3-5. ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЗАВЕСЫ И СТЕНКИ В НЕСКАЛЬНЫХ ГРУНТАХ
Противофильтрационные завесы.
Инъекционный метод создания противофильтрационных завес в толще аллювиальных грунтов в последние годы нашел широкое применение.
Метод инъекции аллювиальных грунтов основан на следующих принципах:
уплотнение грунта производится путем нагнетания жидких (впоследствии твердеющих) растворов через вертикальные скважины, расположенные по определенной сетке:
нагнетание растворов в поры грунта производится под давлением, обеспечивающим проникновение раствора в поры и вытеснение из них грунтовой воды;
основные технологические приемы инъекции зависят от характера аллювиальных грунтов, а именно: от размера и формы пор, пористости и слоистости грунта, которые и вызывают необходимость применения коротких интервалов инъекции, обычно в пределах 0,33— 1,00 м;
тип применяемых растворов должен соответствовать свойствам грунта.
Основой метода является специфическая конструкция скважины, позволяющая обрабатывать грунт на любых участках, в любой последовательности, многократной инъекцией различных растворов в одну и ту же зону.
В табл. 3-1 приведены основные данные по противофильтрационным завесам ряда плотин, построенных на аллювиальных отложениях. Противофильтрационные завесы применены при строительстве перемычек на плотинах Кебан, Маникуаган 5, Утард 4 и др.
Примером завесы, пройденной в аллювиальных отложениях, является завеса в русловой части Высотной Асуанской плотины (рис. 3-13). Завеса достигает глубины 170 м, она выполнена в различных по фильтрацион ным особенностям грунтах и с различной технологией производства работ.
Русло р. Нила заполнено толщей четвертичных и неогеновых отложений, изменяющихся от супесей и заиленных мелкозернистых песков с (6,0-12,0) 10-3 см/с до гравелистых и крупнозернистых песков с kф=(1,35- 3,50)10-1 см/с.
Проект завесы составлен Гидроспецпроек том, а работы выполнены Гидроспецстроем [Л. 57].
Основные технологические способы создания противофильтрационной завесы на строительстве Высотной Асуанской плотины сводятся к следующему.
Инъекционные завесы, выполненные в аллювиальных отложениях
Буровые скважины диаметром 100—150 мм проходят на полную глубину инъектируемой толщи, после чего в них опускают монтажную колонну из звеньев труб на муфтах. Звено по длине через 0,3—1,0 м пер форировано несколькими отверстиями диаметром 6—8 мм. Отверстия закрыты специальными резиновыми манжетами, плотно прилегающими к трубе и надежно закрывающими отверстия. Манжетная колонна устанавливается на всю глубину скважины. Чтобы обеспечить надежный контакт манжетной колонны с грунтом, пространство между стенками скважины и трубой заполняют глиноцементным раствором, который через 6—7 сут приобретает прочность 2,5—3,0 МПа, образуя обойму вокруг трубы.
Инъекцию грунта выполняют с помощью самоуплотняющегося тампона, который передвигается внутри манжетной колонны и устанавливается против перфорированных участков трубы, куда подается инъекционный раствор.
Обработка грунта ведется сближением скважин до такого расстояния, при котором достигается качественная проработка грунта раствором. Конструкция скважин и манжетной колонны позволяет после окончания первичной инъекции произвести повторную инъекцию всей скважины или отдельного ее интервала другими растворами, если это необходимо.
При выборе типов и составов раствора для инъекции учитывают опыт выполнения противофильтрационных завес в аналогичных грунтах, результаты экспериментальных работ, лабораторных исследований на основании следующих основных положений:
растворы, применяемые для укрепления аллювиальных грунтов, должны обладать проницаемостью, зависящей от крупности частиц раствора, обеспечивающей их внедрение в поры; для каждого слоя грунта должны быть подобраны два типа раствора: один для барьерных — ограждающих рядов скважин; второй — для замыкающих заполнительных рядов;
растворы для ограждающих рядов должны обладать повышенной устойчивостью в порах грунта при действии в процессе инъекционных работ фильтрационного потока;
растворы могут быть небольшой прочности, например в завесе плотины Маттмарк наиболее прочными были глиноцементные 40— 200 кПа, а чистоглинистые растворы имели сдвиговую прочность 500—1000 кПа;
растворы, затвердевшие в порах грунта, должны быть практически нерастворимыми в нейтральных или слабощелочных грунтовых водах;
для растворов, стоимость которых определяет в основном стоимость завесы, должны быть выбраны преимущественно дешевые местные материалы (обычной глины);
растворы подбирают по значению эффективного диаметра частиц D10, который для однозернистых грунтов примерно соответствует среднему диаметру пор, а соответствие раствора грунту определяют критерием Кинга и Буша, по которому D95≤0,125D10, где D95 — характерный диаметр наиболее крупных твердых частиц раствора в миллиметрах.
Кроме местных глин и цемента, для приготовления растворов используют высококачественные бентонитовые глины, а также химические материалы на основе силиката или синтетических смол.
По условиям воздействия завесы на выходной градиент фильтрационного потока толщина завесы могла бы быть принята 25 м, что соответствует расчетному градиенту на завесе 2,9. Однако в соответствии с размерами подошвы ядра, для обеспечения его равномерной осадки толщина завесы в ее верхней части была принята 40 м. Поэтому градиент напора на завесе составил 1,4, а с учетом работы понура толь ко 1,1.
Таблица 3-1
Рис. 3-17. Проектная конструкция противофильтрационной завесы в русле Высотной Асуанской плотины.
I—V111— основные ряды скважин; 1—6 — дополнительные ряды скважин; А — контрольный ряд; Б — контур завесы.
Такая толщина завесы принята на глубине до 50 м, а далее она имеет телескопическую форму с изменением толщины в трех ярусах по глубине (рис. 3-17). Три яруса завесы были расчетными, а четвертый ниже отметки — 45 м был задан в качестве разведочного до кровли коренных пород на глубину до 260 м.
Опытные исследования показали, что крупно- и среднезернистые пески могут быть в достаточной степени укреплены при расстоянии между инъекционными скважинами 5,0 м. Мелкозернистые пески удавалось укрепить через такую сетку скважин только с применением очень тонких, хорошо проникающих бентонито-силикатных, алюминатносиликатных растворов и полимерных смол.
Так как плотина строилась одновременно с заполнением водохранилища, то для создания надежного ограждения контура завесы грубыми и более прочными растворами ограждающие скважины проходили через 2,5 м. Для надежного закрепления намытых мелкозернистых и заиленных песков в первом ярусе завесы была предусмотрена учащенная сетка скважин также через 2,5 м.
Таким образом, завеса состоит из 15 рядов скважин, 7 из которых заглублены во второй ярус и 5 в третий. Один контрольный ряд, пересекая всю завесу, мог быть (в случае необходимости) выполнен и в четвертом ярусе.
Для создания противофильтрационной завесы были приняты следующие типы растворов:
для крупно- и среднезернистых песков и по ограждающим рядам — глиноцементные, а по заполнительным рядам — глиносиликатные;
для мелкозернистых и заиленных песков по ограждающим рядам — бентонито-силикатные, по заполнительным рядам — алюминатно-силикатные;
для супесей по ограждающим рядам — глиноцементные, а по заполнительным рядам — алюминатно-силикатные;
для коренных пород — чистоцементные.
В соответствии с принятыми габаритами завесы геометрический объем грунта, подлежащий обработке инъекцией, составил 1800 тыс. м3, а площадь завесы 66 тыс. м2. Суммарный объем инъекционных растворов составил 680 тыс. м3, в том числе глиноцементных— 302, глиносиликатных — 231, бентонитосиликатных — 59, алюминатносиликатных — 68. С учетом вспомогательных растворов — бурового бентонитового и обойменного глиноцементного — для создания завесы было израсходовано 424 тыс. т сухих материалов.
Из изложенного выше следует:
если для противофильтрационной завесы в скальных породах достаточно иметь 1—2 ряда скважин, то в аллювиальных грунтах требуются многорядные завесы;
для создания противофильтрационных завес в аллювиальных грунтах нагнетание раствора в скважины производится под давлением, во много раз большим, чем для завес в скале;
противофильтрационную завесу в аллювиальных грунтах методами инъекции цементнобентонитового раствора можно выполнить при условии, если kф≥А-10-2 см/с, и понизить его проницаемость в завесе в 200—500 раз; при kф=Α·10-3 см/с и ниже грунты таким методом могут быть уплотнены только после соответствующих исследований;
единичная стоимость противофильтрационной завесы в аллювиальных грунтах во много раз выше, чем в скальных; например, на строительстве плотины Серр-Понсон единичная стоимость завесы в аллювиальных грунтах в 30 раз выше, чем в скале.
Противофильтрационные стенки.
Сооружение противофильтрационных стенок основано на возможности устройства ниже уровня грунтовых вод выемок с вертикальными откосами и заполнения их водоупорными материалами. В зависимости от выполнения стенки форма выемки может быть в виде скважин, отрезка траншеи и непрерывной траншеи. Материалом для стенок служат обычно бетон или маловодопроницаемый грунт. Образование и выполнение выемки с сохранением вертикальности отсосов обеспечивается тиксотропными свойствами глинистых растворов, для чего обычно применяются растворы, приготовленные из бентонитовой глины.
Бентонитовый раствор во время всего цикла работ заполняет скважину или траншею до верха. Выемка грунта при проходке скважины или траншеи производится из-под раствора, а заполнение их — под раствор с постепенным его вытеснением укладываемым материалом.
В соответствии с применяемым оборудованием противофильтрационные стенки могут быть образованы (рис. 3-18): пересекающимися или соединяющимися связями; отдельными секциями в траншее и траншеей с непрерывным заполнением грунтом.
Практически любые грунты могут быть прорезаны свайными или траншейными стенками, которые могут быть бетонными или грунтовыми. Бетонные стенки из пересекающихся свай имеют толщину, определяемую диаметром скважины в пределах 0,5—1,0 м, а в местах их пересечения — 0,30—0,65 м. Траншейные бетонные стенки имеют постоянную толщину около 0,3—1,0 м, грунтовые — до 4,0 м/
В США на плотине Сейсгуаил высотой 41,5 м построена секционная стенка глубиной 78 м, а на плотине Маникуаган 3 — двухрядная стенка из соединяющихся свай. Стенки пересекают толщу аллювиальных отложений (гравий с валунами). Наблюдения за опытными сваями показали отклонение их до 25 см, начиная с глубины 90 м. Видимо, этим и была вызвана необходимость цементации аллювия, заключенного между стенками. Чтобы избежать отклонений, глубину свайных стенок как противофильтрационной конструкции следует ограничить 75—80 м.
Из пересекающихся свай противофильтрационные стенки выполнены на Чурбай-Нуринской плотине глубиной 8—46 м и площадью 20 000 м2, на Ереванской глубиной 8—40 м и площадью 3000 м2, на Павловской глубиной 6,5—12,5 м и площадью 1500 м2 [Л. 33].
Стенка Чурбай-Нуринской плотины (Казахской ССР) пересекла толщу аллювиальных грунтов с валунами водопроницаемостью 0,2— 0,8 см/с. Для образования стенки длиной 947 м было пройдено 1890 скважин-свай общей длиной 43,9 тыс. м. На бурение скважин израсходовано 36,7 тыс. м3 глинистого раствора, а для их заполнения 18,8 тыс. м3 бетона.
Из соединяющихся свай выполнена противофильтрационная стенка плотины Сейтакорва в Финляндии, где ею прорезано переуглубление в русле р. Кемь, заполненное песчаной мореной с. гравием. Площадь стенки 1328 м2, а ее глубина 27,1 м. Скважины первой очереди бурились обычным способом через 1,25 м. Промежутки между ними разрабатывались сначала круглой скважиной, затем ее расширяли фигурным долотом и, наконец, дорабатывали долотом с раздвижными кромками.
Свайные стенки, несмотря на простоту их выполнения, имеют ряд существенных недостатков: большое количество швов (1,5—2 на .1 м стенки), а также значительные затраты времени на вспомогательные операции из-за последовательного процесса бурения и бетонирования большого числа скважин.
Секционные стенки устраняют эти недостатки: они имеют постоянную толщину и меньшее число швов в стенке (сокращается в 10 раз). Секционные стенки позволяют использовать производительные механизмы, современные методы проходки и бетонирования. Секционные скважины в стенке проходятся и бетонируются так же, как и в свайных, а выемка грунта под отдельные секции стенки производится специальными механизмами в зависимости от принятого метода их выполнения. Такие траншеи заполняются секционно пластичным бетоном, который непрерывно подается одним или двумя бетоноводами. По мере заполнения траншеи бетоном бетоноводы поднимают, а концы их всегда оставляют в бетоне. При такой схеме бетонирования отдельных секций стенки смешивания бетона с бентонитовым раствором не происходит и бетон поднимается равномерно по длине секции, вытесняя из траншеи бентонитовый раствор.
Противофильтрационной стенкой Сионской плотины длиной 169 м и глубиной от 17,5 до 26,4 м пересечены валунно-галечные грунты с супесчаным и легким суглинистым заполнителем. Стенка толщиной 0,6 м и площадью 4240 м2 состоит из 32 секций (одна из секций 12 м).
Грунтовые стенки выполняются в траншеях, которые обычно проходят драглайнами, канатными скреперами и многоковшовыми экскаваторами, что и определяет возможную их глубину. Траншеи по мере их разработки заполняются маловодопроницаемым грунтом. По условиям работы экскаватора и выполнения обратной засыпки траншеи иногда ограничивают плотность бентонитового раствора значением 1250—1280 кг/м3. Ширина выемки определяется размерами ковша драглайна, обычно она получается на 0,6—0,9 м шире, т. е. 1,5—4,0 м.
Для засыпки траншей используются грунты, не растекающиеся под раствором, карьерные или грунтовые смеси, вынутые из траншеи и смешанные с бентонитовым раствором. Такая засыпка ведется пионерно автосамосвалами и грунт уплотняется от проходящих автомашин и под собственным весом.
Рис. 3-18. Схемы образования противофильтрационных стенок.
а — пересекающимися скважинами; б — соединяющимися скважинами; в — отдельными секциями; г — непрерывной траншеей — грунтовая стенка; 1 — скважины первой очереди; 2 — скважины второй очереди; 3 — направление разработки траншей; 4 — направление засыпки траншей.
Грунтовая стенка в основании Найманской плотины в Киргизской ССР выполнена длиной 115,0 м и глубиной до 13,5 м. Траншея шириной около 1,5 м была пройдена за 1 мес двумя драглайнами на базе экскаватора Э-1001 с утяжеленными ковшами емкостью 0,8 м3 на удлиненных до 19,5 м стрелах. Траншеей пройдены гравелисто-галечные грунты с песчаным заполнителем, водопроницаемостью (1—2)·10—2 см/с. Для заполнения траншеи использовалась карьерная глина, которая засыпалась автосамосвалами.
Непрерывные траншеи, заполняемые маловодопроницаемым грунтом, имеют обычно глубину до 20—25 м. Наибольшая глубина траншей, пройденных драглайнами, достигает 29 м в основании дамбы № 2 водохранилища Команче в США. На рис. 3-19 дана плотина Ванапум с грунтовой стенкой толщиной 3,0 м. Стенкой прорезано тело плотины, отсыпанное в воду между каменными банкетами и подстилаемой толщей аллювия.
По данным американских специалистов стоимость различных конструкций противофильтрационных устройств, отнесенная на 1 м3 обработанного грунта, составляет: противофильтрационные завесы 10—20, грунтовые стенки — 20—40, бетонные — 50— 100 долл. В последнее время при выборе противофильтрационных устройств для глубин до 50 м предпочтение отдается секционным стенкам по сравнению с инъекционными завесами и свайными стенками.
В практике проектирования принимаются следующие допустимые гидравлические градиенты: для инъекционных завес 2—10, грунтовых стенок 10—30 и бетонных стенок 10— 100.
Из-за столь высоких градиентов сопряжение стенок с ядром плотины решается обычно двумя путями: запуском стенки в ядро (плотина Маникуаган 3) или дополнительной цементацией грунта в зоне, примыкающей к сопряжению. Жесткими стенками также сложно создать надлежащее сопряжение с ядром из-за разности их осадок. Обычно это решается с помощью гибких или пластических шпонок.
