Первые каменнонабросные плотины с экраном строили из наброски камня без уплотнения. Осадки этих плотин, как это видно из рис. 7-9, носят незатухающий характер и достигли следующих величин: на Дикс Ривер за 32 года — 1,6; на Свифт за 32 года — 2,5; на Широковской за 25 лет— 1,85%. Характер и интенсив ность осадок этих плотин примерно одинаковы. На рис. 7-14 даны графики деформации Широковской плотины. Незатухающая осадка плотины — результат непрочного камня (известняк и алевролиты), отсыпанного без уплотнения, в сочетании с суровыми климатическими условиями.
Наброска камня, отсыпаемая с гидравлическим уплотнением струями гидромониторов под давлением 0,3—0,5 МПа с трех-, четырехкратным расходом воды, дает в плотине значительно меньшую осадку, об этом свидетельствуют наблюдения за осадками плотин; так, на плотине Солт Спрингс за 28 лет относительная осадка достигла 1,1%. Некоторые исследователи считают, что при годовой осадке каменной наброски 0,02% осадки плотины стабилизировались. Поэтому указанные выше плотины являются плотинами со стабилизированной осадкой, что нельзя сказать об осадке каменнонабросных плотин, отсыпанных без уплотнения.
На каменно-земляных плотинах с экраном длительные наблюдения за осадкой велись на плотине Нантахала (18 лет), где относительная осадка достигла 1,24%. На плотинах Кенни, Бэр-Крик и Седар-Клиф наблюдения велись 10 лет. Осадка их изменялась от 0,54 до 0,64% и везде стабилизировалась. Наблюдения за деформациями плотин Кенни и Миборо показали, что осадки в продольной оси плотин изменяются в соответствии с высотой, а горизонтальные смещения гребня составляют около 74% осадки на плотине Кенни и почти 100% осадки на плотине Миборо. Горизонтальные смещения гребня плотины Миборо, как это видно из рис. 4-22, следуют за изменением уровня воды водохранилища и только проявление сейсмики это нарушает.
Каменно-земляные плотины с ядром начали строить позднее и данных наблюдений за их осадками еще меньше. Наиболее длительные наблюдения за осадками (в течение 11 лет) велись на плотине Мад Маунтин, которая дала осадку всего 0,19%. Плотины Уотога, Сауте Холстон и Перуча по данным 6-летних наблюдений дали следующие осадки: 0,70; 1,01 и 0,80%. Осадки на всех плотинах стабилизировались.
Осадка тела плотины, уплотненная укаткой или трамбовкой, может характеризоваться следующими значениями: на плотине Ниссастрем за 4 года — 0,02; Куойч за 4 года — 0,05 и Льюис Смит за 3 года — 0,12%.
Рис. 7-15. Графики деформации плотины Раунд Бютт во время заполнения водохранилища. 1 — гребня плотины; 2 — верховой призмы.
Горизонтальные деформации — смещения, перпендикулярные оси плотины. После заполнения водохранилища наблюдаются горизонтальные смещения боковых призм в плотинах с ядром. Как видно из рис. 7-15, в наибольшей степени происходит смещение верховой призмы, где под влиянием воды уменьшается сдвиговая прочность камня. Наблюдения за такими смещениями на большинстве плотин велись по поверхностным реперам. На плотинах Инфернильо, Дюнн и Беннет горизонтальные смещения были замерены также внутри плотины. Смещения ядра во время строительства плотины Инфернильо по показаниям инклинометров наблюдались в сторону как верхнего, так и нижнего бьефов, но по размерам они были незначительными (20—40 мм). Смещения нижней части асфальтобетонной диафрагмы плотины Дюнн к концу строительства достигали 16 мм.
В низовой призме плотины Инфернильо наблюдались смещения до 310 мм в сторону нижнего бьефа. При наполнении водохранилища началось смещение ядра в сторону верхнего бьефа, которое достигло наибольшего отклонения от вертикали при половинном напоре на плотине (рис. 7-16). Дальнейшее повышение уровня воды вызвало изменение направления смещений, и ядро возвратилось в первоначальное положение. Подобная картина наблюдалась на плотинах Дюнн и Перуна.
Для наблюдений за состоянием и поведением ядра Чарвакской плотины установлены две смотровые шахты (см. рис. 3-8 и 7-2) диаметром 2,4 м, смонтированные из металлических звеньев длиной 5,0 м по мере роста высоты плотины. К концу 1970 г., когда началось заполнение водохранилища, шахта № 1 достигла высоты 45 м и шахта № 2 — 70 м. В процессе отсыпки ядра и первого заполнения водохранилища ось шахты № 1 отклонилась в сторону водохранилища на 999 мм и шахта № 2 на 630 мм. По мере заполнения водохранилища отклонение шахты № 2 уменьшилось до 458 мм. Одновременно с отклонением шахт, характеризующих деформации ядра, произошли развороты их оси в сторону: шахты № 1 до 11°15' и шахты № 2 до 8°.
О горизонтальных смещениях гребня плотины Гешёненальп можно судить по смещениям поверхностных реперов 14 и 18 во время второй сработки водохранилища в 1961 г. и его заполнения в 1962 г. (рис. 7-17). При последующих циклах работы водохранилища перемещения этих реперов резко уменьшились.
Смещения гребня в сторону верхнего бьефа наблюдались также на плотинах с водоупорной призмой: Тума высотой 68 м и Черри Вэлли высотой 100 м при сработках водохранилища. На плотине Сауте Холстон высотой 86,5 м наблюдаются постоянные смещения гребня в сторону верхнего бьефа примерно до 100 мм. Замеренные горизонтальные смещения не превышают 0,20—0,35% высоты плотины. При последующих сработках и заполнениях водохранилища наблюдается затухание смещений гребня плотины с переходом от остаточных деформаций к упругим. Как правило, горизонтальные смещения гребня плотины бывают меньше вертикальных и во времени следуют за осадками.
Рассматривая отношение горизонтальных смещений гребня плотины к ее осадке за одно и то же время, можно видеть, что в каменнонабросных плотинах оно больше, чем в каменно-земляных с экраном. Так, для девяти плотин с железобетонным экраном горизонтальное смещение гребня изменялось от 49 до 92% их осадки, или в среднем 71%. Для девяти плотин с грунтовым экраном оно было равно 55% и изменялось от 24 до 80%. Эти соотношения зависят от заложения откосов плотины и степени уплотнения грунта в плотине.
Чем круче верховой откос плотины, тем больше горизонтальное смещение ее гребня.
Рис. 7-16. Горизонтальные смещения в плотине Инфернильо во время заполнения водохранилища.
Рис. 7-17. График деформаций гребня плотины Гешёненальп.
а — графики осадок реперов· 4, 6, 14, 28 и 16, б — горизонтальные смещения реперов 18 и 24 в зависимости от уровня водохранилища; в — график роста плотины и колебание уровня водохранилища; 1—11 — точки движения репера 16.
Более сложные явления происходят при горизонтальных смещениях гребня каменноземляных плотин с ядром. На плотине Миборо горизонтальные смещения были почти равны осадкам. На плотине Гепач они составили всего 51% осадки, на плотине Серр-Понсон они не превышали 13%, а на плотинах Дюнн и Перуча — всего 10% осадки.
На плотинах с ядром наблюдаются смещения гребня не только в сторону нижнего бьефа, но и в сторону водохранилища. Другой особенностью горизонтальных деформаций этих плотин является то, что иногда значительная доля таких деформаций является упругой. Так, на плотине Саутс Холстон наибольшее смещение гребня (75 мм) наблюдалось после первого заполнения водохранилища, в дальнейшем при каждом наполнении и опорожнении оно уменьшалось.
Рис. 7-18. Графики горизонтальных смещений в сторону русла ядра плотины Инфернильо.
Горизонтальные деформации — смещения вдоль оси плотины возникают в теле плотины под влиянием собственного веса на крутых участках береговых склонов. Такие смещения были замерены по поверхностным реперам на гребне плотин: Серр-Понсон, Перуча, Тума, Кенни, Ректор-Крик и др. На плотинах Инфернильо и Беннет они были замерены и внутри плотины с помощью инклинометров. Анализ данных замеров на этих плотинах (рис. 7-18) показывает, что основная часть этих деформаций происходит во время строительства и захватывает нижнюю часть плотины. Ядро смещается от склонов в сторону русла. Максимальные смещения находятся на высоте (0,3- 0,5)Н от основания и достигают 15—30% осадки соответствующей точки во время строительства. Во время первого заполнения водохранилища характер распределения смещений существенно изменяется. Центр тяжести дополнительных деформаций от воздействия воды перемещается в верхнюю зону плотины и гребня, где и достигает своего максимума. Эти деформации составляют 27— 85% соответствующих вертикальных осадок. Такое распределение горизонтальных смещений вдоль гребня плотины приводит к возникновению в грунте ядра деформаций переменного знака. Систематические измерения расстояний между поверхностными реперами на гребне плотины Инфернильо позволили выявить размещение таких зон, а также их положения в зависимости от заполнения водохранилища (рис. 7-19).
Возникновение зон сжатия и растяжения отмечено на плотине Серр-Понсон, где замеры показали незначительную деформируемость ядра, выполненного из скелетного грунта. Данные замеров на плотине Перуча показывают подобную картину размещения зон сжатия и растяжения и некоторую зависимость деформации от крутизны береговых склонов. Последняя ярко выражена в распределении деформаций плотины Нетцахуалкойотл вдоль ее оси. Деформации растяжения в ряде случаев приводили к образованию сквозных поперечных трещин по гребню плотины.
Рис. 7-19. Эпюра горизонтальных деформаций гребня плотины Инфернильо во время первого заполнения водохранилища.
На гребне плотины Инфернильо деформации растяжения были замерены еще до заполнения водохранилища (25/VI). Наполнение водохранилища до 0,5Н привело к резкому увеличению относительных деформаций и образованию трещин на гребне вблизи береговых примыканий. Трещина распространялась на глубину 3,5 м.
На плотине Ректор-Крик высотой 55,0 м через месяц после первого заполнения водохранилища на гребне в 25 м от правобережного примыкания открылась сквозная трещина шириной 2 см, распространившаяся на глубину более 7,5 м. После заделки этой трещины они периодически появлялись то на одном, то на другом береговом примыкании. Возникновение трещин совпадало с интенсивными осадками тела плотины и отклонением гребня в сторону верхнего бьефа.
