Рис. 7-8. Горизонтальные смещения верхового откоса каменнонабросной плотины, измеренные на высоте 0,4Н после второго заполнения водохранилища.
С ростом высоты плотины возрастают и трудности их проектирования. На рис. 7-8 дана диаграмма горизонтальных смещений экрана каменнонабросных плотин от гидростатического давления в зависимости от высоты плотины. Эти смещения с высотой плотины возрастают по квадратичному закону и с некоторой высоты становятся опасными для железобетонного экрана. Этим и следует объяснить переход от каменной наброски к каменной отсыпке с уплотнением виброкатками и от каменнонабросных плотин к каменно-земляным. Как показал опыт, это не решает полностью проблемы строительства сверхвысоких плотин. Одной устойчивости таких плотин недостаточно, для ее полной надежности необходимо предохранить плотину от чрезмерных деформаций и трещинообразования в ядре.
Деформации тела плотин выражаются в виде: вертикальных деформаций осадок ядра и упорных призм; горизонтальных деформаций смещений ядра и упорных призм в направлении, перпендикулярном оси плотины и параллельном ей.
Эти деформации, различные по величине, могут быть знакопеременными. Если в ядре они происходят в результате консолидации грунтов под влиянием собственного веса и давления воды на плотину и развиваются равномерно, то в каменной наброске процесс консолидации происходит в результате разрушения контактов между отдельными камнями под влиянием действующих нагрузок. После каждого силового воздействия наступает новое состояние прочностного равновесия контактов и происходят соответствующие деформации наброски в плотине при разрушении таких контактов, если данное силовое воздействие больше предыдущего или если со временем прочность камня в наброске уменьшается. Характер кривых деформаций плотин объясняется постоянными воздействиями на контакты между камнями различных нагрузок, а также уменьшением их прочности.
Каждый нагруженный контакт камней в наброске под влиянием действующих сил начинает разрушаться, плоскость соприкосновения увеличивается, что приводит к наступлению прочностного равновесия, иногда очень кратковременного, с соответствующим прекращением деформаций. В дальнейшем практически любое увеличение действующих в наброске усилий или уменьшение прочности камня, как это имело место на плотине имени В. Коларова, будет вызывать в ней дополнительные деформации.
Плотина имени В. Коларова высотой 48 м и объемом 140 тыс. м3, в том числе 95 тыс. м2 сухой кладки, построена в Болгарии в 1949 г. Профиль плотины имеет очень крутые откосы: 1:0,7—верховой и 1:1,0 — низовой, а водохранилище каждую зиму полностью срабатывается. За первые 11 лет эксплуатации нестабилизировавшиеся деформации достигли: вертикальная осадка 695 мм, а горизонтальные смещения 765 мм. Причиной таких высоких осадок плотины из сухой кладки (1,4%) и горизонтальных смещений (на 10% больше осадки) является разрушение камня кладки от выветривания и постоянных изменений напряжений во время ежегодных сработок и заполнений водохранилища.
Для предотвращения дальнейшего развития деформаций кладка плотины была омоноличена песчаноцементным раствором из скважин, пробуренных с гребня. В плотину было закачено 49 тЫс. м3 раствора, т. е. 35% объема тела плотины, что подтверждает высокую пустотность кладки (часть раствора терялась через швы в облицовке низового откоса плотины). Одновременно было проведено исправление просевшего гребня плотины с повышением его на 1,1 м. Эти мероприятия исключили последующие деформации.
Водонепроницаемость Широковской плотины (см. рис. 1-3) достигается дерево-битумным экраном, уложенным по подэкрановой сухой кладке толщиной по основанию 7,7 и поверху 2,0 м, которая со стороны экрана на толщину 1,0 м уложена на растворе. Верховой клин плотины выполнен из крупных камней с подбором, а низовой — из наброски из рваного камня, отсыпанного без уплотнения. Для наброски использовался карьерный камень — известняк и алевролиты. Основанием плотины являются песчаники в пределах верхового и аргиллиты, прикрытие аллювием, в пределах низового клина. Сопряжение экрана с основанием достигается железобетонным понуром длиной 31 м.
Плотина от водослива отделена железобетонным устоем, к которому она примыкает стенкой из сухой кладки шириной 4—7 м и наброской из крупного с подбором камня шириной 6—10 м. Сопряжение экрана плотины с раздельным устоем выполнено шпонкой.
При возведении плотины для наблюдений за ее деформациями была заложена сеть поверхностных марок и марок внутри плотины. Наибольшая осадка за время эксплуатации плотины на 1/VIII 1971 г. по гребню составила 742 мм, или 1,85% высоты. Кроме того, произошли горизонтальные смещения гребня плотины в сторону нижнего бьефа до 958 мм, или 2,39% высоты плотины. В условиях как Широковской плотины, так и плотины имени В. Коларова горизонтальные смешения оказались больше вертикальной осадки.
Такие деформации Широковской плотины, выполненной с достаточно крутыми откосами из неуплотненной наброски, являются следствием ее напряженного состояния. А суровые климатические условия усложнили эксплуатацию плотины и привели к разрушению камня в наброске. Деформации плотины находятся в слабо затухающем состоянии, и всякие сравнительно небольшие изменения внешних условий вызывают активизацию ее деформаций. Таким образом, на Широковской плотине наблюдаются почти такие же явления, как и на плотине имени В. Коларова.
Для предотвращения дальнейшего развития деформации предполагается усиление плотины, которое будет выполнено в виде:
замоноличивания цементно-песчаным раствором зоны примыкания плотины к раздельному устою, чтобы не допустить разрыва шпонки между экраном плотины и устоем;
Рис. 7-1. Размещение контрольно-измерительной аппаратуры в плотинах Инфернильо (а) и Серр-Понсон (б).
1 — плотина; 2 — деривационные туннели; 3 — водосбросные туннели; 4 — строительный туннель; 5 — ядро; 6 — переходная зона; 7 — отсыпка аллювиальных грунтов; 8 — противофильтрационная завеса; 9 — аллювий; 10 — скала; Р — поверхностный репер; Г — глубинный репер; И — инклинометр; П — открытый пьезометр; А — акселерометр; Д — датчик давления.замоноличивания низового откоса плотины цементно-песчаным раствором или заполнения пустот наброски песком путем его замыв а в наброску плотины, чтобы прекратить поступление холодного воздуха зимой в тело плотины и разрушение камня в наброске.
В настоящее время на плотине ведутся работы по замыву пустот в наброске песком.
При уплотнении каменной наброски ударными или вибрационными механизмами можно искусственно разрушить контакты и этим уменьшить последующую деформацию плотины. Поэтому основным способом предупреждения значительных деформаций каменной наброски высоких плотин является уплотнение перегруженных частей в профиле плотины укаткой или заполнение пустот песчано-гравелистым грунтом.
Расчетные деформации зависят от времени, что подтверждается лабораторными и натурными исследованиями. Графики осадок плотин во времени (рис. 7-9) имеют однородный характер и разнятся лишь значением конечной осадки, которое зависит от способа уплотнения и прочности камня. По каждому из этих графиков можно выделить строительный период, период наполнения водохранилища и эксплуатационный период.
В строительный период происходит большая часть осадок плотины, в период наполнения водохранилища наиболее интенсивные деформации в виде осадок и горизонтальных смещений гребня плотины как вдоль, так и поперек оси плотины.
Рис. 7-9. График относительных осадок плотин.
1 — линия осадки 0,2% за год; 2 — Солт Спрингс; 3 — Дикс Ривер; 4 — Нантахала; 5 — Широковская; 6 — Свифт.
Рис. 7-10. Мгновенная осадка от землетрясения плотины Инфернильо. 1 — осадки до землетрясения; 2 — то же после землетрясения.
Из графиков осадок плотин видно, что деформации во времени развиваются вследствие того, что при эксплуатации происходят постепенные изменения силовых воздействий в плотине и как следствие дополнительные разрушения контактов. В плотинах с ядром при наполнении водохранилища и изменениях его уровня вследствие периодического смачивания и высыхания верховой призмы происходят прочностные нарушения контактов камня, изменение сил трения между ядром, переходными зонами и призмой. Силовые воздействия этих факторов и прочностные изменения камня весьма разнообразны. Рост некоторых из них со временем прекращается, но некоторые, постепенно затухая, действуют в течение длительного периода эксплуатации (Широковская плотина).
Особый интерес представляет воздействие сейсмических колебаний на каменную наброску плотин. Такое воздействие как бы «утрясает» наброску, что приводит к скачкообразному виду графиков деформаций плотин, построенных в сейсмических районах. Об этом свидетельствуют наблюдения за осадками плотин Миборо (см. рис. 4-21 и 4-22) и Инфернильо (рис. 7-10).
Осадки плотин в строительный период.
Большая часть осадки тела плотин при жестком основании происходит во время строительства плотины. К сожалению, эти осадки плотин, за редким исключением, не измеряют. Исключением является строительство Вилюйской плотины, где по системе временных реперов удалось достаточно хорошо замерить осадку каменной наброски во время строительства плотины, начиная с апреля 1964 г. Осадки возводимой плотины развивались достаточно однообразно, без резких изменений и носили затухающий характер.
Для многоярусной каменной наброски осадка зависит как от времени, в течение которого простоял каждый ярус, так и от относительной высоты яруса (по отношению к возведенной высоте плотины). Для удобства составления данных наблюдений за осадками было предложено [Л. 23] понятие «осредненный возраст насыпи»: 
где Hi — высота яруса наброски, м; Н — высота возведенной плотины, м; ti — время от отсыпки яруса до начала измерения осадки, сут.
Наблюдения за осадками плотины в строительный период показали следующее: осадки росли интенсивно в первые 3—4 мес, после чего наступал период их стабилизации; стабилизация осадок совпадает с уменьшением интенсивности роста высоты плотины; резкое увеличение осадок от 0,8 до 1,4% происходит после частичного заполнения водохранилища.
По результатам наблюдений за строительными осадками Вилюйской плотины была предложена эмпирическая формула для определения относительной осадки, %, во времени [Л. 23]:
I
Как видно из рис. 7-11, расчетные осадки, начиная со 120 сут, близки к наблюденным. В начальный период (до 120 сут.) расчетные осадки получаются значительно больше наблюденных. Как показывают наблюдения (рис. 7-12), первое заполнение водохранилища дает увеличение осадки примерно на 1,5%.
Этой формулой можно пользоваться для предварительных расчетов строительных осадок каменной наброски, отсыпанной из аналогичного по составу карьерного камня без уплотнения. При этом следует иметь в виду, что во время измерений осадки наброска Вилюйской плотины находилась в замороженном состоянии.
Наблюдения за осадками в строительный период велись на плотинах: Гешененальп (осадка 1,46 м), Маттмарк (1,58 м), Серр- Понсон (0,76 м), Гепач (1,80 м), Инфернильо (1,30 м) и Дюнн (0,52 м). Первые три плотины возведены из крупнообломочных грунтов, а три последние — из уплотненной каменной отсыпки.
На рис. 7-13 даны графики осадки плотины Маттмарк во время ее строительства с 12/XII 1963 г. по 16/Х 1968 г., из которых видно, что 50% замеренной осадки произошло в первый год строительства.
Уплотнение грунта на плотинах Гешененальп и Маттмарк происходило только за счет проходящего автотранспорта, а на плотине Серр-Понсон — укаткой, что уменьшило ее осадку почти вдвое.
Рис. 7-11. Графики наблюденных и расчетных осадок во время строительства Вилюйской плотины по реперам 29—32.
Сплошные линии — замеренные осадки; пунктирные — расчетные.
Повышенная осадка верховой призмы плотины Гепач по сравнению с плотиной Инфернильо объясняется тем, что в ее боковые призмы отсыпали камень и зимой. Плотина Дюнн выполнена из мелкого камня, уплотненного укаткой, это и дало минимальную ее осадку.
Рис. 7-12. Графики осадки глубинного репера в русловой части (в проране) наброски Вилюйской плотины.
1 — уровень водохранилища; 2 — рост высоты плотины; 3 — осадки наблюденные; 4 — то же расчетные.
Рис. 7-13. График осадок плотины Маттмарк, измеренных по длине ее гребня.
Рис. 7-14. Графики деформаций гребня Широковской плотины.
13—20 — номера реперов.
