4-7. КОНСТРУКЦИИ ПЛОТИН, СООРУЖАЕМЫХ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ
В практике гидротехнического строительства плотины приходится строить на тектонических сбросах или вблизи них, которые могут проявить свою активность во время землетрясений. В этом случае при выборе типа плотины следует отдавать предпочтение каменно-земляной или каменнонабросной плотине сейсмостойкой конструкции. В сейсмическом отношении эти плотины имеют преимущество перед бетонными, потому что от каждого землетрясения, превышающего предыдущее, происходит соответствующая деформация наброски, в результате чего плотность ее увеличивается, а деформативность уменьшается. Такие плотины при сейсмических воздействиях на них как бы «утрясаются». Об этом свидетельствуют следующие факты.
Рис. 4-21. Плотины, построенные в сейсмических районах. а — плотина Миборо: 1 — каменная наброска; 2 — переходные зоны; 3 — ядро из суглинка, смешанного с отходами каменного карьера; 4 — перемычка; 5 — кварциты и граниты; б — плотина Макио: 1 — каменная наброска; 2 — переходная зона; 3 — ядро из суглинка; 4 — отсыпка из гравелистого грунта; 5 — аллювий; 6 — кремнистый
сланец.
Построенная в сейсмическом районе Чили в 1931 г. каменнонабросная плотина Коготи высотой 75,0 м со слоистым железобетонным экраном, уложенным на гравийной подготовке, после первого сейсмического толчка дала осадку гребня 400 мм, или 0,53% (а за 5 лет эксплуатации ее осадка была всего 350 мм); в дальнейшем осадка продолжалась и в 1943— 1946 гг. она составила 460 мм. Плотина испытывала сейсмическое воздействие с ускорением около 0,2 g; при котором по низовому откосу скатилось лишь несколько камней. Не возросла после этого сейсмического удара и фильтрация через плотину. Это дало основание полагать, что для такого сейсмического воздействия профиль каменнонабросной плотины с откосами 1 : 1,7 будет сейсмостойким.
Рис. 4-22. График горизонтальных смещений гребня плотины Миборо.
1 — уровни водохранилища; 2 — горизонтальные смещения; 3 — смещение, вызванное землетрясением «Китамино».
На рис. 4-21 изображены каменно-земляные плотины Миборо высотой 131,0 м и Макио — 106,0 м, построенные в Японии. Основанием плотины Миборо являются трещиноватые порфиритовые кварциты и граниты, а плотины Макио — аллювий. На правом берегу вдоль русла плотины Миборо проходит тектоническая зона разлома шириной 40 м, которая на глубину 60 м зацементирована из ряда горизонтальных штолен, пройденных из вертикальной шахты. Все штольни являются составной частью смотровой галереи, заложенной по подошве экрана. Аналогичной плотине Миборо по конструктивному решению и выполнению является плотина Ногано высотой 128 м, длиной 355 м, объемом 6,3 млн. м3, построенная в Японии.
Во время землетрясения с эпицентром на расстоянии 17 км плотина Миборо подвергалась сейсмическому воздействию с ускорением 0,1 g. Происшедшие от такого воздействия мгновенные деформации, определенные по смещениям реперов на гребне, достигли 30 мм (вертикальные) и 50 мм (горизонтальные) (рис. 4-22).
При первом заполнении водохранилища плотина Инфернильо 6 июня 1964 г. подверглась также сейсмическому воздействию. Интенсивность его замерена не была, но расположенному в 70 км от плотины городу были причинены разрушения. На плотине же произошла мгновенная деформация в виде осадки ее гребня до 50 мм. По показаниям инклинометров, заложенных в теле плотины, установлено, что деформации резко затухали с глубиной.
Для оценки деформаций плотин от сейсмических воздействий следует учитывать, что они затрагивают в основном только верхнюю часть плотины. Эти деформации затухают с глубиной с увеличением напряжений от собственного веса и на глубине 15—20 м с ними можно практически не считаться. Чирюртская плотина на р. Сулаке, отсыпанная из аллювия с водоупорной призмой высотой 37,5 м, 14 мая 1970 г. оказалась в зоне землетрясения интенсивностью 7 баллов. Во время землетрясения, как это видно из рис. 4-23, гребень плотины «растрясся» с образованием продольных трещин, со смещением железобетонного парапета, стойки которого были поломаны, и тело плотины было разуплотнено на глубину до 4 м.
Ни одна из построенных в сейсмических районах каменно-земляных и каменнонабросных плотин не пострадала от землетрясения, а Урто-Токойская плотина высотой 59 м, построенная в Узбекской ССР, неоднократно подвергалась землетрясениям до 8 баллов. Эта плотина в 1967 г. реконструирована и надстроена, ее высота теперь достигает 64 м и длина по гребню 290 м. Одновременно с этим были перестроены береговой шахтный водослив и донный водоспуск, а существующий железобетонный экран плотины усилен покрытием его торкретом.
Для наращивания и реконструкции плотины потребовалось камня-порфирита 363 тыс. м3, бетона 8,3 тыс. м3 и 12,3 тыс. м2 торкрета.
Плотность наброски с использованием мелкого камня составила 1840 кг/м3.
Рис. 4-23. Гребень Чирюртской плотины после землетрясения 14 мая 1970 г.
1 — пригрузка откосов; 2 — отсыпка из аллювия; 3 — покрытие откоса железобетонными плитами; 4 — положение проезжей дороги и тротуара до землетрясения; 5 — зона поверхностного разуплотнения отсыпки; 6 — трещины вдоль гребня плотины, образовавшиеся в результате землетрясения; 7 — сместившийся после землетрясения парапет.
Как следует из доклада Комитета, занимавшегося в США изучением влияния землетрясений на гидротехнические сооружения, а также отчета Японского сейсмического комитета по землетрясению при проектировании каменно-земляных плотин в сейсмических районах необходимо соблюдать следующие положения:
плотина должна давать минимум осадок при землетрясении, поэтому следует отдавать предпочтение каменно-земляной плотине;
для плотины должны быть приняты более пологие откосы и пластичная конструкция экрана или ядра, исключающая ее повреждение при землетрясении;
необходимо увеличивать ширину гребня плотины и создавать значительное возвышение его над подпорным уровнем с учетом не только осадки плотины, но и возможности образования высокой волны во время землетрясений в водохранилище.
В Турции, где часто происходят разрушительные землетрясения, в последние годы началось крупное гидротехническое строительство, главным образом каменно-земляных плотин. Ниже, в табл. 4-1, приведены основные данные по строящимся и эксплуатируемым плотинам.
Из данных табл. 4-1 видно, что плотины рассчитываются на ускорение (0,05-0,15)g. Профили плотин имеют более пологие откосы; исключением является плотина Хирфанли, у которой низовой откос из наброски камня имеет уклон 1:1,3. Ширину гребня независимо от высоты плотины принимают 10—12 м, а его возвышение над НПУ от 4 до 10 м; при пропуске паводков оно снижается до 1,5— 4,0 м.
На основе анализа проектирования сейсмостойких конструкций каменно-земляных и каменнонабросных плотин в Турции можно сделать следующие выводы [Л. 134]:
а) при выборе створа плотины, насколько это возможно, избегают речных долин со слабыми зонами пород и сбросами, район береговых склонов проверяется с точки зрения образования потенциально возможных оползневых явлений;
б) наиболее благоприятными типами плотин являются легко приспосабливающиеся и самокольматирующиеся сооружения, какими являются земляные и каменно-земляные плотины, с устройством в основании зуба. Сопряжение ядра со скальным основанием осуществляют его уширением в зоне контакта ядро — скала.
Таблица 4-1
Каменно-земляные плотины Турции, рассчитанные на сейсмическое воздействие
*Над руслам.
Такой контакт создает резкий переход для проходящих сейсмических волн от скалы с высокой упругостью, попадающих в зону пластичного ядра, где могут создаваться высокие напряжения и образовываться трещины; если при выемке котлована под зуб плотины обнаруживается слой с частично нарушенной структурой, то производится их расчистка и заполнение бетоном;
в) для укрепления основания производится поверхностная цементация глубиной от 6 до 12 м и устраивается противофильтрационная завеса, несмотря на то, что сильный толчок может частично или полностью нарушить водонепроницаемость завесы, второго ряда такой завесы не делают;
г) на некоторых плотинах в пределах береговых склонов устроены дренажные штольни, повышающие устойчивость склонов;
д) в ряде плотин из-за невозможности устройства противофильтрационного зуба в большой мощности аллювия в русле (например, в основании плотины Карталкайя залегает 19-метровая толща сильно проницаемого аллювия) для борьбы с фильтрацией устраивается понур, которым ядро плотины соединяется с зубом, заложенным в маловодопроницаемых породах;
е) предусматривается значительное возвышение гребня плотины над подпорным уровнем для компенсации уменьшения пропускной способности водосбросных сооружений, в случае их повреждений при землетрясении, а также для предотвращения перелива воды через плотину, в случае образования волн (цунами) в водохранилище, дополнительное возвышение гребня плотины над НПУ увеличивает также строительный его подъем на случай образования повышенной осадки плотины во время землетрясения;
ж) рекомендуется уширять гребень плотины, что удлиняет пути фильтрации в случае повреждения ядра;
з) рекомендуется принимать более пологие откосы плотины, так как при землетрясении возникают большие ускорения, что приводит к образованию повышенных горизонтально направленных сил. При расчетах откосов плотин используется модернизированный шведский метод расчета по круглоцилиндрическим поверхностям. Рассматривается строительный случай при наполнении водохранилища и быстрой его сработке в сочетании с сейсмическими нагрузками, хотя в Турции многие плотины построены полностью или частично для целей ирригации и большая часть емкости водохранилища используется в короткий поливной период (3—4 мес), в расчетах устойчивости верхового откоса учитывается быстрая сработка водохранилища, совпадающая с максимальной сейсмической активностью, коэффициент устойчивости, с учетом максимальных сейсмических нагрузок, во всех случаях превышает 1,2;
и) устраиваются массивные ядра с повышенной площадью контакта ядра и основания, что создает более удлиненные пути фильтрации в случае образования трещин поперек ядра;
к) для низких плотин ядро иногда выполняется из более пластичных грунтов, что способствует пластическим деформациям и самокольматажу. Поровое давление во время продолжительного строительства плотин, что обычно имеет место в Турции, можно поддерживать в допустимых пределах; в высоких плотинах, где максимальные напряжения в середине ядра превышают 400 кПа, даже тощие суглинки в насыщенном состоянии могут быстро закрывать трещины;
л) устраиваются более мощные переходные зоны и укладываются фильтры по подошве плотины в местах сопряжения материалов с разными фильтрационными характеристиками;
м) безопасность и надежность работы водосбросных сооружений и донных водоспусков анализируются с точки зрения воздействия на них землетрясений высокой активности, при расчетах устойчивости этих сооружений принимается горизонтальное ускорение до 0,15g, а вертикальное берется равным 50% горизонтального;
н) рекомендуются водосбросные и водоспускные сооружения повышенной пропускной способности, чтобы быстро сработать и опорожнить водохранилище во время аварии, однако в редких случаях это бывает технически и экономически оправдано.
На рис. 4-24 изображена плотина Алмус высотой 93,5 м как пример сейсмостойкой конструкции. В основу проекта этой плотины положены указанные выше принципы их проектирования. Плотина Алмус находится в 8 км от долины р. Келкит, где проходит сброс, активно действующий при землетрясениях. Геологическими разведками в районе плотины Алмус обнаружены следы смещений пород по высоте до 3,0 м, поэтому возвышение гребня плотины над НПУ принято 6,0 м.
В сейсмическом районе Турции на р. Евфрат в 1974 г. построена плотина Кебан (рис. 4-25) высотой 207,0 м. В состав этого узла входят сооружения: каменно-земляная плотина с ядром высотой над основанием 207,0 м; бетонная плотина с водосливом и водоприемником на пологом левом берегу; здание ГЭС мощностью 1240 МВт, два строительных туннеля на левом берегу диаметром 13,5 м и длиной по 708 м каждый и повысительная подстанция на правом берегу.
Геологические условия створа плотины характеризуются наличием кристаллических мраморовидных закарстованных известняков, которые подстилаются сланцами, выходящими на поверхность в русле реки. Породы разрушены многочисленными трещинами. В проекте учтены сейсмические воздействия: горизонтальное ускорение 0,10 g и вертикальное 0,05 g.
Плотина длиной 608 м возведена из каменной отсыпки с центральным ядром шириной 80 м по подошве и 8 м по гребню. Оно основано на скале, которая цементируется. Ядро отделено от боковых призм переходной зоной из песка и гравия слоем по 4 м и слоем мелкого камня 2 м. Проект предусматривает строительную осадку плотины 4 м.
При проектировании плотин в сейсмических районах сейсмостойкость их профилей проверяют на виброплатформах. Еще в 1953 г. на виброплатформе были проведены исследования сейсмостойкости моделей плотин Кенни и Мад-Маунтин в масштабе 1 : 150. Исследования сейсмостойкости моделей этих плотин показали, что обе модели очень устойчивы к воздействию сейсмических сил ввиду гибкости их конструкций. На моделях не наблюдалось значительных подвижек на откосах при воздействиях с ускорениями от 0,10 g до 1,25 g. При воздействии на модели плотин сейсмических сил с ускорением 0,4 g, т. е. самого сильного из зарегистрированных землетрясений, в них не наблюдалось каких-либо деформаций. При ускорении 1,0 g и выше модели плотин слегка деформировались. При землетрясении такой силы могут иметь место повреждения жестких конструкций (береговые устои и примыкания). Высокая сейсмостойкость, которую показали модели, объясняется большой гибкостью конструкции плотин, которая может выдерживать значительные деформации без особых повреждений. Поэтому плотины с экраном по сравнению с плотинами с ядром являются несколько более сейсмостойкими, но это не является решающим, так как оба типа плотин являются высокосейсмостойкими. Все деформации моделей плотин при ускорениях, больших 0,4 g, сводились к расстройству гребня плотины, которое проявилось в виде его осадки с уполаживанием верхней части откосов. Поэтому при проектировании плотин в сейсмических районах принимаются значительное возвышение гребня и увеличенная его ширина. По этим же соображениям не следует для верхней части плотины делать более крутые откосы.
Подобные исследования сейсмостойкости модели Нурекской плотины, проведенные на виброплатформе Академии наук Грузинской ССР, подтвердили сделанные выше выводы. Сейсмостойкость Нурекской плотины была также проверена на модели в масштабе 1:50. Для этого на строительстве была построена опытная насыпь высотой 6,3 м и испытана силой взрыва, имитировавшего проявление землетрясения силой 10,5 балла при расчетных 9 баллах. Результаты этой проверки подтвердили сейсмостойкость ее проектного профиля. В основании плотины закладываются датчики, регистрирующие сейсмическую активность, а в пределах тела плотины и низового откоса они будут регистрировать проявление сейсмических воздействий на плотину.
Рис. 4-24. Плотина Алмус.
1 — водоупорная призма из суглинка; 2 — переходная зона; 3 — пригрузка из гравелисто-галечного грунта; 4 — каменный банкет; 5 — крепление откоса камнем; 6 — перемычка; 7 — аллювий; 8 — андезит.
Рис. 4-25. Плотина Кебан.
1 — ядро; 2 — фильтры; 3 — каменная насыпь; 4 — перемычка; 5 — противофильтрационная стенка; 6 — аллювий; 7 — сланцы.
Для проверки сейсмической устойчивости и деформаций откосов Нурекской плотины были проведены дополнительные экспериментальные исследования на крупномасштабной сейсмоплатформе ВОДГЕО, которые позволили сделать следующие выводы [Л. 32]:
а) сейсмические деформации плотины зависят в основном от динамических параметров землетрясения, физико-механических характеристик грунта и практически мало зависят от высоты плотины;
б) плотины с упорными призмами из гравелисто-галечного грунта обладают высокой динамической устойчивостью при ускорениях до 0,5 g, если грунты плотины имеют плотность не менее 2150 кг/м3;
в) при плотности менее 1950 кг/м3 грунты обладают достаточной динамической устойчивостью в воздушно-сухом состоянии, но при водонасыщении динамическая устойчивость плотины резко снижается;
г) пригрузки откосов, плотно уложенные как галечно-булыжным грунтом, так и камнем, не влияют на динамическую устойчивость откоса.
Низовой откос плотины Оровилл с уклоном 1:2,0, построенной из таких же грунтов, но в менее сейсмическом районе, такой пригрузки не имеет. Низовой откос плотины Майка и других, построенных в сейсмических районах, включая Нурекскую плотину, такие пригрузки из рваного камня имеет, — они увеличивают динамическую устойчивость плотины, а потому являются полезными.
Об этом свидетельствует и плотина Пейпенай (рис. 4-26) высотой 57,4 м, строящаяся в Японии. Плотина отсыпана из аллювия пригруженного на откосах камнем, с асфальтобетонным экраном, объемом 1112 тыс. м3. Плотина имеет заложение откосов 1 : 1,85 и симметричное (относительно оси) распределение материала в плотине. В проекте учтено сейсмическое воздействие с ускорением 0,18 g.
Как показали опыты на моделях и натурные наблюдения за повреждениями каменноземляных плотин, при сейсмических воздействиях наблюдаются осадки гребня и откосов (большие у гребня и меньшие у основания) и происходят оползания грунта в верхней зоне откосов слоем относительно небольшой толщины. В плотинах с ядром или экраном поверхность обрушения проходит главным образом по контакту различных грунтов. Нарушение устойчивости на большую глубину и разрушение ядра не наблюдались. Сейсмостойкость откосов плотины следует проверять из условия нахождения поверхностей скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости с учетом динамических характеристик сопротивления грунта сдвигу.
Для повышения сейсмостойкости каменноземляных плотин, как показывает опыт исследования, проектирования и строительства, рекомендуется следующее:
- плотину возводить непосредственно на скальном основании или на небольшом слое песчано-гравелистого грунта с плотностью, не ниже проектной плотности плотины, во избежание возможности разжижения грунта основания;
- предусматривать уширенные переходные зоны из хорошо подобранных по составу грунтов;
- возвышение гребня плотины над НПУ должно быть примерно на 5 м больше· нормы, установленной требованиями защиты от волны;
- отсыпка ядра или экрана должна быть плотной, пластичной и предельно водонепроницаемой. На контакте со скальным основанием ее следует уширять и укладывать с влажностью на 2—3% выше оптимальной. Грунт отсыпки наклонного ядра или экрана следует укладывать с влажностью, немного большей оптимальной, во избежание трещинообразования.
Рис. 4-26. Плотина Пейпенай.
1 — подэкрановая кладка; 2 — каменная наброска; 3 — насыпь аллювия; 4 — асфальтобетонный экран.
