КАМЕННО-ЗЕМЛЯНАЯ ПЛОТИНА
COMPOSITE-TYPE ROCKFILL DAM

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, в частности к плотинам из грунтовых материалов, и может быть использовано при создании глубоких водохранилищ на горных реках в сейсмически активных районах
Известны плотины из грунтовых материалов, включающие боковые упорные призмы, переходные зоны и ядро из глинистого грунта, в котором для ускорения консолидации, снижения величины осадок и повышения устойчивости плотины выполнены полости, заполненные дренирующим материалом [1, 2, 3]. Однако эти плотины характеризуются фильтрационной неоднородностью ядра, что осложняет фильтрационный режим сооружения при интенсивном сейсмическом воздействии и появлении неравномерных эксплуатационных деформаций [4]. На такой случай требуется повышение надежности сооружения.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является каменно-земляная плотина с ядром, включающим центральную часть из смеси несвязного минерального грунта с глинистым заполнителем и охватывающую ее замкнутую оболочку из глинистого грунта [5]. Наименование грунтов принято в соответствии с действующим ГСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация».
Размеры центральной части ядра и охватывающей ее оболочки подбираются исходя из соотношения деформационных и фильтрационных свойств грунтов, применяемых для сооружения ядра, переходных зон и боковых упорных призм плотины. Эта плотина обладает большей фильтрационной однородностью ядра и повышенной водонепроницаемостью его в контактных зонах, но также имеет недостаток, который заключается в том, что глинистый грунт оболочки, охватывающей центральную часть ядра, не способен кольматировать водопроводящие трещины, которые могут образовываться в ядре и в скальном основании плотины при землетрясении и при проявлении неравномерных эксплуатационных деформаций.
Вследствие образования трещин и размыва их водой происходит потеря местной фильтрационно-суффозионной прочности ядра, т.е. снижается надежность плотины.
Цель изобретения - повышение надежности плотины на случай интенсивного сейсмического воздействия и проявления неравномерных эксплуатационных деформаций.
Поставленная цель достигается тем, что в известной каменно-земляной плотине с ядром, включающим центральную часть из смеси несвязного минерального грунта с глинистым заполнителем и охватывающую ее замкнутую оболочку, оболочка выполнена из той же смеси с пониженным содержанием несвязного минерального грунта меньшей крупности и с повышенной влажностью глинистого заполнителя.
Таким образом, одновременно с повышением водонепроницаемости ядра в контактных зонах достигается эффект залечивания возникающих трещин за счет их кольматации частицами несвязного минерального грунта при движении воды по трещинам.
Степень снижения содержания несвязного минерального грунта и уменьшения его крупности в смеси, а также степень увеличения влажности глинистого заполнителя зависят от вида применяемых грунтов.
Крупность несвязного минерального грунта в смеси для центральной части ядра подбирается исходя из способа его возведения, а для охватывающей замкнутой оболочки - исходя из прогнозируемой максимальной величины раскрытия трещин.
Предложенная каменно-земляная плотина обладает повышенной надежностью на случай интенсивного сейсмического воздействия и проявления неравномерных эксплуатационных деформаций с образованием водопроводящих трещин в ее ядре и в скальном основании, так как при размыве водой охватывающей замкнутой оболочки по трещинам они кольматируются разновеликими частицами несвязного минерального грунта, входящего в состав смеси вместе с глинистым заполнителем. Возможно упрочнение полотнищами геотекстиля охватывающей центральную часть ядра замкнутой оболочки, что позволяет снизить процессы образования трещин в ядре при воздействии сейсма и при неравномерных эксплуатационных деформациях, что также приводит к повышению надежности сооружения.
В качестве примера на рис. 1 и 2 схематично изображена плотина с вертикальным и наклонным ядром, поперечное сечение, а на рис. 3 - то же, продольное сечение. Плотина имеет ядро, с центральной частью 1 и охватывающей ее оболочкой 2, возводится ядро слоями толщиной 0,3 м. Ядро примыкает посредством бетонной пробки 3 к скальному основанию 4, а сбоку к переходным зонам 5. Ядро и переходные зоны пригружены боковыми призмами 6. Прогнозируемая максимальная величина раскрытия трещин в ядре и в скальном основании плотины 50 мм.
Учитывая послойный способ возведения ядра, его центральная часть 1 выполняется из смеси несвязного минерального грунта, представленного песком, дресвой и щебнем крупностью до 200 мм, с глинистым заполнителем в виде суглинка влажностью 0,08-0,11 при их весовом соотношении в среднем 60% и 40%, а охватывающая оболочка - из той же смеси при среднем соотношении вышеуказанных составляющих 40% и 60% и влажности суглинка 0,12-0,14.
Максимальная крупность частиц грунта в оболочке, охватывающей центральную часть ядра, назначается несколько большей, чем прогнозируемая максимальная величина раскрытия трещин, и составляет 60-80 мм, т.е. уменьшена относительно крупности грунта в центральной части ядра.
В верхней зоне примыкания ядра плотины к бортам скального основания 4, где наиболее вероятно появление трещин разрыва, охватывающая центральную часть ядра замкнутая оболочка 2 может быть упрочнена полотнищами геотекстиля 7, увеличивающими сопротивление грунтовой смеси разрыву. Расположение и разрывная прочность полотнищ геотекстиля определяются расчетом напряженно-деформированного состояния плотины.
Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что предложенная каменно-земляная плотина отличается от прототипа наличием новых признаков в ядре, а именно: охватывающая замкнутая оболочка, внутри которой размещена смесь несвязного минерального грунта, выполнена из той же самой смеси с пониженным содержанием несвязного минерального грунта меньшей крупности и с повышенной влажностью глинистого заполнителя, следовательно, соответствует критерию изобретения «новизна». Кроме того, в верхней зоне примыкания ядра плотины к бортам скального основания охватывающая оболочка может быть упрочнена полотнищами геотекстиля.
Сравнением заявленной каменно-земляной плотины не только с прототипом, но и с другими известными решениями не обнаружено решение, обладающее сходными признаками. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенной каменно-земляной плотины критерию «существенные отличия».
Заявленная каменно-земляная плотина может быть использована при создании глубоких водохранилищ в горных районах Российской Федерации, а также при строительстве Рогунской ГЭС в Таджикистане и Камбаратинской ГЭС в Киргизии.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №644901 «Плотина из местных материалов». Авторы: Б.И. Балыков, Л.В. Горелик, М.П. Павчич. Бюл. №4, 1979.
2. Авторское свидетельство СССР №358463 «Плотина из местных материалов». Автор: В.Ф. Теплов. Бюл. №34, 1972.
3. Авторское свидетельство СССР №897923 «Плотина из местных материалов». Авторы: В.И. Вуцель, В.И. Щербина. Бюл. №2, 1982.
4. Аверьянов В.Н., Борткевич B.C. О способах снижения порового давления в глинистых ядрах каменно-земляных плотин // Природообустройство. Научно-практический журнал, №3, 2016, с. 8-16.
5. Авторское свидетельство СССР №407993 «Каменно-земляная плотина». Автор: С.В. Борткевич. Бюл. №47, 1973.