Каменно-земляные плотины - Опытно-производственные исследования

10-12. ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для обоснования пригодности камня и грунтов для укладки их в плотину, а также для отработки технологии производства работ выполняется опытная насыпь. Исследования на такой насыпи позволяют также уточнить конструкцию плотины и зональное расположение грунтов и камня в профиле плотины. Выполнение опытных насыпей до составления технического проекта плотин, особенно высоких, является обязательным. Ниже приводятся результаты исследований, полученные на опытных насыпях, для обоснования проекта и производства работ ряда плотин.

В процессе проектирования плотины Картере, а оно продолжалось 2,5 года, были широко поставлены опытные работы по отсыпке и уплотнению различных грунтов и камня. Было произведено пять серий опытов, которые позволили получить достаточно точную характеристику поведения того или иного материала в плотине, уложенного и уплотненного заданным способом и механизмами. Крупность камня не превышала двух третей толщины слоя насыпи. По результатам опытов были сделаны следующие выводы:
кварциты являются хорошим материалом для отсыпки во внешние призмы плотины и при уплотнении 5-тонным виброкатком мало дробятся;
аргиллиты и филлиты при уплотнении тем же катком дробятся значительно больше и могут быть использованы лишь во внутренней зоне низовой призмы;
каменная отсыпка должна уплотняться 10—15-тонными виброкатками как более эффективными, хотя дробление материалов на поверхности существенно возрастает после шести проходов 10-тонного катка;
наиболее экономичное уплотнение могло быть получено при толщине слоев 1,07—1,22 м и даже до 1,52 м; по условиям равномерности уплотнения отсыпанного слоя по высоте она была ограничена 0,91 м;
выветрелые грунты пригодны для использования в переходных зонах с уплотнением пневмоколесными катками;
материалы выветривания (элювий) пригодны для отсыпки ядра с уплотнением кулачковыми катками.
Лабораторными исследованиями грунтов для отсыпки плотины определялись плотность, водопроницаемость, консолидация и гранулометрический состав, а для некоторых зон — сдвиговая прочность и подбор состава фильтров.
Для ядра плотины был применен элювий со склонов долины, который в виде тощих суглинков удобен для разработки, а его естественная влажность была на 10% выше оптимальной. Элювий по своему гранулометрическому составу и другим физико-механическим свойствам относился к легким суглинкам, и резкой потери плотности при небольшом отклонении от оптимальной влажности не наблюдалось. Па приборах трехосного сжатия были испытаны уплотненные недренированные образцы диаметром 152 мм. До уплотнения из образцов были удалены фракции крупнее 19 мм. Уплотнение доводилось до 95% обеспеченности по Проктору. Сдвиговая прочность в тех же условиях проверялась при давлении до 0,15 МПа. Опыты показали, что в строительных условиях сдвиговая прочность грунта ядра может быть принята: φ=11,5°, а с=16кПа. Испытания консолидированных образцов без дренажа дали: φ=12° и с=9 кПа. Трехосное сжатие образцов диаметром 38 см и высотой 91,4 см производилось при давлении до 0,27 МПа. Максимальный размер щебня не превышал 78 мм, а плотность доводилась до 1890 кг/м³. Па основании опытов был принят расчетный угол внутреннего трения 39,5°.
Опытно-производственные исследования, проведенные на строительстве плотины Картере, позволили уточнить конструкцию профиля плотины и обжать его подошву с 3Н по предварительному проекту до 2,7Н по исполнительному.
На строительстве плотины Мон-Сени была выполнена опытная насыпь объемом 12 тыс. м³ для отработки технологии отсыпки камня и его уплотнения. Для опытных работ был использован известковый сланец следующего состава: крупностью до 10 мм — 5%; 10-50 мм — 6%; 50—100 мм —6%; 100—200 мм — 6%; 200-500 мм — 46% и 500—1000 мм — 31%. Плотность минеральной части камня 2710 кг/м³, модуль упругости 5 300 000 кПа, сопротивление сжатию 51,5 МПа и морозостойкость ниже 150.
Опыты должны были установить высоту отсыпаемого слоя, способ поливки и укатки, выявить влияние гранулометрического состава на результаты уплотнения. Высота отсыпаемых слоев принималась равной 1,0; 1,5 и 2,0 м. После разравнивания бульдозером грунт предварительно уплотнялся проходившими автосамосвалами. Для уплотнения был использован 8-тонный виброкаток с частотой колебаний 1500—1800 в минуту. Число проходов виброкатка изменялось от 2 до 16. Опытное уплотнение проводилось без поливки водой, с поливкой без напора (обмывка) и под напором. При поливке на 1 м³ камня расходовали 500 л воды, в том числе 180 при разгрузке камня, 180 при его разравнивании и 140 при промывке поверхности отсыпаемого слоя. Поливку выполняли гидромонитором под давлением,0,7 МПа при расходе воды 30 л/с.
К камню предъявлялись следующие требования: крупность не выше толщины отсыпаемого слоя, мелочи (фракции меньше 10 мм) не выше 10% и крупность для принятого оборудования не выше 1—2 м.
Отсыпка камня велась пионерным способом перекрестными слоями автосамосвалами с кузовами 11 м³, при этом 2/3 отсыпались на нижележащий слой и 1/3 требовала его перемещения бульдозером на отсыпаемом слое. До уплотнения плотность отсыпки составляла от 1860 до 2020 кг/м³, а после четырех проходов катка — от 1910 до 2090 кг/м³. При толщине слоя 1,0 м и четырех проходах катка плотность всегда превышала 2000 кг/м³, а при слоях толщиной 1,5 и 2,0 м плотность несколько снижалась. После первых проходов катка осадка слоя грунта получалась в 2 раза большей, чем после последующих четырех.
Четкой связи между гранулометрическим составом и плотностью не было выявлено; было установлено, что поливка камня водой дает благоприятный эффект при уплотнении.
На основе полученных опытных данных было выявлено, что при уплотнении виброукаткой распространение уплотнения в толщу слоя происходит постепенно по мере увеличения числа проходов катка: 8-тонный виброкаток является достаточно мощным механизмом, оптимальное число проходов катка 5—8.
На основе опытов была принята отсыпка камня во внутренних зонах слоями 1,0 м и во внешних зонах но 2,0 м с применением также и более крупного камня.
На строительстве плотины Гепач (см. рис. 2-6) была выполнена опытная насыпь объемом 11,5 тыс. м³ для определения наиболее рациональных способов отсыпки и уплотнения камня в боковых призмах.
На опытной насыпи были проведены: отсыпка камня слоем 0,6 м без укатки; уплотнение проходящими автосамосвалами с поливкой водой; уплотнение камня 17-тонным вибратором, подвешенным на кране; укатка камня 5—8-тонным виброкатком.
Поливка отсыпанного камня водой из расчета 3 м³ воды на 1 м³ грунта производилась гидромонитором при давлении 1500 кПа и расходе воды 80 л/с. Вибратор позволил уплотнять грунт на глубину 2,5—2,8 м. При толщине слоя 4.0 м за 10 мин уплотнялось 64 м³ насыпи. Прицепной виброкаток передвигался со скоростью 12—15 м/мин.
Уплотнение оценивалось по плотности скелета и гранулометрическому составу уплотненного грунта.
Результаты опытов приведены в табл. 10-2, что позволило сделать следующие выводы:
поливка водой дает хорошие результаты при отсыпке достаточно крупного камня, но при толщине отсыпаемого слоя 6 м происходит сегрегация камня на откосе и затрудняется отвод воды из нижних зон насыпи; кроме того, зимой поливка недопустима;
переносный тяжелый вибратор требует применения крана и подвозки камня для заполнения углублений, образующихся в результате погружения вибратора, производительность вибратора 250 м³/ч;
наиболее эффективной оказалась виброукатка. 80--90% уплотнения достигалось после четырех проходов катка, независимо от гранулометрического состава камня; производительность составляла 450 м³/ч, максимальное уплотнение достигалось после 10 проходов. Толщина слоя 2 м является оптимальной при четырех проходах виброкатка: не происходит сегрегации камня на отвале. Этот способ уплотнения применим для отсыпки зимой. Он был принят в производстве.

Таблица 10-2
Выбор способа уплотнения на плотине Гепач


Рис. 10-43. Предельные кривые гранулометрического состава камня в опытной насыпи Чарвакской плотины.

Рис. 10-44. Плотность каменной насыпи в зависимости от толщины отсыпаемого слоя (а) и числа проходов катка (б).
1 — смоченный камень; 2 — сухой камень.

На строительстве плотины Лоуэр-Бьюрфорс была выполнена из камня подземных выемок опытная насыпь объемом 600—700 м³. Камень для отсыпки имел следующий гранулометрический состав: менее 2 мм—12%; 2—20 мм —20%; 20—32 мм —40%; 64—200 мм — 12%; 200—500 мм—16%. На опытной насыпи определялись наиболее рациональные способы отсыпки и уплотнения камня (табл. 10-3).
Опытная укладка показала, что отсыпка камня на поверхность дает лучшие результаты, чем отсыпка пионерным способом под откос, которая приводила к сегрегации камня. Сегрегация оказалась больше при отсыпке слоями по 2,0 м; пористость в слоях толщиной 2,0 и 4,0 м оказалась меньше, чем в слоях толщиной 1,0 м.

Таблица 10-3
Выбор способа отсыпки камня на плотине Лоуэр-Ббюрфорс

Способы отсыпки камня	Толщина слоя, м	Пористость, %
На поверхность слоя с поливкой . . .	1,0	30
То же всухую ...	1.0	32
Пионерным способом под откос с поливкой	1,0	31
То же всухую ...	1,0	33
На поверхность слоя с поливкой . .	2,0	25
То же всухую ...	2,0	27
Пионерным способом под откос с поливкой .	4,0	27
То же всухую ...	4,0	28

Рис. 10-45. Кривая обеспеченности плотности каменной отсыпки Чарвакской плотины.

На строительстве плотины Лоуэр-Бьюрфор с применили отсыпку камня на поверхность слоями 2,0 м и одновременную поливку водой. Осадка плотины через 6 мес после заполнения водохранилища была 50 мм при высотах плотины 15 и 20 м и около 40 мм при высоте 30 м, или около 0,3%.
На строительстве Чарвакской плотины (см. рис. 6-17) из камня полезных выемок была выполнена опытная насыпь объемом 80 тыс. м³, вошедшая в профиль плотины [Л. 49]. Для этого разрабатывались палеозойские слоистые известняки, в основном толщиной от 10 до 30 см (встречались и массивные пачки известняков) с тонкими прослойками глины, глинистых сланцев и аргиллитов, разбитые системой тектонических трещин, заполненных глиной. Порода в целом водопроницаемая. Камень в куске обладал высокой прочностью120000—100 000 кПа. При разработке каменного карьера выход щебня крупностью до 100 мм составлял от 40 до 70%, в том числе мелочи (менее 20 мм) от 5 до 18%.
На опытной насыпе отрабатывалась технология, возведения боковых призм. Гранулометрический состав, отсыпаемого грунта приведен на рис. 10-43. Максимальный размер камня для отсыпки принимался равным 1/3 толщины отсыпаемого слоя. В дальнейшем оказалось, возможным его увеличить до 2/3, но в этом случае не допускалось сосредоточение таких камней в одном месте.
Грунт отсыпался пионерным способом в сухом и смоченном виде. Для уплотнения насыпи были испытаны прицепной виброкаток ПВК-25, трактор С-100 и груженый автосамосвал МАЗ-525, который по удельному давлению эквивалентен 50-тонному пневмоколесному катку Д-326. Испытания показали, что трактор-  С-100 малоэффективен для уплотнения, поскольку существенного увеличения плотности не наблюдалось.. Груженый автосамосвал МАЗ-525 значительно эффективнее виброкатка ПВК-25.
Для выбора оптимальной толщины слоя было отсыпано пять слоев толщиной от 0,6 до 2,8 м. На рис. 10-44 представлен график зависимости плотности уложенного грунта от толщины отсыпаемого слоя. Из этого графика можно сделать следующие выводы: уменьшение плотности с 1950 до 1850 кг/м³ происходит при увеличении толщины отсыпаемых слоев с 1,5- до 2,0 м, что, видимо, объясняется сегрегацией камня при пионерной его отсыпке на откосе;
предварительное смачивание камня в кузове автосамосвала из расчета 150 л воды на 1 м³ камня заметно увеличивает плотность начиная с толщины слоя 1,5 м;
увеличение расхода воды на смачивание камня не увеличивает плотности насыпи.
Влияние числа проходов уплотняющего механизма на плотность уложенного камня видно из рис. 10-44,б; а именно при увеличении числа проходов до 8 плотность существенно возрастает, а увеличение числа проходов до 14 хотя и увеличивает плотность, по незначительно — всего па 30 кг/м³.
По результатам испытания 57 проб уложенного грунта, полученных по пройденным шурфам с объемом 1,5—2,0 м³, построены кривые обеспеченности плотности (рис. 10-45), откуда видно, что при 50%-ной обеспеченности плотность отсыпанного грунта для принятого способа уплотнения достигает 1980 кг/м³, а при 80%-ной — около 1450 кг/м³.
Проведенные исследования опытной насыпи из мелкого камня — плиточного известняка позволили принять для возведения боковых призм Чарвакской плотины следующую технологию: пионерная отсыпка камня слоями по 1,5 м, предварительно смоченного в кузове автосамосвала (150 л/м³ воды), летом и слоями по 1,0 м зимой.
Па строительстве Вилюйской плотины [Л. 18] были выполнены исследования по отсыпке в воду дресвяных суглинков следующего гранулометрического состава: глины 0,005 мм—12%; пыли 0,005—0,05 мм—11%; песка 0,05—5 мм — 40% и щебня 5—20 мм — 37%. Исследования должны были выявить возможность укладки такого грунта под воду слоем до 10 м, оптимальную толщину надводного слоя, интенсивность отсыпки и степень сегрегации грунта. Для этого была возведена насыпь объемом 6,5 тыс. м³, отсыпанная при средней глубине воды 8 м на карту отсыпки 30X60 м с интенсивностью отсыпки 300 м³/сут. Толщина надводного слоя колебалась в пределах 0,2—0,7 м. Оптимальная толщина надводного слоя для передвижения 5-тонных автосамосвалов оказалась достаточной — 0,5—0,7 м. Через 10 сут насыпь была вскрыта шурфами, которые показали равномерное уплотнение грунта с плотностью скелета 1600— 1700 кг/м³.
Несмотря на хорошие показатели, полученные при опытной зимней отсыпке грунта в воду, от этого способа укладки пришлось отказаться из-за недостаточной изученности консолидации насыпи с учетом ее промерзания, а также из-за сложностей создания нормального температурного режима прудка.
На строительстве Вилюйской плотины по производственным условиям экран верховой перемычки был отсыпан из такого грунта в воду при температуре наружного воздуха от —20 до —50°С. Температура грунта на месте отвала колебалась от +1 до +40С. Экран отсыпался слоем до 8,0 м, т. е. на всю высоту перемычки с его превышением над уровнем воды до 0,5 м.

Рис. 10-46. Пневмоколесный виброкаток СВК-50 на уплотнении насыпи боковых призм Нурекской плотины.

При перерывах в отсыпке бровка откоса по урезу воды посыпалась солью, а в воду опускался перфорированный шланг для подачи сжатого воздуха, что предотвращало образование льда. Грунт, взятый из шурфов, показал хорошее качество насыпи с плотностью скелета 1850— 2050 кг/м³. Фильтрация через перемычку была ничтожной.
На строительстве Нурекской плотины проводились исследования по отсыпке и уплотнению грунта боковых призм с использованием модернизированных пневмоколесных виброкатков ПВК-70Э и СВК-5О (рис. 10-46) для определения рациональной технологии.
Для отсыпки использовался песчано-гравелистый и валунно-галечниковый грунт, из которого валуны крупнее 400 мм отбирались при погрузке в карьере.
Исследованиями установлено, что на сегрегацию· влияют влажность и гранулометрический состав грунта, коэффициент неоднородности, методы отсыпки и разравнивания. При пионерной отсыпке грунта на откосе отсыпаемого слоя происходит сегрегация, что вызвано высотой сбрасывания грунта (высота автосамосвала плюс толщина отсыпаемого слоя). Метод отсыпки грунта отдельными кучами хотя и уменьшает сегрегацию, но требует разравнивания грунта бульдозерами и большего числа проходов катка.  Наилучшие результаты с точки зрения уменьшения сегрегации были получены при отсыпке грунта на откос возводимого слоя из автосамосвалов «на себя», находящихся на ранее отсыпанном и уплотненном слое, что уменьшало также высоту разгрузки грунта. Таким методом отсыпалась верховая призма слоями толщиной от 0,8 до 1,5 м с разравниванием грунта до заданной толщины слоя и первоначаль ным его уплотнением бульдозером ДЭТ-250. Одновременно увлажнялся грунт из расчета 150 л/м³ и затем уплотнялся катками [Л. 61].

Рис. 10-47. Кривые зависимости плотности скелета рск грунта от толщины отсыпаемых слоев h и числа проходов п пневмоколесных виброкатков ПВК-70Э (а) и СВК-50 (б) в уплотненном грунте боковых призм Нурекской плотины.
На рис. 10-47 приведены результаты уплотнения грунта в зависимости от толщины уплотняемого слоя и числа проходов катка. Из графика видно, что по эффективности уплотнения оба катка практически одинаковы и грунт при толщине отсыпаемого слоя в 1,0 м может быть уплотнен за 9 проходов любым из испытываемых катков до плотности скелета 2200 кг/м³; последующее увеличение числа проходов катков не дает существенного увеличения плотности; для получения такой же плотности, но при толщине отсыпаемого слоя в 1,5 м требуются более тяжелые и мощные катки.