Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Плотины на вечной мерзлоте

Мерзлыми называют породы, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед. Их подразделяют на сезонномерзлые и вечномерзлые (многолетнемерзлые).

Площадь, занятая вечномерзлыми грунтами в СССР, 10,5 млн. км2, что составляет 47 % территории. Мощность вечномерзлой толщи колеблется в значительных пределах: от 8...20 до 500 м (и более). Верхний слой подвержен ежегодному промерзанию и оттаиванию. Такой слой называют деятельным, глубина его колеблется от 0,7 до 3,8 м в зависимости от климатических условий, характера грунтов и др. В отдельных случаях между деятельным слоем и сдоем вечной мерзлоты находятся талики — слой с постоянной положительной температурой.


Температурное поле вечномерзлой толщи приведено на рисунке 5.58. Расстояние от границы сезонного промерзания до нижней границы мерзлой толщи составляет ее мощность. В зоне распространения вечной мерзлоты встречаются как скальные, так и нескальные породы. Скальные породы в мерзлом состоянии представляют монолит и при оттаивании мало теряют свои прочностные свойства, но у них заметно изменяется коэффициент фильтрации в сторону увеличения, что является следствием освобождения трещин от льда.

Дисперсные мерзлые грунты — многофазные системы; они состоят из минеральных частиц, незамерзшей воды и газообразных частей, находящихся в порах грунта. Такие грунты сцементированы льдом и практически представляют монолит с повышенными прочностными свойствами, водонепроницаемы.

Вода в мерзлых грунтах находится в трех состояниях: в виде льда, заполняющего поровое пространство, в виде ледовых включений — линз и прослоек, в виде незамерзшей воды. Общее количество воды равно сумме трех составляющих. Незамерзшая вода окружает минеральные частицы грунта и прочно с ними связана адсорбционными силами. Количество незамерзшей воды зависит от температуры и вида грунта.

Содержание льда в грунте оценивается относительной льдистостью:


Характерная особенность мерзлых грунтов — миграция влаги, морозное пучение, морозобойное растрескивание поверхности грунта, солюфлюкция и значительные осадки при оттаивании.

Под морозным пучением понимается перемещение (движение) незамерзшей воды к фронту промерзания, в результате чего увеличивается льдистость верхних слоев мерзлого грунта, приводящая к местному увеличению объема грунта при замерзании поровой и подтягиваемой в процессе миграции воды. Морозобойное растрескивание поверхности грунта — следствие температурного режима по вертикали и появления растягивающих напряжений на поверхности и сжимающих в глубине. Солюфлюкция выражается в медленном течении оттаивающего грунта под действием собственного веса вследствие уменьшения характерстик. В мерзлых грунтах при оттаивании наблюдают осадок от действия собственного веса и внешней нагрузки. Мерзлые грунты после оттаивания обладают малой несущей способностью, и практически их нельзя использовать для возведения сооружений. Наряду с осадкой различают и просадку — быстропротекающую необратимую деформацию грунта.

Типы плотин, возводимые в условиях вечной мерзлоты. В районах распространения вечной мерзлоты возможно применять следующие типы плотин: талые, технология возведения которых основана на использовании в теле и основании непросадочных и не- пучинистых грунтов, с применением водонепроницаемых устройств — грунтовых ядер и экранов; мерзлые с промораживанием всего поперечного профиля в процессе укладки грунта; мерзлые, в которых укладывают грунтовое ядро, с последующим искусственным промораживанием его и поддержанием в этом состоянии в течение всего эксплуатационного времени.

Талые плотины. Их выполняют чаще из каменной наброски, а водонепроницаемое устройство — из маловодопроницаемых грунтов в виде ядер или экранов. В качестве противофильтра- ционных устройств допускается использовать пленки. Основанием таких плотин могут быть связные и несвязные непросадочные грунты, но лучше возводить плотины на скальных породах.

К талым плотинам предъявляются те же требования, установленные действующими нормативами, относящиеся к плотинам из грунтовых материалов, возводимых в зоне умеренного климата.

Талые плотины с противофильтрационными устройствами построены в Сибири: Вилюйская (74 м), Хантайская (65 м), Серебрянская (78 м), Колымская (125 м).

Мерзлые плотины. Они имеют в поперечном профиле зоны мерзлых грунтов, смыкающиеся с вечномерзлыми грунтами основания. Существует два основных типа мерзлых плотин: в первом из них все тело плотины выполняют из мерзлого грунта в процессе эксплуатации, а в результате оттаивания образуется зоны талого грунта; во втором предусматривают водонепроницаемую преграду в виде мерзлого грунта, искуственно промороженного после возведения плотины [10].

В первом типе мерзлых плотин (рис. 5.59) весь поперечный профиль выполняют мороженым в период отрицательных температур. Грунт укладывают слоями с заполнением пор водой к промораживанием каждого слоя. Такие плотины возводят на вечномерзлых грунтах с обеспечением водонепроницаемого стыка с основанием.

Во время эксплуатации поперечный профиль мерзлой плотины и основание будут иметь зоны талого и мерзлого грунта. Со стороны верхового откоса, после заполнения водохранилища водой, в результате теплового воздействия воды образуется зона талого грунта А. Границу этой зоны (см. рис. 5.59, линия а—в) определяют на основе теплотехнических расчетов.


В средней части профиля будет зона Б, в которой грунт остается в мерзлом состоянии. Гребень плотины, низовой откос и надводная часть откоса образуют зону сезонного оттаивания и промерзания В. Для уменьшения глубины промораживания по этим зонам укладывают теплозащитные покрытия, например торф, насыпают слой снега или используют искусственные теплозащитные материалы. Уменьшение глубины промерзания достигается и засолением грунта; для этого применяют хлористый кальций или хлористый натрий.

В основании таких плотин будет две зоны: талая под верхним клином плотины (зона А) и вечномерзлого грунта основания, смыкающаяся с мерзлым грунтом тела плотины.

Во втором типе мерзлых плотин используют грунтовое ядро, укладываемое из талых грунтов с последующим искусственным промораживанием его. Для этого применяют систему охлаждения в виде морозильных колонок, по которым циркулирует теплоноситель— жидкость (рассол) или воздух. Схема мерзлой льдогрунтовой плотины с искусственно промороженной стенкой - завесой показана на рисунке 5.60. Расчетная схема мерзлых плотин приведена на рисунке 5.61.

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики