ПРОТИВОПАВОДКОВАЯ ПЛОТИНА
FLOOD DAM

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и предназначено для защиты населенных пунктов от паводковых наводнений при сезонном разливе рек.
Известны сооружения в виде дамб - запруд, обеспечивающих защиту территорий от наводнения путем регулирования стока рек. Дамбы выполнены из бетона с отверстиями, через которые осуществляется безопасный объем потока, а сверхрасчетные расходы воды удерживаются стенкой дамбы во временных водохранилищах (пат. РФ №2116401, МПК Е02В 3/02, опубл. 27.07.1998; пат. РФ №41739, МПК Е02В 3/00, опубл. 10.11.2004).
Недостатком возводимых дамб является высокая стоимость строительства бетонных сооружений и невозможность их возведения в горных условиях из-за отсутствия транспортных путей.
Известна противопаводковая плотина по пат. №2552361, МПК Е02В 3/00, опубл. 10.06.2015, сооружаемая на притоке главной реки с возможностью образования в зоне формирования паводка временного водохранилища. Плотина перегораживает русло притока в виде трапециевидной призмы, выполненной из водопроницаемых мешков с сыпучим наполнителем. Мешки уложены вдоль русла притока послойно, с чередованием слоев с продольным и поперечным относительно русла расположением мешков и с интервалом относительно друг друга.
Недостатком сооружения является изменение с течением времени формы конструкции, т.к. мешки, образующие плотину, меняют свое положение из-за того, что неплотно прилегают друг к другу.
Одним из наиболее близких аналогов предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является противопаводковая плотина в составе системы защиты территории от наводнений (пат. RU №2389845, МПК Е02В 3/02, опубл. 20.05.2010). Плотину возводят на притоке главной реки с возможностью образования в зоне формирования паводка временного водохранилища. Сооружение представляет собой каменную насыпь, уложенную поперек русла реки. В нижней зоне укладывают крупные камни, в верхней зоне - мелкие. Место расположения плотины выбирают в узких скальных каньонах и сооружают взрывным способом.
Недостатком сооружения является его достаточно быстрый выход из строя из-за того, что верхние слои плотины, предназначенные для задержки паводка и образованные мелкими камнями, при обильных или продолжительных паводках вымываются или проваливаются в промежутки между крупными камнями, создавая преграду для регулярного потока. Кроме того, строительство каменно-набросных плотин с обрушением скальных откосов взрывом является недостаточно совершенным процессом из-за ограниченных возможностей управления взрывом и недостаточной точности прогнозирования его результатов.
По сравнению с прототипом заявляемое изобретение позволяет решить проблему срока службы плотины, при этом использовать при ее строительстве более современные технологии.
Для решения проблемы предлагается следующая совокупность существенных признаков: в противопаводковой плотине (сооружаемой, так же как и прототип, поперек русла притока главной реки с возможностью образования в зоне формирования паводка временного водохранилища и сложенной из крупных и мелких камней) в отличие от прототипа, камни уложены в коробчатые габионы, установленные ярусами и неподвижно соединенные между собой с образованием в продольном сечении  трапецеидальной призмы со ступенчатой низовой и вертикальной верховой гранями, при этом в нижних ярусах, расположенных в притоке ниже уровня регулярного потока воды, установлены габионы, заполненные крупными камнями, а в верхних ярусах ˗ габионы, заполненные мелкими камнями.
Для более эффективной защиты от паводков, противопаводковая плотина вплотную к верхним ярусам русловой части может быть дополнена с двух сторон береговыми сооружениями в виде дамб, низовые откосы которых сформированы в виде стенки из коробчатых габионов со ступенчатой наружной укладкой, а верховые откосы заполнены грунтом. Низовые откосы береговых дамб могут быть сформированы и при непосредственной укладке в грунт матрацно-тюфячных габионов.
Для уменьшения суффозии грунта между габионами и грунтовым откосом может быть проложен геотекстиль.
Кроме того, для дополнительного уменьшения суффозии грунта дамбы верховой (грунтовый) откос может быть засажен кустарником, имеющим глубокую корневую систему.
Указанная совокупность позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат и сохранить при этом достоинства последнего. Как и прототип, плотина обеспечивает достаточно эффективную защиту территорий во время паводка, при котором безопасный объем стока пропускается через промежутки между крупными камнями нижних ярусов, а сверхрасчетные (паводковые) расходы воды задерживаются верхними ярусами плотины во временных водохранилищах. При этом береговыми дамбами, за счет удержания паводковых вод в пойме притока обеспечивается дополнительная мера защиты, направленная на уменьшение высоты пика паводка и увеличение времени поступления воды в главную реку. Но в отличие от прототипа, русловая часть плотины, выполненная из неподвижно соединенных между собой коробчатых габионов, образующих в продольном сечении трапецеидальную призму, за счет оптимального соотношения напряжений в основании и высоте призмы обладает более высокой статической устойчивостью конструкции, что соответственно позволяет увеличить ее срок службы. Кроме того, призма с вертикальной напорной (верховой) и наклонной сливной (низовой) поверхностями способствует уменьшению энергии и скорости паводкового потока при его задержании и переливе через гребень плотины, что создает оптимальные условия для всех режимов работы сооружения: пропуске, задержании и переливе потоков.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача – увеличение срока службы плотины – решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь проведенный информационный поиск в области гидротехнического строительства не выявил отдельных отличительных признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображена схема расположения противопаводковых плотин и временных водохранилищ в речном бассейне,
на фиг.2 – план плотины с русловой и пойменной (береговой) частями;
на фиг.3 – вид с нижнего бьефа русловой части плотины;
на фиг.4 – продольный профиль плотины с береговыми сооружениями (дамбами);
на фиг.5 – поперечный разрез русловой части плотины с береговыми сооружениями (дамбами),
на фиг.5, 6 – варианты (поперечные сечения) выполнения низовых склонов береговых сооружений (дамб),
на фиг.7 представлен график режима пропуска паводковых расходов.
Противопаводковые плотины 1 устанавливают в зоне формирования паводка на притоках главной реки 2, протекающей мимо населенных пунктов 3 и впадающей в водоем 4 (фиг.1). Русловая часть плотины 1 (фиг.2), перекрывающая приток, сформирована из неподвижно соединенных между собой габионов 5 с образованием в продольном сечении (фиг.3, 4) трапецеидальной призмы со ступенчатой низовой и вертикальной верховой гранями (фиг. 5). В зависимости от высоты и ширины акватории габионы 5 в плотине устанавливают в несколько ярусов и рядов и соединяют между собой по высоте, ширине и длине сдвоенными U-образными скобами или UP-Twin скобами.
3
Габионы нижних ярусов заполняют тяжелыми и крупными природными камнями, как шлифованными, так и краеугольными, с фракцией не менее 15-30 см, тяжестью не менее 23 кН/м и пористостью 0,3-0,5 (базальт, гранит, плотный известняк). Камни укладывают таким образом, чтобы между ними образовывались достаточно большие пустоты, пропускающие регулярный (безопасный) сток. Нижние габионы представляют собой прямоугольный каркас из стальных прутков, соединенных между собой сваркой или при помощи обжимных фитингов (см. пат. РФ № 200665). Размеры каркаса в зависимости от глубины и ширины притока могут иметь высоту 0,5-1 метр, ширину 1-2 м, длину 2-6 м. Внутри габиона устанавливают перемычки, которые не дают стенкам разъезжаться под весом распирающих камней.
В верхние ярусы устанавливают габионы с мелкими камнями (галькой, гранитной крошкой), уложенными так, чтобы обеспечить равномерную осадку по всему периметру и площади и создать преграду для сверхрасчетного расхода паводковых вод. Как и нижние габионы верхние габионы могут быть выполнены в виде прямоугольного каркаса с высотой 0,5-1 метр, шириной 1-2 м, длиной 2-6 м, на котором закреплена плетеная из проволоки сетка.
С обеих сторон русловой части противопаводкой плотины 1 в береговой зоне притока вплотную к плотине 1 формируют береговые сооружения в виде дамб 6, поверх которых поток воды при выходе в пойму пропускается с переливом через гребень (фиг. 4-6). Сооружения (дамбы) 6 имеют два откоса: верховой (у верхнего бьефа) и низовой (сливной) – по направлению течения к главной реке. Для укрепления дамбы ее низовой откос формируют из коробчатых габионов 5 (фиг. 5) или из габионов матрацно-тюфячной формы 7 (фиг. 6). Укладка габионов в низовой откос дамб предотвращает размыв (суффозию) грунта сооружений со стороны верхнего бьефа, а ступенчатая форма сливной поверхности низового откоса уменьшает скорость течения потока.
На верховом откосе дамбы 6 высаживают кустарник 7, обладающий разветвленной корневой системой 8.
Предлагаемая противопаводковая плотина действует следующим образом.
2
В обычные не стихийные сезоны сооружение не препятствуют прохождению воды из горных притоков в главную реку, пропуская бытовой сток через нижние ярусы плотины 1. При выпадении ливневых осадков или при интенсивном таянии снегов безопасный объем стока пропускается через промежутки между крупными камнями нижних ярусов плотины 1, а сверхрасчетные (паводковые) расходы воды задерживаются верхними ярусами плотины 1 во временных водохранилищах и береговыми дамбами 6 в пойме притока с последующим переливом воды через гребень сооружений. В результате время поступления паводкового потока в главную реку увеличивается до величины t, при этом высота пика паводка уменьшается (фиг. 7).
Использование изобретения за счет устойчивости конструкции к мощным потокам паводковых вод (таким, как катастрофический паводок в г. Крымск, 2012 г.) и длительным паводкам (таким, как паводок в г. Тулун, 2019 г., период сброса которого составил 4 суток), позволяет повысить срок службы противопаводкового сооружения. При этом строительство сооружения, которое, как правило, ведется на горных склонах, может быть осуществлено с использованием местного раздробленного скального материала и с применением ручного труда или средств малой механизации, что значительно упрощает и снижает стоимость производимых работ.
Предлагаемая конструкция разработана специалистами ООО «ТР Инжиниринг». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования плотины в составе схемы защиты г. Крымска и других населенных пунктов Кавказа, Приморского края и др. от паводковых затоплений.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».