Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы 12
1.1. Специфические особенности природных условий и геокриологического строения оснований грунтовых гидротехнических сооружений на Севере 12
1.2. Принципы использования мерзлых и таломерзлых грунтов в качестве оснований гидросооружений 29
1.3 Применяемые в гидротехническом строительстве терморегу-лирующие устройства для создания мерзлотных завес 32
1.4 Применяемые способы оттаивания грунтов при инженерной подготовке таломерзлых основании 38
2. Теплотехнические расчеты фильтрационно-температурного режима грунтовых гидросооружений на Севере 45
2.1. Критический обзор существующих методов расчета замора-живания-оттаивания грунта с помощью терморегулирующих устройств при инженерной подготовке оснований гидросо оружений 45
2.2. Существующие методы определения расчетных теплофизических и фильтрационных характеристик грунтовых материалов сооружений 51
2.3. Теплотехнические расчеты по обоснованию формирования необходимого фильтрационно-температурного режима грунтовых сооружений 60
2.3.1 Общие положения 60
2.3.2 Исходные данные 64
2.3.3 Математическая модель 66
3. Результаты экспериментальных исследований по изучению эффективности работы охлаждающих устройств различных типов на опытном полигоне Вилюйской ГЭС 72
4. Конструктивно-технологические решения по регулированию температурного режима грунтовых гидросооружений мерзлого и комбинированного типов 81
4.1. Конструктивно-технологические решения по управлению температурным режимом грунтов плотин мерзлого типа 81
4.2. Управление температурным режимом грунтов в зоне сопряжения водосбросных сооружений с мерзлой плотиной и основанием . 84
4.3 Конструктивно-технологические решения по управлению температурным режимом грунтов плотин комбинированного типа 88
4.4 Примеры управления температурным режимом грунтов гидросооружений комбинированного типа 93
5. Результаты расченых и натурных исследований по замораживанию-оттаиванию грунтов с помощью терморегулирующих устройств при инженерной подготовке оснований гидросооружений на Севере 107
5.1. Расчетные и натурные исследования замораживания грунтов фильтрующего талика в основании плотины с помощью охлаждающих устройств 107
5.2, Прогноз формирования фильтрационно-температурного режима талой плотины хвостохранилища, регулируемого с помощью дренажа и охлаждающего устройства 123
Выводы и рекомендации 134
Список литературы 139
- Принципы использования мерзлых и таломерзлых грунтов в качестве оснований гидросооружений
- Существующие методы определения расчетных теплофизических и фильтрационных характеристик грунтовых материалов сооружений
- Результаты экспериментальных исследований по изучению эффективности работы охлаждающих устройств различных типов на опытном полигоне Вилюйской ГЭС
- Управление температурным режимом грунтов в зоне сопряжения водосбросных сооружений с мерзлой плотиной и основанием
Введение к работе
Основания грунтовых сооружений на Севере характеризуются сложными геокриологическими условиями - наличием сплошной или островной мерзлоты, сквозных или замкнутых таликов, стратификацией температуры. Мерзлые грунты и скальные трещиноватые породы, как правило, обладают резким снижением несущей способности и высокой водопроницаемостью после оттаивания. Опыт проектирования, строительства и эксплуатации грунтовых сооружений на Севере показывает, что проблемы эффективного использования несущей способности и строительных свойств мерзлых и оттаивающих грунтов в качестве оснований инженерных сооружений не решены в полной мере до сих пор.
В настоящее время нормативные документы регламентируют два принципа строительства сооружений на многолетнемерзлых основаниях — с сохранением мерзлого состояния грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения или в оттаянном (оттаивающем) состоянии. Требование СНиП 2.02.04-88 о проектировании сооружений только по одному из этих принципов приводит к необходимости разработки дорогостоящих мероприятий, таких как глубокое предпостроечное оттаивание, замена термопросадочных грунтов, использование специальных замораживающих устройств по созданию мерзлотных завес или мерзлых фрагментов оснований.
Вместе с тем, опыт эксплуатации грунтовых сооружений на Севере позволяет утверждать, что при определенных условиях технически возможны конструктивные решения, при которых одновременное использование мерзлых и талых грунтов в основании одного сооружения не приводит к существенным снижениям его эксплуатационной пригодности. Использование этого (третьего) принципа наиболее затруднено при строительстве на Севере гидротехнических сооружений, тепловое влияние которых на мерзлые основания особенно велико. Однако результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, а также опыт эксплуатации показывают, что для грунтовых гидро-
сооружений при соответствующем обосновании допустимо использование талых и мерзлых грунтов в основании. При этом обязательным условием таких решений является обеспечение статической и фильтрационной устойчивости сопряжения талых и мерзлых зон тела плотины и его основания при максимально возможных сезонных колебаниях нулевой изотермы. Протаивание или промерзание грунтового материала в зоне их сопряжения не должны приводить к недопустимым фильтрационно-суффозионному выносу грунтов и большим потерям воды при фильтрации. Создание и поддержание необходимого температурного режима грунтов системы "плотина-основание" при этом может обеспечиваться с помощью специальных терморегулирующих устройств. Разработка подобных устройств и научное обоснование методов регулирования температурного режима таломерзлых оснований является весьма важной народнохозяйственной задачей, направленной на повышение надежности и экономической целесообразности строительства инженерных сооружений на Севере.
Проблема эффективного использования мерзлых и таломерзлых грунтов в качестве оснований гидротехнических сооружений до настоящего времени полностью не решена. Недостаточно разработаны вопросы:
-управления температурным режимом грунтов при инженерной подготовке оснований плотин мерзлого типа;
предпостроечного оттаивания, уплотнения и упрочнения грунтов оснований плотин талого типа;
управления температурным режимом грунтов при инженерной подготовке оснований плотин комбинированного типов;
-управление температурным режимом грунтов в зонах сопряжения водосбросных сооружений с мерзлой плотиной, основанием и береговым склоном;
-обеспечения статической устойчивости и фильтрационной прочности многолетнемерзлых грунтов термопросадочного основания при их оттаивании фильтрационным потоком в процессе эксплуатации гидросооружений и др.
Это не позволяет в полной мере использовать в строительстве такие положительные свойства мерзлых грунтов, как водонепроницаемость и более высокая прочность по сравнению с талыми грунтами. Однозначно выбрать наиболее экономичный способ инженерной подготовки основания и осуществлять управление процессами по формированию необходимого температурного режима грунтов системы «плотина-основание» в период строительства и длительной эксплуатации гидроузлов. Новые разработки по управлению температурным режимом грунтов с помощью терморегулирующих устройств при инженерной подготовке мерзлых и таломерзлых оснований гидросооружений являются актуальными. Они позволят значительно сократить сроки приспособляемости сооружения к природным условиям площадки строительства, существенно повысить надежность технических решений и в ряде случаев внесут существенные корректировки в проекты и технологии строительных работ.
Актуальность работы также подтверждается отсутствием достаточно полных и обоснованных нормативных документов по проектированию плотин на сложных таломерзлых основаниях.
Цель исследований заключалась в разработке и научном обосновании конструктивно-технологических решений по регулированию температурного режима грунтовых сооружений и таломерзлых оснований в процессе их строительства и последующей эксплуатации на Севере.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- обобщен отечественный и зарубежный опыт управления температурным
режимом грунтов с помощью терморегулирующих устройств при инженерной
подготовке оснований грунтовых гидросооружений;
- изучены существующие методы расчетов замораживания-оттаивания
грунта с помощью терморегулирующих устройств;
- выполнен анализ методов определения теплофизических характеристик
грунтов;
получены, обобщены и проанализированы результаты экспериментальных исследований эффективности работы глубоких замораживающих устройств на опытном полигоне ВГЭС-3;
обоснованы и разработаны новые конструктивно-технологические решения по управлению температурным режимом грунтовых сооружений с помощью терморегулирующих устройств;
разработан метод выбора оптимальных параметров процессов замораживания-оттаивания грунтов с помощью терморегулирующих устройств;
-разработаны рекомендации по инженерной подготовке оснований гидросооружений на Севере с учетом особенностей их геокриологического строения.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы.
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи, научная новизна и практическая значимость работы и приводится краткое описание структуры диссертации.
В главе 1 рассматривается современное состояние проблемы, приводится анализ отечественного и зарубежного опыта строительства на Севере, обобщаются специфические особенности климатических условий и геокриологического строения оснований гидросооружений, рассматриваются принципы использования мерзлых, талых и таломерзлых грунтов в качестве оснований сооружений и способы управления температурным режимом грунтов с помощью терморегулирующих устройств.
В главе 2 приводится критический обзор методов расчета замораживания-оттаивания грунта с помощью терморегулирующих устройств при инженерной подготовке оснований сооружений, рассматриваются существующие методы определения расчетных теплофизических и фильтрационных характеристик грунтовых материалов гидросооружений и методы теплотехнических расчетов по обоснованию формирования необходимого фильтрационно-температурного режима грунтовых сооружений.
В главе 3 приводятся результаты экспериментальных исследований по изучению эффективности работы замораживающих устройств различных типов на опытном полигоне Вилюйской ГЭС-3.
В главе 4 приводятся конструктивно-технологические решения по регулированию температурного режима грунтовых сооружений мерзлого и комбинированного типов, а также примеры управления температурным режимом грунтов эксплуатируемых гидроузлов.
В главе 5 рассматриваются результаты расчетных и натурных исследований формирования необходимого температурного режима гидросооружений мерзлого, талого и комбинированного типов, управляемого с помощью терморегулирующих устройств.
В заключении излагаются основные результаты выполненных исследований, рекомендации по их практическому применению и указывается направление дальнейших исследований.
Научная новизна работы;
- систематизированы и обобщены особенности геокриологического строения таломерзлых оснований грунтовых гидросооружений в суровых климатических условиях (Магаданская область, Саха - Якутия, Енисейский Север), включая характерные формы таликов и динамику дальнейшего их развития после наполнения водохранилищ, которые необходимо учитывать при инженерной подготовке оснований гидросооружений на Севере;
-сформулированы основные положения регулирования температурного режима таломерзлых оснований грунтовых гидросооружений с учетом особенностей их геокриологического строения;
-разработаны конструктивно-технологические решения по управлению температурным режимом грунтов с помощью терморегулирующих устройств при инженерной подготовке оснований, учитывающие особенности их геокриологического строения;
-впервые разработаны и обоснованы конструктивно-технологические решения, позволяющие совмещение двух принципов строительства в одном створе, как по высоте сооружения, так и по его длине, т.е. строительство сооружений комбинированного типа (Принцип III);
-разработаны и научно обоснованы методики расчетов замораживания-оттаивания грунта с помощью терморегулирующих устройств и выбора их оптимальных параметров;
- выявлен комплекс основных факторов, влияющих на управление темпе
ратурным режимом грунтов с помощью терморегулирующих устройств при
инженерной подготовке оснований гидросооружений, и определены количест
венные значения наиболее значимых из них.
Практическая значимость работы
Применение разработанных и обоснованных соответствующими теплотехническими расчетами конструктивно-технологических решений по управлению температурным режимом грунтов с помощью терморегулирующих устройств при инженерной подготовке оснований сооружений на Севере позволяют:
обоснованно выбрать принцип строительства сооружений (I, II или III);
повысить несущую способность грунтов основания плотин мерзлого или комбинированного типов и обеспечить их водонепроницаемость;
обеспечить водонепроницаемость грунтов мерзлотной противофильтра-ционной завесы в основании и теле грунтовых гидросооружений;
предотвратить неравномерные деформации сооружений талого типа, вызванные неравномерными осадками оттаивающих сильнольдистых грунтов основания;
обеспечить самоуплотнение предварительно оттаянных трещиноватых скальных грунтов под действием собственного веса;
проводить инъекционные работы по упрочнению предварительно оттаянных грунтов основания сооружений.
Методы исследования
Для достижения поставленной цели и решения задач использованы:
инструментальные натурные наблюдения на эксплуатируемых объектах;
обобщенный анализ экспертных оценок состояния сооружений гидроузлов;
- инструментальные исследования на опытном полигоне Вилюйской ГЭС-3;
математическое моделирование процессов замораживания-оттаивания грунтовых массивов с помощью терморегулирующих устройств;
математическое моделирование фильтрационно-температурного режима грунтовых плотин, управляемого с помощью терморегулирующих устройств, с использованием численных методов.
Достоверность результатов работы обеспечивалась:
- использованием методов исследований, соответствующих современному
состоянию прикладной теплофизики, геофильтрации и геокриологии;
-удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с данными натурных наблюдений, в частности, расхождение измеренных в натуре и прогнозируемых температур при замораживании-оттаивании грунтов в функциональных элементах гидросооружений не превышало 10-15%;
- использованием метрологически аттестованных как стандартных измери
тельных приборов, так и специально изготовленных влагостойких термогир
лянд.
Реализация результатов исследований
Приведенные в диссертации результаты исследований, частично внедрены и внедряются при проектировании, строительстве и эксплуатации Усть-Хантайской, Курейской, Вилюйской, Колымской, Мамаканской, Усть-Среднеканской, Тельмамской, Нижне-Бурейской, Верхне-Колымской, Амгу-эмской, Тельмамской, Адычанской, Кату не кой и др. ГЭС на Севере, а также могут быть использованы при выборе и обосновании конструктивно-
технологических решений фундаментов зданий и промышленных сооружений в этих районах.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались:
- на заседаниях Технического Совета ОАО "ЛЕНГИДРОПРОЕКТ" (Санкт-
Петербург, 1995-2002 гг.);
- на заседаниях Научно-Технического Совета ОАО ВНИИГ им.
Б.Е.Веденеева (Санкт-Петербург, 1995-2000 гг.);
-на научно-технических конференциях КрасГАСА,Красноярск,2001-2003 гг.;
- на научно-технической конференции НГАСУ им. В.В. Куйбышева (Но
восибирск, 2003 г.).
На защиту выносятся:
Результаты исследований по изучению эффективности работы глубоких охлаждающих устройств различных типов на опытном полигоне Вилюйской ГЭС-3.
Конструктивно-технологические решения по управлению температурным режимом грунтов с помощью терморегулирующих устройств при инженерной подготовке оснований с учетом геокриологических особенностей их строения.
3. Методики и результаты расчетов формирования фильтрационно-
температурного режима гидросооружений, управляемого с помощью терморе
гулирующих устройств, и выбора их оптимальных параметров.
4. Рекомендации по инженерной подготовке оснований сооружений на Се
вере.
Принципы использования мерзлых и таломерзлых грунтов в качестве оснований гидросооружений
В настоящее время нормативные документы регламентируют два принципа строительства сооружений на многолетнемерзлых основаниях — с сохранением мерзлого состояния грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения или в оттаянном (оттаивающем) состоянии.
В действующих нормативных документах в определении основных принципов строительства плотин на Севере имеются значительные расхождения. В рекомендациях по проектированию и строительству плотин из грунтовых материалов для производственного и питьевого водоснабжения в условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты [101] указывается, что при проектировании плотин следует принимать только один из двух принципов использования веч-номерзлого основания— с сохранением его в мерзлом состоянии, т. е. устрой-ство "мерзлой" плотины, не допускающей фильтрацию через тело и основание плотины, или с допущением оттаивания основания, т. е. устройство "талой" плотины. Совмещение двух принципов использования основания, а также талой и мерзлой конструкции плотины в одном створе не рекомендуется.
Вместе с тем эти рекомендации [101] предусматривают, что при высоте дамбы более 20 м допускается устройство мерзлотной завесы при промораживании основания и тела дамбы по очередям. В этом случае в дамбе рекомендуется предусматривать ядро из слабофильтрующих талых грунтов или пластичную диафрагму, т.е. допускается совмещение двух принципов строительства плотин по высоте сооружения.
В Руководстве [105] допускается строительство отдельных частей плотины, перекрывающих русловую и пойменные части створа, различными методами при соответствующем технико-экономическом обосновании с разработкой надежной конструкции сопряжений между основаниями и частями плотины, возводимыми по принципу I или II.
В отличие от СНиП 2.02.04-88 инструкцией по проектированию гидротехнических сооружений в районах распространения вечно мерзлых грунтов [39] также предусмотрено, что на разных по длине напорного фронта участках сооружения и для разных сооружений одного гидроузла допускается, на основе технико-экономического сопоставления вариантов, использование двух принципов строительства.
Требование СНиП 2.02.04-88 о проектировании сооружений только по одному из этих принципов приводит к необходимости разработки дорогостоящих мероприятий, таких как глубокое предпостроечное оттаивание, замена термо-просадочных грунтов, использование специальных замораживающих устройств по созданию мерзлотных завес или мерзлых фрагментов оснований.
Вместе с тем, опыт эксплуатации зданий и сооружений на Севере позволяет утверждать, что при определенных условиях технически возможны конструктивные решения, при которых одновременное использование мерзлых и талых грунтов в основании одного сооружения не приводит к существенным снижениям его эксплуатационной надежности.
Использование этого (третьего) принципа наиболее затруднено при строительстве на Севере гидротехнических сооружений, тепловое влияние которых на мерзлые основания особенно велико. Однако результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, а также опыт эксплуатации, рассмотренные в [56, 69, 77], показывают, что для грунтовых гидросооружений при соответствующем обосновании допустимо использование талых и мерзлых грунтов в основании.
По нашему мнению, совмещение двух принципов строительства в одном створе возможно как по высоте сооружения, так и по его длине. При этом обязательным условием таких решений является обеспечение статической и фильтрационной устойчивости сопряжения талых и мерзлых зон тела плотины и его основания при максимально возможных сезонных колебаниях нулевой изотермы. Протаивание или промерзание грунтового материала в зоне их сопряжения не должны приводить к недопустимым фильтрационно-суффозионному выносу грунтов и большим потерям воды на фильтрацию. Создание и поддержание необходимого температурного режима грунтов системы "плотина-основание" при этом может обеспечиваться с помощью специальных терморегулирующих устройств. Разработка подобных устройств и научное обоснование методов регулирования температурного режима таломерзлых оснований является важной народнохозяйственной задачей, направленной на повышение надежности и экономической целесообразности строительства инженерных сооружений на Севере. В этом случае тип плотины определяется температурным режимом грунтов системы "плотина-основание", качественным показателем которой является наличие или отсутствие фильтрационного потока.
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 таликовой зоне и мерзлого типа — на береговых многолетнемерзлых грунтах.
Существующие методы определения расчетных теплофизических и фильтрационных характеристик грунтовых материалов сооружений
Свойства мерзлых пород (физико-механические, фильтрационные, тепло-физические) в отличие от талых связаны с содержанием льда, типом и особенностями криогенных текстур, фазовыми переходами воды и физико-химическими процессами, протекающими при отрицательных температурах. Возникновение в мерзлых породах льдоцементных связей приводит к изменению теплофизических свойств, к повышению их прочности, снижению деформируемости и уплотняемости, способствует интенсивному развитию реологических процессов (ползучести, релаксации, снижению прочности при длительном действии нагрузки), резкому уменьшению водопроницаемости. При повышении температур мерзлых пород или их протаивании под влиянием строительства и эксплуатации сооружений льдоцементные связи утрачиваются частично или полностью, что вызывает изменение свойств пород. Эти процессы определяют инженерно-геологическую оценку пород как оснований гидротехнических сооружений. Для выполнения теплотехнических расчетов по обоснованию формирования необходимого фильтрационно-температурного режима системы «плотина-основание» с помощью соответствующих конструктивно-технологических решений и терморегулирующих устройств, необходимо определить следующие характеристики грунтовых материалов: - суммарную влажность и льдистость; - содержание незамерзшей воды в зависимости от температуры; - теплопроводность и теплоемкость нескальных талых и мерзлых грунтов; - теплопроводность и теплоемкость полускальных и скальных грунтов; - количество теплоты, необходимое для фазовых превращений воды при замерзании-оттаивании грунтов в расчете на единицу массы; - температуру начала замерзания засоленных грунтов; - начальную температуру талых и мерзлых грунтов; - коэффициенты фильтрации талых и оттаявших грунтов функциональных элементов системы «плотина-основание»; - скорость и температуру фильтрационного потока в таликах.
Суммарная влажность Wc определяется по формуле [39] где WB— влажность за счет линз и прослоек льда; Wr —влажность мерзлого грунта между ледяными включениями; Wu — влажность за счет льда, находящегося в порах грунта и цементирующего его минеральные частицы; Wn— влажность за счет незамерзшей воды, содержащейся в мерзлом грунте при данной температуре. Все показатели влажности выражаются в долях единицы; W„ Wr и WH получают экспериментальным путем, a Wu и WB — из формулы (2.1), Для несвязных грунтов и легких супесей WH = 0. Для связных грунтов WH допускается рассчитывать по формуле где Кн —эмпирический коэффициент, значения которого приведены в табл. 2.1; Wp — влажность грунта на границе раскатывания в долях единицы. Опытное определение Wc и Wr производится так же, как и для талых грунтов, или приближенно пикнометрическим способом. Величина WH определяется калориметрированием. Суммарная льдистосты Лс определяется по формуле где Лц - льдистость за счет порового льда, в долях единицы; Л„ — льдистость за счет ледяных включений в долях единицы, определяемая по формуле уг - плотность минеральных частиц грунта, Н/м3; ул - плотность льда, принимаемая равной 9 кН/м . При Лв 0,4 грунты относятся к сильнольдистым. Значение Лв допускается определять по результатам непосредственных измерений ледяных включений в разведочных выработках. Значение Лц приближенно можно рассчитывать по формуле 5.3), W„ определяется калориметрированием [39]. Суммарную льдистость можно также определить по формуле Льдистость и влажность за счет незамерзшей воды определяют осадку грунта под действием ее собственной массы. Прочность и деформируемость грунта зависят от суммарной влажности и льдистости и температуры. Влажность за счет незамерзшей воды характеризует состояние мерзлого грунта (твердомерзлое или пластичномерзлое). Основные расчетные значения теплофизических характеристик нескальных мерзлых и талых грунтов, в том числе, заторфованных и торфа: %&, Xf, Cth и Cf при расчетах температурного состояния сооружений II-IV класса и их оснований рекомендуется принимать по табл.3 обязательного приложения 1 СНиП2.02.04-88 [ПО].
Результаты экспериментальных исследований по изучению эффективности работы охлаждающих устройств различных типов на опытном полигоне Вилюйской ГЭС
Гидротехнические сооружения Вилюйской ГЭС-3 (ВГЭС-3) возводятся в сложных инженерно-геологических, геокриологических и природно-климатических условиях. В напорный фронт гидроузла входят лево- и правобережная грунтовые плотины, разделенные бетонной русловой плотиной. Берега р. Вилюй на участках примыкания грунтовых плотин сложены мерзлыми сильно водопроницаемыми льдосодержащими полускальными породами, для которых характерны термопросадочные и оползневые явления даже при локальном оттаивании. В проекте береговые участки основания предполагалось сохранять в мерзлом состоянии в течение всего времени эксплуатации гидроузла. В русловой части створа основание плотин, представленное более плотными талыми породами, должно оставаться талым. В проекте плотины ВГЭС-3 предусматривалось устройство мерзлотной завесы в основании на глубину 65-70м, предназначенной для предотвращения оттаивания левобережного примыкания с помощью сезонно действующих охлаждающих устройств (СОУ).
Практика отечественного гидростроительства не имеет аналогов мерзлотных завес такой глубины. В связи с этим на строительной площадке Вилюйской ГЭС-3 был создан специальный опытный полигон по испытанию глубоких СОУ. Результаты исследований предполагалось использовать также при проектировании Адычанской, Усть-Среднеканской, Амгуэмской и др. ГЭС на Севере. Строительство полигона осуществлено УС ВГЭС-3 и БСУ Гидроспецстрой по проекту Ленгидропроекта, разработанному с учетом рекомендаций ВНИИГ, СибВНИИГ, ЛТИХП, Гидроспецпроекта и др. организаций.
Целью натурных исследований, выполненных на полигоне, были оценка эффективности работы различных СОУ глубиной до 100м и проверка адекватности существующих расчетных моделей. Предполагалось также выполнить определение значений расчетных характеристик и граничных условий, используемых в расчетах режима работы подобных СОУ.
Местоположение опытного полигона в непосредственной близости от примыкания левобережной плотины (рис.3.1а) было выбрано с учетом его размещения в пределах проектируемой мерзлотной завесы сооружения. На основной рабочей площадке полигона (размером 85x15м) были размещены 5 сква-жинных СОУ и 16 термометрических скважин глубиной более 100м (рис.3.1 в).
Охлаждающие устройства и измерительные системы опытного полигона эксплуатировались в течение трех лет в холодное время года. На полигоне были испытаны воздушная, парожидкостные и жидкостные сезонно действующие охлаждающие установки. При этом у всех испытанных СОУ размеры рабочих частей грунтовых теплообменников, а также параметры наружных теплообменников были одинаковыми. Поскольку установки испытывались в режиме одиночных колонок, расстояния между испытываемыми СОУ были приняты равными 12-13 м. Вокруг каждой СОУ на расстояниях от 10 до 240 см были размещены по три термометрических скважины. Для фиксации фоновых температур грунтов берегового склона на расстоянии 16 м от СОУ-5 была устроена специальная термометрическая скважина (рис .3.1 б).
При проведении исследований осуществлялся непрерывный инструментальный контроль за температурным режимом грунтов в окрестности СОУ, за фоновым температурным состоянием берегового склона, а также за эксплуата-ционными параметрами охлаждающих установок.
Мерзлотные завесы, создаваемые в теле и основании гидросооружений, должны обладать достаточной водонепроницаемостью и механической прочностью [54], поэтому при анализе результатов натурных испытаний выявлялись не только особенности распределения температур, но и планово-глубинные размеры создаваемых с помощью СОУ льдогрунтовых цилиндров.
С учетом инженерно-геологического строения берегового склона и наличия в нем естественно засоленных грунтовых вод (криопэгов), в качестве кри герия твердомерзлого состояния грунтов вокруг СОУ в соответствии со СНиП 2.02.04-88 была принята температура, равная минус 3,2 С.
Проведенные исследования позволили выявить основные закономерности пространственно-временного распределения температур в грунтовом массиве в окрестности пяти глубоких одиночных СОУ, которые эксплуатировались в рабочем режиме на опытном полигоне ВГЭС-3 в течение трех лет.
В диссертации в качестве примера рассмотрены некоторые результаты исследований работоспособности жидкостной СОУ-2 с принудительной конвекцией теплоносителя.
Испытания показали, что температурное состояние верхней части грунтового массива основания подвержено существенному влиянию сезонных изменений температуры воздуха на дневной поверхности (рис.3.2). Возмущающий эффект этого влияния достигал глубин 12...15 м от поверхности площадки полигона. Ниже этой зоны по глубине СОУ можно выделить два характерных участка, на которых изменение температурного состояния грунтов было различным. На верхнем, в интервале глубин отм.170-130м, радиус цилиндра из твердомерзлого грунта (изолиния с t = -3,2С) за первый год эксплуатации достиг 2м. На нижнем участке (в интервале глубин отм.130-100м) рост толщины льдогрунтового цилиндра был менее значительным, а его радиус за это время не превысил 1 м.
Поскольку естественное температурное поле берегового склона по глубине было весьма неоднородным (рис. 3.16), сравнительная оценка эффективности принудительного охлаждения грунта вокруг СОУ выполнялась с использованием безразмерного коэффициента где /ri— значение температуры грунта в проверяемой і-ой точке грунтового массива вокруг СОУ в некоторый момент времени; „,— естественное (фоновое) значение температуры в тот же момент времени в береговом массиве на глубине, соответствующей проверяемой точке, определяемое в термоскважине ТІ6; tro- значение температуры грунта в тот же момент времени в непосредственной близости к рабочей поверхности СОУ на глубине, соответствующей проверяемой точке, определяемое в ближайшей к СОУ термоскважине.
Управление температурным режимом грунтов в зоне сопряжения водосбросных сооружений с мерзлой плотиной и основанием
При проектировании мерзлой плотины необходимо, чтобы водопроводящие устройства не пересекали тела плотины. Водозаборы, водосбросы и водоспуски должны располагаться за пределами тела плотины. При устройстве водосбросных сооружений в обход плотины в соответствии с [103] рекомендуется между ними и плотиной оставлять массив естественного мерзлого грунта, защитив его от протаивания со стороны водосброса и верхнего бьефа. Особенно неблагоприятными для устройства обходных водосбросов по типу открытого саморегулирующегося водосбросного канала следует считать береговые террасы, сложенные скальными сильно трещиноватыми породами или высокольдистыми термопросадочными грунтами, включающими клиновидные или пластовые льды. При пропуске весенне-осенних паводковых расходов происходит оттаивание грунтов под дном и в бортах канала. В результате свободного оттока воды, содержащейся в трещинах пород, оттаивающих за период половодья, трещины опорожняются. Автоматическое поддержание водосбросами НПУ на порогах дна открытых каналов способствует тому, что в меженный период проходит по водосбросам самая нагретая верхняя часть воды из водохранилища, ускоряя процесс оттаивания фунтов. При зимнем промораживании грунт становится морозным. При последующем пропуске паводка инфильтрующая вода из канала, проникающая в массив по свободным ото льда трещинам, практически мгновенно нагревает трещиноватый морозный грунт до положительных температур. Проникновение этой воды до границы предыдущего оттаивания приводит ежегодно к продвижению нулевой изотермы под дном и в бортах канала на значительную глубину [58].
Рассмотрение конструктивно-технологических решений водосбросных сооружений мерзлого типа для Аркагалинской ГРЭС, Анадырской ТЭЦ, Ирелях-ского, Ойуур-Юрегенского, Сытыканского гидроузлов (Саха-Якутия) и др. показывает, что 67% всех аварийных ситуаций на объектах связаны с несовершенством конструкций водосбросных сооружений [7].
Анализ рассмотренных технических решений водосбросных сооружений мерзлых плотин показал, что все они в период эксплуатации по разным причинам не обеспечивают сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии. В результате чего в непромороженной или оттаявшей зоне основания водосброса возникает фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний, которая в дальнейшем приводит сооружение в аварийное состояние.
Главными причинами для развития криогенных процессов являлись: некачественно проводилась инженерная подготовка основания канала, выемкой покровных суглинков под канал обнажались трещиноватые льдона-сыщенные коренные породы, тем самым создавались благоприятные условия для свободного доступа к ним воды из канала; отсутствие в головной части водосброса мероприятий, исключающих фильтрацию воды в слое сезонного оттаивания грунтов; малое заглубление замораживающих колонок в мерзлые грунты основания и неуправляемая их работа; отсутствие или нарушение гидроизоляционного покрытия бетонной поверхности, соприкасающейся с водным потоком, исключающего инфильтрацию воды из канала и др..
Результаты патентных исследований показывают, что можно повысить надежность работы водосбросных сооружений за счет сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии, если имеющиеся технические решения дополнить новыми элементами.
Управление температурным режимом грунтов в зоне сопряжения водосбросных сооружений с мерзлой плотиной базируется на следующих основных положениях: конструкция головной части водосброса должна исключать возможность возникновения фильтрации воды из водохранилища, она располагается преимущественно на пороге водосброса, т.е. смещена в сторону верхнего бьефа относительно оси плотины; - противофильтрационная завеса головной части водосброса по конструкции и принципу работы должна быть комбинированной: в пределах сезонноталого слоя водоупорность завесы может обеспечиваться традиционными способами и устройствами (бетонными диафрагмами, суглинистыми зубьями, различными водонепроницаемыми экранами и пр.), а сопряжение этих устройств с много летнемерзлыми породами и экранизация теплового влияния водохранилища на основание водосброса - обеспечиваться мерзлотной завесой; по напорному фронту мерзлотная завеса на водосбросе должна быть сопряжена с мерзлотной завесой плотины с помощью СОУ, устраиваемых с поверхности мерзлого грунтового массива; должно быть исключено оттаивание мерзлого массива со стороны водосброса на участке от порога водосброса до оси плотины; по всему водосбросному тракту следует максимально ограничивать сезонную фильтрацию подмерзлотных вод и устранять возможность инфильтрации воды в основание водосброса, за счет использования водонепроницаемых покрытий из связных грунтов или полимерных материалов и устройства противо-фильтрационных завес.
Управление температурным режимом мерзлых грунтов основания по напорному фронту водосброса осуществляется с помощью проходной вентилируемой потерны, расположенной под дном и в бортах канала, и двух рядов замораживающих колонок, заглубленных из потерны в основание. Конструктивно- технологическое решение, поясняющее общий принцип устройства мерзлотной завесы приведено на рис.4,5.
Управление температурным режимом грунтов вдоль борта водосбросного канала на участке от порога водосброса до оси плотины осуществляется с помощью СОУ, устраиваемых с поверхности мерзлого массива, являющегося естественной перемычкой между плотиной и водосбросом.
Величина заглубления замораживающих колонок во всех случаях определяется соответствующими теплотехническими расчетами.
