ДРЕНАЖНОЕ УСТРОЙСТВО ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ
DRAINAGE SYSTEM OF EARTH DAM

Заявленное техническое решение относится к области водохозяйственного и гидротехнического строительства, а именно к дренажным устройствам земляных плотин.
Известно дренажное устройство земляной плотины, включающее вертикальную или наклонную дрену и водоотвод, примыкающий к нижней части последней в виде горизонтального дренажа и выведенный в нижний бьеф (см., например, [1. с.108, рис.5.17, д]).
Недостатком известного дренажного устройства земляной плотины является недостаточно высокая надежность работы плотины вследствие возникновения повышенного фильтрационного воздействия (гидродинамического давления) на верховой клин плотины при быстром снижении уровня воды в верхнем бьефе, сопровождающееся возникновением фильтрационного потока в теле плотины направленного в сторону верхнего бьефа, что снижает устойчивость верхового откоса плотины и надежность ее работы.
Известно дренажное устройство земляной плотины, включающее вертикальную дрену, расположенную в средней части плотины, и водоотвод, примыкающий к нижней части последней в виде пластового дренажа и выведенный в нижний бьеф (см., например, дренажное устройство земляной плотины Трес Ирмаос высотой 45 м в Бразилии [2, с.243, рис.6.31]).
Недостатком известного дренажного устройства земляной плотины является недостаточно высокая надежность работы плотины вследствие близкого расположения вертикальной дрены к верховому откосу плотины и полного исключения низового клина тела плотины от процесса гашения действующего на плотину фильтрационного напора и восприятия, вследствие этого всего действующего на плотину напора только верховым клином плотины, в котором при этом возникают повышенные значения средних градиентов напора вдоль линий токов между верховым откосом и вертикальной дреной, намного (в 2 и более раз) превышающие значения средних градиентов напора в аналогичной однородной земляной плотине, а также выходных градиентов напора по высоте вертикальной дрены.
Кроме этого, расположение вертикального дренажа в средней части плотины (с низовой стороны от оси плотины) не позволяет в достаточно существенной мере переориентировать и снизить воздействие фильтрационного потока, направленного в сторону верхового откоса, в случаях быстрого снижения уровня воды верхнего бьефа. Перемещение же с этой целью вертикального дренажа в верховую сторону от оси плотины в непосредственную близость с верховым откосом плотины еще более усугубляет ситуацию и снижает надежность работы плотины вследствие еще большего повышения значений средних градиентов напора между верховым откосом и вертикальной дреной и выходных градиентов напора по высоте вертикальной дрены, что прямо угрожает фильтрационной прочности грунта верхового клина плотины и его фильтрационной устойчивости.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков (прототипом) является дренажное устройство земляной плотины, включающее вертикальную или наклонную дрену и водоотвод, примыкающий к нижней части последней в виде пластового дренажа и выведенный в верхний бьеф плотины (см., например, [3, с.90, Bild 3]).
Недостатком известного дренажного устройства земляной плотины является недостаточно высокая надежность работы плотины вследствие повышенного воздействия фильтрационного потока на тело плотины, обусловленного полным исключением части тела верхового клина, расположенного с верховой стороны вертикальной или наклонной дрены, от процесса гашения действующего на плотину фильтрационного напора и восприятия всего напора областью фильтрации в остальной части тела плотины (меньшей, чем площадь области фильтрации в аналогичной однородной земляной плотине). В этом случае по всей высоте вертикальной или наклонной дрены устанавливается напор, равный полному напору, действующему на земляную плотину, поскольку верхний бьеф непосредственно через водоотвод (пластовый дренаж, выведенный в верхний бьеф) сообщается с вертикальной или наклонной дреной. При этом вследствие существенного сокращения длины линий токов в изменившемся профиле области фильтрации земляной плотины с крутой напорной гранью повышаются значения таких параметров фильтрационного потока, как значения средних (а также выходных) градиентов напора и скоростей фильтрации (до 1.2-1.5 раз), величина фильтрационного расхода, положения депрессионной поверхности и высоты высачивания на низовой откос с соответствующим увеличением площади области фильтрации.
Указанное значительно снижает физико-механические характеристики грунта тела плотины, а также фильтрационную устойчивость низового клина плотины, что снижает надежность работы земляной плотины.
Техническим результатом, ожидаемым от использования заявленного устройства, является повышение надежности работы земляной плотины за счет снижения величины фильтрационного воздействия на тело плотины.
Технический результат достигается тем, что в дренажном устройстве земляной плотины, включающем вертикальную или наклонную дрену и водоотвод, примыкающий к нижней части последней в виде пластового дренажа и выведенный в верхний бьеф плотины, водоотвод оснащен водоприемником и выполнен на участке от водоприемника до верхнего бьефа в виде герметичной трубы, при этом входной оголовок герметичной трубы заведен в водоприемник ниже уровня выходного оголовка, заглубленного под уровень мертвого объема (∇УMO) верхнего бьефа и снабженного обратным клапаном, причем наикратчайшее расстояние от водоприемника до верхового откоса плотины не менее аналогичного расстояния от уреза нормального подпорного уровня воды (∇НПУ) на верховом откосе до вертикальной или наклонной дрены.
В предлагаемом дренажном устройстве земляной плотины по внешнему контуру герметичной трубы устроена поперечная периметральная противофильтрационная диафрагма.
В предлагаемых дренажных устройствах верхняя часть вертикальной или наклонной дрены оснащена воздуховодом, выведенным на не смачиваемую водой верхнего бьефа поверхность тела плотины.
В предлагаемых дренажных устройствах земляной плотины по низовой грани вертикальной или наклонной дрены выполнен противофильтрационный экран.
Известное водопроводящее устройство (водоотвод) земляной плотины в виде герметичной трубы, соединенное одним концом с водоприемником (башенным) и другим концом, выведенное в верхний бьеф (см., например, [1, с.150, рис.6.11 а]).
Известное водопроводящее устройство земляной плотины - водоотвод в виде герметичной трубы - является донным водоспуском земляной плотины и служит для полного опорожнения верхнего бьефа плотины путем сброса воды из верхнего бьефа в водоприемник и последующего перевода в нижний бьеф.
В предлагаемом же дренажном устройстве земляной плотины, включающем вертикальную или наклонную дрену и водоотвод, примыкающий к нижней части последней в виде пластового дренажа и выведенный в верхний бьеф, оснащение водоотвода водоприемником и выполнение его на участке от водоприемника до верхнего бьефа в виде герметичной трубы, у которого входной оголовок заведен в водоприемник ниже уровня выходного оголовка, заглубленного под уровень мертвого объема (∇УМО) верхнего бьефа и снабженного обратным клапаном, причем с наикратчайшим расстоянием от водоприемника до верхового откоса плотины не менее аналогичного расстояния от уреза нормального подпорного уровня воды (∇НПУ) на верховом откосе до вертикальной или наклонной дрены обеспечивает повышение надежности работы плотины за счет снижения величины фильтрационного воздействия на тело плотины.
Указанное снижение величины фильтрационного воздействия на тело плотины достигается за счет включения в процесс гашения действующего на плотину полного напора области фильтрации верхового клина плотины, расположенного с верховой стороны от вертикальной или наклонной дрены, в результате чего по сравнению с прототипом существенно увеличиваются длины линий токов с снижением таких параметров фильтрационного потока в теле плотины, как значения средних и выходных градиентов напора, величина фильтрационного расхода, положение депрессионной поверхности и высота высачивания на низовой откос плотины, принимающих существенно меньшие значения, чем в прототипе. Изложенное повышает надежность работы земляной плотины с предлагаемой конструкцией дренажного устройства по сравнению с прототипом.
В случае быстрого снижения уровня воды верхнего бьефа предлагаемая конструкция дренажного устройства переориентирует (изменяет) направление фильтрационного потока от верхового откоса (угрожающего его устойчивости) в сторону вертикальной или наклонной дрены и водоотвода, примыкающего к нижней части последней в виде пластового дренажа. То есть гидродинамическое давление фильтрационного потока направляется внутрь тела плотины и вниз к основанию, обеспечивая тем самым повышение устойчивости верхового откоса плотины по сравнению с прототипом.
Оснащение водоотвода водоприемником позволяет аккумулировать воду, стекающую (поступающую) от вертикальной или наклонной дрены и водоотвода, примыкающего к нижней части последней в виде пластового дренажа, а выполнение водоотвода на участке от водоприемника до верхнего бьефа в виде герметичной трубы, входной оголовок которого заведен в водоприемник ниже уровня выходного оголовка, выведенного в верхний бьеф, обеспечивает ускоренный отток воды из водоприемника в верхний бьеф за счет разности напоров в водоприемнике (соответственно и в вертикальной или наклонной дрене) и в верхнем бьефе с пониженным уровнем воды. Заглубление выходного оголовка герметичной трубы под уровень мертвого объема (∇УMO) верхнего бьефа позволяет максимально понизить уровень воды в вертикальной или наклонной дрене с обеспечением наибольшей эффективности ее работы и предотвращает образование воздушных пробок в герметичной трубе.
Снабжение выходного оголовка герметичной трубы обратным клапаном предотвращает при повышении уровня верхнего бьефа поступление воды через герметичную трубу в вертикальную или наклонную дрену с переносом в них полного действующего напора на плотину с соответствующим выключением из процесса гашения действующего напора области верхового клина, расположенного с верховой стороны от вертикальной или наклонной дрены, что повышает надежность работы плотины.
Устройство водоприемника на водоотводе с кратчайшим расстоянием до верхового откоса не менее аналогичного расстояния от уреза нормального подпорного уровня воды (∇HПУ) на верховом откосе до вертикальной или наклонной дрены предотвращает преждевременное поступление фильтрующей из верхнего бьефа воды в пластовый дренаж и опережающее заполнение водой вертикальной или наклонной дрены с соответствующим переносом в нее повышенных значений действующего на плотину напора.
Устройство по внешнему контуру герметичной трубы поперечной периметральной противофильтрационной диафрагмы предотвращает возникновение опасных околотрубных сквозных сосредоточенных путей фильтрации как при быстром снижении уровня воды верхнего бьефа, так и при повышении воды в последнем, что повышает надежность работы плотины.
Оснащение верхней части вертикальной или наклонной дрены воздухоотводом, выведенным на несмачиваемую водой верхнего бьефа поверхность тела плотины, предотвращает возникновение в вертикальной или наклонной дрене пониженного (вакуума) или повышенного давления, соответственно при понижении или повышении уровня воды верхнего бьефа и не допускает знакопеременной фильтрации воздуха и воды со стороны верхового откоса в дрену и обратно, угрожающей развитием суффозии грунта верхового клина плотины, в особенности в верхней части дрены (при наикратчайшем расстоянии до верхового откоса), и возможным образованием опасных свищей и разрывных ходов фильтрации, что повышает надежность работы плотины.
Устройство по низовой грани вертикальной или наклонной дрены противофильтрационного экрана снижает воздействие на плотину таких параметров фильтрационного потока при наполненном верхнем бьефе, как величина фильтрационного расхода, значения средних и выходных градиентов напора, положение депрессионной поверхности и высоты высачивания на низовой откос плотины, что повышает надежность работы плотины. При быстром же снижении уровня воды верхнего бьефа противофильтрационный экран снижает поступление воды в вертикальную или наклонную дрену с низовой стороны, облегчая работу дренажного устройства, что также повышает надежность работы плотины в указанных условиях.
На рис. а) и б) представлены предлагаемые конструкции дренажного устройства земляной плотины.
На рис. а) изображены:
1 - тело земляной плотины;
2 - наклонная дрена;
3 - водоприемник;
4 - водоотвод, примыкающий к нижней части наклонной дрены (2) в виде пластового дренажа на участке между наклонной дреной (2) и водоприемником (3);
5 - водоотвод, выполненный на участке от водоприемника (3) до верхнего бьефа в виде герметичной трубы;
6 - выходной оголовок герметичной трубы, оснащенный обратным клапаном;
7 - поперечная периментальная противофильтрационная диафрагма;
8 - линии тока фильтрационного потока, переориентированные внутрь плотины - в стороны наклонной дрены (2) и водоотвода в виде пластового дренажа (4);
9 - положение депрессионной поверхности в теле плотины при заполненном уровне верхнего бьефа и установившемся режиме фильтрации в земляной плотине.
∇НПУ и ∇УМО - соответственно, нормальный подпорный уровень и уровень мертвого объема верхнего бьефа.
На рис. б) изображены:
обозначения 1-8 соответствуют рис. а) с учетом того, что 2 - вертикальная дрена;
9 - противофильтрационный экран на низовой грани вертикальной дрены (2);
10 - положение депрессионной поверхности в теле плотины (1) при заполненном уровне верхнего бьефа, наличии противофильтрационного экрана (9) и установившемся режиме фильтрации в земляной плотине;
11 - воздуховод, выведенный на несмачиваемую водой верхнего бьефа поверхность тела плотины (1).
В отечественной и зарубежной практике водохозяйственного и гидротехнического строительства наибольшее распространение получили грунтовые плотины, в особенности низко- и средненапорные земляные плотины. Во многих случаях они используются также в составе гидроузлов, режим работы которых предусматривает частое и быстрое опорожнение уровня воды в верхнем бьефе (ГАЭС и др.). В этих условиях в верховом клине плотины возникает фильтрационный поток, направленный в сторону верхового откоса плотины и представляющий серьезную угрозу его устойчивости. Для борьбы с этим негативным явлением применяют различные дренажные устройства (см., например, прототип). Однако же при использовании их возникает повышенное фильтрационное воздействие на тело плотины, что снижает надежность ее работы.
Предлагаемая же конструкция дренажного устройства земляной плотины лишена этих недостатков.
При быстром снижении уровня верхнего бьефа дренажное устройство переориентирует возникающий в верхнем клине фильтрационный поток (от верхового откоса внутрь плотины) в сторону вертикальной или наклонной дрены и водоотводу, примыкающему к нижней части последней в виде пластового дренажа, повышая тем самым устойчивость верхового откоса плотины.
При повышении же уровня воды верхнего бьефа конструкция дренажного устройства предотвращает преждевременное опережающее свободное заполнение водой пластового дренажа и вертикальной или наклонной дрены с перенесением в них напора верхнего бьефа. В результате тело земляной плотины работает полным сечением для гашения действующего на плотину полного напора, включая и область фильтрации верхового клина, расположенную с верховой стороны от вертикальной или наклонной дрены, что повышает надежность работы плотины по сравнению с прототипом.
Устройство противофильтрационного экрана (9) по низовой грани вертикальной или наклонной дрены (2) еще более снижает фильтрационное воздействие на тело плотины, повышая надежность ее работы.
Оснащение верхней части вертикальной или наклонной дрены (2) воздуховодом (11), выведенным на несмачиваемую водой верхнего бьефа поверхность тела плотины, предотвращает возникновение пониженного (вакуума) или повышенного давления в дрене (2), соответственно при снижении или повышении уровня воды верхнего бьефа, в результате чего может возникнуть знакопеременная чередующаяся фильтрация воздуха и воды из верхнего бьефа в дрену и обратно с развитием суффозий грунта, свищей, разрывных ходов и др. Наличие воздуховода в составе предложенного дренажного устройства предотвращает развитие этих негативных явлений и повышает надежность работы плотины.
Источники информации
1. Гидротехнические сооружения. Под ред. Розанова Н.П. М., АПИ, 1985. 432 с.
2. Ляпичев Ю.П., Пономарев Н.К. Гидротехнические сооружения. М., РУДН, 2008. 455 с.
3. Breth H. Der Einflus von Drainagen auf die Sickerwasserströmung in Dämmen. // Die Wasserwirtschaft. J.41, H.4, 1951. S.89-93. - прототип.