Часть вторая
СТРОИТЕЛЬСТВО ПЛОТИН
Глава восьмая
МАТЕРИАЛЫ, ИХ ЗАГОТОВКА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ
8-1. ОБЩИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ПРОИЗВОДСТВУ ЗЕМЕЛЬНО-СКАЛЬНЫХ РАБОТ
Основным принципом организации строительства каменно-земляных плотин является выбор наиболее рациональной и оптимальной схемы и соответствующей механизации разработки, транспортировки и укладки пород в различные зоны плотины. При этом определяющими критериями являются стоимость работ отдельных операций и насыпи в целом, я также затраты и производительность труда.
На выбор общей схемы возведения плотины существенно влияет расположение карьеров в плане и по высоте, которое в свою очередь определяет транспортную схему, дорожную сеть и выбор вида транспорта. Организация отсыпки плотины по зонам зависит в основном от очередности возведения плотины, ее пускового комплекса, расположения карьеров и топографических условий створа плотины.
Выбор схемы и механизации в карьерах зависит в основном от характеристики породы и интенсивности разработки карьера, причем при строительстве высоких плотин, таких как Нурекская, Чарвакская, Майка, Тарбела, на разработке карьеров применяются высокопроизводительные погрузочные средства как цикличного действия: экскаваторы, колесные погрузчики с емкостью ковша до 11 м3, так и механизмы непрерывного действия (конвейерные погрузчики и роторные экскаваторы).
Такие погрузочные механизмы работают совместно с высокопроизводительными транспортными средствами цикличного действия: большегрузные самосвалы и специальные землевозы, а также со средствами непрерывного транспорта — конвейерами.
При подаче породы к плотине конвейерами распределение ее по карте осуществляется механизмами цикличного действия, так как подача породы конвейерами непосредственно в насыпь плотины (Андерсон Рэнч) значительно усложняет ее распределение по карте.
Применение циклично-поточной технологии подачи грунта к плотине, где на погрузке в карьере заняты механизмы цикличного действия, а на транспорте механизмы непрерывного действия, является весьма эффективным в практике строительства высоких и сверхвысоких каменно-земляных плотин, где объемы измеряются десятками миллионов кубометров.
При выборе общей схемы организации строительства каменно-земляных плотин всегда учитываются полезные выемки из котлованов водосбросных сооружений и из подземных выемок.
Рис. 8-1. Верхнетуломская плотина.
1 — моренный грунт, отсыпанный в воду; 2 — то же, уложенный с виброукаткой; 3 — крупный фильтр; 4 — мелкий фильтр; 5 — фильтр, отсыпанный под воду; 6 — наброска камня; 7 — отсыпка моренного грунта; 8 — валунный плащ; 9 — морена.
Примером использования полезных выемок является: Верхнетуломская плотина, где насыпь плотины выполнена полностью за счет использования грунтов и камня из полезных выемок котлованов и туннелей [Л. 25]. На строительстве Высотной Асуанской плотины почти 10 млн. м3 скалы было получено из каналов. Значительная часть объема плотины Тарбела была получена из выемок котлованов.
Верхнетуломская плотина (рис. 8-1) высотой 50,0 м построена на р. Туломе. В состав узла сооружений входят: каменно-земляная плотина с объемом насыпи 2512 тыс. м3, в том числе моренного грунта 975, фильтров 567 и каменной наброски 970 тыс. м3; водосброс, рассчитанный на 1075 м3/с, с бетонной плотиной высотой до 11 м; подземное здание ГЭС мощностью 228 МВт с четырьмя вертикальными шахтами-водоводами диаметром 6,2—5,8 м и длиной 68 м; отводящий туннель сечением 15X20 м и длиной 625 м, рассчитанный на 480 м3/с, переходящий в открытый канал длиной 1,3 км. Объем выемки по этим сооружениям составляет 5142 тыс. м3, в том числе моренных грунтов 4337, скалы 513, туннельной выемки 292 тыс. м3. Работы на строительстве этой плотины, выполненные по контракту финской фирмой «Иматра Войма», были организованы так, что все пригодные грунты и камень из выемок без промежуточного складирования поступали в насыпь плотины.
В тело плотины Педу с асфальтобетонным экраном использован глинистый песчаник и кварциты, залегавшие в карьере слоями практически вертикально (рис. 8-4). При разработке такого карьера глинистый песчаник давал много мелочи, которая при намокании в сезоны дождей превращалась в глину, снижая тем самым водопроницаемость и сдвиговую прочность насыпи. Камень получался неоднородным и в сильной степени сегрегировался на отвале, что позволило около 30% крупного камня отсортировать от мелочи бульдозером.
Рис. 8-2. Плотина Ньюмба-Я-Мунга.
1 — пригрузка плитняковым камнем; 2, 3 — каменная отсыпка в зоны 1, 2, 3; 4 — двухслойный фильтр; 5 — экран из суглинка; 6 — карьерная мелочь; 7 — горизонтальные дрены.
8-2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КАМНЮ ДЛЯ ОТСЫПКИ И НАБРОСКИ
Для суждения о пригодности камня, укладываемого в плотины, следует привести несколько примеров построенных плотин. На рис. 8-2 и 8-3 приведены плотины Ньюмба-Я- Мунга (сокращенно НЯМ) высотой 43,0 м и Педу высотой 61,0 м, построенные в тропических условиях Танзании в 1966 г. и Малайзии в 1969 г. Проект плотин определился наличием камня. Каждая из плотин построена с использованием камня из очень разрушенных глубоким выветриванием пород.
В тело плотины НЯМ с грунтовым экраном использован достаточно однородный, но мелкий камень крупностью 200—300 мм из метаморфических гнейсов с содержанием дресвы (фракции меньше 2 мм) после уплотнения до 25%. Такой камень отсыпался слоями по 0,5 м и уплотнялся за 4—6 проходов 10-тонного виброкатка. Средняя плотность такой насыпи была 2300 кг/м3 с пустотностью около 22%. После заполнения водохранилища плотина дала осадку 210 мм и горизонтальное смещение гребня 20 мм.
Рис. 8-3. Плотина Педу.
1 — асфальтобетонный экран; 2 — отсыпка камня крупностью 8—45 см с содержанием мелочи 3%; 3, 4 — отсыпка камня крупностью до 120 см с содержанием мелочи до 10%; 5 — отсыпка камня крупностью до 120 см с содержанием мелочи 15%; 6 — дренажный слой.
Рис. 8-4. Вид на каменный карьер плотины Педу.
Рис. 8-5. Плотина Картере. 1 — ядро из суглинка; 2 — переходная зона; 3 — каменная отсыпка из кварцитов; 4 — то же из аргиллитов; 5 — то же из филлитов.
Проведенные исследования эффективности уплотнения такого камня, его разрушения при укатке, водопроницаемости насыпи и ее сопротивляемости сдвигу позволили принять деления плотины на зоны. Камень отсыпался слоями 1,8 м и уплотнялся за 6—8 проходов 10,5-тонного виброкатка. После такого уплотнения содержание мелочи возрастало до 20— 25%.
Во внешние призмы плотины Картере (рис. 8-5) отсыпались кварциты, которые уплотнялись 10-тонным виброкатком, во внутренние зоны отсыпались выветрелые породы, аргиллиты и филлиты, которые при укатке больше дробились. Весь камень был получен из выемки котлованов сооружений, в соответствии с чем была принята компоновка плотинного узла Картере.
Аналогичная по конструктивному решению, но иная по делению на зоны является плотина Утард 4 (рис. 8-6). Для постройки ее использованы имеющиеся на месте достаточно разнородные грунты и камень. Геологические условия представлены аллювием до 10 м в русле и коренными породами — габбро.
Рис. 8-6. Плотина Утард 4. а — разрез плотины; б — гранулометрический состав грунтов; 1 — ядро из моренных грунтов; 2а, 2б — переходные зоны из песка с гравием и карьерной мелочи; 3а, 3б — каменная отсыпка слоями 0,75 и 1,22 м; 3в — наброска из крупного камня; 4 — каменное крепление.
Плотина (рис. 8-6,а) имеет слабонаклонное ядро из моренного грунта и зональную отсыпку боковых призм. Гранулометрический состав карьерных грунтов, использованных для отсыпки ядра и двухслойной переходной зоны, приведен на рис. 8-6,б. Две зоны отсыпаны слоями по 0,75 и 1,22 м. На откосах сделана пригрузка из наброски отборного крупного камня.
Грунт в ядро отсыпался слоями по 0,25 м и уплотнялся за шесть проходов 50-тонного пневмоколесного катка до плотности 2240 кг/м3. Такая насыпь имела коэффициент фильтрации см/с и угол внутреннего трения φ=38°. Каменная отсыпка уплотнялась 9-тонным виброкатком, а наброска гидравлическим. Для наброски применен прочный камень с временным сопротивлением сжатию 120—170 МПа. Плотина с объемом насыпи 7535 тыс. м3 построена за 3 года.
внутреннего трения φ=38°. Каменная отсыпка уплотнялась 9-тонным виброкатком, а наброска гидравлическим. Для наброски применен прочный камень с временным сопротивлением сжатию 120—170 МПа. Плотина с объемом насыпи 7535 тыс. м3 построена за 3 года.
Приведенные примеры различных типов каменно-земляных плотин показывают, что для отсыпки может быть использован различный по качеству камень: от дресвы гранита до разрушенных выветриванием пород.
Рис. 8-7. Плотина Нью-Мелонес.
1 — водонепроницаемое ядро; 1а — то же ядро верховой перемычки; 2 — переходная зона; 2а — фильтры; 3 — сортированный камень; 4 — карьерный камень; 5 — крупный камень.
Примером использования мелкого и посредственного по качеству камня, полученного из полезных выемок, является строящаяся в США плотина Нью-Мелонес высотой 194,1м (рис. 8-7).
Характерными особенностями плотины Нью-Мелонес являются: использование в боковые призмы мелкого камня от 0,07 до 150 мм (зона 4); наличие наклонного ядра, уширенного к подошве до 0,62Н; необычно высокая верховая перемычка — 98 м объемом 3800 тыс. м3, входящая в профиль как плотина первой очереди.
Ядро отсыпается из дресвы гранита с глинистым заполнителем с содержанием фракций: <0,074 мм — 20%, 0,074 — 75 мм —75%, >75 мм — 5%. Ядро от каменной насыпи отделено двумя зонами 2а с содержанием фракций 0,074 — 25,4 мм—15% и зоной 2 с содержанием фракций <0,074 мм — 6%.Камень в зонах 3 и 4 отсыпается слоями 45 см, а в зонах 2 и 2а слоями 30 см и уплотняется за четыре прохода виброкатка. Ядро (зоны 1 и 1а) отсыпается слоями 20 см и уплотняется за шесть проходов кулачкового катка. Общий объем плотины составляет 12,975 тыс. м3. Плотину предполагается построить в 1979 г.
Современные методы проектирования и строительства таких плотин позволяют использовать любой камень, если при этом руководствоваться основным критерием — имеющийся на месте камень определяет тип и конструкцию плотины, если его сдвиговая прочность сохранится при эксплуатации и это оправдано экономически.
Использование различного по прочности и крупности камня в некоторых случаях приводит к необходимости его сортировки и всегда к зональной укладке такого камня в плотину. В этих случаях для предельного обжатия профиля плотины более мелкий и менее прочный камень укладывается во внутренние зоны призм, а более прочный и крупный — в наружные. Технология возведения таких плотин (толщина отсыпаемых слоев и способы уплотнения) привязывается к используемому камню. Таким образом, требования к камню определяются только его назначением, положением в профиле плотины, а также типом плотины и конструкцией противофильтрационных устройств.
В зависимости от назначения к камню предъявляются различные требования по форме, крупности, прочности и составу. К камню, идущему в насыпь плотин, предъявляются требования только по крупности и составу.
Для каменной насыпи и наброски более подходит камень разнородный по гранулометрическому составу, чем однородный, так как:
при одинаковых уплотняющих усилиях он дает более низкую пористость и более высокую плотность;
обладает более высоким модулем сжатия и, следовательно, дает меньшую осадку;
обеспечивает более равномерную кривую состава, уменьшает дробление (крошение) камня.
Для возведения плотин используется камень различных пород обычно более прочных для каменнонабросных, где в зависимости от конструкции экрана желательно иметь и более крупный камень. Для упорных призм каменно-земляных плотин может быть использован камень из менее прочных пород, камень более мелкий по составу, а также песчаногравелистые и галечно-валунные грунты из современных и древних аллювиальных и моренных отложений, конусов выноса пролювиальных отложений и осыпей. В зависимости от характеристики такого камня и грунтов в пределах профиля плотины устанавливаются зоны, в которых этот камень и грунты могут быть использованы, способы их отсыпки и уплотнения. Камень из климатически нестойких пород, т. е. недостаточно морозо- и водоустойчивых, обычно используют во внутренних зонах плотины.
Для получения наибольшей плотности отсыпки или наброски существенным требованием является гранулометрический состав камня. Оптимальная плотность может быть получена в том случае, если состав камня неоднороден, т. е. если в нем содержится фракций каждого данного размера столько, сколько необходимо для заполнения пустот между фракциями следующего большего размера. Форма кривой гранулометрического состава таких грунтов и камня обычно представляет собой параболу. Имеются различные приемы нахождения оптимальных по составу и уплотняемости грунта и камня в плотинах.
Максимальная (минимальная) крупность камня устанавливается в зависимости от организации производства работ по отсыпке плотины, применяемых экскаваторов и транспортных средств. Оптимальный состав камня поддерживается и регулируется выполнением буро-взрывных работ в карьере. При механическом рыхлении камня навесными рыхлителями довольствуются тем составом камня, который при этом получается. А это, в свою очередь, определяет его место в профиле плотины и способы его уплотнения.
Содержание мелочи в наброске допустимо в количестве, которое может распределиться в ее пустотах струями гидромониторов. При уплотнении каменной отсыпки укаткой мелочь не играет существенной роли для последующей осадки такой насыпи, однако избыточное содержание в насыпи мелкого камня приводит к неравномерному ее расположению по высоте отсыпаемого слоя, насыпь получается слоистой, неоднородной плотности и пустотности.
Камень, используемый для сухой кладки и наброски, отсыпаемой пионерным способом ярусами под откос с гидравлическим уплотнением струями гидромониторов, должен удовлетворять требованиям СНиП Ι-Β.8-62. Такой камень в зависимости от конструкции экрана обычно получают из прочных пород.
Рис. 8-8. Плотина Сан-Габриэль 1.
а — по первоначальному проекту: 1—3 — наброска из крупного камня различного состава; 4 — отборный крупный камень (укладываемый в зону 3); 5 — подэкрановая кладка; 6 — многослойный железобетонный экран; 7 — гранит; 8 — аллювий; б — по выполненному проекту: 1 — пригрузка из наброски камня; 2 — экран из суглинка; 3 — отходы карьера и камень крупностью до 40 см; 4 — наброска из отсортированного камня крупнее 40 см; 5 — наброска крупного камня; 6 — наброска, выполненная из крупного камня по первоначальному проекту; 7 — граниты; 8 — аллювий.
Для наброски желательно заготовлять камень из пород, обладающих большей вязкостью, например долеритов и базальтов, в целях предотвращения их дробления при сбрасывании под откос. Для наброски, как правило, используется рваный камень, полученный буро-взрывным способом как осадочных, так изверженных и метаморфических пород. В наброску может быть использован и окатанный камень — булыжник и валуны, но это должно быть учтено в проекте, так как наброска из окатанного камня в сейсмическом отношении менее устойчива, чем наброска из рваного камня. Лучшим камнем для наброски следует считать рваный камень при отношении наибольшего его размера к наименьшему не свыше 3—4. При отношении, большем 4, что возможно при слоистом залегании пород, вопросы использования такого камня и методы его уплотнения должны быть специально рассмотрены в проекте.
Кроме прочности камня и его формы, для наброски большое значение имеют крупность камня и его гранулометрический состав. Крупность камня не должна превышать габаритов, определяемых емкостью ковша экскаватора или погрузчика, работающего на погрузке камня. Гранулометрический состав камня должен быть таким, чтобы при его наброске не происходило большой сегрегации и получалось минимум пустот. Состав камня регулируется параметрами буро-взрывных работ с учетом естественной трещиноватости и нарушенности породы взрыванием. Требуемая крупность и однородность состава камня достигаются соответствующими расчетами буро-взрывных работ, скорректированными опыт ными взрывами. Полученный состав камня поддерживается более или менее постоянным при его заготовке.
В наброску, как правило, используется камень заданной крупности и состава, без его сортировки. Если в ряде случаев сортировка камня и производится, то это должно быть обосновано проектом. Приведенные выше требования относятся к камню, используемому для наброски каменнонабросных плотин.
К камню, идущему в наброску каменноземляных плотин, где осадка наброски не может оказать существенного влияния на противофильтрационные устройства плотины или может происходить независимо от ядра пло тины, например в боковых призмах или при грузках откосов, следует предъявлять пониженные требования. Эти требования, с учетом назначения камня, высоты плотины и условий ее строительства устанавливаются проектом плотины.
Камень отсыпают пионерным способом относительно небольшими слоями толщиной до 2,5 м и уплотняют укаткой. К такому камню так же, как и к грунту, не предъявляется никаких требований в отношении его прочности. Чем слабее порода, тем лучше она будет разрушена взрыванием и тем плотнее будет укатана насыпь из такого камня.
При возведении плотины Сан-Габриэль 1 (рис. 8-8,а) по первоначальному проекту как каменнонабросной строители столкнулись с практически непреодолимыми трудностями. По проекту в наброску требовалось применять только крупный камень определенного состава. При разработке карьера (разрушенные граниты) такой камень удавалось получить только с 85% отходами из карьера. Несмотря на значительный съем в карьере (около 2 млн. м3), качество камня не улучшалось и отходы не сокращались. Карьерные отходы имели следующий гранулометрический состав: 500— 150 мм — 30%, 150—6 мм — 30%, 6—0,1 мм — 38% и менее 0,1 мм — 2%.
Эти обстоятельства заставили прекратить работы на плотине, пересмотреть ее проект и перейти к строительству каменно-земляной плотины (рис. 8-8,б).
Новый проект плотины предусматривал использование после сортировки всех отходов карьера, а также камня, получаемого при выемке водосброса и в карьерах. Поэтому пришлось уположить откосы плотины, отчего ее насыпь возросла вдвое
По новому проекту требовалось только, чтобы камни крупнее 40 см укладывались в зону 4, а лучшие по качеству — в зону 5. Наброска камня в зоны 1, 4 и 5 отсыпалась ярусами высотой по 7,5 м с гидравлическим уплотнением из расчета 1 м3 воды на 1 м3 наброски.
К камню, используемому для отсыпки, предъявляются следующие требования:
а) состав его должен быть таким, чтобы при отсыпке не происходило заметной сегрегации на откосе, если она не может быть уменьшена смачиванием камня в кузове автосамосвала;
б) крупность камня не должна превышать 0,5—0,7 высоты отсыпаемого слоя, чтобы крупный камень на карте отсыпки не препятствовал ее уплотнению.
В ряде каменно-земляных плотин, построенных за последние годы по проектам Белградского Энергопроекта в Югославии (Локварка, Глобочица, Кокин Брод, Тиквеш, Колиманци), использован камень посредственного качества.
Крупнообломочные гравелисто-галечные и булыжные грунты, современные и древние аллювиальные и моренные отложения, а также пролювиальные конусы выносов и осыпей с успехом использованы в насыпях плотин: Иркутской, Ортотокойской, Сионской, Чирюртской, Сарсангской, Нурекской, Оровилл, Беннет, Майка, Тарбела, Нью-Дон-Педро, Серр-Понсон, Шимен, Гешёненальп, Маттмарк, Мессауре и др. Такие грунты характеризуются высоким сопротивлением сдвигу, хорошей уплотняемостью в насыпи до плотности скелета 2000—2100 кг/м3. Такую насыпь можно выполнять независимо от состояния погоды летом и зимой, если грунт летней заготовки будет сохранен в талом состоянии.
Плотина Шимен (рис. 8-9) высотой 110,0 м построена в 1963 г. в Китае в провинции Тайвань. Плотина с центральным ядром и боковыми призмами отсыпана из современного и древнего аллювия следующего гранулометрического состава: песок до 2 мм—15%, гравий 2—80 мм—35% и булыги 80—300 мм — 50%.
Для верховой призмы применялся современный аллювий, в котором песка было около 15%, а для низовой — древний с большим содержанием песка. Учитывая дробление грунта при укатке и повышение содержания в нем мелких фракций, т. е. уменьшение его водопроницаемости, проект плотины предусматривал устройство дренажа в боковых призмах. Проект был обоснован соответствующими опытами, которые показали существенное изменение водоотдачи такого грунта под влиянием уплотнения.
Для Ортотокойской плотины (см. рис. 1-6) были использованы щебенистые грунты из конусов выносов и осыпей. Эти грунты имели гранулометрический состав: пыль и глина (менее 0,05 мм) — 1,6%, песок 0,05—2 мм — 22,9%, щебень мелкий 2—40 мм — 45,7%, щебень крупный 40—200 мм — 25,9% и камень крупнее 200 мм — 1,9%.
Предполагалось, что в результате уплотнения грунт в насыпи будет иметь водопроницаемость 4·10-3 см/с и поэтому отказались от устройства ядра.
Плотина отсыпалась пионерным способом из достаточно сухих грунтов без предварительного смачивания. В результате происходила сегрегация грунта на карте отсыпки. Смачивание грунта на карте способствовало закатыванию поверхности карты автосамосвалами, которое не снималось при отсыпке последующего слоя. При таком производстве работ плотина по проницаемости оказалась неоднородной и слоистой. При первом наполнении водохранилища в плотине началась горизонтальная фильтрация и сосредоточенный выход па низовом откосе. Дренаж в виде каменной призмы в низовом клине плотины не мог оказать влияния на снижение депрессионной кривой. В дальнейшем было создано ядро в виде цементно-глинистой завесы, после чего плотина успешно эксплуатируется.
Для боковых призм Нурекской плотины используется песчано-гравелистый и галечновалунный грунт из древнеаллювиальных отложений, карьеры которого расположены ниже плотины на расстоянии 4—6 км на левом берегу и на расстоянии 10 км на правом. Грунт имеет неоднородный состав и содержит: песка 17—19%; гравия и гальки 43— 51% и валунов 29—40%.
Рис. 8-9. Плотина Шимен.
1 — ядро из суглинка: 2— фильтры; 3 — современный аллювий; 4 — древний аллювий; 5 — галечно-булыжный грунт; 6 — речной аллювий; 7 — покрытие булыжно-галечным грунтом; 8 — дрены; 9 — сборный дренаж; 10 — аллювий; 11 — скала.
Рис. 8-10. Гранулометрический состав грунтов плотин Оровилл (а) и Нурекской (б). 1 — ядро; 2 — упорные призмы; 3 — переходный слой.
Насыпь из такого грунта имеет: коэффициент фильтрации (карьерный) 10-3—10-1 см/с, плотность 2200 кг/м3 и угол внутреннего трения (расчетный) 35°. Для пригрузки откосов (см. рис. 6-7) используется известняк и песчаник с временным сопротивлением сжатию 171 500 и 31 600—21 200 кПа, плотностью 2670 и 2230—2620 кг/м3.
Для самых высоких плотин (Нурекская, Оровилл, Майка, Нью-Дон-Педро и др.) по условиям, изложенным в § 1-8, используются песчано-гравелистые и галечно-валунные грунты (рис. 8-10).
Для каменно-земляных плотин используют камень и грунт, которые непригодны для каменно-набросных и мало пригодны для земляных плотин.
В практике американского строительства в наброску зачастую применяют крупный камень. В шведской и югославской практике строительства каменно-земляных плотин наблюдаются тенденции к уменьшению крупности камня, но с соблюдением оптимального гранулометрического состава, и обязательному использованию камня, получаемого из выемки котлованов и при проходке туннелей, при этом наибольшая крупность камня 0,5 м3 при содержании камней мельче 0,2 м до 20%.
Применение 50—100-тонных пневмоколесных катков и 5—10-тонных виброкатков позволило использовать в насыпь плотины мелкий камень, щебенку и гравелисто-галечный грунт с валунами. Так, плотина Раунд Бютт отсыпана из мелкого камня и щебня, а плотина Гешёненальп — из материалов осыпей и конусов выноса.
Пригодность камня и грунта для постройки плотины решается проектом на основе исследования карьеров, исходя из основного положения: чем менее (визуально) пригоден грунт и камень, тем более тщательно он должен быть исследован.
