ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЙ КАНАЛ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ СКЛОНА
HYDROTECHNICAL CHANNEL ON PERMAFROST SOILS OF SLOPE

Изобретение относится к гидротехнике, а точнее к строительству каналов на многолетнемерзлых грунтах склона, имеющих жильные льды у поверхности склона и периодически встречающиеся незаполненные льдом глубинные трещины, в частности при создании сезонно действующего канала в обход накопителя промышленных отходов.
Известен гидротехнический (водоотводящий, руслоотводящий, обходной и др.) канал на многолетнемерзлых грунтах склона, содержащий ложе, образованное дном и откосами бортов канала, заглубленного в многолетнемерзлые грунты склона, и мерзлотную завесу, выполненную из ледогрунта в низовом по отношению к склону борту канала [1 или 2].
Недостатки известного канала заключаются в следующем.
1. В северной криолитозоне в период последнего (позднеголоценового) похолодания в процессе одностороннего промерзания грунтов сверху вниз, происходящего в условиях постоянного проникновения в морозобойные трещины и поры грунта воды атмосферных осадков сверху и мигрирующей в зону промерзания воды снизу, ниже границы сезонного оттаивания грунтов в пределах коры выветривания практически повсеместно образовался водогазонепроницаемый ледогрунтовый слой-плащ. Под этим плащом до настоящего времени сохранились отдельные пустотелые трещины напряжений, по которым в предыдущие периоды промерзания под действием уклонов из-под аналогичных плащей вода вытекала в ближайшие места разгрузки.
О степени проницаемости мерзлых пород под плащом можно судить, например, по исследованию, которое было осуществлено на Вилюйской ГЭС-3, где воздух с дымом закачивали в изыскательскую штольню, выполненную в борту реки. При этом дым выходил через пустотелые скважины на расстоянии от 90 до 160 метров от источника задымления [3].
Современная геокриология позволяет полагать [4, стр.219], что толщина плаща невелика и может измеряться первыми метрами. При заглублении канала цельность плаща местами нарушается, что часто приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из канала и, соответственно, аномально быстрому протаиванию многолетнемерзлых грунтов. Это приводит к недопустимым деформациям канала, а фильтрующая из канала вода в недопустимом объеме втекает в накопитель отходов.
2. Наледь, образующаяся на склоне при осенне-зимнем промерзании слоя сезонного протаивания (наледь надмерзлотных вод), заполняет канал со стороны его верхового борта, что усложняет пропуск по каналу вод весенних паводков.
3. Неорганизованный поверхностный сток со склона разрушает верховой борт канала.
4. Заглубление канала в многолетнемерзлые грунты связано с высокими затратами.
Указанные недостатки известного канала обуславливают его недостаточную надежность при эксплуатации и высокие затраты при создании.
Задачей, на решение которой направлен заявляемый канал, является повышение его надежности и снижение затрат на его создание. Технический же результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в предотвращении нарушения водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов (плаща) при создании канала, в повышении противоналедной безопасности канала в холодный период года, в отводе от канала поверхностного стока в теплый период года и в снижении затрат.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в гидротехническом канале на многолетнемерзлых грунтах склона, содержащем ложе, образованное дном канала и откосами его бортов, и мерзлотную завесу, выполненную из ледогрунта в низовом по отношению к склону борту канала, согласно изобретению, все ложе расположено, по меньшей мере, над нижней границей сезоннопротаивающего слоя, который образовывался у дневной поверхности склона до создания канала. Низовой борт канала образован насыпью, высота которой обеспечивает пропуск по каналу максимального расчетного расхода воды, а верховой борт канала образован частично или полностью склоном. Мерзлотная завеса выполнена в насыпи и сопряжена с водонепроницаемым верхним слоем многолетнемерзлых грунтов склона. Канал снабжен противоналедным устройством, а ложе канала может быть расположено над дневной поверхностью склона.
Кроме того, противоналедное устройство представляет собой в поперечном сечении канала дополнительную часть насыпи, увеличивающую высоту насыпи до величины, обеспечивающей аккумуляцию в канале всей наледи, которая может образоваться из воды, поступающей в канал в осенне-зимний период года из сезоннопротаивающего слоя склона.
Противоналедное устройство также может представлять собой расположенную вдоль канала в пределах сезоннопротаивающего слоя водоотводящую трубу, выполненную с перфорацией, заключенную в водоприемную призму из фильтрующего грунтового материала, гидравлически сообщенную с сезоннопротаивающим слоем склона и обеспечивающую в осенне-зимний период года отвод из сезоннопротаивающего слоя склона воды, способной образовать в канале наледь.
Противоналедное устройство с водопроводящей трубой может быть расположено на дневной поверхности склона частично или полностью в насыпи и с верховой стороны от мерзлотной завесы, при этом водоотводящая труба расположена в пределах нижней части сезоннопротаивающего слоя насыпи.
Противоналедное устройство с водопроводящей трубой может быть расположено с верховой стороны от канала полностью на дневной поверхности склона или с заглублением в сезоннопротаивающий слой склона и снабжено мерзлотным поясом, выполненным в виде дополнительной насыпи. В этом случае водоотводящая труба расположена с верховой стороны от оси дополнительной насыпи в пределах сезоннопротаивающего слоя этой насыпи или склона, при этом дополнительная насыпь образует собой нагорную канаву, отводящую от канала поверхностный сток, а также может образовывать собой верхнюю часть верхового борта канала.
Именно расположение ложа канала выше нижней границы сезоннопротаивающего слоя, а еще лучше выше дневной поверхности склона и выполнение противоналедного устройства по приведенным правилам позволяет достичь ранее указанный технический результат в сравнении с указанным выше известным каналом, выбранным в качестве прототипа.
Проведенный заявителем анализ уровня техники не выявил аналога, совокупность признаков которого была бы тождественна всем признакам заявляемого канала. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния высотного положения ложа канала относительно нижней границы сезоннопротаивающего слоя склона на достижение указанного технического результата: предотвращение нарушения водонепроницаемости верхнего слоя многолетнемерзлых грунтов. Дополнительно, впервые противоналедное устройство выполнено в виде дополнительной части насыпи, образующей низовой борт канала, а противоналедный пояс (дополнительная насыпь) впервые образует собою часть верхового борта канала. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4, на которых изображен поперечный разрез канала на многолетнемерзлых грунтах склона, противоналедное устройство которого в частных примерах выполнения представляет собой:
на фиг.1 - дополнительную часть насыпи, увеличивающую ее высоту;
на фиг.2 - водоотводящую трубу, расположенную в насыпи с верховой стороны от ее мерзлотной завесы;
на фиг.3 - водоотводящую трубу, расположенную с верховой стороны от канала в пределах нижней части сезоннопротаивающего слоя дополнительной насыпи, образующей собою верхнюю часть верхового борта канала;
на фиг.4 - водоотводящую трубу, расположенную с верховой стороны от дополнительной насыпи в пределах сезоннопротаивающего слоя склона.
Пример 1 (фиг.1). Сезонно действующий гидротехнический канал расположен на многолетнемерзлых грунтах склона 1 в обход накопителя промышленных отходов 2.
Канал содержит ложе 3, расположенное над дневной поверхностью 4 склона 1, мерзлотную завесу 5, выполненную из ледогрунта и сопряженную с водонепроницаемым верхним слоем многолетнемерзлых грунтов - плащом 6, и противоналедное устройство 7. Ложе 3 образовано дном 8, откосом 9 низового по отношению к склону 1 борта 10 и откосом 11 верхового борта 12. Низовой борт 10 образован насыпью 13, которая обеспечивает пропуск по каналу максимального расчетного расхода воды с уровнем 14, а верховой борт 12 образован полностью склоном 1. Мерзлотная завеса 5 расположена в насыпи и создана в зимний период года путем замораживания обильно увлажненного грунта посредством воздействия на насыпь 13 холодного атмосферного воздуха. Противоналедное устройство 7 в поперечном сечении канала представляет собой дополнительную часть 15 насыпи 13. Эта дополнительная часть 15 увеличивает высоту h насыпи 13 от временного уровня 16 ее гребня 17 до постоянного уровня 18, обеспечивающего аккумуляцию в канале всей наледи 19, которая может образоваться из воды, поступающей в канал в осенне-зимний период года из сезоннопротаивающего слоя 20 склона 1.
На чертежах дополнительными позициями обозначены:
21 - питательная канавка;
22 - стрелка, указывающая направление движения наледной воды в сезоннопротаивающем слое;
23 - верхняя граница многолетнемерзлых грунтов до создания канала;
24 - верхняя граница многолетнемерзлых грунтов, установившаяся после создания канала.
Канал возводят в следующей последовательности.
Сначала насыпь 13 по высоте возводят до временного уровня 16 и создают в ней мерзлотную завесу 5. Планировочные работы производят только при необходимости и в минимальном объеме, причем без заглубления в многолетнемерзлые грунты. Затем канал в таком виде выдерживают один осенне-зимний период, в который уточняют фактический объем поступающей в канал из сезоннопротаивающего слоя 20 склона 1 воды и образующейся из нее наледи 19. После чего уточняют постоянный уровень 18 гребня 17, а насыпь 13 возводят до постоянного уровня 18 и в ней завершают создание мерзлотной завесы 5.
Канал работает следующим образом.
В теплое время года в канал поступает вода из регулирующей емкости водотока (не показан), а также вода осадков, стекающая в канал со склона 1. Водонепроницаемые плащ 6 и мерзлотная завеса 5 предотвращают фильтрацию воды из канала по всему периметру его живого сечения. При этом температура воды в канале ниже температуры атмосферного воздуха, обдувающего склон, поэтому толщина сезоннопротаивающего слоя 20 в канале обычно не превосходит толщину такого слоя на склоне. Следовательно, ни элементы канала, ни сезоннопротаивающий слой 20 в канале не могут повредить водонепроницаемый плащ 6.
В холодное время года поступление воды из регулирующей емкости в канал прекращается, а протаявший в теплое время года поверхностный слой склона 20 и такой же слой насыпи 13 покрываются снегом и медленно промерзают. Одновременно с этим канал аккумулирует в себе весь объем наледи 19, образующейся из надмерзлотной воды сезоннопротаивающего слоя 20 склона 1.
Пропуск по каналу вод весенних паводков осуществляется с выполнением установленных проектом мероприятий.
Пример 2 (фиг.2). Канал отличается от описанного в примере 1 канала тем, что противоналедное устройство 7 представляет собой расположенную вдоль канала водопроводящую трубу 25, выполненную с перфорацией и заключенную в водоприемную призму 26 из фильтрующего грунтового материала. Такое противоналедное устройство 7 расположено на дневной поверхности 4 склона 1 частично или полностью в насыпи 13, с верховой стороны от мерзлотной завесы 5 и гидравлически сообщено с сезонно протаивающим слоем 20 склона 1. При этом водоотводящая труба 25 расположена в пределах нижней части сезоннопротаивающего слоя 20 насыпи 1 и по длине снабжена герметизированными смотровыми патрубками 27.
В таком канале создание мерзлотной завесы 5 целесообразно осуществить посредством сезонно действующего охлаждающего устройства, выполненного в виде замораживающих колонок 28.
Особенность работы такого канала заключается, прежде всего, в том, что в осенне-зимний период года наледная вода 22 из сезоннопротаивающего слоя 20 склона 1 поступает в водоприемную призму 26 и водоотводящей трубой 25 выводится из канала. Этим предотвращается образование наледи 19 в канале, что позволяет уменьшить геометрические размеры канала и упростить его эксплуатацию.
Дополнительно, вода из водоприемной призмы 26 обильно увлажняет нижнюю, наиболее ответственную часть мерзлотной завесы 5, что в сочетании с исправно работающими замораживающими колонками 28 обеспечивает высокое качество мерзлотной завесы 5 и ее сопряжение с многолетнемерзлыми грунтами.
Пример 3 (фиг.3 и 4). Канал отличается от описанного в примере 1 канала тем, что противоналедное устройство 7 представляет собой расположенную вдоль канала водопроводящую трубу 25, выполненную с перфорацией и заключенную в водоприемную призму 26 из фильтрующего грунтового материала. Такое противоналедное устройство 7 расположено с верховой стороны от канала на дневной поверхности 4 склона 1 (фиг.3) или с частичным заглублением в сезоннопротаивающий слой 20 склона 1 (фиг.4) и снабжено мерзлотным поясом, который выполнен в виде дополнительной насыпи 29. Водоотводящая труба 25 расположена с верховой стороны от оси 30 дополнительной насыпи 29 в пределах сезоннопротаивающего слоя 20 этой насыпи 13 (фиг.3) или склона 1 (фиг.4). Дополнительная насыпь 29 образует собой нагорную канаву 31, отводящую от канала поверхностный сток 32 со склона 1, а также может образовывать собой верхнюю часть верхового борта 12 канала.
Мерзлотная завеса 5 в насыпи 13 такого канала выполняется с использованием замораживающих колонок или без них.
Особенность работы такого канала заключается прежде всего в том, что в осенне-зимний период года наледная вода 22 из сезоннопротаивающего слоя 20 не достигает канала, а перехватывается дополнительной насыпью 29 мерзлотного пояса и водоотводящей трубой 25 по трассе нагорной канавы 31 отводится от канала. В теплый период года нагорная канава 31 отводит от канала воду поверхностного стока 32 со склона 1.
При осуществлении заявленного изобретения выполняются условия «промышленной применимости». Средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно при гидротехническом строительстве; подтверждена возможность осуществления изобретения с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов; средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.
Обозначения
1 - склон
2 - накопитель промышленных отходов
3 - ложе (канала)
4 - дневная поверхность (склона)
5 - мерзлотная завеса
6 - плащ
7 - противоналедное устройство (в целом)
8 - дно (канала)
9 - откос (низового борта)
10 - низовой борт
11 - откос
12 - верховой борт
13 - насыпь
14 - уровень воды в канале при максимальном расчетном расходе
15 - дополнительная часть (насыпи)
16 - временный уровень (гребня насыпи)
17 - гребень (насыпи)
18 - постоянный уровень
19 - наледь
20 - сезоннопротаивающий слой
21 - питательная канавка
22 - стрелка, указывающая направление движения воды в сезоннопротаивающем слое
23 - верхняя граница многолетнемерзлых грунтов до создания канала
24 - верхняя граница многолетнемерзлых грунтов, установившаяся после создания канала
25 - водоотводящая труба
26 - водоприемная призма
27 - герметизированные смотровые патрубки
28 - замораживающие колонки
29 - дополнительная насыпь
30 - ось дополнительной насыпи
31 - нагорная канава
32 - верхняя часть верхового борта
Источники информации
1. Ягин В.П., Вайкум В.А., Поваренкин В.А., Давыдов И.А., Нейланд Н.Н. К вопросу размещения твердых водосодержащих отходов ТЭЦ и других производств // Гидротехническое строительство. 1998. №6.
2. Гидротехнические сооружения хвостохранилища НМЗ. Вторая очередь строительства. Система водоотводящих сооружений. Чертежи: №166-13-3, №166-13-15. Красноярск: Гидропроект, 1987.
3. Фрункин В.Н., Шерман М.М. О строительстве Вилюйской ГЭС-3 на многолетнемерзлом полускальном основании // Гидротехническое строительство. 2003. №12).
4. Ершов Э.Д. Общая геокриология: Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1990.