Использование направленного взрыва при строительстве плотин
В последние годы в СССР получил распространение метод возведения плотин с помощью направленного взрыва. В горных районах, где преимущественным типом является плотина из грунтовых материалов высотой до 250—300 м, с объемом насыпей 50 млн. м3 и более, строительство гидроузлов становится весьма капиталоемким и трудоемким. Для таких плотин проблемы сокращения стоимости и сроков строительства еще не решены, поэтому создание и внедрение новых прогрессивных конструкций и технологии возведения должно стать одним из главным направлений в плотиностроении в горных районах. В этих условиях возведение плотин с помощью направленных взрывов является наиболее целесообразным.
В нашей стране метод направленного взрыва, разработанный Μ. М. Докучаевым, Г. И. Покровским, И. С. Федоровым, М. А. Лаврентьевым и др., был неоднократно использован в гидротехническом строительстве при возведении перемычек и плотин различного назначения. Так, в 1967 г. была построена плотина Медео высотой около 100 м на р. Малая Алмаатинка, служащая селеуловителем и обеспечивающая защиту города Алма-Аты. Правобережным взрывом (3600 т взрывчатых веществ) был произведен завал ущелья на высоту до 62 м с перемещением при этом 1,67 млн. м3 камня. Вторым левобережным взрывом (1940 т взрывчатых веществ) было перемещено 1 млн. м3 камня, что позволило довести высоту насыпи до 90 м. Таким образом, в результате двух последовательных взрывов в плотину было уложено 2,7 млн. м3 камня с достаточно высокой плотностью в насыпи (до 2 т/м3). В дальнейшем на верховой откос был уложен суглинистый экран, заканчивающийся на 35 м ниже гребня плотины. Однако это было ошибочным, ненужным решением и только увеличило стоимость строительства. Фильтрация через тело плотины не представляет опасности, но позволила бы отвести воду при забитых водосбросах.
На Вахше в составе Байпазинского гидроузла взрывом заряда массой 1700 т возведена каменнонабросная плотина объемом 1,6 млн. м3, высотой 50 и шириной около 600 м. Понур (30 тыс. м3) образован взрывом небольших зарядов, экран на верховой откос плотины насыпался автосамосвалами.
Опыт эксплуатации описанных плотин показал возможность строительства более высоких плотин методом направленного взрыва. В проекте Камбаратинской плотины в Карабашском створе, природные условия которого весьма благоприятны для возведения методом направленного взрыва, разработано возведение «на сброс» высокой (до 300 м) каменнонабросной однородной безэкрановой плотины распластанного профиля. Значительное превышение обоих бортовых массивов над отметкой НПУ, благоприятствующее их обрушению в проектный контур плотины серией направленных взрывов, пригодность гранитов, слагающих бортовые массивы, для возведения почти водонепроницаемого тела плотины делают принятый тип плотины предпочтительным по сравнению с другими. Объем взрываемого массива 370—400 млн. м3 при объеме в проектном профиле 140 млн. м3. Конструкция плотины не предусматривает специальных противофильтрационных элементов. Расчеты показывают, что фильтрационный расход через тело плотины будет в пределах 15—25 м/с, что не превышает 5—8% среднемноголетнего расхода Нарына, составляющего на этом участке 319 м3/с.
Новизна конструкции плотины и особенности ее возведения потребовали проведения исследований по широкой программе. Для этого было осуществлено возведение опытного гидроузла на р. Бурлыкия, для проекта которого основными критериями были сходные со створом Камбаратинской ГЭС топографические и инженерно-геологические условия, обеспечивающие возможность создания «на сброс» плотины в масштабе 1:7—1:8, а также водность потока не менее 2—3 м3/с, позволяющая достигнуть расчетного напора при наличии фильтрации через тело плотины, отсутствии селевой активности и больших паводковых расходов. Профиль опытной плотины, моделирующей плотину Камбаратинской ГЭС, определил масштаб и расчетные условия направленного взрыва. Опытная плотина возведена высотой 50 м, шириной вдоль русла 330 м и профильным объемом насыпи 300 тыс. м3.
Натурные исследования фильтрации в теле опытной взрывонабросной плотины показали, что фильтрационные свойства грунта, слагающего плотину, оказались различными по участкам. Наибольшей водоудерживающей способностью обладает центральная зона плотины и наименьшей — участки верхового и низового клина плотины. Такое изменение фильтрационных свойств грунтов тела плотины объясняется прежде всего различием их физико-механических показателей, что связано с технологией выполнения взрыва. Определение плотности грунта показало, что в центральной зоне она значительно выше, чем на верховом и низовом откосе. Увеличение содержания фракций менее 5 мм наблюдается не только в центральной части плотины, но и по глубине. Проведенные наблюдения за суффозионными и кольматационными процессами в теле сооружения и на верховом откосе показали отсутствие суффозионных явлений в теле сооружения при исследованных градиентах напора. Полученные в результате исследований фильтрационные и физико-механические характеристики грунта плотины положены в основу проекта Камбаратинской ГЭС. По мере накопления результатов натурных исследований станут возможными разработка механико-математической модели явления и создание на этой основе общей теории прогноза возведения плотин при помощи направленного взрыва.
Опыт применения направленного взрыва при строительстве плотин позволяет сделать следующие общие выводы: при наличии благоприятных условий такой способ выполнения работ может быть с успехом применен на строительстве каменно-земляных плотин с грунтовым экраном и без него; этот способ позволяет существенно упростить выполнение работ, сократить их сроки и снизить капитальные вложения на устройство водоотводящих трактов. Взрыв «на сброс» больших масс камня обычно укладывает его на место с достаточной плотностью, поэтому последующие осадки таких плотин незначительны. При массовых взрывах происходит разрушение пород с образованием глубоких заколов, в связи с чем взрывы должны назначаться на таких высотных отметках береговых склонов, при которых обеспечивается сохранность бортов долины в зонах примыкания плотины и выше НПУ. Однако следует отметить, что, как правило, благоприятные для осуществления взрыва створы расположены в глубине каньона; это осложняет устройство внешних подъездных дорог и размещение стройплощадки, что может в свою очередь привести к увеличению сроков подготовительного периода.
Строительство плотин на водонасыщенных слабых грунтах
В ближайшие годы на отечественных гидроузлах предстоит построить большое число грунтовых плотин, имеющих в основании мощную толщу водонасыщенного глинистого грунта мягкопластичной и текучей консистенции. Это, в частности, грунтовые плотины и ограждающие дамбы Загорской ГАЭС, Курейской ГЭС, плотина регулирующего сооружения в Керченском проливе, плотины прудов-охладителей ТЭС и др.
Главной задачей, решаемой в проектах таких сооружений, является определение возможности использования в качестве основания сооружения водонасыщенных слабых глинистых грунтов, особенность которых — низкие прочностные характеристики в естественном сложении, обусловленные его малой плотностью и высокой влажностью при малом коэффициенте фильтрации. Как показывает опыт, прочностные характеристики грунта в общем случае могут увеличиваться с глубиной, а также по мере уплотнения грунта во время строительства под действием веса тела насыпи. Однако водонасыщенный глинистый грунт основания может уплотниться только после отжатия из него соответствующего количества поровой воды, что вследствие малой водопроницаемости грунта происходит очень медленно.
Опыт строительства и эксплуатации на оз. Сиваш к 1975 г. 15 сооружений показал возможность возведения дамб и плотин на слабых водонасыщенных грунтах, в том числе на илах с толщей до 8 м. При возведении ряда указанных сооружений произошли значительные осадки и деформации как основания, так и тела плотин, в связи с чем институтом «Укргипроводхоз» в проекте водохранилища в Сергеевском заливе оз. Сиваш для плотин № 1 и № 2 были разработаны специальные методы возведения (плотина № 1 высотой 4,5 и длиной 1100 м, плотина № 2 высотой 5,5 и длиной 1300 м). В основании обеих плотин
Рис. 10.13. Схема двухстадийного возведения земляных плотин на илах.
а — первая стадия строительства; б — вторая стадия строительства; 1 — отсыпка без уплотнения; 2 — отсыпка и уплотнение слоями 25 см; 3 — вал выпирания.
залегает слои зеленоватосерых илов влажностью 33—36% и мощностью до 3,9 м, подстилаемых озерноаллювиальными суглинками и ниже — глинами морских отложений.
Были предложены два способа возведения плотин: постепенное послойное наращивание плотин по высоте с расчетом на уплотнение грунтов основания и интенсивное возведение плотин с целью максимального возможного отжатия (выдавливания) наиболее слабых разностей илов под действием быстро возрастающей нагрузки — двухстадийное возведение плотин на илах (рис. 10.13). Строительная организация отдала предпочтение последнему способу исходя из наличия строительных механизмов. На первой стадии возводилась центральная часть поперечного профиля — «ядро» с относительно крутыми откосами, причем его наращивание производилось интенсивно. Отметка гребня принималась на 1,5—2 м выше проектной, ширина гребня плотины также была увеличена против проекта. На второй стадии производилась срезка гребня до проектной отметки с перемещением грунта в боковые отсеки, при котором происходило отжатие илов за пределы сооружения. Откосы плотин отсыпались с заложением т=5+6. Опыт строительства описанных плотин показал, что при двухстадийном интенсивном строительстве земляных плотин обеспечиваются отжатие слабых разностей илов и последующая более быстрая консолидация основания сооружений (осадка прекратилась через год после окончания строительства).
Значительно раньше (в 1956 г.) построена и много лет нормально эксплуатируется плотина Каховской ГЭС на толще илов до 8 м. Намывная песчаная плотина имеет довольно распластанный профиль (рис. 10.14), в процессе эксплуатации наблюдались значительные осадки, однако без всяких повреждений.
Рис. 10.14. Плотина Каховской ГЭС.
1 — мелкозернистый песок; 2 — каменный банкет; 3 — крепление железобетонными плитами; 4 — дренажный банкет; 5 — наброска несортированного камня; 6 — песок; 7 — илы; 8 — песок.
В зарубежной гидротехнической практике в аналогичных условиях обычно пронизывают основание множеством песчаных свай для ускорения уплотнения грунтов (консолидации) с повышением характеристик сопротивляемости сдвигу и пр. Примерами таких решений являются плотина Дервент (Англия), плотина Саури (Япония) и др.
Отечественная практика строительства плотин на слабых грунтах для образования прудов-охладителей ТЭС показывает, что в ряде случаев можно не прибегать к искусственному уплотнению оснований плотин (песчаные сваи и др.), удорожающему строительство и удлиняющему его сроки, а осуществлять строительство при одновременном контроле за состоянием грунтов основания. В процессе нагружения происходит отжатие воды из пор водонасыщенных грунтов, что приводит к повышению их характеристик сопротивляемости сдвигу и, следовательно, прочности основания. Это упрочнение происходит быстрее, если в основании имеются фильтрующие прослойки грунтов, связанные геометрически с нижним бьефом. Однако наличие таких прослоек грунтов (особенно если они тонкие) очень трудно вскрыть инженерно-геологическими изысканиями, и поэтому остается неясным вопрос о скорости отжатия поровой воды (скорости консолидации основания). Именно эти соображения и кладутся в основу строительства плотин на слабых грунтах «под защитой наблюдений». Примерами таких решений являются строительство и многолетняя благополучная эксплуатация плотин прудов-охладителей Углегорской и Воронежской ГРЭС.
Крепление напорных откосов
Затраты на строительство сооружений инженерной защиты, в том числе на берегоукрепления, имеют обычно значительный удельный вес в общих расходах по устройству водохранилищ. Так, на Куйбышевском водохранилище эти затраты составили 35%; на Волгоградском — 30%; на Горьковском — свыше 50%; на Саратовском — 40%; на Каховском — 55%, причем из общей суммы затрат на инженерную защиту большая часть (около 35—40%) расходуется непосредственно на крепления откосов грунтовых гидротехнических сооружений и укрепление берегов водохранилищ.
Для защиты напорных откосов грунтовых плотин от воздействия воды и льда применяются различные типы крепления. Для плотин, расположенных в водохранилищах, где возможно образование ветровых волн значительной высоты (2,5 м и более) наиболее надежным видом крепления являются железобетонные монолитные плиты, толщина которых определяется в зависимости от высоты волны и размеров плиты в плане. На построенных в Советском Союзе плотинах применены плиты толщиной от 20 до 50 см и размерами в плане от 5X10 до 15X20 м. Плиты обычно укладываются на подготовку из щебня или гравия с устройством ленточных фильтров (Каховская ГЭС, Иркутская ГЭС) или сплошную однослойную подготовку из гравийно-песчаной смеси, выполняющую роль фильтров.
На плотине Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС отказались от фильтровых подготовок под швами и перешли на водонепроницаемое уплотнение швов с помощью специальных резиновых прокладок, закладываемых в плиты при бетонировании. На Шекснинской плотине Рыбинской ГЭС и на Новосибирской плотине плиты крепления были фильтров под швами. Состояние плит на указанных плотинах после многолетней эксплуатации не внушает каких-либо опасений. Дальнейшее развитие примененная на Новосибирской ГЭС конструкция крепления получила на опытном участке дамбы волнолома Каховского водохранилища, грунтовой плотине Плявинской ГЭС, а также плотинах и дамбах Рижской ГЭС. На Рижском гидроузле применено в большом объеме (более 52 тыс. м2) бесфильтровое крепление. При расчетной высоте волны 2,0 м крепления имеют размеры в плане 10X15 и 14Х Х15 м при толщине 0,2 м. Прокладки под швами и противофильтрационные шпонки устраивались из сборных железобетонных плиток. В качестве противосуффозионных шпонок были использованы деревянные доски. Однако следует отметить, что применение бесфильтрового крепления должно быть обосновано в каждом конкретном случае.
Подача бетона в монолитные плиты обычно производится с помощью самосвалов, а выравнивание поверхности уложенного бетона — бульдозерами, лебедками и вручную с помощью шаблонов. На большинстве плотин поверхность плит зачастую неровная, иногда грубошероховатая, что может способствовать разрушению поверхности плит. На плотине Днепродзержинской ГЭС был испытан укладчик бетона на рельсовом ходу конструкции института «Оргэнергострой», с помощью которого производилась как отсыпка на грунт гравийной подготовки, так и укладка бетона в плиты крепления. Качество бетона при механизированной укладке было вполне удовлетворительное, а поверхность плит более ровная по сравнению с ручной укладкой. Это подтверждено и укладкой бетона на верховые откосы грунтовых плотин Братской и Усть-Илимской ГЭС.
Примером применения различных типов крепления напорных откосов грунтовых плотин, выбранных на основе технико-экономических расчетов, является Каневская ГЭС с грунтовыми плотинами однородного распластанного профиля. На пойменных и русловом участках верховой откос в зоне наката волны имеет заложение 1:4 и укреплен железобетонными плитами, уложенными по однослойной фильтровой подготовке. Ниже основного крепления неразмываемость поверхности откоса обеспечивается пологостью откоса, выполненного с заложением 1:45. Верховой откос террасной плотины и у примыкания к правому берегу выполнен с заложением 1:45—1:50 и защищен биологическим креплением.
Опыт эксплуатации креплений напорных откосов земляных сооружений на гидроузлах, построенных в СССР, показал надежность их работы при правильном выборе типов креплений, в частности, крепление напорного откоса каменной отмосткой не рекомендуется.
Пропуск строительных расходов
В значительной мере общую схему организации строительства, стоимость и конструктивное решение грунтовой плотины определяют вопросы пропуска расходов реки в период строительства. Отвод расходов реки в строительный период осуществляется: строительными туннелями с частичным использованием их как водосбросных сооружений и донных водоспусков (Нурекская плотина — 3 туннеля по 11,5Х10,0 м, Чарвакская и др.); донными галереями и деривационными водоводами (Мингечаурская ГЭС); открытым каналом (Вилюйская ГЭС), выполняющим иногда функции подвода и отвода воды к зданию ГЭС (Асуанская плотина); через проран или секции бетонной плотины с устройством туннеля или строительной трубы для отвода только меженных расходов; водопропускными отверстиями, рассчитанными на меженные расходы, и с затоплением плотины при пропуске паводков первою или второго года строительства (Усть-Хантайская ГЭС). Донные галереи в виде четырех многопролетных железобетонных рам (7,3х 10,0 м) были применены на строительстве Мингечаурской плотины. По сравнению со строительным открытым каналом (Вилюйская плотина), требующим, как правило, закрытия его зимой, более удачным решением является строительная труба-канал, примененная, например, на строительстве плотины Серебрянской ГЭС I, пропускная способность которой была ограничена 1100-1200 м3/с.
Для сокращения затрат, связанных с отводом реки в период строительства грунтовых плотин, может быть принята такая схема пропуска строительных расходов, при которой водосбросные сооружения предусматриваются только на пропуск меженных расходов реки и небольших, часто повторяющихся паводков, а пропуск высоких, сравнительно кратковременных паводковых расходов обеспечивается путем отвода их через основное русло реки, т. е. через недостроенную плотину, через гребни перемычек с временным затоплением котлована. Так, на строительстве Токтогульской ГЭС был применен перелив паводка через грунтовую перемычку с бетонным водосливом быстротоком по низовому откосу на промежуточной отметке. Это позволило уменьшить размеры водоотводящих туннелей. Возведение перемычки осуществлялось при этом в две очереди при увеличении ее общей высоты. Успешный пропуск паводка на Токтогульской ГЭС позволяет рекомендовать этот способ для других объектов, особенно при строительстве каменнонабросных плотин, где перемычки входят, как правило, в состав тела плотины.
Пропуск паводка через недостроенные плотины или перемычки требует специального крепления гребня и низового откоса сооружения. Наибольшее распространение получило крепление из камня и габионов, применяется также укрепление камня армосетками, омоноличивание отдельных участков в виде продольных и поперечных балок, а также крепление из монолитного и сборного железобетона.
Впервые в отечественной и мировой гидротехнической практике на опытном участке Днепрогэс II был осуществлен (по проекту Запорожской ГРП Укргидропроекта) опытный пропуск воды через плотину с креплением из сборных клиновидных железобетонных элементов при их свободной ступенчатой укладке, образующей повышенную шероховатость откоса-быстротока. Наличие дренажных отверстий позволило обеспечить гидродинамическую пригрузку крепления потоком. Для повышения устойчивости крепления в условиях неравномерности осадок, его плиты рекомендуется снабжать гибкими шарнирными связями, допускающими линейные и угловые перемещения.
