Метод возведения плотин отсыпкой грунта в воду был разработан в 1948 г. инженером А. Ф. Васильевым и осуществлен на строительстве Нивских плотин [Л. 6].
Рис. 10-27. Схема возведения плотины отсыпкой грунтов в воду.
1 — грунт, отсыпанный в воду; 2 — грунт, отсыпанный насухо; 3 — фильтры; 4 — наброска.
На рис. 10-27 изображена схема возведения плотины таким методом. С верховой и низовой сторон отсыпаются насухо дамбочки обвалования, замкнутое пространство заполняется водой, образуя прудок глубиной 2,0—2,4 м. После этого производится пионерная отсыпка в воду карьерного грунта, который подастся на откос низовой дамбочки обвалования. По мере засыпки прудка грунтом избыточная вода откачивается или сбрасывается на соседнюю карту отсыпки.
На Кольском полуострове этим методом из моренных грунтов построено 12 плотин и канальных дамб высотой от 7 до 46 м объемом около 39 млн. м3 и центральное ядро Серебрянской плотины высотой 78,0 м.
Метод отсыпки в воду позволяет использовать грунты с повышенной влажностью независимо от их комковатости и выполнять работы как в сухую, так и в дождливую погоду и даже зимой. Поэтому он упрощает технологию возведения плотины, снижает стоимость и сроки строительства. При пионерном способе первоначальное уплотнение грунта, отсыпанного в воду, происходит за счет автосамосвалов, доставляющих грунт на карту отсыпки, а затем от веса вышележащих слоев с отжатия избыточной влаги в боковые призмы. Процесс такого уплотнения зависит от вида грунта и заканчивается в течение строительства плотин.
Этим методом возведены противофильтрационные устройства каменно-земляных плотин из связных и несвязных грунтов, разработана технология производства работ, изложенная в технических условиях на возведение земляных сооружений способом отсыпки грунтов в воду ВСН 006-67.
Для внедрения этого метода были проведены большие лабораторные исследования и натурные испытания, в частности на строительстве Иркутской плотины.
Рис. 10-28. Отсыпка в воду суглинка ядра Иркутской плотины в зоне примыкания к зданию ГЭС.
Эти исследования проводились с пылеватым суглинком гранулометрического состава: песка 2—0,05 мм — 9%; пыли 0,05—0,005 мм — 70 и глины мельче 0,005 мм — 21%.
Пределы пластичности 14,2 и 32,6%; коэффициент фильтрации А (10-7- 10-9) см/с. Из суглинка было отсыпано ядро Иркутской плотины, а боковые призмы — из песчано-гравелистого и галечного грунта. Опытная укладка суглинка в воду проводились летом и зимой (со значительным количеством мерзлых комьев). Исследования показали, что по суглинку, уложенному слоями до 2,0 м, свободно проходит груженый 25-тонный автосамосвал и даже 150-тонный гусеничный кран, проходя по свежеотсыпанному слою 9,0 м, только оставляет за собой след глубиной около 0,3 м. На рис. 10-28 показана отсыпка суглинка в воду ядра Иркутской плотины в зоне ее примыкания к зданию ГЭС.
Под влиянием уплотнения от пригрузки суглинок через 2 мес. имел проектные плотность и влажность, коэффициент фильтрации А-10-7 см/с, угол внутреннего трения 20° и сцепление 10 кПа. Уложенный грунт имел однородную структуру независимо от укладки — в талом или мороженом состоянии. В ноябре, когда среднесуточная температура наружного воздуха изменялась от —3 до —24°С, были уложены четыре слоя суглинка по 2 м объемом 6500 м3, которые были пригружены гравелистым грунтом слоем 4,5 м. Спустя 5 мес, весной, суглинок был вскрыт шурфами глубиной до 8,0 м, причем под нагрузкой 170 кПа плотность его достигла 1630 кг/м3 и влажность 23,3%. В дальнейшем под дополнительной нагрузкой — железнодорожной насыпи высотой около 10 м — суглинок приобрел еще большую плотность. Через 19 мес уложенный суглинок можно было разрабатывать только ломом.
На строительстве Иркутской плотины всего было уложено отсыпкой в воду 183 тыс. м3 суглинка [Л. 42]. Осадка плотины закончилась за время ее строительства.
В практике отечественного строительства каменно-земляных плотин, возведенных отсыпкой грунта в воду, были применены моренные, супесчано-щсбенистые, суглинисто-дресвяные, суглинистые и лессовидные грунты.
Моренные грунты, используемые на строительстве Иовских плотин, по гранулометрическому составу отличались от грунтов Нивских плотин большим содержанием гальки и валунов. Для предохранения грунта от сегрегации на карте отсыпки его разгружали на отсыпаемую карту и сталкивали в воду бульдозерами [Л. 5].
По условиям производства работ на Верхнетуломской плотине два нижних слоя моренного грунта высотой 13,5 и 11,5 м были отсыпаны в воду. Верхняя часть плотины отсыпалась из тех же грунтов, но с уплотнением укаткой виброкатком. На рис. 10-29 показаны значения плотности грунтов этой плотины, уложенных различными способами. Средняя плотность получалась обеспеченности 95,7%. Наблюдения за послестроительной осадкой Верхнетуломской плотины показали, что они составили 126 мм, или 0,4%, а коэффициент фильтрации — от 2,5х10-4 до 4х10-5 см/с.
Понур верховой перемычки высотой 65 м, входящей в проектный профиль Нурскской плотины, отсыпался в воду из супесчано-щебенистого грунта слоями до 5,0 м. На строительстве Ириклинской плотины высотой 43,0 м понур и экран были выполнены из тяжелых суглинков, отсыпанных в воду. Понур перед зданием Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС выполнен также из тяжелых суглинков и глины, отсыпанных в воду. На всех этих плотинах достигнуто высокое и совершенно однородное уплотнение.
Лессовидные суглинки были применены в плотинах Хишрау и Боз-Су-3.
В ядро Чарвакской плотины была произведена опытная отсыпка лессовидного суглинка гранулометрического состава: глины — 12,5%, пыли — 65,0 и песка — 22,5%. Карьерная влажность суглинка 10—23%, оптимальная—15,5%. Грунт отсыпался слоями по 0,8—1,0 м. Плотность скелета грунта, уложенного в 1967 г., составляла 1630 кг/м3 при средней влажности 18,9%, а в 1968 г.— 1650 кг/м3 при влажности 20,5%. При нагрузке 3000—3200 кПа (по компрессионным исследованиям) конечная плотность достигла 1930—1980 кг/м3 и коэффициент фильтрации А (10-7-10-8) см/с. Из-за высокой осадки опытной насыпи (около 5,5%) ядро Чарвакской плотины выполнено из того же суглинка, уложенного с послойной укаткой.
Гранулометрический состав конгломератов ядра Гальской плотины, отсыпанных в воду: глины — 2—7%, пыли—1 —10%, песка — 10—26%, гравия крупностью менее 20 мм — 20—25%; гравия крупностью менее 60 мм — 27—30%; валуны крупностью менее 100 мм— 12—2%; валуны крупностью менее 200 мм — 20—3%. Плотность скелета 1700—1900 кг/м3.
На рис. 10-30 даны гранулометрические кривые грунтов, использованных в этих плотинах, а также предельные кривые годности грунта для отсыпки их в воду. Отсюда видно, что для противофильтрационных устройств каменно-земляных плотин могут быть использованы различные по своему составу и свойствам грунты. Однако лучшими из них являются разнородные моренные, супесчано-щебенистые и суглинисто-дресвяные грунты.
Рис. 10-29. Плотность отсыпки из моренных грунтов.
1— грунт, отсыпанный в воду на Верхнетуломской плотине;
2 — грунт, уплотненный виброукаткой там же; 3 — грунт, уплотненный виброукаткой на плотине Сейтеонкеа.
Рис. 10-30. Гранулометрический состав грунтов, отсыпанных в воду для образования противофильтрационных устройств плотин.
1 — Иркутская; 2 — Ириклинская; 3 — Хишрау; 4 — Чарвакская (опытная насыпь); 5 — Верхнетуломская; 6 — Иовская; 7 — Нурекская (понур перемычки); 8 — Княжегубская; 9 — Вилюйская (опытная насыпь); 10 — Кумекая; 11 — Серебрянская; 12 — Ляхкоминская; 13— Гальская; I и II — граничные линии годности грунта для отсыпки в воду.
Процесс консолидации таких грунтов в плотине проходит достаточно быстро и при относительно малых нагрузках. В суглинистых и лессовидных грунтах этот процесс проходит более длительно и под большими нагрузками. Метод отсыпки грунта в воду допускает высокую интенсивность, поэтому обычно применяют высокопроизводительные экскаваторы и автосамосвалы. В дождливую погоду рекомендуется применять трехосные автосамосвалы, обладающие хорошей проходимостью по мокрым глинистым грунтам, обеспечивающие сбрасывание грунта непосредственно на откос в воду.
Глубина воды в прудке устанавливается в зависимости от характера грунта, интенсивности и толщины слоя отсыпки, а также грузоподъемности автосамосвалов. При использовании несвязных грунтов высота слоя отсыпки может приниматься до 4 м, а связных грунтов не более 2 м. Это необходимо увязывать с карьерной влажностью грунта и конструктивными элементами плотины, а именно для ядра и понура они могут быть повышены, а для экрана — понижены.
Водонасыщение отсыпаемого грунта должно превышать влажность, отвечающую нижнему пределу пластичности, но коэффициент водонасыщения не должен превышать 0,85. При таком водонасыщении, чтобы получить плотность грунта в плотине 1650 кг/м3, влажность грунта должна быть около 20%. Увлажнение грунта обычно регулируется интенсивностью и равномерностью отсыпки. Поэтому при отсыпке грунтов в воду задается такая интенсивность, при которой исключается возможность переувлажнения и набухания, что обеспечивает заданное увлажнение грунтов и достаточно высокую плотность плотины в последующем.
Заполнение отдельных карт производится пионерным способом при равномерной отсыпке грунта по фронту отсыпаемой карты, что обеспечивает и постоянное водонасыщение уложенного грунта. При сопряжении с бетонными сооружениями и береговыми склонами направление отсыпки следует вести в сторону бетонных поверхностей и склонов. Отсыпка грунта должна производиться до полного заполнения отсыпаемой карты. С этой точки зрения объем карты целесообразно увязывать со сменной производительностью механизмов и транспорта, занятых на ее отсыпке.
В случае вынужденного перерыва отсыпки из связных грунтов на 4 ч и более вода из прудка, как правило, удаляется. К концу заполнения карты образуется некоторое количество разжиженного грунта, поэтому перед окончанием заполнения карты уровень воды в прудке необходимо снизить и грунт из последних 15—20 автосамосвалов выгрузить в разжиженный грунт или выдавить грунт на соседнюю карту и оттуда убрать.
При возведении экранов и ядер отсыпкой грунта в воду продольные ограждающие дамбочки отсыпаются из материалов пригрузки экрана и грунтов переходных зон с экранированием их за счет отсыпки на них грунтов плотины. Поперечные дамбочки выполняются из грунтов плотины с тщательным послойным уплотнением укаткой. В зависимости от габаритов отсыпаемых карт направление отсыпки выбирается вдоль оси плотины или в сторону верхового откоса.
Примером широкого применения отсыпки грунта в воду является плотина Хуг Кинлейсайд (старое название Эйрроу) высотой 57,9 м, построенная в 1968 г. на р. Колумбии в Канаде. Вся подводная часть плотины из песчано-гравелистого грунта и понур длиной 670 м из валунной глины отсыпаны в воду (рис. 10-31). Такой метод производства работ без специальной подготовки основания и постройки перемычек позволил снизить стоимость строительства плотины и сократить срок ее постройки на 6 мес.
В первую очередь под защитой перемычек у одного из берегов был построен судоходный шлюз и уложена часть бетона в водосливную плотину, через отверстия которой пропускался расход воды во время постройки русловой земляной плотины. В дальнейшем порог водослива закрывался гребенкой.
В целях повышения надежности плотины в проекте были предусмотрены следующие мероприятия: за счет низовой бермы увеличены размеры подводной части плотины; увеличена ширина гребня: уположены откосы профиля; понур принят толщиной 5—3 м и за низовым откосом предусмотрены дренажные скважины.
Отсыпка грунта в воду в середине русла производилась баржами, а с берегов пионерным способом. Для отсыпки грунта в середине русла с глубиной до 13,7 м и скоростями течения до 0,6 м/с применяли саморазгружающиеся баржи грузоподъемностью 250 т. Люки барж раскрывались за 20 с, благодаря чему происходила быстрая выгрузка грунта, а его сегрегация и потери мелких фракций были минимальными. Опытная отсыпка понура баржами показала, что необходимо увеличить его толщину против отсыпанного обычными методами. При быстрой разгрузке барж грунт на дне реки образовывал равные растекающиеся с откосами 1 : 15—1 : 20 пласты, площадь которых намного превышала площадь грунта в баржах. Переслаивающаяся структура таких пластов обеспечила почти полную однородность подводной части понура.
Отсыпка валунной глины в подводную часть экрана производилась пионерным способом. Грунт на плотину доставлялся автосамосвалами и скреперами и разгружался на расстоянии 6 м от бровки. Во избежание сегрегации грунт сталкивался в воду бульдозерами. Грунт сползал по подводному откосу, не смешиваясь с водой, практически влажностью 9—10%, близкой к карьерной.
Рис. 10-31. Плотина Хуг Кинлейсайд на р. Колумбии.
- — отсыпка в воду заиленного песка; 2 — отсыпка в воду песчано-гравелистого грунта; 3 — крепление камнем; 4 — понур из супеси, отсыпанный в воду.
Рис. 10-32. Плотность грунтов, отсыпанных в воду на плотине Хут Кинлейсайд.
А — зона плотности песчано-гравелистого грунта фракций мельче 5 мм, отсыпанного в воду при оптимальной влажности (значками "+"отмечена замеренная плотность).По условиям проходимости автосамосвалов и скреперов высота надводной части экрана поддерживалась в пределах 1,2—1,5 м. Интенсивность отсыпки подводной части составляла 7500 м2/сут. Подводный откос изменялся от 1:2 на глубине 1,5 м воды в реке до 1 : 8 на больших глубинах. На рис. 10-32 показаны результаты измерении плотности грунтов, отсыпанных в воду. Наблюдения, проведенные на плотине с учетом глубинного дренажа показали, что фильтрационный градиент по подошве плотины не превышал 3%.
Для представления о рассеивании порового давления в противофильтрационных частях каменно-земляных плотин можно воспользоваться данными исследований, проведенных в Швеции на плотинах, построенных из переувлажненных моренных грунтов. Уплотнение грунта в таких плотинах происходит под влиянием ее веса, т. е. этот метод основан практически на тех же положениях, что и метод отсыпки грунта в воду. Результаты наблюдений за поровым давлением в плотинах Борга, Лезеле и Бергефорсен, ширина подошвы ядра которых равна 0,37Н, показали, что оно от начального 1,0Нрск за время строительства плотины снизилось в среднем до 0,23Нрск. Коэффициент фильтрации грунтов ядра плотины Борга составлял А-10-6 см/с.
В ядре Серебрянской плотины, отсыпанном в воду из моренных грунтов с коэффициентом фильтрации 3,5·10-4 см/с, поровое давление не превышало (0,10-0,15)Нрск.
При использовании связных грунтов период рассеивания порового давления возрастает в зависимости от степени водопроницаемости и содержания глины в таких грунтах. Это положение следует учитывать в расчетах устойчивости плотины только для начальной стадии уплотнения.
Из опыта возведения плотин методом отсыпки грунта в воду можно сделать выводы: метод наиболее прогрессивен для возведения противофильтрационных устройств каменно-земляных плотин;
метод позволяет существенно упростить производство работ и при высокой интенсивности получить равномерное уплотнение, требуемую плотность и влажность, сократить срок и стоимость работ по сравнению с обычными методами с послойной укаткой грунта;
в проектах поровое давление следует учитывать только для начальной стадии уплотнения;
для отработки технологии отсыпки грунта в воду, определения оптимальной толщины отсыпаемого слоя, глубины воды в прудках и интенсивности отсыпки в зависимости от характера грунта необходимо возводить опытные насыпи и измерять их уплотнение под нагрузкой во времени.
