ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА
GROUND DAM

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, предназначенным для удержания подпора воды в створе водотока и для защиты территорий от наводнений при паводках.
Известны грунтовые плотины из однородного песчаного материала, включающие тело плотины с верховым и низовым откосами и дренажем в зоне сопряжения низового откоса с основанием (Гидротехнические сооружения, справочник проектировщика, М.: Стройиздат, 1983 г., стр. 490-491, рис. 20.3; 20.4; 20.5 и 20.6).
Указанные типы сооружений по условиям устойчивости и фильтрационной прочности требуют формирования пологих откосов с заложением откосов 1:3 и более. Для таких конструкций требуется большой объем грунта, соответственно значительные затраты на его заготовку в карьерах, транспортировку и укладку в тело сооружения.
Известны сооружения, где для крепления откосов используются композитные материалы (пат.RU №2610699, МПК Е02В 3/02, опубл. 14.02.2017; пат. RU №2616301, опубл. 14.04.2017, пат. RU №2614072, опубл. 22.03.2017).
Недостатком плотин является сложность конструкций, а также низкая эффективность дренажного устройства.
Известна грунтовая плотина (пат.RU №100527, МПК Е02В 7/06, опубл. 10.11.2010), по технической сущности и достигаемому результату наиболее близкая к заявляемому сооружению и принятая за его прототип. Плотина включает верховой откос, порог, низовой откос, элементы крепления, размещенные по низовому откосу плотины, армирующие сетки, анкерные устройства и гибкие оболочки. При этом порог выполнен многослойным, состоящим из ряда слоев гибких оболочек, а армирующие сетки выполнены из тканого синтетического материала. Гибкие оболочки из тканого синтетического материала заполнены местным песчаным грунтом и имеют в сечении вытянутую эллиптическую форму. Анкерные устройства в виде вертикальных стоек размещены в теле грунтовой плотины. Многослойные элементы крепления размещены по низовому откосу ступенчато с напуском верхних рядов элементов крепления на нижние ряды. Замкнутые части армирующих сеток размещены по периметру слоев гибких оболочек каждого элемента крепления низового откоса и слоев гибких оболочек порога грунтовой плотины таким образом, что образуют замкнутый контур. Протяженные части армирующих сеток одним концом прикреплены к замкнутым частям армирующих сеток слоев гибких оболочек элементов крепления низового откоса, а другим концом прикреплены к анкерным устройствам.
Известная плотина обладает высокой устойчивостью, фильтрационной прочностью и надежностью в работе, но при этом имеет сложную конструкцию и требует при строительстве значительных временных и материальных затрат.
Заявляемое изобретение позволяет упростить конструкцию сооружения и снизить время и стоимость его возведения, но при этом сохранить достоинства прототипа - высокую устойчивость, фильтрационную прочность и надежность.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в грунтовой плотине, выполненной, также как и прототип, из песчаного грунта, и включающей порог, верховой и низовой откосы и дренажную систему, при этом песчаный грунт послойно проложен полотнами геотекстиля, в отличие от прототипа свободные концы каждого полотна геотекстиля охватывают вышележащий слой грунта со стороны обоих откосов с заводом под полотно геотекстиля, охватывающее последующий слой, при этом глубина заложения свободных концов полотен геотекстиля в грунт определяется зависимостью: , где Р - горизонтальное давление грунта на внутреннюю поверхность геотекстиля; t - толщина охваченного слоя грунта; q - вертикальное давление грунта; ƒ - коэффициент трения грунта по геотекстилю, в свою очередь прочность геотекстиля рассчитывается по формуле: Т≥P⋅r, где Т - натяжение геотекстиля; r - радиус охвата грунта. Для сбора и отвода фильтрующей воды в плотине предусмотрена дренажная система, выполненная в виде перфорированной труб, обернутых фильтрующей тканью и засыпанных щебнем и уложенных в каждом слое в зоне низового откоса, при этом по низовой грани плотины проложены коллекторы, а в сопряжении низового откоса с основанием проложены кюветы для отвода фильтрующей воды в нижний бьеф.
Сущность изобретения заключается в том, что полотна геотекстиля, уложенные послойно в теле плотины, свободными концами охватывают с натягом каждый выше уложенный слой с боковых сторон, обеспечивая тем самым устойчивость откосов. Длина свободных концов полотна (глубина заложения в грунт) выбирается с учетом создания необходимого натяжения и надежного удержания полотна в теле плотины без дополнительных анкерных устройств, что обеспечивается за счет давящих на геотекстиль верхних слоев грунта. Заявляемое сооружение обладает высокой устойчивостью, фильтрационной прочностью и надежностью в работе. При этом по сравнению с прототипом конструктивно проще и требует при строительстве значительно меньших временных и материальных затрат.
Сопоставление предлагаемого сооружения и прототипа показало, что поставленная задача - снижение времени и стоимости возведения плотины - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области гидротехнических сооружений не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой конструкции критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где
на фиг. 1 - представлено схематическое изображение плотины,
на фиг. 2, 3 - изображена дренажная система,
на фиг. 4 - представлена схема для определения глубины заложения геотекстиля.
Плотина фиг. 1 представляет грунтовую насыпь 1, на откосах которой уложены полотна геотекстиля 2, при этом свободные концы каждого полотна заведены в тело плотины 1. В нижней части пазухи геотекстиля уложен трубчатый дренаж 3. Дренаж каждого слоя на низовом откосе (фиг. 2) представляет собой перфорированную трубу 4, обернутую геотекстилем (на чертеже не показан) и гравийную или щебеночную призму 5. По низовому откосу от порога до основания установлены водосборные коллекторы 6, сопряженные с трубчатым дренажом 3, уложенным по низовому откосу плотины, при этом нижний конец коллекторов 6 выведен в дренажный лоток 7.
Далее приводится последовательность действий при выборе марки и размеров геотекстиля, подходящего для армирования откосов грунтовой плотины с заданными параметрами. В качестве полотен могут быть использованы материалы фирм Tensar, Геострой, Геолон, Техполимер, коэффициент трения которых по пику составляет 0,8-1,0 (структурированные мембраны). Глубина заложения свободных концов полотен геотекстиля в грунт определяется зависимостью:
2
где Р - горизонтальное давление грунта на внутреннюю поверхность геотекстиля кН/м (кПа); t - толщина охваченного слоя грунта, м;
3
где ρ - плотность грунта, ρ=1,8 т/м (песок);
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
h - толщина песчаного массива над полотном (лентой) геотекстиля, м.
ƒ - коэффициент трения грунта по геотекстилю.
Прочность геотекстиля в свою очередь рассчитывается по формуле:
а
2
где , λ=tg(45-ϕ/2)≈0,33 (при ϕ=30°).
Для поверочного расчета задаются следующие исходные данные:
- высота (толщина) слоя грунта над расчетной лентой h=5 м;
3
- плотность грунта ρ=1,8 т/м;
- коэффициент трения структурированного геотекстиля (геомембраны) по песку ƒ=0,35;
- толщина обертываемого слоя грунта t=1 м;
Вертикальное давление грунта по формуле (2) составит:
q=5⋅1,8⋅9,81⋅2=177 (кПа).
Горизонтальное (боковое) давление грунта:
2
P=0,5⋅5⋅1,8⋅9,81⋅0,33=73 (кПа)
Усилие в оболочке:
T=P⋅r=73⋅0,5=36,5 (кН/м)
Глубина заложения свободных концов в грунт:
3
При q=177 кПа, Р=73 кПа, ρ=1,8 т/м, t=1 м, ƒ=0,35, r=0,5 м, учитывая технологическую необходимость засыпки грунта, прочность геотекстиля принимается не менее 36,5 (кН/м), а глубина заложения свободных концов в грунт - не менее 1,2 м. Под расчетную прочность подходит геомембрана тип 1 ТУ 2246-001-56910145-2014 НОРЕ толщиной 1,5 мм и прочностью при разрыве не менее 40 кН/м. С учетом обеспечения гарантированного удержания полотна в грунте, глубина заложения свободных концов выбирается с запасом ≈ 2 м.
По подсчетам авторов для строительства такой плотины потребуется в 1,5 раза меньше времени и средств, чем при строительстве грунтовой плотины по пат. RU №100527.
Предлагаемая конструкция была разработана специалистами кафедры Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала СО. Макарова». Изобретение использовано в проекте защиты от наводнений Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения в пойме реки Се-Яха (полуостров Ямал) при выполнении университетом темы «Разработка принципиальных технических решений по регулированию стока высоких половодий в зоне формирования стока - на притоках р. Се-Яха».
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».