Глава пятая
КОНСТРУКЦИИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ПЛОТИН
5-1. ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН И ГРУНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ НИХ
В каменно-земляных плотинах противофильтрационными устройствами являются грунтовые экраны и ядра, для отсыпки которых используются маловодопроницаемые грунты. Отсыпка из таких грунтов выполняется с надлежащей плотностью, так как сдвиговая прочность, коэффициент фильтрации, поровое давление и последующие деформации противофильтрационных устройств зависят от плотности и влажности уложенного грунта.
Рис. 5-1. Плотина Гешёненальп.
1 — ядро из глинобетона; 2 — одно- и двухслойные переходные зоны 0—100 мм; 3 — аллювий 8—200 мм; 4 — отсыпки из материалов осыпей; 5 — крепление камнем; 6 — пригрузка дренирующим грунтом; 7 — крепление глыбами в 2—3 м3; 8 — плоский дренаж; 9 — дренажные скважины; 10 — цементационная штольня; 11 — гранит; 12 — аллювий; 13 — озерные отложения; 14 — противофильтрационная завеса.
В табл. 5-1 приведены характеристики грунтов, использованные в противофильтрационных устройствах ряда каменно-земляных плотин.
К грунтам противофильтрационных устройств предъявляются общие требования: сравнительно малая водопроницаемость, простота их разработки в карьере и уплотнения при укладке. Этим требованиям обычно удовлетворяют различные делювиальные, пролювиальные и моренные отложения, обладающие жестким скелетом и мелкозернистым заполнителем, а также грунты, не имеющие скелетной части, т. е. обычные суглинки и даже глина. При отсутствии на месте грунта, отвечающего этим требованиям в естественном состоянии, производят либо обогащение имеющихся грунтов за счет удаления излишних крупных фракций или же добавления недостающих, либо приготовление искусственных смесей из отсортированных грунтов, а в отдельных случаях даже глинобетона.
Например, для экрана плотины Маттмарк была произведена отсортировка из моренных грунтов валунов крупнее 120 мм и отсыпка их в упорную призму. Для ядра Нурекской плотины отсортировывается камень крупнее 200 мм из пролювиальных отложений конуса выносов. Для ядра плотины Миборо переувлажненный суглинок смешан на отвале со щебенкой — отходами каменного карьера. Водоупорная призма плотины Беннет выполнена из искусственной смеси грунтов. Ядра плотин Гешёненальп (рис. 5-1) и Дурласбоден (рис. 5-2) выполнены из глинобетона, а плотины Гепач—из отсортированных делювиальных и моренных грунтов, частично в смеси с бентонитом.
Тип и конструкция плотины Гешёненальп» высотой 155,0 м и объемом 9350 тыс. м3 выбраны на основе тщательных исследований, проведенных на месте работ. Откосы и гребень плотины покрыты отборным крупным камнем. Для устойчивости верхового откоса, упирающегося в торфяные грунты и илистые отложения, сделана пригрузка на длине 153,0 м с устройством дренажных разгрузочных скважин, заполненных песком. Из-за отсутствия на месте требуемых грунтов ядро выполнено из глинобетона.
Плотина Дурласбоден высотой 70,0 м построена в 1967 г. в Австрии на толще аллювия, в котором выполнена противофильтрационная завеса глубиной 75 м. За плотиной сделана пригрузка и устроены дренажные скважины.
Тонкие ядра и экраны из связных грунтов.
Рис. 5-2. Плотина Дурласбоден.
1 — ядро из глинобетона; 2 — двухслойный фильтр; 3 — отсыпка из гравелистого грунта; 4 — тоже из камня; 5 — пригрузка из вскрышных грунтов; 6 — каменная наброска; 7 — переходная зона из грунта крупностью более 80 мм; 8 — крепление крупным камнем; 9 — понур из глины; 10 — цементационная галерея; 11 — противофильтрационная завеса; 12 — одерновка откоса; 13 — дренажный колодец и разгрузочная скважина; 14 — аллювий; 15 — скала.
Физико-механические свойства грунтов, использованных в противофильтрационных устройствах каменно-земляных плотин
Такие ядра или экраны имеют ширину подошвы до 0,5Н. Характерными примерами плотин с тонкими ядрами являются плотины Тиквеш высотой 113,5 м (рис. 5-3,а) и Калиманци (рис. 5-3,б) высотой 92,0 м. Ядра этих плотин имеют ширину по подошве соответственно 23,0 и 20,0 м, или 0,2Н. Для ядер плотин Тиквеш и Калиманци использованы суглинки, имеющие следующие характеристики: карьерная влажность 17,5—23,3% и 5,7— 12,2%; оптимальная влажность 21,0% и 8,6— 13,5%; плотность уложенного грунта в ядре 1900 кг/м3 и 1730—1900 кг/м3; коэффициент фильтрации 10-6 и 10-7 см/с; угол внутреннего трения 20° и 23°30'—28°30'; сцепление 20 кПа и 6—30 кПа.
Примерами плотин с тонкими экранами являются Шанце (см. рис. 3-4) и Ангат (рис. 5-4).
Таблица 5
Рис. 5-3. Плотины с тонкими ядрами.
а — плотина Тиквеш; б — плотина Калиманци; 1 — ядро из суглинка; 2 — щебень песчаника; 3 — мелкий камень; 4 — карьерный камень; 5 — каменная наброска; 6 — отсортированный крупный камень; 7 — каменная облицовка; 8 — противофильтрационная завеса; 9 — дресва сланца; 10 — щебень мергеля; 11 — песчано-гравелистый грунт; 12 — бетонная стенка.
При обосновании плотины Гепач было проведено сопоставление ее с построенными каменно-земляными плотинами с точки зрения противофильтрационных устройств и их характеристик [Л. 114]. Основные данные по этим плотинам приведены в табл. 5-2. На рис. 5-5,а даны экраны и ядра этих плотин, изображенные в одном масштабе. Для большей наглядности точки на этих конструкциях с низовой стороны, отвечающие максимальному градиенту, расположены на одной прямой, имеющей уклон 1 :2, и от этой линии отложены по горизонтали значения ширины экранов и ядер. Если снести на эту горизонталь минимальную ширину ядра или экрана по нормали к верховой грани, то можно определить максимальный градиент фильтрации для рассматриваемого случая. Для этого следует воспользоваться шкалой наклонных лучей, на которой даны отношения, обратные величинам максимальных градиентов (z/b).
На рис. 5-5,б даны градиенты каждой плотины, пределы изменений коэффициентов фильтрации грунтов ядер или экранов, а также теоретические значения скоростей фильтрации при полном водохранилище. Из рис. 5-5,б и табл. 5-2 видно, что максимальные градиенты имеют плотины с экраном Браунли (8,40) и Нантахала (8,06), а с ядром Зильвенштейн (4,62) и Кугар (4,20).
Рис. 5-4. Плотина Ангат.
1 — экран из суглинка; 2 — двухслойные фильтры; 3 — каменная отсыпка; 4, 5 — каменная наброска, отсыпанная различными ярусами; 6 — крепление откоса камнем; 6' — бетонная плита экрана; 7 — поверхностная цементация; 8 — цементационная завеса; 9 — кровля слегка выветрелой скалы; 10 — валуны и гравий.
Ширина экрана или ядра по подошве, как это видно из табл. 5-2, изменяется от 14,0 м на плотине Зильвенштейн, где ядро из глинобетона, до 55,6 м на плотине Серр-Понсон, где ядро из пролювиальных щебенистых грунтов с их песчано-глинистым заполнителем. Относительная ширина подошвы ядра этих плотин (0,35-0,46)Н.
Толщина тонкого экрана или ядра по подошве плотины изменяется в довольно широких пределах и определяется наличием грунта, его сдвиговой и фильтрационной прочностью.
Грунты, обладающие малым сопротивлением сдвигу, могут применяться только для отсыпки ядра.
Рис. 5-5. Тонкие ядра и экраны плотин.
а — сечение ядер и экранов; б — график зависимости скорости фильтрации от коэффициента и градиента фильтрации. Плотины: 1 — Зильвенштейн; 2 — Фрейбах; 3 — Перуча; 4 — Бэр-Крик; 5 — Нантахала; 6 — Браунли; 7 — Каджакай; 8 — Серр-Понсон; 9 — Трангслет; 10 — Кугар; 11 — Гешёненальп; 12 — Гепач (для естественного грунта); 13 — то же с бентонитом; V — скорость фильтрации при минимальном подпорном уровне.
Для экрана стремятся применять более прочные грунты, чтобы не прибегать к уполаживанию верхового откоса или устройству большей его пригрузки.
Грунты в экран или ядро укладывают с карьерной влажностью, близкой к оптимальной. В противном случае их доувлажняют в карьере или же подсушивают, чтобы довести их влажность до оптимальной. В силу высоких дренажных способностей переходных зон, окружающих экран или ядро, в плотины средних высот могут быть использованы грунты и с повышенной карьерной влажностью.
Для отсыпки экрана или ядра в особых случаях применяют отсортированные смеси грунтов и даже искусственно приготовленный глинобетон. Глинобетон по сравнению с суглинком или глиной при правильном подборе его состава обладает более равномерной сжимаемостью, высокой статической и эрозионной устойчивостью и меньшей чувствительностью к осадкам. Он является хорошим, но дорогостоящим материалом, а потому и находит ограниченное применение.
Наиболее значительные примеры применения глинобетона: экраны дамб из наброски камня, образующих напорный бассейн ГАЭС Хаппург, — 100 тыс. м3 глинобетона; ядро плотины Зильвенштейн — 40 тыс. м3 глинобетона; ядро плотины Гешёненальп — 800 тыс. м3 глинобетона и ядро плотины Дурласбоден — 455 тыс. м3 глинобетона.
Выбор грунтового экрана или ядра решается в проекте плотины по совокупности всех факторов, присущих каждой из этих конструкций, а именно: камня в наброске, условий сопряжения с берегами, осадки наброски, противофильтрационных устройств в основании, ширины плотины по основанию, условий производства работ и технико-экономических показателей.
При составлении проекта плотины Кугар высотой 158,0 м в США сначала была принята плотина с грунтовым экраном. В дальнейшем на основе учета указанных выше факторов, главным образом большей чувствительности экрана к осадке наброски высокой плотины, сооружаемой в сейсмическом районе, предпочтение было отдано плотине с наклонным ядром.
Боковые призмы плотины Гешёненальп отсыпаны из щебенистых грунтов — материалов осыпей крупностью до 1,0 м, а центральное ядро шириной поверху 5,5 м и по подошве 47,0 м, т. е. 0,39/7, а на глубине 100 м 33,0 м при., градиенте 3,0, выполнено из глинобетона. Глинобетон приготовлялся на бетонном заводе из сортированных заполнителей крупностью до 100 мм и 18% по массе аполиновой глины в порошке. Эта глина имеет плотность 2650—2750 кг/м3, влажность — 4%, пределы пластичности 15—17% и текучести 40—45%.
Глинобетон приготовляли с влажностью 6—8%, укладывали слоями 0,3 м и уплотняли 35—45-тонными пневмоколесными катками до плотности 2100 кг/м3. Коэффициент фильтрации уплотненного глинобетона составлял 10-7-10-8 см/с. Исследования глинобетона показали, что на его плотность оказывает большое влияние избыточная (на 1—2%) влажность. Поэтому его мелкие заполнители (до 8 мм) проходили предварительную сушку в печах до влажности 3—4% и хранились в закрытом складе. Контактный слой глинобетона по скале укладывали тонкими слоями при большей пластичности и тщательно уплотняли. Плотность и влажность постоянно контролировали во время производства работ. Переходные зоны укладывали и уплотняли так же, как и ядро.
Боковые призмы отсыпали слоями по 2,5 м пионерным способом и уплотняли только проходящими автосамосвалами. Плотность отсыпки составляла в среднем 2150 кг/м3. По мере возведения плотины закладывалась контрольно-измерительная аппаратура.
Характеристика противофильтрационных устройств
- Числитель — высота над руслом, знаменатель — над скальным основанием.
- Для плотины Гепач в числителе даны значения для отсортированного грунта, в знаменателе — для смеси с бентонитом.
Ядра и экраны из крупнообломочных грунтов.
Песчано-гравелистые грунты из аллювиальных отложений из-за высокой проницаемости применяются редко. Исключением является плотина Даллес, где для экрана применены такие грунты в расчете на их кольматаж, что и подтвердилось опытом эксплуатации: первоначальные потери воды на фильтрацию составляли около 3,0 м3/с, а через 2 года снизились вдвое.
Для отсыпки экрана противофильтрационных частей, как это видно из табл. 5-1, используются грунты с широкими диапазонами гранулометрического состава. На рис. 5-6 даны гранулометрические кривые пригодности грунта для отсыпки плотин. Лессовидные грунты (кривая I) из-за трудности их уплотнения и высокой суффозионности применяются редко. Наиболее широко применяются для противофильтрационных устройств плотин моренные грунты, которые представляют собой смесь валунов с песчано-гравелистым заполнителем, они ограничены кривыми III и IV. Обычно в моренных грунтах содержится около 44% мелкозема-заполнителя (фракции песка, пыли и глины), около 26% гравия и гальки, а также 20% валунов крупнее 100 см.
На отдельных участках в районе Нивских плотин содержание валунов колебалось от 17 до 27%. По крупности они распределялись: 10—50 см — 60%; 50—100 см — 30% и крупнее 100 см — 10%. Такой грунт характеризуется плотностью скелета 2170 кг/м3 без валунов и 2300 кг/м3 с валунами, коэффициентом фильтрации 10-5—10-6 см/с, углом внутреннего трения 29-31° и нулевым сцеплением.
Рис. 5-6. Предельные кривые гранулометрического состава грунта, пригодного для отсыпки противофильтрационных устройств плотин.
- IV — зона грунта для отсыпки с уплотнением укаткой; II—III — тο же для грунта, отсыпаемого в воду; I—II — зона лессов и лессовидных грунтов.
На рис. 5-7 приведены гранулометрические составы моренных грунтов, использованных для отсыпки ядер ряда отечественных и зарубежных плотин. Из рассмотрения этих кривых видно, что в таких грунтах фракций мельче 0,05 мм содержится от 7 до 22%, мельче 1 мм — от 33 до 62% и мельче 10 мм — от 48 до 90%. По американским данным в слабопроницаемых скелетных грунтах фракций пыли и глины (мельче 0,074 мм) должно быть не меньше 13% [Л. 131].
Моренный грунт характеризуется высокой сдвиговой и фильтрационной прочностью, насыпь из такого грунта имеет малую осадку. Это подтверждено опытом строительства каменно-земляных плотин на Кольском полуострове в СССР и в Швеции.
В ядре Нурекской плотины используются пролювиально-делювиальные щебенистые грунты с песчано-пылеватым заполнителем из конуса выносов. По условиям их образования они имеют хаотическое залегание в карьере и являются очень разнообразными по составу. В карьере выделяются четыре зоны (рис. 5-8,а) грунтов, которые по своему гранулометрическому составу изменяются от лесса (зона Г), содержащего пыль и глину от 74 до 96%, до щебенистого грунта (зона Б), в котором пыли и глины меньше 10—18%. Грунт имеет неоднородную и недостаточную карьерную влажность от 6 до 14%. Доувлажнить такой грунт в карьере невозможно. Чтобы из такого неоднородного грунта получить более или менее однородный (зона А) и пригодный для отсыпки ядра грунт, производится отсортировка из него фракций крупнее 200 мм и доувлажнение на высоком отвале.
При отсутствии пригодных для отсыпки ядра или экрана карьерных грунтов в последнее время начинают применять дресву выветрившихся горных пород. В ядро плотины Биас высотой 132,6 м отсыпались песчаники и алевролиты,. измельченные в процессе их разработки и уплотнения в насыпи. Сначала на опытной насыпи, отсыпанной с различным соотношением песчаников и алевролитов, была отработана технология их уплотнения и подтверждена возможность их применения в ядре плотины.
Раздробленная порода отсыпалась и разравнивалась до толщины слоя 0,2 м, уплотнялась кулачковыми катками до 0,15 м (давление- 3000 кПа). Образцы, взятые из такой насыпи, показали следующие результаты: плотность. 1960 кг/м3; k=10-7-10-8 см/с, средняя влаж ность 9,5%; угол внутреннего трения 29,6° и сцепление 115 кПа.
Рис. 5-7. Гранулометрический состав моренных грунтов: а — плотины Советского Союза: 1 — предельные Серебрянской; 2 — осредненная Нивских; 3 — то же Иовских; 4 — то же Верхнетуломской; 5 — то же Усть-Хантайской; б — зарубежные плотины: 1 — Тюстервант; 2 — Арстатдален; 3 — Трангслет; 4 — Мессауре; 5 — Хольес; 6 — Хилс-Крик.
Рис. 5-8. Гранулометрический состав карьерных грунтов (а) и насыпи ядра (б) Нурекской плотины. 1 — приконтактная зона; 2 — основной грунт ядра.
Рис. 5-9. Плотина Эукумбен.
- — ядро из дресвы гранита; 1а — то же из крупной дресвы; 2 — переходная зона; 3 — каменная отсыпка; 4 — противофильтрационная завеса; 5 — зона поверхностной цементации; 6 — песчаники и кварциты.
На строительстве плотин Яаназе высотой 115,0 м и Мизакубо—105,0 м в Японии материалом для отсыпки ядра служила выветрелая скала. Скала сначала отсыпалась тонкими слоями и затем разрушалась бульдозерами. Такой материал содержал мелкозем (фракции меньше 5 мм) 50—60%, что достаточно для обеспечения фильтрационной прочности ядра при соответствующем его уплотнении.
Использование дресвы гранита для водоупорной призмы плотины Белмекен высотой 94,0 м в Болгарии позволило исключить привозной (переувлажненный) суглинок, устранить трудности уплотнения такого грунта в отсыпке и существенно уменьшить объем каменной наброски.
Толстые экраны и ядра, водоупорные призмы.
Эти части плотин представляют собой противофильтрационные устройства с относительной шириной у подошвы (0,5-1,5)Н и (1,5-2,5)Н. Примерами плотин с такими противофильтрационными конструкциями могут быть плотина с экраном Трангслет с шириной подошвы 83,0 м, или 0,68Н и плотина Миборо с шириной подошвы 100 м, или 0,76Н; плотина с ядром Блу-Меза с шириной подошвы 125 м, или 1,2Н, и плотина с ядром Черри- Вэлли с шириной подошвы 150 м, или 1,5Н.
Форма ядра может быть симметричной с заложением откосов от 0,5 до 0,75 и несимметричной.
Примером плотины с водоупорной призмой может быть плотина Эукумбен высотой 116,1 м (рис. 5-9) длиной 579 м и объемом 6736 тыс. м3, построенная в 1958 г. в Австралии. Ширина подошвы водоупорной призмы из насыпи дресвы гранита составляет 1,6Н.
Для отсыпки таких экранов, ядер и водоупорных призм используется имеющийся грунт, а с учетом условий строительства принимаются их размеры.
Обычно отсыпка ядра, переходных зон и боковых призм производится одновременно. Иногда в зимних условиях отсыпка призм опережает отсыпки ядра и переходных зон, а в плотинах с водоупорной призмой последняя обычно опережает отсыпку боковых призм, которые превращаются в пригрузку откосов плотин.
Новые композиционные материалы для ядра плотин.
При проектировании Высотной Асуанской плотины, которая сооружалась в зоне существующего водохранилища с глубиной воды 30 м, были проведены исследования в лабораторных и производственных условиях замыва каменной наброски песком. Замыв песком производили в различных гидравлических условиях и при значительных градиентах фильтрации. Опыты показали, что при замыве сортированного камня, отсыпанного под воду и находящегося под небольшим напором, обеспечивающим постоянный ток воды через наброску, происходит полное заполнение пустот песком. Еще более благоприятное заполнение пустот камня песком имеет место при замыве надводной части наброски.
Впервые в практике плотиностроения нижняя часть плотины была выполнена из замытой песком каменной наброски в верховом и низовом клиньях, а средняя часть плотины — из намытого песка с подводным уплотнением (см. рис. 3-13). Мелкозернистые пески намывались и уплотнялись на глубину 15 м виброфлотацией. Таким образом было уплотнено 3400 тыс. м3 намытого песка с расходом электроэнергии 0,18 кВт-ч/м3.
Новое конструктивное решение, предусматривающее превращение фильтрующей каменной наброски в водоупорную часть плотины, представляется весьма перспективным. Это позволяет в определенных условиях возводить каменно-земляные плотины в неосушенном котловане, без подготовки основания, устройства перемычек и обратных фильтров, но с отводом реки.
Замытая песком наброска является новым композиционным материалом, который позволяет обеспечить водонепроницаемость каменно-земляных плотин. Исследованиями такого материала установлено [Л. 29]:
при замыве камня, отсыпанного под воду и находящегося под небольшим напором, обеспечивающим постоянный ток воды через наброску, получается полное заполнение пустот песком с плотностью 1550-1600 кг/м3. Еще более высокая плотность получается при заполнении песком от замыва надводной части каменной наброски;
водонепроницаемость замытой песком наброски равна водонепроницаемости чистого намытого песка или несколько меньше;
сопротивляемость сдвигу замытой песком наброски определяется коэффициентом внутреннего трения камня в наброске;
сжимаемость замытой песком наброски имеет осадку, в несколько раз меньшую, чем сжимаемость чистого камня в наброске;
устойчивость замытой песком наброски не теряется под влиянием динамических воздействий из-за разжижения песка в ее порах.
Ядро плотины из такого материала, сооружаемое в неосушенном котловане, не только обеспечивает водонепроницаемость плотины, но и позволяет отказаться от устройства фильтров по подошве низового клина и в местах сопряжения камня с песчаными призмами в ее теле.
