Грунтовая плотина с мерзлотной завесой в теле и в основании
GROUND DAM WITH A CRYOGENIC CURTAIN IN THE BODY AND IN THE BASE

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано, в частности, при возведении грунтовых плотин водохранилищ и ограждающих дамб гидроотвалов, хвостохранилищ, золоотвалов и т.п., включая и криолитозону.
Известен способ возведения плотин и ограждающих дамб с мерзлым противофильтрационным ядром, образованным в центральной части профиля плотины при работе мерзлотной завесы, выполненной в виде системы термосифонов (Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. - Новосибирск: Наука, 1985. - 165 с.). Но для возведенных таким образом гидротехнических сооружений существенны ограничения в применении, в частности при глубоком оттаивании мерзлого основания в пределах подруслового талика и чаши оттаивания под водохранилищем.
Решение проблемы может достигаться устройством двухъярусных мерзлотных завес - нижнего яруса завесы, образуемого системой термосифонов в основании, и верхнего яруса, образуемого промерзанием грунта на контакте с охлаждающей полостью в теле сооружения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является «Грунтовая плотина с мерзлотной завесой в теле и основании» (патент РФ 2007512 C1, Е02В 7/06, опубл. 15.02.94, Бюл. №3).
Это техническое решение основано на послойном возведении тела плотины при одновременном устройстве бетонных стенок охлаждающей полости, эксплуатируемой зимой и отключаемой в теплый период года. Создание этой полости дает возможность устройства нижнего яруса мерзлотной завесы, образуемого системой замораживающих колонок, устанавливаемых в основании полости. Тем самым становится возможным увеличение глубины мерзлотной завесы.
Но в этом техническом решении имеет место такой конструктивный недостаток, как необходимость устройства распорок между стенками охлаждающей полости, существенно затрудняющих эксплуатацию, в частности зимнюю вентиляцию полости холодным наружным воздухом, образование в полости инея и ледяных пробок, сложность очистки и иные затруднения в работе мерзлотной завесы. Все это влечет снижение надежности замораживающей системы и, соответственно, всей плотины в целом.
В основу изобретения положена задача обеспечения повышенной надежности плотины в сложных мерзлотно-геологических условиях и расширение сферы возможного применения нефильтрующих плотин мерзлого типа.
Поставленная задача решается тем, что в грунтовой плотине с мерзлотной завесой в теле и в основании, включающей замораживающие колонки, расположенные в основании охлаждающей (вентилируемой) полости, по высоте выполненной до гребня плотины и имеющей бетонные стенки со съемным перекрытием, согласно изобретению стенки охлаждающей полости выполнены из сборных железобетонных элементов уголкового профиля, в совокупности образующих подпорные стены охлаждающей полости, а на гребне плотины съемное перекрытие охлаждающей полости выполнено в виде короба, в торцах которого смонтированы задвижки. Для обеспечения при необходимости принудительного вентилирования охлаждающей полости короб может быть оснащен вентиляторами.
На фиг. 1 схематично представлена заявляемая грунтовая плотина с мерзлотной завесой в теле и в основании (поперечный разрез).
На подготовленное известными способами основание 1 грунтовой плотины поярусно отсыпано грунтовое тело 2 плотины, при этом в каждом ярусе установлены сборные железобетонные элементы 3 уголкового профиля, которые образуют подпорные стены 4 охлаждающей полости 5. В основании 1 под охлаждающей полостью 5 установлена система замораживающих колонок 6 (например, термосифонов), образующих мерзлотную завесу 7, находящуюся в сопряжении с мерзлым водонепроницаемым грунтом 8. На гребне грунтовой плотины над охлаждающей полостью 5 размещено съемное перекрытие в виде вентиляционного короба 9, в торцах которого установлены задвижки (в частности, как у вентилируемых подполий зданий; на фиг. не показаны), позволяющие открывать и вентилировать систему в зимний (охлаждающий) период и закрывать ее в теплый период года, а также зимой при оттепелях и метелях, дабы исключить прогрев, оттаивание и засорение снегом и льдом охлаждающей полости. В коробе 9 могут быть смонтированы, по меньшей мере, два вентилятора, используемых в случае необходимости для принудительного вентилирования охлаждающей полости 5.
Эксплуатация плотины начинается после полного промораживания тела и основания грунтовой плотины в пределах мерзлотной завесы, что достигается за один-два зимних периода. Затем водохранилище заполняется и начинается, собственно, эксплуатационный период, на протяжении которого ежегодно выполняется цикл зимнего поддержания отрицательных температур, как в мерзлотной завесе, так и в постоянно мерзлом основании под ней. Тем самым обеспечивается температурная устойчивость и надежность всего сооружения.
При увеличении высоты проектируемых плотин до 30-40 м и более необходимость и вероятность применения предлагаемого типа грунтовой плотины с мерзлотной завесой в теле и в основании будут возрастать.
Работа апробированных конструкций термосифонов, в частности жидкостных, общеизвестна и здесь не рассматривается. Охлаждение внешних теплообменников термосифонов осуществляется при движении наружного воздуха в охлаждающей полости 5. Остановка жидкостных термосифонов на теплые периоды происходит автоматически.
Холодный зимний воздух поступает в охлаждающую полость 5 естественным путем при открытых задвижках в вентилируемом коробе 9 и отключенных вентиляторах, или этот воздух (например, при более глубокой замораживающей системе) нагнетается вентиляторами принудительно.
Из вентиляционного короба 9 осуществляется техническое обслуживание, ремонтные работы и натурные наблюдения за работой замораживающей системы и состоянием всей грунтовой плотины (с использованием размещенных датчиков и стационарных измерительных приборов).
Эксплуатация сооружения осуществляется следующим образом. После завершения строительства грунтовой плотины, промораживания ее и создания мерзлотной завесы 7 начинается эксплуатация плотины. Работа замораживающей системы (включает охлаждающую полость 5, замораживающие колонки 6, вентиляционный короб 9) предусматривается в зимний период при отрицательных температурах воздуха.
Температурная устойчивость заявляемой грунтовой плотины обеспечивается ежегодным повторением цикла промораживания грунтов тела 2 и основания 1 плотины, особенно на участках подруслового талика и вновь образующихся зон глубокого оттаивания под водохранилищем. В итоге достигается общая устойчивость сооружения.
Оборудование и режим работы вентиляторов и управление состоянием задвижек должны предусматриваться в проекте плотины и корректируются в процессе ее эксплуатации в зависимости от результатов натурных наблюдений.
Свободное и доступное пространство охлаждающей полости 5 позволяет обеспечивать эффективное охлаждающее вентилирование ее, а внешний вентиляционный короб 9, завершающий конструкцию на гребне плотины, позволяет существенное снижение возможности засорения полости 5 снегом и ледяными пробками, что в результате способствует повышению надежности такой конструкции грунтовой плотины с мерзлотной завесой в теле и в основании в целом.