ПЛОТИНА ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
SOIL MATERIAL DAM

Изобретение относится к области гидротехнического строительства в суровых климатических условиях, и может быть использовано при строительстве плотин мерзлого типа.
Среди них наиболее экономичными в условиях сурового климата являются плотины из каменной наброски. Такие плотины используют местные строительные материалы, просты в технологии возведения, а также возможность круглогодичного производства работ.
Известна каменно-земляная плотина (плотина Колымской ГЭС), у которой низовая призма периодически промерзает, образуя льдогрунтовый массив, смыкающийся с многолетнемерзлым основанием и с ядром плотины. В таких условиях промороженная низовая зона переходных слоев не может отводить профильтровавшуюся воду, а сохранившиеся ее локальные талые участки работают в непредсказуемых экстремальных режимах, что может привести к нештатным ситуациям (Пехтин В.А. О безопасности плотин в северной строительно-климатической зоне /В.А. Пехтин // Гидротехническое строительство. - 2004, №10. С. 6).
Известна грунтовая плотина мерзлого типа с мерзлым противофильтрационным ядром из малофильтрующего связного грунта, упорной верховой и низовой призмой из каменной наброски, переходным слоем между ядром и упорными призмами и мерзлотной завесой. Платина снабжена дополнительно насыпью из малофильтрующих грунтов высотой не менее глубины сезонного протаивания грунта, отсыпанной вдоль подошвы низового откоса, с гребня которой установлены колонки мерзлотной завесы, и плащом из связного грунта, расположенным под низовой упорной призмой (Патент RU №2029016, Е02В 7/06 от 20.02.1995).
Недостатками данной конструкции являются то, что плотину предполагается использовать только в мерзлом состоянии, тогда как эксплуатация ее в талом состоянии при регулировании температурного режима предложенным способом невозможна. Кроме того, установка колонок мерзлотой завесы, достаточно дорогостоящая установка. При этом в ней не предусмотрено регулирование температурного режима самой плотины. Поэтому гарантировать сохранение ядра и переходной зоны со стороны низовой упорной призмы не представляется возможным. В результате отепляющего воздействия водохранилища и отсутствия ледогрунтовой завесы по оси ядра вполне возможно оттаивание как самого ядра, так и переходной зоны. В летний период (в период положительных температур атмосферного воздуха) в результате естественной конвекции воздуха в низовой упорной призме будет происходить ее прогревание с перемещением нулевой изотермы к ядру плотины.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой является плотина из грунтовых материалов на мерзлом основании с мерзлым противофильтрационным центральным ядром, верховой и низовой упорными призмами. Низовая призма имеет внутреннюю зону из каменной крупнозернистой наброски, покрытой грунтом из более мелких фракций, а гребень плотины и низовой откос покрыты водонепроницаемым глинистым слоем. Плотина оборудована трубами-выпусками по гребню и низовой берме, а также вентиляционной системой, по которым осуществляется естественная и принудительная конвенция воздуха в порах внутренней зоны низовой призмы из каменной наброски (Авторское свидетельство SU №1714030, Е02В 7/06 от 23.02.1992).
Недостаток плотины данной конструкции - невысокая надежность при эксплуатации. Во-первых, плотину предполагается использоваться только в мерзлом состоянии. Во-вторых, в низовую призму, имеющую внутреннюю зону из каменной наброски крупнозернистой наброски, возможно попадание присыпанного сверху грунта более мелких фракций. В результате снижается эффективность конвекционного охлаждения основания и противофильтрационного элемента плотины. В-третьих, высока вероятность забивания льдом горизонтальных труб-выпусков, которыми снабжена плотина, причем очистке они практически не поддаются.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности за счет увеличения общего доступа воздуха в область в воздухопроницаемой каменной наброски как талой, так и мерзлой грунтовой (каменно-земляной) плотины, обеспечивающей постоянный температурный режим в ядре и переходной зоне со стороны нижнего бьефа при эксплуатации ее в жестких температурных условиях северной строительно-климатической зоны.
Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения заключается в том, что плотина из грунтовых материалов как мерзлого, так и талого типов, возводимая на мерзлом основании, включающая противофильтрационное ядро из малофильтрующего связного грунта, верховую и низовую упорные призмы, выполненные из каменной наброски, переходные зоны между ядром и упорными призмами, воздухопроницаемую каменную наброску сообщают с атмосферой и осуществляют естественной и/или принудительной циркуляции воздуха снабжают трубами - выпусками, установленными на гребне плотины и в нее нижней части, в нижнюю зону откоса плотины воздухопроницаемой каменной наброски вводят вертикальные напорные трубы для подачи теплого сжатого воздуха и холодного сжатого воздуха и продолжение этих труб в воздухопроницаемой каменной наброски объединяют в один перфорированный трубопровод малого диаметра, по которому подводится сжатый воздух и помещают его в полость основного трубопровода большого диаметра, выполненного в виде кожуха с дырчатыми отверстиями, и выполненный в виде трубы с перфорацией на ее поверхности, при этом выполняют основной трубопровод из полиэтиленового материала и, создают зону сезонно-активной конвекции, при этом одну напорную трубу снабжают эжектором, активное сопло которого подсоединяют к камере, ориентированной выходным участком вдоль поступающего источника сжатого воздуха, подающего и нагретого компрессором, а вторая камера выполнена с диффузором, один конец которого соединяют с первой камерой, а второй - с начальной частью второй камеры, а концевая часть ее с перфорированным трубопроводом малого диаметра в сторону гребня плотины, причем к эжектору с первой камерой подсоединяют воздушную трубу к нагнетательному устройству в виде импеллера, холодный сжатый воздух, из сопла которого подается в воздушную трубу, обратные клапана устанавливают на конце трубы подачи теплого сжатого воздуха и на конце трубы подачи холодного сжатого воздуха.
Кроме того, в воздухопроницаемой каменной наброске расположен датчик давления воздуха.
При этом она снабжена автоматической системой управления для трубы-выпуска на гребне плотины.
\ Отличительными признаками являются:
- на нижней берме низовой призмы устанавливают с определенным шагом по длине плотины вертикальную напорную трубу для подачи теплого сжатого воздуха от компрессора и одновременно устанавливают воздушную трубу для подачи холодного сжатого воздуха от импеллера из сопла, которого подается воздух в трубу;
- нижний конец напорной трубы для теплого сжатого воздуха снабжают эжектором, активное сопло которого соединяют с первой камерой, к которой подсоединяют воздушную трубу холодного сжатого воздуха;
- вторая камера выполнена через диффузор, который соединяют с начальной частью второй камеры, а конец ее соединяют под углом с перфорированным трубопроводом малого диаметра, который затем помещают в полость основного трубопровода большого диаметра, выполненного в виде кожуха с дырчатыми отверстиями, т.е. в виде трубы с перфорацией на ее поверхности, при этом концы этих труб имеют заглушки;
- обратные клапана устанавливают на конце каждого перфорированного трубопровода, работающих поочередно в зависимости от сезонности работы плотины.
Предлагаемый способ сооружения позволяет каменно-земляной плотины мерзлого типа с регулированием температурного режима проводить закрепление перфорированных трубопроводов внутри воздухопроницаемой каменной наброски при отсутствии причин повреждений с учетом криогенных процессов в теле плотин, их основаниях и в районах примыкания, связанных с изменениями под влиянием гидроузлов условий теплообмена, температурного режима, физико-технических свойств мерзлых пород, приводящих к развитию термоксериста, термоэрозии, наледообразованиям.
Кроме того, повышенная надежность и гибкость самих трубопроводов из полиэтиленового материала, применяемых в современной технологии их изготовления в промышленности, позволяет делать широкий выбор таких гибких и прочных стенок по длине трубопроводов. Они могут изготавливаться в заводских мастерских по конвейеру для протяжки в специальных станках, а стеки их достаточны прочны. Это в свою очередь обеспечивает массовое изготовление таких перфорированных труб с наконечниками крепления соединений между собой при строительстве. Срок службы не менее 50 лет. Повышается производительность труда персонала на плотине. Это также в свою очередь расширяет возможность для гашения больших давлений воздуха, выходящего из отверстий основного трубопровода, с перфорацией ее поверхности, подаваемого от компрессора или импеллера с соплом в сезонном регулировании температурного режима, а сам процесс регулирования подачи сжатого воздуха за счет установки контроля датчика давления воздуха в воздухопроницаемой каменной наброске, позволяет создать контролируемую систему процессами подачи сжатого воздуха от компрессора или от импеллера. Кроме того, исключает субъективный фактор при определении объема воздуха, поступающего в каменную наброску по контуру плотины. Такая возможность не обеспечивается ни одним известным техническим решением.
Работа такого устройства при высоком давлении в одной из подводящей трубе автоматически закрывает один из обратных клапанов на них. При этом такое устройство в работе обратных клапанов в зоне эжектора позволяет управлять подачей под давлением сжатого воздуха (теплого или холодного) на участке подсоединения первой камеры, далее переход через диффузор во вторую камеру, подсоединенную расширенной своей частью под углом к перфорированному трубопроводу малого диаметра с заглушенным концом заглушкой. Следует отметить, что подводящие напорные трубы с обратными клапанами чрезвычайно просты по конструкции и надежны в эксплуатации.
Оригинальность и простота указанной плотины свидетельствует, что эксплуатация мерзлой плотины в условиях регулирования температурного режима ядро находится в гарантированно мерзлом состоянии.
Сопоставительный анализ заявленного технического решения и прототипа показывает, что в заявленной совокупности признаков часть существенных признаков является новой, следовательно, заявленное решение отличается от прототипа и соответствует критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 показана плотина из грунтовых материалов, поперечное сечение; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, сечение большого и малого трубопроводов; на фиг. 3 - узел 1 на фиг. 1 на фиг. 4 - вид спереди импеллера сверху (подключение к двигателю не показано для упрощения чертежа).
На всех фигурах направление движение воздуха показано стрелками.
Плотина из грунтовых материалов, возведенная на мерзлом основании 1, включает в себя мерзлый противофильтрационного элемент 2, верховую 3 и низовую 4 упорные призмы. Внутренняя зона 5 низовой призмы 4 отсыпана из крупнозернистой каменной наброски. Гребень и поверхность низового откоса покрыты водонепроницаемым слоем 6, например, из глинистых грунтов. На гребне плотины установлена с определенным шагом по дине плотины выпускная труба 7 для сообщения с атмосферой с регулятором 8 расхода воздуха, установленного на гребне плотины. При этом возможен вариант выполнения установки на выпускной трубе 7 вакуумного насоса 9 с автоматической системой 10 включения. Это разряжение приведет к автоматическому созданию усиления проточной конвекции в крупнозернистой каменной наброске зоне 5, т.е. возникновение эффекта аэродинамической трубы с повышенными скоростями движения воздуха в порах каменной наброски в нужный - теплый период года.
Укладку основного перфорированного трубопровода 11 большего диаметра, внутри которого размещают перфорированный трубопровод 12 малого диаметра, производят во время строительства воздухопроницаемой каменной наброски, которые отдельными звеньями укладывают из полиэтиленового материала, отверстия 13 и 14 которых размещены по наружному диаметру трубопроводов 11 и 12. При этом основной трубопровод 11 является своего рода защитным кожухом, в который помещена дополнительный перфорированный трубопровод 12 с перфорацией в виде отверстий 14. Затем концы всех трубопроводов соединяют между собой и получают заданную длину трассы по укладке трубопровода на нижней берме низовой примы с определенным шагом по длине плотины.
Воздухоподающая труба 15 для подачи теплого сжатого воздуха от компрессора 16 с эжектором, включает активное сопло 17, две камеры 18 и 19. Вторая расширенная камера 19 выполнена через диффузор, имеющего входной суженный участок 20 (горловина), выходной, участок которого соединяет со второй расширенной камерой 19 и под углом ее соединяют с перфорированным трубопроводом 12 малого диаметра. Эжектор дополнительно включает воздухоподающую трубу 21 для подачи холодного сжатого воздуха от импеллера 22 (двигатель не показан), направленный в сторону первой камеры 18. Перфорированный трубопровод 12 малого диаметра и присоединяемые к нему воздухоподающие трубы 15 и 21 через камеры 18 и 19, сообщаются с помощью двух обратных клапанов 23 и 24. Трубы-впуски, таким образом, оборудованы регуляторами 25 и 26 расхода сжатого воздуха. Устройства в виде компрессора 16 и импеллера 22 установлены для принудительной циркуляции теплого или, соответственно, холодного воздуха в зависимости от сезонности регулирования температурного режима для чего внутри воздухопроницаемой каменной наброске располагают датчик давления воздуха 27, который дополнительно подсоединяют к градуированной шкале (конструкция прибора учета давления воздуха может быть выполнена различной). Установка перфорированных трубопроводов также может быть выполнена не только из полиэтиленового материала, но и другого материала, выпускаемых современной промышленностью.
Следует отметить, что конструкция импеллера 22 имеет в своем составе сопло 28, что согласуется в работе для его подключения к трубе 21. Регулируя обороты импеллера 22, регулируют также давление подачи воздуха в трубе 21, или регулятором 26 расхода холодного сжатого воздуха, соответственно, при этом можно уменьшить мощность применения импеллера 22.
Другим положительным признаком данного изобретения является то, что размещение перфорированного трубопровода 12 малого диаметра в кожухе в виде основного перфорированного трубопровода 11 большого диаметра, позволяет беспрепятственно выходить сжатому воздушному потоку отдельными воздушными струйками через их отверстия в стенках трубопроводов; гасится в пределах перфорированных трубопроводов до определенного давления, отсутствуют сдвиги частиц каменной наброски, что позволяет непосредственно выходить воздуху дальше через выпускную трубу 7 в атмосферу с регулятором 8 расхода воздуха, установленной на гребне плотины, или выделившийся воздух в каменной наброске отсасывается вакуум насосом 9 и направляется в атмосферу. При этом работа вакуум-насоса должна быть отрегулирована автоматической системой 10 так, чтобы в каменной наброске поддерживался постоянное давление воздуха, который приводит к усилению конвекции с повышенными скоростями движения воздуха в порах каменной наброски в нужный - теплый период года. Таким образом, создается зона сезоноактивной конвекции, которая зависит от способа подачи теплого или холодного воздуха при принудительной циркуляции применяемых устройств подачи сжатого воздуха. Дополнительно можно отметить, что верхнюю часть трубы 7, размещенную над гребнем плотины, желательно оборудовать теплоизоляционным материалом (не показано), например стекловатой или другим материалом с возможностью устранения образования в трубе конденсата, особенно в холодный период эксплуатации плотины, а это зависит от ее высотного расположения над плотиной и перепада температуры внутри каменной наброски и атмосферы.
Следует дополнительно отметить то, что возможен вариант смешения и двух разных потоков воздуха в первой камере и далее его подачи во вторую камеру (т.е. теплого и холодного при заданном соотношении между ими в процентном или другом виде).
Действие способа возведенной каменно-земляной плотины мерзлого типа с регулированием температурного режима заключается в следующем.
В холодный период года открывают трубу-впуска 15 регулятором 25 и включают компрессор 16 с подогретым воздухом. Далее поток теплого сжатого воздуха под давлением проходит через активное сопло 17, открывается клапан 23 обратный, а клапан 19 обратный на трубе-впуска 21 для холодного воздуха закрывается под давлением, так как импеллер не работает в данный период времени. Сопло 17 эжектора создает эжектирующее действие сжатого воздуха.
Таким образом, первая камера 18 наполняется воздухом, давление несколько его уменьшается, чем при впуске из трубы 15. Рабочий поток воздуха вновь претерпевает некоторое видоизменение в камере 18 и через суженную часть входного участка диффузора (горловину) 20 направляется во вторую камеру 19, концевой участок которой под углом соединен с перфорированным трубопроводом 12 малого диаметра, что сохраняет давление воздуха в последнем. Выходя из перфорированного трубопровода 12 с отверстиями 13, поток воздуха частично теряет свою энергию давления на сопротивления, и далее поступает вовнутрь основного перфорированного трубопровода 11 большого диаметра, выполняющего роль защитного кожуха. В результате перфорированный трубопровод 12 малого диаметра не нарушается от давления каменной наброски и не забиваются в нем отверстия 13, причем конец его заглушен, например, съемной заглушкой. Объем циркуляции теплого воздуха в порах каменной наброски зоны 5 увеличивается за счет принудительного поступления из основного трубопровода 11 через отверстия 14, теплый сжатый воздух который поступает от компрессора 16. Таким образом, осуществляется движение теплого воздуха снизу вверх. Поступление общего количества воздуха в зону 5, т.е. интенсивность обогрева устанавливается по показаниям датчика давления 27, может регулироваться регулятором 8 расхода воздуха установленного на трубе 7 или вакуум-насосом 9 с автоматической системой 10. Наличие вакуумного насоса 9 с автоматической системой 10 включения позволяет произвести откачку воздуха, в результате чего повышается скорость движения воздуха в порах каменной наброски и за счет чего происходит увеличения притока из основного перфорированного трубопровода 11 в нужный - теплый период года и, воздух направляется в атмосферу. При этом работа вакуум-насоса должна быть отрегулирована автоматической системой включения так, чтобы в каменной наброске поддерживалось постоянное давление циркуляционного воздуха в порах каменной наброски, который контролируется датчиком давления воздуха 27 со шкалой расхода его.
Для работы в теплый год, наоборот закрывают трубу-выпуска 15 с регулятором 25 теплого воздуха и открывают трубу-выпуска 21 с регулятором 26 расхода холодного сжатого воздуха, поступающего от импеллера 22, сопло 28 которого присоединяю к трубе-выпуска 21; далее давление воздуха открывает клапан 22 обратный, а клапан 23 закрывается, так как при отсутствии работы компрессора 16 давление в камере 18 повышается холодного воздуха. Благодаря этому, холодный воздух, пройдя путь нового цикла работы плотины, схожий с работой прохождения теплого воздуха до этого от компрессора, холодный воздух, двигаясь по пустотам наброски зоны 5 при определенном давлении, охлаждает основание 1 низовой призмы 4 и противофильтрационный элемент 2. Поступление холодного воздуха также фиксируется прибором датчика давления воздуха 27 со шкалой показателей его, а также при наличии вакуумного насоса с автоматической системой включения на гребне плотины. Таким образом. Обеспечивая начало нового цикла работы в холодный период года плотины.
Возможность управлять работой импеллера 22, уменьшают через сопло 28 поступление сжатого воздуха, за счет регулирования его оборотов при заданной мощности применяемого двигателя (на чертеже не показано для упрощения).
Естественно, что взаимосвязь элементов плотины на гребне, на нижней берме низовой призмы на которой установлены устройства сразу в период строительства плотины позволяют без больших затрат труда и средств осуществлять регулярную принудительную схему циркуляции теплого или холодного воздуха с постоянным поддержания давления в каменной наброске. Исключает трудоемкую работу открывать все регуляторы расхода воздуха, в частности для охлаждения элементов плотины. Достоверность результатов давления воздуха в каменной наброски сопровождается контроль приборами в виде датчиков давления воздуха, показания которых выводятся снаружи плотины, т.е. данные на момент эксплуатации сооружения в тот или иной периоды года, соответственно и диагностики сооружения в целом можно контролировать.
Применение выполненных перфорированных трубопроводов из полиэтиленового материала, а также основного трубопровода в виде защитного кожуха для малого диаметра трубопровода, обеспечивает долговечность, что уже очевидно при эксплуатации плотины. Технология операции таких трубопроводов уже известна и проста без особых усилий сварки и установки для помещения в них дополнительных перфорированных трубопроводов. Отсутствия заохрирования перфорации в трубах с отверстиями, и как следствие, приводит к долговечности трубопроводов 11 и 12.
Предлагаемое изобретение позволяет не только поддерживать возведение каменно-земляной плотины мерзлого грунта с регулированием температурного режима, но и значительно увеличить объем поступающего воздуха в крупнопористую каменную наброску и тем самым продлить срок эксплуатации такой плотины, а это снижает капитальные затраты на строительство дополнительных устройств при эксплуатации мерзлой плотины в условиях регулирования температурного режима ядро находится в мерзлом состоянии. Такая конструкция имеет повышенную эксплуатационную надежность.