9-7. ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В ОСНОВАНИИ ПЛОТИН
Противофильтрационные завесы в скальных породах.
Если завесы выполняются с открытой поверхности, то предусматривают бурение скважин, через которые производится инъекция раствора (чисто цементного или цементноглинистого, а в некоторых случаях и цементно-песчаного), а также закачку раствора в пробуренные скважины под определенным давлением.
Выполнению этих работ предшествует укрепительная цементация, выполняемая под небольшим давлением. Скважины для поверхностной цементации глубиной до 6—10 м, расположенные по сетке в зависимости от степени трещиноватости и нарушенности пород, бурят ся обычно станковыми перфораторами или буровыми станками. Для укрепительной цементации применяются обычно цементные растворы, нагнетаемые под давлением, определяемым условиями пригрузки цементируемой зоны.
Более сложным является выполнение противофильтрационной завесы из цементационной галереи или цементационных штолен. Галереи устраиваются по подошве ядра, а штольни — в основании плотины и на береговых склонах. По условиям бурения цементационных скважин береговые штольни проходятся через 40—50 м по высоте. Для бурения скважин применяются малогабаритные станки колонкового бурения. Все это осложняет буровые и цементационные работы, для которых требуется устройство более длинных коммуникаций для подачи воздуха, воды и раствора. Работы по строительству цементационных галерей обычно предшествуют возведению насыпи плотины, а штольни выполняются независимо одна от другой. В целях лучшей доступности в галерею необходимо устройство ряда подходов к ней, а цементационные штольни на склонах объединять там, где это возможно, с цементационной галереей. В виде исключения цементационные штольни могут проходиться из вертикальных шахт, что удорожает их проходку и выполнение работ.
В зависимости от габаритов ядра, а также необходимости выполнения поверхностной цементации основания число цементационных галереи изменяется от трех в русле до одной- двух на береговых склонах (плотина Глобочица, рис. 9-19). При выполнении поверхностной цементации одновременно с подготовкой котлована на Чарвакской плотине для противофильтрационной завесы достаточно было иметь одну цементационную галерею 3,0Х3,5м, расположенную по оси подошвы котлована ядра. Противофильтрационная завеса в русловой части Высотной Асуанской плотины выполнялась из трех галерей 3,5X5,0 м, заложенных в ядре, а береговых склонов — из одной верхней галереи, проложенной по подошве ядра.
Рис. 9-19. Цементационная галерея плотины Глобочица.
1 — цементационные скважины; 2 — пьезометры.
Рис. 9-20. Схема противофильтрационной завесы в основании плотины Кебан.
1 — закарстованный мрамор и метаморфизованные известняки; 2 — глинистые сланцы; 3 — строительные туннели; 4 — каменноземляная часть плотины; 5 — бетонная часть плотины; 6 — контуры противофильтрационной завесы; 7 — цементационные штольни.
На рис. 9-20 дана схема противофильтрационной завесы площадью 335 тыс. м2 и глубиной до 365 м на левом берегу в основании плотины Кебан. К выполнению столь сложной и необычной по своим размерам завесы пришлось прибегнуть из-за высокой закарстованности метаморфизованных известняков и мрамора, что было обнаружено только после того, как были пройдены строительные туннели и вскрыт котлован плотины в русле и на береговых склонах. Это потребовало прекращения развернутых работ па строительстве плотины, внесения существенных изменений в компоновку левобережных сооружений, а также составления нового проекта противофильтрационной завесы: цементационная завеса на левом берегу была заменена противофильтрационной бетонной стенкой, выполняемой горным способом, грунтовой зуб ядра в русле был заменен бетонной стенкой. Это позволило ускорить работы по подготовке основания плотины и закончить их в один межпаводковый период. Все это привело к удлинению срока строительства на 2 года и увеличению сметной стоимости.
О наличии карста в основании плотины было известно и до начала строительства. Однако характер и размер обнаруженного карста, особенно на левом берегу, не соответствовали данным изысканий. Новый проект противофильтрационной завесы предусматривал пробурить 335 тыс. м скважин и закачать под давлением 1420 кПа 70 тыс. м3 раствора из цементационных штолен 3,0х3,0 м. Число штолен на правом берегу — 5, а на левом — 8, примерно через 40 м по высоте. Большую часть штолен проходили из вертикальных шахт, закладываемых на обоих берегах. Левобережная шахта глубиной 274 м пройдена на 109 м ниже русла реки в условиях обильного притока грунтовых вод.
Цементационные скважины первой очереди проходили через 3,0 м, а второй через 1,5 м. Нижние ряды скважин заглублены в подстилающие глинистые сланцы па 3,0 м. Для увеличения площади завесы из забоев штолен проходили горизонтальные и расходящиеся веером скважины.
В основании бетонной плотины на левом берегу и по подошве ядра на береговых склонах выполнена укрепительная цементация под давлением 210 кПа по сетке скважин 3X3 м (каждая третья глубиной 15 м). Укрепительная цементация обеспечила не только укрепление основания, но и сопряжение ядра плотины с противофильтрационной завесой.
Противофильтрационные завесы в аллювии выполняют с открытой поверхности частично возведенного ядра или из цементационных галерей, заложенных в ядро.
Для бурения скважин применяют станки ударно-канатного бурения, а бурение ведут под защитой глинистого раствора. Очередность бурения по рядам скважин и расстояния между скважинами устанавливаются проектом. В первую очередь бурят и инъектируют скважины в оконтуривающих завесу боковых рядах и во вторую — в заполняющих, центральных рядах. Порядок выполнения работ по завесе устанавливают в соответствии с готовностью фронта работ, отсыпки ядра плотины и сроками заполнения водохранилища.
Порядок и очередность работ по противофильтрационной завесе в аллювии может быть рассмотрен на опыте строительства такой завесы в русловой части Высотной Асуанской плотины [Л. 57].
Работы по созданию завесы Высотной Асуанской плотины были начаты в сентябре 1965 г. после того, как в правобережной части на длине 150 м были построены две цементационные галереи нижнего яруса и из них начато бурение первых скважин по основным рядам II и VII и их цементация в пределах второго яруса. В марте 1966 г. работы велись по всей длине плотины с открытой поверхности и из галерей.
Рис. 9-21. Этапы выполнения работ по устройству противофильтрационной завесы в русловой части Высотной Асуанской плотины.
I—VII1 скважины основных рядов; 1—6 — скважины дополнительных рядов.
Рис. 9-22. График деформаций основания ядра в центральной части русла Высотной Асуанской плотины по наблюдениям в нижних цементационных галереях.
В соответствии с условиями заполнения водохранилища противофильтрационная завеса выполнялась отдельными этапами, изображенными на рис. 9-21. За первый этап была завершена инъекция основных ограждающих рядов I, II, VII, VIII в пределах первого и второго яруса по глубине. На втором этапе началась обработка внутренних рядов III и VI, пересекающих три яруса по глубине, а также внутренних заполнительных рядов II, IV, V и VI, что открывало фронт для работ по цементации скалы в береговых примыканиях. На третьем этапе были полностью завершены работы на береговых участках, а в русловом продолжались работы по основным и дополнительным рядам. В этот период можно было наблюдать интенсивные потери напора на завесе. Если в начале 1967 г. потери напора составили 10—12%, то в конце года — 51%. Однако по длине завесы гашение напора было неодинаковым: на береговых участках перепады составляли 53— 55%, а в русле — 36—38%. Четвертый этап работ выполнялся с открытой поверхности плотины (табл. 9-6).
На пятом завершающем этапе инъекционные работы производились из цементационных галерей и были закончены в конце 1969 г. и к этому времени на завесе гасилось 90% напора (табл. 9-6).
По мере выполнения отсыпки плотины и цементационных работ происходили деформации ядра в русловой части плотины. Подъем основания ядра начался в 1966 г. на первом этапе работ (рис. 9-22) и активно продолжался до конца 1967 г. — во время третьего этапа наиболее интенсивного выполнения инъекционных работ. Ко времени окончания инъекции на береговых участках были зарегистрированы подъемы реперов нижних галерей до 70 см.
Организация работ по устройству противофильтрационной завесы в аллювии существенно осложняется технологией приготовления сложных инъекционных растворов. Приготовление таких растворов происходит централизованно из-за высоких требований к стабильности их параметров.
Таблица 9-6
Основные объемы работ по противофильтрационной завесе на Высотной Асуанской плотине
Начало схватывания растворов определяется в 2—8 ч, поэтому установки для их приготовления по возможности приближают к местам работ. Приготовление растворов, состоящих из трех-четырех компонентов, происходит в две стадии: переработка сухих материалов в простые исходные растворы с постоянными их свойствами (дробление глины, разварка силикат-глыбы, растворение при высоких температурах гидроокиси алюминия, диспергация, механическая очистка, отстой и пр.) и приготовление сложных рабочих инъекционных растворов смешиванием нескольких исходных с добавлением при необходимости воды и цемента.
Комплекс приготовления исходных растворов требует наличия складов значительной емкости и подъездных путей для подачи необходимых материалов. При использовании местных глин, технология приготовления увязывается с разработкой карьера глины и ее подачей на склад для переработки.
Противофильтрационные стенки.
Траншеи грунтовых стенок выполняются драглайнами с ковшами емкостью 1—4 м3, что определяет· как ширину траншеи, так и возможную ее глубину. Выемка траншеи ведется под защитой бентонитового раствора. Вместе с выемкой грунта из траншеи происходят и потери раствора. Для повторного использования раствор собирается в приямках, где проходит очистку.
По мере разработки траншеи с противоположного конца ведется ее заполнение карьерным грунтом или смесью вынутого из траншеи и смешанного с остатками бентонитового раствора. Заполнение грунтом производят отсыпной из автосамосвалов под откос или подачей бульдозерами под бентонитовый раствор.. Уплотнение грунта в траншеи происходит от проходящих бульдозеров и автосамосвалов, но главным образом в результате консолидации под нагрузкой от вышележащей насыпи. Разработка траншеи и заполнение ее грунтом происходят в обычных условиях, поэтому требуемые механизмы и сроки выполнения грунтовой стенки могут быть достаточно точно определены по действующим нормативам.
Траншейные стенки, как противофильтрационные конструкции, нашли широкое применение также и для защиты котлованов от притока грунтовых вод. На семи гидроузлах, построенных в 1962—1970 гг. на реках Рейне и Роне, таких стенок сооружено общей площадью 214 тыс. м2 и глубиной до 36 м. Стенки выполнялись в водопроницаемых аллювиальных грунтах и врезались в подстилающие водоупорные породы. Траншеи проходились специальными буровыми станками или забивными двутавровыми балками с заполнением образовавшейся пустоты после их извлечения цементно-глинистым раствором. Для изготовления 1 м3 пластичного бетона принимали 150 кг цемента и 33 кг бентонита.
По данным, полученным на строительстве канала Майн — Дунай в ФРГ, стоимость противофильтрационной стенки составила 25 марок/м2, или около 30% стоимости стенки из стального шпунта.
Траншеи бетонных стенок выполняют специальными проходческими агрегатами или станками. Для разработки траншей для бурения в грунтах в Советском Союзе применяется агрегат СВД-500 конструкции Гидропроекта, который позволяет под бентонитовым раствором проходить траншеи шириной 0,5 м и глубиной до 20 м. Агрегат СВД-500 разбуривает непрерывную траншею, которая для бетонирования разделяется на отдельные секции с помощью трубчатых шаблонов, извлекаемых после схватывания бетона. При помощи такого агрегата в 1968 г. была сооружена противофильтрационная стенка глубиной 10—12 м, ограждающая котлован Сакмарской ТЭЦ (средняя сменная производительность агрегата в нормальных условиях работы составляла 33 м2 траншеи).
Недавно закончено сооружение водонепроницаемой стенки на верхнем бассейне Киевской ГАЭС, а сейчас успешно проводятся работы в валунных грунтах на Варцихской ГЭС.
Широкое применение траншейные стенки, как противофильтрационные и несущие конструкции, нашли за рубежом. При их строительстве используются различные методы проходки траншей.
Рис. 9-23. Последовательность работы скреперного ковша в проходческом агрегате ELSE — Лоренца. I—V — отдельные фазы работы ковша.
Рис. 9-24. Последовательность работ по выемке и бетонированию противофильтрационной стенки.
а — выемка траншеи под первую панель стенки; б — бетонирование первой панели стенки; в — отдельные фазы выемки траншеи для второй панели стенки; 1 — проходческий агрегат; 2 — бетоноукладчик.
Метод итальянской фирмы ELSE—Лоренца основан на использовании специального скреперного ковша (рис. 9-23), передвигающегося по жесткой направляющей мачте, опускаемой в траншею по мере ее экскавации. Такой проходческий агрегат передвигается на рельсах вдоль разрабатываемых траншей, которые проложены по сборным железобетонным балкам. На рис. 9-24 дана последовательность работ по выемке и бетонированию отдельных секций стенки.
Применение проходческого агрегата для устройства противофильтрационных стенок не требует бурения опережающих скважин и насосов для удаления выбуриваемой из траншей породы. Зубьями ковша в торцах забетонированных стенок создаются борозды, что обеспечивает хорошее сопряжение отдельных секций стенки между собой.
При устройстве траншей в гравелисто-галечных грунтах глубиной 10—25 м и шириной 0,35—0,8 м производительность агрегата по проходке достигает от 4 до 6 м2/ч, по бетонированию с подачей бетонной смеси в бункер бетоноукладчика стреловым краном — от 2 до 5 м2/ч.
Метод Родио-Маркони, усовершенствованный французской фирмой «Солетанш». После выемки пионерной траншеи под бентонитовым раствором бурят направляющие скважины по краям секций траншеи на полную глубину. Буровая машина, перемещаясь вдоль траншеи, слоями разрабатывает грунт. Бурение производят с обратной циркуляцией раствора. Транспортирование выбуренной породы с раствором на очистную систему производится центробежным насосом. Буровая машина перемещается по рельсам вдоль разрабатываемой траншеи, выполняет разработку и бетонирование секций первой очереди и оставшихся промежуточных второй очереди. Швы между отдельными секциями стенки имеют цилиндрическую форму и образуются установкой труб перед бетонированием в торцы траншей первой очереди с извлечением их после схватывания бетона. Бетон в траншею укладывают с помощью вертикально перемещающихся труб.
Фирма «Солетанш» выпускает специальные агрегаты для проходки траншей и скважин и широко использует их для строительства стенок различного назначения. При помощи наиболее распространенного агрегата фирмы CJS-58 можно проходить траншеи шириной от 0,5 до 1,2 м, глубиной до 150 м. Методом Родио-Маркони создан ряд противофильтрационных стенок для защиты котлованов от притока грунтовых вод глубиной до 35 м и площадью до 36 тыс. м2.
Метод Икос-Федер основан на проходке опережающих вдоль траншеи скважин и разработке породы в промежутках между скважинами грейферными ковшами. Этим методом выполнено несколько очень глубоких стенок и среди них противофильтрационная стенка площадью 16,4 тыс. м3 и глубиной до 78 м в основании земляной плотины Сейскал. Степка образована бурением скважин через 1,75 м с последующей выемкой грунта между ними грейфером. Бетонирование стенки производилось отдельными секциями по 5—25 м.
Технико-экономические показатели противофильтрационных стенок.
По данным Гидроспецстроя [Л. 33] при устройстве свайных стенок в аллювиальных грунтах с включением валунов глубиной до 35 м среднемесячная производительность бурового станка составляет 270 м свай, или 135 м2 готовой стенки; при устройстве секционной стенки в аналогичных условиях толщиной 0,5 м месячная производительность 200 м2, а грунтовой стенки толщиной 2,4 м и глубиной 14 м при разработке траншей драглайном — около 3700 м2.
На 1 м2 свайной стенки расходуется около 260 кг бентонита, а на 1 м2 секционной — 200 кг. Для приготовления пластичного бетона свайной стенки расходуется около 400 кг/м2 цемента, а секционной 200—350 кг/м2. Для грунтовых стенок на 1 м3 объема траншеи расходуется 0,3—0,4 м3 бентонитового раствора. Стоимость стенок существенно зависит от геологических условий и для секционных определяется примерно 80— 100 руб/м2, свайных — 35—40 руб/м2 и грунтовых при толщине 1,7—2,4 м — 25 руб/м2.
Эти данные характеризуют рассматриваемые стенки, как высокоэффективные противофильтрационные конструкции, по сравнению с противофильтрационными завесами.
