9-5. РАЗРАБОТКА КОТЛОВАНА ПЛОТИНЫ И ПОДГОТОВКА ЕЕ ОСНОВАНИЯ
Подготовка основания для отдельных частей плотин различна. Зона контакта основания с противофильтрационными устройствами (экраном, ядром) и зубом очищается от наносов, выветрелой и разрушенной скалы. В результате выполнения такой расчистки уточняются работы по устранению дефектов основания и его цементации. Цементация основания обязательна во всех случаях. После вскрытия котлована его поверхность должна быть очищена промывкой и продувкой сжатым воздухом. Основание под фильтры и переходные зоны подготавливается так же.
При подготовке основания под боковые призмы плотины с ядром или под упорную призму плотины с экраном необходимо обеспечить минимальную осадку основания и его сдвиговую прочность не ниже насыпи плотины. Поэтому основание должно быть очищено от мелких наносов (глины, ила и мелкозернистого заиленного песка) до скалы или качественного аллювия (гравелисто-галечного грунта). При подготовке основания под верховую пригрузочную призму (в каменно-земляных плотинах с экраном) ограничиваются удалением всех слабых грунтов и пород. Цементация основания или устройство противофильтрационной завесы производится в соответствии с требованиями проекта.
Разработка котлована выполняется в соответствии с требованиями проекта и СНиП-Б. 3-62, а в скальных породах с учетом того, что грунт и камень из выемки могут быть использованы в наброску или отсыпку. Грунты, непригодные для наброски или отсыпки в плотину, удаляются в отвалы. Отвалы следует располагать вблизи плотины, но так чтобы они не затрудняли производство работ, а также не портили вида законченного сооружения, поэтому их по возможности следует располагать с верховой стороны плотины.
Скальные выступы или обрывистые склоны в пределах котлована ядра должны быть сглажены и выровнены таким образом, чтобы поверхность получалась плавной, без резких переходов. На крутых береговых склонах подготовка основания обычно начинается с гребня плотины, грунт сбрасывается или смывается гидромонитором вниз по склону для последующей уборки. Эти работы целесообразно начинать до отвода реки, поскольку часть сброшенного в русло грунта может быть унесена рекой.
На строительстве Чарвакской плотины, где в пределах створа имеется широкая терраса, работы по подготовке котлована на левом берегу начались еще до перекрытия русла. После отвода реки они продолжались и в русле. Одновременно с этим были начаты работы на береговых склонах. С помощью двух насосов с напором 170 м и подачей по 1450 м3/ч и трех гидромониторов с соплами 76,5 мм, работающих под давлением 0,6—0,7 МПа, со склонов были смыты гравелисто-галечный грунт и выветрелая скала с отводом самотеком гидросмеси под уклон 3%. Расход воды на 1 м3 смываемого грунта составлял 12 м3 при стоимости этих работ в 2 раза ниже экскаваторной разработки.
Выемку котлованов на склонах производят ярусами и выполняют: экскаваторами с погрузкой на транспорт, для чего устраиваются подъезды ко всем ярусам разработки; бульдозерами, сталкивающими грунт вниз по склону в русло, для чего выполняются только бульдозерные тропы.
В первом случае можно более качественно отобрать грунт для последующего использования его в насыпь плотины, во втором случае это не удается.
Чтобы не нарушить основание плотины при производстве взрывных работ, поверхности котлована обуриваются строчкой контурного взрывания и производится предварительный откол породы, подлежащей удалению.
Применение контурного взрывания при подготовке котлованов позволяет обеспечить точно проектные контуры выемки, полностью исключить дорогостоящий и малопроизводительный труд на доборах, ликвидировать многостадийность работ в котловане и обеспечить устойчивость бортов котлована. На опыте применения контурного взрывания при подготовке боковых поверхностей котлованов получено снижение стоимости работ на 1,38 руб/м2 и затрат труда на 2,24 чел-дня/м2 на Красноярской ГЭС и соответственно 2,42 руб/м2 и 1,44 чел-дня/м2 на Чиркейской ГЭС.
Подготовка котлована под ядро плотины на крутых склонах, в узких ущельях, в сочетании с неблагоприятными геологическими условиями связана со значительными трудностями выполнения таких работ. В этих условиях иногда прибегают к удалению породы из котлована с использованием энергии взрыва на сброс в русло. Отсюда сброшенная порода удаляется одновременно с разработкой русловой части котлована. При рациональном и своевременном выполнении это позволяет раскрыть котлован на всю высоту плотины.
На рис. 9-17 приведена схема подготовки к сбросу породы на левобережном склоне Нурекской плотины. Здесь по контуру котлована были заложены четыре подходные штольни через 28, 27 и 30 м по высоте. Из этих штолен были пройдены: специальные штольни и зарядные камеры; веерные скважины для размещения зарядов; скважины контурного взрывания по подошве котлована.
Рис. 9-17. Схема подготовки к взрыву на сброс породы с левобережного склона в котловане ядра Иурекской плотины.
1 — камерные заряды; 2 — скважные заряды; 3 — скважины контурного взрывания; 4 — поверхность склона; 5 — проектная поверхность котлована; 6 — песчаники, переслаивающиеся алевролитами.
Для сброса 200 тыс. м3 породы было использовано 83 т ВВ. Взрывание зарядов было короткозамедленным в пять очередей:
первая — 943 контурных скважины, масса ВВ 8,2 т, с электродетонаторами мгновенного действия; вторая — 3 основных камерных заряда, ВВ 13 т, с электродетонаторами ЭД-КЗ 25 мс;
третья — 26 вспомогательных камерных зарядов, масса ВВ 10,2 т, с электродетонаторами ЭД-КЗ 75 мс;
четвертая — 322 скважины рыхления, за исключением предконтурных, масса ВВ 28,2 т, с электродетонаторами ЭД-КЗ 100 мс;
пятая—150 предконтурных скважин рыхления, масса ВВ 14,5 т, с электродетонаторами ЭД-КЗ 150 мс.
Бурение скважин диаметром 105 мм для контурного и основного взрывания производилось станками НКР-100. В качестве ВВ для камерных зарядов применялся зерногранулит, для скважинных — натренированный аммонит. При расходе ВВ 0,42 кг/м3 порода без повреждений склона была сброшена на возведенную насыпь плотины с последующей уборкой. Сейсмические воздействия от взрыва в 30 м от эпицентра были 10 баллов, а на расстоянии 150 м — всего лишь 5 баллов.
Такой метод подготовки котлована на крутых склонах хотя и связан с выполнением большого объема подготовительных работ, является достаточно эффективным в том случае, если сброс породы выполняется до разработки котлована в русле или же непосредственно в насыпь сооружаемой плотины, где она может быть использована.
При вскрытии котлована в грунтах, подвергающихся интенсивному разрушению под влиянием атмосферных воздействий (глины, алевролиты, мергели и пр.), надлежит либо оставлять временный защитный слой, снятие которого выполняется непосредственно перед укладкой плотины, что задерживает работы, либо производить укладку защитного слоя, как это выполнялось на плотине Беннет, где вскрытое основание покрывалось торкретом по сетке. Защитный слой может быть выполнен в виде нижнего слоя обратного фильтра (плотина Бу-Ханифия), сухой и бутовой кладки (плотина Парадела), торкретного покрытия и бетонной подготовки (плотина Фум- Эль-Гуэйс) и железобетонной плиты (плотина Гриб).
Примером подготовки скального основания каменно-земляной плотины может служить выполнение работ по котлованам па пологих береговых частях Высотной Асуанской и на крутых склонах Нурекской плотины.
Основанием Высотной Асуанской плотины являются мигматиты и граниты. Граниты мелкозернистые, высокой прочности, сохраняют устойчивость против выветривания. Мигматиты являются породами средней сохранности и легко подвержены выветриванию. Временное сопротивление сжатию гранитов 110,0 МПа и мигматитов около 70,0 МПа. В скальном массиве имеется несколько тектонических нарушений, в которых породы раздроблены и превращены в милониты. Мощность зон интенсивной трещиноватости достигает 10 м, а слоев милонитов 5—20 см. Водопроницаемость скальных пород в верхней зоне на глубине до 15—25 м изменялась в пределах до 0,8 л/мин и в редких случаях достигала 2,5 л/мин.
Под боковые призмы плотины удалялись поверхностные грунты и выветрелая скала, что достигалось работой бульдозеров и гидромониторов, и окончательная зачистка производилась вручную. В примыкании русловой части плотины и понура к берегам были убраны осыпи камня и дресвы, разрушенная выветриванием порода. Крупные трещины расчищены и заделаны бетоном и поверхность котлована с развитой мелкой трещиноватостью покрыта шприц-бетоном.
В пределах котлована ядра экскаваторами удалялся разбитый трещинами поверхностный слои скалы на глубину 3—5 м. Рыхление скалы производилось скважинными зарядами по сетке 5X5 м. По контуру котлована бурились скважины через 0,5—0,6 м для образования гладкого откола. Окончательная доборка котлована производилась мелкошпуровыми зарядами. Взрывание скважин было многорядное с использованием электродетонаторов короткозамедленного действия с шестью степенями замедления. Расход ВВ составлял 400 г/м скважин гладкого откола и 300 г/м3 скалы.
При ширине котлована более 15 м на уборке скалы использовались экскаваторы ЭКГ-4,6, а при меньшей — экскаваторы Э-1251. Скала в отвалы или в насыпь отвозилась 25-тонными автосамосвалами. На доборке скалы использовались бульдозеры Д-271. После уборки взорванной скалы поверхности котлованов тщательно обирались и зачищались, промывались водой и продувались сжатым воздухом. Все работы но подготовке котлована под ядро и понур объемом 624 тыс. м3 выполнены за три года с годовой интенсивностью 265 тыс. м3. Для рыхления такого объема породы было пробурено 69,7 тыс. м скважин, или 11 см/м3, и израсходовано 163,4 т ВВ, или 0,26 кг/м3.
После зачистки скальная поверхность котлована в пределах контакта с ядром покрывалась слоем шприц-бетона на песчано-гравийной смеси состава 1:3 с крупностью фракций до 25 мм (содержание фракций 3—25 мм до 25%). Хорошее сцепление слоя шприц-бетона со скалой получалось только при нанесении его на сухие тщательно промытые и продутые поверхности. · Сначала заполнялись местные углубления в скале и крупные трещины. Основной слой 5 см наносился после схватывания и твердения первого слоя, примерно через 6 ч. Поверхность ранее нанесенного слоя, как и скала, очищалась от отскоков гравия струей воды и сжатым воздухом. В период схватывания и твердения шприц-бетона его поверхность систематически смачивалась водой в течение нескольких суток. Шприц-бетоном было покрыто около 100 тыс. м2 скальных поверхностей котлована. Скальные поверхности на участках выхода грунтовой воды и слабых пород покрывались слоем бетона толщиной 0,3—0,5 м.
Через 3 сут после покрытия шприц-бетоном скальное основание под ядром подвергалось укрепительной цементации, которая проводилась под защитой слоя шприц-бетона. Работы по бурению и цементации начинались после достижения шприц-бетоном 75%-ной прочности. Цементация производилась через перфораторные скважины диаметром 40—60 мм. Скважины разбуривались по сетке, часть из них для подсечки вертикальных трещин выполнялась наклонными. Всего было пробурено 36 тыс. м скважин.
Цементация велась в 3—4 очереди. Нагнетание раствора в скважины I и II очереди глубиной 1,5 м производилось под давлением 150 кПа. В скважины III и IV очереди цементация велась в два приема: сначала в нижнюю зону 1,5 м подавался раствор под давлением 300 кПа, а затем в верхнюю под давлением 150 кПа. Нагнетание воды через контрольные скважины после такой цементации показало почти полную непроницаемость скалы. Расход цемента при нагнетании в контрольные скважины составил 4,7 кг/м скважины против 92,1 кг/м до цементации.
При подготовке основания Нурекской плотины был удален русловой аллювий под бетонной пробкой, делювий слоем до 25 м под упорными призмами на склонах объемом 1000 тыс. м3 и скала объемом 1737 тыс. м3 в котловане ядра, в отдельных местах глубина съема достигала 20 м. Подготовка котлована велась одновременно с возведением плотины и от русла вверх по склонам. В условиях узкого и глубокого каньона это нарушило проектную технологию. Река в первый строительный туннель была отведена в 1967 г., а укладка ядра началась в 1971 г., т. е. через 4 года. По готовности дорог-подъездов к плотине следовало бы до начала работ в русле вскрыть котлован ядра на всю высоту плотины с уборкой из русла сброшенной породы и складированием ее, что обеспечило бы безопасность работ на плотине и сохранность свыше 2 млн. м3 камня для его последующего использования. Это позволило бы сократить срок готовности котлована и не потребовало бы устройства временного экрана, чтобы плотину первой очереди поставить под напор в 1972 г.
Экскаватором ЭКГ-4,6 убирался делювий на склонах возводимой плотины и зачищались откосы котлована от защитного слоя. За одну ходку зачищался откос на высоту до 4 м. В 1969 г. взрывом на выброс было обрушено на незаконченную бетонированием пробку 88 тыс. м3 породы, а в 1972 г. было обрушено 204 тыс. м3 породы на возведенное ядро, что привело к его выдавливанию на глубину до 2,5 м. Сброшенный на бетонную пробку камень убирался в течение 5 мес., а с плотины — 3 мес.
В нижней части склонов дополнительно разрабатывались котлованы цементационных галерей глубиной от 6 до 16 м. Разработка таких котлованов приводила к большим выволам породы. Для заделки их потребовалось 55 тыс. м3 бетона, и, кроме того, удлинились сроки готовности котлована под ядро.
Из опыта подготовки котлована Нурекской плотины следует сделать следующие выводы:
а) в узких и глубоких каньонах со специфическим геологическим строением нецелесообразно совмещать работы по подготовке котлована с возведением плотины;
б) цементацию основания следует выполнять из штолен, а не галерей, проходящих по склонам;
в) применение взрывов на сброс с предварительным отколом удаляемой породы из котлованов является целесообразным, если это делается своевременно;
г) там, где это возможно, не оставлять защитного слоя на откосах котлована, а там, где это необходимо, покрывать его немедленно защитным покрытием;
д) нет оснований для удаления делювия в котловане боковых призм с последующим использованием его в отсыпку плотины, так как если грунт не пригоден в качестве основания, то он не должен допускаться и в плотину.
