В настоящее время происходит интенсивное строительство ГАЭС мощностью 1000— 2000 МВт, которые имеют большую емкость бассейнов. Верхние бассейны создаются искусственно за счет выемки и обвалования дамбами (Загорская ГАЭС) или за счет строительства плотин в логах (ГАЭС Равэн). Нижние бассейны создаются за счет подпора плотинами, сооружаемыми на реках. Если плотины для нижних бассейнов имеют обычно небольшую высоту, то для верхних бассейнов
строят высокие плотины. Верхний бассейн ГАЭС Кисеняма, построенной в 1969 г. в Японии, образован каменно-земляной плотиной с центральным ядром высотой 91,0 м и объемом 2300 тыс. м3, в том числе наброски камня 1790, фильтров 210 и отсыпки ядра 300 тыс. м3. Исследованием камня на приборах трехосного сжатия диаметром 200, 600 и 2000 мм был установлен угол внутреннего трения 40° для наброски верховой призмы и 38° для низовой. Это определило откосы профиля плотины 1 : 3,0—1 : 2,5 верхового и 1 : 2,5 низового при ширине подошвы ядра 0,5 Н. Учитывая ежедневную сработку бассейна, для верховой призмы применен более крупный и хорошо дренируемый камень. Фильтрационный режим в ядре и гидродинамическое давление в нем при ежедневных сработках бассейна определены на модели ЭГДА.
Бассейны ГАЭС Кэбин Крик в США образуются — верхний каменнонабросной плотиной высотой 64 м и длиной 445 м, а нижний каменно-земляной высотой 29 м и длиной 608 м (рис. 4-27). Различные типы плотин определились геологическими условиями и наличием материалов. При высоте сработки верхнего бассейна 27,8 м экран плотины по откосу 1 : 1,3 железобетонный, уложенный по слою подэкрановой подготовки из отборного камня, отсыпанного с уплотнением виброукаткой. Высота сработки нижнего бассейна 12,8 м, верховой откос плотины 1:2,5 выполнен из каменной наброски — пригрузки грунтового экрана.
Основание верхней плотины скальное, а нижней — аллювиальные пески заиленные с мелким гравием, что потребовало устройства понура и вертикального дренажа. Фильтрация через плотину при полном напоре не превышала 57 л/с. Фильтрация через экран верхней плотины собирается подэкрановой подготовкой и отводится центральной дреной, выполненной из отборного камня. При полном напоре на плотину фильтрация через экран не превышает 85 л/с. При возведении плотины в первую очередь уложен камень полученный при подготовке котлована. Из карьерного камня выполнена наброска низового клина плотины.
Для нижнего бассейна ГАЭС Равэн мощностью 800 МВт, построенной во Франции, возведена каменно-земляная плотина высотой 40,0 м при высоте призмы сработки 15,7 м.
Основанием плотины являются сланцы и кварциты, дресва которых использована для отсыпки ядра, а здоровые сорта камня — для отсыпки боковых призм. В пределах высоты призмы сработки верховая призма плотины выполнена из хорошо дренируемого камня.
Рис. 4-27. Плотины бассейнов ГАЭС Кэбин Крик.
а — плотина верхнего бассейна: 1 — железобетонный экран; 2 — подэкрановая подготовка из укатанного сортированного камня; 3 — дренаж из сортированного камня; 4 — отсыпка из камня, полученного при подготовке котлована; 5 — наброска из карьерного камня; 6 — крупный камень; 7 — противофильтрационная завеса; б — плотина нижнего бассейна: 1 — экран и понур из маловодопроницаемого грунта; 2 — песчаный фильтр; 3 — гравийный фильтр; 4 — наброска камня; 5 — гравелистый грунт; 6 — песчаный грунт; 7 —дренажные колодцы; 8 — торф и растительный грунт; 9 — заиленный песок с мелким гравием.
В настоящее время в Японии строится ГАЭС Такасэгава мощностью 1280 МВт. Верхний бассейн создается плотиной Такасэ высотой 176 м, а нижний — плотиной Нанакура высотой 125 м. Последняя используется также как подпорное сооружение для нижележащей ГЭС Каканосава мощностью 38 МВт.
Плотиной Такасэ создается водохранилище на реке того же названия емкостью 76,2 млн. м3 со сливной призмой регулирования 10 м, объемом 16,2 млн. м3, участвующей в работе ГАЭС. Основанием плотины Такасэ являются граниты с локальными выходами диоритов, русло заполнено 30—40-метровой толщей аллювия, состоящего из песчано-гравелистого грунта с включением крупных валунов, которые удаляются только под ядром.
Плотины Такасэ и Нанакура соответственно длиной 374 и 348 м и объемом 11,5 и 7,2 млн. м3, аналогичные по конструктивному решению (рис. 4-28), выполняются из каменной отсыпки с использованием для ядра материалов из конуса селевых выносов. В таких грунтах содержится пыли и глины от 7 до 16%, песка крупностью до 2 мм 36—49%, гравия крупностью 2—20 мм 18—29%, галечника крупностью 20—100 мм 9—11% и валунов крупнее 100 мм 8—17%.
Из этих грунтов выполнены опытные насыпи, на которых отработана технология и подобраны уплотняющие механизмы.
Рис. 4-28. Плотина Нанакура (а) и Такасэ (б).
1 — ядро из суглинисто-щебенистого грунта; 2— переходная зона из карьерного аллювия; 3 — мелкий фильтр; 4 — крупный фильтр; 5 — каменная отсыпка; 6 — пригрузка из каменной наброски; 7 — каменная облицовка откоса; 8 — каменная наброска; 9 — цементационная штольня; 10 — противофильтрационная завеса; 11 — аллювий; 12 — скала.
Устойчивость откосов плотин исследовалась различными способами: расчетами по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения, методом конечных элементов и динамическими испытаниями на модели масштабом 1:125 и 1:200. Принятая в расчетах плотин интенсивность сейсмических колебаний определена на основе анализа всех исторических землетрясений в данном районе с магнитудой 7,0 в радиусе 100 км от плотин.
По сейсмическим условиям ширина ядра по подошве плотин принята равной 0,5Н. Ядро плотины Такасэ отделено с верховой стороны переходной зоной из карьерного аллювия, а с низовой — двухслойными фильтрами из отсортированных грунтов. Ядро плотины Нанакура выполнено из более крупнозернистых грунтов, поэтому оно с обеих сторон отделено фильтрами от призм. Низовой откос боковых призм прикрыт толщей каменной отсыпки 16 м, верховой откос — 25 м.
Для строительства плотин принята следующая технология: ядро из сортированного грунта с фракциями ниже 200 мм отсыпается слоями толщиной по 0,3 м с оптимальной влажностью от 7,5—8,5 до 2% и уплотняется за шесть проходов 10-тонного виброкатка, внутренние и наружные зоны плотин отсыпаются слоями 0,8 и 1,5 м с уплотнением за четыре прохода 13,5-тонного виброкатка.
Интенсивность отыпки камня на плотине Такасэ — 430 тыс. м3 и на плотине Нанакура — 280 тыс. м3/мес.
Для образования бассейнов сооружаются и каменнонабросные плотины с железобетонным экраном. Такими плотинами созданы бассейны ГАЭС Тума Сок, Кэбин Крик и Норт- фильд.
Из приведенных примеров видно, что бассейны ГАЭС создаются грунтовыми плотинами, конструкция которых зависит от наличия на месте материалов. Так как бассейны ежедневно срабатываются с интенсивностью 1—2 м/ч в пределах высоты призмы регулирования, верховая призма должна выполняться из хорошо дренируемого и климатически стойкого камня. В ФРГ практически все дамбы, образующие верхние бассейны ГАЭС, имеют асфальтобетонные дренируемые экраны.
