Грунтовая плотина с замком
EARTH DAM WITH LOCK

Грунтовая плотина с замком относится к области водохозяйственного строительства, а именно к водоподпорным сооружениям, и может быть применена при создании грунтовых плотин на сильнопроницаемых основаниях ограниченной мощности.
Известна грунтовая плотина с замком Pleasant Valley,  высотой 19 м (США) [Ничипорович А.А.. Истомина В.С. Проектирование и постройка укатанных земляных плотин. М.-Л.. ОНТИ. 1936], включающая малопроницаемую насыпь из глинистых грунтов в теле плотины, расположенном на сильнопроницаемом основании ограниченной мощности, подстилаемом водоупором (полускальной породой - песчаником), замок из грунта малопроницаемой насыпи, выполненный в виде перевернутой трапеции, сопрягающейся верхним основанием с подошвой малопроницаемой насыпи в теле плотины и нижним основанием (подошвой замка) с водоупором, а также уровни воды верхнего бьефа плотины с подпорным горизонтом и нижнего бьефа в зоне основания плотины.
Недостатком известной грунтовой плотины с замком является невысокая надежность ее работы, обусловленная тем, что в результате действующего на плотину напора, равного разности уровней воды верхнего и нижнего бьефов, в теле замка, в особенности в нижней его части, возникают повышенные значения средних и выходных градиентов напора, что привело к развитию фильтрационных деформаций и аварийному состоянию плотины.
Известна грунтовая плотина с замком [Cedergren H.R. Seepage, drainage and Flow Nets. New-York – London – Sydney – Toronto. 1977.  – 534 p., /p. 229, fig. 6.2 - с гидродинамической сеткой фильтрации], включающая массивное малопроницаемое ядро в теле плотины, расположенное на сильнопроницаемом основании ограниченной мощности,  подстилаемом водоупором,  замок из материала ядра, выполненный в виде перевернутой трапеции, сопрягающейся верхним основанием с ядром и  нижним основанием (подошвой замка) с водоупором, а также уровни воды верхнего бьефа плотины с подпорным горизонтом и нижнего бьефа в зоне основания плотины.
Недостатком известной грунтовой плотины является невысокая надежность ее работы, подтверждаемая данными экспериментальных исследований с построением гидродинамической сеткой фильтрации, обусловлена тем, что в результате действующего на плотину напора, равного разности уровней воды верхнего и нижнего бьефов:
в теле замка, в особенности в нижней его части, возникают повышенные значения средних градиентов напора, что  приводит к напряженному фильтрационному режиму в этой области и неравномерности обеспечения равной фильтрационной прочности грунтовой плотины по высоте;
в концевой части сопряжения подошвы замка с водоупором возникает зона возрастающих градиентов напора, теоретически стремящихся к бесконечности (а практически получающих повышенные значения) при выходе к низовой грани замка, что формирует с учетом большей водопроницаемости контактной зоны повышенные значения скоростей фильтрации, что создает угрозу фильтрационного прорыва замка по контакту подошвы замка;
по низовой грани замка формируется зона возрастающих выходных градиентов напора, теоретически стремящихся к бесконечности (а практически поучающих повышенные значения) в месте сопряжения с водоупором. что создает угрозу фильтрационного выпора грунта замка в поры сильнопроницаемого грунта  основания с развитием опасных суффозионных процессов.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является грунтовая плотина с замком [Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. Ч.1. Глухие плотины. М. Агропромиздат. 1985. – 318 с., /с. 111, рис. 2.99], включающая тело плотины из малопроницаемого глинистого грунта, расположенное на сильнопроницаемом основании (из гравия, песка) малой мощности (до 6-8 м), подстилаемом водоупором (скальными или полускальными породами, плотной глиной), замок из грунта тела плотины, выполненный в виде перевернутой трапеции, сопрягающейся верхним основанием с подошвой  плотины,  нижним основанием (подошвой замка) с водоупором и уложенной своей низовой гранью на откос выемки грунта сильнопроницаемого основания, а также уровни воды верхнего бьефа плотины с подпорным горизонтом и нижнего бьефа в зоне основания плотины.
Недостатком известной грунтовой плотины является невысокая надежность ее работы, обусловленная тем, что в результате действующего на плотину напора, равного разности уровней воды верхнего и нижнего бьефов:
в теле замка, в особенности в нижней его части, возникают повышенные значения средних градиентов напора (до 2-3 раз и более превышающие их значения в теле плотины), что  приводит к напряженному фильтрационному режиму в замке плотины и крайней неравномерности обеспечения равной надёжности фильтрационной прочности грунтовой плотины по высоте;
в концевой части сопряжения подошвы замка с водоупором возникает зона возрастающих градиентов напора, значения которых при выходе к низовой грани замка теоретически стремятся к бесконечности, а практически в 5-6 раз и более превышают значения средних градиентов напора в замке плотины. Указанное, с учетом большей водопроницаемости контактной зоны по сравнению с телом замка, формирует повышенные опасные значения скоростей фильтрации, что создает угрозу фильтрационного прорыва контактной зоны подошвы замка по низовой грани замка формируется зона возрастающих выходных градиентов напора, значения которых в месте сопряжения с водоупором теоретически стремятся к бесконечности, а практически в 5-6 раз и более превышают значения средних градиентов напора в замке плотины, что создает угрозу фильтрационного выпора грунта замка в поры сильнопроницаемого основания с развитием опасных  суффозионных процессов.
Как известно, указанные фильтрационно–суффозионные процессы явились одной из причин катастрофического разрушения  05.10. 1977 г.  грунтовой плотины Teton высотой 93 м (США) [Penman A. D. M. On the embankment dam // Geotechnique. V. 36. No. 3. P. 303-348, /p. 337-340, fig. 36], включающей массивное малопроницаемое ядро из глинистого материала в теле плотины, замок которого, выполненный из грунта тела плотины в виде перевернутой трапеции, сопрягающейся верхним основанием с подошвой плотины, пересекает водопроницаемый трещиноватый слой  основания и сопрягается с водоупором.
Таким образом, использование известной грунтовой плотины с замком по прототипу характеризуется невысокой надежностью работы, что может привести к аварийным ситуациям, а в ряде случаев, к разрушениям с катастрофическими последствиями.
Технический результат достигается тем, что в известной грунтовой плотине с замком, включающей тело плотины из малопроницаемого глинистого грунта, расположенное на сильнопроницаемом гравийно-песчаном основании мощностью до 6-8 м, подстилаемом водоупором в виде скальных или полускальных пород, замок из грунта тела плотины, выполненный в виде перевернутой трапеции, сопрягающейся верхним основанием с подошвой  плотины,  нижним основанием подошвы замка с водоупором и уложенной своей низовой гранью на откос выемки грунта сильнопроницаемого основания, а также уровни воды верхнего бьефа плотины с подпорным горизонтом и нижнего бьефа в зоне основания плотины, в теле замка устроена вертикальная непроницаемая диафрагма, герметично соединенная с водоупором в месте сопряжения последнего с низовой гранью замка.
На рисунках показаны поперечное сечение грунтовой плотины с замком (Фиг. 1) и фрагмент низовой части замка с вертикальной непроницаемой диафрагмой, герметично соединенной с водоупором в месте сопряжения последнего с низовой гранью замка (Фиг. 2), в которых тело плотины 1 из малопроницаемого глинистого грунта, расположено на сильнопроницаемом гравийно-песчаном основании 2 мощностью до 6-8 м, подстилаемом водоупором 3 в виде скальных или полускальных пород, замок 4 из грунта тела плотины, выполнен в виде перевернутой трапеции , сопрягающейся верхним основанием  с подошвой  плотины 1,  нижним основанием  подошвы замка 4 с водоупором 3 и уложен своей низовой гранью  5 на откос выемки грунта сильнопроницаемого основания 2, уровни воды верхнего бьефа 6 плотины с подпорным горизонтом и нижнего бьефа 7 в зоне основания 2 плотины, вертикальная непроницаемая диафрагма  8, герметично соединенная с водоупором 3 в месте сопряжения последнего с низовой гранью  5 замка 4 (в точке ).
Кроме этого на фиг. 2 приведены также: - эпюры действующих градиентов напора  в концевой части подошвы   замка 4 по прототипу (пунктирная линия  9)  и по заявленному изобретению (сплошная линия 10);  - эпюры выходных градиентов напора  в нижней части  низовой грани   5 замка 4 по прототипу (пунктирная линия 11)  и по заявленному изобретению (сплошная линия 12).
Как видно из рисунков, наличие в теле замка 4 вертикальной непроницаемой диафрагмы 8, герметично соединенной с водоупором 3 в месте сопряжения последнего с низовой гранью 5 замка 4, резко снижает значения действующих 9 и выходных градиентов 11 напора в месте сопряжения низовой грани 5 замка с водоупором 3 (в точке ), являющейся в прототипе «фокусом размыва». При этом, «бесконечные» значения действующих 9 и выходных градиентов 11 напора по прототипу в этой точке исчезают - переходят в «нулевые» значения 10, 12 по предлагаемому  изобретению.
Предлагаемая грунтовая плотина с замком работает следующим образом. В грунтовой плотине с замком 4, перекрывающим сильнопроницаемое гравийно-песчаное основание 2, формируется следующее начальное условие: в сильнопроницаемом гравийно-песчаном основании 2 с верховой стороны от замка 4 создается напор, равный напору верхнего бьефа 6, а с низовой стороны – напору нижнего бьефа 7. Разность между последними дает расчетный напор, действующий на плотину в целом и замок 4, в результате чего формируется фильтрационный поток, направленный из верхнего бьефа 6 в нижний 7. При этом, в связи с малой длиной линий токов в замке 4, в особенности в его нижней части, повышаются действующие значения средних градиентов напора (до 2-3 раз и более превышающие их значения в теле плотины), что приводит к напряженному фильтрационному режиму в замке 4 плотины и крайней неравномерности обеспечения равной надежности фильтрационной прочности грунтовой плотины по высоте. Кроме этого, в точке  возникает «фокус размыва» (как в выходной точке из тупого угла) с возрастающими (до 5-6 раз и более) значениями действующих 9 и выходных 11 градиентов напора, что может вызвать развитие опасных фильтрационно – суффозионных  процессов в замке 4 плотины.
Устройство же в теле замка вертикальной непроницаемой диафрагмы 8 (например: железобетонной, шпунтовой, полимерной и др.), герметично соединенной с водоупором 3 в месте сопряжения последнего с низовой гранью 5 замка 4, обеспечивает:
- снижение (до 2-3 раз) значений средних градиентов напора в нижней части замка 4 за счет удлинения длин линий токов в обход диафрагмы 8;
- исключение возможности контактного прорыва сосредоточенного фильтрационного потока по подошве замка 4 за счет герметичного соединения с водоупором 3 вертикальной непроницаемой диафрагмы 8 в месте сопряжения последнего с низовой гранью  5 замка 4;
- снижение действующих  градиентов напора 9 по подошве замка 4 вблизи точки , стремящихся к «бесконечности» вблизи точки ,  до «нулевых» значений 10;
- снижение выходных  градиентов напора 11 по низовой грани 5 замка 4, стремящихся к «бесконечности» вблизи точки ,  до «нулевых» значений 12 (как в выходной точке из острого угла) с предупреждением развития фильтрационных деформации в грунте замка 4 плотины.
Таким образом, предлагаемая грунтовая плотина с замком позволяет повысить надежность работы сооружения за счет технической возможности предотвращения возможности развития опасных фильтрационно–суффозионных процессов в замке плотины.
Техническим результатом от использования заявленной грунтовой плотины с замком является повышение надежности работы плотины с предотвращением возможности развития опасных фильтрационно–суффозионных процессов в замке плотины.