ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ
HYDRAULIC STRUCTURE

Изобретение относится к строительству, преимущественно к гидротехническим сооружениям, содержащим габионные конструкции, и может быть использовано при создании плотин, дамб, водосбросов, промышленных бассейнов, каналов и других берегоукрепительных, противоэрозионных и ограждающих сооружений.
Известно гидротехническое сооружение, выполненное в виде габионной плотины, тело и водобойная часть которой представляют собой кладку из связанных между собой проволокой габионов, корзины которых выполнены из проволочной сетки и заполнены каменным материалом. При этом противофильтрационным элементом в такой плотине является возведенная из грунта верховая призма или водонепроницаемая облицовка верховой грани плотины, выполненная из бетона или асфальтобетона (Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч. 1 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивцев и др.; Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1999, С.109-410).
Недостатками такого сооружения являются высокие затраты и недостаточная надежность из-за большого объема работ по возведению непроизводительно работающей верховой упорной призмы и сложности работ по качественному выполнению облицовки из бетона или асфальтобетона.
Известно гидротехническое сооружение для противоэрозионной защиты крутых склонов, включающее перепады-водосбросы, выполненное из связанных между собой проволокой габионов, корзины которых выполнены из проволочной сетки и заполнены каменным материалом. При этом под каждым перепадом-водосбросом уложен противосуффозионный элемент в виде геотекстильного полотна (RU 2332541 С1, 27.08.2008).
Недостаток такого сооружения обусловлен большими размерами ячеек сетки корзины габиона и заключается в недостаточной надежности из-за незащищенности геотекстильного полотна от возможных повреждений частями каменного материала, выступающими из ячеек сетки, и от перенапряжения геотекстильного полотна при его провалах через ячейки сетки в глубокие поры каменного материала.
Известно гидротехническое сооружение, в котором сетчатые корзины габионов заполнены песчаным грунтом в индивидуальной синтетической упаковке в виде мешков (ВСН-АПК 2.30.05.001-2003. Мелиорация. Руководство по защите земель, нарушенных водной эрозией. Габионные конструкции противоэрозионных сооружений / Минсельхоз России. - М., 2003. Приложение А, п.А.1.5).
В таком сооружении напорная поверхность габионной конструкции имеет более ровный вид, что создает благоприятные условия работы полотну из геосинтетического материала. Однако в таком сооружении, во-первых, усложняются работы по его созданию, во-вторых, долговечность синтетической упаковки должна соответствовать долговечности корзины, т.е. долговечности сооружения в целом, в-третьих, в случае непосредственного сопряжения одной из сторон габионной конструкции с каменным материалом засыпки, синтетическая упаковка может быть повреждена этой засыпкой. Все это ведет к увеличению затрат при создании сооружения и не обеспечивает его достаточную надежность.
Известно гидротехническое сооружение, оно же является ближайшим, содержащее габионную конструкцию, выполненную из связанных между собой габионов, корзины которых выполнены из проволочной сетки и заполнены каменным материалом, и геосинтетическое полотно, расположенное на напорной поверхности габионной конструкции. Это полотно может быть выполнено из полимерной пленки, образующей противофильтрационный элемент, или из геотекстиля, образующего противосуффозионный элемент (там же, приложение А).
Недостатками такого гидротехнического сооружения являются его недостаточная надежность, высокие затраты на создание и недостаточная область использования. Эти недостатки обусловлены тем, что полотно, выполненное из геосинтетического материала (полимерная пленка, геотекстиль), не защищено от возможных проколов со стороны частей каменного материала, выступающих из ячеек сетки корзины габиона, и от перенапряжения геосинтетического полотна при его провалах через ячейки сетки в глубокие поры каменного материала. Указанные обстоятельства обуславливают неприемлемо большую толщину для полотна.
ф
В Российской Федерации сетки с ячейками меньшего размера, чем 80×100 мм, для габионных конструкций пока не производят. Корзины из таких сеток заполняются камнем с размерами не менее 100-150 мм. Существующая методика расчета толщины полимерной пленки не может без доработки использоваться для расчета полотна, покрывающего напорную (нагруженную водой и/или грунтом) поверхность габионной конструкции (Рекомендации по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полимерных рулонных материалов. - СПб. НИИ АКХ им. К.Д.Памфилова, 1999). Однако из указанной методики следует, что при одинаковых условиях толщина полимерной пленки (мембраны) δ прямо пропорциональна минимальному размеру максимальной фракции грунта d.
ф
я
я
Применительно к габионной конструкции представляется возможным размер указанной фракции грунта увязать с максимальным размером части камня, выступающей из ячейки сетки корзины, т.е. с размером ячейки сетки, а исходя из площади ячейки вычислить размер d. Это позволяет сделать вывод о том, что толщина полимерной пленки δ прямо пропорциональна корню квадратному из площади ячейки ω сетки, непосредственно к которой прилегает полимерная пленка. Например, при уменьшении площади ячейки сетки ω в 9 раз толщина полимерной пленки уменьшится в 3 раза.
К такому же выводу приходим при рассмотрении работы полимерной пленки как мембраны, перекрывающей ячейку сетки, расположенной против крупной поры каменного материала.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности сооружения, снижении затрат и в расширении области использования, а достигаемый при этом технический результат заключается в создании более ровной напорной поверхности габионной конструкции, на которой расположено полотно из геосинтетического материала.
яп
як
яп
як
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что гидротехническое сооружение содержит габионную конструкцию, выполненную из связанных между собой габионов, корзины которых выполнены из проволочной сетки и заполнены каменным материалом, и полотно, расположенное на напорной поверхности габионной конструкции и выполненное из полимерной пленки, образующей противофильтрационный элемент, или из геотекстиля, образующего противосуффозионный элемент. Одновременно с этим согласно изобретению такое сооружение содержит прокладку, выполненную из проволочной сетки и расположенную между полотном и напорной поверхностью габионной конструкции. При этом выполняется условие: ω<ω, где ω - площадь ячейки проволочной сетки прокладки в свету; ω - площадь ячейки проволочной сетки корзины габиона в свету.
Дополнительно:
яп
як
- выполняется условие: 9ω≤ω;
- проволочная сетка прокладки может быть плетеной, или крученой, или тканой;
- сооружение, в случае выполнения полотна из полимерной пленки, может содержать дополнительную прокладку, выполненную из геотекстиля и расположенную между полимерной пленкой и проволочной сеткой прокладки.
яп
як
Именно расположение между полотном и напорной поверхностью габионной конструкции прокладки, выполненной из проволочной сетки, размеры ячеек которой меньше, чем размеры ячеек сетки корзины габиона, позволяет создать более ровную напорную поверхность на габионной конструкции. Это позволяет повысить надежность сооружения, снизить затраты и расширить область его использования. Однако введение в конструкцию сооружения прокладки усложняет сооружение. Поэтому прокладку целесообразно использовать, если она обеспечивает уменьшение толщины полотна обычно в три и более раза, т.е. при условии 9ω≤ω.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - поперечный разрез поярусно возводимой очередями ограждающей плотины на момент не полного заполнения гидроотвала отходами (хвостами), пример 1;
на фиг.2 - поперечный разрез «типового» русла лотков и водосбросов из габионов, пример 2;
на фиг.3 - типы проволочных сеток для прокладки по ГОСТ 2715-75: а - плетеная; б - крученая; в - тканая.
Пример 1. Гидротехническое сооружение представляет собой расположенную на подготовленном основании 1 плотину, которая в поперечном сечении содержит поярусно возведенную стенку 2, отделяющую поярусно возведенную низовую упорную призму 3 от поярусно намытых пылеватых хвостов 4. Эти хвосты 4 намыты способом «от плотины», удерживают стенку 2 в вертикальном положении и после лежания образуют собой качественную верховую упорную призму 5 плотины.
Стенка 2 выполнена из связанных между собой габионов 6, корзины 7 которых имеют коробчатую форму, выполнены из проволочной сетки (сетка на чертежах не показана) и заполнены каменным материалом 8. На напорной (верховой) поверхности 9 стенки 2 расположено полотно 10, которое составлено из лент 11, выполненных из полимерной пленки, всегда превышает перед стенкой 2 уровень хвостов 4 и образует водонепроницаемый противофильтрационный элемент.
яп
як
яп
як
яп
як
Каждая лента 11 полотна 10 образует ярус противофильтрационного элемента в пределах яруса стенки 2, состоящего обычно из 3-х расположенных друг над другом рядов габионов 5. Ленты 11 по высоте стенки 2 соединены нахлестом 12. Между каждой лентой 11 и напорной поверхностью 9 стенки 2 расположена прокладка 13, выполненная из проволочной сетки. Прокладка 13 расположена также в основании стенки 2. Проволочная сетка прокладки 13 может быть плетеной, или крученой, или тканой (фиг.3), при этом выполняется условие: ω<ω, 9ω≤ω, где ω - площадь ячейки 14 проволочной сетки прокладки в свету (фиг.3); ω - площадь ячейки проволочной сетки корзины габиона в свету (на чертежах ячейка не показана).
При необходимости полимерная пленка ленты 11 с одной стороны или с обоих может быть заключена в геотекстиль. Плотина содержит пленочное противофильтрационное покрытие 15 основания 1 перед стенкой 2, основания 1 стенки 2 и дренажа 16. Дренаж 16 расположен в основании низовой упорной призмы 3 и посредством отводящей трубы 17 сообщен с системой гидротранспорта хвостов.
Прокладка 13 усложняет конструкцию сооружения, однако это обычно оправдывается при уменьшении прокладкой 13 толщины полотна 10 примерно в три и более раза.
На чертежах обозначены и другие элементы плотины, а именно:
18 - заполненные грунтом мешки;
19 - пульповод;
20 - выпуска;
21 - заданный уровень намыва хвостов в ярусе;
22 - конечный уровень плотины;
23, 24 и 25 - очереди наращивания плотины;
26 - анкерный элемент;
яс
h - высота яруса стенки;
г
h - высота габиона;
яп
h - высота яруса плотины (ее низовой упорной призмы);
ях
h - высота яруса намыва хвостов;
α - угол наклона стенки.
Плотину возводят поярусно в следующей последовательности.
яс
г
г
яс
яп
Сначала на подготовленное основание 1 стенки 2 укладывают противофильтрационное покрытие 15 и прокладку 13. Затем из габионов 6 возводят первый (нижний) ярус стенки 2 высотой h=3h, где h - высота габиона 6. Эта высота яруса стенки h обычно равна высоте яруса плотины h, а точнее яруса ее низовой упорной призмы 3. Каждый габион 6 образуют путем заполнения корзин 7 каменным материалом.
ях
Габионы 6 в ярусе связывают между собой, с обоих стороны стенки 2 на основание 1 укладывают противофильтрационное покрытие 15 и выполняют дренаж 16 с отводящей трубой 17. После чего послойно в низовую упорную призму 3 укладывают местный грунт, например, песчаный и/или глинистый, а напорную (верховую) поверхность 9 стенки 2 покрывают прокладкой 13 и лентой 11, выполненной из полимерной пленки и образующей противофильтрационное полотно 10. При этом нижнюю кромку ленты 11 сопрягают с противофильтрационным покрытием 15 посредством нахлеста 12, а верхнюю - располагают на возведенном ярусе стенки 2, где ленту 11 закрепляют заполненными местным грунтом мешками 18. Одновременно на ярусе стенки 2 на мешках 18 располагают пульповод 19 с выпусками 20. После чего осуществляют намыв хвостов 4 в первый (нижний) ярус h высотой до заданного уровня 21, чем и завершается возведение первого яруса ограждающей плотины.
Далее намыв хвостов 4 производят с противоположного борта гидроотвала, а на рассматриваемом участке стенку 2 освобождают от пульповода 19 и осуществляют возведение последующего яруса ограждающей плотины, необходимого для последующего намыва яруса хвостов 4. При этом каждый раз ленту 11 сопрягают с нижерасположенной лентой 11 посредством нахлеста 12, а наращивание грунтовой части плотины до ее конечного уровня 22 осуществляют с внешней стороны очередями: 23 - первая очередь и 24 и 25 - последующие очереди.
Основная особенность работы такой поярусно возводимой ограждающей плотины при заполнении гидроотвала хвостами заключается в следующем.
1. Лента 11 полотна 10, выполненная из полимерной пленки, придавливается хвостами 4 к прокладке 13, выполненной в виде проволочной сетки, размер а ячейки 14 (фиг.3) которой ограничен, например 10-20 мм, что обуславливает толщину δ полимерной пленки обычно не более 1-2 мм.
2. Активное давление на стенку со стороны неконсолидированных хвостов примерно в 3-4 раза превышает активное давление грунта со стороны плотины.
3. Проникшая через полотно 10 вода дренируется стенкой 2, собирается дренажом 16 и отводящей трубой 15 направляется в систему гидротранспорта хвостов.
Пример 2. Гидротехническое сооружение представляет собой «типовую» габионную конструкцию искусственного русла лотка канала или водосброса, расположенного во вмещающем грунте 27. Эта габионная конструкция в соответствии с ранее приведенным источником прототипа (ВСН-АПК 2.30.05.001-2003. Приложение А, п. А.2.5, рис. А.9) составлена из коробчатых габионов и матрасов, которые обозначены позициями и имеют следующие размеры в метрах - длины L, ширину В и высоту Н:
28 - габион 2×1×1;
29 - габион 1,5×1×1;
30 - габион 2×1×0,5;
31 - матрас 3×2×0,3.
На поверхности 32 габионной конструкции со стороны грунта 27 и основания 1 расположено полотно 10, которое выполнено из геотекстиля 33 и образует противосуффозионный элемент. При этом между полотном 10 и поверхностью 32, всей или большей ее частью, расположена прокладка 13, выполненная из проволочной сетки, аналогичной описанной в примере 1.
В условиях многолетнемерзлых грунтов основания 1 полотно 10 должно быть выполнено из полимерной пленки, образующей противофильтрационный элемент, защищающий грунты от омывания их водой и, тем самым, от интенсивного размораживания.
В примерах 1 и 2 описаны наиболее простые и предпочтительные варианты гидротехнического сооружения. В настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения.
Обозначения
1 - основание
2 - стенка (плотины)
3 - низовая упорная призма (плотины)
4 - хвосты
5 - верховая упорная призма (плотины)
6 - габион
7 - корзина (габиона)
8 - каменный материал (в габионе)
9 - напорная поверхность (стенки)
10 - полотно
11 - лента (полотна)
12 - нахлест (лент)
13 - прокладка (сетка)
14 - ячейка (проволочной сетки прокладки)
15 - противофильтрационное покрытие (основания)
16 - дренаж
17 - отводящая труба
18 - заполненные грунтом мешки;
19 - пульповод;
20 - выпуска;
21 - заданный уровень намыва хвостов в ярусе;
22 - конечный уровень плотины;
23, 24 и 25 - очереди наращивания плотины;
26 - анкерный элемент;
яс
h - высота яруса стенки;
г
h - высота габиона;
яп
h - высота яруса плотины (ее низовой упорной призмы);
ях
h - высота яруса намыва хвостов;
α - угол наклона стенки;
27 - грунт;
28 - габион 2×1×1;
29 - габион 1,5×1×1;
30 - габион 2×1×0,5;
31 - матрас 3×2×0,3;
32 - поверхность габионной конструкции (со стороны грунта);
33 - геотекстиль.