Результат интеллектуальной деятельности: Причальное сооружение мерзлого типа

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при возведении причальных сооружений в Арктике, включая сложные условия криолитозоны.

Известны способы возведения грунтовых плотин и берегоукрепительных насыпей, в частности в сопряжениях гидротехнических сооружений с мерзлыми берегами (Г.Ф. Биянов. Плотины на вечной мерзлоте. - М.: Энергоиздат, 1983 - 176 с.). Но для устройства причальных сооружений, контактирующих с льдонасыщенными берегами северных морей и рек, большинство ранее предложенных решений не находит применения из-за возможного размыва и термоэрозионных разрушений мерзлых грунтов оснований и промороженных грунтов плотин и других насыпей со стороны водоема.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является «Грунтовая плотина с мерзлотной завесой в теле и основании» (патент РФ №2649021, приоритет от 07.06.2017, МПК Е02В 7/06).

Недостатком этого технического решения является невозможность его использования одновременно и как устойчивого берегоукрепительного, и как причального сооружения.

Для преодоления отмеченного конструктивного несовершенства предлагается конструкция причала, в которой сочетаются и первый принцип строительства на вечной мерзлоте (сохранение многолетнемерзлых пород в основании и дополнительное охлаждение и промораживание грунтов) и второй принцип строительства, в котором предусматривается естественное и/или искусственное предварительное оттаивание мерзлых грунтов основания.

В основу изобретения положена задача создания надежной конструкции причального сооружения, одновременно выполняющего также берегозащитную и берегоукрепляющую функцию в сложных мерзлотно-геологических условиях берегового участка криолитозоны.

Поставленная задача решается тем, что бетонные подпорные стенки причала располагаются на оттаявшей полосе основания, естественным путем образовавшейся между водоемом и льдонасыщенным берегом, с которым сопрягается причал. При этом принимается, что оттаявший мерзлый грунт берега уже претерпел тепловую осадку и в дальнейшем не будет испытывать термопросадочных деформаций. Пространство между бетонными стенками и сохраняемым в мерзлом состоянии массивом берега заполняется грунтом, послойно промораживаемым в процессе отсыпки. При необходимости ускоренного или дополнительного промораживания в теле внутренней грунтовой засыпки предусматриваются охлаждающие трубы, располагаемые горизонтально и выведенные в охлаждающие вентиляционные полости, контактирующие с боковыми стенками причала. Охлаждающий эффект труб достигается при их естественной вентиляции в зимний период. В теплый период года предусматривается отключение вентиляции, для чего предусмотрены соответствующие задвижки.

Благодаря устройству охлаждающей зимней вентиляции обеспечивается мерзлое состояние массива причала и сохранение естественного мерзлого состояния льдонасыщенного берега. Тем самым обеспечивается необходимая устойчивость и надежность системы причал - льдонасыщенный берег. Устойчивость и надежность талой зоны основания причала достигается в результате контролируемой тепловой осадки и соответствующем уплотнении оттаявшей полосы грунта берега, происходящей или произведенной еще до установки бетонных элементов стенок причала.

На фиг. 1, 2, 3 схематично представлены план и поперечные разрезы по А-А и Б-Б заявляемой конструкции причала: 1 - поверхность основания; 2 сборные железобетонные элементы; 3 - фронтальная стена причала; 4 - боковая стена причала; 5 - мерзлый береговой массив; 6 - пространство между стенами причала и мерзлым береговым массивом; 7 - охлаждающие вентиляционные трубы; 8 - вентиляционные полости; 9 - упорная насыпь; 10 - бетонная плита; 11 - уровень воды.

На подготовленную известными способами поверхность основания (1) причала установлены сборные железобетонные элементы (2) подпорной стенки уголкового профиля, в совокупности образующие фронтальную (3) и боковые (4) стены причала. Образующееся между этими стенами и мерзлым береговым массивом (5) пространство (6) заполняется грунтом (песок, супесь, песчано-глинистый, щебенистый грунт и т.п.) слоями толщиной до 1 м, промораживаемый преимущественно естественным путем; при необходимости более интенсивного промораживания в процессе отсыпки грунта на заданных отметках укладываются охлаждающие вентиляционные трубы (7) диаметром 0,3-0,5 м, концы которых выводятся через стены 4 в вентиляционные полости (8), фиг. 3, устраиваемые аналогично основным стенам (4). На бетонных плитах (10), перекрывающих полости (8), предусмотрены проемы и автоматически управляемые задвижки, регулирующие поступление зимнего холодного воздуха и консервацию (изоляцию) охлаждающей системы в теплый период года, а также зимой при оттепелях и метелях, чтобы исключить засорение снегом и возможное оледенение. В необходимых случаях, в частности, при тревожном повышении температур в береговом массиве, может быть дополнительно предусмотрена установка вентиляторов. Конструкции задвижек и вентиляторов достаточно известны на фиг. 1, 2, 3 не показаны.

Устойчивость железобетонных элементов, образующих вентиляционную полость (8), обеспечивается отсыпкой упорной насыпи (9), которая одновременно выполняет полезные функции защиты от гидротеплового воздействия водоема на обнаженную зону льдистого берега (5). Цифрой 11 на фиг. 2 обозначены возможные положения меняющегося уровня воды в водоеме (реке, озере, море, водохранилище).

Все элементы охлаждающей системы, обеспечивающей температурную устойчивость причала и мерзлого берега, предусматриваются проектом мониторинга в соответствии с действующими инструктивно-нормативными документами.

Эксплуатация причала начинается после полного промораживания грунтового тела и основания в пределах предусмотренной проектом мерзлой зоны; затем начинается эксплуатационный период, на протяжении которого ежегодно выполняется цикл зимнего поддержания отрицательных температур в теле причала и в мерзлом основании под ним. Тем самым обеспечивается температурная устойчивость и надежность сооружения и сохраняемого на контакте с ним вечномерзлого берегового массива, т.е. здесь причал выполняет еще и защитную функцию по консервации естественного состояния мерзлоты, что может оказаться полезным и необходимым для устройства подъездных путей, грузовых площадок, прокладки трубопроводов и т.п.

Холодный зимний воздух поступает в охлаждающую систему естественным путем при открытых задвижках. При наличии в системе вентиляторов холодный воздух нагнетается принудительно.

Расчет воздушно-трубной системы промораживания грунтового массива и назначение необходимых параметров системы (шаг между трубами, их количество в зависимости от температур воздуха и грунтов, теплофизических свойств грунтов засыпки, сроков строительства и других параметров) подробно рассмотрен в книге Гончаров Ю.М. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. - Якутск, Изд-во ИМЗ СО РАН, 2016, с. 208-218.