Глава седьмая
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЛОТИН
7-1. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ НА ПЛОТИНАХ
Проведение натурных наблюдений и исследований с помощью контрольно-измерительной аппаратуры обязательно для плотин I, II и III классов капитальности. Такие наблюдения по заранее составленной программе должны вестись систематически во время строительства и эксплуатации плотины, а их результаты периодически обрабатываться, чтобы постоянно следить за состоянием плотин. В состав наблюдений и исследований входят:
- наблюдения за деформациями тела и основания плотины;
- исследования порового давления и процессов консолидации грунтов ядра и экрана;
- исследования напряженного состояния тела и основания плотины;
- наблюдения за фильтрацией воды в теле плотины, основании и в обход сооружения;
- наблюдения за действием на плотину сейсмических сил для плотин, построенных в сейсмических районах;
- наблюдения за температурным режимом тела и основания плотины, построенной в суровых климатических условиях.
Наблюдения за деформациями тела и основания плотин имеют целью определить:
а) осадки и горизонтальные смещения гребня и откосов плотины;
б) деформации ядра вдоль оси плотины по направлению от береговых склонов к руслу;
в) местные деформации ядра;
г) возможность относительных перемещений ядра и низовой призмы;
д) осадки грунтов основания.
Контроль за осадками и смещениями плотины производят обычно геодезическими методами по поверхностным и глубинным реперам, «шведским колодцам» и створным знакам. Наблюдения за состоянием ядра высоких плотин, построенных в сейсмических районах, производят иногда с помощью измерительных галерей и шахт (Нурекская и Чарвакская плотины). Глубинные реперы позволяют производить 126 измерения осадки по глубине тела плотин средней высоты. Для высоких плотин для тех же целей применяют инклинометры.
Под влиянием неравномерных осадок в грунте ядра могут образоваться местные деформации, приводящие в некоторых случаях к образованию трещин. Наблюдения за подобными явлениями проводят с помощью деформометров, которые устанавливают по оси плотины и перпендикулярно там, где можно ожидать появления деформаций, в местах изменения уклонов береговых склонов и резких изгибов плотины в плане.
Наблюдения за относительными перемещениями ядра и низовой призмы ведут для выявления эффективности работы переходной зоны и определения послойного сжатия низовой грани ядра. Для этого применяют гидравлические реперы, действующие по принципу сообщающихся сосудов.
Наблюдения за осадками грунтов основания плотины позволяют оценить его работу под действием строительных и эксплуатационных нагрузок, а также контролировать состояние основания плотины.
Исследования порового давления и процессов консолидации грунта ядра и экрана позволяют проверить правильность их определения в проекте и судить о степени завершения осадки ядра и экрана на любой момент времени строительного и эксплуатационного периодов. Для наблюдений за поровым давлением используют мембранные датчики — пьезодинамометры, которые после рассеивания порового давления и установления в ядре или экране фильтрационного режима работают как пьезометры.
Исследование напряженного состояния тела и основания плотины. Напряженное состояние тела плотины с ядром позволяют определить взаимодействия образующих плотину элементов, т. е. ядра переходных зон и призм. Для оценки напряженного состояния тела и основания плотины необходимо проводить наблюдения за вертикальными напряжениями в отдельных элементах плотины, распределением бокового давления по низовой грани ядра и напряжений по контакту низовой призмы с основанием. Для этих целей применяют грунтовые динамометры мембранного типа, которые устанавливают в тех же створах, что и пьезодинамометры.
Наблюдения за фильтрацией воды в теле плотины, основании и в обход сооружения служат для определения: фильтрационного напора в теле и основании плотины по измерению пьезометрических уровней в теле, основании и береговых склонах; эффективности работы противофильтрационных и дренажных устройств; расходов воды, фильтрующейся через плотину и основание, а также изменения химического состава фильтрационных вод.
Для этих целей устанавливают двухтрубные пьезометры и используют пьезодинамометры. Измерения расходов фильтрующейся воды и контроль за изменением ее химического состава производят при помощи расходомеров с отбором проб воды.
Наблюдения за действием на высокие плотины сейсмических сил. На высоких плотинах, расположенных в сейсмических районах, подверженных землетрясениям силой 8 баллов и выше, необходимо производить наблюдения для выяснения влияния их на состояние и деформации плотины и основания. Для этого на гребне, в галереях или на низовом откосе плотины размещают несколько комплектов сейсмографов, а вблизи плотины — региональную сейсмическую станцию.
Рис. 7-2. Размещение контрольно-измерительной аппаратуры в Чарвакской плотине.
1 — планово-высотные реперы; 2 — поверхностные реперы; 3 — смотровые шахты; 4— измерительные трубки ИТ; 5 — деформометры; 6 — гидравлические реперы; 7 — пьезодинамометры; 8 — грунтовые динамометры в ядре; 9 — дистанционные динамометры.
Наблюдения за температурным режимом тела и основания плотин, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, необходимы для изучения температурного режима тела плотины и условий размораживания основания (Иреляхская плотина). Для этих наблюдений в тело и основание плотины закладывают систему телетермометров.
Рис. 7-3. Размещение контрольно-измерительной аппаратуры в плотине Майка.
1 — пьезометры; 2 — датчики смещения; 3 — датчики давления грунта: 4 — датчики горизонтальных напряжений; 5 — будки выводов кабелей; 6 — поверхностные реперы.
Объем натурных наблюдений и исследований, количество контрольно-измерительной аппаратуры и ее размещение в плотине назначают в проекте.
Они зависят от условий строительства, высоты плотины и тех задач, которые следует решить в результате исследований, руководствуясь требованиями ВСН 35-70 [Л. 10].
Контрольно-измерительная аппаратура должна быть размещена так, чтобы не мешать производству работ, а главное, чтобы могла быть сохранена во время строительства и эксплуатации плотины.
На рис. 7-1 показано размещение контрольно-измерительной аппаратуры на плотинах Инфернильо и Серр-Понсон, где заложено соответственно 100 и 140 различных приборов. На рис. 7-2 и 7-3 показано размещение контрольно-измерительной аппаратуры на Чарвакской плотине, где закладывается около 500 приборов и две смотровые шахты, и на плотине Майка, где установлено 340 приборов.
Рис. 7-4. Изотермы в призме Вилюйской плотины.
I — каменная наброска; II — переходная зона; III — экран из суглинисто-дресвяного грунта; IV — пригрузка камнем; 1—9, 27—38— точки измерения температуры
Для изучения фильтрационного режима в экране и температурного режима в упорной призме Вилюйской плотины заложены 18 пьезодинамометров и 66 телетермометров. Полученные по результатам наблюдений изотермы в упорной призме плотины, по состоянию на июль 1967 г, изображены на рис. 7-4.
Стоимость оснащения плотины контрольноизмерительной аппаратурой достаточно велика. Например, на плотине Гепач, где установлено 144 прибора, стоимость аппаратуры достигает 1% стоимости плотины, а на Чарвакской и Нурекской плотинах соответственно 1,7 и 1,0 %. Стоимость эксплуатации контрольноизмерительной аппаратуры, установленной на плотине Картерс, составляет около 2% ее стоимости в месяц. Учитывая это, не следует усложнять программу натурных наблюдений.
Наличие контрольно-измерительной аппаратуры на плотине Мессауре [Л. 125] позволило своевременно расшифровать ряд явлений, которые произошли во время ее постройки и заполнения водохранилища.
Рис. 7-5. Размещение контрольно-измерительной аппаратуры в плотине Мессауре.
1 — ядро из моренного грунта; 2 — переходные зоны; 3 — призма из каменной наброски; 4 — то же из гравелисто-галечного и валунного грунтов (морена); 5 — фильтры и дренажи; 6 — смотровой туннель; 7 — скважины с инклинометрами; 8 — реперы для измерения осадок; 9 — то же за смещением наброски; 10 — приборы для измерения порового давления; 11 — то же для измерения напряжений в ядре; 12 — телескопический репер.
Плотина оснащена следующей контрольно-измерительной аппаратурой (рис. 7-5): 5 инклинометров для измерения деформаций основания плотины, заложенных в скважинах, пробуренных из смотрового туннеля, 14 глубинных реперов в ядре, переходных зонах и теле плотины для определения осадок, 72 прибора для определения порового давления в ядре, 15 приборов в нижних слоях ядра и переходных зонах для определения вертикального и бокового давлений. На откосах плотины установлены поверхностные реперы, а на гребне — створные марки для определения осадок и горизонтальных смещений гребня.
Для наблюдений за осадками основания и тела Высотной Асуанской плотины, деформациями ядра и поровым давлением установлено 445 приборов контрольно-измерительной аппаратуры. Кроме того, ведутся наблюдения за фильтрационным режимом. За период наблюдений 1964—1971 гг. получены следующие результаты: осадки основания достигли 0,86 м, а полная максимальная осадка плотины, складывающаяся из осадки основания и собственно тела плотины, составила 2,06 м.
