ПЕРЕЛИВНАЯ ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА

Полезная модель относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при строительстве плотины, допускающей перелив воды через ее гребень и низовой откос, с использованием местных нескальных грунтовых материалов, а также при ремонте или реконструкции существующих грунтовых плотин.
Известна переливная грунтовая плотина (рис.13.57 Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч. 1/Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивец и др.; Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1996.) [1]. Известная конструкция включает порог, низовой откос и элементы крепления, размещенные по низовому откосу. Элементы крепления выполнены из железобетонных плит. Конструкция допускает перелив воды через гребень и низовой откос. При этом поток воды в период паводка переливается через плотину без размыва низового откоса, поскольку откос защищен уложенными по нему железобетонными плитами.
Недостатками известного технического решения является его высокая материалоемкость, трудоемкость и стоимость, а также длительный срок строительства. К недостатку конструкции следует также отнести низкую надежность ее работы.
Высокая материалоемкость обусловлена использованием большого количества железобетонных плит, из которых выполнены элементы крепления, уложенные на низовом откосе плотины по всей его поверхности. На изготовление плит требуются значительные объемы дорогостоящего бетона.
Высокая трудоемкость связана с тем, что железобетонные плиты обычно изготавливаются на стационарных заводах по их производству. При этом применяется сложный технологический процесс, включающий смешивание в определенных пропорциях крупного и мелкого заполнителя, цемента и воды и заполнение приготовленным бетонным раствором предварительно изготовленных армированных форм. Доставка этих составляющих на завод, а также последующая загрузка готовых плит на автотранспорт, перевозка их к месту строительства плотины, выгрузка и укладка плит с помощью подъемного оборудования в конструкцию требуют большой трудоемкости.
Использование дорогостоящего бетонного или железобетонного материала для элементов крепления низового откоса, а также высокая трудоемкость процесса изготовления элементов крепления из-за сложности технологического процесса обуславливают высокую стоимость известной конструкции, принятой за аналог. Кроме того, профиль переливной плотины такого конструктивного исполнения принимается весьма распластанным со значительным заложением низового откоса от 1:7 до 1:10 для исключения его размыва водным потоком и обеспечения его устойчивости. Такой профиль потребует большого объема материала для плотины и большого числа элементов крепления, что также приведет к удорожанию конструкции.
Технологический процесс известного устройства, используемый при изготовлении элементов крепления, их перевозке и укладке в конструкцию переливной плотины обусловит длительный срок ее строительства.
Низкая надежность работы известного устройства обусловлена тем, что при переливе воды через плотину элементы крепления, уложенные по низовому откосу с напуском верхних рядов плит на нижние, воспринимают динамическое воздействие водного потока. При таком воздействии потока происходит вымывание (выкрашивание) мелких частиц бетона из элементов крепления и, в последующем, разрушение этих элементов. Кроме того, дополнительное разрушение бетонных плит происходит из-за соударения этих жестких конструктивных элементов друг с другом вследствие динамического воздействия потока.
Низкая надежность известной конструкции обусловлена также неблагоприятными условиями работы элементов крепления после прекращения перелива воды через плотину. При этом уровень воды в верхнем бьефе снижается, уровень грунтовых вод в теле плотины также снижается, но значительно медленнее. В этих условиях элементы крепления подвергаются взвешивающему давлению, что может привести к их всплытию и разрушению всего низового откоса плотины.
Известна также конструкция переливной грунтовой плотины (RU, патент №2140485, МПК E02B 7/06, 1999) [2]. Принят за прототип. Известная конструкция включает верховой откос, порог, низовой откос, элементы крепления, размещенные по низовому откосу плотины, и армирующие сетки. Здесь элементы крепления низового откоса представляют собой горную массу, заключенную в металлическую сетку. Армирующие сетки выполнены из металла и размещены в теле грунтовой плотины. Плотина по прототипу также допускает перелив воды через гребень и низовой откос.
Недостатками указанного известного технического решения является его высокая трудоемкость и стоимость, длительный срок строительства, а также низкая надежность его работы.
Высокая трудоемкость обусловлена необходимостью применения большого количества горной массы с определенным гранулометрическим составом и металлической сетки, получаемых на специализируемых горнодобывающих и металлургических предприятиях соответственно, а также последующей их перевозки к месту строительства плотины, выгрузки и укладки их с помощью подъемного оборудования в конструкцию.
Высокая стоимость известной конструкции, принятой за прототип, обусловлена высокой трудоемкостью, а также использованием дорогостоящих металлических сеток и горной массы для элементов крепления и армирования низового откоса плотины.
Длительный срок строительства известной конструкции является следствием используемого длительного технологического процесса для изготовления металлических элементов крепления, их перевозке и укладке в конструкцию переливной плотины.
Низкая надежность работы известного устройства обусловлена опасностью разрушения низового откоса из-за коррозии металлической сетки под воздействием сбрасываемого водного потока и фильтрационных вод в теле плотины, в результате чего может происходить как вымывание горной массы из элементов крепления, так и общее обрушение низового откоса плотины повышенной крутизны. Кроме того, в ходе укладки горной массы в тело плотины, происходит ее разрушение и размельчение, что может привести к кольматированию пор элементов крепления низового откоса. В этом случае при прекращении перелива воды через плотину, за счет более медленного снижения уровня грунтовых вод в теле плотины относительно снижения уровня воды в верхнем бьефе, элементы крепление низового откоса подвергаются взвешивающему давлению, что может привести к их всплытию и разрушению низового откоса плотины.
Сущность полезной модели состоит в том, чтобы обеспечить: снижение трудоемкости устройства переливной грунтовой плотины за счет применения конструктивного решения элементов крепления низового откоса, требующего менее дорогостоящего технологического процесса при их изготовлении, меньших трудозатрат на перевозку материалов, используемых для этих элементов, меньших трудозатрат на перевозку элементов крепления к месту укладки, выгрузку и укладку их в конструкцию плотины; снижение стоимости переливной грунтовой плотины за счет использования менее дорогостоящего материала для элементов крепления низового откоса и для армирующих сеток; уменьшение срока строительства переливной грунтовой плотины за счет использования конструктивного решения, требующего меньший временной период для изготовления элементов крепления, их перевозки и укладки в переливную плотину; повышение надежности работы переливной грунтовой плотины за счет применения конструкции элементов крепления, снижающей опасность их разрушения из-за динамического воздействия водного потока и соударения друг с другом, уменьшающей опасность всплытия под влиянием взвешивающего давления воды, а также не подверженных водной коррозии.
Технический результат полезной модели - повышение надежности работы переливной грунтовой плотины, снижение трудоемкости и трудозатрат при ее устройстве, а также снижение стоимости и сроков строительства переливной грунтовой плотины.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что известная переливная грунтовая плотина включающая верховой откос, порог, низовой откос, элементы крепления, размещенные по низовому откосу плотины и армирующие сетки дополнительно снабжена анкерными устройствами, порог и элементы крепления низового откоса выполнены многослойными, состоящими из ряда гибких оболочек. Гибкие оболочки изготовлены из тканого синтетического материала, заполнены местным нескальным грунтом и имеют в сечении эллиптическую форму. При этом элементы крепления низового откоса размещены ступенчато с напуском верхних рядов элементов крепления на нижние ряды. Армирующие сетки изготавливаются из тканого синтетического материала и выполнены составными из замкнутой и протяженной части. Укладка и заполнение гибких оболочек и армирующих сеток может осуществляться той же строительной техникой, что используется для возведения тела плотины. Анкерные устройства размещены в теле плотины и выполнены в виде вертикальных стоек.
С целью обеспечения устойчивости гибких оболочек на пороге и в элементах крепления низового откоса замкнутые части армирующих сеток размещены по периметру слоев гибких оболочек каждого элемента крепления образуя замкнутый контур. При этом протяженные части армирующих сеток одним концом прикреплены к замкнутым частям армирующих сеток слоев гибких оболочек элементов крепления низового откоса, а другим концом закреплены к анкерным устройствам.
В качестве тканого синтетического материала для гибких оболочек используется тканый водопроницаемый устойчивый к ультрафиолетовому излучению полимерный материал типа GEOTUBE [3], а армирующих сеток - материал типа Fortrac или Stabilenka [4].
Эффект от использования предлагаемой конструкции заключается в том, что значительно снижаются трудоемкость, стоимость и длительность строительства, а также повышается надежность работы переливной грунтовой плотины.
Снижение трудоемкости достигается за счет того, что:
оболочки могут изготавливаться достаточно больших размеров в длину, соизмеримых с длиной водосливного фронта, при этом их заполнение может осуществляться местным нескальным грунтом строительной техникой, используемой при возведении тела плотины. Таким образом, объем синтетического тканого материала в теле плотины будет минимальным, при максимальном использовании местного грунтового материала и имеющейся строительной техники;
синтетический тканый материал, используемый для изготовления оболочек и армирующего материала, позволяет изготавливать их в виде рулонов, что значительно облегчает их транспортировку, выгрузку и укладку в тело плотины;
наличие оболочек из тканого материала позволяют применять высокопроизводительные средства гидромеханизации для их заполнения. В этом случае пульпа подается в оболочки через специальные рукава, а осветленная вода отводится через боковую поверхность оболочек.
Снижение стоимости, происходит за счет снижения трудоемкости, а также за счет того, что синтетические тканые материалы, применяемые для создания гибких оболочек и армирования низового откоса, имеют относительно невысокую стоимость, в сравнении с металлическими, железобетонными и каменными материалами.
Сокращение сроков строительства переливной грунтовой плотины также обусловлено снижением трудоемкости конструкции в целом, а именно возможностью максимального использования местных нескальных материалов, не значительными объемами привозного материала, возможностью использования для заполнения оболочек высокопроизводительных средств гидромеханизации, а также удобством работы с рулонными материалами при их транспортировке, выгрузке и укладке.
Повышение надежности работы переливной грунтовой плотины связанно с тем что, элементы крепление низового откоса в виде оболочек из тканого синтетического материала способны воспринимать динамическое воздействие сбрасываемого потока и соударения друг с другом без разрушения, в связи с их гибкостью. Также в случае использования предлагаемого решения снижается опасность всплытия крепления низового откоса, так как оболочки являются водопроницаемыми, что снижает взвешивающее давление на элементы крепления, более того гибкие оболочки заанкерены в тело плотины армирующими сетками. Кроме этого, как оболочки, так и армирующие сетки выполнены из синтетических материалов неподверженных водной коррозии.
Все вышесказанное позволяет значительно уменьшить трудоемкость, стоимость переливных грунтовых плотин, увеличить надежность, а также сократить срок их строительства, а, следовательно, повысить экономическую эффективность.
На фиг.1 изображена переливная грунтовая плотина (поперечный разрез).
На рисунке обозначены: 1 - тело переливной грунтовой плотины; 2 - верховой откос; 3 - порог; 4 - подошва плотины; 5 - низовой откос; 6 - армирующая сетка; 7 - анкерные устройства; 8 - элементы крепления; 9 - гибкие оболочки; 10 - замкнутая часть армирующей сетки; 11 - протяженная часть армирующей сетки.
Переливная грунтовая плотина включает верховой откос 2, порог 3, низовой откос 5, элементы крепления 8, размещенные по низовому откосу 5 плотины, армирующие сетки 6 и анкерные устройства 7. Порог 3 и элементы крепления 8 низового откоса 5 выполнены многослойными, состоящим из ряда слоев гибких оболочек 9 изготовленных из тканого синтетического материала, заполненных местным нескальным грунтом и имеющих в сечении вытянутую эллиптическую форму. Армирующие сетки 6 включают замкнутые части армирующей сетки 10 и протяженные части армирующей сетки 11 также изготовленные из тканого синтетического материала. При этом замкнутые части армирующих сеток 10 размещены по периметру слоев гибких оболочек 9 каждого элемента крепления 8 низового откоса 5 и слоев гибких оболочек 9 порога 3 переливной грунтовой плотины таким образом, что образуют замкнутый контур, протяженные части армирующих сеток 11 одним концом прикреплены к замкнутым частям армирующих сеток 10 слоев гибких оболочек 9 элементов крепления 8 низового откоса 5, а другим концом закреплены к анкерным устройствам 7. Анкерные устройства 7 выполнены в виде вертикальных стоек и размещены в теле переливной грунтовой плотины 1.
Конструкция работает следующим образом. При подъеме воды в верхнем бьефе выше отметки порога переливной грунтовой плотины начинается перелив воды через порог 3 и низовой откос 5. При этом благодаря укладке в пределах порога и низового откоса элементов крепления 8, состоящих из гибких оболочек 9, они не размываются сбрасываемым потоком. При переливе воды через плотину на элементы крепления 8, уложенные по низовому откосу 5 с напуском верхних рядов на нижние, оказывается динамические воздействие водного потока с возможностью соударения элементов крепления 8 между собой. Благодаря использованию в элементах крепления 8 гибких оболочек 9 и их многослойному выполнению предлагаемая конструкция способна воспринимать указанные воздействие без разрушения. В случае прекращения перелива воды через плотину уровень воды в верхнем бьефе снижается, при этом уровень грунтовых вод в теле плотины снижается значительно медленнее. В этих условиях элементы крепления 8 низового откоса 5 подвергаются взвешивающему давлению, что может привести к их всплытию. Вследствие того, что элементы крепления 8 выполнены многослойными, а гибкие оболочки 9 элементов крепления 8 изготавливаются из тканого водопроницаемого материала величина взвешивающего давления будет не значительной. Более того, армирование низового откоса 5 протяженной частью армирующих сеток 11, прикрепленной к анкерным устройствам 7, позволяет создать низовой откос 5 повышенной крутизны, а замкнутой частью армирующих сеток 10, обеспечить устойчивость элементов крепления 8 на пороге 3 и низовом откосе 5.
Таким образом, предлагаемая конструкция грунтовой переливной плотины с использованием в качестве элементов крепления низового откоса гибких оболочек и армирующих сеток из тканых синтетических материалов позволяет снизить трудоемкость устройства и стоимость, уменьшить срок строительства, а также повысить надежность работы переливной грунтовой плотины.
В результате применения предлагаемой конструкции достигается значительный экономический эффект за счет максимального использования местных грунтовых строительных материалов, сведения к минимуму дорогостоящих и трудоемких конструкций из железобетонных и металлических изделий, каменных и песчано-гравийных материалов.
Источники информации:
1. Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч. 1 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивец и др.; Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1996. - 435 с: ил.
2. Патент №2140485 Российской Федерации МПК E02B 7/06 Гидротехническое сооружение/В.М.Лятхер. И.С.Румянцев. С.Д.Шрестха. Заявитель и патентообладатель Московский государственный университет природообустройства - №98119218/13; заяв. 23.10.1998; опубл. 27.10.1999.
3. Миронов В.В., Миронов Д.В., Чикишев В.М., Шаповало А.Ф. Использование мягких геосинтетических оболочных конструкций в строительстве. Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2005. - 64 с.
4. Щербина Е.В. Геосинтетические материалы в строительстве. Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 112 с.