7-4. ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ПЛОТИНАХ И ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
Современное представление [Л. 116] о проблеме трещинообразования в плотинах можно уяснить из рассмотрения двух примеров плотин: Раунд Бютт и Гепач. Эти плотины из базальта и гнейса отсыпаны слоями по 0,6 м, имеют центральные ядра шириной по подошве 0,32Н из сортированного грунта на плотине Гепач и слабонаклонное ядро шириной 0,46Н из малопластичной супеси на плотине Раунд Бютт.
Вскоре после того, как плотина Раунд Бютт была поставлена под напор, произошли горизонтальные смещения призм (см. рис. 7-15). Верховая призма осела больше, чем низовая, вследствие чего гребень плотины растянулся в поперечном направлении на 21 см, что привело к образованию продольной трещины с шириной раскрытия 3 см на поверхности и 1 см на глубине 5 м.
Неравномерные осадки боковых призм плотины Гепач также вызвали уширение гребня и образование трещин, распространившихся на глубину до 5,0 м. Это явление объясняется тем, что низовая призма при заполнении водохранилища нагружается, а верховая при ее затоплении разгружается.
Следует заметить, что плотина Гепач построена в практически симметричном ущелье с достаточно крутыми склонами и ядром, расположенным на жестком скальном основании. Измерение осадок плотины показало, что они изменялись с высотой плотины до 100 см в русле, что должно было привести к сжатию верхней части ядра и растяжению на береговых склонах с возможностью образовании поперечных трещин в ядре, чего, однако, не произошло.
Аналогичные явления наблюдались на строительстве и при эксплуатации Серебрянской плотины. Вследствие разной деформации от осадки ядра и боковых призм наблюдались трещины вдоль гребня плотины. Ядро из моренного грунта отсыпалось в воду, а боковые призмы отсыпались пионерным способом ярусами высотой до 18 м из карьерного камня без уплотнения.
Наблюдения за осадками Серебрянской плотины были начаты с начала ее возведения. На основе анализа полученных осадок боковых призм можно сделать следующие выводы [Л. 26]:
а) основные осадки боковых призм произошли в первые два года, т. е. в период строительства плотины, при этом за первый год осадка составляла 2—5%, в следующем году 0,9—1,5% и к концу второго года суммарная осадка достигла 5—6%;
б) осадка призм происходила неравномерно: в верховой призме вследствие ее промачивания при пропуске строительного паводка 1969 г. и от заполнения водохранилища в 1970 г. осадка происходила более интенсивно, чем в низовой — сухой призме, и составила 7—8%;
в) осадка ядра за этот же период составила 1%, что привело к смещению боковых призм относительно ядра — до 0,6—0,7 м верховой и 0,12—0,15 м низовой — и образованию продольных трещин на гребне, в каменной наброске, переходных зонах, захвативших частично и ядро;
г) трещинообразование вдоль гребня наблюдалось по всей длине плотины и происходило особенно интенсивно в периоды создания подпора на плотине;
д) ширина раскрытия трещин от нескольких миллиметров до 30—50 мм и большинство из них расположено на расстоянии 1,5—2,5 м от границы ядра — переходной зоны.
Трещины были засыпаны грунтом, а неравномерности гребня плотины выровнены дополнительной подсыпкой. Такие же явления наблюдаются и на Чарвакской плотине. Однако их не следует рассматривать как представляющие опасность и осложнения в работе плотины.
Рис. 7-20. Трещины в гребне плотины Кугар.
1 — трещина длиной 31 м с шириной раскрытия 30,5 мм; 2 — трещина длиной 120 м с шириной раскрытия 15 мм; 3 — трещина длиной 75 м наклонная; 4 — упорные призмы из камня; 5 — карьерные отходы; 6 — гравий; 7 — ядро; А — зона отсыпалась слоями по 0,9 м и уплотнялась за два прохода трактора; Б — зона отсыпалась слоями по 0,3 м и уплотнялась 50-тонным катком за четыре прохода; В — зона отсыпалась слоями 0,6 м и уплотнялась 10-тонным виброкатком за четыре прохода.
Рис. 7-21. Деформации, замеренные на низовой призме плотины Утард 4.
а — горизонтальное смещение; б — осадки; 1 — 16/IX 1967 г.; 2 — 24/IX 1967 г.; 3 — 22/XI 1968 г.; 4 — 24/XI 1968 г.
Хотя переходные зоны уплотняются и слабее, они концентрируют напряжения, в ядре же, наоборот, происходит разгрузка вследствие зависания его по поверхностям переходных зон. Все это может привести к образованию горизонтальных трещин в ядре, что и наблюдалось на плотине Хайттжувет высотой 93,0 м, построенной в 1965 г. в Англии. В тонком ядре из моренного грунта и двухслойной переходной зоне из гравия и щебня при первом заполнении водохранилища, когда уровень воды не достиг 20 м проектного, появилась фильтрация, расход которой быстро возрос до 60 л/с. Бурением в ядре была установлена зона фильтрации, недостаточно пластичное ядро оказалось подвешено к переходным зонам, а напряжения в ядре при заполнении водохранилища снизились, что и привело к образованию ослабленных зон, в которых и появилась фильтрация. Подобное явление произошло на плотинах Бэлдерхэд и Мессауре с тонкими центральными ядрами, отсыпанными из моренных грунтов. Можно утверждать, что такие же явления были и на других плотинах, но они оказались скрытыми или незамеченными. Такие ослабленные зоны, вызванные трещинами в ядре, являются потенциально опасными, так как постепенно развивающаяся в них фильтрация может привести к серьезным нарушениям плотины.
Продольные трещины возникают и от неравномерных деформаций отдельных частей профиля плотины ввиду разных их осадок, вызванных различными условиями уплотнения грунта. Такие трещины наблюдались на ряде плотин, главным образом с водоупорными призмами; они неопасны для плотин, хотя глубина их достигала 7,0 м (рис. 7-20).
Наиболее опасными являются поперечные трещины, которые наблюдались на гребне ряда каменно-земляных плотин с центральным ядром. Такие трещины, приуроченные главным образом к береговым склонам, появлялись при первом заполнении водохранилища, а в некоторых случаях повторялись и в дальнейшем. Трещинообразование является предметом изучения многих исследований, однако единого мнения о происхождении трещин пока нет.
Бесспорно, одной из основных причин образования поперечных трещин в зоне береговых примыканий является неравномерность основания плотины, особенно в тех случаях, когда береговые склоны представлены скальным основанием, а русло — грунтами, дающими существенные деформации под нагрузкой (плотины Дункан и Маттмарк).
Однако поперечные трещины имели место на ряде плотин, где не наблюдалось неравномерных деформаций основания. Причины образования таких трещин отдельные исследователи объясняют по-разному. Так, анализ натурных наблюдений за деформациями 21 земляной и каменно-земляной плотин, в 13 из которых наблюдались трещины, показал, что первопричиной их образования является крутизна скальных склонов, к которым примыкает ядро плотины [Л. 104, 72а].
Наблюдения за состоянием плотины Утард 4 во время заполнения водохранилища и последующей ее работой показали, что произошла деформация плотины. Как это видно из рис. 7-21, они проходили от правобережного склона в сторону русла. Плотины Утард 4 и Фурнас являются убедительными примерами, что каменно-земляные плотины могут иметь надежное примыкание независимо от крутизны склонов и формы створа.
По результатам геотехнических исследований грунтов, отсыпанных в ядра плотин, предложена кривая «классификации плотин по трещинообразованию», по которой ориентировочно по характеру и состоянию грунта в ядре можно делать прогноз о возможном трещинообразовании [Л. 97, 72а].
Наблюдения за плотинами с ядрами из глинистых грунтов с числом пластичности больше 20% и тонким гранулометрическим составом показали, что они могут выдерживать большие деформации без образования трещин. Большинство плотин из таких грунтов, в которых возникали трещины, были уплотнены с влажностью ниже оптимальной [Л. 131].
Приведенные выше точки зрения ряда исследователей по вопросу трещинообразования в ядре каменно-земляных плотин дают основание для следующих выводов:
а) появление поперечных трещин, приуроченных к береговым примыканиям, связано с неравномерными деформациями основания плотины на склонах и в русле, а также с напряженно-деформированным состоянием плотины и появлением в верхней части плотины растягивающих напряжений;
б) на появление трещин оказывает влияние не только основание, но характер и состояние грунтов в ядре, а также условия сопряжения с береговыми склонами.
Плотина Беннет имеет прямолинейное расположение в пределах правобережного примыкания и криволинейное — левобережного (см. рис. 6-8, 6-9), а се асимметричное ядро выполнено из супесчаного грунта. Обрывистые склоны в пределах каньонной части русла при подготовке котлована частично уположены. Наблюдениями за работой плотины установлено: осадка основания, равномерная по створу, достигла 20 мм в русле; продольные деформации ядра в сторону русла при заполнении водохранилища — до 50 мм. Несмотря на такие деформации основания и плотины, трещин не образовалось.
С учетом опыта строительства плотин Беннет, Утард 4 и др. в проекте плотины Майка (см. рис. 6-11) намечены следующие мероприятия по предупреждению появления трещин в ядре:
а) плотине придано криволинейное расположение в плане, описанное радиусом ее оси 3050 м;
б) асимметричное, слегка наклонное ядро,
уширенное по подошве до 0,6Н и в зонах береговых примыканий поверху с 6 до 15 м на обоих берегах, где увеличивается также по дорожным условиям соответственно и ширина гребня; ядро выполнено из моренной глины, отсыпанной с оптимальной влажностью около 9% слоями по 0,25 м и уплотнено за 8 проходов 57-тонного пневмоколесного катка с давлением в шинах 0,85 МПа до плотности 2150 кг/м3;
в) скальное основание ядра — гранитогнейсы в пределах котлована береговых склонов подготовлялось с уклонами в любом направлении не круче 70° к горизонту и выравнивалось бетоном.
Подобные мероприятия для предупреждения трещинообразования в ядре плотины следует предусматривать в проектах каменноземляных плотин, с учетом конкретных условий их строительства.
Исследованиями НИС Гидропроекта мелкозема грунта ядра Нурекской плотины установлены предельные значения деформаций растяжения от 0,45 до 1,15·10-4 МПа. При расчетном значении деформаций растяжения 0,8-10-4 МПа и оптимальной влажности грунта 10,5% трещин в ядре не будет, если разность его осадок будет не больше 40 мм на 1,0 м длины ядра. Модельные исследования трещинообразования в ядре плотины методом центробежного моделирования показали, что в ядре из такого грунта могут образовываться трещины при увеличении неравномерности осадки до 0,012, что соответствует предельной растяжимости грунта 0,7-10-4 МПа. Подобные исследования следует проводить для обеспечения проектов плотин.
Кроме продольных и поперечных трещин в тонком ядре могут появиться и внутренние горизонтальные трещины. Они являются следствием зависания ядра, т. е. его подвешивания от давления со стороны боковых призм. Чтобы это частично исключить, тонкие ядра обычно выполняют слабонаклонными (плотины Калиманци, Тиквеш, Картерс и Утард 4).
