БЕТОННАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ ПЛОТИНА

Предлагаемая полезная модель относится к области гидротехнического строительства в северной строительно-климатической зоне и может быть использована при проектировании, строительстве и эксплуатации бетонных гравитационных плотин, расположенных в указанной зоне.
Известно, что в бетонных гравитационных плотинах, строящихся в суровых климатических условиях, для защиты низовых граней от высоких перепадов температур применяют теплозащитные покрытия (см., например, авторское свидетельство СССР №935558). Так, для плотин Юванн, Слеттедален в Норвегии использованы стенки из сборных железобетонных элементов, опирающихся на горизонтальные опоры, образующие воздушную прослойку (см. книгу: Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика, под редакцией В.П.Недриги. М., Стройиздат, 1983, с.261). В принципе теплозащита низовой грани гравитационных плотин может быть использована в качестве средства регулирования их термонапряженного состояния в эксплуатационный период. Вместо теплозащитных стенок с воздушной прослойкой могут применяться пенопласты, легкие бетоны, пеноэпоксидные составы и т.п. материалы.
Отсутствие возможности регулирования массива бетона у низовой грани гравитационных плотин, находящихся в суровых климатических условиях (например, Бурейской ГЭС, в зоне расположения которой среднемноголетняя температура воздуха составляет минус 3,5 градуса Цельсия), приводит к тому, что при глубоком промерзании бетона в районе низовой грани плотины раскрываются горизонтальные строительные швы.
Это исключает из работы значительную часть профиля плотины. Проблема обеспечения нормативного напряженного состояния плотины решается в этом случае за счет глубокой сработки водохранилища и, как следствие этого, - значительного сокращения гидростатического давления.
Однако регулирование термонапряженного состояния бетонной гравитационной плотины только за счет теплозащитного покрытия ее низовой грани недостаточно эффективно. Это связано с тем, что даже дорогостоящее покрытие с высокими теплозащитными свойствами лишь обеспечивает замедление промерзания наружной грани плотины, не предотвращая его полностью.
В суровых климатических условиях температура бетона в наружной зоне, примыкающей к верховой грани плотины, при высоких уровнях воды всегда положительна и, как показывает практика, находится в пределах 3-10 градусов Цельсия, а в низовой и средней части при отсутствии подогрева - близка к среднемноголетней температуре наружного воздуха местности, в которой расположена плотина, и обычно близка к нулю или отрицательна.
Для создания термонапряженного состояния плотины, близкого к оптимальному, при котором температура бетона плавно уменьшается от низовой грани к верховой, температура бетона у низовой грани, на границе с атмосферой, должна круглогодично превышать температуру бетона у верховой грани, омываемой водой.
Для достижения подобного термонапряженного состояния плотины, близкого к оптимальному, в известной бетонной плотине, описанной в патенте России №2224067, использовано сочетание теплозащитного покрытия и подогревающих бетон устройств.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого.
Прототип представляет собой бетонную гравитационную плотину, включающую верховую и низовую грани, а также тепловую завесу для создания подогреваемой зоны у низовой грани плотины.
Тепловая завеса размещена у низовой грани плотины, по меньшей мере, в ее средней по высоте части, и выполнена в виде поярусно расположенных трубчатых теплообменников, соединенных с подводящими и отводящими теплоноситель (воду) трубопроводами. Сочетание тепловой завесы с теплозащитным покрытием низовой грани обеспечивает дополнительное обжатие бетона у верховой грани плотины, что позволяет достичь требуемого термонапряженного состояния плотины.
Однако прототипу присущи следующие недостатки:
- сложность и невысокая надежность конструкции тепловой завесы, обусловленная ее большой протяженностью и невозможностью в связи с этим избежать потерь теплоносителя;
- возможность выхода системы из строя вследствие застоя и последующего замерзания воды в какой-либо зоне; во избежание этого необходимо добавлять в теплоноситель антифризы;
- подобная тепловая завеса является дорогостоящей, т.к. требует строительства котельной с системами подвода, отвода и очистки воды, а также применения дорогостоящих антифризов.
- сложность конструкции тепловой завесы определяет ее низкую ремонтопригодность.
В целом указанные недостатки обусловливают невысокую эксплуатационную надежность и значительные эксплуатационные расходы прототипа.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи создания конструкции бетонной гравитационной плотины, с высокой степенью надежности обеспечивающей оптимальный температурный режим бетонного массива низовой грани, исключающий ее глубокое промерзание и раскрытие горизонтальных строительных швов при сооружении и эксплуатации плотины в жестких температурных условиях северной строительно-климатической зоны.
Для достижения указанного технического результата в бетонной гравитационной плотине, включающая верховую и низовую грани, а также тепловую завесу для создания подогреваемой зоны у низовой грани плотины, тепловая завеса размещена в толще бетонного массива низовой грани ее и выполнена в виде ряда последовательно расположенных вдоль всей поверхности низовой грани отверстий (скважин), каждое из которых оборудовано, по меньшей мере, одним электрообогревающим устройством.
Заявителю не известны какие-либо технические решения, обладающие такой же совокупностью признаков, что и заявляемое. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель удовлетворяет условию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупности с признаками, общими с прототипом, у заявляемого объекта появляются новые свойства - тепловая завеса позволяет четко задавать и поддерживать постоянную границу между талой и мерзлой частями плотины, не допуская промерзания бетонного массива у низовой грани, приводящего к раскрытию горизонтальных строительных швов, улучшает напряженно-деформированное состояние плотины, приближая его к оптимальному, и увеличивает ее надежность в условиях северной строительно-климатической зоны, что и позволяет решить поставленную задачу.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена предлагаемая конструкция бетонной гравитационной плотины, поперечный разрез, фиг.2 иллюстрирует температурное поле в бетонной гравитационной плотине без тепловой завесы, фиг.3 - температурное поле в береговых секциях при отсутствии тепловой завесы, а на фиг.4 отдельно показаны отверстия, образующие тепловую завесу.
Бетонная гравитационная плотина возведена на многолетнемерзлом основании и включает верховую грань 1 и низовую грань 2 с теплозащитным покрытием (на чертеже не обозначено) из утеплителя. В поперечном сечении плотины, в толще бетонного массива низовой грани 2, выполнена тепловая завеса 3, представляющая собой ряд отверстий 4, последовательно расположенных вдоль всей поверхности низовой грани 2. Каждое отверстие 4 оборудовано электрообогревающим устройством - электрическим тепловым кабелем (на чертеже не обозначен) с радиусом R отепляющего действия (фиг.4). При этом расстояние тепловой завесы 3 от поверхности низовой грани 2, а также глубина, количество и шаг L отверстий 4, равно как и параметры электрообогревающих устройств, выбраны так, что вся внутренняя часть плотины между тепловой завесой 3 и верховой гранью 1 находится в зоне действия положительных температур (талой зоне). Указанные параметры в каждом конкретном случае определяются на основании широко известных из различных информационных источников методов теплофизических расчетов, исходя из температурных условий в зоне строительства плотины (например, с помощью программного комплекса «ANSYS»). Так, обычно расстояние тепловой завесы 3 от поверхности низовой грани 2 составляет 5-10 м, что соответствует безопасной глубине промерзания бетонного массива низовой грани 2. Позиции 5 и 6 показывают соответственно границы между талыми и мерзлыми грунтами с тепловой завесой (фиг.1) и без нее (фиг.2 и 3). Позиция 7 (фиг.2 и 3) иллюстрирует раскрытие горизонтальных строительных швов в отсутствие тепловой завесы, а позиция 8 - возможность смыкания промороженной части плотины с многолетнемерзлыми грунтами основания в береговых секциях.
Предлагаемая бетонная гравитационная плотина работает следующим образом.
Благодаря действию тепловой энергии электрообогревающего устройства четко определяется и поддерживается постоянная граница между талой и мерзлой частями плотины в зимний период. При этом исключается глубокое промерзание низовой части 2 плотины, что предотвращает раскрытие горизонтальных строительных швов 7 и создает возможность обеспечения оптимального напряженно-деформированного состояния ее.
Тем самым повышается надежность и безопасность эксплуатации плотин, т.к. исключаются все опасные нештатные ситуации, связанные с нестационарным температурным режимом в теле бетонных плотин, возводимых на многолетнемерзлом основании в северной строительно-климатической зоне. Кроме того, по сравнению с прототипом конструкция тепловой завесы более простая, ремонтопригодная и менее дорогостоящая, что также повышает надежность конструкции и эксплуатации бетонной гравитационной плотины и снижает эксплуатационные расходы.
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано с помощью широко известных конструктивных элементов, материалов и технологий, что, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии его условию «промышленная применимость».