Плотина из грунтовых материалов в условиях криолитозоны

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены некоторые интересные технические решения, направленные на повышение надежности грунтовых плотин в зоне распространения многолетнемёрзлых горных пород, снижение затрат на их строительство и эксплуатацию. Предложена конструкция плотины из местных материалов в условиях криолитозоны, позволяющая снизить затраты на ее содержание, а также обеспечить охлаждение тела плотины хладоаккумулирующими вентиляционными трубами путем естественной циркуляции воздуха в зимний период.

ABSTRACT.

Some interesting technical solutions aimed at increasing the reliability of ground dams in the distribution zone of permafrost, reducing costs of their construction and operation are considered. The dam construction from local materials in the conditions of cryolithozone is proposed that allows to reduce operating costs and also to ensure the cooling of the dam body by refrigerating accumulating ventilation pipes by natural air circulation during the winter period

Ключевые слова: грунтовая плотина мерзлого типа, верховая призма, низовая призма, тело плотины, хладоаккумулирующие трубы, промораживание.

В условиях криолитозоны конструкция гидротехнических сооружений в основном зависит от их термического режима в различные периоды строительства и эксплуатации [1,2].

Одним из основных требований к проектированию грунтовых плотин мерзлого типа является обеспечение мерзлого состояния плотины в продолжение всего периода ее эксплуатации.

Наряду с положительным опытом строительства и эксплуатации низконапорных гидроузлов в криолитозоне в целом вопрос обеспечения их устойчивости стоит остро и в настоящее время. Как отмечается в работе [2], в первые три года эксплуатации разрушается до 90% мелиоративных плотин и 53% плотин питьевого и промышленного водоснабжения. Для мерзлых плотин главным является температурный отказ (оттаивание берегового примыкания или тела и основания плотин) и как следствие далее следуют фильтрационные, деформативные и прочностные отказы.

В этой связи известно множество технических решений призванных обеспечить соблюдение этого требования во взаимосвязи с упрощением конструкций плотин, снижением затрат на их содержание.

Так известна плотина из местных материалов, возводимая на вечномерзлом основании, включающая промороженное ядро, сопряженное с основанием при помощи зуба, верховую и низовую призму. Для  повышения степени сохранности ядра в мерзлом состоянии, ее низовая призма выполнена в виде каменной наброски и имеет сообщающиеся с наружной атмосферой штольни, расположенные вдоль русла [3].

С целью повышения надежности работы плотин с льдогрунтовой стенкой при их возведении в суровых климатических условиях для упрощения производства работ по созданию льдогрунтовой стенки предложено одновременно с отсыпкой плотины возводить диафрагму из полимерных материалов между замораживающими элементами и низовой призмой плотины [4].

Интересное решение при строительстве плотины из грунтовых материалов, предложено в [5]. Конструкция плотины, возведенной на мерзлом основании, включает в себя мерзлый противофильтрационный элемент, верховую и низовую упорные призмы. Внутренняя зона низовой призмы отсыпана из крупнопористой каменной наброски. Гребень и поверхность низового откоса покрываются водонепроницаемым слоем, например из глинистых грунтов. На гребне плотины и на нижней берме низовой призмы устанавливаются с определенным шагом по длине плотины трубы-выпуски для сообщения с атмосферой и осуществления естественной циркуляции воздуха в каменной наброске. Трубы-выпуски оборудуются регуляторами расхода воздуха. На нижней берме низовой призмы установлены также напорные коллекторы и вентиляторы для принудительной циркуляции воздуха в каменной наброске.

Конвекционное охлаждение противофильтрационного элемента и основания плотины производится за счет естественной, или принудительной, или совместной схемы циркуляции холодного воздуха в порах каменной наброски зоны.

Для осуществления в зимний период естественной циркуляции воздуха открывают регуляторы расхода воздуха, установленные на гребне и на нижней берме низовой призмы плотины. Холодный воздух, двигаясь по пустотам наброски зоны, охлаждает основание низовой призмы и противофильтрационный элемент. Взаимодействуя с каменной наброской, воздух нагревается, его объемный вес уменьшается и осуществляется его естественное движение снизу вверх. Поступление количества воздуха в зону каменной наброски и интенсивность охлаждения устанавливается с помощью регуляторов расхода воздуха.

При небольших перепадах температур наружного воздуха и каменной наброски сооружение охлаждается с помощью принудительного вентилирования холодного воздуха. При этом регуляторы расхода воздуха, расположенные на гребне плотины, должны быть открыты, а на нижней берме низовой призмы - закрыты.

Для увеличения интенсивности охлаждения элементов плотины, в дополнение к естественной циркуляции воздуха, подключается система принудительного нагнетания воздуха. При работе по этой схеме открывают все регуляторы расхода воздуха и включают вентиляторы.

В теплый период года поступление атмосферного воздуха в призму прекращается путем закрытия регулятора расхода воздуха и отключения вентилятора.

Недостатком предложенной конструкции  являются затраты на вентиляторное хозяйство, а также необходимость формирования по высоте плотины зоны из крупнопористой каменной наброски для осуществления циркуляции холодного воздуха в её порах, что не всегда можно обеспечить ввиду отсутствия данного типа грунта в районе строительства плотины.

С целью сокращения сроков строительства и снижения трудоемкости строительных работ по возведению плотин в суровых климатических условиях предложен способ возведения грунтовых плотин мерзлого типа [6].

Основные работы по возведению плотины выполняются в зимний период, который в северных условиях длится не менее 7 месяцев. Практикой доказано, что в процессе добычи и транспортировки в зимний период грунты переохлаждаются, приобретая температуру до минус 20°С (вечномерзлые грунты в естественном состоянии имеют температуру минус 2-7°С). Уложенные с такой температурой грунты, защищенные от теплового воздействия фильтрационных вод, будут находиться в мерзлом состоянии, приобретая со временем стационарный режим с нулевой изотермой, разделяющей тело плотины на талую (верховую) и мерзлую (низовую части). Возможные деформации верховой части в процессе оттайки не опасны для несвязного грунта и эластичного экрана. Отрицательная температура низовой части плотины будет поддерживаться в результате естественной конвекции воздуха в зимний период. Причем подготовку основания плотины проводят в осенний период.

При возведении такой грунтовой плотины мерзлого типа вначале осуществляют разбивку основной строительной оси по контуру подошвы низового откоса. Основание плотины подготавливают и предварительно промораживают за счет постоянной очистки от снежного покрова. Отсыпку элементов тела плотины ведут в сторону верховой части от основной строительной оси из несвязных переохлажденных грунтов слоями до 2,5 метров, с уплотнением уложенного слоя виброкатками или иным способом. В конце зимы при температуре воздуха не ниже минус 20°С со стороны верховой части плотины проводят укладку эластичного противофильтрационного элемента и сопрягают его с основанием плотины зубом. До наступления весеннего паводка отсыпают защитный слой с креплением верхового откоса плотины каменной наброской или другим видом.

В работах [7,8] изложены результаты моделирования теплового режима дамб и плотин дражных котлованов, сооружаемых методом послойного намораживания, эксплуатируемых в режиме периодического и постоянного затопления котлованов водой как в летний, так и в зимний периоды, а также круглогодично в течение ряда лет. Показано, что технология возведения дамб и плотин из грунтовых материалов в зимний период методом послойного намораживания позволяет построить гидротехническое сооружение высотой до 12 м за один зимний период. При этом образующийся постоянномерзлый ледогрунтовый массив (ядро), сливаясь с многолетнемерзлыми грунтами основания, играет роль противофильтрационного элемента, одновременно способствуя повышению статической устойчивости сооружений в целом. Водонепроницаемость и высокие прочностные качества ледогрунтового ядра позволяют во многих случаях отказаться от устройства шпунтов, диафрагм и других, принятых в гидротехнике (вне зоны вечной мерзлоты) противофильтрационных элементов, которые почти всегда плохо работают в северных условиях [2].

Авторами предлагается конструкция плотины из грунтовых материалов в условиях криолитозоны, позволяющая снизить затраты на ее содержание, а также обеспечить охлаждения тела плотины хладоаккумулирующими вентиляционными трубами путем естественной циркуляции воздуха [9]. В этом случае формирование ледогрунтового ядра может происходить как за счет естественного промерзания грунтов, так и в результате искусственного промораживания посредством хладоаккумулирующих вентиляционных труб, уложенных в теле плотины.

Результат достигается тем, что низовая упорная призма плотины выполнена полностью из местных материалов, а трубы-выпуски соединены между собой хладоаккумулирующими вентиляционными трубами.

На рис. 1 показано поперечное сечение такой плотины.

Рисунок. 1 Плотина из грунтовых материалов в условиях криолитозоны.

Плотина из грунтовых материалов, возведенная на мерзлом основании 1, включает в себя мерзлый противофильтрационный элемент 2, верховую 3 и низовую 4 упорные призмы, отсыпанные грунтами из местных материалов. Гребень и поверхность низового откоса покрыты водонепроницаемым слоем 5, например, из глинистых грунтов. На гребне плотины и на нижней берме низовой призмы с определенным шагом по длине плотины установлены трубы-выпуски 6, соединенные хладоаккумулирующими вентиляционными трубами 7 для сообщения с атмосферой и осуществления естественной циркуляции воздуха в них и охлаждения тела плотины. Трубы-выпуски 6 оборудованы регуляторами 8 расхода воздуха.

Охлаждение противофильтрационного элемента и основания плотины производится за счет естественного движения холодного воздуха в хладоаккумулирующих вентиляционных трубах, проходящих через тело низовой упорной призмы.

Для осуществления в зимний период естественной циркуляции воздуха открывают регуляторы 8 расхода воздуха, установленные на гребне и на нижней берме низовой призмы плотины. Холодный воздух, двигаясь по хладоаккумулирующим вентиляционным трубам 7 в теле низовой упорной призмы 4, охлаждает прилегающую к трубе зону, параметры которой определяются расчетным путем, вследствие чего охлаждается основание 1 низовой призмы 4 и противофильтрационный элемент 2. При прохождении по трубе, воздух нагревается, его объемный вес уменьшается и осуществляется его естественное движение снизу вверх, как показано на чертеже стрелками. Поступление количества воздуха в трубы 6, интенсивность охлаждения тела плотины устанавливается с помощью регуляторов 8 расхода воздуха.

В теплый период года поступление атмосферного воздуха в призму прекращается путем закрытия регулятора 8 расхода воздуха.

Радиус хладоаккумулирующей вентиляционной трубы R определяется из соотношения:

 , м,                                                      (1)

где η – динамическая вязкость воздуха, Н×с/м²; L – длина трубы, м; v – скорость воздуха в трубе, м/с; ΔP – перепад давлений на входе и выходе трубы, Па.

Количество хладоаккумулирующих вентиляционных труб n, необходимое для промораживанияледопородного массива в теле грунтовой плотины, определяют по формуле:

 , шт.,                      (2)

где V₁ – объем воды, заключенной в ледопородном массиве, м³; V₂ – объем горных пород, заключенный в ледопородном массиве, м³; γ₁ – плотность воды, кг/м³; γ₂ – плотность скелета горных пород, кг/м³; C₁ – удельная теплоемкость воды, ккал/(кг °С); C₂ – скрытая теплота плавления льда, Дж/кг; C₃ – удельная теплоемкость льда, Дж/(кг °С);C₄ – удельная теплоемкость горных пород, Дж/(кг °С); t₀ – температура замерзания воды, °С; t₁ – начальная температура, °С; t₂ – требуемая температура промораживания, °С; τ – время проморозки, с; α – коэффициент конвективного теплообмена вентилируемого воздуха со стенкой трубы,  Вт/(м²·К); t_ст - температура стенки хладоаккумулирующей трубы, °С; t_возд – температура воздуха в трубе, °С.

Например, для замораживания ледогрунтового массива в теле грунтовой плотины высотой H = 8 м, перепаде атмосферного давления по высоте плотины ΔP = 100 Па, длине хладоаккумулирующей вентиляционной трубы L = 20 м, скорости воздуха в трубе не менее v = 4 м/с радиус трубы должен быть не менее R = 0,1 м. При длине грунтовой плотины 200 м, температуре промораживания ледогрунтового массива в теле плотины t₂ = –5°С и времени проморозки не менее 5 месяцев (соответствует периоду устойчивых отрицательных температур атмосферного воздуха) количество хладоаккумулирующих вентиляционных труб n, необходимое для промораживанияледопородного массива в теле грунтовой плотины, составит примерно 45 шт., т.е. хладоаккумулирующие вентиляционные трубы должны быть установлены с шагом »4,5 м.

Время необходимое для образования одиночного ледопородного цилиндра диаметром d_ц определяется по формуле [10]:

,                                              (3)

где ψ – величина теплопритока к внешней поверхности полого ледопородного цилиндра, Дж/м³; С_Т – объёмное теплосодержание породы, объёмная энтальпия, Дж/м³; λ₂ – теплопроводность мёрзлой породы, Вт/(м×К); Т^* – температура замерзания воды, °С; Т_р – температура стенки хладоаккумулирующей трубы, °С; d_ц – диаметр одиночного ледопородного цилиндра, м; d_к – диаметр хладоаккумулирующей трубы, м.

На рис. 2 представлена зависимость времени образования одиночного ледопородного цилиндра от диаметра хладоаккумулирующей трубы. Как видно из рис. 2 при диаметре хладоаккумулирующей трубы d_к = 0,2 м, температуре стенки хладоаккумулирующей трубы Т_р = –5°С для образования ледопородного цилиндра d_ц = 2,5 м потребуется не менее 45 дней, а при диаметре хладоаккумулирующей трубы d_к = 0,35 м не менее 37 дней. При тех же условиях и температуре стенки хладоаккумулирующей трубы Т_р = –7°С потребуется не менее 33 и 25 дней соответственно.

Рисунок. 2 Зависимость времени t⁰_з образования одиночного ледопородного цилиндра диаметром d_ц от диаметра d_кхладоаккумулирующей трубы: а) Т_р = –5°С, б) Т_р = –7°С.

Предлагаемая плотина из грунтовых материалов в условиях криолитозоныпозволяет управлять процессом циркуляции холодного воздуха в хладоаккумулирующих трубах, эффективно охлаждать основание и противофильтрационный элемент, сохраняя их в мерзлом, непроницаемом для воды состоянии.

Преимуществами предложенной конструкции являются:

-       снижение затрат на содержание плотины;

-       интенсификациюпромораживания тела плотины в зимний период;

-       поддержание тела плотины в мёрзлом виде в летний период;

-       возможность обеспечения охлаждения тела плотины, выполненного полностью грунтами из местных материалов.