ЗАЩИТНОЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ
PROTECTIVE HYDRAULIC STRUCTURE

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано в качестве водооградительных дамб для защиты населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных объектов от затопления и подтопления при паводках, а также для создания временных перемычек с целью отсечки воды в гидроканалах или водохранилищах при ведении строительных, монтажных и ремонтных работ.
Эффективность использования быстровозводимых гидротехнических сооружений зависит от малой массы, транспортабельности, возможности многократной установки в различных местах с минимальными затратами.
Известны тканевые плотины незамкнутого и замкнутого типов, выполненные соответственно из незамкнутого тканевого полотнища с водонепроницаемым покрытием или гибкой цилиндрической замкнутой оболочки, заполняемой водой с помощью насосов (Волосухин В.А., Кузнецов В.А. Основы теории и методы расчета тканевых сооружений мелиоративных систем: Монография. - Новочеркасск, НГМА, 2001. - С.14-18).
Недостатками являются большие веса и габариты плотин, что делает трудоемкими их монтаж и демонтаж, а также усложняет транспортировку и хранение плотин и ухудшает эксплуатационные характеристики сооружений.
Известно защитное гидротехническое сооружение, включающее две заполняемые водой соприкасающиеся гибкие цилиндрические замкнутые оболочки, каждая из которых снабжена двумя эластичными боковыми ребрами, расположенными вдоль образующих оболочек, соседними внутренними ребрами оболочки соединены в «восьмерку», к одному из внешних ребер «восьмерки» жестко закреплена своей нижней кромкой незамкнутая гибкая оболочка, по верхней кромке которой размещены поплавки, закрепленные гибкими связями ко второму внешнему ребру, с возможностью регулирования длины связей (Патент РФ №2291931, МПК Е02В 3/04, Е02В 7/02, 2007 г., Бюл, №2).
Недостатками являются:
1. Большие материалоемкости поплавков и их объемы, занимаемые при транспортировке и хранении, так как поплавки изготовлены из легких материалов или выполнены в виде жестких емкостей.
2. Трудоемкость крепления и демонтажа поплавков к верхней кромке незамкнутой гибкой оболочки, а также гибких связей к поплавкам и внешнему ребру «восьмерки» из-за большого количества поплавков и связей, обеспечивающих, чтобы не было провисания верхней кромки незамкнутой оболочки и не происходило перехлестывание воды через нее при эксплуатации.
3. Возможно перехлестывание воды через верхнюю кромку незамкнутой гибкой оболочки в случае неправильного определения длины гибких связей при неожиданном увеличении прогнозируемого подъема паводковой воды, так как связи выполнены из нерастяжимых материалов (ремни, тросы, рыболовная сеть), а при эксплуатационном подпоре воды регулировка длины связей стропоукорачивающими устройствами не выполнима.
4. Низкая надежность из-за вероятности фильтрации воды под соединенными в «восьмерку» цилиндрическими замкнутыми оболочками при некачественной подготовке береговой поверхности, на которой размещают гидротехническое сооружение, или при сложном рельефе дна гидроканалов или водохранилищ, на котором располагают перемычку для отсечки воды во время проведения строительных, монтажных и ремонтных работ.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и улучшение эксплуатационных характеристик сооружения.
Технический результат по повышению надежности и улучшению эксплуатационных характеристик сооружения достигается тем, что в защитном гидротехническом сооружении, включающем две заполняемые водой соприкасающиеся гибкие цилиндрические замкнутые оболочки, каждая из которых снабжена двумя эластичными боковыми ребрами, расположенными вдоль образующих оболочек, соседними внутренними ребрами оболочки соединены в «восьмерку», к одному из внешних ребер «восьмерки» жестко закреплена своей нижней кромкой незамкнутая гибкая оболочка, по верхней кромке которой размещены поплавки, закрепленные гибкими связями ко второму внешнему ребру, с возможностью регулирования длины связей, поплавки выполнены в виде единой гибкой цилиндрической замкнутой оболочки, заполняемой воздухом через штуцер и изготовленной как одно целое с незамкнутой гибкой оболочкой, причем замкнутая оболочка снабжена расположенным вдоль ее образующей эластичным боковым ребром, к которому закреплены гибкие связи, выполненные с возможностью растяжения, а по второму внешнему ребру «восьмерки» своей верхней кромкой размещен противофильтрационный экран, выполненный в виде незамкнутой гибкой оболочки с возможностью закрепления по нижней кромке экрана пригрузов.
На чертеже изображен фрагмент общего вида участка защитного гидротехнического сооружения в эксплуатационном состоянии в аксонометрической проекции.
Защитное гидротехническое сооружение содержит две заполняемые водой соприкасающиеся гибкие цилиндрические замкнутые оболочки 1 и 2, оболочка 1 снабжена двумя эластичными боковыми ребрами 3 и 4, а оболочка 2 - двумя эластичными боковыми ребрами 5 и 6, ребра расположены вдоль образующих оболочек 1 и 2, соседними внутренними ребрами 4 и 5 оболочки 1 и 2 соединены в «восьмерку», к внешнему ребру 3 «восьмерки» жестко закреплена своей нижней кромкой незамкнутая гибкая оболочка 7, по верхней кромке которой размещены поплавки, выполненные в виде единой гибкой цилиндрической замкнутой оболочки 8, заполняемой воздухом через штуцер 9 и изготовленной как одно целое с незамкнутой гибкой оболочкой 7, причем замкнутая оболочка 8 снабжена расположенным вдоль ее образующей эластичным боковым ребром 10, к ребру 10 и внешнему ребру 6 «восьмерки» закреплены гибкие связи 11, выполненные с возможностью растяжения, кроме того, гибкие связи снабжены стропоукорачивающим устройством 12, позволяющим регулировать длину связей, по внешнему ребру 6 своей верхней кромкой размещен противофильтрационный экран 13, выполненный в виде незамкнутой гибкой оболочки, с возможностью закрепления по нижней кромке экрана пригрузов 14.
Гибкие цилиндрические замкнутые оболочки 1 и 2 с эластичными боковыми ребрами 3, 4, 5, 6, незамкнутая гибкая оболочка 7, по верхней кромке которой размещена и выполнена с ней как одно целое гибкая замкнутая оболочка 8 с эластичным боковым ребром 10, а также противофильтрационный экран 13 изготовлены способом горячей вулканизации, в качестве силовых элементов оболочек использованы высокопрочные синтетические материалы, пропитанные адгезионными составами и покрытые специальными резиносмесями, что обеспечивает плоскосворачиваемость частей гидротехнического сооружения и позволяет хранить их смотанными на специальные отдельные барабаны (малые занимаемые объемы) и транспортировать практически любыми видами транспорта, включая авиацию.
В боковых эластичных ребрах 3, 4, 5, 6, 10 гибких цилиндрических замкнутых оболочек 1, 2, 8, нижней кромке незамкнутой гибкой оболочки 7, верхней и нижней кромках противофильтрационного экрана 13 выполнены с равномерным шагом крепежные отверстия (не показаны), в которых размещены люверсы, предназначенные для снижения концентрации напряжений в отверстиях и предохранения материала оболочек от разрушения.
Гибкие связи 11 выполнены полностью из эластичного материала или со специальными вставками, что обеспечивает возможность растяжения связей.
Пригрузами 14 могут служить различные материалы с большим удельным весом, например металлические болванки или листы, бетонные и железобетонные плиты, различные емкости с песком, галькой, гравием, габионы (ящики из проволочной сетки, заполненные камнем, размеры которого должны быть больше ячеек сетки).
Защитное гидротехническое сооружение функционирует следующим образом.
В месте ожидаемого подъема воды на берегу проводят тщательную планировку, выравнивая поверхность, убирают колющий и режущий мусор. На спланированном участке разматывают с отдельных барабанов и располагают параллельно по длине части 1, 2, 7, 13 гидротехнического сооружения. При этом накладывают друг на друга и совмещают выполненные с одинаковым шагом крепежные отверстия ребер 4 и 5 замкнутых цилиндрических оболочек 1 и 2. Оболочки 1 и 2 внутренними соседними ребрами 4 и 5 соединяют в «восьмерку».
При направлении скорости водного потока, показанного на чертеже, последовательно совмещают крепежные отверстия внешнего ребра 3 «восьмерки» и нижней кромки незамкнутой оболочки 7 с размещенной по ее верхней кромке и выполненной как одно целое с ней замкнутой оболочки 8, а также крепежные отверстия второго внешнего ребра 6 «восьмерки» и верхней кромки противофильтрационного экрана 13. Жестко закрепляют ребро 3 с нижней кромкой оболочки 7 и ребро 6 с верхней кромкой экрана 13.
Соединение оболочек 1 и 2 ребрами 4 и 5 в «восьмерку», крепление оболочки 7 к ребру 3 и экрана 13 к ребру 6 может быть осуществлено различными способами, например металлическими или эластичными накладками с резьбовым соединением, металлическими зажимами и т.д. Стыки ребер 4 и 5, оболочки 7 и ребра 3, экрана 13 и ребра 6 должны быть герметичными, не допустима фильтрация воды между соприкасающимися поверхностями.
К внешнему ребру 6 «восьмерки» и ребру 10 оболочки 8 различными способами, например петля-крючок, закрепляют гибкие связи 11, количество которых должно быть минимальным, и рассчитывают по условию прочности удержания оболочек 7 и 8 при эксплуатационном максимальном подпоре воды. Малое число связей значительно уменьшает трудоемкость их крепления и демонтажа. В зависимости от высоты сооружения Н, которую определяют ожидаемым подъемом паводковой воды, с помощью стропоукорачивающего устройства 12, регулируют необходимую длины связей 11. Через штуцер 9, например, компрессором заполняют воздухом замкнутую оболочку 8, что обеспечивает образование поплавка, расположенного по верхней кромке незамкнутой оболочки 7 и изготовленного с ней как одно целое.
Во время соединения частей защитного гидротехнического сооружения в емкости 1 и 2, образующие «восьмерку», через гибкие заливные патрубки (не показаны) насосами или мотопомпами, работающими параллельно, закачивают воду из водного источника. Закачивающие механизмы подбирают по расходу таким образом, чтобы время закачки было соизмеримо с временем подхода стихийного бедствия. Подача воды может быть осуществлена путем переключения городской магистрали на заполнение оболочек, возможен комбинированный вариант, чтобы уложиться в отпущенное время. Для устойчивого положения сооружения оболочки 1 и 2 заполняют водой не более 75% их максимального объема, чтобы сохранялось следующее условие , например, если высота h=1 м, то ширина d≥2 м (размеры d и h выбирают таким образом, чтобы вес закачанной воды препятствовал сдвигу и опрокидыванию конструкции внешними нагрузками). Тогда после заполнения водой гидротехническое сооружение не требует специального крепления на фундаментном основании, так как благодаря своему весу оно при воздействии внешних нагрузок сохраняет устойчивое положение. Кроме того, наличие ребер 3, 4, 5, 6, 10 с отверстиями образует пояс усиления, что позволяет дополнительно устанавливать при необходимости растяжки с анкерами для гарантированного фиксирования сооружения на месте его установки. Затем раскладывают и расправляют по береговой поверхности противофильтрационный экран 13, по нижней кромке которого закрепляют, например привязкой или обвязкой, пригрузы 14.
Собранное сооружение образует секцию, соединением которой с соседними можно создавать защиту сколь угодно большой длины. Для ликвидации протечек между стыкуемыми секциями необходимо оболочки 7 и противофильтрационные экраны 13 изготавливать таким образом, чтобы они выступали на 1-1,5 м с двух сторон в сравнении с длинами оболочек 1, 2, 8, образуя нахлесты, крепления которых к внешним ребрам 3 и 6 «восьмерки» обеспечивают отсутствие фильтрации воды между стыками.
При подъеме воды до высоты h защита происходит только замкнутыми оболочками 1 и 2, соединенными в «восьмерку». В случае подъема более h на поплавок 8 начинает действовать архимедова сила, заставляя его всплывать вместе с оболочкой 7, что создает защиту из комбинаций оболочек 1, 2, 7, 8 до ожидаемой высоты подъема H, обеспечиваемой длиной связей 11, установленной стропоукорачивающим устройством 12. Наличие гибких связей 11, выполненных с возможностью растяжения, и целостного единомерного по длине поплавка 8 позволяют использовать данное защитное сооружение при переменных уровнях воды даже выше H. Эластичные связи 11 с возрастанием подъема воды, растягиваясь, постоянно увеличивают углы наклона с горизонтом до 70°-80° и начинают работать на предельной длине без растяжения, но при этом не происходит перехлестывания воды через поплавок 8.
Закрепленные к противофильтрационному экрану 13 пригрузы 14 не позволяют ему всплывать при любом уровне подъема воды и дают возможность копировать экраном береговую поверхность, что исключает фильтрацию под замкнутыми оболочками 1 и 2 «восьмерки».
Демонтирование сооружения производят в обратной последовательности с его монтажом.
После окончания стихийного бедствия упругие гибкие связи 11 принимают размеры, которые они имели в ненапряженном состоянии, их раскрепляют от ребер 6 и 10. Через штуцер 9 «стравливают» воздух из замкнутой оболочки 8, через водовыпуски (не показаны) вода под действием собственного веса покидает емкости 1 и 2. Пригрузы 14 снимают с нижней кромки противофильтрационного экрана 13, верхнюю и нижнюю кромки экрана 13 и незамкнутой оболочки 7 освобождают от ребер 6 и 3, разъединяют ребра 4 и 5, и оболочки 1 и 2 освобождают из «восьмерки». Каждую из частей конструкции (кроме гибких связей 11 и пригрузов 14) сворачивают на барабаны в рулоны, защитное гидротехническое сооружение транспортируют для установки в новом расчетном створе или на хранение.
Создание временных перемычек для отсечки воды в гидроканалах или водохранилищах проводят в такой последовательности.
Работу начинают с траления дна гидроканала или водохранилища. Обнаруженные карчи, стволы деревьев и прочие предметы убираются водолазами, они же проводят и планировку дна.
На берегу производят сборку и соединение частей первой секции защитного гидротехнического сооружения в той же последовательности, но без закачки воды в емкости 1 и 2 и крепления пригрузов 14 к противофильтрационному экрану 13. Для уменьшения сопротивления перемещению собранных секций по береговой поверхности первую секцию с помощью плавающего средства спускают на воду, оставляя на берегу конец 4-5 метров, к которому присоединяют вторую секцию, перемещают собранную конструкцию на водную поверхность, к оставленному на суше концу второй секции прикрепляют третью секцию и т.д. Длину гидротехнического сооружения определяют размерами строительных береговых работ. Так при работе на 100-150 м по береговой линии, сооружение собирают протяженностью 180-240 м (6-8 секций длиной 30 м). Головной конец первой секции сооружения вытаскивают на 4-5 м на берег, такое же расстояние последней секции оставляют на берегу канала или водохранилища.
Сооружение размещают таким образом, чтобы противофильтрационные экраны 13 были с внешней стороны акватории, перемычку располагают по дуге как можно ближе к берегу, но чтобы не возникало помех для ведения монтажных работ. Поплавки, выполненные в виде цилиндрических замкнутых оболочек 8, заполненных воздухом через штуцера 9, и изготовленные как одно целое с незамкнутыми оболочками 7, обеспечивают плавучесть сооружения и не дают возможность воде перехлестывать между поплавками и незамкнутыми оболочками.
В оболочки 1 и 2 закачивают воду до размеров d и h. Так как гибкие связи 11 выполнены с возможностью растяжения, то это обеспечивает повторяемость оболочками 1 и 2 рельефа дна. Водолазы тщательно расправляют противофильтрационные экраны 13, чтобы они сопрягались с дном, и закрепляют к экранам пригрузы 14. Это не дает возможности воде фильтровать под оболочками 1 и 2 при размещении сооружения на глубине H, причем без крепления конструкции. В случае необходимости получения дополнительной устойчивости возможно заякоривание сооружения. Откачивают насосами объем воды, отсеченной возведенной перемычкой. Проводят насухо все необходимые ремонтные или строительные работы.
Для перехода от одной перемычки ко второй очереди водолазы снимают пригрузы 14 с противофильтрационных экранов 13, освобождают воду из емкостей 1 и 2, при помощи плавающих средств гидротехническое сооружение перемещают в необходимое место и возводят новую перемычку.
После окончания работы конструкцию с освобожденными от воды емкостями 1 и 2 и противофильтрационными экранами 13 без пригрузов 14 посекционно вытаскивают на берег, каждую секцию разъединяют от другой и разбирают на отдельные части, сворачивают их на барабаны и транспортируют в новое место для возведения или хранения.
Таким образом, предложенная конструкция позволяет достичь технического результата по повышению надежности и улучшению эксплуатационных характеристик сооружения.
Оригинальностью конструкции защитного гидротехнического сооружения является то, что она реализована в виде отдельных модулей, представляющих комбинацию из двух заполняемых водой соприкасающихся гибких цилиндрических замкнутых оболочек 1 и 2, каждая из которых снабжена двумя эластичными боковыми ребрами соответственно 3, 4 и 5, 6, расположенными вдоль образующих оболочек, соседними внутренними ребрами 4 и 5 оболочки 1 и 2 соединены в «восьмерку», незамкнутой гибкой оболочки 7, жестко закрепленной своей нижней кромкой к внешнему ребру 3 «восьмерки», по верхней кромке оболочки размещен поплавок, выполненный в виде единой гибкой цилиндрической замкнутой оболочки 8, заполняемой воздухом через штуцер 9 и изготовленной как одно целое с незамкнутой гибкой оболочкой 7, причем замкнутая оболочка 8 снабжена расположенным вдоль ее образующей эластичным боковым ребром 10, к которому, а также к внешнему ребру 6 «восьмерки» закреплены гибкие связи 11, выполненные с возможностью растяжения и регулирования по длине при помощи стропоукорачивающего устройства 12, и противофильтрационного экрана, выполненного в виде незамкнутой гибкой оболочки 13, размещенной своей верхней кромкой по ребру 6, с возможностью закрепления по нижней кромке экрана пригрузов 14.