ПЛОТИНА ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
DAM OF SOIL MATERIALS

В составе гидроузлов, возводимых в криолитозоне (то же: в зоне многолетнемерзлых пород), предусматриваются в основном плотины из грунтовых материалов. Среди них наиболее экономичными в условиях сурового климата являются плотины из каменной наброски. Такие плотины привлекают неизменным преимуществом - возможностью использования местных строительных материалов и простотой в технологии возведения, а также круглогодичностью производства работ.
По данным источника [4], расположение в зоне многолетнемерзлых пород является серьезным фактором риска повреждения плотин и их водохранилищ. 48% аварий на гидростанциях происходит именно в таких регионах (при незначительном числе расположенных здесь ГЭС). Основная причина повреждений - недоучет криогенных процессов в теле плотин, их основаниях и в районах примыкания, связанных с изменениями под влиянием гидроузлов условий теплообмена, температурного режима, физико-технических свойств мерзлых пород, приводящих к развитию термокарста, термоэрозии, наледообразованиям и т.п.
По данным источника [7], к концу XX века в криолитозоне в России построено свыше 800 низконапорных гидроузлов, в том числе более 400 в Якутии. Все они в той или иной мере подвержены деформациям. Анализ работы гидроузлов промышленного водоснабжения свидетельствует о том, что более 40% отказов произошло из-за нарушения температурного режима сооружений. Причем впервые три года эксплуатации произошло до 53% отказов, между тремя и пятью годами - 31%, остальные - в последующие годы. До 90% низконапорных гидроузлов мелиоративного назначения в Якутии по выше указанной причине разрушаются в первый год эксплуатации.
Известна каменно-земляная плотина (плотина Колымской ГЭС), у которой низовая призма периодически промерзает, образуя льдогрунтовый массив, смыкающийся с многолетнемерзлым основанием и с ядром плотины. В таких условиях промороженная низовая зона переходных слоев не может отводить профильтровавшуюся воду, а сохранившиеся ее локальные талые участки работают в непредсказуемых экстремальных режимах, что может привести к нештатным ситуациям [5].
Известна каменно-земляная плотина (плотина Усть-Илимской ГЭС), у которой в процессе строительства и эксплуатации были обнаружены просадки в теле, поскольку в ее каменной наброске образовался клин мерзлого тела, который затем растаял. То есть в условиях суровых зим из-за образования временного слоя мерзлых пород происходит осадка сооружения [4].
Из вышесказанного ясно, что для безаварийной, надежной эксплуатации в суровых климатических условиях каменно-земляных плотин необходимо уметь регулировать их температурный режим с учетом многообразия и взаимосвязи процессов тепло- и массопереноса, протекающих в отдельных элементах.
Известно, что каменно-земляные плотины, как и другие грунтовые плотины в криолитозоне, возводятся по двум принципам:
- при строительстве по I принципу получается плотина мерзлого типа, называемая нефильтрующей;
- при строительстве по II принципу получается плотина талого типа, называемая фильтрующей.
Известна плотина мерзлого типа с мерзлым противофильтрационным ядром из малофильтрующего связного грунта, упорной верховой и низовой призмой из каменной наброски, переходным слоем между ядром и упорными призмами и мерзлотной завесой. Плотина снабжена дополнительно насыпью из малофильтрующих грунтов высотой не менее глубины сезонного протаивания грунта, отсыпанной вдоль подошвы низового откоса, с гребня которой установлены колонки мерзлотной завесы, и плащом из связного грунта, расположенным под низовой упорной призмой [3].
Недостатками данной конструкции являются:
1. Плотина предполагается использоваться только в мерзлом состоянии. Эксплуатация плотины в талом состоянии при регулировании температурного режима предложенным способом невозможна.
2. Установка дорогостоящих колонок мерзлотной завесы.
3. Не предусмотрено регулирование температурного режима самой плотины. Гарантировать сохранения ядра и переходной зоны со стороны низовой упорной призмы не представляется возможным. В результате отепляющего воздействия водохранилища и отсутствия ледогрунтовой завесы по оси ядра вполне возможно оттаивание как самого ядра, так и переходной зоны. В летний период (в период положительных температур атмосферного воздуха) в результате естественной конвекции воздуха в низовой упорной призме будет происходить ее прогревание с перемещением нулевой изотермы к ядру плотины.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемой является плотина из грунтовых материалов на мерзлом основании с мерзлым противофильтрационным центральным ядром, верховой и низовой упорными призмами. Низовая призма имеет внутреннюю зону из каменной крупнозернистой наброски, прикрытой грунтом из более мелких фракций, а гребень плотины и низовой откос покрыты водонепроницаемым глинистым слоем. Плотина оборудована трубами-выпусками по гребню и низовой берме, а также вентиляционной системой, по которым осуществляется естественная и принудительная конвекция воздуха в порах внутренней зоны низовой призмы из каменной наброски [6].
Недостаток плотины данной конструкции - невысокая надежность при эксплуатации. Во-первых, плотина предполагается использоваться только в мерзлом состоянии. Во-вторых, в низовую призму, имеющую внутреннюю зону из каменной крупнозернистой наброски, возможно попадание присыпанного сверху грунта более мелких фракций. В результате снизится эффективность конвекционного охлаждения основания и противофильтрационного элемента плотины. В-третьих, высока вероятность забивания льдом горизонтальных труб-выпусков, которыми снабжена плотина, причем очистке они практически не поддаются.
Настоящее изобретение направлено на решение задачи создания конструкции как талой, так и мерзлой грунтовой (каменно-земляной) плотины, обеспечивающей постоянный температурный режим в ядре и переходной зоне со стороны нижнего бьефа при эксплуатации ее в жестких температурных условиях северной строительно-климатической зоны.
Решение указанной задачи для грунтовой плотины (как талой, так и мерзлой), состоящей из противофильтрационного ядра 1 из малофильтрующего связного грунта, верховой 2 и низовой призмы из каменной наброски и переходных зон 3, 4 между ядром и упорными призмами (фиг.1, фиг.2), достигается следующим образом.
1. Для талой (фильтрующей) плотины (фиг.1):
С целью недопущения перемерзания переходных зон 4 плотины со стороны низовой призмы, а так же для уменьшения замерзания верхней части ядра 1 в период эксплуатации плотины предлагается проводить регулирование ее температурного режима. Это регулирование заключается в следующем:
а) с целью снижения конвекции воздуха в низовой призме и тем самым уменьшения глубокого охлаждения призмы в холодный период года откос низовой каменно-набросной призмы покрывается слоем мелкого камня 5 (карьерная мелочь или песчано-гравийная смесь);
б) для гарантированного поддержания части низовой призмы вблизи переходной зоны в талом состоянии в низовой призме с помощью воздухонепроницаемого экрана 6, выполненного из тонкой прорезиненной ткани или сцементированного камня, создается зона сезонноактивной конвекции 7, которая включается в действие в теплый период года. Это включение осуществляется следующим образом.
2
В теплый период года ангар 8, находящийся на гребне плотины, открывается, дополнительно на низовом откосе снимается воздухонепроницаемое покрытие 9, после чего возникает проточная конвекция в зоне низовой призмы с сезонноразвитой конвекцией из крупнозернистой наброски. Кроме того, для усиления проточной конвекции в подэкранной зоне в верхнем ангаре возможно создание разрежения до -1 кгс/см (например, с помощью вытяжных вентиляторов). Это разрежение приведет к возникновению эффекта аэродинамической трубы между экраном 6, водой нижнего бьефа в низовой призме и ядром 1 с повышенными скоростями движения воздуха в порах этой «трубы» в нужный - теплый период года.
В холодный период года ангар 8 закрывается, дополнительно на низовом откосе устанавливается воздухонепроницаемое покрытие 9, после чего проточная конвекция в зоне низовой призмы 7 с сезонноразвитой конвекцией прекращается. Возможна только ограниченная термогравитационная конвекция, вызванная плотностной стратификацией порового воздуха из-за разностей его температур.
2. Для мерзлой (нефильтрующей) плотины (фиг.2) регулирование температурного режима производится аналогично, как для талой плотины, за исключением того, что ангар 8, находящийся на гребне плотины, открывается в холодный период года, дополнительно на низовом откосе снимается воздухонепроницаемое покрытие 9. В теплый же период года ангар 8 закрывается, дополнительно на низовом откосе устанавливается воздухонепроницаемое покрытие 9.
Экран и ангар не позволяют проникать атмосферным осадкам и талым водам в зону «трубы», в результате чего не будет происходить заполнение пор наброски льдом в зонах с отрицательной температурой.
Не будет сублимации льда в порах наброски «трубы» для талой плотины, так как «труба» - теплая, внедряющийся атмосферный воздух в трубу - теплый. Для мерзлой плотины наоборот, «труба» - холодная, внедряющийся атмосферный воздух в трубу еще более холодный, упругость насыщения которого ниже, чем у воздуха в порах трубы.
Для оценки эффективности предложенного способа регулирования температурного режима каменно-земляных плотин выполнено его компьютерное моделирование для эксплуатационного периода. Моделирование проведено с применением программного комплекса NORD.3D [1]. Программный комплекс NORD.3D реализует физико-математическую модель температурно-фильтрационного режима каменно-земляных плотин, описанную в [2]. Достоверность результатов, получаемых в результате моделирования программным комплексом NORD.3D, неоднократно проверена путем сравнения с натурными данными (см., например, [1]), где исходными данными для моделирования являются данные на момент начала эксплуатации сооружения, а получаемые сравниваются с натурными данными на момент диагностики сооружения.
В качестве примера здесь приводятся результаты моделирования температурного режима для двух вариантов плотины Тельмамского гидроузла. Тельмамский гидроузел проектируется на р.Мамакан в Бодайбинском районе Иркутской области вблизи устья р.Тельмамы.
Участок расположения Тельмамского гидроузла входит в зону сплошного развития вечномерзлых пород со сквозным таликом под руслом реки Мамакан, ширина которого не превышает ширины реки по меженному зимнему урезу воды. В основании мерзлота сливающегося типа.
Плотина гидроузла каменно-земляная высотой 154,5 м, длиной по гребню 1120,50 м, запроектирована с ядром из суглинка толщиной по низу 40,00 м и заложением граней 7,5:1, имеет две переходные зоны средней толщиной по 3 м. (фиг.3). По температурному состоянию плотины талая, предполагающая свободную фильтрацию воды через ядро с беспрепятственным отведением ее в нижний бьеф по переходным зонам.
Для талой русловой плотины Тельмамского гидроузла моделирование показало, что в процессе эксплуатации имеется реальная опасность перемерзания переходных зон со стороны низовой призмы, а также глубокое замерзание центральной части плотины вследствие значительной зимней сработки водохранилища гидроэлектростанцией (фиг.4). Эти обстоятельства могут привести к переводу свободной фильтрации в ядре плотины в напорную или напорно-безнапорную. Такая ситуация не может быть допущена, поскольку она выведет сооружение за рамки проектного состояния.
Моделирование температурного режима в условиях регулирования по предложенному способу показало, что приядерная зона низовой призмы плотины в условиях регулирования температурного режима будет пребывать в гарантированно талом состоянии, что, собственно, и требуется (фиг.5).
Таким образом, можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение на примере талой русловой Тельмамской плотины оказывается весьма эффективным и может быть применено и для других проектируемых в криолитозоне талых каменно-земляных плотин.
Для пойменных участков плотины Тельмамского гидроузла, где залегают вечномерзлые породы толщей более 80…100 м, возможно возведение каменно-земляной плотины мерзлого типа с регулированием температурного режима. Для подтверждения эффективности предложенного способа регулирования было выполнено моделирование температурного режима мерзлой левобережной каменно-земляной плотины Тельмамского гидроузла на 10 лет. Ядро плотины из суглинка без мерзлотной завесы к началу прогноза находится в мерзлом состоянии при температуре -1°С.
Результаты свидетельствуют о том, что на 10 году эксплуатации мерзлой плотины в условиях регулирования температурного режима ядро находится в гарантированно мерзлом состоянии, что также подтверждает эффективность предложенного изобретения (фиг.6).
Источники информации
1. Горохов Е.Н. Программный комплекс NORD трехмерного моделирования температурного режима каменно-земляных плотин / Е.Н.Горохов, В.И.Логинов // Материалы междунар. конф. «Инженерно-геологические изыскания в криолитозоне «ИГК-2000». - СПб.: ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 2000. - С.64-73.
2. Горохов Е.Н. Теория и метод расчета температурно-криогенного режима плотин из каменной наброски в криолитозоне / Е.Н.Горохов// Известие высших учебных заведений. Строительство. 2005. - №9. - С.32-39.
3. Грунтовая плотина мерзлого типа / Букатников В.Д., Мауль В.К., Шамайтис Ю.И. // Патент RU №2029016. Опубл. 20.02.1995 г.
4. Малик Л.К. Факторы риска повреждения гидротехнических сооружений. Проблемы безопасности / Л.К.Малик; (отв. ред. Н.И.Коронкевич) // - М.: Наука, 2005.
5. Пехтин В.А. О безопасности плотин в северной строительно-климатической зоне / В.А.Пехтин // Гидротехническое строительство. - 2004. №10, с.6.
6. Плотина из грунтовых материалов / Балясников Г.Г., Максимов И.А. // Патент SU №1714030. Опубл. 23.02.1992 г.
7. Чжан Р.В. Температурный режим и устойчивость низконапорных гидроузлов и грунтовых каналов в криолитозоне / Р.В.Чжан // Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. - Якутск, 2001.