RU2448214C1 - Unit of ground dam coupling with concrete overflow weir - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: coupling unit comprises a coupling abutment made of concrete and a prism made of a cohesive soil. The prism is located within the borders of the ground dam in the upper part of the coupling unit. Within the borders of the coupling unit the surface of the coupling abutment at the side of the ground dam is coated with a geomembrane attached to it and a bentonite mat. The coupling abutment and the prism comprise inside them hollow microballs from compounds containing silicon, which prevent freezing of the coupling abutment in the coupling unit for its entire thickness at the side of the overflow weir and at the side of the ground dam crest.

EFFECT: increased operational reliability.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при сопряжении грунтовой плотины с бетонной водосливной плотиной преимущественно в северной строительно-климатической зоне.The invention relates to the field of hydraulic engineering and can be used when pairing a soil dam with a concrete spillway dam mainly in the northern climatic zone.

Одной из важных проблем, возникающих по окончании строительства гидроузла и наполнения водохранилища в районах с суровыми климатическими условиями, является возможность трещинообразования в теле грунтовой плотины вследствие примерзания гребневой части грунтовой плотины или ее водоупорного элемента (ядра, экрана) к поверхности сопрягающего бетонного устоя, в результате чего часть грунтовой плотины отрывается от оседающей нижней талой ее части. Образующаяся при этом сквозная трещина является очагом сосредоточенной фильтрации, обычно сопровождающейся интенсивной суффозией материала плотины или ее глинистого водоупорного элемента, что обуславливает низкую фильтрационную прочность грунтовой плотины.One of the important problems that arise after the construction of the hydroelectric complex and filling of the reservoir in areas with severe climatic conditions is the possibility of crack formation in the body of the soil dam due to the freezing of the crest of the soil dam or its water-resistant element (core, screen) to the surface of the mating concrete abutment, as a result which part of the soil dam comes off from the settling lower melt of its part. The resulting through crack is the focus of concentrated filtration, usually accompanied by intense suffusion of the dam material or its clay water-resistant element, which leads to low filtration strength of the soil dam.

В узле сопряжения грунтовой плотины с бетонной водосливной плотиной в холодный период года происходит промораживание сопрягающего устоя на всю его толщину со стороны водосливной плотины. Этому способствует высокий коэффициент теплопроводности λ тяжелых бетонов (свыше 1,5 ккал/м×ч×град), который обычно существенно превышает коэффициент теплопроводности грунтов плотины. Такое промораживание сопровождается образованием прослойки льда на сопрягающей поверхности устоя, прежде всего в месте сопряжения устоя с водоупорной частью грунтовой плотины вследствие миграции воды из влажного связного грунта к фронту промораживания под действием температурных градиентов. Таяние же этой прослойки льда в теплый период года обуславливает образование опасного очага сосредоточенной фильтрации.In the junction of the soil dam with the concrete spillway dam in the cold season, the mating abutment is frozen to its entire thickness from the side of the spillway dam. This is facilitated by the high thermal conductivity coefficient λ of heavy concrete (over 1.5 kcal / m × h × deg), which usually substantially exceeds the thermal conductivity coefficient of dam soils. Such freezing is accompanied by the formation of an ice layer on the mating surface of the abutment, especially at the interface between the abutment and the water-resistant part of the soil dam due to the migration of water from the moist cohesive soil to the freezing front under the influence of temperature gradients. The melting of this layer of ice in the warm season causes the formation of a dangerous focus of concentrated filtration.

Дополнительно, трение материала грунтовой плотины о шероховатую бетонную поверхность неизбежно приводит к опасному разуплотнению грунтового материала в месте примыкания, сопровождающемуся возникновением трещин в грунте и, как следствие, опасных фильтрационных процессов.Additionally, the friction of the material of the soil dam on a rough concrete surface inevitably leads to a dangerous softening of the soil material at the point of contact, accompanied by the occurrence of cracks in the soil and, as a consequence, dangerous filtration processes.

Для уменьшения негативного влияния промораживания материала грунтовой плотины и его трения о бетонную поверхность сопрягающего устоя на фильтрационную прочность грунта предложено поверхность сопрягающего устоя с грунтовой плотиной в пределах возможного промораживания покрыть прикрепленной к ней геомембраной (см. патент России №2373330).To reduce the negative effect of freezing the soil dam material and its friction against the concrete surface of the mating abutment on the filtration strength of the soil, it is proposed to cover the surface of the mating abutment with the soil dam within the limits of possible freezing with a geomembrane attached to it (see Russian patent No. 2373330).

Недостатком такого узла сопряжения является то, что геомембрана только частично уменьшает как силы примерзания грунтового материала к сопрягающему устою, так и силы трения грунтового материала о сопрягающий устой. При этом в случае сопряжения грунтовой плотины с бетонной водосливной плотиной геомембрана практически не препятствует образованию в холодный период года сплошной прослойки льда на своей поверхности и, как следствие, не предотвращает образование в теплое время года опасного очага сосредоточенной фильтрации.The disadvantage of such a mating unit is that the geomembrane only partially reduces both the freezing forces of the soil material to the mating abutment and the friction forces of the soil material against the mating abutment. Moreover, if the soil dam is paired with a concrete spillway dam, the geomembrane practically does not prevent the formation of a continuous layer of ice on its surface during the cold season and, as a result, does not prevent the formation of a dangerous focus of concentrated filtration in the warm season.

Дополнительно, гладкость поверхности геомембраны обуславливает увеличение пор грунта на контакте с геомембраной, что также снижает суффозионную устойчивость грунта в узле сопряжения.Additionally, the smoothness of the surface of the geomembrane causes an increase in the pores of the soil in contact with the geomembrane, which also reduces the suffusion stability of the soil in the interface.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является узел сопряжения грунтовой плотины с бетонным сооружением, в том числе и с бетонной водосливной плотиной, включающим сопрягающий устой, выполненный из бетона и снабженный в пределах возможного промораживания области сопряжения устоя с грунтовой плотиной элементами обогрева, т.е. защитными средствами от промораживания. Элементы обогрева могут быть выполнены в виде электронагревателей или в виде змеевика из высокоомного электрического кабеля. В первом случае они размещены в продольной, по отношению к сопрягающей поверхности, полости, во втором случае - внутри сопрягающего устоя непосредственно при его возведении. Эти элементы обогрева предотвращают возможность промораживания сопрягающего устоя на всю его толщину со стороны водосливной плотины (там же: патент России №2373330).The closest technical solution adopted for the prototype is the interface unit of the soil dam with a concrete structure, including a concrete spillway dam, including a mating abutment made of concrete and equipped with heating elements within the limits of the possible freezing of the interface area between the abutment and the soil dam, t .e. protective means against freezing. Heating elements can be made in the form of electric heaters or in the form of a coil from a high-resistance electric cable. In the first case, they are placed in a longitudinal cavity with respect to the mating surface, in the second case, inside the mating abutment directly during its erection. These heating elements prevent the possibility of freezing the mating abutment to its entire thickness from the side of the spillway dam (ibid .: Russian patent No. 2373330).

Недостатком этого узла сопряжения являются высокие затраты на его создание и эксплуатацию, обусловленные сложностью выполнения узла сопряжения при его создании и необходимостью поддерживать элементы обогрева в рабочем состоянии в течение всего срока эксплуатации гидроузла.The disadvantage of this interface node is the high cost of its creation and operation, due to the complexity of the implementation of the interface node during its creation and the need to maintain the heating elements in working condition throughout the life of the hydraulic unit.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении затрат при создании узла сопряжения и при его эксплуатации. Технический же результат заключается в упрощении защитного средства, предотвращающего в узле сопряжения возможного промораживания сопрягающего устоя на всю его толщину со стороны водосливной плотины и со стороны гребня грунтовой плотины.The problem to which the invention is directed, is to reduce costs during the creation of the interface and during its operation. The technical result is to simplify the protective equipment that prevents possible freezing of the mating abutment in its interface from the side of the spillway dam and from the crest of the soil dam at the interface.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что узел сопряжения содержит сопрягающий устой, выполненный из бетона, и призму, выполненную из связного грунта и расположенную в пределах грунтовой плотины в верхней части узла сопряжения. В пределах узла сопряжения поверхность сопрягающего устоя со стороны грунтовой плотины покрыта прикрепленной к ней геомембраной и бентонитовым матом, а сам сопрягающий устой и призма содержат внутри себя полые микрошарики из соединений, содержащих кремний. Эти полые микрошарики предотвращают в узле сопряжения промораживание сопрягающего устоя на всю его толщину со стороны водосливной плотины и со стороны гребня грунтовой плотины.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the interface unit contains a mating support made of concrete and a prism made of cohesive soil and located within the soil dam in the upper part of the interface. Within the interface, the surface of the interface between the side of the soil dam is covered with a geomembrane and bentonite mat attached to it, and the interface and the prism contain hollow microspheres from compounds containing silicon. These hollow microspheres prevent freezing of the mating abutment at its entire thickness on the side of the spillway dam and on the side of the crest of the soil dam in the interface unit.

Именно содержание в составе бетона устоя и в грунте призмы полых микрошариков (микросфер) из соединений, содержащих кремний, уменьшает теплопроводность бетона и грунта, чем и предотвращается промораживание устоя на всю его толщину.It is the content of the abutment in the concrete composition and in the soil of the prism of hollow microspheres (microspheres) from compounds containing silicon that reduces the thermal conductivity of concrete and soil, which prevents freezing of the abutment over its entire thickness.

Полые микрошарики в бетоне и в грунте производят такую же теплоизоляционную работу, какую они производят в нашедших широкое применение утепляющих красках - жидкий теплоизоляционный материал. Разряженный воздух в микрошариках обеспечивает теплоотражательный эффект - возврат тепла в обратном направлении.Hollow microspheres in concrete and in the soil perform the same thermal insulation work as they do in the widely used thermal insulation paints - liquid thermal insulation material. The discharged air in the microspheres provides a heat-reflecting effect - heat return in the opposite direction.

На фиг.1 изображен узел сопряжения, план; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2.Figure 1 shows the interface node, the plan; figure 2 is a section aa in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 2.

Пример. Узел сопряжения грунтовой плотины 1 с бетонной водосливной плотиной 2 содержит выполненный из тяжелого бетона сопрягающий устой 3. Грунтовая плотина в качестве противофильтрационного элемента содержит ядро 4 (фиг.2), выполненное из связного грунта, а сопрягающий устой 3 состоит из стенок: продольной 5, верховой 6 и низовой 7.Example. The interface node of the soil dam 1 with a concrete spillway dam 2 contains a mating abutment made of heavy concrete 3. The soil dam as an antifiltration element contains a core 4 (figure 2) made of cohesive soil, and the mating abutment 3 consists of walls: longitudinal 5, horseback 6 and grassroots 7.

Ядро 4 примыкает к продольной стенке 5, бетон которой выше водосливной плотины 2 в своем составе содержит полые микрошарики (микросферы) 8 из соединений, содержащих кремний, преимущественно керамические, силикатные, стеклянные или сочетания из них. Эти микрошарики 8 имеют размеры преимущественно до 30 микрон, а их количество в бетоне задается проектом на основании исследований.The core 4 is adjacent to the longitudinal wall 5, the concrete of which above the spillway dam 2 contains hollow microspheres (microspheres) 8 of compounds containing silicon, mainly ceramic, silicate, glass, or combinations thereof. These microspheres 8 are mainly sized up to 30 microns, and their number in concrete is set by the project based on research.

Поверхность продольной стенки 5 со стороны грунтовой плотины 1 покрыта геомембраной 9, которая выполнена из полиэтилена, полиэтиленовыми анкерами 10 прикреплена к стенке 5 и является ее составной частью.The surface of the longitudinal wall 5 from the side of the soil dam 1 is covered with a geomembrane 9, which is made of polyethylene, with polyethylene anchors 10 attached to the wall 5 and is an integral part thereof.

К геомембране 9 примыкает бентонитовый мат 11, который состоит из слоя тканого геотекстиля 12 и нетканого геотекстиля 13, а между этими геотекстилями расположены гранулы натриевого бентонита 14.A bentonite mat 11 is adjacent to the geomembrane 9, which consists of a layer of woven geotextile 12 and non-woven geotextile 13, and granules of sodium bentonite 14 are located between these geotextiles.

Бентонитовый мат 11 примыкает к продольной стенке 5 слоем тканого геотекстиля 12, а к ядру 4 - слоем нетканого геотекстиля 13.The bentonite mat 11 is adjacent to the longitudinal wall 5 with a layer of woven geotextile 12, and to the core 4 with a layer of non-woven geotextile 13.

Глубину промораживания ядра 4 со стороны гребня 15 грунтовой плотины 1 непосредственно у продольной стенке 5 целесообразно уменьшит известными средствами, например, посредством зимнего коврика 16 или путем выполнения в ядре 4 призмы 17, связный грунт которой в своем составе также содержит полые микрошарики 8.It is advisable to reduce the freezing depth of the core 4 from the side of the ridge 15 of the soil dam 1 directly near the longitudinal wall 5 by known means, for example, by means of a winter mat 16 or by making prisms 17 in the core 4, the cohesive soil of which also contains hollow microspheres 8.

Узел сопряжения может быть снабжен собирательным каналом, который можно расположить у низовой грани ядра 4. Этот канал обеспечит прием фильтруемой по узлу сопряжения воды и сосредоточенно через водомерное устройство направит ее за пределы грунтовой плотины (канал и водомерное устройство на чертежах не показаны).The interface can be equipped with a collecting channel, which can be located at the bottom of the core 4. This channel will receive filtered water through the interface and concentrate through the water meter to direct it outside the soil dam (the channel and water meter are not shown in the drawings).

На чертеже дополнительно позициями обозначены:In the drawing, in addition, the positions indicated:

18 - граница промораживания;18 - border freezing;

19 - максимальный уровень воды в грунтовой плотине;19 - maximum water level in a soil dam;

20 - основание;20 - base;

21 - шов примыкания;21 - seam abutment;

22 - бетонная плита;22 - concrete slab;

23 - продольная ось плотины.23 - the longitudinal axis of the dam.

Особенность работы предлагаемого узла сопряжения заключается в следующем.A feature of the work of the proposed interface node is as follows.

1. Микрошарики 8, расположенные в бетоне продольной стенки 5, а также в грунтовой призме 17, обеспечивают уменьшение коэффициента теплопроводности, как в бетоне, так и в грунте. Это предотвращает в узле сопряжения промораживание сопрягающего устоя 3 на всю его толщину со стороны водосливной плотины 2, а также уменьшает глубину промораживания ядра 4 со стороны гребня 15 грунтовой плотины 1.1. The beads 8 located in the concrete of the longitudinal wall 5, as well as in the soil prism 17, provide a decrease in the coefficient of thermal conductivity, both in concrete and in the soil. This prevents the freezing of the mating abutment 3 at its entire thickness from the side of the spillway dam 2 at the interface node, and also reduces the depth of freezing of the core 4 from the crest 15 of the soil dam 1.

2. Бентонитовый мат 11 предотвращает размыв грунта ядра 4 водой, движущейся непосредственно по талому контакту сопряжения грунтовой плотины 1 с сопрягающим устоем 3. Нетканый геотекстиль 13 пропускает воду, необходимую для образования в процессе гидратации и набухания из натриевого бентонита 14 бентонитового геля, но он не проницаем для бентонитового геля, и имеет слабую, постоянно уменьшающуюся за счет кольматации водопроницаемость в своем продольном направлении. Тканый же геотекстиль 12 способен пропитаться бентонитовым гелем и смазать им поверхность геомембраны 9, дополнительно уменьшая, тем самым, действие сил трения.2. The bentonite mat 11 prevents erosion of the soil of the core 4 by water moving directly over the thawed contact between the soil dam 1 and the matching abutment 3. Non-woven geotextile 13 passes the water necessary for the formation of 14 bentonite gel during hydration and swelling from sodium bentonite, but it is not permeable to bentonite gel, and has a weak, constantly decreasing due to mudding, water permeability in its longitudinal direction. The woven geotextile 12 is able to impregnate with bentonite gel and lubricate the surface of the geomembrane 9 with it, further reducing, thereby, the effect of friction forces.

3. Бентонитовый гель бентонитового мата 11 сохраняет пластичность при отрицательных температурах, по меньшей мере, до -5°С (Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебн. пособие. М., Высшая школа, 1973, стр.15). Это повышает надежность узла сопряжения в случае непредвиденного промораживания продольной стенки 5.3. The bentonite gel of the bentonite mat 11 retains ductility at low temperatures, at least up to -5 ° C (N. Tsitovich. Mechanics of frozen soils. Textbook. Manual, Moscow, Vysshaya Shkola, 1973, p. 15). This increases the reliability of the interface in case of unexpected freezing of the longitudinal wall 5.

ОбозначенияDesignations

1 - грунтовая плотина1 - soil dam

2 - бетонная водосливная плотина2 - concrete spillway dam

3 - сопрягающий устой3 - mating mouth

4 - ядро4 - core

5 - продольная стенка5 - longitudinal wall

6 - верховая стенка6 - upper wall

7 - низовая стенка7 - bottom wall

8 - микрошарики8 - microspheres

9 - геомембрана9 - geomembrane

10 - полиэтиленовые анкера10 - polyethylene anchors

11 - бентонитовый мат11 - bentonite mat

12 - тканый геотекстиль12 - woven geotextile

13 - нетканый геотекстиль13 - non-woven geotextile

14 - натриевый бентонит14 - sodium bentonite

15 - гребень грунтовой плотины15 - crest of soil dam

16 - зимний ковер16 - winter carpet

17 - грунтовая призма с микрошариками17 - soil prism with beads

18 - граница промораживания18 - border freezing

19 - максимальный уровень воды в грунтовой плотине19 - maximum water level in a soil dam

20 - основание20 - base

21 - шов примыкания21 - suture abutment

22 - бетонная плита22 - concrete slab

23 - продольная ось плотины23 - longitudinal axis of the dam

Claims (1)

Узел сопряжения грунтовой плотины с бетонной водосливной плотиной, содержащий сопрягающий устой, выполненный из бетона, и призму, выполненную из связного грунта и расположенную в пределах грунтовой плотины в верхней части узла сопряжения, при этом в пределах узла сопряжения поверхность сопрягающего устоя со стороны грунтовой плотины покрыта прикрепленной к ней геомембраной и бентонитовым матом, а сам сопрягающий устой и призма содержат внутри себя полые микрошарики из соединений, содержащих кремний, которые предотвращают в узле сопряжения промораживание сопрягающего устоя на всю его толщину со стороны водосливной плотины и со стороны гребня грунтовой плотины. The unit for coupling an earth dam with a concrete spillway dam, comprising a mating abutment made of concrete, and a prism made of cohesive soil and located within the soil dam in the upper part of the interface, while the surface of the mating abutment on the side of the soil dam is covered within the interface unit a geomembrane and a bentonite mat attached to it, and the matching abutment and prism itself contain hollow microspheres from compounds containing silicon, which prevent the mating assembly eniya freezing mating abutment on its entire thickness by a spillway and dirt from the crest of the dam.

Images