Совокупность физико-географических особенностей районов распространения многолетней мерзлоты и особенностей взаимодействия подпорных сооружений с внешней средой обусловливает для этих районов специальные требования к проектированию и строительству гидротехнических сооружений и водохранилищ. В соответствии с этими требованиями и с учетом трудностей доставки строительных материалов в районы распространения многолетней мерзлоты наиболее рациональными и экономичными для этих районов являются, как правило, плотины из грунтовых материалов. До настоящего времени в Советском Союзе построено несколько грунтовых плотин в районах распространения многолетней мерзлоты: на ручье Долгом в районе Норильска, на р. Мяудже (бассейн Колымы), на р. Ирелях (приток Вилюя).
Рис. 10.7. Иреляхская плотина.
1 — суглинок; 2 — мелкозернистый песок; 3 — каменная наброска; 4 — подготовка; 5 — слой торфа; 6 — скважины постоянной мерзлотной завесы; 7 — мохоторфяная подготовка; 8 — мергели, мергелистые глины, известняки и песчаники с льдистостью.
Одной из особенностей строительства в районах многолетней мерзлоты является то, что некоторые виды мерзлых грунтов, будучи прочными и водонепроницаемыми при отрицательной температуре, дают значительные осадки при оттаивании, а иногда полностью теряют несущую способность и водоупорность. В связи с этим плотины из грунтовых материалов, расположенные на просадочных мерзлых грунтах, иногда строят с сохранением большей части тела плотины и основания плотины в мерзлом состоянии. Для сохранения мерзлоты основания может быть использован атмосферный воздух, циркулирующий по вертикальным трубам-колонкам, при этом тело плотины или ее грунтовой элемент подвергается замораживанию. Грунт в тело плотины укладывается в талом состоянии и уплотняется обычными способами, а наполнение водохранилища производят после образования в теле плотины и в основании сплошного водонепроницаемого ядра, надежно сопрягающего плотину с основанием и берегами. Так, в 1964 г. на р. Ирелях впервые в практике гидротехнического строительства на вечномерзлых грунтах с льдистостью до 60% построена плотина для водоснабжения г. Мирного (рис. 10.7). Плотина высотой 20 м отсыпана из суглинков и песчаных грунтов, для исключения фильтрации в ее теле и основании предусмотрена мерзлотная завеса, образуемая с помощью скважин и труб, подающих и отводящих охлаждающий воздух. Вовремя эксплуатации замораживающая система работала круглосуточно. Практика показала, что созданная мерзлотная завеса отвечает требованиям, предъявляемым к противофильтрационным устройствам.
В условиях непросадочных грунтов на Крайнем Севере допускается естественное оттаивание основания плотины в период ее эксплуатации (талая плотина). В этом случае необходимо предусмотреть создание противофильтрационных мероприятий в основании плотины по мере его оттаивания. По этому принципу построена на Крайнем Севере Советского Союза в условиях вечной мерзлоты Вилюйская каменно-земляная плотина и строится Колымская плотина.
Рис. 10.8. Вилюйская плотина.
1 — щебенисто-дресвяный суглинок; 2 — первый слой переходной зоны; 3 — второй слой переходной зоны; 4 — каменная наброска; 5 — бетонные открылки; 6 — потерна; 7 — цементационная завеса; 8 — диабазы.
Вилюйская плотина (рис. 10.8) высотой 74,5 м и объемом 4,8 млн. м3 с экраном из суглинисто-дресвяных грунтов возводилась в две очереди. Экран поверху покрыт песчано-гравийной смесью и пригружен камнем. В основании плотины вечная мерзлота залегает на глубину свыше 300 м. Льдонасыщенность глинистых грунтов — от 50 до 90%. В основании плотины залегают трещиноватые диабазы, выветрелые на глубину до 3 м, покрытые 2—3-метровым слоем суглинистого грунта с мелким щебнем и дресвой. В районе строительства плотины было найдено ограниченное месторождение суглинка в пределах зоны оттаивания и пришлось разрабатывать карьер этого суглинка по сложной технологии. В летнее время снимались слои оттаявшего суглинка и укладывались в бурты, где зимой сохранялась температура +13— 15°С при помощи электропрогрева, а затем в зимнее время, при морозах до — 40°С грунт из бурта укладывался в тело экрана с засолением. Была применена также химическая защита от промораживания (раствором хлористого натрия и хлористого кальция). Транспортировка грунта производилась в автосамосвалах с обогреваемым кузовом. Такая технология обусловила большую стоимость строительства плотины.
Усть-Хантайская плотина (русловая) на Хантайке высотой 65 м, длиной по гребню 420 м и объемом 1260 тыс. м3 возведена с ядром из моренных грунтов и боковыми призмами из долеритов (рис. 10.9). Физико-механические свойства моренных грунтов позволили выполнить ядро с относительно-обжатым профилем шириной по верху 3,0 м, с откосами 1:0,2. Между наброской и ядром уложена переходная зона. Сопряжение ядра со скальным основанием выполнено посредством бетонной галереи, зубом входящим в скалу и имеющая открылки в виде облицовки бетоном дна под ядром.
Рис. 10.9. Усть-Хантайская плотина.
1 — наброска из долеритов; 2 — ядро из моренных грунтов; 3 — переходные зоны из песчаногравийных грунтов; 4 — галерея — зуб; 5 — открылки галереи; 6 — цементационная завеса; 7 — аллювий; 8 — долериты; 9 — известняки.
Рис. 10.10. Колымская плотина с противофильтрационным устройством из грунтовых
материалов.
1 — цементационная завеса; 2 — наброска горной массы; 3 — верховая перемычка; 4 — временная плотина; 5 — низовая перемычка; 6 — отвал скального грунта; 7 — ядро из щебенисто-дресвяного суглинка.
Противофильтрационные устройства выполнены в виде цементационной завесы. Отсыпка ядра плотины выполнялась из грунтов в талом состоянии. При транспортировке грунта кузова автосамосвалов оборудовались обогревом выхлопными газами. Допускалось промораживание уплотняемого грунта, поверхность которого перед уплотнением обрабатывалась концентрированными солевыми растворами. Наблюдения за ходом температур показали, что промороженные зоны ядра повышают температуру. Наблюдения за состоянием русловой плотины подтвердили устойчивость плотины и фильтрационную прочность ядра.
Колымская плотина на Колыме (рис. 10.10) высотой 126 м, длиной по гребню 759 м и объемом в 13,5 млн. м3, с ядром из щебенистых суглинков строится в районе с сейсмичностью 7 баллов. Основание плотины сложено гранитами, почти повсеместно покрытыми рыхлыми отложениями.
В целях снижения стоимости водоупорных элементов плотин из местных материалов на Крайнем Севере целесообразно применение для них металла, асфальтобетона, полимерных материалов, инъекционных ядер и завес. Отсыпка каменной наброски при строительстве таких плотин может производиться практически в течение всего года при условии применения крупнозернистого и крупноблочного материала и тонкослойной его укладки. Это ускоряет и обычно удешевляет строительные работы. Не рекомендуется лишь уплотнение каменной наброски гидромониторными струями во избежании образования внутренних наледей. Наблюдениями за деформациями плотины Вилюйской ГЭС установлены значительные осадки каменной наброски (до 6%), которые объясняются большой толщиной отсыпаемых слоев (до 15 м) несортированной горной массы, что учитывается при дальнейшем проектировании. Плотина Вилюйской ГЭС быстро охлаждается зимой вследствие движения воздуха в порах каменной наброски, в связи с чем опасались, что глубокое охлаждение может вызвать замерзание фильтрующей через глинистый экран воды. Видимых следов такого замерзания, однако, не обнаруживается, состояние плотины в настоящее время не вызывает опасения.
Первостепенными при выборе решения являются результаты температурных расчетов и расчетов осадок плотин и их оснований, в том числе неравномерных, на основе результатов инженерно-геологических изысканий и геомеханических исследований.
