Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях


Плотины на вечно мерзлом основании с мерзлотными противофильтрационными завесами

При строительстве в северной климатической зоне с вечно-мерзлотными основаниями применяется два принципа строительства плотин (и других сооружений) основаниях - с сохранением мерзлого состояния грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения или в оттаянном состоянии. При этом, различают плотины мерзлого типа и плотины комбинированного типа.

Плотина мерзлого типа - плотина, противофильтрационный элемент которой и его основание находятся в мерзлом состоянии, обеспечивая ее водонепроницаемость в течение всего периода эксплуатации.

Плотина талого типа - плотина, противофильтрационный элемент которой находится в талом или в частично мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации.

Плотина комбинированного типа - плотина, в различных частях тела и основания которой в процессе эксплуатации обеспечивается заданное сочетание фрагментов плотин мерзлого и талого типа, например, талого типа - в русловой части плотины на подрусловой таликовои зоне и мерзлого типа - на береговых многолетнемерзлых грунтах.

Плотины мерзлого типа принципиально включают те же элементы, что и обычные плотины с грунтовыми противофильтрационными элементами, но вместо талого грунтового ядра применяется промороженное грунтовое ядро, с поддержанием ею в промороженном состоянии в течение всего периода эксплуатации. Такой противофильтрационный элемент создается замораживанием влаги, содержащейся в грунте до его твердомерзлого состояния. Целесообразность такого решения возникает в случае наличия в бортах и основании зон вечной мерзлоты и отсутствии в районе строительства необходимых качественных материалов для устройства обычных грунтовых противофильтрационных устройств по талому варианту. Распространению таких решений способствует стремление использовать природный холод в северной строительной зоне. Для создания таких завес применяются специальные устройства и технология, обеспечивающие их строительство и эксплуатацию в нужном температурном режиме.

Для активного управления температурным режимом грунтов в системе «плотина-основание» применяются специальные сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) различного типа.

В гидротехническом строительстве нашли применение следующие четыре типа СОУ:

• Воздушные с вынужденной конвекцией (циркуляцией) воздуха (ВВК СОУ);

• Жидкостные с естественной конвекцией хладоносителя-керосина (ЖЕК СОУ);

• Жидкостные с вынужденной конвекцией хладоносителя (ЖВК СОУ);

• Парожидкостные или двухфазные (ПЖ СОУ).

Указанные типы устройств отличаются друг от друга различными способами создания и поддержания отрицательных температур в грунте.

Воздушные установки с вынужденной конвекцией (ВВК СОУ) представляют собой теплообменник типа «труба в трубе». ВВК СОУ (рис.10.6.1.) представляет собой теплообменник типа «труба в трубе». Наружный воздух вентилятором подается во внутреннюю трубу (или отсасывается из кольцевого зазора). При движении по кольцевому зазору воздух воспринимает тепло грунта и нагревается, частично нагревая и поток холодного воздуха во внутренней трубе. Обычно один вентилятор обслуживает группу колонок, поэтому системы ВВК СОУ оборудуются и наружными воздуховодами-коллекторами.


Жидкостные установки с естественной конвекцией (ЖЕК СОУ) в простейшем случае представляют собой частично заглубленную в грунт трубу, заполненную незамерзающей жидкостью (керосин и т.п.). В нижней части керосин, воспринимая тепло от грунта, расширяется и поднимается кверху, а в выступающей части, наоборот охлаждается наружным воздухом, тяжелеет и опускается вниз. Имеются различные варианты таких устройств (рис. 10.6.2).


Жидкостные установки с вынужденной конвекцией (ЖВК СОУ) по конструкции принципиально не отличается от ВВК, но могут иметь меньшие диаметры, так как жидкость имеет гораздо большую плотность по сравнению с воздухом (Рис.10.6.3). В отличии от ВВК, ЖВК обязательно должны иметь наружный теплообменник, циркулируя жидкости между теплообменниками грунтовым и наружным осуществляется насосом. На практике ЖВК так же, как и ВВК, объединяются в группы с одним насосом и единым наружным теплообменником типа калорифера. Наружный воздух через калорифер продувается специальным вентилятором, хотя возможно и просто обдувание ветром. В качестве рабочей жидкости до сих пор применяют керосин.


Парожидкостные установки (ПЖ СОУ) представляют собой герметично закрытую трубу, заполненную рабочим веществом (холодильным агентом) (Рис.10.6.4.). Рабочее вещество в установке находится в двухфазном состоянии: в виде пара, заполняющего центральную часть трубы и жидкости, пленкой покрывающей ее стенки. Трубу погружают в грунт на большую часть длинны - это грунтовый теплообменник (испаритель), а выступающая часть - наружный теплообменник (конденсатор). Зимой пары рабочего вещества в верхней части установки охлаждаются воздухом и конденсируются, конденсат пленкой стекает по стенкам трубы вниз. Здесь жидкая пленка воспринимает тепло из грунта и испаряется. Образовавшийся пар поднимается вверх, и цикл повторяется.


Все СОУ работают только в зимний сезон, используя относительно низкие температуры воздуха. В отличие от искусственного замораживания грунта в тоннелестроении и т.п., которое, как правило, является временным (только на период строительства), охлаждающие системы, скомплектованные из СОУ способны поддерживать достигнутое мерзлое состояние в течении многих лет. Причем либо вообще без затрат энергии - (ПЖ) и (ЖЕК), либо с затратами энергии только на перекачку хладоносителя.

Первая земляная плотина с искусственно замороженным ядром в России с системой ВВК была построена в 1941-1921гг. на ручье Долгом в районе Норильска. В дальнейшем были построены плотины на реке Ириля (1964г.), Павск (1967г.), Сытыкан (1976г.). Жидкостные СОУ были применены в плотине на р. Марха. В плотине водохранилища Анадырской ТЭЦ (1986г.) применена система парожидкостных СОУ (рис. 10.6.5.).

Как показал опыт эксплуатации, перечисленные типы СОУ различаются не только по физическим показателям эффективности теплообмена и энергетическим затратам, но и по ряду эксплуатационных характеристик. Многие выявленные недостатки различных систем были часто следствием недостаточного качества проектных и строительно-монтажных работ, поэтому качеству этих работ при применении СОУ должно быть уделено особое внимание. Совершенствование систем СОУ продолжается в направлении конструктивно-технологических решений и повышения эксплуатационных качеств.

Наибольшие трудности вызывает эксплуатация наиболее простых воздушных СОУ. Это, во- первых, связано с физическими свойствами воздуха, который, как и любой газ, имеет малую теплоемкость и поэтому плох как хладоноситель: он быстро нагревается при движении по колонке и, следовательно, слабо охлаждает грунт, особенно в нижних и средних слоях. Во вторых, в воздушных колонках образуются ледяные пробки, которые уменьшают сечение, а в худшем случае могут полностью закупорить колонку.

Более эффективными по теплообмену, беззатратными по электроэнергии, более дешевыми в эксплуатации, по сравнению с воздушными, являются жидкостные СОУ с естественной конвекцией (ЖЕК).

Расчетные и натурные исследования показали, что при одинаковых площадях поверхности грунтового и наружного теплообменников и одинаковой скорости воздуха (или ветра) у поверхности наружного теплообменника тепловая эффективность ПЖ и ЖВК СОУ примерно одинаковы, а эффективность ЖЕК СОУ на 30-40% ниже. Эти три типа СОУ и являются наиболее перспективными для охлаждающих систем умеренной глубины Н = 10-30м.

Воздушные СОУ при глубине > 12-15м охлаждают грунт значительно хуже и, кроме того, обладают существенным эксплуатационным недостатком - забиваются ледяными пробками. Технических средств для его преодоления пока не существует.

Для всех трех типов СОУ следует добиваться, чтобы как можно большее число элементов системы (в частности, теплообменники) изготавливались и испытывались в заводских условиях. Последовательность возведения плотины и завесы может осуществляться по двум схемам. Первая схема - возведение завесы с гребня предусматривает следующую последовательность:

• возведение плотины на полную высоту;

• бурение скважин с гребня с заглублением их в основание;

• установка в скважины соответствующих СОУ;

• включение в работу СОУ и создание противофильтрационной завесы в строительный период до наполнения водохранилища;

• поддержание необходимого температурного режима завесы в период эксплуатации для обеспечения ее работы в качестве противофильтрационного элемента.

Вторая технология имеет следующие преимущества: значительно сокращается объем работ по бурению скважин, исключается необходимость применения обсадных труб с

Вторая схема - возведение завесы в процессе возведения плотины. Эта схема предусматривает послойное возведение плотины с соответствующим неслойным намораживанием грунта. Соответствующая схема показана на рис. 10.6.5 выполнением трудоемких работ по их извлечению, исключаются работы по заполнению раствором затрубного пространства, повышается качество монтажа замораживающих колонок и, самое главное, ускоряется ввод в эксплуатацию системы замораживания. Промораживание грунтов ядра и его основания возможно параллельно с возведением плотины. Главным ее недостатком является возможность повреждения колонок в период строительства.


При наличии в основании замкнутого или руслового талика необходимо обеспечить промораживание этого талика. Для средних высоконапорных плотин и при галичии в основании замкнутого или сквозного талика с водоупором на глубине до 30-40м., может быть осуществлено конструктивно-технологическое решение с двухярусной комбинированной замораживающей системой (рис. 10.6.6)

Система включает в себя: верхний ярус замораживающих колонок, установленных в ядре и выведенных на гребень плотины, двухъярусную охлаждающую потерну, расположенную в зоне сопряжения ядра с его основанием, и нижний ярус замораживающих колонок, заглубленных в основание на участке руслового талика на глубину, перекрывающую талик или до водоупора, а на береговых участках створа на глубину, обеспечивающую сохранение грунтов в мерзлом состоянии» определяемую расчетом. Замораживающие колонки верхнего и нижнего ярусов работают автономно. Опережающее замораживание основания позволяет переморозить лодрусловой талик в. строительный период.



Производство гидротехнических работ. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008.

??????????

??????? ?.?., ??$B!`(B?????? ?.?., ??????? ?.?., ?????????????? ???????????

?????? ?.?., ???????????? ??????????? ?????????? ????????????

?.?. ???????, ????????????? ???????????

?.?. ???????, ???????? ?????? ?? ??????? ???????????

?. ???????, ????????$B!`(B????? ???????????? ???????????

???????? ?.?., ??????????? ?.?., ???????? ?.?., ???????????????? ?????????? ???????????

?.?. ???????, ?????????? ???????????

?.?. ?????????, ?. ????, X. ???????, ????? ???????????? ?????

?.?. ???????, ?????? ???????

?????? ?.?., ??????????: ??? ??? ???????? ? ??? ??? ??$B!`(B?????

?. ????????, ???????????? ????????????? ???????????? ??????

?.?. ???????, ?????????????$B!`(B????? ?????????

?.?. ???????, ????????? ??????????$B!`(B?????? ? ?????????????????? ?????????????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. I. ?????? ???????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. II. ??????????? ???????

???????????? ??????????$B!`(B????? ?????

?.?. ???????, ??????????$B!`(B????? ??????????

?. ?. ????, ????????????????

????????????$B!`(B????? ??????????????? ???????

????????????? ?????????????? ???????

????? ? ???????????, ????????? ??????

??????????? ????????? ? ??????????? ???????? ??????????