СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ НАМЫВНОЙ ПЛОТИНЫ НА ВОДОПРОНИЦАЕМОМ ОСНОВАНИИ
METHOD FOR ERECTION OF HYDRAULIC FILL DAM ON WATER-PERMEABLE FOUNDATION

Изобретение относится к гидротехническому строительству, в частности к способам возведения грунтовых намывных плотин на водопроницаемом основании.
Известен способ намыва плотины на водопроницаемом основании, включающий послойный намыв однородной плотины, осуществляемый под защитой дамб обвалования [1, стр.343-345].
Этот способ имеет ограниченную область применения из-за следующих недостатков:
- требуются однородные песчаные грунты;
- высокие непроизводительные потери воды вследствие интенсивной фильтрации воды из намываемой плотины;
- требуется устройство строительных дренажей, устраняющих оплывание откосов, сложенных из мелкозернистых грунтов.
Известен способ возведения намывной плотины на водопроницаемом основании, включающий выполнение в водопроницаемом основании завесы и двусторонний послойный намыв грунта, осуществляемый под защитой дамб обвалования с образованием прудка-отстойника над мелкозернистым грунтом центральной зоны (ядра), сопряженной с завесой [1, стр.337-346, рис.13.9].
Недостатками этого способа являются:
- высокие затраты на выполнение завесы;
- сложность выполнения сопряжения завесы с центральной зоной и связанное с этим неизбежное снижение надежности этого сопряжения, следовательно, и надежности плотины в целом;
- высокие непроизводительные потери воды.
Наиболее близким техническим решением является способ возведения намывной плотины на водопроницаемом основании, при котором сначала на поверхности водопроницаемого основания из глино- или асфальтобетона создают внутренний понур, который располагают под намеченными к намыву центральной зоной и верховой призмой, а затем под защитой дамб обвалования осуществляют двусторонний послойный намыв карьерного грунта с образованием прудка-отстойника над мелкозернистым грунтом центральной зоны. При этом внутренний понур сразу после создания образует собой подошву еще не намытой центральной зоны плотины и ее верховой призмы. На пойменном участке плотины обратный понур располагают на естественном водопроницаемом основании, а на русловом участке плотины - на выполненном (искусственно созданном). Отвод воды из прудка-отстойника осуществляют посредством колодцев и коллектора [2]. Недостатками этого способа являются:
- высокие затраты на выполнение внутреннего понура;
- недостаточная надежность внутреннего понура из-за возможного образования в понуре трещин при деформациях основания и тела плотины;
- недостаточная эффективность работы внутреннего понура из-за его малой длины и высоких градиентов напора у его низовой кромки;
- недостаточно эффективное использование мелкозернистых фракций намываемого грунта из-за недостаточно качественного отстоя их в мелководном прудке-отстойнике и частично непроизводительного их отложения в призмах плотины;
- недостаточная надежность плотины из-за отрицательного воздействия на плотину колодцев и коллектора [3, стр.75];
- высокие потери воды, что препятствует созданию глубины в прудке-отстойнике, достаточной для забора воды непосредственно из прудка-отстойника, необходимого для создания оборотной системы при гидротранспорте грунта из карьера или бункера-смесителя [3, стр.74].
Указанные недостатки способа обуславливают высокие затраты средств и недостаточную надежность плотины, при этом способ имеет недостаточно высокую экологическую безопасность.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение затрат, повышение надежности плотины и обеспечение экологической безопасности.
Технический результат от использования изобретения заключается в том, что:
- снижены затраты на создание внутреннего понура;
- повышена надежность работы внутреннего понура;
- повышена эффективность работы внутреннего понура;
- повышена эффективность использования мелкозернистых фракций намываемого грунта;
- предотвращено отрицательное влияние колодцев и коллектора на надежность плотины;
- снижены потери воды и повышена экологическая безопасность.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе возведения намывной плотины на водопроницаемом основании, включающем создание внутреннего понура, расположенного на поверхности естественного или выполненного водопроницаемого основания и создающего подошву центральной зоны плотины и ее верховой призмы, и двусторонний послойный намыв карьерного грунта, осуществляемый с образованием прудка-отстойника над мелкозернистым грунтом центральной зоны, согласно изобретению внутренний понур создают в процессе намыва плотины из мелкозернистых фракций намываемого грунта посредством выполненного из геотекстильного материала водопроницаемого полотна. Это полотно перед послойным намывом укладывают на поверхности водопроницаемого основания так, что верховая кромка водопроницаемого полотна располагается под намеченной к намыву верховой призмой плотины, а низовая кромка располагается под намеченной к намыву низовой призмой плотины и на расстоянии от низовой первичной дамбы обвалования. Диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий водопроницаемого полотна  определяют из условия сначала создания непосредственно перед водопроницаемым полотном переходного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем противофильтрационного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом. То есть расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом полотне  удовлетворяет условию:
где  - максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены в процессе намыва плотины фильтрационным потоком к водопроницаемому полотну. Дополнительно:
- слой грунта, расположенный на водопроницаемом основании, намывают под защитой первичных дамб обвалования, причем верховую первичную дамбу обвалования выполняют из слабопроницаемого грунта и сопрягают с водопроницаемым полотном, а низовую первичную дамбу обвалования выполняют из фильтрующего грунта и дренажным слоем-фильтром соединяют с низовой кромкой водопроницаемого полотна;
- воду из прудка-отстойника подают в карьер, который изолируют от водотока;
- воду из прудка-отстойника подают посредством плавучей насосной станции или посредством плавучего водоприемника, соединенного с насосной станцией сифонным водоводом.
Именно создание понура в процессе намыва плотины из мелкозернистых фракций намываемого грунта (прежде всего из грунта верховой призмы) посредством выполненного из геотекстильного материала водопроницаемого полотна, изготовленного и уложенного в основание плотины по ранее указанным правилам, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата.
Способ возведения намывной плотины иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3:
на фиг.1 изображена намывная плотина, возводимая (стадия завершения) на естественном водопроницаемом основании, поперечный разрез;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - намывная плотина, возведенная на выполненном (искусственном) водопроницаемом основании, поперечный разрез.
На фиг.1 и 2 уменьшение горизонтальных размеров превышает уменьшение вертикальных размеров в два раза.
Способ возведения намывной плотины осуществляют следующим образом.
Пример 1 (фиг.1-2). Плотину возводят на пойменном участке, «типовое» водопроницаемое основание которого представлено водопроницаемым слоем 1 руслового аллювия, расположенного на трещиноватой горной породе 2 и практически всегда покрытого тонким, относительно слабопроницаемым слоем 3 пойменного аллювия-наилка. Этот слой 3 при подготовке его поверхности 4 дополнительно повреждается и не может самостоятельно эффективно выполнять функции противофильтрационного элемента - внутреннего понура.
На подготовленную поверхность 4 укладывают водопроницаемое полотно (далее полотно) 5 и из слабопроницаемого грунта посредством сухоройных механизмов выполняют верховую первичную дамбу обвалования 6, а из фильтрующего грунта - низовую первичную дамбу обвалования 7. На первичные дамбы обвалования 6 и 7 укладывают пульповоды 8 с выпусками 9, а на примерно одинаковом от этих дамб 6 и 7 расстоянии над полотном 5 устанавливают плавучую насосную станцию 10, которую снабжают водоводом 11.
Полотно 5 на подготовленную поверхность 4 укладывают так, что верховая кромка 12 полотна 5 располагается под намеченной к намыву верховой призмой 13 плотины, а низовая кромка 14 - под намеченной к намыву низовой призмой 15. При этом верховую кромку 12 полотна 5 располагают на низовом (внутреннем) откосе верховой первичной дамбы обвалования 6, а низовую кромку 14 располагают на расстоянии от низовой первичной дамбы обвалования 7 и соединяют с ней посредством дренажного слоя-фильтра 16.
Полотно 5 изготавливают из геотекстильного материала, применяемого для фильтрования и дренирования, и укладывают в один слой или более. Диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий полотна  определяют из условия сначала создания в процессе намыва плотины непосредственно перед полотном 5 переходного слоя 17, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем намытом грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем 17 противофильтрационного слоя 18, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом. Поэтому расчетный диаметр водопроводящих отверстий в полотне  пол удовлетворяет условию:  где  - максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены в процессе намыва плотины фильтрационным потоком к водопроницаемому полотну.
После всего этого под защитой создаваемых дамб обвалования 19 посредством перекладываемых пульповодов 8 и их выпусков 9 производят двусторонний послойный намыв карьерного грунта с образованием прудка-отстойника 20 над мелкозернистым грунтом центральной зоны (т.н. ядра) 21. При таком намыве по пляжному откосу 22 в прудок-отстойник 20 водным потоком доставляются только супесчано-глинистые частицы грунта, которые и образуют центральную зону 21. Гравийно-песчаные же частицы откладываются в призмах 13 и 15. При этом часть воды, освободившись от крупных частиц грунта, но вместе с мелкими частицами постоянно насыщает призмы 13 и 15 и через полотно 5 поступает в водопроницаемый слой 1, который по отношению к намываемому грунту является дренажем. При прохождении этого потока через полотно 5 в результате фильтрования происходит сначала создание непосредственно перед полотном 5 переходного слоя 17, а затем создания перед этим переходным слоем 17 противофильтрационного слоя 18, в пределах которого поровое пространство кольматировано связным грунтом. Толщина переходного слоя 17 обычно не превышает один миллиметр, а противофильтрационный слой 19 образует собой собственно внутренний понур 23, который состоит из трех частей: верховой 24, центральной 25 и низовой 26. Центральная часть 25 выражена в менее явном виде и на чертеже выделена пунктирной линией.
В процессе фильтрования потока воды полотном 5 создание противофильтрационного слоя 18 первоначально происходит при высоких градиентах напора, исчисляемых десятками и даже сотнями единиц, что обеспечивает их исключительно высокое качество, при этом их толщина постоянно увеличивается при намыве плотины и частично при ее эксплуатации.
Во время возведения намывной плотины воду из прудка-отстойника 20 посредством плавучей насосной станции 10 и водовода 11 подают в карьер грунтового материала, который изолируют от водотока (карьер и водоток не показаны), создавая таким образом оборотную систему гидротранспорта грунта, что повышает экологическую безопасность. Создание прудка-отстойника 20 с заданной глубиной стало возможным благодаря снижению потери воды при намыве за счет низовой части 26 внутреннего понура 23 и выполненной из слабопроницаемого грунта верховой первичной дамбы обвалования 6.
При необходимости вместо плавучей насосной станции 10 используют плавучий водоприемник, который посредством сифонного водовода соединяют с насосной станцией [4]. При этом плавучий водоприемник может быть снабжен плавучим замкнутым заграждением, имеющим вид бона с козырьками [5].
Оголовок 27 плотины выполняют в виде насыпи.
Особенностью конструкции и работы плотины, возведенной настоящим способом, является следующее:
- развитый подземный контр, длина которого определяется полотном 5 верховой первичной дамбы 6 и эффективной частью слабопроницаемого слоя 3, который обычно не учитывается;
- образование в процессе эксплуатации плотины дополнительного противофильтрационного элемента 28 под полотном 5 у его низовой кромки 14 (на чертеже этот элемент выделен пунктирной линией);
- внутренний понур 23, прежде всего его низовая часть 26, защищен полотном 5 от механической эрозии со стороны фильтрационного потока в водопроницаемом слое 1;
- плотина не содержит строительных колодцев и коллектора, что повышает ее надежность;
- высокая величина относительного удлинения геотекстиля при его разрыве (обычно не менее 40%, что в существенной мере превышает способность связных грунтов воспринимать деформации), что в случае образования трещины в противофильтрационном слое 18 обеспечивает восстановление кольматацией противофильтрационного слоя 18.
Пример 2 (фиг.3). Плотина расположена на участке староречья, представляющего собой переуглубление в коренных породах, которое заполнено толщей слоев рыхлых отложений 29, перекрытых слоем 30 разложившегося торфа и слоем 31 практически неразложившегося торфа.
Намывную плотину возводят на водопроницаемом основании, выполненном из песчано-гравийного грунта в виде цокольной части 32 плотины посредством сухоройных механизмов без осушения котлована по технологии, отработанной, например, при строительстве Курейской ГЭС [6]. При этом возведение плотины увязывается с выполнением цокольной части 32, а именно:
- в основании верховой первичной дамбы обвалования 6 из слобопроницаемого грунта устраивают зуб 33, который сопрягают со слоем рыхлых отложений 29;
- низовую первичную дамбу обвалования 7 располагают над пионерной насыпью 34, которую отсыпают из горной массы при выполнении цокольной части 32.
Эти особенности возведения плотины обеспечивают:
- снижение пьезометрического напора в цокольной части 32 плотины;
- повышение эффективности дренирования низовой призмы 15 и всей цокольной части 32 как при возведении плотины, так и при ее эксплуатации.
Целесообразно при выполнении цокольной части 32 осуществить уплотнение грунта ударами по ее поверхности тяжелой трамбовкой. Это дополнительно уплотнит рыхлые отложения слоя 29 и повысит качество сопряжения цокольной части 32 со слоем 29 за счет более полного выдавливания разжижаемого при трамбовании разложившегося торфа слоя 30 из-под цокольной части 32.
После выполнения цокольной части 32 на его поверхность в соответствии с правилами, изложенными в примере 1, укладывают полотно 5 и в ранее описанной последовательности осуществляют возведение намывной плотины.
На фиг.3 дополнительно обозначены:
35 - обратный фильтр;
36 - направление разработки торфа экскаватором-драглайном (не показан) и отсыпки в воду песчано-гравийного грунта по схеме «от берега к берегу»;
37 - конечный боковой забой.
Предлагаемый способ возведения намывной плотины на водопроницаемом основании обеспечивает снижение затрат, повышение надежности плотины и экологической безопасности.
Источники информации
1. Гидротехнические сооружения. Учеб. для вузов: в 2 ч. Ч.1 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивцев и др.; под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1996.
2. Авторское свидетельство СССР 1079739, МКИ Е02В 7/06. Намывная плотина / Веденеева Б.Е., Новожилов А.П. и Жиленков В.Н.; опубл. 15.03.84, Бюл. №10.
3. Мелентьев В.А., Колпашников Н.П., Волнин Б.А. Намывные гидротехнические сооружения. М.: Энергия, 1973.
4. Букатников В.Д., Мауль В.К. Плавучий водоприемник и сифонный водовод в суровом климате. - Водоснабжение и санитарная техника, 1986, №2, с.19-20.
5. Патент Российской Федерации 2028409, МКИ Е02В 7/06. Устройство для забора воды из отстойного пруда-хранилища зернистых отходов / Ягин В.П., опубл. 09.02.95.
6. Биянов Г.Ф., Зальцман О.М., Иванников В.М., Красильников Н.А., Макаров В.А., Ягин В.П. Исследования и совершенствование конструкции и технологии возведения правобережной плотины Курейской ГЭС на слабом основании. - Энергетическое строительство, 1986, №5, с.43-46.
Обозначения
1 - водопроницаемый слой (русловой аллювий)
2 - трещиноватая горная порода
3 - слабопроницаемый слой (пойменный аллювий-наилок)
4 - подготовленная поверхность
5 - водопроницаемое полотно (далее полотно)
6 - верховая первичная дамба обвалования
7 - низовая первичная дамба обвалования
8 - пульповод
9 - выпуск
10 - плавучая насосная станция
11 - водовод
12 - верховая кромка (полотна)
13 - верховая призма (плотины)
14 - низовая кромка
15 - низовая призма
16 - дренажный слой-фильтр
17 - переходный слой
18 - противофильтрационный слой
19 - дамба обвалования
20 - прудок-отстойник
21 - центральная зона (то же: ядро)
22 - пляжный откос
23 - внутренний понур
24 - верховая часть (внутреннего понура)
25 - центральная часть
26 - низовая часть
27 - насыпь
28 - дополнительный противофильтрационный элемент (под полотном у его низовой кромки)
Пример 2.
29 - слой рыхлых отложений
30 - слой разложившегося торфа
31 - слой неразложившегося торфа
32 - цокольная часть (плотины)
33 - зуб
34 - пионерная насыпь
35 - обратный фильтр
36 - направление разработки торфа экскаватором-драглайном (не показан) и отсыпки в воду песчано-гравийного грунта по схеме «от берега к берегу»
37 - конечный боковой забой.