Берегозащитное сооружение мерзлого типа
COASTAL PROTECTION STRUCTURE OF FROZEN TYPE

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении берегозащитных и причальных насыпей, а также плотин, дамб в криолитозоне.
Известен способ возведения плотин и других водоподпорных гидросооружений с мерзлым противофильтрационным ядром, образованным в центральной части профиля плотины при работе мерзлотной завесы, созданной системой воздушных замораживающих колонок (Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - 176 с.) и термосифонов (Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве - Новосибирск: Наука, 1985 - 165 с.). Но для возведенных таким способом гидросооружений существенными становятся ограничения в применении при глубоком оттаивания мерзлого основания под подрусловым таликом и чашей оттаивания под водохранилищем. Решение проблемы может достигаться устройством двухъярусных мерзлотных завес в теле его основания сооружения. При возведении протяженной берегозащитной насыпи мерзлого типа с центральным мерзлым противофильтрационным ядром стоимость таких сооружений становится чрезвычайно высокой.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Грунтовая плотина с мерзлотная завесы в теле его основании» (патент №2649021 C1 Е02В 7/06, опубл. 26.03.2018, бюл. №10). Это техническое решение основано на послойном возведение насыпи при одновременном устройстве двух бетонных стенок охлаждающей полости, эксплуатируемой зимой и отключаемой в теплый период года.
Но в этом техническом решении имеют место такие конструктивные недостатки, как необходимость устройства двух бетонных стенок, образующих охлаждающую полость, и существенное расширение профиля насыпи для размещения в нем относительно широкой охлаждающей полости, и соответствующее возрастание объема работ и стоимости сооружения.
В основу изобретения положена задача существенно упростить конструкцию берегозащитного сооружения и соответственно уменьшить затраты на строительство без снижения надежности предлагаемой системы по сравнению с более сложными и дорогими техническими решениями, рассматриваемыми как аналоги и прототип предлагаемого конструктивно-технологического решения.
Поставленная задача решается за счет того, что берегозащитное сооружение мерзлого типа, включающее насыпь из каменной наброски и внешнюю бетонную стенку, отличающийся тем, что насыпь выполняется из сортированной каменной наброски, в которой диаметр отдельных камней позволяет создать воздухопроницаемая паровое пространство, необходимое для естественного или принудительного движения холодного зимнего воздуха, который осуществляется с помощью установленных на гребне насыпи питающих и отводящих воздуховодов, на входах и выходах которых предусмотрены задвижки, регулирующие поступление и отвод воздуха системы охлаждения. При необходимости более эффективной принудительной вентиляции в порах мерзлотного фрагмента насыпи на входе в питающий воздуховод устанавливаются вентиляторы, нагнетающие зимний воздух. На выходе из отводящего воздуховода также могут быть предусмотрены вентиляторы, повышающие эффективность отвода отработанного (нагревшегося) воздуха из системы замораживания. Количество и диаметр воздуховодов, конструкция и марка вентиляторов определяются проектом по известным методикам.
Промораживание мерзлый зоны насыпи и консервация в мертвом состоянии вечномерзлых грунтов ее основания достигается путем создания в массиве насыпи пористой среды со свободными порами, способными фильтровать холодный воздух в поровом пространстве. Это становится возможным при устройстве насыпи с каменной наброски соблюдением заданного диаметра достаточно прочных камней при отсутствии в порах наброски мелкозема и иных включений, затрудняющих фильтрацию воздуха.
На фиг. 1 схематично представлена берегозащитная насыпь с мерзлотной зоной в центральной части профиля насыпи (поперечный разрез): 1 - толщина малольдистый вечномерзлых грунтов; 2 - прибрежная территория, защищаемая от размыва льдонасыщенный вечномерзлый грунт, содержащий тела подземных льдов; 3 - слой оттаявшего и уплотнившегося грунта, образовавшийся в процессе заполнения и в начальный период эксплуатации водохранилища (водоема); 4 - уровень воды; 5 - внешняя бетонная стенка, разделенная по длине просадочными швами; 6 - питающий и отводящие воздуховоды; 7 - теплоизоляционный поверхностный экран; 8 - естественный мохо-торфяной покров; 9 - крепление откоса насыпи; 10 - нижний контур мерзлотной зоны в теле насыпи; 11 - движение воздуха в порах наброски.
На подготовленное известным способом основание насыпи 10 поярусно отсыпано тело насыпи, выполненное из каменной сортированной наброски; при этом в каждом ярусе установлены сборные железобетонные элементы внешней стенки 5. На поверхности насыпи установлены питающие и отводящие воздуховоды 6 (вентиляторы установлены на входах в питающие и отводящие воздуховоды и на фиг. 1 не показаны); также на поверхности насыпи выполнен теплоизоляционный экран 7. За пределами насыпи сохранен естественный мохо-торфяной покров 8. На нижней части внешнего откоса насыпи, подверженного затоплению, предусмотрено крепление из несортированной каменной наброски 9 стандартной конструкции. Стрелками условно показано движение воздуха в порах воздухопроницаемой части насыпи в зимний (т.н. охлаждающий) период. На входах воздуховоды оборудованы задвижки, позволяющие открывать и закрывать систему в зимний (охлаждающий) период и закрывать ее в теплый период года, а также зимой при оттепелях и метелях, чтобы исключить прогрев, оттаивание и засорения снегом, льдом и инеем парового пространства в каменной наброски мерзлотное зоны между питающим (охлаждающими) и отводящим и воздуховодами. Конструктивные особенности задвижек и марки вентиляторов выбираются при детальном проектировании системы для конкретного объекта.
Внешняя боковая стенка 5 выполняется из сборных железобетонных элементов в процессе послойной отсыпки насыпи.
На поверхности насыпи укладывается теплоизоляционный слой 7, защищающий воздухопроницаемое паровое пространство от негативных тепловых и влажных воздействий.
Подача холодного воздуха в период зимней вентиляции насыпи осуществляется по питающему воздуховоду 6 с помощью вентилятора или естественным путем. Отвод отработанного (нагревшегося) воздуха осуществляется по отводящему воздуховоду 6. На входах в систему и на выходах из нее предусматриваются защитные задвижки.
Эксплуатации системы начинается после полного промораживания мерзлотно-каменнонабросной зоны профиля насыпи 3 и ее основания 2, естественное мерзлое состояние которого повреждено (нарушено) при строительстве (на это может потребоваться ориентировочно два зимних периода). Затем водохранилище 4 (или другой водоем, канал и т.п.) заполняется и начинается эксплуатационный период, на протяжении которого ежегодно проводится цикл зимнего поддержания отрицательных температур в мерзлотной зоне насыпи и в постоянной мерзлом основание 1 под ней. Тем самым обеспечивается температурная устойчивость и надежность всего сооружения. Холодный зимний воздух поступает в питающий (охлаждающий) воздуховод 6 при открытых задвижках и отключенных вентиляторах и далее фильтруется в паровом пространстве каменнонабросной мерзлотные зоны насыпи; при необходимости более глубокого проникновения в массив фильтрующие наброски и, соответственно, более эффективного охлаждения этой зоны включаются вентиляторы. Следовательно, всю конструкцию насыпи можно рассматривать как сооружение мерзлого типа, в котором функции охлаждающего замораживающего устройства выполняет центральная воздухопроницаемая зона тела насыпи. В этом качестве она может быть использована в плотинах, дамбах, причальных насыпях и т.п.
Зона тела насыпи, в которой осуществляется контролируемое охлаждение за счет вентиляции воздуха, по сути выполняет функции воздушного замораживающий его устройства, но в отличие от известных технических решений, не требует устройство более сложных и дорогих элементов охлаждающей системы (например, бурения скважин, оборудования морозильных колонок и т.п.). Предлагаемое замораживающее устройство может найти применение в причальных насыпях, плотинах и дамбах мерзлого типа в криолитозоне.