3-2. ПОДГОТОВКА СКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ И СОПРЯЖЕНИЕ С НИМ ПЛОТИНЫ
При наличии небольшой мощности аллювиальных отложений последние в пределах котлована полностью или частично удаляются, а противофильтрационные устройства плотин сопрягаются со скальным основанием. По такой схеме (схема 5 — см. § 3-1) выполнена подготовка большинства построенных плотин.
В створе строящейся в США плотины Кохити мощность аллювиальных отложений изменяется от 0 до 60 м. До относительно небольшой глубины залегания скалы аллювий убирается в открытом котловане, при больших глубинах залегания оказалось целесообразнее сопряжение плотины с основанием выполнить понуром.
При расположении противофильтрационных устройств каменно-земляной плотины на скале, прикрытой аллювиальными отложениями, требуется выполнение выемки котлована под защитой водоотлива и обратное заполнение его грунтом, уплотненного укаткой. Четких рекомендаций по выбору сопряжения со скальным основанием в открытом котловане противофильтрационной стенки или завесы не существует. Например, для каменно-земляной плотины Лоуэр Ночь высотой 51,8 м, построенной в Канаде, оказалось целесообразным толщу водопроницаемых грунтов в 69,0 м прорезать открытым котлованом и ядро плотины расположить на скале (рис. 3-2). Толща наносов состоит из валунной глины 7,5 м, мелкозернистых песков с прослойками ила 45,0 м, подстилаемых 16,5-метровым слоем песчано-гравелистых грунтов с включением валунов. Такой глубокий котлован был пройден под защитой ограждающих перемычек и грунтового водоотлива с расходом всего 420 л/мин.
Рис. 3-2. Плотина Лоуэр Ночь.
1 — песчано-гравелистые грунты с включением валунов; 2 — мелкозернистые заиленные пески; 3 — ледниковые и аллювиальные· отложения; 4 — скала; 5 — ядро из моренных грунтов; 6 — бетонная плита; 7—переходные зоны; 8 — каменная отсыпка; 9 — перемычки с понурами; 10 — колодцы грунтового водопонижения.
Ядро плотины Майка высотой 243,8 м, построенной на р. Колумбии в Канаде в 1973 г., основано на скале, для чего в русловой части был пройден котлован в аллювиальных и ледниковых отложениях глубиной 46,0 м. При строительстве плотины Кебан высотой 207,0 м на р. Евфрат в Турции котлован под ядро в аллювиальных отложениях глубиной 40 м пройден под защитой противофильтрационных стенок, которыми перерезана вся толща аллювия под перемычками, ограждающими котлован.
Рис. 3-3. Плотина Доспат.
1 — ядро из суглинка; 2 — фильтры; 3 — каменная отсыпка; 4 — сухая кладка слой 0,8 м; 5 — отвалы; 6 — низовая перемычка; 7 — противофильтрационная завеса; 8 — бетонная плита; 9 — цементационная галерея; 10— аллювий; 11 — риолиты.
Рис. 3-4. Плотина Шанце.
1 — экран из глины; 2 — гравийно-песчаная смесь (83%<30 мм, 17%<2,5 мм); 3 — гравийно-галечниковая смесь; 4 — каменная наброска с включением мелочи; 5 — каменная наброска; 6 — бетонная плита и цементационная галерея; 7 — скважины поверхностной цементации; 8 — скважины глубокой цементации; 9 — аллювий; 10 — песчаники, известняки и глинистые сланцы.
Из приведенных примеров видно, что в каждом отдельном случае задача сопряжения ядра или экрана решается не глубиной котлована, а объемом удаляемых грунтов, их характером и водопроницаемостью. На построенных и строящихся в Югославии плотинах русловой аллювий прорезан зубом или удален под ядром и оставлен под призмами, а в Румынии для таких же плотин аллювий полностью удален по всей подошве.
Необходимость удаления аллювия в русле и делювия на береговых склонах (в пределах всей подошвы плотины) определяется проектом в зависимости от вида и характера этих грунтов.
Прикрывающие скальное основание наносные грунты, которые по своей сдвиговой прочности снижают устойчивость проектного профиля плотины и увеличивают ее деформацию, должны быть удалены. Грунты, не оказывающие отрицательного влияния на устойчивость и деформацию плотины, могут быть оставлены. Так же была выполнена подготовка основания и сопряжения противофильтрационных конструкций и тела большинства построенных плотин; типичными примерами этого являются плотины Доспат (рис. 3-3) и Шанце (рис. 3-4) высотой по 64,0 м, построенные соответственно в 1967 и 1968 гг. По подошве плотины Доспат удалены все наносные отложения, а по подошве Шанце — только в пределах котлована экрана.
При строительстве плотин на скальном основании в пределах котлована ядра или экрана удаляются наносные отложения в русле и на береговых склонах, а также разрушенная выветриванием скала. Все тектонические зоны и трещины, обнаруженные в котловане, расчищаются и заделываются бетоном.
Особого внимания требует подготовка котлована на береговых склонах, особенно крутых. Очертание котлована ядра вдоль оси плотины оказывает значительное влияние на его напряженное состояние.
На ряде плотин отмечались поперечные трещины на гребне плотины, чему помимо других факторов способствовали крутые и обрывистые склоны в береговых примыканиях плотины. Поэтому там, где это возможно, следует избегать примыканий ядра плотины к таким склонам.
В ряде случаев (плотины Нурекская и Беннет) удавалось крутые участки склонов уположить. Однако ряд построенных плотин имеют примыкания к крутым береговым склонам, как, например, Чикоасен — 250,0 м, Такасэ — 176,0 м, Фурнас—130,0 м, Амбуклао—131,0 м, Нанакура — 125,0 м и Утард 4 — 122,0 м.
Створ плотины Утард 4, как это видно из рис. 3-5,а, характеризуется пологим правобережным склоном с уклоном около 1:4 и обрывистым левобережным, к которому примыкает ядро плотины (рис. 3-5,б). В проекте плотины Утард 4 были предусмотрены мероприятия по предотвращению трещинообразования в ядре в зоне такого примыкания.
Некоторые из указанных выше плотин построены в сейсмических районах, но они в течение длительного срока работают надежно, хотя в их ядрах при таких сопряжениях с бортами должны быть зоны предельного равновесия.
Возможно, в таких зонах и были трещины, но вследствие пластичности грунтов они закрылись и остались необнаруженными. Последнее является весьма существенным фактором для таких плотин. Однако при подготовке котлована на береговых склонах необходимо по возможности их выравнивать и удалять нависающие обрывы.
В ряде случаев, когда русло реки проходит в узком каньоне, целесообразно закрыть такие сужения бетонными пробками. Бетонные пробки под ядром выполнены на Нурекской и Чарвакской плотинах.
Основанием Нурекской плотины являются переслаивающиеся пачки песчаников и алевролитов с падением их в сторону водохранилища. Береговые склоны прикрыты делювиальными отложениями мощностью до 25,0 м, а русло — аллювиальными до 16,0 м. Подготовка котлована под плотину в пределах ядра сводилась к выравниванию склонов, удалению аллювиальных отложений в русле и делювиальных отложений на склонах разрушенной и трещиноватой скалы на глубину до 20,0 м с покрытием выходов в котловане алевролитов шприц-бетоном (рис. 3-6).
Рис. 3-5. Плотина Утард 4.
а — план гидроузла; 1 — перемычка; 2 — строительный туннель, 3 — водоприемник; 4 — подводящий канал; 5— водоводы; 6 — здание ГЭС; 7 — отводящий канал; б — примыкание ядра плотины к левобережному склону: 1, 2 — сечения ядра; 3 — контуры бетонной плиты на склоне; 4 — бетонная плита; 5 — ядро; 6 — гребень плотины, 7 — скала (габбро).
Рис. 3-6. Покрытие шприц-бетоном алевролитов в котловане Нурекской плотины.
По подошве ядра была произведена поверхностная цементация на глубину от 4,0 до 8,0 м с устройством противофильтрационной завесы глубиной от 40,0 до 110,0 м. Все цементационные работы проводились из трех цементационных потери в русле, а на береговых склонах — из штолен. В котловане боковых призм удалялись только делювиальные скопления. Объем выемки котлована 2737 тыс. м3, в том числе скалы 1000 тыс. м3.
Рис. 3-7. Бетонная пробка в основании ядра Нурекской плотины.
1 — лево- и правобережные цементационные галереи 3,0х3,0 м; 2 — бетонная пробка; 3 — граница поверхностной цементации; 4 — граница двухрядной цементации; 5 — граница глубинной цементации; 6 — естественная поверхность до вскрытия котлована; 7 — пачка алевролитов; 8 — пачка песчаников.
Каньонообразная часть русла закрыта бетонной пробкой (рис. 3-7) высотой 22,0— 33,0 м, от которой на склоны отходят цементационные галереи, переходящие в штольни. Бетонной пробкой удалось выровнять подошву ядра в пределах всего ущелья и улучшить условия его работы.
Основанием Чарвакской плотины служат смятые в сложную синклинальную складку слоистые известняки, трещиноватые и сильно разрушенные, особенно на левобережном склоне, где они переходят в каранкулиты. Подготовка котлована под плотину в пределах ядра сводилась к удалению аллювиальных отложений в русле и делювиальных отложений в пределах береговых террас и склонов, а также разрушенной и сильно трещиноватой скалы и зон развитого карста с выполаживанием склонов каньонообразного русла, которое закрыли бетонной пробкой высотой 14,0 м, что позволило уменьшить высоту ядра плотины до 153,0 м. По подошве ядра была произведена поверхностная цементация на глубину 10,0— 12,0 м и из цементационной галереи устроена противофильтрационная завеса глубиной 60 м.
По подошве боковых призм были удалены делювиальные отложения (рис. 3-8).
Для обеспечения хорошего контакта между ядром и скальным основанием все неровности дна и боковых стенок котлована выравниваются бетоном пли покрываются шприц-бетоном . Эти меры также защищают от выветривания породы (алевролиты, аргиллиты, глинистые сланцы), не допускающие их соприкосновения с воздухом и водой, и уменьшают расход цементного раствора при производстве цементационных работ.
В проекте котлована должны быть указаны углы наклона к горизонту бортовых примыканий после отработки котлована ядра в грубых контурах, установлено состояние и качество скалы в пределах вскрытого котлована; выявлены участки поверхностей скальных пород, выветривающихся при их обнажении.
В зависимости от этого назначаются соответствующие мероприятия по обработке скальной поверхности котлована [Л. 54]: выравнивание скальной поверхности, зачистка поверхности, заделка трещин и отдельных углублений, покрытие отдельных участков или всей площади котлована цементным раствором или шприц-бетоном, укладка (в отдельных случаях) бетонной плиты.
После выравнивания скальной поверхности и устранения ее дефектов котлован зачищается щетками, промывается водой и продувается воздухом. В случае сильнотрещиноватой скалы с разломами и сбросами такие зоны тщательно расчищаются и заделываются бетоном или шприц-бетоном, а также покрываются торкретом или цементным раствором. Для лучшего схватывания цементные растворы должны наноситься на тщательно очищенную и влажную поверхность.
Рис. 3-8. Вид котлована ядра Чарвакской плотины с правого берега.
Для цементных растворов обычно принимают состав 1 : 2 или 1 : 3, а для торкрета 1:3,5. На крутых участках торкретирование производится слоями не более 2,5 см, а на пологих — до 7,5 см.
Когда вскрываемые породы быстро выветриваются и разрушаются под действием воздуха и особенно воды (алевролиты), их следует немедленно покрывать жидким цементным раствором, асфальтом или асфальтовой эмульсией и, если возможно укладывать насыпь.
Как пример можно привести подготовку трещиноватой скальной поверхности на строительстве плотины Тальбинго (см. рис. 4-1): после зачистки основания на участке переходных зон и упорных призм трещины шириной более 30 см, заполненные рыхлым грунтом, расчищались на глубину, равную их ширине, и заполнялись гравийным материалом фильтра с укаткой. На участке ядра все трещины шириной более 1,2 см расчищались на такую же глубину и заделывались бетоном или затирались цементным раствором. Две большие трещины на русловом участке шириной от 10 до 60 см, заполненные глинистым и обломочным материалом, расчищались на глубину 1,8 м с уположением стенок до 1 : 1, а затем заделывались бетоном. Трещины шириной около 10 см в русловом и правобережном склоне нельзя было очистить гидромонитором, поэтому скалу покрыли торкретом и понуром по всему склону. Такие понуры, усиливающие фильтрационную прочность ядра в зоне примыкания к тектонически нарушенным склонам, были применены на плотинах Фурнас и Гури.
Контактная зона сопряжения насыпи ядра с основанием является слабым местом, так как при производстве работ по укладке и уплотнению грунта, особенно в узких каньонах, не всегда достигается требуемая плотность насыпи, качественное выполнение площадной цементации и пр. Поэтому сопряжению противофильтрационных частей плотины с основанием должно уделяться особое внимание. Грунт в контактной зоне должен обладать высокой фильтрационной прочностью, способностью самозалечивать трещины в ядре и кольматировать их в скале. Поэтому глинистые грунты (глины, пылеватые суглинки с коэффициентом разнозернистости меньше 10) в контактные зоны без надлежащего обоснования не допускаются. При отсутствии на месте работ, пригодных для укладки в контактные зоны грунтов, следует искусственно приготовлять грунтовые смеси, которые по своему гранулометрическому составу обладают фильтрационной прочностью.
Экран плотины Мон-Сени выполнен из крупнообломочного грунта с супесчаным заполнителем, в котором камень крупнее 150 мм удален. Приконтактная зона выполнена из слоя пластичной иловатой глины, в которую втоплен грунт экрана.
В приконтактной зоне плотины Кокин Брод уложен слой жирной глины по подошве всей водоупорной призмы, выполненной из известняковых сланцев, благодаря чему развита и длина контактной фильтрации.
Сопряжение экрана из негрунтовых материалов с основанием каменнонабросных плотин достигается бетонным зубом, который выполняют из плотного бетона повышенной марки. Чтобы избежать образования в бетоне трещин из-за неравномерных деформаций основания и усадочных явлений, его армируют. Это не избавляет от появления мелких волосяных трещин, но они обычно кольматируются (самозалечиваются). За счет уширения зуба устраивают цементационные галереи.
Примером подготовки скального основания в сложных геологических условиях могут служить большинство югославских плотин, а также японская плотина Минасэ высотой 65,0 м с железобетонным экраном (рис. 3-9). Все выходы аргиллита в котловане зуба закрыты торкретом по сетке: на горизонтальных участках слоем щебня 0,5 м, а на крутых склонах — бетоном.
Трещиноватую и разрушенную скалу обычно удаляют только в пределах котлована зуба и подошвы ядра, не допуская дополнительного ее нарушения при производстве взрывных работ.
В котловане низовой призмы в зависимости от характера оставляемых грунтов проектом решается вопрос их защиты от размыва или суффозии потоком воды, фильтрующей через плотину и основание. Если скальное основание в русловой части плотины покрыто толщей наносных отложений, то в зависимости от характера грунтов, их водопроницаемости и мощности работы по подготовке основания могут вестись либо в открытом котловане при сопряжении противофильтрационных устройств плотины с помощью бетонного зуба или насыпи из маловодопроницаемого грунта, либо без вскрытия котлована — с устройством противофильтрационной стенки-диафрагмы.
Сопряжения экрана плотины Браунли высотой 94,6 м со скальным основанием выполнены в открытом котловане, а сопряжения ядра плотины Свифт высотой 156,0 м — грунтовым зубом глубиной 30,0 м, при этом переуглубление в скальном основании закрыто противофильтрационной стенкой (бетонной и из стального шпунта).
Рис. 3-9. Развернутый разрез по зубу плотины Минасэ. Детали сопряжения с берегом и подготовки котлована. 1 — железобетонный экран; 2 — туфовый песчаник; 3 — аргиллиты; 4 — каменная наброска; 5 — торкрет по сетке; 6 — бетон; 7 — поверхность земли.
Выполнение бетонной стенки в открытой траншеи и крепление ее шпунтом (плотина Мальпасо) или горным способом (плотина Пиано Палу) нельзя назвать современным, так как эти работы являются трудоемкими и дорогими. Забивка стального шпунта в аллювиальные гравелисто-галечные грунты довольно трудоемка, и, как показал опыт, получить достаточно водонепроницаемую конструкцию невозможно. Чтобы добиться ее водонепроницаемости, иногда применяют двухрядную забивку шпунта с цементацией аллювия между рядами (Иркутская плотина) или с бетонным заполнением межшпунтового пространства (плотина Свифт). Однако такие конструкции являются дорогими и металлоемкими и потому редко применяются. Наиболее прогрессивными являются подземные противофильтрационные стенки-диафрагмы.
