VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Аннотация: в работе рассмотрены актуальные проблемы гидротехнического строительства Республики Саха (Якутия) и пути их решения, полученные учеными республики в результате проведенных ими исследований в данном направлении.

Ключевые слова: гидротехническое строительство, Республика Саха (Якутия), проблемы, гидротехнические сооружения, криотозолина, мерзлые грунты, грунтовые плотины.

В жизни человека вода нужна для самых разнообразных целей: для водоснабжения, транспорта, орошения земель и т.д. Совокупность мероприятий, направленных на использование водных ресурсов, составляет отрасль хозяйственной деятельности, называемую водным хозяйством. Использование водных ресурсов рек обычно затруднено тем, что величина их стока неравномерна в течение года. Во время засух по некоторым рекам почти полностью прекращается сток, а в увлажненные периоды, особенно в половодье, огромные массы воды протекают бесполезно, вызывая наводнения, приносящие беды людям и причиняющие огромный вред природно-техническим комплексам. Сознательное вмешательство человека в естественный режим рек для использования их водных ресурсов путем строительства различных инженерных сооружений требует большой осторожности. Искусственное изменение гидравлики рек может быть как во благо, так и во вред для людей и ландшафтов. Негативные последствия выражаются в подтоплении селитебных территорий, разрушении берегов рек и водоемов и т.п. Эти искусственные сооружения называются гидротехническими, а изучающая их наука – гидротехникой. Обычно комплекс гидротехнических сооружений образует гидроузел, который включает: плотину, водохранилище, водосброс, водозабор, подводящие и отводящие каналы, здание ГЭС, а при ирригации – сеть каналов, аквидуков, трубопроводов и др.

Цель исследования:определить актуальные проблемы гидротехнического строительства в условиях Республики Саха (Якутия) и пути их решения.

Гипотеза исследования: если изучить историю гидротехнического строительства в условиях Республики Саха (Якутия) и проанализировать результаты исследований, проведенных в этой области учеными республики, то можно определить актуальные проблемы гидротехнического строительства и пути их решения.

Для доказательства данной гипотезы решались следующие задачи исследования: изучение географического положения, рельефа Республики Саха (Якутия); изучение истории гидротехнического строительства в условиях Республики Саха (Якутия); анализ результатов исследований, проведенных учеными республики в области гидротехнического строительства в условиях Республики Саха (Якутия); определение актуальных проблем гидротехнического строительства в условиях Республики Саха (Якутия); разработка путей решения актуальных проблем гидротехнического строительства в условиях Республики Саха (Якутия).

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: теоретические (описательный, аналитический, обработка статистической информации).

Начало гидротехнического строительства в области развития многолетнемерзлых пород можно отнести к концу ХVIII – началу ХIХ вв. К началу нынешнего века на территории криолитозоны России было построено свыше 800 низконапорных гидроузлов, в том числе более 400 – в Якутии.

Первые сведения о строительстве гидротехнических сооружений в Якутии относятся к началу XIX в. В Олекминском улусе были построены оросительные системы для полива зерновых культур, а в Алданском улусе на р. Олом – плотина для орошения лугов. Бурное развитие гидротехнического строительства в Республике Саха (Якутия) началось в период интенсивного промышленного освоения ее территории – конце 50-х – начале 60-х годов прошлого столетия. Тогда возводились гидротехнические сооружения энергетического, водохозяйственного и мелиоративного назначения. Кроме того, в большом количестве строились невысокие глухие дамбы на горнодобывающих предприятиях.

В результате проведенного исследования были выявлены актуальные проблемы и пути их решения гидротехнического строительства в республике Саха (Якутия), полученные учеными республики.

1. Все гидротехнические сооружения в той или иной мере подвержены деформациям, происходящим из-за нарушения температурного режима сооружений. Разрушения гидроузлов происходят в местах расположения водопропускных сооружений. Если вне области распространения многолетней мерзлоты по этой причине выходят из строя 50% сооружений, то в криолитозоне – 70%.

Предлагаются следующие пути их решения:

• Изучение и прогноз взаимодействия водопропускных сооружений с окружающей средой приобретают особое значение в криолитозоне, где развитие криогенных процессов вызывает специфические виды деформаций устоев.

• Опыт строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений показал необходимость широкомасштабных исследований прочностных, деформационных и фильтрационных свойств льда, мерзлых, промерзающих-протаивающих и талых грунтов, а также искусственных грунтовых образований, например, ледогрунтовых, цементно-грунтовых и других смесей.

2. В связи с тяжелыми условиями производства строительных работ и эксплуатации гидротехнических сооружений в криолитозоне необходимо разработать метод мелиорации мерзлых грунтов, проблема которого решается через:

• проведение больших экспериментальных работ в лабораторных и натурных условиях для решения вопросов летней и зимней укладки грунта в тело плотины, а также защиты ее гребня и низового откоса от воздействия высоких температурновлажностных градиентов, приводящих к нарушению сплошности грунтового массива;

• В.С. Тимофейчук предложил классификацию гидросооружений и принципы строительства: первый принцип предполагает, что фильтрационная и статическая устойчивость плотины и ее основания обеспечивается мерзлыми грунтами, а второй принцип – талыми;

• придавать особое значение для прогноза устойчивости гидроузлов в криолитозоне проведению расчетов их температурного режима и напряженно-деформированного состояния. Расчет температурных полей грунтовых плотин сводить к решению системы дифференциальных уравнений теплопроводности при заданных условиях однозначности.

3. В основе устойчивости грунтовых плотин лежат физико-механические свойства грунтов, которые находятся в зависимости от тепловлажностного режима сооружения, поэтому при проведении натурных исследований гидротехнических сооружений необходимо учитывать их при проектировании.

4. Замедленное создание мерзлого противофильтрационного ядра. Для решения этой проблемы предлагается в плотинах водохозяйственного назначения, имеющих водохранилища сезонного регулирования, для быстрого создания мерзлого противофильтрационного ядра (за одну зиму) широко использовать термосифоны, а также термосифоны в сочетании с теплогидроизоляционными покрытиями плотин. С помощью термосифонов пока удалось проморозить массив талых пород только до глубины 20 – 30 м (Западная Якутия).

5. Несмотря на то, что термосифоны нашли широкое применение в строительстве, существовало мнение, что они не эффективны якобы из-за возникающей в них конвекции теплоносителя летом. Решение этого вопроса потребовало постановки натурного эксперимента. При внедрении термосифонов в гидромелиоративную практику в Центральной Якутии экспериментально было установлено, что летней конвекции в жидкостных термосифонах ниже слоя сезонного оттаивания грунтов не происходит. В то же время работа термосифонов в сочетании с теплоизоляцией на поверхности плотин более чем в 3 раза уменьшает глубину сезонного оттаивания грунтовых плотин.

6. Наибольшую опасность для устойчивости грунтовых плотин представляют вертикальные морозобойные трещины, ориентированные перпендикулярно продольной оси плотины. В случае, если глубина трещин оказывается ниже нормально подпертого уровня (НПУ), то по ним возможна фильтрация воды и размыв плотины. Натурные исследования и математическое моделирование позволили рекомендовать для обеспечения устойчивого теплового режима грунтовых плотин применение тепловлагоизоляционных покрытий в сочетании с искусственным охлаждением тела и основания, а для борьбы с криогенным растрескиванием – покрытие тела плотины материалом, обладающим малым коэффициентом температурных деформаций (щебень, гравийно-песчаная смесь).

7. Институтом мерзлотоведения СО РАН изучены геокриологические процессы, происходящие в грунтах обратной засыпки устоев водопропусков, при тепловом и механическом взаимодействии сооружений с окружающей средой.Эти исследования позволили выявить причины возникновения разрушающих деформаций и разработать предложения по обеспечению их устойчивости.

8. В процессе водопропускных сооружений гидроузлов эксплуатации происходит перераспределение влажности: накопление льда на границе «стенка – грунт» и уменьшение влажности в периферийной зоне. СО РАНом впервые экспериментально в лабораторных и натурных условиях было доказано явление отслоения грунта от стенки устоя в процессе промерзания, охлаждения и оттаивания, позволившее вскрыть причину потери устойчивости водопропусков. Исследование динамики физико-механических параметров грунтов обратной засыпки устоев показало существование разуплотненных зон. Эти исследования легли в основу математического моделирования термонапряженного состояния устоев.

Успех мониторинга гидротехнического строительства возможен только при совершенствовании контрольно-измерительной аппаратуры, методов измерений и обработки информации. Его, безусловно, нужно проводить с помощью автоматизированных систем, которые должны быть самонастраивающимися и изменяться во времени применительно к решению новых задач и проблем, возникающих в процессе эксплуатации сооружений.

Исследования работы гидротехнических сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород показали сложность возведения и эксплуатации их в этих суровых условиях.

Изменение климата в сторону потепления привело в последние годы к увеличению стока поверхностных и грунтовых вод за счет, как выпадающих атмосферных осадков, так и таяния ледников и многолетнемерзлых пород. Участились паводки на реках Якутии, приносящие большой ущерб народному хозяйству.

Список литературы:

1. Афанасьев П. Опыт сооружения в Якутском округе на р. Олом оросительной плотины // Приложения к газете «Якутская окраина». – Якутск, 1913. – № 59. – 6 с.

2. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. – М.: Энергия, 1975. – 184 с.

3. Богословский П.А. О строительстве земляных плотин в районах распространения многолетнемерзлых грунтов // Труды Горьковского инж.-строительного института им. В.П. Чкалова, 1958. – Вып. 29. – С. 3–34.

4. Майнов И.И. Русские крестьяне и оседлые иногородцы в Якутской области. – С.-Петербург, 1912. – 386 с.

5. Слоев Л.Н. Вопросы проектирования водозаборных узлов лиманного орошения в Центральной Якутии. – Якутск: Якутское кн. изд-во, 1968. – 112 с.

6. Цветкова С.Т. Опыт строительства плотин в районах распространения многолетнемерзлых грунтов // Материалы к основам учения о мерзлых зонах земной коры. – М.: Изд-во АН СССР, 1960. – Вып. VI. – С. 87–110.

Код для цитирования: Скопировать