Строительство водоотводных сооружений удлиняет срок строительства плотин и существенно повышает их стоимость. Поэтому для повышения эффективности строительства каменно-земляных плотин необходимо при проектировании их, там где это рационально, рассматривать вопрос о затоплении плотины во время се постройки. Так, при строительном паводке р. Хантайки — 6900 м3/с строительный туннель (сечением 100 м2) был рассчитан всего на 500 м3/с.
Паводковые расходы р. Хантайки пропускались через строительный туннель длиной 270 м с затоплением котлована строящейся плотины. Для этого котлован был огражден верховой затопляемой перемычкой. Под прикрытием низовой перемычки, защищающей котлован от меженных уровней, к паводку 1968 г. были построены (рис. 9-12): плита по подошве ядра и железобетонная цементационная галерея; отсыпана наброска камня в пределах низовой призмы плотины, покрытая крупным камнем массой до 10 т; возведен ряж с железобетонной плитой, бетонированными низовыми банками и железобетонной упорной балкой шириной 4 м по его подошве; за плотиной сделана отсыпка рядового камня вровень с низовой перемычкой и все это покрыто сверху крупными камнями массой по 8—10 т, связанными между собой тросами.
Рис. 9-12. Пропуск паводка 1968 г. через котлован Усть-Хантайской плотины (а) и состояние нижнего бьефа перед, паводком 1969 г. (б).1 — верховая перемычка; 2 — каменная наброска низовой призмы плотины; 3 — крепление крупным камнем массой до 10 т; 4 — железобетонная плита; 5 — ряж; 6 — крупный камень массой 8—10 т; 7 — рядовой камень; 8 — железобетонная балка; Р — низовая перемычка; 10 — аллювий; 11 — базальты; 12 — забетонированная плита и цементационная галерея с зубом; 13 — смытое каменное крепление; 14 — цементационные скважины; 15 — отсыпка моренного грунта; 16 — аллювий, укрепленный цементацией; 17 — положение «ковра» из крупного камня, образованного после пропуска паводка 1968 г.
Затопление построенных сооружений началось 17 июня 1968 г. и продолжалось в течение 106 дней. Расход реки достигал 6700 м3/с (с удельным расходом на ряже 66,7 м3/с), сопровождающийся ледоходом. От. пропуска таких расходов верховой перемычке не было причинено никаких повреждений. В пределах нижнего бьефа произошел размыв крепления за ряжем, а зона размыва оказалась выстлана «ковром» крупного камня. Смыто на длине 10—15 м каменное крепление наброски, примыкающее к железобетонной плите ряжа. Ряж деформировался под влиянием осадки низовой грани на 10 см и верховой на 67 см, в результате чего в железобетонной плите появились трещины с раскрытием до 5 см. За железобетонной упорной балкой образовался размыв глубиной 2,0—2,5 м ниже балки, который на длине около 25 м уходил под балку. Низовая перемычка была полностью размыта, а на ее месте остался смытый крупный камень крепления. Анкерное крепление из связок крупных камней было срезано или вырвано. Береговые пучковые анкеры были срезаны или разорваны. На рис. 9-12,6 видно, что за ряжем образовался своего рода водобойный колодец глубиной до 15 м и длиной около 70 м.
Для подготовки сооружений к пропуску паводка 1969 г. с учетом условий гашения энергии образовавшимся водобойным колодцем были проведены следующие работы:
подмытое основание под ряжем укреплено заделкой промоины под железобетонной балкой и цементацией аллювия;
ряж с низовой стороны пригружен моренным грунтом для защиты котлована от притока грунтовых вод.
Второе затопление началось 30 мая 1969 г. Паводковый расход достигал 4200 м3/с и проходил с подпором со стороны р. Енисея в условиях поверхностного режима, что существенно облегчило работу сооружений.
Оценивая последствия пропуска паводков (с ледоходом) в условиях строительства Усть-Хантайской плотины, можно сделать следующие выводы:
а) применение ряжа для защиты от размыва наброски камня при затоплении плотины является оправданным;
б) конструктивное решение сопряжения водосливного ряжа с руслом следует решать с учетом условий гашения энергии за ряжем.
Опыт двукратного затопления Усть-Хантайской плотины во время ее постройки оправдал принятую схему производства работ. К паводку 1970 г. плотина и часть правобережной дамбы были возведены до отметок, позволивших пропустить расчетный паводок 1%-ной обеспеченности 8200 м3/с через эксплуатационный водосброс с временным порогом и строительный туннель, а в конце года пустить первые агрегаты Усть-Хантайской ГЭС.
При рассмотрении вопроса пропуска строительных паводков с затоплением строящейся плотины следует планировать выполнение работ с учетом однократного затопления плотины. Кроме того, необходимо, чтобы затопление проходило в режиме затопленного водослива. Так проходило затопление плотины Браунли во время ее постройки, так происходит затопление перемычек, ограждающих котлован строящейся в Мозамбике плотины Кабора Басса.
Компоновка плотинного узла сооружений с учетом затопления части строящейся плотины при одноразовом пропуске паводка может существенно упростить, сократить объем работ по строительству водоотводных сооружений, а следовательно, и срок подготовительного периода. Чтобы не прекращать работ по отсыпке плотины во время пропуска паводка, необходимо стремиться к тому, чтобы не вся возводимая часть плотины затоплялась. Обычно отсыпку плотины ведут с опережением ее высоты на незатопляемых участках. Это также позволяет сократить объем работ по защите от повреждений и размыва затопляемого участка плотины. Гидравлические условия затопления строящейся плотины определяются расходом, пропускаемым через затапливаемый участок плотины, и уровнем воды в нижнем бьефе.
Расход строительного паводка проектной обеспеченности Q при пропуске через плотину распределяется на расход Qт, пропускаемый туннелем, и расход Qп, пропускаемый через плотину высотой Н, возведенную к паводку. Таким образом, соблюдается равенство:
С увеличением высоты затопляемой части плотины Н увеличивается Qт и уменьшается Qn, т. е. облегчаются условия затопления плотины. Расчетный расход строительного туннеля определяется гидрографом паводка, диаметром туннеля и высотой затопляемой части плотины.
Рис. 9-13. Гидравлические схемы пропуска части паводка через плотину.
а — быстротоком; б — водосливом с широким порогом; 1 — каменная наброска; 2 — экран; 3 — крепление водосливной поверхности.
Возможны два способа подготовки плотины к затоплению и пропуску через нее части паводкового расхода (другая часть пропускается через туннель):
а) по схеме быстротока с проектным очертанием экранированного верхового откоса, который отсыпают с таким расчетом, чтобы в пределах проектного профиля плотины ее насыпь была выполнена в виде быстротока (рис. 9-13,а);
б) по схеме водослива с широким порогом, когда насыпь плотины выполняется по всему проектному профилю, но меньшей высоты (рис. 9-13,б).
Если известны высота затопляемой части плотины, расход, пропускаемый через плотину, ее подтопление, а также крупность камня в креплении водосливной грани, то можно произвести гидравлические расчеты допускаемого уклона быстротока и его крепления для различных удельных расходов [Л. 69]. Или, зная скорости потока воды на водосливе из гидравлических расчетов, или, по данным модельных исследований, пользуясь известной формулой С. В. Избаша
Если строительные расходы будут пропускаться по схеме водослива с широким порогом, то гидравлические расчеты сводятся к определению допустимой ширины прорана и уклона устойчивого русла в условиях спокойного течения для затопленного водослива. При подтопленном водосливе крепление откоса рассчитывают в условиях бурного течения, добиваясь сопряжения уровней в поверхностном режиме. Условия пропуска части паводкового расхода реки по схеме водослива с широким порогом более легкие, чем по схеме быстротока. Поэтому ее следует рассматривать как основную при постройке каменноземляных плотин на многоводных реках.
Защита от размыва затопляемых плотин во время их постройки может быть решена путем устройства:
а) жесткого или разрезного железобетонного крепления;
б) крепления отборным крупным камнем или габионами;
в) армированной каменной кладки или наброски с арматурными сетками на анкерах по низовому откосу;
г) водосливного порога в затопляемой части плотины.
Жесткое железобетонное крепление было применено в 1933 г. для защиты водосливного откоса — быстротока Карачуновской плотины [Л. 39]. Во время паводка под влиянием неравномерной осадки наброски из мелкого камня и сбрасываемого льда крепление было разрушено. К пропуску паводка 1934 г. часть плотины, подлежащая затоплению, была подготовлена в виде водослива с широким порогом, закрепленного на горизонтальном участке габионами, а на конце бутобетоном. В таком виде плотина эксплуатировалась около 15 лет, после чего она была достроена по проекту с железобетонным экраном и береговым водосливом.
Жесткое железобетонное крепление было применено для защиты гребня и низового откоса первой очереди водосливной перемычки Токтогульской плотины (см. рис. 6-26). Временная водосливная перемычка Нурекской плотины высотой около 20 м выполнена из наброски камня и отсыпки песчано-гравелистого и галечно-валунного грунта, с уплотнением только за счет проходящих 27-тонных автосамосвалов. Низовой откос быстротока-перемычки с уклоном 1:10 был покрыт сборно-монолитными плитами 1,5X1,5x0,8. Перемычка с перепадом от 2 до 9 м после 4 мес. работы как затопленный водослив дала осадку около 1,0 м, что привело к расстройству крепления и к выносу некоторых плит.
Жесткое крепление при большой трудоемкости и высокой стойкости требует тщательно уложенной с необходимым уплотнением насыпи и дренажной подготовки. Кроме того, из-за повышенной деформации слабо уплотненных насыпей жесткие конструкции крепления облицовки растрескиваются и при больших скоростях потока разрушаются.
Крепление отборным крупным камнем или габионами является более совершенной защитой затопляемой части плотины. Об этом свидетельствует опыт эксплуатации водосливной плотины в истоке р. Кемь, а также результаты натурных испытаний и работа водосливных перемычек плотины Кабора Басса в Мозамбике.
Армированная каменная наброска применена на плотинах, построенных в Австралии: Сиринуму, Борумба, Парангана, Палуна, Сетана и Орд (см. рис. 6-25), а также использована как защита от размыва на плотинах, построенных в ЮАР на реках с внезапно и бурно нарастающими паводками во все времена года: плотина Брайдль Драйфт высотой 51,0 м (рис. 9-14).
Для отсыпки плотины Брайдль Драйфт были использованы песчаники и долериты, полученные при разработке котлована водослива. Камень в зоне Б отсыпался слоями 1,0 м, а в пределах низового откоса (зона В) — слоями 1,5 м и уплотнялся укаткой 10-топным виброкатком. Экран из суглинка прикрыт выветрелым песчаником (зона А). Для отвода меженных расходов построен строительный туннель диаметром 2,1 м. Армирование зоны В выполнено послойно уложенной арматурой диаметром 38 мм через 0,23 м внизу и 19 мм через 1,5 м вверху. Длина прутьев арматуры по высоте зоны переменная. Для защиты от размыва низовой откос покрыт панелями армосеток (рис. 9-15), которые привариваются к горизонтально уложенным прутьям арматуры (рис. 9-16). Монтаж горизонтальной арматуры выполнялся послойно после укатки каждого 1,5 м слоя камня, а армосетки на откосе ставились через каждые 3,0 м.
За время строительства в 1966—1967 гг. плотина Брайдль Драйфт затоплялась трижды при пропуске внезапно возникавших паводков.
Рис. 9-14. Плотины с армированной каменной наброской.
а — плотина Брайдль Драйфт; б — плотина Ксонкса; А — пригрузка из выветрившегося песчаника; Б — каменная отсылка из карьерного камня; В — то же, армированная; 1 — армосетки; 2 — арматурные стержни диаметром 29 мм; 3 — то же, но расположенные параллельно откосу; 4— то же, диагональные стержни; 5 — то же, стержни, уложенные вдоль каждого слоя; 6 — стержни диаметром 19 м.Первое затопление произошло в ноябре 1966 г. паводковым расходом 198 м3/с, с переливом через возведенную насыпь слоя воды 0,6 м и перепадом 3,7 м. От такого затопления укатанная каменная насыпь не получила никаких повреждений, кроме вымыва щебня крупностью до 76 мм, хотя к тому времени не все армосетки на откосе были установлены.
Второе затопление произошло в апреле 1967 г., когда плотина имела высоту 14,6 м. Через 4 ч с начала перелива воды расход реки достиг 1134 м3/с с переливом через плотину слоя воды 3,7 м. Так как плотина отсыпалась неравномерно по высоте, то сосредоточение потока в пониженном месте привело к ее размыву на глубину 6,1 м с образованием прорана шириной до 30 м у низового откоса. Было смыто 23 тыс. м3 армированной насыпи и унесено потоком 13 тыс. м3 неуплотненного камня.
После отсыпки камня слоями по 3,0 м с виброуплотнением в место размыва через две недели плотина вновь была затоплена паводком с расходом 170 м3/с, который проходил по наиболее пониженной части уплотненной насыпи.
Рис. 9-15. Арматурные сетки, укладываемые по откосу плотины.
1 — стержни диаметром 19 мм; 2 — то же, диаметром 29 мм.
Рис. 9-16. Детали крепления армосеток па откосах плотин Брайдль Драйфт (а) и Ксонкса (б).
1 — стержни диаметром 38 мм внизу у основания плотины и диаметром 19 мм в верхней части; 2 — армосетки из прутьев через 15 см поперек откоса и через 23 см вдоль откоса; 3 — стержни диаметром 29 мм внизу у основания плотины и диаметром 19 мм в верхней части; 4 — армосетки из прутьев через 38 см поперек откоса и через 15 см вдоль откоса; 5 — стержни диаметром 29 мм поперек откоса; 6 — диагональные стержни диаметром 29 мм.
Толщина переливающегося слоя воды достигла 1.0 м; хотя низовой откос не был закрыт армосетками, кроме вымыва из насыпи щебня от такого затопления плотина не получила никаких повреждений. Из опыта трехкратного затопления плотины Брайдль Драйфт были сделаны следующие выводы [Л. 40, 127]:
а) защита от размыва низового откоса плотин армированной каменной насыпью себя оправдала; армосетки на откосе усиливают каменную насыпь и обеспечивают ее устойчивость при затоплении, в то время как обычная насыпь размывается потоком воды;
б) горизонтальные прутья армосеток в местах, где сварка была выполнена неудовлетворительно, под ударами сносимых по откосу камней разрывались;
в) изменения в очертании низового откоса приводят к появлению завихрений и вибраций отдельных камней, т. е. условий, способствующих их вымыву.
Опыт, полученный на строительстве плотины Брайдль Драйфт, был учтен при строительстве плотины Ксонкса (рис. 9-14,б). Основная часть плотины (зона Б) выполнена из карьерного мелкого камня — долерита, отсыпанного слоями 1,5 м и уплотненного укаткой 10-тонным виброкатком. Армированная зона по низовому откосу шириной 12 м выполнена из того же, но более крупного камня с ограничением содержания мелочи, зона отсыпалась слоями 1,5 м и в целях обеспечения ее однородности уплотнялась только гидравлическим способом. Упорный массив у основания низового откоса отсыпан из отборного крупного камня.
Защита плотины от размыва при затоплении может быть решена сопряжением с нижним бьефом водосливным порогом. Такой порог на Карачуновской плотине был выполнен из бутовой кладки с дренажными отверстиями в ней. На плотине Оровилл при пропуске первого наводка для этого был использован бетонный блок основания наклонного ядра. При пропуске двух строительных паводков через Усть-Хантайскую плотину для тех же целей был построен деревянный ряж. При пропуске льда через Карачуновскую и Усть-Хантайскую плотины такие конструкции себя оправдали.
Опыт исследования, проектирования и строительства каменно-земляных плотин подтверждает возможность временного их затопления, если при этом обеспечены общая устойчивость низового откоса затопляемой части плотины и защита водосливной поверхности от размыва. Чтобы при затоплении плотины были исключены неравномерные осадки, уплотнение насыпи должно быть достаточно высоким с использованием для этого и соответствующего состава камня. Компоновка плотинного узла сооружений с учетом условий затопления плотины во время ее постройки повышает эффективность затрат на ее строительство.
Затопление плотины во время ее постройки должно быть обосновано модельными исследованиями с выявлением гидравлических условий работы плотины на всех стадиях ее затопления с проверкой принятых конструкций крепления, а также подтверждено проектом производства и организации работ, обеспечивающим готовность плотины к затоплению.
