3-3. УКРЕПЛЕНИЕ СКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ ПЛОТИН
При возведении плотин на скальном основании всегда возникает необходимость в проведении следующих работ:
уплотнении грунтов основания плотины для обеспечения требуемой водонепроницаемости;
укреплении поверхностной зоны подошвы зуба, экрана или ядра для обеспечения необходимого контакта со скальным основанием.
Укрепительная цементация выполняется в пределах подошвы ядра или периметра зуба, чтобы восстановить монолитность скалы, нарушенной при выемке котлована или разуплотнившейся в результате произведенной выемки (такое разуплотнение скального основания произошло на строительстве плотины Мессауре). Поэтому нельзя цементировать основание до его загружения первоначальной нагрузкой.
Укрепительной цементацией уплотняют отдельные поверхностные трещины, чем предотвращается неравномерная осадка бетонных блоков зуба и обеспечивается контакт бетона или ядра со скалой.
Когда основание не имеет достаточной перегрузки, укрепительную цементацию обычно выполняют под низким давлением (200— 300 кПа). Если укрепительную цементацию производят из цементационных штолен, как это делалось на плотинах Маттмарк и Серр- Понсон, то допускают и более высокое давление.
При выполнении противофильтрационной завесы следует предусматривать местное ее усиление, назначая дополнительные ряды неглубоких скважин.
Эти скважины цементируют одновременно с выполнением укрепительной цементации. Такое мероприятие должно предотвратить фильтрацию в зоне наибольших градиентов фильтрационного потока.
Сопряжение завесы с телом плотины осуществляется в виде небольшого заглубления подошвы плотины в скальное основание. Если поверхностный слой подготовленного основания по своей трещиноватости не отличается от нижележащего грунта, то такого заглубления делать не следует.
Укрепительную цементацию производят с уложенного бетона зуба, с бетонной подготовки, сделанной по подошве ядра, из цементационных галерей или штолен.
Наиболее рациональной подготовкой котлована ядра плотины, предшествующей укрепительной цементации, является покрытие его стенок и дна шприц-бетоном, как это выполнено на береговых частях Высотной Асуанской плотины, для которой основанием являются среднетрещиноватые граниты и гранитогнейсы, среди которых имеются и слабые породы (пегматиты с чередованием биотитовых гнейсов), а также зоны тектонически нарушенных и выветрелых пород. Такие зоны расчищали и заделывали бетоном, а после этого всю поверхность покрывали слоем шприц-бетона толщиной 0,1 м и проводили поверхностную цементацию основания. Такая цементация обычно ограничивается глубиной 6—10 м и производится под низким давлением в зависимости от сохранности пород.
Противофильтрационная завеса в основании устраивается в следующих целях:
уменьшения потерь воды на фильтрацию до практически допустимых величин;
уменьшения скоростей фильтрации воды и предотвращения химической и механической суффозии грунтов в основании плотины;
снижения высоты выклинивания депрессионной поверхности обходного потока фильтрации на склонах за плотиной;
более благоприятного распределения сил статического и гидродинамического воздействия фильтрационного потока на грунты основания плотины;
обнаружения и ликвидации дефектов основания, не выявленных в процессе инженерногеологических изысканий.
Уменьшение скоростей фильтрации воды в основании плотин имеет особое значение для пород, трещины которых заполнены глинистым заполнителем, поскольку размыв такого заполнителя можно привести к значительному увеличению фильтрации воды в основании плотины.
Выклинивание фильтрационного потока на береговых склонах может нарушить их устойчивость. Для снижения депрессионной поверхности и противодавления на береговых склонах наиболее эффективно устройство дренажа, как выполнено в основании плотины Беннет, или дренажной завесы на плотине Инфернильо. В этих случаях цементационная завеса на береговых склонах облегчает работу дренажа.
Для устройства противофильтрационной завесы в трещиноватых грунтах могут быть применены следующие методы: цементация, битумизация и глинизация. В некоторых случаях может оказаться целесообразным комбинированное применение перечисленных способов; например, битумизация с последующей цементацией более тонких трещин была применена в 1953 г. на строительстве Мингечаурской плотины высотой 80,0 м для устройства противофильтрационной завесы глубиной до 30 м и площадью около 24 тыс. м2. Основанием этой плотины являются переслаивающиеся трещиноватые песчаники и мергели. Из-за высокой минерализации грунтовых вод и их агрессивности одной только цементации оказалось недостаточно, а потому завесу выполнили комбинированной в виде верхового ряда битумизационных скважин и низового ряда цементационных.
Расширение области применения методов закрепления грунтов и пород невозможно без освоения растворов повышенной проницаемости и подвижности, обладающих минимальной вязкостью. В СССР в настоящее время проводятся работы по производственному освоению коллоидных растворов (на базе карбомидных и эпоксидных смол).
В зарубежной практике такие растворы пока не находят применения из-за высокой их стоимости.
Для плотин с напором до 50 м с учетом инженерно-геологических условий и техникоэкономических обоснований можно применять любой из указанных выше видов противофильтрационных завес. Для более высоких плотин в качестве основного вида завес (при отсутствии противопоказаний) предпочтительней применять чисто цементные и глиноцементные противофильтрационные завесы.
Применение цементации для создания противофильтрационных завес в трещиноватых грунтах возможно при следующих условиях: если раскрытие уплотняемых трещин в водоустойчивых скальных породах больше 0,1 мм;
если действительные скорости грунтовых вод в цементируемой зоне не превышают 7·10-1 см/с (при более значительных скоростях возможность цементации должна быть установлена на основании опытных работ);
если грунтовые воды не являются агрессивными в отношении цементов, применяемых для цементации.
Необходимость и целесообразность устройства противофильтрационной завесы устанавливают при составлении проекта на основе данных инженерно-геологических изысканий, опытных откачек и нагнетаний воды в скважины, а в сложных геологических условиях — по результатам опытной цементации пород, залегающих в основании плотины. При проектировании поверхностной цементации и противофильтрационных завес следует руководствоваться СНиП Ш-Б.5-62 и «Указаниями по проектированию противофильтрационных цементационных завес в скальных основаниях бетонных плотин» ВСН-08-65 Минэнерго СССР.
Глубина противофильтрационной завесы назначается в зависимости от фильтрационных свойств грунтов основания плотины и колеблется обычно в пределах (0,5-1,0) Н. Во всех случаях противофильтрационная завеса должна несколько врезаться в водоупорные породы или заканчиваться в породах, характеризующихся удельными водопоглощениями не более 0,01—0,05 л/мин, в зависимости от требований, предъявляемых к удельному водопоглощении) в завесе.
В зоне самой противофильтрационной завесы должно достигаться уменьшение водопроницаемости грунтов основания в зависимости от напора Н на плотину до следующих удельных поглощений: при Н=30 м до 0,05 л/мин; при 30<Н<100 м до 0,03 л/мин и при Н>100 м до 0,01 л/мин.
Для контроля качества выполнения противофильтрационной завесы контрольными скважинами определяют удельное поглощение. Таких скважин должно быть не менее 10% общего их числа. При отсутствии опытных данных при равномерно распределенной трещиноватости грунтов основания и удельных водопоглощениях пород от 0,01 до 5 л/мин расстояния между скважинами можно принимать равными 2—4 м.
При устройстве завесы, состоящей из нескольких рядов скважин, нет необходимости сохранять проектную толщину завесы по всей ее глубине, так как градиент напора и трещиноватость обычно уменьшаются с глубиной. Толщина завесы (число рядов скважин) зависит от свойств грунтов и определяется значением допустимого градиента фильтрации на завесе, которое не должно превышать 10 при удельном поглощении не более 0,5 л/мин и 20 при поглощении не более 0,01 л/мин.
Расстояние между скважинами в завесе определяется последовательным сближением. Скважины первой очереди проходят обычно через 10—12 м, и требуемой плотности удается достигнуть двумя-тремя очередями, сближая их до 5—4 м и затем до 2,5—2 м. Дальнейшее сближение скважин является нерациональным, и для достижения требуемой плотности завесы следует переходить на двух- или многорядную завесу.
Скважинам завесы придают такое направление, чтобы пересечь ими большее количество трещин и контактов напластования пород.
Для цементации скальных пород применяют два вида растворов:
стабильные с добавлением 10% глин для участков с водопроницаемостью более 10 единиц Люжона (10 л/мин на 1 м при давлении 1 МПа);
нестабильные с цементноводным отношением 1,8—1,5 для участков с водопроницаемостью менее 10 единиц Люжона.
Цементацию основания плотины Греу, представленного сильнотрещиноватыми известняками, частично мергелизированными, выполняли по следующей технологии: зоны с мелкой трещиноватостью цементировали нестабильными растворами, а зоны с большой водопроницаемостью (тектонические зоны и широкие трещины с глинистым заполнителем) тампонировали раствором глины, песка и цемента последовательными фазами с 12-часовыми перерывами.
Для устройства противофильтрационных завес обычно применяют сложные цементно-глинистые растворы с пластифицирующими добавками. Такие растворы позволяют увеличивать расстояния между скважинами, они обладают значительно меньшей водопроницаемостью, чем чисто цементные растворы, и обеспечивают не менее 35% экономии цемента на инъекционных работах.
Цементно-глинистые растворы с содержанием 5—6% глины применяют при цементации скальных пород, а с более значительным ее содержанием — при цементации аллювиальных отложений. Для противофильтрационных завес плотин, построенных в зонах развитого карста Югославии, применяются только тиксотропные растворы, в которых содержится 30% цемента и 70% глины с добавкой бентонита. Глубина таких завес, например, на плотине Рама достигает 195 м, или 2Н.
Для приготовления и инъектирования таких растворов рекомендуется применять высокоскоростные растворомешалки, вибропомольные установки и высоконапорные насосы. Для бурения цементационных скважин в скале применяют станки вращательного бурения скважин диаметром 76—56 мм и меньше. В плотинах с ядром, чтобы не задерживать работы по насыпи ядра, завесу выполняют из цементационной галереи, устраиваемой по подошве ядра (Чарвакская плотина), или из цементационной штольни под ядром (плотины Гешёненальп и Чикоасен).
На береговых склонах, особенно крутых в узких каньонах, противофильтрационную завесу выполняют из цементационных штолен (плотина Инфернильо), чтобы уменьшить глубину холостого бурения и повысить качество завесы. Для этих же целей используют также строительные туннели и туннельные водосбросы в зоне их пересечения завесой. Размеры цементационных штолен и галерей назначают, сообразуясь с габаритами буровых станков: обычно диаметр штолен принимают равным 3,0—3,5, а галерей — 3,5—5,0 м.
Цементационные галереи и штольни могут быть использованы для повторной цементации, если необходимость в этом возникнет в процессе эксплуатации плотины, а также для наблюдений за работой основания плотины.
Необходимость устройства цементационной галереи или штольни определяется проектом с учетом в первую очередь производственных условий, т. е. необходимости выполнения противофильтрационной завесы одновременно с насыпью плотины. При этом, однако, следует помнить, что устройство цементационной галереи по подошве или в теле ядра плотины (Высотная Асуанская плотина) сдерживает развитие работ по насыпи плотины. Если необходимость постройки такой галереи диктуется только условиями выполнения завесы, то в этом случае следует рассматривать вопрос об устройстве для этого цементационных штолен. Судя по дискуссии, развернувшейся на X Конгрессе по большим плотинам 1970 г., все больше признается целесообразным устройство таких галерей или штолен как инспекционных для наблюдений за работой плотин. В ряде случаев такие галереи и штольни могут быть и дренажными (плотины Хольес и Видра). Поэтому вопрос о необходимости устройства галерей по подошве плотин определяется проектом с учетом инженерно-геологических условий основания, производственных и эксплуатационных соображений.
При строительстве плотин на вечномерзлых грунтах с допущением оттаивания во время эксплуатации (Вилюйская и Усть-Хантайская) устройство цементационной галереи является обязательным. В других условиях при решении этого вопроса следует учитывать и задержки в развитии работ по плотине, вызванные необходимостью постройки цементационной галереи. На строительстве Вилюйской плотины цементационная галерея в русле была выполнена за один зимний сезон, в то время как на строительстве Чарвакской плотины неготовность котлована под ядро и цементационную галерею на береговых склонах постоянно задерживала работы по отсыпке плотины.
На ряде плотин (Гешёненальп, Летси, Маттмарк, Серр-Понсон и др.) цементация выполнялась из цементационных штолен, пройденных по периметру основания плотин. На рис. 3-10 изображен разрез по оси плотины Серр-Понсон с противофильтрационной завесой в аллювиальной толще русла площадью 4,2 тыс. м2 и в скале береговых склонов площадью 90 тыс. м2. Первую выполняли из котлована плотины до начала работ по возведению ядра, вторую — из цементационной штольни во время возведения насыпи.
Рис. 3-10. Противофильтрационная завеса и поверхностная цементация основания плотины Серр-Понсон.
1 — цементационная штольня на отм. 780.0 м, 2 — подземное здание ГЭС; 3 — дренажная галерея; 4 — геологический сброс; 5 — противофильтрационная завеса в аллювии русла; 6 — строительные туннели; 7 — водосбросный туннель; 8 — противофильтрационная завеса в скале, выполненная из цементационных штолен; 9 — поверхностная цементация, выполненная из цементационных штолен.
