Гидроэнергетика СССР - Грунтовые плотины

Главе десятая
ГРУНТОВЫЕ ПЛОТИНЫ

Общие положения

Грунтовые, в частности каменно-земляные, плотины в последние годы находят все большее применение в практике мирового плотиностроения. В период 1961 — 1971 гг. в 67 наиболее развитых в области плотиностроения странах было построено 1043 плотины, в том числе 852 из грунтовых материалов (большая часть которых — каменно-земляные) и 191 бетонная. В США плотин из грунтовых материалов построено в 100 раз больше, чем бетонных, в Индии — в 20 раз, в Канаде— в 9 раз. За последние годы построены такие высокие плотины, как Нурекская — 300 м, Майка — 244 м, Чайвар — 237 м, Оровилл — 236 м:, Кебан — 207 м, Чарвакская—168 м, а также строятся Рогунская —  335 м, Чикоасен — 250 м, Патиа — 240 м, Такасэ—176 м и др.
Изучение мирового опыта строительства плотин из грунтовых материалов показывает, что их можно строить почти из любых имеющихся вблизи створа плотины грунтов. Прогресс в области строительных машин, приведший к созданию весьма эффективных средств уплотнения насыпей, позволил перейти к строительству послойно отсыпаемых грунтовых плотин экономичного профиля, несмотря на значительно большие объемы по сравнению с бетонными и железобетонными плотинами. Стало возможным применение горной массы, что особенно важно, так как при этом может быть использована скальная порода из полезных выемок. В последние 15 лет изменился подход к выбору оптимального зернового состава материала для ядер высоких каменно-земляных плотин. В настоящее время предпочтение отдается не однородному суглинку, а грунтам, представляющим собой естественные или искусственные смеси глинистых, песчаных и крупнообломочных материалов. Такие смеси грунтов обеспечивают высокую плотность насыпи и имеют при обеспечении определенного соотношения входящих в их состав фракций значительно более высокую фильтрационную прочность, чем однородный суглинок.
Практика эксплуатации плотин в сейсмических районах показала, что каменно-земляные плотины достаточно хорошо противостоят сейсмическим воздействиям.

Рис. 10.1. Асуанская плотина.
1 — ядро из глины; 2 —понур из глины; 3 — каменная наброска; 4 — инъекционные галереи; 5 — главная противофильтрационная завеса; 6 — скала; 7 — глубинный дренаж.

Научные достижения в области исследований проектирования и строительства плотин из грунтовых материалов позволили существенно увеличить высоту и объем насыпи плотины, а также использовать для строительства плотин створы, ранее считавшиеся для этого непригодными.
В последние 30—40 лет в разных странах, в том числе и в СССР, интенсивно исследовалась физическая сущность явлений, протекающих в теле и в основании плотин из грунтовых материалов. Изучались фильтрация через тело плотины и ее основание, обусловливаемые ею процессы суффозии в грунтах, силовое воздействие фильтрационного потока на грунты, процессы уплотнения связных грунтов в водоупорных элементах плотин (развитие порового давления) и другие вопросы. На основе глубокого изучения указанных явлений и вопросов прочности и устойчивости грунтов при статических и динамических (в частности, сейсмических) воздействиях разработаны методы расчета фильтрации, фильтрационной прочности, состава обратных фильтров и переходных зон, уплотнений однородных плотин из глинистых элементов, порового давления, осадок плотин и их элементов, устойчивости плотин и их оснований с учетом фильтрационных сил для установившегося и неустановившегося фильтрационных потоков и пр.
Организация строительства должна обеспечить наиболее полное использование грунтовых и скальных материалов из полезных выемок непосредственно для отсыпки в сооружение или в резерв с последующей укладкой в тело плотины, что необходимо учитывать при конструировании плотины. Высотная плотина Асуанской ГЭС на Ниле (АРЕ), построенная по советскому проекту (рис. 10.1), является примером использования грунтов и пород из полезных выработок, прилегающих к плотине каналов и туннелей. Основным водоупорным элементом этой плотины является вертикальное ядро из асуанских глин, верховая и низовая призмы состоят из зон камня (горной массы) и песка различной крупности. В этом проекте отказались от устройства обратных фильтров на контакте каменнонабросных призм с песчаным основанием и переходных зон на контакте песчаных зон с каменными призмами. Это оказалось возможным благодаря замыву нижних каменнонабросных призм песком.
В Советском Союзе грунтовые плотины эксплуатируются в самых различных условиях, при их возведении используются самые разнообразные материалы. Повышенные требования к надежности напорных гидротехнических сооружений в значительной степени связаны с необходимостью обеспечить безопасность прилегающей территории. Хотя в СССР не было катастрофических аварий гидротехнических сооружений в расчетных условиях (повреждения и аварии происходили при чрезвычайных условиях эксплуатации, во время катастрофических паводков, селей и т. п.), однако отмечено несколько случаев разрушения недостроенных сооружений, которые были поставлены под напор, а также разрушений вследствие недоброкачественного выполнения строительных работ или ошибки при проектировании. Причинами повреждений в основном являются: фильтрация в основании и береговых примыканиях плотин, обусловленная недостаточной цементацией; фильтрация в теле и основании плотины, приведшая к суффозионным явлениям, как следствие нарушения технологии возведения плотины и дренажных устройств; нарушение устойчивости откосов, вызванное нарушением технологии возведения сооружений и недоучетом геологических условий. Учет всех перечисленных факторов при проектировании и соблюдение технологии возведения сооружения дают гарантию надежности плотин из грунтовых материалов, а применение высокопроизводительной современной техники при их строительстве делает эти плотины дешевле бетонных.

 10.2. Намывные плотины

При строительстве крупнейших гидроузлов на равнинных реках европейской части Советского Союза, протекающих в основном в четвертичных отложениях, значительную часть напорного фронта составляют намывные плотины. СССР занимает ведущее место в мире в области строительства грунтовых плотин способом гидромеханизации. Этому способствовали: благоприятные природные условия для применения гидромеханизации, в частности, наличие вблизи сооружаемых плотин обводненных карьеров песчаного грунта; научное обоснование проектов намывных сооружений, обеспечивающее их безусловную надежность; успешная разработка и применение прогрессивных технологических методов и приемов разработки и укладки грунтов в сооружения; создание и внедрение достаточно производительного оборудования гидромеханизации. Последние два обстоятельства позволили значительно расширить возможности применения гидромеханизации при возведении грунтовых сооружений, в том числе в районах Восточной Сибири (Братская ГЭС, Усть-Илимская, вариант проекта Богучанской ГЭС) и Средней Азии.
В последние 15—20 лет были созданы землесосные снаряды специального назначения, которые применяются для работы в грунтовых условиях, резко отличающихся от освоенных ранее, или при геометрических характеристиках выемки, также сильно отличающихся от таких условий. Для новых условий по проекту института «Гидропроект» на Рыбинском заводе гидромеханизации построены земснаряды марок 350-50Т и 350-50ТМ, которые оборудуются различными типами грунтозаборных устройств. Созданы землесосные снаряды для эффективной разработки тяжелых грунтов.
Расширение сферы использования гидромеханизации в гидротехническом строительстве влечет за собой необходимость усовершенствования конструкций намывных плотин с учетом применяемого оборудования и способа производства работ. Перспективными являются плотины распластанного профиля с одним или двумя свободными (без обвалования) откосами, возведение которых позволит сократить объем вспомогательных работ. Заслуживает распространения комбинированный способ возведения плотин с отсыпкой боковых призм из крупнозернистого грунта с использованием автотранспорта и намывом центральной зоны плотины из мелкозернистых грунтов, а также применение профилей, возводимых с водоупорной намывной призмой из пылеватых грунтов и волноустойчивым верховым клином, отсыпаемым из крупнозернистого грунта. На плотине Копетдагского водохранилища за счет исключения устройства наружных гравийных призм и замены крепления волноустойчивым клином стоимость строительства уменьшилась Более чем на 3 млн. руб. В ряде случаев для возведения плотины используют грунты из нескольких карьеров, смешиваемые в специальном бункере и образующие грунт оптимального гранулометрического состава.
Способом гидромеханизации в Советском Союзе возведено более 200 плотин и дамб. При этом трестом «Гидромеханизация» Минэнерго СССР, являющимся основным подрядчиком по строительству намывных плотин, за период с 1946 по 1979 г. возведено свыше 150 плотин и дамб, в которые намыто 800 млн. м³ грунта. При строительстве и многолетней эксплуатации намывных плотин в СССР не было ни одной существенной аварии, и надежность этих плотин не вызывает сомнения.
Применение гидромеханизации при строительстве грунтовых плотин и дамб позволяет сократить сроки строительства и снизить стоимость возводимых сооружений. Сравнение трудоемкостей выполнения земляных работ по возведению сооружений показывает (по данным треста «Гидромеханизация»), что трудоемкость выполнения насыпей сухим способом в 3—6 раз выше, чем способом гидромеханизации. Исключение составляет правобережная плотина Братской ГЭС, где соотношение указанных трудоемкостей равно 1,3; это объясняется отдаленностью карьера плотины (почти 10 км) и необходимостью подъема пульпы на 112 м, что потребовало пяти ступеней перекачивающих установок. Себестоимость 1 м³ грунта, разработанного способом гидромеханизации (выемка и насыпь), колебалась от 34 до 42 коп. (в масштабе цен 1961 г.), что на 20—30% ниже средней стоимости земляных работ, выполняемых сухоройными машинами (в себестоимость включены затраты по всем сопутствующим строительно-монтажным и вспомогательным работам). В последующие годы этот показатель остался примерно на том же уровне.
Намывные плотины в Советском Союзе возводились из разнообразных грунтов: гравийно-песчаных (Мингечаурская, Камская, Дубоссарская, Каратомарская и др.); среднезернистых и мелкозернистых песков (большинство намывных плотин европейской части СССР); тонкозернистых пылеватых песков и супесей с различной формой зерен от окатанных до остроугольных (Кайраккумская, Чардарьинская и др.), лессовидного суглинка (Тушурушская, Нижнебозсуйская ГЭСIV). Максимальная высота Тушурушской плотины 18 м, длина 180 м, средний ярус высотой 10 м был возведен намывом лессовидного грунта в воду после устройства из того же грунта мощного обвалования отсыпкой с укаткой. Опыт эксплуатации плотины показал, что при намыве плотины из лессовидного грунта необходимо устраивать обвалование на низовом откосе из более проницаемого грунта, чем грунт центральной зоны. В частности, для обвалования рационально использовать гравийно-галечный грунт с песчаным заполнителем.
Большинство намывных плотин, построенных в Советском Союзе, выполнены из однородных песчаных грунтов. Но имеется ряд плотин, построенных с ядрами из глинистых фракций и пыли. К ним относятся Мингечаурская, Каратомарская, плотина на гидроузле Южно-Уральской ГРЭС и др. Сложный профиль имеет плотина Павловской ГЭС на р. Уфе, где боковые призмы намывались из гравийно-песчаного грунта, а центральная часть — из мелкопесчаных грунтов. На строительстве Каунасской ГЭС центральная часть и боковые призмы русловой плотины намывались из различных карьеров. Верховая призма плотины Плявинской ГЭС на р. Даугаве намыта из песчано-гравийного грунта, центральная часть — из мелкого песка, а низовая призма отсыпана из гравия.
Намывные плотины возводились и в районах, характеризующихся сейсмичностью до 8—9 баллов (Средняя Азия, Кавказ). Основные сведения о некоторых крупных плотинах, намытых трестом «Гидромеханизация» Минэнерго СССР, приведены в табл. 10.1.
В 1975—1976 гг. осуществлен надводный замыв каменнонабросной плотины Широковской ГЭС высотой до 40 м, вступившей в строй в 1949 г. Заполнение песком (в объеме до 40 тыс. м³) пор каменной наброски было проведено в целях уменьшения ее деформативности, увеличения устойчивости наброски, а также для устранения конвекции в ней холодного воздуха, неблагоприятно действующего на прочность, камней наброски. Намечается возведение земляных сооружений для осуществления проекта переброски части стока северных рек в Волгу. Расширяются работы в северных и восточных районах страны, в Средней Азии и Сибири, где придется разрабатывать тяжелые гравийные и глинистые грунты.

Таблица 10.1 Намывные плотины СССР

Рис. 10.2. Плотина Мингечаурской ГЭС.
1 — ядро из суглинка; 2 — наружная призма (гравий 20%, галька 40%, песок; 3 — промежуточная призма (песок 75%, гравий и галька 25%); 4 — дренаж; 5 — выпуск дренажа, 6 — зуб суглинка; 7 — противофильтрационная завеса.

Наиболее интересным примером намывных плотин в Советском Союзе является высокая намывная плотина Мингечаурской ГЭС (рис. 10.2), возведенная безэстакадным способом при двустороннем намыве с постепенным изменением крупности грунта в профиле сооружения от гравийно-песчаного грунта в наружных зонах к супесчаному в ядре плотины. Плотина в течение многих лет нормально эксплуатируется и может считаться образцом в области строительства высоких намывных плотин.
Материалы обследования состояния намывных плотин показывают, что их надежность не ниже, чем других типов грунтовых плотин.

Плотины, возводимые методом отсыпки в воду

Метод отсыпки в воду позволяет использовать грунты с повышенной влажностью независимо от их комковатости и выполнять работы как в сухую, так и в дождливую погоду и даже зимой. Он упрощает технологию возведения плотины, снижает стоимость и сроки строительства.
На Кольском полуострове этим методом из моренных грунтов построено 12 плотин и дамб высотой от 7 до 46 м и объемом около 39 млн. м³, а также устроено центральное ядро плотины Серебрянской ГЭС высотой 78 м и объемом 5,254 млн. м³. Особенностью строительства Серебрянской плотины (ГЭС 1) является круглогодичное выполнение работ по насыпи плотины за счет подогрева зимой воды в прудках электробойлерами (глубина прудка достигала 2,5 м). Натурные наблюдения за поровым давлением, фильтрацией и осадкой плотины в период строительства и временной эксплуатации показали, что в результате высокой разнозернистости моренный грунт при отсыпке в воду хорошо уплотняется, приобретает низкую водопроницаемость (Кф,75% обеспеченности 3,5-10см/с),     процесс консолидации моренного
грунта протекает очень быстро — в течение 3—6 сут. Вследствие этого интенсивность роста ядра по высоте не ограничивалась.
В среднеазиатских республиках Советского Союза методом отсыпки грунта в воду построено много плотин из лессовидного суглинка, в том числе плотина Нижнебозсуйской ГЭС 1 напором свыше 30 м, а также плотины Хишрауской и Бозсуйской ГЭС 3. На рис. 10.3 дан профиль Ириклинской плотины на р. Урале, водоупорные элементы которой (понур и экран) были выполнены методом отсыпки пылеватоглинистого грунта (18% песка, 52% пыли, 30% глины) в воду, причем плотина была построена без устройства перемычек, что дало значительную экономию. Это сооружение при очень высоком градиенте напора нормально эксплуатируется многие годы. 

Рис. 10.3. Ириклинская плотина.
1 — экран из суглинка; 2 — понур из суглинка; 3 — слой песка; 4 — гравийно-песчаный грунт; 5 — крепление камнем; 6 — каменная наброска; 7 — аллювиальные отложения; 8 — каменная мелочь; 9 — туф.

Аналогичный метод был частично применен на строительстве плотины Иркутской ГЭС на Ангаре. Здесь было уложено отсыпкой в воду 183 тыс. м³ грунта, который имел однородную структуру независимо от укладки в талом или мороженом состоянии. Осадка плотины закончилась за время ее строительства. В практике отечественного строительства каменно-земляных плотин, возводимых с применением метода отсыпки грунта в воду, были применены моренные, супесчано-щебенистые, суглинисто-дресвяные, суглинистые и лессовидные грунты. Применение этого метода повышает интенсивность отсыпки глинистых грунтов в 3—4 раза за счет увеличения толщины отсыпаемых слоев до 3 м, а также в связи с максимальным упрощением работ по уплотнению слоев грунта. Надлежащая плотность достигается обеспечением нормального водонасыщения суглинистого грунта и обжатия его собственным весом вышележащих слоев грунта, а также благодаря уплотнению при движении тяжелых самосвалов, подвозящих грунт на карты отсыпки.