гидротехнический канал на многолетнемерзлых грунтах склона и охлаждающая установка насыпи (варианты)

Формула изобретения

1. Гидротехнический канал на многолетнемерзлых грунтах склона, содержащий ложе, образованное дном канала и откосами его бортов и расположенное выше нижней границы сезоннооттаивающего слоя, который образовывался у дневной поверхности склона до создания канала, при этом верховой борт канала образован частично или полностью склоном, низовой борт канала образован насыпью, высота которой обеспечивает пропуск по каналу расчетного расхода воды, а в насыпи, посредством установленных вдоль насыпи сезонно действующих охлаждающих установок, выполнена мерзлотная завеса, которая сомкнута с водонепроницаемым верхним слоем многолетнемерзлых грунтов склона, причем охлаждающая установка содержит наружный теплообменник, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, образованный замораживающей трубой, отличающийся тем, что охлаждающая установка содержит установленные по длине насыпи на заданном расстоянии друг от друга, по меньшей мере, два наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, и грунтовый теплообменник, который представляет собой две изогнутые по длине замораживающие трубы, расположенные в грунте вдоль насыпи между трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга, при этом одна замораживающая труба расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя и гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью одного (первого) трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью другого (второго) трубчатого расширителя, другая замораживающая труба расположена в пределах насыпи и гидравлически сообщена входным концом с нижней частью второго трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью первого расширителя, причем диаметр трубчатых расширителей больше диаметра замораживающих труб, а сливные отверстия выходных концов замораживающих труб расположены на одном уровне.

2. Охлаждающая установка насыпи, характеризующаяся тем, что она содержит установленные по длине мерзлотной завесы на заданном расстоянии друг от друга два наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, который представляет собой две изогнутые по длине замораживающие трубы, расположенные в грунте вдоль насыпи между трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга, при этом, по меньшей мере, одна замораживающая труба расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя и гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью одного (первого) трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью другого (второго) трубчатого расширителя, другая замораживающая труба гидравлически сообщена входным концом с нижней частью второго трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью первого расширителя, причем диаметр трубчатых расширителей больше диаметра замораживающих труб, сливные отверстия выходных концов замораживающих труб расположены на одном уровне, а присоединение концов замораживающих труб, по меньшей мере, к одному трубчатому расширителю осуществлено посредством фланцевых соединений, каждое из которых снабжено прокладкой из теплоизоляционного материала.

3. Охлаждающая установка насыпи, характеризующаяся тем, что она содержит установленные последовательно по длине насыпи на заданном расстоянии друг от другого три наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и расположенные последовательно вдоль мерзлотной завесы в грунте два грунтовых теплообменника, каждый из которых представляет собой пару изогнутых по длине замораживающих труб, расположенных в грунте вдоль насыпи между средним и крайним трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга, при этом, по меньшей мере, одна замораживающая труба пары расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя и гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью среднего трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью крайнего трубчатого расширителя, другая замораживающая труба этой пары гидравлически сообщена входным концом с нижней частью этого же крайнего трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью среднего расширителя, причем сливные отверстия всех (четырех) выходных концов обеих пар замораживающих труб расположены на одном уровне, присоединение концов замораживающих труб к крайним трубчатым расширителям осуществлено посредством фланцевых соединений, каждое из которых снабжено прокладкой из теплоизоляционного материала, а диаметры среднего трубчатого расширителя D_cp, крайних трубчатых расширителей D _кр и замораживающих труб d_т удовлетворяют условию: D_ср>D_кр>d_т.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидротехнике, а точнее к строительству каналов на многолетнемерзлых грунтах склона, в частности при создании сезонно действующего канала в обход накопителя промышленных отходов.

Известен заглубленный в многолетнемерзлые грунты склона гидротехнический (водопроводный, руслоотводный, обходной) канал, содержащий ложе, образованное дном канала и откосами его бортов, и мерзлотную завесу, выполненную из ледогрунта в низовом, по отношению к склону, борту канала посредством охлаждающих установок [1].

Недостатки известного канала заключаются в том, что при заглублении канала в многолетнемерзлые грунты местами нарушается цельность водонепроницаемой верхней мерзлой корки (то же: плаща), что часто приводит к развитию интенсивной фильтрации воды из канала и, соответственно, аномально быстрому протаиванию многолетнемерзлых грунтов. Это приводит к недопустимым деформациям канала, а фильтрующая из канала вода в недопустимом объеме втекает в накопитель отходов, что обуславливает дебаланс оборотных вод.

Фильтрация воды из канала может быть предотвращена путем экранирования ложа канала водонепроницаемой геомембраной. Однако в таком канале со склона из сезоннооттаивающего слоя под геомембрану будет поступать грунтовая надмерзлотная вода, которая создаст снизу давление на геомембрану, что в холодный период года может привести к повреждению опорожненного канала и образованию в нем наледи. Все это усложнит конструкцию канала и снизит его надежность.

Фильтрация воды, возникшая в неэкранированном канале, может быть предотвращена путем экранирования канала при его эксплуатации. Такое решение предусмотрено ООО «РУС-Инжиниринг» в выполненном рабочем проекте «Хвостохранилище фабрики № 8. Ликвидация дебаланса оборотных вод. Защита руслоотводного канала от фильтрации» [2].

Во-первых, в таком растепленном канале в накопитель отходов под каналом будет продолжать фильтровать грунтовая надмерзлотная вода со склона, во-вторых, работы по экранированию канала в существенной мере могут быть осуществлены только в холодный период года. Все это обуславливает недостаточную надежность канала при эксплуатации и высокие затраты на его создание.

Известна охлаждающая установка (то же: замораживающая установка), содержащая наружный теплообменник, который представляет собой объединенные коллекторами наружные трубы, отдающие тепло жидкого теплоносителя при его вынужденной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, представляющий собой расположенные в грунте и объединенные коллекторами замораживающие (охлаждающие) трубы [3].

В такой установке при необходимости замораживающие трубы по длине могут быть изогнутыми и иметь переменную площадь поперечного сечения. Однако для конвекции жидкого теплоносителя каждая такая установка должна быть снабжена насосом, постоянно работающим при низких температурах наружного воздуха, что усложняет эксплуатацию установки.

Известен гидротехнический канал на многолетнемерзлых грунтах склона, содержащий ложе, образованное дном канала и откосами его бортов и расположенное выше нижней границы сезоннооттаивающего слоя, который образовывался у дневной поверхности склона до создания канала. Верховой борт образован частично или полностью склоном, а низовой борт образован насыпью, высота которой обеспечивает пропуск по каналу максимального расчетного расхода воды. В насыпи выполнена мерзлотная завеса, которая сомкнута с водонепроницаемым верхним слоем (плащом) многолетнемерзлых грунтов склона посредством установленных вдоль насыпи сезонно действующих охлаждающих установок. Каждая эта установка выполнена в виде замораживающей колонки, содержащей наружный теплообменник, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, образованный замораживающей трубой, заглубленной в многолетнемерзлые грунты [4, пример 2].

Недостатки такого выбранного в качестве прототипа канала, препятствующие получению указанного ниже технического результата при создании и эксплуатации канала, заключаются в следующем.

1. Замораживающие колонки обычно имеют высоту не менее 8-10 м и расположены с шагом около 2 м, что обуславливает большую суммарную длину замораживающих колонок. При этом сумма длин только грунтовых частей замораживающих колонок более чем в три раза превышает длину мерзлотной завесы. Это обстоятельство обуславливает высокий расход металла и жидкого теплоносителя, следовательно, и высокие затраты как при выполнении мерзлотной завесы, так и при ее эксплуатации.

2. При заглублении замораживающих колонок в многолетнемерзлые грунты цельность водонепроницаемого плаща может быть нарушена. Это вызовет развитие фильтрации из канала воды и, соответственно, интенсивное оттаивание многолетнемерзлых грунтов, что снижает надежность канала при эксплуатации.

3. Мерзлотная завеса, создаваемая замораживающими колонками, по длине имеет не равномерную толщину, боковая грунтовая поверхность которой чередуется впадинами и выступами, которые образуются смыкающимися мерзлыми цилиндрами. При этом суммарная длина впадин или выступов близка суммарной длине грунтовых частей колонок, что увеличивает затраты на создание мерзлотной завесы (выступы) и снижает ее надежность (впадины) при эксплуатации.

4. Выполнение замораживающих колонок связано с бурением скважин, что усложняет работы при создании мерзлотной завесы.

Известна охлаждающая установка, включающая наружный теплообменник, представляющий собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции в установке холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, представляющий собой изогнутую по длине в грунте замораживающую трубу, диаметр которой меньше диаметра трубчатого расширителя. Замораживающая труба входным (напорным) концом гидравлически сообщена с нижней частью трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью этого же трубчатого расширителя [5].

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известной охлаждающей установки, является ее сложность и не достаточная эффективность при выполнении и эксплуатации линейной мерзлотной завесы, например, при выполнении мерзлотной завесы в насыпи, расположенной на многолетнемерзлых грунтах. При этом длина мерзлотной завесы, создаваемой одной охлаждающей установкой, обычно не превышает 7-10 м, что связано с высокими затратами при выполнении большого количества охлаждающих установок по всей длине мерзлотной завесы и их эксплуатации. Все это обусловлено тем, что замораживающая труба охлаждающей установки в грунте в средней по длине части изогнута на 180 градусов и возвращена назад к своему трубчатому расширителю.

Дополнительно, коэффициент теплопроводности стали =45,4 Вт/(м·К), что примерно в 30-40 раз выше коэффициентов теплопроводности грунтов. Поэтому в теплый период года по стальным замораживающим трубам происходит внесение тепла наружного воздуха и солнечной радиации в мерзлотную завесу, что производит растепление мерзлотной завесы со стороны замораживающей трубы. Это снижает в целом эффективность работы охлаждающей установки при создании и эксплуатации канала.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые гидротехнический канал на многолетнемерзлых грунтах склона и охлаждающая установка насыпи (варианты), является повышение надежности канала и экономия средств во время его создания и эксплуатации.

Единый технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в следующем:

- снижен расход металла и жидкого теплоносителя;

- предотвращено нарушение цельности водонепроницаемого плаща;

- в мерзлотной завесе примерно в три раза уменьшена суммарная длина впадин смыкания;

- упрощены работы по созданию мерзлотной завесы;

- предотвращено летнее растепление мерзлотной завесы со стороны замораживающих труб.

Указанный технический результат достигается тем, что в гидротехническом канале на многолетнемерзлых грунтах склона, содержащем ложе, образованное дном канала и откосами его бортов и расположенное выше нижней границы сезоннооттаивающего слоя, при этом верховой борт канала образован частично или полностью склоном, низовой борт канала образован насыпью, высота которой обеспечивает пропуск по каналу расчетного расхода воды, а в насыпи посредством установленных вдоль насыпи сезонно действующих охлаждающих установок выполнена мерзлотная завеса, которая сомкнута с водонепроницаемым верхним слоем многолетнемерзлых грунтов склона, причем охлаждающая установка содержит наружный теплообменник, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, образованный замораживающей трубой. Согласно изобретению охлаждающая установка содержит установленные по длине насыпи на заданном расстоянии друг от другого, по меньшей мере, два наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, и грунтовый теплообменник, который представляет собой две изогнутые по длине замораживающие трубы, расположенные в грунте вдоль насыпи между трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга. Одна замораживающая труба расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя и гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью одного (первого) трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью другого (второго) трубчатого расширителя. Другая замораживающая труба расположена в пределах насыпи и гидравлически сообщена входным концом с нижней частью второго трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью первого расширителя. Диаметр трубчатых расширителей больше диаметра замораживающих, а сливные отверстия выходных концов замораживающих труб расположены на одном уровне.

Расположение одной замораживающей трубы вдоль насыпи в пределах сезоннооттаивающего слоя, который образовывался у дневной поверхности склона до создания канала, обеспечивает смыкание мерзлотной завесы с водонепроницаемым плащом, а расположение другой замораживающей трубы в пределах насыпи усиливает промораживание насыпи наружным холодным воздухом. Выполнение двух наружных теплообменников и их гидравлическое соединение с замораживающими трубами по указанным правилам обеспечивает естественную конвекцию жидкого теплоносителя и его охлаждение холодным наружным воздухом. Все это в существенной мере обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.

Указанный технический результат достигается так же тем, что охлаждающая установка насыпи (вариант 1) содержит установленные по длине мерзлотной завесы на заданном расстоянии друг от другого два наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и грунтовый теплообменник, который представляет собой две изогнутую по длине замораживающие трубы, расположенные в грунте вдоль насыпи между трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга. По меньшей мере, одна замораживающая труба расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя и гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью одного (первого) трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью другого (второго) трубчатого расширителя. Другая замораживающая труба гидравлически сообщена входным концом с нижней частью второго трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью первого расширителя. Диаметр трубчатых расширителей больше диаметра замораживающих, сливные отверстия выходных концов замораживающих труб расположены на одном уровне, а присоединение концов замораживающих труб, по меньшей мере, к одному трубчатому расширителю осуществлено посредством фланцевых соединений, каждое из которых снабжено прокладкой из теплоизоляционного материала.

Именно выполнение охлаждающей установки с двумя наружными теплообменниками и их гидравлическое соединение с замораживающими трубами по указанным правилам обеспечивает естественную конвекцию жидкого теплоносителя и его охлаждение холодным наружным воздухом. При этом теплоизолирующие фланцевые соединения предотвращают внесение наружного летнего тепла по замораживающим трубам в мерзлотную завесу и упрощают расположение сливных отверстий выходных концов замораживающих труб на одном уровне как при выполнении охлаждающей установки, так и при ее эксплуатации. Все это способствует достижению вышеуказанного технического результата.

Указанный технический результат достигается так же тем, что охлаждающая установка насыпи (вариант 2) содержит установленные последовательно по длине насыпи на заданном расстоянии друг от другого три наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель, отдающий тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху, и расположенные последовательно вдоль мерзлотной завесы в грунте два грунтовых теплообменника, каждый из которых представляет собой пару изогнутых по длине замораживающих труб, расположенных в грунте вдоль насыпи между средним и крайним трубчатыми расширителями и на заданном расстоянии друг от друга. По меньшей мере, одна замораживающая труба пары расположена в пределах сезоннодействующего слоя и гидравлически сообщена входным (напорным) концом с нижней по высоте частью среднего трубчатого расширителя, а выходным (сливным) концом - со средней частью крайнего трубчатого расширителя. Другая замораживающая труба этой пары гидравлически сообщена входным концом с нижней частью этого же крайнего трубчатого расширителя, а выходным концом - со средней частью среднего расширителя. Сливные отверстия всех (четырех) выходных концов обеих пар замораживающих труб расположены на одном уровне, присоединение концов замораживающих труб к крайним трубчатым расширителям осуществлено посредством фланцевых соединений, каждое из которых снабжено прокладкой из теплоизоляционного материала, а диаметры среднего трубчатого расширителя D_cp, крайних трубчатых расширителей D _кp и замораживающих труб d_т удовлетворяют условию: D_cp>D_кp>d_т.

Именно выполнение охлаждающей установки с тремя наружными теплообменниками и их гидравлическое соединение с замораживающими трубами по указанным правилам обеспечивает естественную конвекцию жидкого теплоносителя и его охлаждение холодным наружным воздухом. При этом теплоизолирующие фланцевые соединения, как и в охлаждающей установке с двумя наружными теплообменниками, предотвращают внесение наружного летнего тепла по замораживающим трубам в мерзлотную завесу и упрощают расположение сливных отверстий выходных концов замораживающих труб на одном уровне как при выполнении охлаждающей установки, так и при ее эксплуатации. Все это способствует достижению вышеуказанного технического результата.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемому гидротехническому каналу на многолетнемерзлых грунтах склона и охлаждающей установке насыпи (варианты), отсутствуют. Следовательно, каждое из заявляемых изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с признаками каждого заявляемого изобретения, показал, что они не все следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния существенными признаками каждого из заявляемых изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения. Действительно, новая охлаждающая установка использована при создании и эксплуатации канала. Эта охлаждающая установка предназначена для устройства (изготовления) конструктивно новой мерзлотной завесы в низовом борту канала. Заявляемые изобретения решают одну и ту же задачу - повышение надежности канала и экономия средств на его создание и эксплуатацию.

Изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - гидротехнический канал, проложенный на многолетнемерзлых грунтах склона в обход хвостохранилища;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2, пример 1;

на фиг.4 - узел А на фиг.3;

на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.2, пример 2.

Пример 1 (фиг.1-4). Канал 1 (далее: канал) представляет собой искусственное русло сезоннодействующего водотока 2, которое в условиях многолетнемерзлых грунтов 3 проложено в обход наливного балочно-овражного хвостохранилища 4, емкость которого образована русловой плотиной 5 и водоподъемной плотиной 6, создающей регулирующую емкость 7 на водотоке 2. От поверхностного стока хвостохранилище 4 защищено со стороны левобережного склона 8 нагорной канавой 9, а со стороны правобережного склона 10 - непосредственно каналом, который посредством сопрягающего сооружения 11 соединен с водотоком 2.

Канал содержит ложе 12, которое расположено над дневной поверхностью 13 склона 10 и образовано выровненными дном 14 канала и откосами 15 и 16 его бортов, соответственно, верхового 17 и низового 18. Верховой борт 17 образован полностью склоном 10, поэтому откос 15 является частью дневной поверхности 13. Низовой борт 18 образован насыпью 19, высота которой обеспечивает пропуск по каналу расчетного расхода воды. В насыпи 19 посредством установленных вдоль насыпи сезонно действующих охлаждающих установок 20 выполнена мерзлотная завеса 21, которая сомкнута с водонепроницаемым верхним слоем, т.е. плащом, 22 многолетнемерзлых грунтов 3 склона 10.

Охлаждающая установка 20 в варианте 1 (фиг.3 и 4) содержит установленные по длине насыпи 19 на заданном расстоянии l₁ друг от другого два наружных теплообменника, каждый из которых представляет собой трубчатый расширитель 23 и 24, и один грунтовый теплообменник, который состоит из двух изогнутых по длине замораживающих труб 25 и 26. Эти трубы 25 и 26 расположены в грунте вдоль насыпи 19 между трубчатыми расширителями 23 и 24 и на заданном расстоянии l₂ друг от друга.

Замораживающая труба 25 расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя 27, который образовывался у дневной поверхности 13 склона 9 до создания канала, и гидравлически сообщена входным (напорным) концом 28 с нижней по высоте частью трубчатого расширителя 24, а выходным (сливным) концом 29 - со средней частью трубчатого расширителя 23. Замораживающая труба 26 расположена в пределах насыпи 19 и гидравлически сообщена входным концом 30 с нижней частью трубчатого расширителя 23, а выходным концом 31 - со средней частью трубчатого расширителя 24. Диаметр трубчатых расширителей 23 и 24 больше диаметра замораживающих труб 25 и 26, а сливные отверстия выходных концов 29 и 31 замораживающих труб 25 и 26 расположены на одном уровне 32.

Присоединение входных и выходных концов замораживающих труб 25 и 26 к трубчатым расширителям 23 и 24 осуществлено посредством теплоизолирующих фланцевых соединений 33, каждое из которых снабжено прокладкой 34 из теплоизоляционного материала, например, фторопласта (венилпласта) ПМБ, и болтами 35 из полимерного материала. При необходимости фланцевые соединения могут быть снабжены монтажными кольцами, позволяющими изменять толщину соединения (кольца на фиг.4 не изображены). Это позволяет при неравномерных деформациях по длине насыпи 19 устанавливать трубчатые расширители 23 и 24, следовательно, и сливные отверстия выходных концов замораживающих труб 25 и 26 на одном уровне.

На чертежах позициями обозначены и другие элементы конструкций и среды, а именно:

36 - питательная канавка;

37 - водоотводящая труба;

38 - уровень керосина в трубчатом расширителе летом;

39 - уровень керосина в трубчатом расширителе зимой;

40 - уровень (плоскость) сравнения;

41 - крышка с резьбой;

42 - отверстие для слива;

43 - верхняя граница многолетнемерзлых грунтов до создания канала;

44 - верхняя граница мерзлых грунтов, установившаяся после создания канала;

45 - максимальный уровень воды в канале;

46 - защитный короб (летний).

Канал возводят в следующей последовательности.

Сначала по длине канала в пределах сезоннооттаивающего слоя 27 устанавливают замораживающие трубы 25, после чего до уровня замораживающих труб 26 возводят насыпь 19 с замораживанием грунта в холодный период года естественным холодным наружным воздухом, при этом грунт посредством питательных канавок 36 насыщают водой. Затем устанавливают замораживающие трубы 26, насыпь 19 возводят на полную высоту, устанавливают трубчатые расширители 23 и 24 и по всей длине насыпи 19 в холодный период года задействуют охлаждающие установки 20. Совместное воздействие на насыпь 19 холодного наружного воздуха и замораживающих труб 25 и 26 обеспечивает создание мерзлотной завесы 21 и ее качественное смыкание с водонепроницаемым плащом многолетнемерзлых грунтов 3, причем практически без впадин смыкания особо мерзлых цилиндров вокруг замораживающих труб 25 и 26.

Особенность работы канала заключается в следующем.

1. В теплый период года в канал поступает вода из регулирующей емкости водотока 7, а также вода осадков, стекающая в канал со склона 10. Водонепроницаемые плащ 23 и мерзлотная завеса 21 предотвращают фильтрацию воды из канала по всему периметру его живого сечения. При этом температура воды в канале практически постоянно ниже температуры атмосферного воздуха, обдувающего склон, поэтому толщина сезоннооттаивающего слоя 27 в канале обычно не превосходит толщину такого слоя 27 на склоне 10. В таких условиях работа канала не может повлиять на водонепроницаемость плаща.

В холодный период года поступление воды из регулирующей емкости в канал прекращается, а протаявший в теплое время года сезоннооттаивающий слой 27 склона 10 и насыпи 19 промерзает. Одновременно с этим канал аккумулирует в себе наледь, образующуюся из надмерзлотной воды сезоннопротаивающего слоя 27. Образование в канале наледи может быть предотвращено путем вывода из канала наледеобразующей воды посредством водоотводящей трубы 37, выполненной с перфорацией, преимущественно из полиэтилена.

Пропуск по каналу вод весенних паводков осуществляется с выполнением установленных проектом мероприятий.

2. Принцип работы предложенной охлаждающей установки 20 основан на известном свойстве жидкого теплоносителя, например керосина, изменять плотность при изменении температуры. Так? керосин при охлаждении на один градус уменьшает объем и увеличивает плотность на 0,11%. Поэтому свободная поверхность керосина в гидравлически сообщающихся трубчатых расширителях 23 и 24 зимой опускается с летнего уровня 38 до зимнего уровня 39. При этом зимой на любом наземном уровне (плоскости) сравнения 40 (фиг.4), пересекающем концы замораживающих труб 25 и 26, гидростатическое давление более холодного керосина в напорных (входных) концах 28 и 30 будет выше, чем гидростатическое давление менее холодного керосина в сливных (выходных) концах 29 и 31. Именно это обстоятельство обеспечивает естественную конвекцию керосина в охлаждающей установке 20, при которой через наружную поверхность трубчатых расширителей 23 и 24 происходит отдача холодному наружному воздуху тепла, вынесенного керосином из грунта.

Заполнение охлаждающей установки 20 керосином осуществляют после снятия крышки с резьбой 41 с одного из трубчатых расширителей при открытом отверстии для слива 42 на другом трубчатом расширителе. При необходимости высотное положение трубчатых расширителей 23 и 24 посредством фланцевых соединений 33 приводят в соответствие одного другому.

Эффективность работы расширителей 23 и 24 может быть повышена их оребрением - ребра на чертежах не показаны. Геометрические параметры трубчатых расширителей 23 и 24 и замораживающих труб 25 и 26 охлаждающей установки, включая расстояния l₁ и l₂, объем керосина и положение его уровней в установке при разных условиях, а также холодопроизводительность установки определяются при проектировании теплотехническими расчетами. При этом приспосабливают известные методики, например, из источника [5].

Пример 2 (фиг.5). Отличие канала от выше описанного в примере 1 заключается в том, что создание мерзлотной завесы 21 в насыпи 19 осуществлено посредством охлаждающей установки 47, выполненной по варианту 2.

Охлаждающая установка 47 содержит установленные последовательно по длине насыпи 19 на заданном расстоянии l₁ друг от друга три наружных теплообменника и два грунтовых теплообменника, расположенных в грунте последовательно вдоль насыпи 19.

Каждый из наружных теплообменников представляет собой трубчатый расширитель, соответственно 48, 49 (средний) и 50, который отдает тепло жидкого теплоносителя при его естественной конвекции холодному наружному воздуху.

Каждый из грунтовых теплообменников представляет собой пару изогнутых по длине замораживающих труб 51 и 52. Эти трубы 51 и 52 расположены на заданном расстоянии 1₂ друг от друга в грунте между двумя смежными трубчатыми расширителями 48 и 49, а так же между трубчатыми расширителями 49 и 50.

Замораживающая труба 51 пары расположена в пределах сезоннооттаивающего слоя 27 и гидравлически сообщена входным (напорным) концом 53 с нижней по высоте частью среднего трубчатого расширителя 49, а выходным (сливным) концом 54 - со средней частью крайнего трубчатого расширителя 48 или 50. Другая замораживающая труба 52 пары расположена в пределах насыпи 19 и гидравлически сообщена входным концом 55 с нижней частью крайнего трубчатого расширителя 48 или 50, а выходным концом 56 - со средней частью среднего трубчатого расширителя 49. Сливные отверстия всех четырех выходных концов обеих пар замораживающих труб 51 и 52 расположены на одном уровне 32.

Конструктивно входные концы 53 обеих труб 51 целесообразно объединить в одну трубу (см. фиг.5). Входные концы 56 обеих труб 52 так же могут быть объединены в одну трубу - на фиг.5 эти концы 56 изображены раздельно.

Присоединение концов 54 и 55 замораживающих труб 51 и 52 к крайним трубчатым расширителям 48 и 50 осуществлено посредством фланцевых соединений 33 (фиг.4), каждое из которых снабжено прокладкой 34 из теплоизоляционного материала и болтами 35 из полимерного материала.

Диаметры среднего трубчатого расширителя D_cp, крайних трубчатых расширителей D_кр и замораживающих труб d_т удовлетворяют условию:

D_cp>D_кр>d_т . При этом D_cp 2D_кр.

На теплый период года крайние трубчатые расширители 48 и 50 снабжают защитными коробами 46 (фиг.3), а средний трубчатый расширитель 49 - защитным шатром (не изображен).

Возведение и работа канала осуществляются так же, как в примере 1, при этом принцип работы охлаждающей установки 47 и ее эксплуатация аналогичны охлаждающей установке 20.

Приведенные сведения показывают, что при осуществлении заявленной группы изобретений выполняются следующие условия:

- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно: при гидротехническом строительстве в условиях Крайнего Севера;

- для заявленных изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления;

- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленные изобретения соответствуют условию патентоспособности «промышленная применимость».

В настоящие изобретения могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения. Например, в охлаждающих установках 20 можно поменять местоположение замораживающих труб 25 и 26, а в охлаждающих установках 47 - местоположение замораживающих труб 51 и 52.

Источники информации

1. Ягин В.П., Вайкум В.А., Поваренкин В.А., Давыдов И.А., Нейланд Н.Н. К вопросу размещения твердых водосодержащих отходов ТЭЦ и других производств // Гидротехническое строительство, 1998, № 6.

2. Хвостохранилище фабрики № 8. Ликвидация дебаланса оборотных вод. Защита руслоотводного канала от фильтрации. Рабочая документация. Том 1. Пояснительная записка // Дирекция по проектированию. Филиал ООО «РУС-Инжиниринг» в г. Красноярске, 2007.

3. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я.Вели, В.И.Докучаева, Н.Ф.Федорова. Л., Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1977. С.246-252.

4. Патент Российской Федерации № 2385985, кл. Е02В 5/02, опубл. 10.04.2010.

5. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями / Воронежский инж. строит. ин-т. М.: Транспорт, 1989. Приложение 9.