3-4. ПОДГОТОВКА И ЗАЩИТА НЕСКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ ПЛОТИН
Каменно-земляные плотины строят и на нескальных основаниях, представленных толщей проницаемых четвертичных отложений.
В этих случаях водоупор может находиться на досягаемой глубине, и тогда сопряжение ядра или экрана с водоупором может быть выполнено посредством противофильтрационной завесы или стенки-диафрагмы.
Когда мощность проницаемых наносных отложений велика и водоупор находится практически на недосягаемой глубине, сопряжение экрана или ядра плотины осуществляется понуром, выполненным из насыпи малопроницаемых грунтов, и понуром в сочетании с противофильтрационной завесой или стенкой.
Характерным примером такого решения могут быть плотины Тарбела (рис. 3-11) и Маникуаган 3 (рис. 3-12). Коренные породы в створе плотины Тарбела высотой 147,9 м представлены известняками, сланцами и базальтом, в русле они прикрыты толщей аллювия мощностью 180,0 м. На глубине первых 34 м аллювий состоит из песчано-гравелистых и булыжных грунтов, местами заиленных, водопроницаемостью (1-4)х10-2 см/с. Сопряжение плотины с таким основанием выполнено понуром длиной 1738,5 м, являющимся продолжением экрана. Толщина понура по длине изменяется от 15,0 до 1,5 м. В понур уложено 16 млн. м3 глинисто-пылеватого и песчано-гравелистого грунта.
По подошве плотины ниже переходной зоны устроен плоский дренаж, а за плотиной — дренажные скважины и пригрузка.
Рис. 3-11. Плотина Тарбела.
1 — экран с понуром из слабопроницаемых грунтов; 2 — переходная зона из песчаногравелистых грунтов; 3 — отсыпка гравелистых грунтов; 4 — отсыпка легкодренируемых грунтов; 5 — центральная зона из гравийно-галечных грунтов; 6 — низовая призма из галечных грунтов; 7 — наброска камня; 8 —дренажная зона; 9 — дренажные скважины; 10 — дренажная галерея; 11 — толща аллювия 180 м; 12 — перемычка, ограждающая котлован плотины.
Рис. 3-12. Плотина Маникуаган 3.
1 — ядро с понуром из валунной глины; 2 — переходные зоны из сортированного аллювия;
3 — отсыпка из аллювия; 4 — каменная наброска; 5 — дренаж; 6 — пригрузка валунной глиной; 7 — крепление крупным камнем; 8 — двухрядная противофильтрационная стенка из соприкасающихся свай с цементацией аллювия между рядами: 9 — бетонная свайная стенка; 10 — смотровая галерея; 11 — бентонитовая подушка; 12 — аллювий; 13 — скала.
На мощной толще аллювия строится с понуром плотина Маникуаган 3 высотой 108,0 м (рис. 3-12). Как и на Высотной Асуанской плотине, здесь понур в пределах верхового клина перекрывает верховую перемычку и сопрягается с противофильтрационной стенкой перемычки. Второй защитой основания от фильтрации является противофильтрационная стенка глубиной 120 м. За плотиной предусмотрена пригрузка.
В ряде случаев устройство понуров сочетается с противофильтрационными завесами, устраиваемыми в основании плотин. Примером этого являются Высотная Асуанская плотина высотой 110 м (рис. 3-13) и плотина Терцаги высотой 61,0 м (рис. 3-14). Двойная защита основания от фильтрации на Высотной Асуанской плотине обусловлена особой ответственностью этого сооружения.
Для защиты грунтов основания от размыва необходимо устройство специальных покрытий подошвы плотины, а для защиты от суффозии грунтов основания плотины — устройство поверхностного дренажа.
Водонепроницаемые покрытия подошвы плотины выполняются в виде железобетонной плиты или из торкрета. По подошве плотины Пиано Гречи на плотной глине уложена железобетонная плита толщиной 0,25—0,40 м. Чтобы предохранить глину от выветривания, плиту укладывали одновременно с разработкой котлована.
Рис. 3-13. Высотная Асуанская плотина.
1 — ядро из пылеватой глины; 2 — понур из пылеватой глины; 3 — трехслойный фильтр: песок 1,1-1,6 мм, щебень мелкий 5—25 мм, щебень крупный 40—150 мм; 4 — мелкозернистый песок; 5 — крупнозернистый песок; 6 — горная масса; 7 — наброска, замытая песком; 8 — наброска, замытая суглинком; 9 — щебень; 10 — каменная мелочь; 11 — крупный камень; 12 — каменная кладка; 13 — бетонная плита; 14 — противофильтрационная завеса; 15 — глубинный дренаж; 16 — цементационные галереи; 17 — отложение илов; 19 — горная масса; 20 — наброска, замытая песком; 21 — мощение камнем; 22 — песок мелко-, средне- и крупнозернистый; 23 — галька и валуны; 24 — переслаивание супесей, суглинков и песчаников; 25 — магматиты.
В основании плотины Фумэль-Гуэйс глинистые сланцы после пребывания на воздухе в течение 27 ч полностью распадались, а при смачивании водой пучились. Поэтому при строительстве этой плотины сланцы при вскрытии котлована немедленно покрывали слоем торкрета по сетке. В плотинах Пиано-Гречи и Фумэль-Гуэйс устроены дренажи, которыми фильтрующаяся через экран вода собирается и отводится за пределы подошвы.
При возведении плотин на нескальном основании в местах выхода фильтрационного потока устраивают дренажи. Такие дренажи в виде обратного фильтра по подошве являются и подготовкой основания плотины. В ряде случаев дренаж укладывают и за пределами подошвы плотины, там, где ожидают выхода фильтрационного потока. Такой дренаж пригружают отсыпкой водопроницаемого грунта.
Такой фильтр уложен по подошве плотины. Бу-Ханифия, а его состав по рекомендации К. Терцаги подобран с межслойным коэффициентом 4.
Геологические условия подошвы плотины Бу-Ханифия характеризуются наличием отдельных комплексов легко размываемых и вымываемых грунтов. Исходя из этого было признано необходимым всю подошву плотины и русло за плотиной на протяжении 10 м покрыть пятислойным дренажем (рис. 3-15). В пределах подошвы плотины дренаж прикрыт слоем кладки крупного камня на цементном растворе, а за плотиной — плитами. Для отвода воды в пределах фильтра уложена система перфорированных железобетонных труб диаметром 1,15 м. Трубы уложены в специальных углублениях котлована на втором слое песка и засыпаны сверху слоем гравия.
Чтобы сократить путь движения воды по фильтру и обеспечить повышение уровня фильтрационного потока в пределах дренажных труб, параллельно дренажным трубам построены стенки, разделяющие фильтр на отдельные зоны. Кроме того, поскольку возможные зоны насыщения ограничиваются грунтовыми водами, можно контролировать наиболее слабые места и в будущем произвести дополнительную цементацию. Все дренажные трубы выведены в сборную траншею, проходящую параллельно основанию низового откоса. Из сборной траншеи вода поступает в приемную шахту, откуда ее можно перекачивать в водохранилище.
По подошве плотины Берсими высотой 68,6 м, построенной на моренных грунтах, уложен трехслойный дренаж, который является продолжением подэкранового фильтра плотины.
Характерным примером дренирования основания может служить земляная плотина Гардинэ высотой 64,2 м, построенная в 1968 г. в Канаде на толще аллювиальных и моренных отложений мощностью до 35,0 м. Основание плотины сложено разнозернистыми чистыми и заиленными песками с прослойками илов и глины. Сопряжение плотины с основанием достигается понуром длиной 366,0 м и толщиной от 3,0 до 10,4 м. Подошвы обоих откосов имеют пригрузки. В пределах подошвы низового откоса предусмотрен плоский дренаж длиной 151,0 м и глубокий дренаж в русловой части. Здесь через 23,0 м заложено 27 дренажных колодцев диаметром 0,6 м, объединенных металлическим трубопроводом диаметром 1,4 м, проложенным в железобетонной галерее для сбора и отвода дренажных вод к насосной станции (рис. 3-16).
При подборе фильтров плоского дренажа соблюдались критерии: D15 крупного фильтра ≤5D15 мелкого, a D15 мелкого фильтра ≥4D15 крупного.
Наблюдения за работой дренажной системы показали, что она работает удовлетворительно.
Рис. 3-15. Обратный фильтр по подошве плотины Бу-Ханифия.
1 — сухая кладка; 2 — защитная бутовая кладка; 3 — 0,3 м слоя песка крупностью 0,1—0,5 мм; 4 — 0,25 м слоя песка крупностью 0,5—3,5 мм; 5 — 0,25 м слоя гравия крупностью 3,5—6 мм; 6 — 0,25 м слоя гравия крупностью 5—25 мм; 7 — 0,3 м слоя галечника крупностью 25—60 мм; 8 — грунт основания; 9 — перфорированная железобетонная труба; 10 — раздельная бетонная стенка.
Рис. 3-16. Дренаж плотины Гардинэ.
а — плоский дренаж; б — глубокий дренаж; 1 — дренажная галерея; 2 — дренажные колодцы; 3 — фильтр; 4 — проницаемая насыпь; 5 — отборный проницаемый грунт; 6 — отборный гравий; 7 — трубчатый дренаж; δ — пригрузка; 9 — разнозернистый песок с прослойками чистого песка и ила; 10 — заиленный разнозернистый песок с прослойками чистого песка и ила; 11 — глинистый сланец; 12 — муфта соединительная; 13 — дренажная труба;
14 — заделка бетоном; 15 — песок.
