ПЛОТИНА ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Полезная модель относится к области гидротехнического строительства в условиях криолитозоны и может быть использована при возведении дамб хвостохранилищ, и других водонапорных сооружений высотой более 5 м, обеспечивающих перепад давления атмосферного воздуха в хладоаккумулирующих трубах.
В условиях криолитозоны конструкция гидротехнических соружений в основном зависит от их термического режима в различные периоды строительства и эксплуатации. При этом, тепловое состояние грунтов тела и основания плотин является косвенным показателем фильтрационной и статической устойчивости сооружения [1].
Известна плотина из грунтовых материалов, возведенная на мерзлом основании, включающая в себя мерзлый противофильтрационный элемент, верховую и низовую упорные призмы [2] (прототип). Внутренняя зона низовой призмы отсыпана из крупнопористой каменной наброски. Гребень и поверхность низового откоса покрыты водонепроницаемым слоем, например из глинистых грунтов. На гребне плотины и на нижней берме низовой призмы установлены с определенным шагом по длине плотины трубы-выпуски для сообщения с атмосферой и осуществления естественной циркуляции воздуха в каменной наброске. Трубы-выпуски оборудованы регуляторами расхода воздуха. На нижней берме низовой призмы установлены также напорные коллекторы и вентиляторы для принудительной циркуляции воздуха в каменной наброске.
Конвекционное охлаждение противофильтрационного элемента и основания плотины производится за счет естественной, или принудительной, или совместной схемы циркуляции холодного воздуха в порах каменной наброски зоны.
Для осуществления в зимний период естественной циркуляции воздуха открывают регуляторы расхода воздуха, установленные на гребне и на нижней берме низовой призмы плотины. Холодный воздух, двигаясь по пустотам наброски зоны, охлаждает основание низовой призмы и противофильтрационный элемент. Взаимодействуя с каменной наброской, воздух нагревается, его объемный вес уменьшается и осуществляется его естественное движение снизу вверх. Поступление количества воздуха в зону каменной наброски и интенсивность охлаждения устанавливается с помощью регуляторов расхода воздуха.
При небольших перепадах температур наружного воздуха и каменной наброски сооружение охлаждается с помощью принудительного вентилирования холодного воздуха. При этом регуляторы расхода воздуха, расположенные на гребне плотины, должны быть открыты, а на нижней берме низовой призмы - закрыты.
Для увеличения интенсивности охлаждения элементов плотины, в дополнение к естественной циркуляции воздуха, подключается система принудительного нагнетания воздуха. При работе по этой схеме открывают все регуляторы расхода воздуха и включают вентиляторы.
В теплый период года поступление атмосферного воздуха в призму прекращается путем закрытия регулятора расхода воздуха и отключения вентилятора.
Недостатком аналога являются затраты на вентиляторное хозяйство, а также необходимость формирования по высоте плотины зоны из крупнопористой каменной наброски для осуществления циркуляции холодного воздуха в порах каменной наброски, что не всегда можно обеспечить ввиду отсутствия данного типа грунта в районе строительства плотины.
Технической задачей данной полезной модели являлась разработка конструкции плотины из грунтовых материалов в условиях криолитозоны, позволяющей снизить затраты на ее содержание, а также обеспечение охлаждения тела плотины возведенной грунтами из местных материалов.
Указанный технический результат достигается тем, что плотина из фунтовых материалов в условиях криолитозоны, включающая мерзлый противофильтрационный элемент, верховую и низовую упорные призмы, а гребень плотины и откос низовой призмы покрыты водонепроницаемым слоем, например из глинистых фунтов, трубы-выпуски на гребне плотины и в ее нижней части, отличающаяся тем, что низовая упорная призма выполнена полностью из местных материалов, при этом трубы-выпуски соединены между собой хладоаккумулирующими вентиляционными трубами.
На чертеже, фиг. 1 показана плотина, поперечное сечение.
Плотина из грунтовых материалов, возведенная на мерзлом основании 1, включает в себя мерзлый противофильтрационный элемент 2, верховую 3 и низовую 4 упорные призмы, отсыпанные фунтами из местных материалов. Гребень и поверхность низового откоса покрыты водонепроницаемым слоем 5, например из глинистых фунтов. На гребне плотины и на нижней берме низовой призмы с определенным шагом по длине плотины трубы-выпуски 6, соединенные хладоаккумулирующими вентиляционными трубами 7 для сообщения с атмосферой и осуществления естественной циркуляции воздуха в них и охлаждения тела плотины. Трубы-выпуски 6 оборудованы регуляторами 8 расхода воздуха.
Охлаждение противофильтрационного элемента и основания плотины производится за счет естественного движения холодного воздуха в хладоаккумулирующих вентиляционных трубах, проходящих через тело низовой упорной призмы.
Для осуществления в зимний период естественной циркуляции воздуха открывают регуляторы 8 расхода воздуха, установленные на гребне и на нижней берме низовой призмы плотины. Холодный воздух, двигаясь по хладоаккумулирующим вентиляционным трубам 7 в теле низовой упорной призмы 4, охлаждает прилегающую к трубе зону, параметры которой определяются расчетным путем, вследствие чего охлаждается основание 1 низовой призмы 4 и противофильтрационный элемент 2. При прохождении по трубе, воздух нагревается, его объемный вес уменьшается и осуществляется его естественное движение снизу вверх, как показано на чертеже стрелками. Поступление количества воздуха в трубы 6, интенсивность охлаждения тела плотины устанавливается с помощью регуляторов 8 расхода воздуха.
В теплый период года поступление атмосферного воздуха в призму прекращается путем закрытия регулятора 7 расхода воздуха.
Радиус хладоаккумулирующей вентиляционной трубы R определяется из соотношения:
2
где η - динамическая вязкость воздуха, Н·с/м; L - длина трубы, м; v - скорость воздуха в трубе, м/с; ΔP - перепад давлений на входе и выходе трубы, Па.
Количество хладоаккумулирующих вентиляционных труб n, необходимое для промораживания ледопородного массива в теле грунтовой плотины, определяют по формуле:
1
2
2
1
2
3
4
0
1
2
ст
возд
3
3
3
3
2
где V - объем воды, заключенной в ледопородном массиве, м; V - объем горных пород, заключенный в ледопородном массиве, м; γ - плотность воды, кг/м; γ - плотность скелета горных пород, кг/м; С - удельная теплоемкость воды, ккал/(кг °C); C - скрытая теплота плавления льда, Дж/кг; C - удельная теплоемкость льда, Дж/(кг °C); C - удельная теплоемкость горных пород, Дж/(кг °C); t - температура замерзания воды, °C; t - начальная температура, °C; t - требуемая температура промораживания, °C; τ - время проморозки, с; α - коэффициент конвективного теплообмена вентилируемого воздуха со стенкой трубы, (α=6,16+4,19v) Вт/(м·K); t - температура стенки трубы, °C; t - температура воздуха в трубе, °С.
2
Например, для замораживания ледогрунтового массива в теле грунтовой плотины высотой H=8 м, перепаде атмосферного давления по высоте плотины ΔP=100 Па, длине хладоаккумулирующей вентиляционной трубы L=20 м, скорости воздуха в трубе не менее v=4 м/с радиус трубы должен быть не менее R=0,1 м. При длине грунтовой плотины 200 м, температуре промораживания ледогрунтового массива в теле плотины t=-5°C и времени проморозки не менее 5 месяцев (соответствует периоду устойчивых отрицательных температур атмосферного воздуха) количество хладоаккумулирующих вентиляционных труб n, необходимое для промораживания ледопородного массива в теле грунтовой плотины, составит примерно 450 шт.
Предлагаемая плотина из грунтовых материалов в условиях криолитозоны позволяет управлять процессом циркуляции холодного воздуха в циркуляционных трубах, эффективно охлаждать основание и противофильтрационный элемент, сохраняя их в мерзлом, непроницаемом для воды состоянии.
Преимуществом предложенной модели по сравнению с прототипом являются:
- снижение затрат на содержание плотины;
- возможность обеспечения охлаждения тела плотины, выполненного полностью грунтами из местных материалов.
Источники информации
1. Чжан Р.В. Проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений низкого напора в криолитозоне (на примере Якутии). - Якутск: ИМЗ СО РАН, 2000. - 158 с.
2. Плотина из грунтовых материалов: пат. SU / Г.Г. Балясников, И.А. Максимов. - №1714030; опубл. 23.02.92.