Грунтовая плотина талого типа на вечномерзлом основании
THAW-TYPE EMBANKMENT DAM ON A PERMAFROST FOUNDATION

На большей части строящихся северных гидроузлов и отдельных сооружений до настоящего времени отдается предпочтение мерзлому типу плотин (Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - с. 35-41), тогда как мерзлотно-геологические условия все чаще предрасполагают к выбору сооружений талого типа, особенно если учитывать участившиеся случаи аварийных ситуаций на мерзлых плотинах и надвигающуюся остроту проблемы глобального потепления, особенно актуальную в криолитозоне. Поэтому в ближайшей перспективе строительство здесь талых плотин становится более предпочтительным.
Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении грунтовых плотин и дамб талого типа на термопросадочных льдонасыщенных вечномерзлых основаниях в криолитозоне (зоне вечной мерзлоты).
Известно техническое решение песчаных свай-дрен, прорезающих поверхностную зону льдонасыщенных пород основания плотины и рассматриваемое в качестве аналога. Наряду с технологическими трудностями (бурение многочисленных скважин и оборудование в них песчаных свай) не исключены и не ограничены значительная осадка и другие деформации полностью построенной плотины в течение длительного эксплуатационного периода. Данное решение использовалось в зарубежной практике (Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - с. 52, рис. 4.1) и пока не нашло применения в отечественном плотиностроении.
51
Известна система дренирования оттаивающего мерзлого основания плотины (дамбы) в криолитозоне (Патент 2528700 Российская Федерация, МПК Е02 В7/06. Грунтовая плотина / Кузнецов Г.И., Балацкая Н.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ) - №2013114868/13; заявл. 02.04.2013; опубл. 20.09.2014). В этом техническом решении по внешнему контуру верхового и низового откосов в основании плотины устраиваются заполняемые песком (или другим дренирующим грунтом) питающая и отводящая дренажные прорези на глубину льдонасыщенного поверхностного слоя, а на дно отводящей прорези укладывается трубчатая дрена. По этой прорези отводится вода, выдавливаемая из основания по мере его оттаивания и консолидации грунта под весом постепенно наращиваемой насыпи. Питающая прорезь используется для фильтрационного питания системы с целью ускорения процесса оттаивания на этапе строительства. После завершения процесса оттаивания эту прорезь используют для продолжения процессов дренирования и консолидации в оттаянном слое.
Данному техническому решению, рассматриваемому в качестве прототипа, также свойственны определенные недостатки, ограничивающие возможную сферу его применения. В частности, оттаивание льдистого слоя, дренирование и уплотнение оттаявшего грунта под действием веса сооружения продолжаются в течение ряда лет и растягиваются на весь период строительства и даже включают начальный этап эксплуатационного периода. Интенсивность оттаивания, дренирования и консолидации оттаявших грунтов зависит от температуры и заметно усложняется в зимний период. Сложно решается вопрос незамерзающего отвода воды, отжимаемой из оттаиваемого слоя, и, что наиболее важно, происходят деформации уже построенной части сооружения.
В предлагаемом техническом решении питающие дренажные прорези располагаются вдоль водного потока и, соответственно, вдоль подруслового талика на обоих склонах долины реки (ручья), используемой для создания водохранилища. Функции же отводящей дрены выполняются подрусловым таликом, заполненным естественными водопроницаемыми отложениями -песком, песчано-гравийной смесью, гравием, щебнем и т.п.
В конце строительного периода в пределах фильтрующего талика выполняется локальное противофильтрационное устройство (инъекционная завеса, бетонная стенка и др.), сопрягающееся с водоупорными и слабопроницаемыми коренными породами в береговых склонах и в подошве талика. Создание этого устройства не требует предпостроечного оттаивания и может быть выполнено известными способами.
Вода, необходимая для организации, фильтрационно-тепловых потоков в береговых склонах создаваемого водохранилища (включая подошву тела плотины и располагаемые в ней противофильтрационные или дренажные устройства) подается в питающие дренажные прорези из сохраняемого в строительный период руслового потока по временным строительным водоводам. В дальнейшем русловой сток используется для заполнения водохранилища и поглощается общим фильтрационным потоком.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание более эффективной системы предпостроечной фильтрационно-дренажной тепловой подготовки льдонасыщенного основания плотины талого типа с использованием естественных источников тепла; такими источниками могут быть подрусловые талики, сохранение которых в створах мерзлых плотин становится бесперспективным или вообще невозможным.
В предлагаемом способе весь процесс тепловой и фильтрационной подготовки основания плотины может быть сокращен до минимума.
Сущность предлагаемого технического решения заключается прежде всего в том, что предпостроечное оттаивание основания плотины талого типа и льдонасыщенных грунтов береговых склонов водохранилища выполняется непременно в строительный период и не включает в себя начальный этап эксплуатационного периода. Процесс оттаивания не затрагивает работу полностью готового сооружения, не влияет на эксплуатацию водохранилища и не становится отрицательным фактором в отношении устойчивости плотины и бортов водохранилища. Энергозатраты, неизбежные при подаче воды в питающие дренажные прорези, также прекращаются с окончанием строительного периода.
Изобретение поясняется чертежами, на которых схематично изображены план (фиг.1) и поперечный разрез (фиг.2) плотины и фильтрационно-дренажной системы; сплошными линиями обозначено готовое сооружение, пунктирными - технологические детали, выполняющиеся в строительный период.
Сооружение включает тело плотины 1, выполненное из карьерного грунта, размещенное на основании 2, верхний слой 3 которого сложен льдонасыщенными термопросадочными грунтами, подлежащими предпостроечному оттаиванию, а нижний слой 4 сложен малольдистыми породами.
На бортах водохранилища расположены питающие дренажные прорези 5, заполненные водопроницаемыми (дренирующими) грунтами и прорезающие слой 3 на всю его глубину. После завершения фильтрационно-тепловой предпостроечной подготовки основания плотины фильтрующий грунт из питающих прорезей 5 удаляется, и они заполняются нефильтрующим грунтом или заделываются иным способом (например, при локальной инъекции подземного контура плотины).
По поверхности бортов будущего водохранилища прокладываются временные водоводы 6, подающие воду из руслового водотока 7 в питающие прорези и отводящие ее из них после завершения процедуры оттаивания. В русле водотока оборудуется временный (строительный) водозабор 8. Границы подруслового талика обозначены позицией 9. Отметка гребня плотины на Фиг. 2 обозначена позицией 10.
Фильтрационно-тепловая подготовка основания 2 плотины 1 осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе в теплый период первого года строительства выполняется планировка основания 2 и проходка траншей для устройства питающих прорезей 5. Затем оборудуются прорези 5, временные водоводы 6 и русловой водозабор 8, водоводы подключаются к водозабору, и начинается подача воды в прорези 5 (этот процесс прерывается в периоды наиболее лютых морозов и продолжается в очередной теплый сезон года). Вода из прорезей постепенно просачивается в оттаивающий грунт слоя 3, содержащиеся в нем подземные льды и мелкие ледяные включения вытаивают, и происходит тепловая просадка всего слоя 3, его дренирование и консолидация в заданных проектом пределах. Этот процесс завершается в строительный период, что предусматривается календарным графиком строительства. После завершения работ по предпостроечному оттаиванию выполняются основные работы по возведению тела плотины 1. Избыточная вода, закачанная в питающие дренажные прорези 5 и не использованная в процессе фильтрации, отводится по временным канавам или перебрасывается в другие прорези.