ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
GROUND DAM ON PERMAFROST SOILS

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении на многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах грунтовой плотины, перегораживающей малорасходный водоток, и высота которых обычно не превышает 20-25 метров.
Грунтовые плотины на многолетнемерзлых грунтах в условиях Крайнего Севера, создающие водохранилища на малорасходных, перемерзающих в холодный период года водотоках, практически всегда возводят с сохранением отрицательных температур в основании плотины и в ее противофильтрационной ледогрунтовой части на весь период эксплуатации - принцип строительства 1. Такие общеизвестные плотины часто называют мерзлыми или нефильтрующими.
Противофильтрационное устройство в такой грунтовой плотине расположено в пределах центральной части ее тела, выполнено посредством замораживающих колонок в виде ледогрунтовой завесы, водонепроницаемо сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами посредством глубокого зуба, заполняемого суглинком, и путем погружения нижних частей замораживающих колонок через этот зуб на заданную величину в многолетнемерзлые грунты [1].
Основным и общеизвестным недостаткам такой грунтовой плотины является непредсказуемое, часто интенсивное оттаивание грунтов, особенно в месте сопряжения противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами [1 и 2]. Этому способствует то, что в процессе выполнения зуба коренные породы разуплотняются с образованием трещин, в результате чего водонепроницаемость контакта суглинка с такими коренными породами не обеспечивается. Все это снижает надежность грунтовой плотины.
Низкая надежность грунтовой плотины объясняется так же тем, что при выполнении зуба и бурении скважин под замораживающие колонки происходит нарушение верхнего водогазонепроницаемого ледогрунтового слоя многолетнемерзлых грунтов (то же: плащ, панцирь, корка). Такой мерзлый, насыщенный льдом плащ образовался в начальный период последнего похолодания (ледникового периода) при одностороннем промерзании грунтов сверху вниз в условиях постоянного проникновения в его морозобойные трещины и поры воды атмосферных осадков. При этом толщина плаща местами увеличивалась снизу вверх за счет отложения дисперсных грунтов и их обильного обводнения осадками и последующего промерзания. Одновременно с этим по наиболее крупным трещинам напряжений, образовавшимся в предыдущие геологические периоды, под действием гидравлического уклона вода из-под плаща вытекала в ближайшие места разгрузки - талики водотоков и водоемов, источники подземных вод, термокарсты и другие. В результате этого по мере дальнейшего опускания нижней границы многолетнемерзлых грунтов под плащом часть глубинных трещин навсегда, до следующего глобального потепления, осталась свободной ото льда и дисперсных грунтов - пустотелые промытые трещины [3].
В соответствии с законами теплотехники на растепление искусственно созданным водоемом насыщенного льдом мерзлого плаща естественным путем требуется длительное время. При выполнении же зуба и бурении скважин цельность плаща нарушается, что приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из водохранилища и соответственно аномально быстрому оттаиванию многолетнемерзлых грунтов с участием системы незаполненных льдом разного порядка полых трещин [2].
Известна грунтовая плотина мерзлого типа, которая возведена на предварительно промороженном за счет постоянной очистки от снежного покрова основании из промороженных несвязных грунтов. При этом ее верховая призма покрыта со стороны верхнего бьефа эластичным противофильтрационным элементом (геомембрана из полимерного материала), сопряженным с мерзлым основанием посредством зуба, заполненного суглинком [4].
Недостатком этой известной плотины является ее недостаточная надежность из-за того, что сопряжение геомембраны с мерзлым основанием осуществлено посредством зуба, причем без искусственного промораживания сопряжения при эксплуатации. Это, особенно в случае нарушения зубом цельности верхнего водонепроницаемого мерзлого слоя (плаща), не исключает опасное непрогнозируемое оттаивание грунтов в месте сопряжения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности грунтовой плотины.
Технический результат от использования изобретения заключается в следующем:
- полностью предотвращено нарушение водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при возведении грунтовой плотины и ее эксплуатации;
- повышено качество сопряжения противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами;
- замедлено оттаивание многолетнемерзлых грунтов под плотиной до безопасного уровня;
- повышена точность прогнозирования оттаивания многолетнемерзлых грунтов.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что грунтовая плотина на многолетнемерзлых грунтах содержит тело, выполненное из грунта, противофильтрационное устройство в виде водонепроницаемой геомембраны из полимерного материала, расположенной в пределах центральной части тела плотины и водонепроницаемо сопряженной с многолетнемерзлыми грунтами посредством ледогрунтовой призмы, замораживающую систему и слой теплоизоляции. Ледогрунтовая призма выполнена из влажного связного грунта, расположена под центральной частью тела плотины на естественной поверхности многолетнемерзлых грунтов и приморожена к ним. Охлаждающие элементы замораживающей системы расположены в ледогрунтовой призме и обеспечивают в период эксплуатации плотины поддержание этой призмы в ледогрунтовом, примороженном к многолетнемерзлым грунтам состоянии. Нижняя часть геомембраны водонепроницаемо защемлена в ледогрунтовой призме, а каждый охлаждающий элемент замораживающей системы выполнен в виде металлической трубы большого диаметра, обеспечивающего осмотр и ремонт такой охлаждающей трубы изнутри, а посредством входного и выходного участка охлаждающая труба сообщена с атмосферой. Слой теплоизоляции выполнен из ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами, расположен под подошвой тела плотины на подготовленной поверхности сезоннооттаивающего слоя с верховой стороны от геомембраны и над ледогрунтовой призмой к ней примыкает.
Дополнительно:
- геомембрана в поперечном сечении плотины по высоте имеет ломаный вид;
- входные участки охлаждающих труб замораживающей системы выполнены с теплоизоляцией или из полиэтилена;
- размер внутреннего диаметра охлаждающей трубы более 120 см;
- слой теплоизоляции расположен на поверхности промороженного в водонасыщенном состоянии сезоннооттаивающего слоя;
- слой теплоизоляции выполнен сплошным из заливочной ячеистой пластмассы, т.е. из заливочного пенопласта, и образует собой противофильтрационный элемент в виде понура, водонепроницаемо сопряженного с геомембраной;
- толщина слоя теплоизоляции не менее 5 см.
Именно введение в состав плотины ледогрунтовой призмы, выполненной по ранее указанным правилам, позволяет выполнить сопряжение противофильтрационного устройства с многолетнемерзлыми грунтами без его углубления в многолетнемерзлые грунты, следовательно, без нарушения водонепроницаемости плаща, а выполнение слоя теплоизоляции замедляет оттаивание многолетнемерзлых грунтов под плотиной, причем в пределах их безопасной глубины. Дополнительно, слой теплоизоляции, выполненный из заливочного пенопласта сплошным покрытием, способен при нештатной работе плотины выполнить функцию понура плотины. Все это обеспечивает достижение ранее указанного технического результата.
На фиг.1 изображен поперечный разрез руслового участка грунтовой плотины; на фиг.2 - вид на плотину со стороны нижнего бьефа.
Плотина содержит тело 1, выполненное из грунта, противофильтрационное устройство в виде водонепроницаемой геомембраны 2 из полимерного материала, ледогрунтовую призму 3, замораживающую систему, охлаждающие элементы которой расположены в ледогрунтовой призме и выполнены в виде металлических труб (охлаждающих труб) 4 большого диаметра, и теплоизоляционный слой 5.
Геомембрана 2 расположена в пределах центральной части тела 1 плотины и по высоте имеет ломаный вид. Нижняя часть 6 геомембраны 2 на заданную величину водонепроницаемо защемлена в ледогрунтовой призме 3. Эта призма 3 выполнена из влажного связного грунта, расположена под центральной частью тела 1 плотины на естественной поверхности 7 многолетнемерзлых грунтов 8 и приморожена к ним, что обеспечивает водонепроницаемое сопряжение геомембраны 2 с многолетнемерзлыми грунтами 8.
Замораживающая система выполнена сезоннодействующей с принудительной посредством вентиляторов 9 циркуляцией холодного воздуха по одной или двум металлическим охлаждающим трубам 4 в каждом поперечном сечении плотины на 3-х ее участках: русловом 10, правобережном 11 и левобережном 12. Каждая охлаждающая труба 4 входным участком 13 и выходным участком 14 через соответственно воздухозаборный раструб 15 и работающий в режиме всасывания вентилятор 9 сообщена с атмосферой. Размер внутреннего диаметра охлаждающей трубы 4 более 1, 2 метра, что обеспечивает осмотр и ремонт такой большой трубы 4 изнутри. Входные участки 13 охлаждающих труб 4 целесообразно выполнить с теплоизоляцией или из полиэтилена, имеющего относительно низкую теплопроводность. Такие охлаждающие трубы 4 обеспечивают в период эксплуатации плотины поддержание призмы 3 в ледогрунтовом примороженном к многолетнемерзлым грунтам 8 состоянии.
Слой теплоизоляции 5 выполнен из ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами (пенополистирол, пенополиуретан, пенофенолформальдегид и другие вспененные пластмассы), расположен под подошвой 16 тела 1 плотины на подготовленной поверхности промороженного в водонасыщенном состоянии сезоннооттаивающего слоя 17 с верховой стороны от геомембраны 2, к которой над ледогрунтовой призмой 3 слой теплоизоляции примыкает. Толщина слоя теплоизоляции 5 не менее 5 см и он может быть выполнен сплошным из заливочной ячеистой пластмассы, т.е. из заливочного пенопласта, и образовать собой противофильтрационный элемент в виде понура, водонепроницаемо сопряженного с геомембраной 2.
При прогнозируемом конечном положении нулевой изотермы 18 геомембрана 2 в изображенном на фиг.1 варианте находится в пределах талой части тела 1 плотины, а в возможном варианте, изображенном пунктиром - в пределах ее промерзающей части.
На чертежах дополнительно позициями обозначены:
19 - водохранилище;
20 - водонепроницаемый плащ;
21 - русловой талик;
22 - берма.
При возведении плотины основные работы выполняют в один холодный период года, точнее: до подъема уровня воды в водохранилище 19 в первой половине теплого периода года, т.е. за 8-9 месяцев. При этом особое внимание уделяют качеству примораживания ледогрунтовой призмы 3 непосредственно к ледонасыщенным многолетнемерзлым грунтам 8, точнее - к их водонепроницаемому (ледогрунтовому) плащу 20, особенно в пределах руслового талика 21 (фиг.2). Для этого в проекте применительно конкретных условий предусматривают известные технологические приемы и технические средства для осуществления качественного примораживания ледогрунтовой призмы 3.
2
В эксплуатационный период ведут наблюдения за температурой грунтов, особенно в месте примораживания ледогрунтовой призмы 3 к водонепроницаемому плащу 20. При этом в проекте предусматривают средства для ведения этого наблюдения, а также средства для понижения температуры грунтов в указанном месте на случай возникновения необходимости, например, с бермы 22. Целесообразно с наступлением теплого периода года в охлаждающие трубы 4 периодически помещать твердую двуокись углерода СО, так называемый «сухой лед», который при возгонке поглощает 140 ккал/кг.
По мере оттаивания многолетнемерзлых грунтов 8 их водонепроницаемый плащ 20 опускается вниз без нарушения своей водонепроницаемости [3]. При этом слой теплоизоляции 5 и промороженный в водонасыщенном состоянии сезоннооттаивающий слой 17 замедляют оттаивание многолетнемерзлых грунтов 8 под плотиной и ограничивают глубину опускания конечного положения нулевой изотермы 18, что предотвращает опасные деформации в теле 1 плотины. В случае же работы плотины в нештатном режиме слой теплоизоляции 5 может выполнить противофильтрационную функцию понура плотины.
Как сопряжение противофильтрационного устройства плотины с многолетнемерзлыми грунтами основания посредством выполненной на их естественной поверхности ледогрунтовой призмы, так и свойство слоя теплоизоляции, способного в особых случаях выполнить в плотине функцию понура, не известны из установленного уровня техники. Это позволяет заявителю сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию как «новизна», так и «изобретательский уровень».
Предлагаемая грунтовая плотина может быть реализована с помощью известных строительных материалов и технологий их использования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения условию «промышленная применимость».
Предлагаемое изобретение в полной мере соответствует заповеди Павла Флоренского: «…не трогай мерзлоты ороченов… Не надо копаться в ее недрах».
Источники информации
1.Биянов Г. Ф. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983. С.64-101.
2. Алешин Д.В., Шишов И.Н., Федосеев В.И. Восстановление напорного фронта гидроузла на реке Сытыкан. // Гидротехническое строительство. 2004. №12.
3. Ягин В.П., Вайкум В.А. Опорная гидрогеологическая схема-гипотеза многолетней мерзлоты с учетом истории геокриологического развития территории и применительно гидротехнического строительства. Интеллектуальный продукт. Зарегистрирован ФГУП «ВНТИЦ» под номером 73200700080.
4. Патент РФ №2310035, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.11.2007.