Каменно-земляные плотины - Использование энергии направленного взрыва для строительства

10-11. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ НАПРАВЛЕННОГО ВЗРЫВА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПЛОТИН
Известен ряд случаев, когда стихийными силами природы создавались высокие завалы с огромными объемами обрушившейся породы. Возникновение таких завалов, образовавших естественные плотины и озера, обусловлено не только проявлением сейсмической деятельности, но и наличием геологических и топографических условий района, где могут произойти такие завалы. Современная техника позволяет при наличии благоприятных условий вызвать такой завал путем выполнения массового направленного взрыва, а его энергию использовать для перемещения массы грунта в заданном направлении и уложить в определенном месте в пределах практически заданного профиля с проектной плотностью.
В практике гидротехнического строительства энергия направленного взрыва успешно применялась при перекрытии рек: в 1964 г. р. Вахш на строительстве плотины Головной ГЭС, в 1965 г. р. Терека для забора воды в Терско-Кумский капал. В 1950 г. на строительстве Урто-Токойской плотины направленным взрывом 400 т ВВ было сброшено в плотину 330 тыс. м³ камня.
Нурекская перемычка, входящая в проектный профиль плотины (см. рис. 6-7), возводилась в один межпаводковый период. Строительный туннель первого яруса был готов к паводку 1966 г. Выемка котлована в зоне сопряжения понура и экрана с коренными грунтами была начата в 1965 г., но не закончена до организации склада на правом берегу. 

Рис. 10-35. Вид на склад грунта для верховой перемычки Нурекской плотины. На переднем плане видна подпорная стенка, под защитой которой образован склад.

Рис. 10-36. Поперечный разрез (а) и схематический план (б) плотины Медео.
1 — каменная наброска, досыпанная после завала ущелья; 2 — контур завала от левобережного взрыва; 3 — то же от правобережного взрыва; 4 — экран из суглинка; 5 — аллювий; 6 — граниты; 7 — водосбросный туннель; 8 — выходы на низовом откосе фильтрационного потока; 9 — временный правобережный водоприемник; 10 — то же данного водоспуска в строительном туннеле; 11— левобережный водоприемник; 12 — селесброс; 13 — временные береговые насосы; 14 — то же на понтонах.

На складе под защитой подпорной стенки (рис. 10-35), построенной вдоль русла, было складировано камня 146, гравийно-галечного грунта 222 и суглинка 151 тыс. м³, всего 32% объема, требуемого для отсыпки перемычки. Несмотря на некоторое сокращение срока строительства перемычки, применение взрыва на сброс предварительно складированного грунта, в данных условиях не дало существенного эффекта.
С конца ноября 1966 г. началась отсыпка перемычки материалами, оставшимися на складе. Камень понура отсыпался в воду, гравелисто-галечный грунт переходной зоны укладывался слоями по 0,6—1,0 м с укаткой груженым автосамосвалом БЕЛАЗ-540. Упорная призма отсыпалась наброской камня пионерным способом ярусами по 10 м и уплотнялась гидромониторами. В мае 1967 г. перемычка была построена. Месячная интенсивность отсыпки в декабре за счет использования складированных материалов достигла 390 тыс. м³, а в апреле при использовании карьерных материалов — 220 тыс. м³.
В СССР массовым взрывом созданы каменно-земляные плотины Медео на р. Малая Алмаатинка и Байпазинская на р. Вахше.

Высота плотины Медео (рис. 10-36) с учетом запаса возвышения гребня на 10 м над подпорным уровнем и на осадку 5 м определялась в 113 м с объемом насыпи 3540 тыс. м³. Плотина образует наносохранилище объемом 6 млн. м³, предназначенное для защиты г. Алма-Аты от селевых потоков [Л. 63, 64].
По проекту, разработанному Казахским филиалом Гидропроекта при участии Союзвзрывпрома, плотину предполагалось получить двумя направленными взрывами с обоих склонов долины, сложенных гранитами. Разновременность взрывов диктовалась также и необходимостью корректировки второго взрыва по результатам первого. Предполагалось, что 80% профильного объема плотины будет уложено в результате взрывов: 1940 тыс. м³ со стороны правого склона и 1000 тыс. м³ со стороны левого. Остальные 600 тыс. м³ камня будут уложены обычными способами производства работ. В результате первого взрыва предполагалось получить завал ущелья на высоту у правобережного склона, близкую к проектной, посредине иа 20 м и у левобережного склона на 30 м ниже проектной. Ширина завала поверху ожидалась 50—60 м, заложение откосов — около 1,5, ширина по подошве — около 350 м, размер камней — до 3 м, коэффициент разрыхления породы — 1,50.
Первый взрыв 3600 т ВВ был произведен со стороны правого берега 21 октября 1966 г. Этот взрыв породы вызвал завал ущелья на высоту 60—62 м. В сторону верхнего бьефа завал распространился на 200 м, а нижнего на 360 м. Со стороны верхнего бьефа завал лег с откосом 1 : 2,2. Со стороны нижнего бьефа откос завала изменяется от 1 : 6 до 1:3. Таким образом, завал значительно распластался и его высота у правобережного склона оказалась на 40 м ниже проектной (рис. 10-37). Объем завала оказался равным 1670 тыс. м³, или 87% проектного. Если с правого берега ожидалось получить 54% профильного объема плотины, то фактически было получено 44%. Коэффициент разрыхления породы при взрыве получился 1,26 против ожидаемого 1,50. Таким образом, камень в завале от взрыва лег с большей плотностью, чем предполагалось (плотность 2100 кг/м³); следовательно, осадка такого завала будет меньше предполагаемой в проекте.
В результате взрыва на склоне произошли многочисленные заколы в породах с раскрытием трещин до 0,6—0,8 м и вертикальным смещением до 1,5 м. С поверхности склона произошло оползание растительного покрова. Имели место обвалы и обрушения по склонам отдельных неустойчивых глыб и целых массивов породы. Построенный на левом берегу облицованный строительный туннель от взрыва не пострадал. Разлет отдельных кусков камня при взрыве, сейсмическое воздействие взрывной волны и выход газов находились в пределах опасной зоны, установленной проектом. Сейсмическое воздействие взрыва в г. Алма-Ате, расположенном на расстоянии 30 км, оценивалось от 2 до 5 баллов.
Если учесть, что для выполнения всех подготовительных работ по проведению взрыва понадобилось около 1 года, а фактическая стоимость насыпи в завале составила 2,6 руб/м³, т. е. превысила проектную на 23%, а также то, что первый опыт в проведении подобных работ, то результаты такого взрыва можно считать удовлетворительными.
Второй взрыв 3941 т ВВ был произведен 14 апреля 1967 г. со стороны левобережного склона следующими зарядами и с интервалами времени: первый — 779, второй (через 150 мил/с) —337 и третий (через 2 с) —  2825 т.

Рис. 10-37. Продольный разрез по оси плотины Медее. 1 — левый берег; 2 — правый берег; 3 — минные камеры; 4 —  проектный контур от правобережного завала; 5 — то же от левобережного завала; 6 — строительный туннель; 7 — водосброс; 8 — граниты; 9 — аллювий.

В результате взрыва в плотину было обрушено свыше 1000 тыс. м³ камня, высота плотины выросла почти на 30 м и достигла 90 м. Остальные 12—13 м высоты, т. е. гребень плотины, были выполнены обычными методами производства работ с использованием обрушенного камня. Этот взрыв был произведен удачно. Таким образом, в результате двух последовательных взрывов 7541 т ВВ в плотину было уложено около 2700 тыс. м³ камня с расходом ВВ около 2,5 кг/м³. Единичные стоимости работ при таком методе оказались несколько выше стоимости работ при обычных методах выполнения, однако были сокращены сроки и упрощено выполнение работ на строительстве плотины.
Полученный после взрыва завал за последние годы приведен в проектное состояние. Вид на Медео, дан на рис. 10-38. По верховому откосу уложен экран из суглинка.
15 июля 1973 г. в верховьях р. Малая Алмаатинка произошел прорыв одного из моренных озер емкостью 0,3 млн. м³. Это образовало мощный селевой поток, который за 2 ч принес в наносохранилище 4,0 млн. м³ наносов. По состоянию на 18 июля запас в возвышении гребня плотины над подпорным уровнем сократился до 5,0 м. а подошедшие к плотине наносы забили водосбросные отверстия, что потребовало принятия аварийных мер по перекачке расходов реки через гребень плотины, чтобы не допустить ее затопления.

Рис. 10-38. Вид на плотину Медео зимой.

За время прохождения такого катастрофического селевого потока в наносохранилище Медео аккумулировалось около 6,0 млн. м³ наносов, заполнивших всю его проектную емкость. В настоящее время произведено наращивание плотины на 37 м до высоты 150 м.
Вторым примером применения энергии направленного взрыва является Байпазинская плотина на р. Вахше. Этот гидроузел в составе русловой плотины высотой 58,0 м (рис. 10-39) и длиной 250 м, левобережного берегового водосброса, рассчитанного на пропуск расхода 4260 м³/с, с подводящим и отводящим каналами и ирригационного туннеля с порталом на правом берегу, рассчитанного на пропуск расхода 70 м³/с, предназначен для орошения Яванской долины. В будущем предполагается плотину нарастить и построить приплотинную гидроэлектростанцию.
Основанием плотины является толща аллювия мощностью 12,0 м, частично заиленного. Высокий и крутой правый берег долины сложен неоднородными по прочности и мощности пластами песчаников, аргиллитов и известняков, которые имеют простирание вдоль долины и круто падают в сторону реки. Поэтому условия для обрушения пород методом направленного взрыва очень благоприятны, если не считать малую доступность склона для устройства в нем минных камер. К моменту взрыва были сооружены левобережный водосброс и Яванский туннель. Общая масса зарядов в 13 минных камерах составила 1860 т ВВ (гранулита), из них самый большой — 640 т. Расход зарядов и порядок их взрывания определены с учетом наилучшего дробления породы при минимально возможном сейсмическом воздействии на построенные сооружения. Интервалы замедления определялись временем поступления волны сжатия от каждого взрыва.
В результате произведенного 29 марта 1968 г. взрыва было обрушено в русло р. Вахша 1556 тыс. м³ камня, в том числе в тело плотины 760 тыс. м³. Обрушившиеся слои породы создали нагромождение крупного камня у берегового склона (рис. 10-40), часть камня в дальнейшем была разобрана для выполнения планировочных работ по гидроузлу. Структура завала состоит из мелко раздробленного камня и обрушенных крупных блоков известняка.
Для обеспечения водонепроницаемости плотины одновременно с основным взрывом с левого берега методом плоских зарядов массой 90 т в русло было сброшено 30 тыс. м³ гравийно-галечного и суглинистого грунта.  

За 12 ч до взрыва сток р. Вахша был перекрыт затворами строительных туннелей Нурекской плотины. Так как р. Вахш несет большой твердый сток, то предполагалось, что в первый же год эксплуатации плотины? она будет хорошо закольматирована. Опыт эксплуатации плотины в течение первых 5 мес. это подтвердил: перед плотиной отложилась толща наносов 27,0 м и потери воды на фильтрацию уменьшилась с 5,0 до 1,0 м³/с и в дальнейшем практически прекратились.

Рис. 10-39. Байпазинская плотина.
1 — контур развала камня после взрыва: 2 — контур переходной зоны после взрыва;
3 — то же проектный контур; 4 — аллювий; 5 — известняки: I—III —очередность взрывания зарядов.

Рис. 10-40. Вид на Байпазинскую плотину. На правобережном склоне видно обрушение породы, образовавшей завал.
Взрыв на строительстве Байпазинской плотины проходил в более сложных условиях, чем на строительстве. плотины Медео, не только из-за трудной доступности склона, но также и потому, что в опасной зоне взрыва находились входной портал Яванского туннеля (на расстоянии 140 м от ближайшего разряда), водосброс (на расстоянии 350—400 м), а также ряд вспомогательных предприятии строительства, которые были защищены специально отсыпанным валом высотой 13 м. Ни одно из этих сооружений от взрыва не пострадало благодаря точным расчетам по размещению зарядов и последовательности их взрывания, которые были проверены опытными взрывами на месте. Для уменьшения сейсмического воздействия взрыв был произведен короткозамедленными зарядами в течение 7 с, тем не менее в эпицентре взрыва было зарегистрировано землетрясение силой 9 баллов [Л. 67].
Расход ВВ при взрыве на строительстве Байпазинской плотины составил 3,0 кг на 1 м³ полезной насыпи; стоимость 1 м³ насыпи составила 2 р. 20 к., т. е. равна стоимости 1 м³ боковых призм Нурекской плотины.
Использование силы направленного взрыва на строительстве Байпазинской плотины позволило сократить срок строительства и уменьшить капиталовложения по гидроузлу по сравнению с обычными методами возведения плотины.
В конце 1972 г. взрывом 550 т зерногранулита, заряженного в 9 минных камерах, с замедлением в 4 этапа, было взорвано 450 тыс. м³ породы, из которых 256 тыс. м³ было уложено в проектные контуры дорожной дамбы на р. Аксу в районе строительства Чиркейской ГЭС (рис. 10-41). 11о сравнению со строительством плотин Медео и Байпазинской взрыв на строительстве дамбы на р. Аксу является более точным и эффективным. Взрывом создана дамба высотой 95 м (с отсыпкой только верхних 4,0 м), длиной 180 м и шириной по подошве 280 м, или около 3Н.
Камень в завале характеризовался следующим гранулометрическим составом: менее 300 мм — 60%, 300— 1000 м — 39% и крупнее 1000 мм — 1%, т. е. по крупности отвечал блочности строения пород.
Все работы по проходке минных камер и объемом 2 тыс. м³ были выполнены за 5 мес, а их заряжание и забойка — за 0,5 мес. Стоимость 1 м³ насыпи составила 1,3 руб.

Рис. 10-41. Продольный (а) и поперечный (б) вид дорожной дамбы на р. Аксу.
1 — проектный профиль дамбы; 2 — фактический после взрыва; 3 — развал породы по различным методам расчета; 4 — зона досыпки камня обычными методами; 5 — слоистые трещиноватые известняки и мергели.
Опыт строительства дамбы на р. Аксу показал возможность возведения направленным взрывом почти с проектной точностью упорных призм каменно-земляных плотин высотой 100 м и более.

Приведенные выше примеры применения силы направленных взрывов с одновременным взрыванием от 2000 до 3940 т ВВ на строительстве каменно-земляных плотин позволяет сделать следующие выводы:
а)  коэффициенты разрыхления скального массива взрывом не превосходят 1,25—1,30;
б) основная масса навала плотин Медео представлена камнем, щебнем и дресвой с песчаным заполнителем, распределение материала по глубине не подчинено каким- либо 'закономерностям; плотность материала в теле навала плотины Медео составляет 2100—2200 кг/м³, коэффициент фильтрации (1,5—4,4)/10-2 см/с. За 4 мес. осадка навала высотой 97 м не отмечена;
в)  плотность навала Байпазинской плотины составляет 2200—2400 кг/м³, фильтрация через плотину вначале достигала 5 м³/с;
г)  применение направленных взрывов позволило существенно сократить сроки и стоимость строительства.
Строительство плотин направленным взрывом может быть осуществлено в тех случаях, когда:
а)  склоны представлены скалой, годной по физико-механическим свойствам для укладки в тело плотины;
б) ущелье в створе достаточно узкое, ширина ущелья на уровне гребня плотины меньше или равна (2,54-3,0)Н, а его склоны достаточно крутые (угол более 30°);
в)  высота и простирание массива борта на участке достаточны для обеспечения необходимого объема сброса;
г)  зона взрыва над линией примыкания низового откоса к обрушаемому борту превосходит профильный объем камня в плотине в 2,5—3 раза.

Рис. 10-42. Схема компоновки гидроузла. Плотина возводится методом направленного взрыва.
1 — контур обрушения; 2 — граница развала камня; 3 — минная камера; 4 — зона выработки обрушенной породы для досыпки плотины; 5 — плотина; 6 — строительные туннели; 7 — деривационные туннели; 8 — подземное здание ГЭС.

Кроме того, для применения энергии направленного взрыва при строительстве каменно-земляной плотины необходима следующая компоновка гидроузла:
а)  наличие плотины с экраном;
б)  расположение всех сооружений узла на берегу, противоположном обрушаемому;
в)  косое расположение оси плотины с учетом того, что взрывные камеры будут находиться в нижнем бьефе.

На рис. 10-42 приведена компоновка гидроузла; плотину высотой 300 м предполагается возводить с использованием энергии направленного взрыва.
При сочетании благоприятных условий метод возведения плотин с использованием энергии направленного взрыва является прогрессивным и может быть с успехом применен на строительстве каменно-земляных плотин с экраном. При современных ценах на ВВ этот метод пока не снижает единичной стоимости работ, но позволяет существенно упростить их выполнение, сократить сроки и снизить капиталовложения.
По данным проектных проработок в США, применение энергии ядерного взрыва для строительства плотины высотой 140 м дает примерно ту же единичную стоимость насыпи, что при обычных методах возведения плотины при дальности транспортирования камня  1,2 км.
Поскольку взрыв на сброс или выброс больших масс камня укладывает камень с высокой плотностью, последующие осадки таких плотин будут ничтожными. При выполнении массовых взрывов происходят и большие разрушения пород с образованием больших и глубоких заколов, с чем нельзя не считаться.