ГИДРОУЗЕЛ НА ВОДОТОКЕ СЕЗОННОГО ДЕЙСТВИЯ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ, ОХЛАЖДАЮЩАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОУЗЛА
WATER-ENGINEERING SYSTEM AT WATERCOURSE OF SEASONAL ACTION UNDER CONDITIONS OF PERMAFROST SOILS, COOLING UNIT AND METHOD TO OPERATE WATER-ENGINEERING SYSTEM

Изобретения относятся к гидротехническому строительству и могут быть использованы при создании на многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах преимущественно низконапорного водоснабженческого гидроузла, водохранилище которого в теплый период года аккумулирует приточную воду малорасходного водотока, а в холодный период года принимает дополнительно подаваемую из иного источника воду.
На малорасходных водотоках сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов широко распространены гидроузлы, каждый из которых в своем составе содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, и водосброс открытого типа, выполненный на одном из береговых склонов и примыкающий к плотине. При этом стоимости плотины гидроузла и его водосброса близки или равны, а водохранилище гидроузла чаще всего является единственным источником, приспособленным для водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов при них [1].
Основные конструктивные особенности таких эксплуатируемых гидроузлов заключаются в следующем:
1. Водонепроницаемым, противофильтрационным устройством плотины является непрерывная мерзлотная ледогрунтовая завеса (то же: стенка), которая обычно создана искусственным замораживанием грунтов ядра плотины, сопряжена с многолетнемерзлнми грунтами основания и в период эксплуатации постоянно поддерживаются в мерзлом состоянии, т.е. плотина нефильтрующая, мерзлая.
2. Головная часть водосброса, как правило, выполнена из бетона и посредством мерзлотной ледогрунтовой завесы сопряжена с многолетнемерзлыми скальными грунтами склона. Эта завеса расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба, создана искусственным замораживанием грунтов и в период эксплуатации охлаждающими установками постоянно поддерживается в мерзлом состоянии.
Недостатки таких осуществленных гидроузлов заключаются в их низкой надежности и высокой стоимости и могут быть объяснены следующими причинами.
1. Заглубление водосброса в многолетнемерзлые скальные грунты склона приводит к нарушению верхнего водогазонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов (то же: плащ, панцирь, корка). Такой мерзлый плащ образовался в начальный период последнего похолодания (ледникового периода) при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в его морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков. Толщина плаща местами увеличивалась снизу вверх за счет отложения дисперсных грунтов и их последующего обводнения и промерзания. По трещинам напряжений, образовавшихся как правило в предыдущие периоды оледенения-потепления, под действием гидравлического уклона вода из-под плаща вытекала в ближайшие места разгрузки. В результате этого под плащом часть глубинных трещин осталась свободной ото льда и дисперсных грунтов - полые трещины [2].
При выполнении выемки под водосброс цельность плаща нарушается, что приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из наполненного водою водосброса и, соответственно, аномально быстрому, оттаиванию многолетнемерзлых грунтов. Так на Иреляхском гидроузле на растепление нарушенного котлованом водосброса левого борта потребовалось 4 года, а на растепление не нарушенного правого борта - более 30 лет, причем, предположительно, в результате распространения оттаивания грунтов от водосброса [3].
Цельность плаща может быть нарушена также при бурении скважин, производимом при изысканиях и выполнении цементационной и/или мерзлотной завесы плотины.
2. После выхода границы растепления за пределы водонепроницаемого ледонасыщенного мерзлого плаща процесс оттаивания мерзлых грунтов проходит с участием системы незаполненных льдом разного порядка полых трещин путем последовательного отсекания от мерзлого массива мерзлых целиков, которые могут быть достаточно большими. Этому способствует то обстоятельство (гипотеза Ягина В.П.), что за многие тысячи лет на поверхности полых трещин могли сохраниться и/или накопиться мелкодисперсные солесодержащие частицы, которые, растворяясь в пионерной воде, повышают ее минерализацию, следовательно, понижают температуру начала ее замерзания, что увеличивает незамерзающий путь пионерной воды по трещине. Более того, на торце потока такой пионерной воды образуется движущийся локальный криопег, высокая минерализация воды в котором при относительно благоприятных условиях (многолетнемерзлые грунты засолены, их температура относительно высокая, а толщина не большая) может обеспечить прохождение потоком всей толщи многолетнемерзлых грунтов до их нижней границы.
Отсеченные талыми слоями мерзлые целики создают между талым грунтом и сплошным мерзлым грунтом переходный слой, толщина которого не выдержана. Этот переходный слой, понятие которого вводится впервые Ягиным В.П., при бурении создает видимость достижения скважиной сплошного мерзлого грунта, что не позволяет правильно назначить величину заглубления противофильтрационной завесы плотины.
Как показывает практика, современными экономически приемлемыми техническими средствами не удается создать в грунтовой плотине, находящейся в предаварийном состоянии, высоконадежную мерзлотную или иную завесу.
3. Оголовок грунтовой плотины промерзает и образует монолитный свод, который зависает над оттаявшими грунтами, что способствует образованию фильтрующей водой промытых каверн и промоин.
4. Сложность контроля над состоянием мерзлотной завесы, следовательно, и за фильтрационной надежностью плотины и водосброса.
Все это у нас ставит под сомнение целесообразность проведения работ по восстановлению водоупорных элементов напорного фронта с помощью противофильтрационной завесы на ряде гидроузлов, находящихся практически в аварийном состоянии в условиях Крайнего Севера. Так на Сытыканском гидроузле распространение талика вправо и влево от водосброса достигало десятки метров в год, что превысило все ранее сделанные прогнозы, при этом по глубине и ширине талик вышел за контролируемые пределы [4].
Известна также грунтовая плотина мерзлого типа, которая возведена на предварительно промороженном основании из промороженных несвязных грунтов и покрыта со стороны верхнего бьефа эластичным противофильтрационным элементом (геомембрана из полимерного материала), сопряженным с мерзлым основанием посредством зуба [5].
Во-первых, сопряжение геомембраны с мерзлым основанием посредством зуба без искусственного промораживания его при эксплуатации не надежно, особенно в случае нарушения зубом цельности верхнего водонепроницаемого мерзлого слоя (плаща), когда в процессе выполнения зуба коренные породы разуплотняются с образованием дополнительных трещин. В результате этого водонепроницаемость контакта суглинка с такими коренными породами даже в промороженном состоянии не обеспечивается. Во-вторых, конструкция грунтовой плотины гидроузла не увязана с водосбросом, известные конструкции которого на многолетнемерзлых грунтах в обход фунтовой плотины сложны и/или ненадежны.
Из источника [6] известно, что на ранее описанном Сытыканском гидроузле в 2004 году была ликвидирована интенсивная фильтрация воды через береговую часть водохранилища путем создания посредством полимерной пленки противофильтрационного экрана. При этом пленочное полотнище площадью 6000 кв. м на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед. Осуществленный пример наглядно демонстрирует эффективность работы противофильтрационного пленочного экрана в условиях Крайнего Севера.
Известна охлаждающая установка, содержащая наружный теплообменник, который представляет собой объединенные коллекторами наружные трубы, отдающие тепло жидкого теплоносителя при его вынужденной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, представляющий собой расположенные в грунте и объединенные коллекторами замораживающие (охлаждающие) трубы [7].
В такой установке замораживающие трубы по длине при необходимости могут быть изогнутыми и иметь переменную площадь поперечного сечения. Однако для конвекции жидкого теплоносителя установка должна быть снабжена насосом, постоянно работающим при низких температурах наружного воздуха, что усложняет эксплуатацию установки.
Общеизвестен способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, плотина которого создает на водотоке водохранилище, из которого в течение года осуществляют забор воды для потребителя. При этом в теплое время года водохранилище до заданного безопасного уровня наполняю приточной водой с последующим выпуском избыточной воды из водохранилища посредством открытого водосброса, а в холодный период года забор воды для потребителя осуществляют с одновременной сработкой водохранилища до допустимого уровня [1, 3 и 4].
Недостатки такого способа эксплуатации гидроузла заключаются в следующем.
Во-первых, для обеспечения интенсивного потребления воды в течение всего холодного периода года необходима большая емкость водохранилища, поэтому плотина гидроузла будет высокой, а площадь ложа водохранилища может многократно превысить квадратный километр (например, площадь водохранилища Иреляхского гидроузла более 4-х км кв.). Во-вторых, в таком гидроузле в условиях многолетнемерзлых грунтов противофильтрационные устройства будут недостаточно надежными и/или чрезмерно затратными.
Известен гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, включающий грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, и водосброс открытого типа, расположенный между глухими участками грунтовой плотины. Грунтовая плотина снабжена противофильтрационным устройством в виде непрерывной вдоль плотины ледогрунтовой стенки, выполненной посредством замораживающих колонок в центральной зоне плотины и сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами основания. Водосброс выполнен в виде цельной гибкой габионной конструкции, усиленной выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами и поперечными элементами и заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану, выполненную из полимерного материала [8].
В известном гидроузле повышена надежность за счет выполнения водосброса открытого типа между глухими участками грунтовой плотины, т.е. водосброс выполнен в виде водосливного участка грунтовой плотины, что предотвращает заглубление такого водосброса в многолетнемерзлые грунты, следовательно, не приводит к нарушению водонепроницаемого мерзлого плаща. Одновременно снижены затраты на выполнение водосброса, следовательно, и гидроузла в целом. Однако из-за противофильтрационной ледогрунтовой стенки, которая относительно жесткая, конструктивно сложная, трудно выполнимая вдоль всей грунтовой плотины и трудно ремонтируемая при эксплуатации, надежность водоснабжения потребителей остается низкой а затраты на гидроузел в целом - высокими, что препятствует решению нижеуказанной задачи и получению нижеуказанного технического результата.
Известна охлаждающая установка, включающая наружный теплообменник, представляющий собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, представляющий собой расположенную в грунте изогнутую по длине замораживающую трубу, диаметр которой меньше диаметра трубчатого расширителя. Замораживающая труба входным (напорным) концом гидравлически сообщена с нижней частью трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью этого же трубчатого расширителя [9].
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известной охлаждающей установки, является ее сложность и не достаточная эффективность при выполнении и эксплуатации линейной мерзлотной завесы, например, под входным порогом гидроузла, когда требуется выполнение охлаждающих установок, по меньшей мере, по одной на каждом борту входного оголовка. При этом эаправка (дозаправка) таких охлаждающих установок жидким теплоносителем может осуществляться только с обоих бортов входного порога. Все это обусловлено тем, что замораживающая труба охлаждающей установки в грунте изогнута на 180 градусов и возвращена назад к своему трубчатому расширителю.
Известен способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, плотина которого создает на водотоке водохранилище, из которого в течение года осуществляют забор воды для потребителя. При этом в теплое время года водохранилище до заданного безопасного уровня наполняют приточной водой с последующим выпуском избыточной воды из водохранилища посредством водосброса, а в холодный период года забор воды для потребителя осуществляют при одновременном возврате из нижнего бьефа воды, профильтровавшей из водохранилища [1, 3 и 4].
Такие водохранилища, как правило, находятся в предаварийном состоянии, а их эксплуатация может носить только временный вынужденный характер.
3
Например, по данным источника [3] на Иреляхском гидроузле только за холодный период 1999-2000 г.г. потери на фильтрацию составили 12 млн. м или почти 70% полезного объема водохранилища. В это же время по данным источника [4] на Сытыканском гидроузле возврат воды из нижнего бьефа в водохранилище осуществлялся с еще большей интенсивностью. Там же высказано опасение, что фильтрационный расход может существенно увеличиться, а годовые фильтрационные потери могут многократно превысить емкость водохранилища.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, охлаждающая установка и способ эксплуатации гидроузла, является повышение надежности водоснабжения потребителей и экономия средств во время создании и эксплуатации гидроузла.
Единый технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в том, что:
- полностью предотвращено нарушение водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при создании и эксплуатации гидроузла;
- повышена надежность противофильтрационных устройств гидроузла;
- упрощены конструкции противофильтрационных устройств;
- упрощено наблюдением за работой противофильтрационных устройств;
- повышена ремонтопригодность противофильтрационных устройств;
- уменьшены площадь ложа водохранилища и высота грунтовой плотины;
- упрощены работы по возведению сооружений;
- упрощено прогнозирование оттаивания многолетнемерзлых грунтов в основании сооружений и наблюдение за их оттаиванием.
Указанный технический результат достигается тем, что гидроузел на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов содержит грунтовую плотину, создающую на водотоке водохранилище, противофильтрационная водонепроницаемая геомембрана которого выполнена из полимерного материала и расположена на напорном откосе плотины и на дне чаши водохранилища, водосброс открытого типа и входной порог. Водосброс выполнен между глухими частями грунтовой плотины в виде габионной конструкции, усиленной выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами и поперечными элементами и заключенной снизу и с боков в водонепроницаемую геомембрану из полимерного материала. Эта геомембрана в пределах головной части открытого водосброса до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена с геомембраной водохранилища. Входной порог расположен при впадении водотока в водохранилище, выполнен из габионов, связанных между собой и образующих цельную гибкую габионную конструкцию, снизу и с боков заключенную в теплоизоляционную оболочку и водонепроницаемую геомембрану, которая до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена с геомембраной водохранилища, а посредством мерзлотной завесы - с многолетнемерзлыми грунтами основания и бортов. Эта мерзлотная завеса расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба, прорезающего талик под руслом водотока и сезоннооттаивающий слой в бортах водотока до верхней границы многолетнемерзлых грунтов, а мерзлотная завеса выполнена посредством, по меньшей мере, одной охлаждающей установки, замораживающие трубы которой расположены вдоль зуба и изогнуты.
Дополнительно:
- входной порог снабжен диафрагмой, выполненной поперек водотока из геомембраны, и водосбросной трубой, расположенной между габионами, водонепроницаемо пересекающей диафрагму и обеспечивающей забор воды из талика водотока и сосредоточенный пропуск этой воды через входной порог в водохранилище;
- гидроузел по периметру водохранилища содержит водонепроницаемую мерзлотную насыпь, образующую над многолетнемерзлыми грунтами нагорную канаву, которая круглогодично обеспечивает перехват поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды и отвод этой воды в водохранилище или за его пределы;
- усиливающие габионную конструкцию продольные длинномеры имеют тавровый профиль, а поперечные элементы - профиль круглой трубы;
- по меньшей мере, один продольный длинномер имеет профиль круглой трубы, приспособленной к пропуску воды в режиме сифона;
- водосбросная труба входного оголовка выполнена из полиэтилена;
- нагорная канава содержит водоприемную призму, в которой размещена выполненная из полиэтилена с перфорацией отводящая труба.
Во-первых, полная гидроизоляция водохранилища и водосброса от многолетнемерзлых грунтов основания посредством водонепроницаемой геомембраны, во-вторых, предотвращение проникновения воды из руслового талика и с бортов водохранилища под геомембрану к многолетнемерзлым грунтам посредством входного порога и мерзлотной насыпи, причем без заглубления в многолетнемерзлые грунты, в существенной мере обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.
Указанный технический результат достигается также тем, что охлаждающая установка содержит установленные на заданном расстоянии друг от другого два наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и два грунтовых теплообменника, каждый из которых представляет собой расположенную в грунте изогнутую по длине замораживающую трубу. Диаметр каждой замораживающей трубы меньше диаметра трубчатого расширителя. Одна замораживающая труба гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью одного (первого) трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью другого (второго) трубчатого расширителя. Другая замораживающая труба гидравлически сообщена входным концом с нижней частью второго трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью первого расширителя. Сливные отверстия выходных концов замораживающих труб расположены на одном высотном уровне.
Именно включение двух трубчатых расширителей (наружный теплообменник) и двух замораживающих труб (грунтовый теплообменник) в одну заполненную жидким теплоносителем охлаждающую установку по ранее указанным правилам упрощает конструкцию и эксплуатацию охлаждающей установки и повышает ее эффективность при выполнении и эксплуатации мерзлой завесы под входным порогом. Все это также способствует достижению вышеуказанного технического результата.
заб
прит
доп
Указанный технический результат достигается также тем, что способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, верховой откос плотины и чаша водохранилища которого покрыты противофильтрационной водонепроницаемой геомембраной, включает наполнение водохранилища приточной водой до безопасного уровня в теплый период года, последующий выпуск части приточной воды из водохранилища посредством водосброса и забор воды из водохранилища для потребителя в течение года с одновременной сработкой водохранилища до допустимого уровня к концу холодного периода года, который характеризуется превышением интенсивности забора воды из водохранилища Q над интенсивностью притока воды в водохранилище Q. В холодный период года в водохранилище подают из приспособленного источника дополнительную воду интенсивностью Q, удовлетворяющей условию
доп
пот
прит
хп
Q≥W-W/Т,
пот
где W - расчетный объем потребления' воды за холодный период года;
прит
W - объем забираемой из водохранилища приточной воды за холодный период года, определяемой из водного баланса водохранилища;
хп
Т - продолжительность холодного периода года.
Именно подача в холодный период года в водохранилище дополнительной воды из вновь приспособленного источника обеспечивает круглогодичное водоснабжение потребителей из «малого» водохранилища, созданного на водотоке посредством низкой плотины и имеющего в сравнении с обычными водоснабженческими водохранилищами меньшую площадь ложа. Это уменьшает площадь противофильтрационного устройства в виде водонепроницаемой геомембраны, следовательно, повышает надежность противофильтрационного устройства и уменьшает затраты на его создание и эксплуатацию. Сэкономленные при этом средства компенсируют затраты на подачу дополнительной воды из приспособленного источника. Все это способствует достижению вышеуказанного технического результата.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемому гидроузлу на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов, охлаждающей установке и способу эксплуатации гидроузла, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявляемых изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с признаками каждого заявляемого изобретения, показал, что они не все следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния существенными признаками каждого из заявляемых изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения. Действительно, гидроузел, охлаждающая установка и способ эксплуатации гидроузла предназначены для создания и эксплуатации на водотоке сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов водоснабженческого гидроузла, водохранилище которого в теплый период года аккумулирует приточную воду малорасходного водотока, а в холодный период года принимает дополнительно подаваемую из иного источника воду. Причем новая охлаждающая установка предназначена для устройства (изготовления) также нового входного порога заявляемого гидроузла. Заявляемые изобретения решают одну и ту же задачу - повышение надежности водоснабжения потребителей и экономия средств во время создания и эксплуатации гидроузла.
Изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - план гидроузла;
на фиг.2 - плотина, разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - водосброс, разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг.4 - входной порог, разрез В-В на фиг.1;
на фиг.5 - входной порог, разрез Г-Г на фиг.4;
на фиг.6 - мерзлотная насыпь, разрез Д-Д на фиг.1;
на фиг.7 - наружный теплообменник охлаждающей установки, левый борт, узел А на фиг.5;
на фиг.8 - изменение уровня воды в водохранилище в течение года.
Гидроузел содержит грунтовую плотину (далее: плотина) 1, которая на водотоке 2 сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов 3 создает водохранилище 4, включающую противофильтрационную водонепроницаемую геомембрану (далее: геомембрана) 5, водосброс 6 открытого типа и входной порог 7, расположенный при впадении водотока 2 в водохранилище 4.
Грунтовая плотина 1 состоит из двух глухих частей 8 и расположенной между ними на правобережном пойменном участке водосливной части 9, непосредственно над которой выполнена головная часть 10 и прилегающая к ней часть лотка 11 водосброса 6.
Геомембрана 5 выполнена из полимерного рулонного материала и расположена на напорном откосе 12 тела 13 плотины 1 и на дне 14 чаши водохранилища 4 [фиг.2].
Водосброс 6 выполнен в виде габионной конструкции 15, заключенной снизу и с боков в геомембрану 16 (защитные прокладки геомембраны на фиг.3 условно не показаны). Эта геомембрана 16 выполнена водонепроницаемой из полимерного материала и в пределах головной части 10 водосброса 6 до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена с геомембраной 5 водохранилища 4. Водосброс 6 посредством отводящего канала 17 сопряжен с водотоком 2. Габионная конструкция 15 выполнена из связанных между собой проволокой габионов 18, корзины которых выполнены из проволочной сетки, имеют коробчатую прямоугольную форму с размерами, например, 1×1×2 метра и заполнены каменным материалом [10]. Габионная конструкция 15 усилена выполненными из профильного металлопроката продольными длинномерами 19 и поперечными элементами 20. Длинномеры 19 имеют тавровый профиль, а поперечные элементы 20 имеют профиль круглой трубы, как наиболее безопасный для прилегающих к ней габионов водобойной стенки 21. Целесообразно, например, расположенный по середине проточной части водосброса 6 продольный длинномер выполнить в виде круглой трубы 22, приспособленной к пропуску воды в режиме сифона.
Входной порог 7 (фиг.4 и фиг.5) выполнен из габионов 23, которые аналогичны габионам 18, связаны между собой и образуют цельную гибкую габионную конструкцию. Эта конструкция снизу и с боков заключена в теплоизоляционную оболочку 24, выполненную, например, из пенополистирола, и водонепроницаемую геомембрану 25, выполненную из полимерного рулонного материала. Неплотности (полости) между габионами 23 заполнены, например, пенопластом 26. Геомембрана 25 до заданного уровня водонепроницаемо сопряжена непосредственно с геомембраной 5 водохранилища 4, а посредством мерзлотной завесы 27 - с многолетнемерзлыми грунтами 3 основания 28 и бортов 29. Мерзлотная завеса 27 расположена вдоль заполненного связным грунтом зуба 30, который под руслом водотока 2 прорезает талик 31, а в бортах 29 - сезоннооттаивающий слой 32 (см. фиг.2 и фиг.6), причем до верхней границы 33 многолетнемерзлых грунтов 3. Эта мерзлотная завеса 27 выполнена посредством двух охлаждающих установок 34, замораживающие трубы 35 и 36 которых изогнуты.
Входной порог 7 дополнительно снабжен диафрагмой 37, выполненной поперек водотока из геомембраны и сопряженной с геомембраной 25, и водосбросной трубой 38. Эта водосбросная труба 38 выполнена из полиэтилена, расположена между габионами 23, водонепроницаемо пересекает диафрагму 37 и обеспечивает забор воды из талика 31 водотока 2 и сосредоточенный пропуск этой воды, способной образовать в холодный период года опасную наледь, через входной порог 7 в водохранилище 4.
Гидроузел по периметру водохранилища 4 содержит водонепроницаемую мерзлотную насыпь 39, образующую над многолетнемерзлыми грунтами 3 нагорную канаву 40, которая круглогодично обеспечивает перехват поверхностной и грунтовой (надмерзлотной) воды и ее отвод. При этом нагорная канава 40 содержит водоприемную призму 41, в которой размещена выполненная из полиэтилена с перфорацией и выпусками отводящая труба 42 (фиг.6).
Особенность конструкции охлаждающей установки 34 заключается в том, что она содержит два наружных теплообменника, установленных по одному на разных бортах 29 входного порога 7, и два грунтовых теплообменника. Каждый наружный теплообменник представляет собой трубчатый расширитель, соответственно, 43 (левый борт) и 44 (правый борт), а каждый грунтовый теплообменник - расположенную в грунте ранее указанную изогнутую по длине замораживающую трубу, соответственно 35 и 36.
Трубчатые расширители 43 и 44 установлены друг от друга на минимально возможном заданном расстоянии, обычно не превышающем 20-25 м, и обеспечивают отдачу тепла жидкого теплоносителя, обычно керосина, при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху. Диаметр каждой замораживающей трубы 35 и 36 меньше диаметра трубчатого расширителя 43 и 44. При этом замораживающая труба 35 гидравлически сообщена входным (напорным) концов 45 с нижней по высоте частью 46 трубчатого расширителя 43, а выходным (сливным) концом 47 - со средней частью 48 трубчатого расширителя 44. Замораживающая труба 36 гидравлически сообщена входным концом 49 с нижней частью 50 трубчатого расширителя 44, а выходным концом 51 - со средней частью 52 трубчатого расширителя 43. Сливные отверстия выходных концов 47 и 51 замораживающих труб 35 и 36 расположены на одном уровне 53 (фиг.7).
На чертежах позициями обозначены и другие элементы конструкций и среды, а именно:
54 - защитная призма (плотины);
55 - водонепроницаемый плащ (мерзлая корка);
56 - уровень керосина в трубчатом расширителе летом;
57 - уровень керосина в трубчатом расширителе зимой;
58 - уровень (плоскость) сравнения;
59 - крышка с резьбой;
60 - отверстие для слива;
61 - водовод подачи воды из водохранилища потребителям;
62 - водовод подачи дополнительной воды в водохранилище из вновь приспособленного источника.
Создание гидроузла осуществляют в следующей последовательности.
Один-два теплых периода года возводят правобережную часть плотины 1 с водосбросом 6 и осуществляют укладку геомембраны 5 на подготовленное дно 14 чаши водохранилища 4 на всей незатопляемой площади.
Затем за один холодный период года после прекращения поверхностного стока в водотоке 2 и до весенне-летнего паводка выполняют следующие работы:
- завершают возведение грунтовой плотины 1, включая укладку геомембраны 5 на напорный откос 12 тела 13, затем отсыпают защитную призму 54;
- завершают укладку геомембраны 5;
- возводят мерзлотную насыпь 39 и входной порог 7.
Особенность возведения входного порога 7 заключается в том, что работы осуществляют преимущественно после промерзания талика 31 водотока 2, а в зуб 30 укладывают послойно с уплотнением талый суглинок. Этот суглинок заготавливают в теплый период года и хранят его в теплоизолированном бурте. Затем зуб 30 посредством охлаждающей установки 34 промораживают.
Особенность работы гидроузла при эксплуатации заключается в следующем.
1. Геомембраны 5 плотины 1, 16 водосброса 6 и 25 входного порога 7 обеспечивает полную гидроизоляцию водохранилища 2 от многолетнемерзлых грунтов 3.
2. Мерзлотная завеса 27 входного порога 7 и мерзлотная насыпь 39 нагорной канавы 40 круглогодично предотвращают проникновение воды из подруслового талика 31 и с бортов водохранилища 2 под геомембрану 5 к многолетнемерзлым грунтам 3. Это предотвращает конвекционный вынос тепла из-под геомембраны 5, что замедляет оттаивание многолетнемерзлых грунтов 3.
3. При движении потока воды по головной части 10 и лотку 11 водосброса 6 его водонепроницаемая геомембрана 16 предотвращает водонасыщение плотины 1. Это повышает устойчивость всей габионной конструкции водосброса 6 на сдвиг в направлении потока и защищает многолетнемерзлые грунты 3 от оттаивания. При этом большая часть воды движется по лотку 11, водобойные стенки 21 которого совместно с поперечными элементами 20 обеспечивают перепадную форму течения воды по лотку 11 с образованием прыжка перед каждой водобойной стенкой 21, что обеспечивает интенсивное гашение энергии потока. При этом сдвигающее гидродинамическое воздействие потока посредством продольных длинномеров 19 и трубы 22 частично передается с габионов 18 на всю головную часть 10 водосброса 6 и на плотину 1. Малые меженные расходы могут быть пропущены только малорасходной трубой 22, работающей в сифонном режиме. Способ зарядки этой трубы-сифона и необходимые для этого устройства задаются и разрабатываются проектом.
4. Высокая эластичность геомембраны 5, 16 и 25, а также гибкость габионной конструкции 15 водосброса 6 и габионной конструкции входного порога 7 обеспечивают высокую приспособляемость сооружений гидроузла к деформациям при оттаивании мерзлых грунтов 3. По этим деформациям судят о работе геомембраны и делают прогноз дальнейшего оттаивания грунтов 3.
5. Выполнение труб водосбросной 38 и отводящей 42 из полиэтилена обеспечивает высокую надежность этих труб при деформациях и замерзании в них воды.
6. В предложенном гидроузле оттаивание мерзлых грунтов 3 происходит сверху вниз, при этом в соответствии с законами теплотехники на растепление искусственно созданным водохранилищем насыщенного льдом мерзлого плаща 55 многолетнемерзлых грунтов 3 естественным путем требуется длительное время. Оттаявшие под геомембраной 5 грунты уплотняются гидростатическим давлением, поэтому интенсивность фильтрации воды, в случае ее проникновения под геомембрану 6, по такому уплотненному талому слою уменьшается. Одновременно с этим по мере оттаивания грунтов водонепроницаемый плащ 55 естественным путем опускается (утолщается) вниз в многолетнемерзлые грунты 3 без нарушения своей водонепроницаемости (гипотеза Ягина В.П.).
7. В случае утечки воды из водохранилища 2 в холодный период года, особенно после промерзания подруслового талика 31, в нижнем бьефе гидроузла с неизбежностью появится наледь. По величине этой наледи судят об интенсивности утечки воды из водохранилища 4.
8. Принцип работы предложенной охлаждающей установки 34 основан на известном свойстве жидкого теплоносителя, например керосина, изменять плотность при изменении температуры. Так керосин при охлаждении на один градус уменьшает объем и увеличивает плотность на 0,11%. Поэтому свободная поверхность керосина в гидравлически сообщающихся трубчатых расширителях 43 и 44 зимой опускается с летнего уровня 56 до зимнего уровня 57. При этом зимой на любом наземном уровне (плоскости) сравнения 58 (фиг.5), пересекающем концы замораживающих труб 35 и 36, гидростатическое давление более холодного керосина в напорных концах 45 и 49 будет выше, чем гидростатическое давление менее холодного керосина в сливных концах 47 и 51. Именно это обстоятельство обеспечивает естественную конвекцию керосина в охлаждающей установке 34, при которой через наружную поверхность трубчатых расширителей 43 и 44 происходит отдача холодному наружному воздуху тепла, вынесенного керосином из грунта.
Эффективность работы расширителей 43 и 44 может быть повышена их оребрением - ребра на чертежах не показаны. Геометрические параметры теплообменников охлаждающей установки, объем керосина и его уровней в установке при разных условиях, а также холодопроизводительность установки определяются при проектировании расчетом. При этом приспосабливают известные методики, например, из источника [9].
Способ эксплуатации гидроузла, созданного на водотоке 2 сезонного действия в условиях многолетнемерзлых грунтов 3, верховой откос плотины 1 и дно 14 чаши водохранилища 4 которого покрыты противофильтрационной водонепроницаемой геомембраной 5, осуществляют следующим образом (фиг.8).
заб
прит
доп
В теплый период года водохранилища 2 наполняют приточной водой до нормального подпорного уровня (НПУ), после чего приточную воду посредством открытого водосброса 6 из водохранилища 2 выпускают в нижний бьеф гидроузла с допущением поднятия уровня воды (УВ) в водохранилище 2 до форсированного подпорного уровня (ФПУ). Одновременно с этим непрерывно в течение года по водоводу 61 осуществляют подачу воды из водохранилища 2 для потребителей при одновременной сработке водохранилища 2 в холодный период года до уровня запаской регулирующей емкости (ЗРЕ). Этот уровень ЗРЕ выше уровня мертвого объема (УМО) или, как крайний случай, равен ему. При этом холодный период года характеризуется превышением интенсивности забора воды из водохранилища Q над интенсивностью притока воды в водохранилище Q. В такой холодный период года, не дожидаясь сработки уровня воды в водохранилище 2 до ЗРЕ или УМО, в водохранилище 2 (на фиг.8 такой уровень изображен пунктиром) из вновь приспособленного источника по водоводу 62 подают дополнительную воду интенсивностью Q, удовлетворяющей условию
доп
пот
прит
хп
Q≥W-W/T,
пот
где W - расчетный объем потребления воды за холодный период года;
прит
W - объем забираемой из водохранилища приточной воды за холодный период года, определяемой из водного баланса водохранилища;
хп
Т - продолжительность холодного периода года.
Источником дополнительной воды может служить водоток, действующий непрерывно в течение всего года. Однако на Крайнем Севере сеть таких водотоков исключительно редкая, и они часто находятся на большом расстоянии от потребителя. Поэтому круглогодичное водоснабжение потребителя только из такого непрерывно действующего, но удаленного от потребителя водотока связано с высокими затратами на выполнение и эксплуатацию длинного высокорасходного водовода. При этом для обеспечения надежности водоснабжения необходимо создание при потребителе запасной регулирующей емкости, т.е. водохранилища.
В таких условиях предложенный гидроузел, во-первых, снижает продолжительность и интенсивность подачи дополнительной воды из отдаленного источника, примерно, в два раза, во-вторых, гидроузел выполняет функцию запасной регулирующей емкости.
3
На ранее упомянутых Иреляхском и Сытыканском гидроузлах, находящихся в предаварийном состоянии, вследствие деградации мерзлоты естественным путем образовались подземные хранилища, водовместимость каждого из которых оценочно превысила миллион м. Эти хранилища после выведения гидроузлов из эксплуатации также могут быть использованы в качестве источника дополнительной воды для вновь создаваемого вблизи гидроузла.
Приведенные сведения показывают, что при осуществлении заявленной группы изобретений выполняются следующие условия:
- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при создании водоснабженческих гидроузлов в условиях Крайнего Севера;
- для заявленных изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов;
- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленные изобретения соответствуют условию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации
1. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983.
2. Ягин В.П., Вайкум В.А. Опорная гидрогеологическая схема-гипотеза многолетней мерзлоты с учетом истории геокриологического развития территории и применительно гидротехнического строительства. Интеллектуальный продукт. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.
3. Гидроузел на реке Ирелях. Восстановление напорного фронта в теле и основании плотины. ТЭО. Пояснительная записка 023-ИШ-002-ПЗ. ООО «ПСК «Геостройпроект». М., 2003.
4. Алешин Д.В., Шишов И.Н., Федосеев В.И. Восстановление напорного фронта гидроузла на реке Сытыкан. // Гидротехническое строительство. 2004. №12.
5. Патент Российской Федерации №2310035, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.11.2007.
6. Патент Российской Федерации №2267576, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.01.2006.
7. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я.Вели, В.И.Докучаева, Н.Ф.Федорова. Л., Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1977. С.246-252.
8. Патент Российской Федерации №2374387, кл. Е02В 7/06, опубл. 27.11.2009.
9. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями / Воронежский инж. строит, ин-т. М.: Транспорт, 1989. Приложение 9.
10. ГОСТ 52132-2003. Изделия из сетки для габионных конструкций. Технические условия.