзлая корка (плащ);
34 - максимальный уровень воды;
35 - смотровой колодец;
36 - смотровой патрубок;
37 - зуб входного оголовка;
38 - стрелка, указывающая направление движения воды в сезоннопротаивающем слое;
39 - геомембрана (полимерная пленка);
40 - плиты крепления.
Особенностью создания канала является то, что, во-первых, низовой борт 17 промораживают преимущественно путем непосредственного воздействия на него холодного атмосферного воздуха при одновременном увлажнении этого борта 17, например, посредством увлажнительной канавы 32, во-вторых, канал в готовом виде выдерживают, по меньшей мере, один холодный период года. Последнее условие необходимо как для глубокого промерзания низового борта 17, так и для восстановления мерзлой корки 33, водонепроницаемость которой могла быть нарушена выработкой 12.
Выработка 12 изменяет напряженное состояние горных пород главным образом за счет того, что верхний слой горных пород, вскрытый выработкой 12 и образующий собой дно 13 канала, впервые подвергается годовым температурным колебаниям, которые многократно превышают его прежние бытовые температурные колебания за всю его историю. В результате этого в холодный период года под воздействием температурных напряжений в породах раскрываются существующие трещины и образуются новые трещины. Обычно образование таких трещин происходит в пределах мерзлой корки 33, что в холодный период года перед началом эксплуатации канала не является опасным, поскольку водонепроницаемость мерзлой корки быстро восстанавливается.
Механизм восстановления водонепроницаемости мерзлой корки 33 в холодный период года перед первым летним периодом эксплуатации канала заключается в том, что вода из сезоннопротаивающего слоя 26 по защитному слою 20 без напора входит в пустотелую трещину, где вода в соответствии с балансом тепла замерзает и, тем самым, навсегда заполняет пустотелую трещину т.н. повторно-жильным льдом.
Канал работает следующим образом.
В теплый период года мерзлотная завеса 19 низового борта 17 и восстановленная в период выдерживания мерзлая корка 33 у дна 13 предотвращают фильтрацию воды из канала по всему периметру его живого сечения. Вода летней межени, подогретая в регулирующей емкости 6, поступает в водоприемный раструб 24 и движется только по теплоизолированной трубе 21, поэтому в канале отсутствует интенсивное движение этой воды по дну 13, что уменьшает интенсивность протаивания в канале мерзлого грунта. Вода, перелившаяся через водосливной порог 28 входного оголовка 27, движется непосредственно по каналу только в паводки, обычно кратковременно и не более 50-70 дней, что не является опасным.
В холодный период года вся вода из регулирующей емкости 6 движется только по теплоизолированной трубе 21, а вода 38 из сезоннопротаивающего слоя 26 правобережного склона 9, способная образовать в канале наледь, поступает в перфорированную трубу 22 и по быстротоку 11 сбрасывается в водоток 2 ниже русловой плотины 4. Этим предотвращается образование в канале наледи, которая способна в существенной мере препятствовать промерзанию грунтов, образующих канал и, следовательно, способна препятствовать восстановлению водонепроницаемости мерзлой корки 33 в канале, а также способна усложнить пропуск по каналу воды весеннего паводка.
Созданный таким образом канал является экономичным и надежным. В канале в полном объеме достигается ранее указанный технический результат.
Пример 2 (фиг.6)
Основное отличие канала от описанного в примере 1 заключается в том, что все ложе канала расположено над дневной поверхностью 41 склона 9, т.е. над сезоннопротаивающим слоем 26. В таком канале низовой борт образован насыпью 42, верховой борт канала образован частично или полностью дневной поверхностью 41 склона 9, а обе трубы 21 и 22 расположены рядом и примыкают к насыпи 42.
При выполнении канала не происходит нарушение цельности мерзлой корки 33, что повышает надежность канала при эксплуатации. Поэтому, несмотря на увеличение объема земляных работ при возведении насыпи 42, при благоприятных местных условиях создание такого канала может оказаться целесообразным.
При осуществлении заявленного изобретения выполняются условия «промышленной применимости». Средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при гидротехническом строительстве; подтверждена возможность осуществления изобретения с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов; средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.
Источники информации
1. 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.
2. Гидротехнические сооружения хвостохранилища НМЗ. Вторая очередь строительства. Система водоотводящих сооружений. Чертежи: №166-13-3, №166-13-15. Красноярск: Гидропроект, 1987.
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. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.
4. 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, 1996. С.227, рис.26.9, д.
5. Строительные нормы и правила. Плотины из грунтовых материалов (СНиП 2.06.05-84)/Госстрой СССР. - М: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. Черт.2.1.
6. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями / Воронежский инж. строит, ин-т. М.: Транспорт, 1989. П. 4.27, рис.18 и приложение 9.
Обозначения
1 - канал
2 - водоток
3 - хвостохранилище
4 - русловая плотина
5 - водоподъемная плотина
6 - регулирующая емкость
7 - левобережный склон
8 - нагорная канава
9 - правобережный склон
10 - верховое сооружение (сопрягающее)
11 - быстроток (низовое сооружение)
12 - выработка
13 - дно (канала)
14 - верховой борт (канала)
15 - верховой откос
16 - насыпь
17 - низовой борт (канала)
18 - низовой откос
19 - мерзлотная завеса (низовой борт)
20 - защитный слой
21 - труба (теплоизолированная)
22 - труба (перфорированная)
23 - теплоизоляционный слой
24 - водоприемный раструб
25 - фильтр
26 - сезоннопротаивающий слой
27 - входной оголовок
28 - водосливной порог
29 - мерзлотная завеса
30 - СОУ с вертикальными охлаждающими трубами
31 - СОУ с изогнутыми охлаждающими трубами
32 - увлажнительная канава
33 - мерзлая корка (плащ)
34 - максимальный уровень воды
35 - смотровой колодец
36 - смотровой патрубок
37 - зуб входного оголовка
38 - стрелка, указывающая движение воды в сезоннопротаивающем слое
39 - геомембрана (полимерная пленка)
40 - плиты крепления
Пример 2:
41 - дневная поверхность (склона)
42 - насыпь