ЗАМОРАЖИВАЮЩАЯ СИСТЕМА ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ И ПЛОТИНА С ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕМ
GROUND DAM IN THE PERMAFROST ZONE FREEZING SYSTEM AND DAM WITH ITS APPLICATION

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к эксплуатации сооружений в условиях северной строительно-климатической зоны.
При разработке полезных ископаемых в криолитозоне вскрываются подземные воды повышенной минерализации (рассолы), имеющие отрицательные температуры и мешающие добычным работам в котлованах. Для производства работ «насухо» рассолы перекачивают в специально создаваемые рассолохранилища, образуемые с помощью грунтовых плотин.
Проблема обеспечения устойчивости грунтовых плотин в криолитозоне в процессе эксплуатации до сих пор является актуальной. Практика показала, что плотины мерзлого типа, где противофильтрационная и статическая устойчивость обеспечивается мерзлыми грунтами, на 30% экономичнее плотин талого типа. Кроме того, в суровых природно-климатических и сложных геокриологических условиях (наличие ледового комплекса) в большинстве случаев возможно использовать только плотины мерзлого типа.
Гидроузлы для хранения рассолов в условиях криолитозоны являются специфическими гидротехническими сооружениями. Специфичность их проявляется в том, что рассолохранилища в процессе эксплуатации приобретают по глубине характерный температурный и гидрохимический режим. Установлено, что придонные слои круглый год имеют устойчивую отрицательную температуру в пределах от - 4,0°С до - 8,3°С [1, 8]. Однако в силу того, что рассолы имеют высокую концентрацию солей (120-130 г/л), они замещают в мерзлых грунтах лед и превращают его в рассол при наличии отрицательных значений температур. Перейдя в новое криогенное состояние, грунт приобретает свойства, близкие к талым, и резко теряют свою фильтрационную и статическую устойчивость. Отсюда и возникают проблемы устойчивости плотин в целом, а это в свою очередь связано с экологическими проблемами, особенно гидрологическими, биологическими и другими системами целых регионов.
Известна «ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ОСНОВАНИИ» RU 2453655 [7], содержащая центральную часть, выполненную от основания плотины до ее гребня из мелкозернистого грунта, верховую и низовую боковые призмы и противофильтрационную диафрагму, а с низовой стороны к противофильтрационной диафрагме примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая выполнена посредством замораживающих колонок и смерзанием присоединена к противофильтрационной диафрагме. Плотина содержит экран, переходящий в понур.
Недостатком является низкая надежность плотины, обусловленная некруглогодичной работой замораживающих устройств и возможностью потери герметичности плотины. Недостатком также является низкая устойчивость известной плотины к растворам солей и невозможность использования водохранилища, ограниченного плотиной, для хранения природного рассола.
Наиболее близким к изобретению по решаемой задаче является система охлаждения и замораживания грунтов тела и основания плотины, содержащая скважины, пробуренные с определенным шагом вдоль плотины в один или два ряда [6]. Скважины объединены в коллекторные системы, через которые прогоняют предварительно охлажденный в замораживающих станциях искусственно приготовленный раствор. Обычно в качестве рассола используется раствор соли хлористого кальция. Известное решение [6] рассматривается авторами как прототип.
Недостатком известной системы является:
- необходимость наличия солей для приготовления охлаждающего раствора;
- необходимость приготовления рассола;
- наличие специальных установок для охлаждения раствора;
- необходимость охлаждение раствора до заданной температуры.
Задачей изобретения является повышение устойчивости плотины, эффективности применения системы за счет использования естественных криогенных ресурсов - рассолов с отрицательными температурами, хранящихся в рассолохранилище и рассматриваемых как природная холодильная машина для создания мерзлого противофильтрационного массива в теле и основании, а также использование геосинтетического солезащитного экрана с понуром, обеспечивающим дополнительную фильтрационную устойчивость сооружения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и круглогодичной стабильности работы плотины, получение возможности хранения рассолов в водоеме.
Технический результат достигается тем, что замораживающая система грунтовой плотины в зоне вечной мерзлоты (на многолетнемерзлом основании), содержащая противофильтрационное ядро со встроенными замораживающими колонками, выполненными с возможностью прохода сквозь колонки жидкой охлаждающей среды, в качестве охлаждающей среды (теплоносителя) используется рассол (водный раствор солей), характеризуется тем, что рассол используют природный (естественный), рассолы в замораживающую систему подают из рассолохранилища с помощью насоса по подающему рассолопроводу, а отработанные рассолы по отводящему рассолопроводу отводят обратно в рассолохранилище. Указанное выполнение позволит сохранить экологичность системы в целом.
Рассолозаборный узел конструктивно может быть оформлен в виде телескопической трубы, которая обеспечивает вертикальное перемещение рассолозаборника по всей глубине рассолохранилища и способно отбирать рассол с нужной глубины.
Минимально рассолозаборник может быть расположен на расстоянии h от дна ложа рассолохранилища для исключения попадания твердых частиц в рассолозаборник.
Противофильтрационное ядро плотины может отсыпаться из грунта (например, суглинка), увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости, что позволяет при замораживании грунта образовать сплошной мерзлый водонепроницаемый монолит (ледогрунтовая мерзлотная завеса - все поры в мерзлом массиве грунта заполнены льдом) и сохранить его стабильное состояние при относительно небольших отрицательных температурах теплоносителя, обеспечиваемых круглогодичным прокачиванием рассола по замораживающим колонкам.
Плотина может содержать верховую и низовую упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски, переходные зоны из песка, со стороны верхнего бьефа в переходной зоне устроен противофильтрационный геосинтетический солезащитный экран, переходящий в понур, что позволит повысить устойчивость плотины.
Устройство схематически показано на фиг. 1 (разрез), где:
1 - многолетнемерзлое основание;
2 - мерзлое противофильтрационное ядро из суглинка;
3 - геосинтетический солезащитный экран переходящий в понур;
4 - верховая упорная призма;
5 - низовая упорная призма;
6 - верховая переходная зона из песка;
7 - низовая переходная зона из песка;
8 - замораживающее устройство;
9 - рассолозаборник;
10 - насос;
11 - подающий рассолопровод;
12 - отводящий рассолопровод;
13 - подводящий коллектор;
14 - отводящий коллектор;
15 - рассолохранилище.
Устройство действует следующим образом.
В состав гидроузла входят сооружения: грунтовая плотина, замораживающая система, рассолохранилище.
Грунтовая плотина возводится на многолетнемерзлом основании 1 и содержит мерзлое противофильтрационное ядро из суглинка 2; геосинтетический солезащитный экран 3, переходящий в понур; верховую и низовую упорные призмы из дисперсного грунта или каменной наброски 4 и 5; переходные зоны из песка 6 и 7; замораживающее устройство 8. Противофильтрационное ядро 2 отсыпается из грунта, увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости. Замораживающая система содержит следующие конструктивные элементы: замораживающее устройство 8; телескопический рассолозаборник 9; насос 10; подающий 11 и отводящий 12 рассолопроводы; подводящий 13 и отводящий 14 коллекторы; рассолохранилище естественных природных рассолов 15.
Со стороны верхнего бьефа на откос ядра и в основании верховой упорной призмы в виде понура плотины уложен геосинтетический экран 3 (типа HDPE) по переходному слою из песка 7. Со стороны нижнего бьефа к противофильтрационному экрану 3 примыкает льдогрунтовая мерзлотная завеса, которая создается посредством колонок замораживающей системы 8 и герметически присоединена к экрану в результате смерзания.
Использование изобретения позволит повысить надежность плотины за счет эффективности круглогодичной работы замораживающей системы, образующих мерзлую противофильтрационной завесу в теле и основании, а использование геосинтетического экрана с понуром обеспечивает дополнительную фильтрационную, в том числе солезащитную, устойчивость сооружения.
Технический результат достигается за счет использования рассолохранилища как природной замораживающей машины, обеспечивающей формирование и длительное существование рассолов с низкими отрицательными температурами, используемых для поддержания тела и основания плотины в мерзлом состоянии, а также использование геосинтетического экрана с понуром, обеспечивающего фильтрационную, в том числе солезащитную, устойчивость сооружения.
Новым является то, что в циркуляционном контуре охлаждения используются природные растворы, низкие отрицательные температуры, в которых формируются за счет теплообмена рассолохранилища с окружающей средой.
Известны системы для охлаждения и замораживания грунта [2-5]. Рабочим флюидом в устройствах используются воздух, жидкости (керосин, специально приготовленные растворы и др.), парожидкости (диоксид углерода, аммиак, фреон и др.) Движение флюида в охлаждающих и замораживающих устройствах может осуществляться как за счет естественной конвекции, так и искусственной принудительной конвекции. В большинстве случаев эти установки являются сезонного действия (СОУ). Работают при установлении устойчивых отрицательных значениях температуры воздуха.
В качестве аналогов рассматривались плотины промышленных предприятий: плотина на р. Долгой, на р. Мяунджа, на р. Сытыкан и др. [6], включая плотину рассолохранилища на руч. Тымтыйдаах [1].
Натурные исследования показали, как уже было отмечено выше по тексту, что в рассолохранилище в процессе эксплуатации образуется специфический температурный и геохимический режимы. В вертикальном разрезе в течение года устанавливается несколько зон, температура в которых значительно ниже постоянных отрицательных температур в придонных слоях рассолохранища [1]. Для повышения эффективности охлаждающей системы целесообразно использовать этот феномен. Это можно достичь конструктивно, применив телескопическую трубу, способную перемещать рассолозаборник по вертикали для забора рассола. Рассолозаборник опускается до расстояния h от дна, которое назначается из условия исключения размыва дна рассолохранилища при работе системы.
Технический результат, обеспечиваемый за счет сочетания конструктивных особенностей и использования природного рассола с отрицательной температурой, состоит в повышении эффективности применения системы за счет отсутствия необходимости в приготовлении специального охлаждающего раствора с применением специальной машины для охлаждения приготовленного раствора до заданной температуры и отсутствия требования к определенной конфигурации замораживающих скважин, а использование геосинтетического солезащитного экрана и понура обеспечивают фильтрационную устойчивость сооружения и экологическую безопасность окружающей среды.
Новым является то, что для заполнения охлаждающей системы плотины хладоносителем используются природные растворы повышенной минерализации, имеющих в результате теплообмена рассолохлонилища с окружающей средой постоянно отрицательные значения температуры в необходимом количестве для поддержания тела и основания плотины температурно-криогенного режима, а использование геосинтетического солезащитного экрана и понура обеспечивают фильтрационную устойчивость сооружения и экологическую безопасность окружающей среды.
Технический результат - повышение надежности и стабильности работы - достигается использованием природной холодильной машины круглогодичного действия, образующейся в рассолохранилище.
Технический результат - круглогодичная стабильность - достигается использованием противофильтрационного ядра из грунта, увлажненного пресной водой до состояния полной влагоемкости, что обеспечивает круглогодичную стабильность ядра в мерзлом состоянии.
Дополнительный технический результат - появление возможности хранения рассолов в водоеме, ограниченном плотиной, обеспечивается противофильтрационным геосинтетическим солезащитным экраном, переходящим в понур, обеспечивая изоляцию ядра плотины, содержащего пресный лед.
Промышленное применение. Изобретение может быть применено при сооружении плотин в зоне вечной мерзлоты.
Источники информации
1. Алексеев С.В. Криогидрогеологические системы Якутской алмазоносной провинции. - Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2009. - 319 с.
2. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л.: Стройиздат - 1969. - 104 с.
3. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве Новосибирск: Наука. - 1985. - 169 с.
4. Долгих Г.М., Долгих Д.Г., Окунев С.М. Технические решения по замораживанию грунтов оснований, применяемые НПО «Фундаментстройаркос» // Материалы междунар. Конф. «Криосфера нефтегазовых провинций». Тюмень, 2004. - с. 56.
5. Сидняев Н.И., Храпов П.В., Разгуляев С.В. Обзор и анализ систем для охлаждения и замораживания грунтов. Материалы Международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, посвященной XX-летию создания ООО НПО «Фундаментстройаркус». Тюмень: «Сити-Пресс». - 2011. - с. 156-183 (456 с).
6. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. М.: Энергия. - 1975. - 184 с.
7. Патент РФ №2453655. Грунтовая плотина на многолетнемерзлом основании. / Ягин В.П., Вайкум В.А., Оголь В.Г., Гришин В.А. Е02В 7/06, опубл. 28.02.2011.