5-2. ПЕРЕХОДНЫЕ ЗОНЫ И ОБРАТНЫЕ ФИЛЬТРЫ КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
Переходные зоны и обратные фильтры каменно-земляных плотин являются их основным элементом конструкции, от правильного подбора состава которой зависит надежность работы плотины.
Назначением переходных зон и обратных фильтров является защита ядра или экрана плотины от фильтрационных деформаций и механической суффозии, контактного размыва, залечивания трещин в случае их образования, а также для обеспечения надежного сопряжения ядра или экрана с боковыми призмами и пригрузкой экрана.
Если фильтры состоят из ряда слоев, обычно до трех с низовой стороны и до двух с верховой, то переходные зоны состоят из разнозернистых грунтов в виде одного, но более мощного слоя.
Для фильтров используются промытые и отсортированные песчано-гравелистые и галечные грунты, а также щебень. Для переходных зон могут быть использованы карьерные грунты требуемого естественного состава или после их обогащения с добавлением недостающих или удалением избыточных фракций. Для упрощения производства работ и удешевления стоимости плотины необходимо в первую очередь рассмотреть возможности использования имеющихся на месте грунтов для переходных зон.
Подбор гранулометрического состава первого слоя фильтров, в соответствии с Указанием ВСН 47-71 [Л. 79], производится из условия недопущения отрыва или отслаивания агрегатов частиц связного грунта на контакте с грунтом этого слоя. Практика показывает, что если из защищаемого грунта будут вынесены самые мелкие незащемленные его частицы в количестве до 3% по массе, то прочность грунта от этого не нарушится, поэтому такой грунт следует считать практически несуффозионным.
Грунт переходных зон следует считать несуффозионным, если он удовлетворяет следующему условию:
Для переходных зон рекомендуются грунты с высокой степенью разнозернистости, что позволяет использовать для этого карьерные или обогащенные грунты. Коэффициент разнозернистости грунта первого и последующих слоев обратных фильтров, защищающих связные грунты, следует принимать равным до 50.
Толщина первого слоя обратных фильтров для высоких плотин должна назначаться не только по условиям фильтрации и производства работ, но и с учетом горизонтальных смещений ядра (экрана) плотины от неравномерных деформаций и Тмин≥ 3+t' — суммарное горизонтальное смещение ядра в метрах, определяемое расчетом или по данным исследований). Толщина последующих слоев, если имеется в этом необходимость, может назначаться из условий производства работ, но не менее 3,0—3,5 м.
Расчетные градиенты Iр в связном грунте на выходе в первый слой фильтра определяются фильтрационными расчетами или методом ЭГДА. Для ядра плотины:
Рис. 5-10. Расчетные градиенты фильтрации.
1 — ядро плотины; 2 — переходная зона; 3 — призма плотины; 4 — градиент напора при вертикальной фильтрации в призме; Iк — то же при контактной фильтрации; Iв — то же высачивания; Iвмакс — то же максимальный на уровне грунтовых вод в нижнем бьефе.
Для плотины с экраном за расчетный градиент напора при выходе фильтрационного потока из экрана в первый слой фильтра рекомендуется принимать:
для призмы из каменной наброски
Проектирование и подбор гранулометрического состава фильтров переходной зоны производится в соответствии с ВСН 47-71. В соответствии с режимом работы верховой и низовой переходной зон подбор их состава выполняется отдельно для низового и верхового откосов. Гранулометрический состав фильтровой подготовки под креплением верхового откоса подбирается по тем же ВСН 47-71 из условий защиты экрана от контактного размыва.
1 При строительстве высоких плотин в Югославии для обратных фильтров и переходных зон используются и дресвяные грунты.
Для переходных зон и многослойных фильтров применяются только несвязные естественные грунты или искусственно полученные смеси путем рассортировки или дробления материалов из прочных пород. К таким грунтам относятся современные и древние аллювиальные отложения, пролювиально-делювиальные грунты из осыпей и конусов выноса. Предел прочности пород на сжатие должен быть не ниже 30 000 кПа, а для высоких плотин — не менее прочности камня, используемого в плотину. Если переходные зоны и фильтры не подвержены ежегодным замораживанию и оттаиванию, то к их материалам могут не предъявляться требования морозостойкости 1.
На рис. 5-11 приведены кривые гранулометрического состава грунтов некоторых плотин.
Для обратных фильтров используются как щебень, так и сортированный или обогащенный грунт (аллювий и морена), а для переходных зон — обогащенный или карьерный аллювий. Число слоев фильтра определяется характером грунтов ядра или экрана, с верховой стороны ядра их следует предусматривать только в пределах высоты сработки водохранилища, а ниже можно ограничиться одним слоем (Нурекская и Усть-Хантайская плотина) или его не делать (плотина Майка—см. рис. 6-10).
Так, на плотине Беннет (см. рис. 6-8) водоупорная призма из сортированного пылеватопесчаного грунта отделена от верховой призмы из сортированного грунта переходной зоной только в пределах сработки водохранилища, а от низовой — из карьерного грунта: переходной зоной (10% гравия и 90% песка) и дренажем (5% песка и 95% гравия), который прикрыт фильтром (25% песка и 75% гравия).
В ряде плотин крайние слои фильтров отделяются от наброски выравнивающим слоем мелкого камня (Вилюйская плотина), для чего обычно используется камень из подземных выработок и отходы карьера. На рис. 5-12 дано конструктивное решение фильтров и дренажей береговых участков Высотной Асуанской плотины.
Рис. 5-12. Конструкция фильтров и дренажей береговых частей Высотной Асуанской плотины.
1 — дюнный песок; 2 — крупнозернистый песок; 3 — щебень крупностью 5—25 мм; 4 — щелальский песок; 5 — карьерная мелочь камня; 6 — щебень крупностью 40—120 мм; 7 — карьерный камень; 8 — пластичная глина; 9 — рядовая глина; 10 — цементационная потерна 3,5x5,0 м; 11 — зона поверхностной цементации; 12 — дренаж для отвода профильтровавшейся через ядро воды; 13 — скала.
Для плотин, сооружаемых в сейсмических районах, толщину переходных зон следует увеличивать. То же следует делать и для переходных зон, отсыпаемых в воду.
Следует отметить, что неоднородность гранулометрического состава и уплотнения грунта в противофильтрационных частях плотины способствует образованию облегченных путей фильтрации и возникновению процессов местной суффозии. Поэтому в этих условиях единственной мерой для устранения подобных явлений и обеспечения надежной работы плотины являются обратные фильтры и переходные зоны.
