Доминирующим типом высоких плотин из грунтовых материалов являются каменнонабросные и каменно-земляные, при строительстве которых используют имеющиеся на месте грунтовые материалы и материалы полезных выемок.
Осуществляется строительство каменно-земляных плотин с противофильтрационными элементами из глинистых разнозернистых грунтов в виде центрального ядра или экрана с устройством за ними мощной переходной зоны. Это ведет к осушению всей низовой призмы плотины и тем самым к повышению ее сопротивляемости сдвигу, а в условиях сурового климата — к предохранению ее от промерзания и образования наледи внутри плотины.
Основные требования, которые предъявляются к ядрам из грунта,, сводятся к обеспечению водоупорности и суффозионной прочности этих противофильтрационных устройств. Уже имеются плотины с тонкими ядрами и экранами из естественных глинистых грунтов, успешно работающие при высоких градиентах напора благодаря соответствующему подбору зернистости грунтов. Для обеспечения необходимой водоупорности грунтовых ядер и экранов во многих случаях их толщина назначается из условия обеспечения достаточной трещиностойкости этих элементов при длительной эксплуатации.
Для предотвращения трещинообразования глинистых водоупорных элементов производят сглаживание мест переломов в продольном профиле каньона; принимают оптимальные в отношении недопущения трещинообразования начальную плотность и влажность грунта; производят тщательный подбор гранулометрического состава грунтов и размеров переходных зон, которые обеспечивают автоматическое залечивание трещин путем их кольматажа.
Оптимальным (с точки зрения зернового состава) материалом для ядер высоких каменно-земляных плотин в последние годы, как уже было сказано, считаются смеси глинистых, песчаных и крупнообломочных материалов (например, плотина Нурекской ГЭС). Если такой материал отсутствует поблизости в природном состоянии, то его обогащают с помощью специальных механических установок (в проекте Рогунской ГЭС). Применение грунтовых малосжимаемых смесей для ядер способствует улучшению условий работы плотины, особенно в начальный период эксплуатации, благодаря ослаблению неблагоприятного эффекта взаимодействия элементов плотины в процессе консолидации.
Для упорных призм высоких плотин особое значение приобретает проблема доведения их деформаций до минимума. Большое внимание уделяется в этой связи использованию для устройств этих призм гравелисто-валунных естественных смесей, гранулометрический состав которых позволяет получить весьма высокие плотности при сравнительно малых затратах на их уплотнение. При использовании горной массы для каменной наброски хорошие результаты получены при тонкослойной укладке материала с уплотнением и увлажнением. При укладке упорных призм плотин таким способом в условиях сурового климата получены их незначительные осадки. Так, опыт эксплуатации каменноземляной плотины Перепадной ГЭС № 1, возведенной из горной массы известняка с небольшим загрязнением (до 5%) пылевато-глинистым грунтом, отсыпаемой слоями толщиной 1, 2 и 3 м при уплотнении автосамосвалами, показал, что полученная насыпь с плотностью 1,9— 2.0 т/м3 вполне отвечает надежной работе сооружения.
Для укладки в боковые упорные призмы кроме горной массы используются песчано-гравелистые галечные и щебеночные грунты. В настоящее время есть тенденция использования горной массы для наброски в тело плотины без ее сортировки.
Уплотнение наброски из среднего и мелкого камня, а также гравелистого материала, отсыпаемого небольшими слоями, производится вибраторами или тяжелыми катками; при малой толщине слоя (1,5— 2.0 м) оно осуществляется транспортными средствами — гружеными и порожними большегрузными автосамосвалами, а также тяжелыми катками. С целью уменьшения трудозатрат по уплотнению грунтов наброски и расширению типов применяемых грунтов, укладываемых в упорные призмы плотин, применяется принцип зонирования. В большинстве случаев можно запроектировать профиль плотины с различным расположением в ее теле грунтов и камня, а также с различной степенью их уплотнения в зависимости от прочности и механического состава: более прочный крупный камень — к откосам плотины, менее крупный и менее прочный — во внутреннюю зону.
Рис. 10.4. Нурекская плотина.
1 — ядро из суглинка; 2 — переходные зоны; 3 — гравийно-галечниковые призмы; 4 — бетонная пробка; 5 — каменная пригрузка; 6 — верховая перемычка; 7 — смотровые галереи; 8 — глубинная цементация; 9 — площадная цементация.
В настоящее время обоснованы возможность и целесообразность снижения требований в отношении отсева крупных фракций гравелисто-песчаного материала, предназначенного для устройства переходных зон от ядра к гравелистым призмам плотины. Для переходных зон и фильтров часто применяется естественный или частично отсортированный аллювий, а иногда и материалы осыпей.
Характеристики современных каменнонабросных и каменно-земляных плотин, построенных и строящихся в СССР, даны в табл. 10.2.
Нурекская плотина (рис. 10.4) на Вахше высотой 300 м сооружена из песчано-гравелистого и галечно-булыжного грунтов и имеет центральное ядро из грунтов с непрерывной гранулометрией (скелетных). В процессе строительства в целях обеспечения сейсмоустойчивости плотины полного проектного профиля было принято решение о выполнении в наиболее напряженной зоне — на верховой водонасыщенной призме и гребне — конструктивных мероприятий в виде антисейсмических поясов, представляющих собой укрепление из элементов монолитного и сборного железобетона с гибкими связями. Объем насыпи 56 млн. м3, в том числе боковые призмы 36,3, фильтры 3,4, ядро 7,8, пригрузка откосов 8,5 млн. м3. Грунт для боковых призм и ядра разрабатывался экскаваторами ЭКГ-4,6 и автосамосвалами БелАЗ-548 подавался на плотину.
Рис. 10.5. Рогунская плотина.
1 — ядро из обогащенной щебенисто-суглинистой смеси; 2 — переходные зоны; 3 — упорные призмы из галечников; 4 — гранитный камень; 5 — глубокая цементационная завеса; 6 — инъекционное ядро; 7 — песчаники: 8 — каменная соль; 9 — алевролиты.
Таблица 10.2 Каменнонабросные и каменно-земляные плотины
Каменнонабросные и каменно-земляные плотины
(Гл. 10
Рис. 10.6. Бурейская плотина.
1 — каменная наброска; 2 — намывной грунт; 3 — супесчаный грунт; 4 — фильтр; 5 — суглинок; 6 — цементационная галерея; 7 — скважины цементации.
Чарвакская плотина на Чирчике высотой 168 м сооружена с центральным ядром из лессовидного суглинка, двухслойными переходными зонами и боковыми призмами из насыпи мелкого камня. Фильтры выполнены из песчано-гравелистого грунта. Особенностью этой плотины является применение в боковых призмах рядового камня без его сортировки и уплотнение каменных призм гружеными 25-тонными автосамосвалами летом слоями толщиной 1,5 м со смачиванием камня в кузове автосамосвала и зимой слоями в 1 м всухую.
Рогунокая плотина на Вахше (рис. 10.5) запроектирована максимальной высотой 335 м и включает центральное ядро из обогащенной щебенисто-суглинистой смеси, переходные зоны и упорные призмы из галечников, пригруженные гранитным камнем. Объем насыпи около 75 млн. м3. В проекте предложена технологическая схема непрерывной подачи материалов в тело плотины из карьеров к месту укладки с помощью магистральных колесно-ленточных транспортеров с шириной ленты 1400 мм.
Бурейская плотина (рис. 10.6) (один из вариантов проекта) на Бурее запроектирована максимальной высотой 142 м с центральной намывной призмой из супесчано-песчаного грунта, возводимой по схеме двустороннего намыва, с отмывом тонких фракций в центре намывной части (объем намыва 6,6 млн. м3); общий объем насыпи 18,2 млн. м3. Сопряжение ядра с основанием предусматривается при помощи врезанного в скалу зуба с цементационной галереей для создания завесы глубиной 50—70 м. Переходные зоны между центральной намывной призмой и каменной наброской упорных призм выполняются в виде фильтров из песчано-гравийной смеси и щебня. Каменно-земляную плотину предложено возводить с подачей скального грунта в упорные призмы автосамосвалами грузоподъемностью 40,27 и 12 т.
Днестровская плотина на Днестре представляет собой русловую каменно-земляную плотину максимальной высотой 60 м с центральным ядром из суглинка, переходными зонами из естественной песчано-гравийной смеси и боковыми призмами из горной массы. Ядро плотины сопрягается с основанием цементационной завесой глубиной до 30 м. Объем насыпи плотины около 3,3 млн. м3.
Жинвальская плотина на Арагви запроектирована максимальной высотой 101 м с суглинистым ядром и боковыми призмами из галечников, общий объем насыпи около 5,0 млн. м3. Плотина возводится насыпным способом с транспортировкой и укаткой грунта автосамосвалами грузоподъемностью 25 и 10 т.
При отсутствии на месте грунтовых материалов, пригодных для возведения противофильтрационных элементов плотин, или при их меньшей экономичности, применяются экраны и диафрагмы из негрунтовых материалов: железобетонные, стальные, асфальтобетонные, инъекционные, пленочные.
К основным вопросам проектирования и исследований каменнонабросных и каменно-земляных плотин относятся: выявление качества глинистых, суглинистых и других грунтов и материалов (их прочности деформируемости, водоупорности и обрабатываемости); определение критериев для установления начальной плотности глинистых, суглинистых и других грунтов и каменной наброски; подбор материалов для переходных зон; выявление физических и механических свойств камня, в том числе в период эксплуатации или возведения; определение оптимальных способов уплотнения тела плотины, ядра или экрана и переходных зон.
Оценка материалов, пригодных для устройства каменнонабросных плотин, и их размещения производится на основе анализа силового воздействия на элементы таких плотин (ядра, упорных каменнонабросных призм, переходных зон) и их деформаций, исходя из обеспечения устойчивости и водоупорности плотины (фильтрационной прочности ядра и прочности в отношении возможного образования в нем трещин). Теория такого взаимодействия, учитывающая прочностные, деформационные и суффозионные свойства различных материалов, составляющих профиль плотины, разработана пока недостаточно. Однако уже имеются фрагментарные решения, позволяющие, например, оценивать развитие норового давления в ядрах плотин и осадки. Благодаря наличию быстродействующих ЭВМ, развитию численных методов, например метода конечных элементов, стал возможным анализ напряженного состояния плотин с учетом нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в грунтах и пластических деформаций. В настоящее время для оценки сейсмической устойчивости откосов вошел в практику динамический метод расчета, который позволяет связать параметры сейсмического воздействия с деформациями плотин.
