Каменно-земляные плотины - Строительство плотин в суровых климатических условиях

Глава двенадцатая
СТРОИТЕЛЬСТВО ПЛОТИН В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

12-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В Советском Союзе около 47% территории частично или полностью покрыто вечномерзлыми грунтами. Поэтому по мере промышленного освоения районов Крайнего Севера и Восточной Сибири все чаще приходится встречаться со строительством каменно-земляных и каменнонабросных плотин на многолетнемерзлых грунтах. Одной из особенностей грунтов этих районов является наличие вечной мерзлоты с ежегодно оттаивающим и замерзающим верхним деятельным слоем. Некоторые виды мерзлых грунтов, будучи прочными и водонепроницаемыми при отрицательной температуре, дают значительные осадки при оттаивании, а иногда полностью теряют несущую способность и водоупорность.
Режим протекающих в этих районах рек характеризуется очень малыми расходами зимой и бурными паводками, сопровождающимися тяжелыми ледоходами с мощными заторами. В руслах рек, имеющих сток и зимой, наблюдается развитие мощных и даже сквозных таликов (незамерзающих грунтов и пород). Водохранилища в этих условиях являются постоянно действующими источниками тепла, нарушающими бытовой температурный режим грунтов, часть которых переходит в талое состояние, что приводит к изменению их геотехнических свойств.
Крайний Север и районы распространения вечномерзлых грунтов характеризуются отрицательной среднегодовой температурой воздуха, продолжительной и суровой зимой, сильными ветрами, туманами и высоким снежным покровом. В этих условиях приходится выполнять работы пο строительству каменно-земляных плотиц и зимой. За рубежом при строительстве подобных плотин работы, как правило, ведут только летом. В СССР работы не прекращаются и зимой, за исключением дней с температурой ниже минус 40°, когда становится невозможной работа обычных механизмов.
Строительство каменно-земляных плотин в суровых климатических условиях предопределяет ряд требований к проекту таких плотин, а производство работ зимой допустимо только при соблюдении ряда условий, часть которых регламентирована в СНиП Ш-Б.1-62 и СНиП III-И.2-62. Требования к проектированию таких плотин отражены во Временных указаниях ВСН 08-65 [Л. 12], которые в настоящее время пересоставляются.                                            

12-2. ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ

Опыт строительства плотин в Канаде.

Пло тина Кенни высотой 96,6 м с экраном из валунной глины построена в 1952 г. на р. Нечако за один летний сезон. На случай необходимости вести строительство плотины зимой были проведены опыты с засолением грунта, чтобы предохранить его от смерзания при отрицательной температуре. Эти опыты показали, что добавление к грунту поваренной соли в количестве 1% позволяет уплотнять его в насыпи в талом состоянии. Осенью соль внесли в часть карьерного грунта, но зима оказалась поздней, плотину закончили до наступления зимних холодов и этот грунт не пришлось исполь зовать.
Плотина Келси (рис. 12-1) высотой 36,3 м и объемом насыпи 370 тыс. м³ построена на р. Нельсон в 1960 г. Она возведена на вечномерзлых грунтах в суровых климатических условиях, которые характеризуются среднегодовой температурой минус 5°С; зимой температура падает до минус 47,5°С, и в году бывает только 100 безморозных дней.
В состав гидроузла, кроме каменно-земля ной плотины, расположенной в русле, входят бетонная водосливная плотина, здание гидроэлектростанции мощностью 192 МВт с подводящим и отводящим каналами и береговые земляные дамбы. Объем земельно-скальных работ по выемке котлованов бетонной плотины, здания ГЭС и каналов 600 тыс. м³. Вечномерзлые грунты (перемежающиеся слои ила, глины и льда) прикрывали граниты на глубину до 6 м. Грунты по мере оттаивания летом срезали бульдозерами. Камень из выемки складировали и в дальнейшем укладывали в плотину.

Рис. 12-1. Плотина Келси.
1 — гранит; 2 — пригрузка; 3 — надэкрановый фильтр; 4 — глиняный экран; 5 — подэкрановый фильтр; 6 — каменная наброска второй очереди; 7 — то же первой очереди; 8 — естественный откос.
В первую очередь на берегу построили бетонную плотину, отверстия которой использовали для отвода реки при постройке русловой плотины, расположенной на находящихся здесь гранитных порогах высотой 6,0 м. Эту плотину построили на талике под защитой ряжевой перемычки. Для этого в первую очередь пионерным способом отсыпали в воду каменный банкет ниже речного порога. Затем с банкета отсыпали камень в упорный массив, что позволило осуществить сопряжение экрана и фильтров с гранитным основанием, очистить его местами на глубину до 2,5 м от выветрелой породы и заделать эти углубления бетоном. В зоне сопряжения экрана с основанием пробурили три ряда скважин, крайние глубиной 4,6 м, а центральные 15,2 м, и зацементировали основание. Камень в упорный массив отсыпали летом ярусами с гидроуплотнением под давлением 0,9 МПа. Материалы для обратных фильтров опускали по трубам, уложенным по откосу наброски, разравнивали на карте отсыпки слоями толщиной по 15 см и уплотняли бульдозерами. С наступлением холодов во избежание смерзания песка (первого слоя подэкранового фильтра) в него добавляли хлористый кальций в количестве 6 кг на 1 м³ песка.
Для экрана использовали глинистый грунт, добываемый в карьере. В конце октября 1959 г. грунт начал смерзаться, поэтому при погрузке в автосамосвалы на 1 м³ грунта добавляли 3 кг хлористого кальция. С наступлением морозов грунт в насыпи ядра начал смерзаться и приходилось снимать смерзшийся слой толщиной до 15 см. Таким способом производили работы при температурах не ниже минус 6°С. В дальнейшем при понижении температуры до минус 18°С отсыпку заканчивали под защитой переносных тепляков, которые представляли собой деревянный каркас длиной 30 и шириной 6 м, обтянутый полиэтиленовой пленкой. В тепляке удавалось поддерживать температуру минус 4°С, причем расход хлористого кальция увеличили до 9 кг на 1 м³ грунта. Кузова авто самосвалов, перевозивших грунт, закрывали брезентом. Одновременно с экраном отсыпали надэкрановый фильтр и пригрузку. При температурах ниже 18°С работы по возведению плотины были прекращены.
Плотина Кеттл Рапидс построена в 1971 г. Геологические условия характеризуются наличием в створе гидроузла гнейсов, прикрытых толщей аллювия и моренными грунтами. Вечномерзлые грунты в основании плотины и дамб потребовали специальной подготовки, которая заключалась в полном или частичном их удалении в основании, устройстве вертикальных песчаных дрен по всей подошве береговых дамб (рис. 12-2).
В состав гидроузла Кеттл Рапиде входят здание ГЭС мощностью 1224 МВт с 12 агрегатами, бетонная водосливная плотина, рассчитанная на пропуск 9512 м³/с, русловая и левобережная земляная плотины высотой 61,0 м над основанием или 42,7 м над руслом и длиной 1705 м и четыре дамбы обвалования высотой от 7,0 до 27,5 м.
Все бетонные сооружения расположены у правого берега и строились в первую очередь в едином котловане, огражденном перемычками.  Четыре штрабленых блока здания ГЭС и пролеты водосливной плотины были использованы на последнем этале работ в 1971 г. для отвода реки во время строительства русловой плотины. В 1971 г. пущены первые четыре агрегата мощностью по 102 МВт. Объем работ на строительстве составил: бетона 750 тыс. м³, выемки 3274 тыс. м³, в том числе скальной 290, насыпи плотины 2557 и береговых дамб 3580 тыс. м³. Пик рабочей силы на строительстве достигал 2500 человек.

Рис. 12-2. Плотина и береговая дамба ГЭС Кеттл Рапиде.
а — русловая; б — береговая; в — дамба; 1 — укатанная насыпь из водонепроницаемого грунта; 2 — то же из полупроницаемого; 3 — наброска камня в перемычках; 4 — фильтры из щебня крупностью 50—100 мм; 5—насыпь из проницаемого грунта; 6 — отвал непроницаемого грунта из выемки котлованов; 7 — наброска из крупного камня; 8 — наносы и морена постоянно мерзлые; 9 —  талый аллювий русла: 10 — гнейсы.
Бетонные работы на строительстве гидроузла велись круглогодично, а земляные, как правило, только в теплое время года. Бетон зимой 1967/68 г. укладывался в теплой опалубке и тепляке 170X35X48 м. За зимние сезоны готовилось основание под земляные плотины и дамбы; уложено около 690 тыс. м³ грунта в упорные призмы.
Водохранилище ГЭС Черчилл Фолс создано за счет обвалования системы озер с площадью зеркала 5825 км² и полезной емкостью 31,1 млрд. м³, что позволяет зарегулировать среднегодовой расход почти 1400 м³/с. 

Рис. 12-3. Типовые конструкции дамб обвалования водохранилища ГЭС Черчилл Фолс.
а — земляная из однородного моренного грунта с внутренним дренажем; б — каменно-земляная с центральным ядром и боковыми призмами из наброски камня; в — то же, но с призмами из гравелисто-песчаного грунта; 1 — моренный грунт, уплотненный укаткой; 2 — каменная наброска; 3 — гравелистый грунт; 4 — двухслойная переходная зона; 5 — гравелисто-песчаный грунт, уплотненный укаткой; 6 — отсыпка крупного камня; 7 — скала; 8 — моренный грунт.

Рис. 12-4. Плотина Зейтеваре,
1 — скала; 2 — аллювий; 3 — противофильтрационная завеса; 4 — ядро из моренного грунта; 5 — переходная зона; 6 —  фильтры; 7 — каменная наброска; 8 — перемычка.

Такое водохранилище создается за счет 90 дамб обвалования общей длиной 61 км с объемом насыпи почти 20 млн. м³ и 6 бетонных водосбросов, водосливов и рыбопропускных сооружений с объемом бетона 155 тыс. м³. С использованием существующего водопада на р. Черчилл создается напор 312,6 м³, используемый в подземном здании ГЭС мощностью 5250 МВт.
Средняя высота дамб обвалования составляет 9,0 м, а наибольшая дамба имеет высоту 36,6 м, длину 5316 м и объем насыпи 2160 тыс. м³. Геологические условия для строительства таких дамб благоприятные, их основанием являются метаморфизованные гранитогнейсы с интрузиями габбродиоритов и сиенитов, прикрытые моренными вечномерзлыми грунтами. В зависимости от наличия на месте грунтов для строительства дамб приняты (рис. 12-3): для большей части земляные из однородного моренного грунта с внутренним дренажем из гравия; для дамб высотой свыше 12,2 м каменно-земляные с центральным ядром и переходными зонами из гравелистого грунта и боковыми призмами из наброски камня или из отсыпки гравелисто-песчаного грунта, но без переходных зон. Верховые откосы в пределах высоты волновых воздействий закреплены крупным камнем. Водоупорные насыпи укатывались только летом в течение 4—5 мес, а камень отсыпался в наброску — зимой.
На строительстве плотин Беннет и Майка, построенных .в сложных климатических условиях, работы производились только летом (с апреля по ноябрь), а зимой прекращались. Для предохранения от излишнего промерзания на строительстве были испытаны два способа защиты ядра зимой: покрытие из пористой неопреновой пленки и покрытие песчаногравелистым грунтом слоем 1,0 м. Незащищенный грунт ядра за зиму промерзал на глубину 1,46 м; защищенный по первому способу на 0,58 м, по второму — на 1,12 м.

Опыт строительства плотин в Швеции.

 В северной части Швеции построено и строится несколько высоких каменно-земляных плотин с центральным ядром из переувлажненных моренных грунтов. Климатические условия этого района, расположенного у Полярного крута, характеризуются продолжительной холодной зимой и коротким летом. Морозный период длится 200 дней — с октября до середины апреля. Для строительства больших плотин эти условия создают ряд трудностей, связанных с использованием оборудования для механизации работ и экономикой строительства.
Одна из главных проблем — предельная высота зимней насыпи, обусловленная необходимостью ее оттаивания летом, чтобы избежать замороженных зон в насыпи плотин, которые могли бы вызвать дополнительные осадки при заполнении водохранилища. Другими вопросами являются деформируемость зимней насыпи и продолжительность ее осадок. Для изучения этих вопросов была организована широкая программа наблюдений, проведенных на строительстве плотин.
Плотина Зейтеваре (рис. 12-4) построена на р. Луле-Эльв за Полярным кругом в 1967 г. Высота плотин 100,0, объем насыпи 4800 тыс. м³, в тем числе 700 тыс. м³ моренного грунта в ядре, 500 тыс. м³ переходных зон, 100 тыс. м³ фильтров и 3500 тыс. м³ камня из подземной выемки туннеля и здания гидроэлектростанции.
Строительство плотины в достаточно суровых климатических условиях — при среднезимней температуре воздуха минус 25°С и минимальной минус 44°С — велось круглогодично, но с сокращением объема работ зимой, если судить об этом по числу занятых на строительстве рабочих: летом 850, а зимой 450 чел. Строительство было оснащено соответствующей механизацией работ.
Проект плотины Зейтеваре был разработан с учетом технических условий отсыпки грунта в зимних условиях. Устойчивость откосов плотин рассчитана методом сдвига по потенциально возможным плоскостям обрушения, проходящим вдоль контактных поверхностей между летней и зимней насыпями. Для наброски из гранита приняты углы внутреннего трения: летней насыпи 45°, зимней 40°.
В проект плотины был положен принцип использования в наброску камня, получаемого из подземных выемок и в меньшей мере карьерного. Это позволило в зимних условиях на этих плотинах уложить 1400 тыс. м³ камня, или 40% уложенной насыпи, и этим не только сократить срок строительства плотины, но и получить существенное снижение стоимости.
Плотина Летси (рис. 12-5) высотой 85,0 м построена с ядром из моренного грунта с боковыми призмами из гравелисто-галечного грунта и мелкого камня, полученного из выемок котлована водослива, подземного здания гидроэлектростанции и туннелей. Такой камень в наброску поступал сразу из разных выемок; его качество и крупность были достаточно разнородными. Наброску отсыпали летом ярусами высотой по 10 м с гидравлическим уплотнением, а зимой ярусами высотой по 5 м всухую, но с проливкой ее весной водой в двойном объеме от объема зимней насыпи.

Рис. 12-5. Плотина Летси.
1 — скала; 2 — аллювий; 3 — противофильтрационная завеса; 4 — ядро из моренного грунта; 5 — переходные зоны; 6 — отсыпка аллювия и мелкого камня; 7 — каменная пригрузка; 8 — крепление откоса камнем.

На строительствах плотин Мессауре и Летси были замерены осадки зимней наброски. Основным фактором, определяющим осадку зимней наброски, является толщина отсыпаемого за зиму яруса камня, а потому осадку измеряли для ярусов высотой 8 и 16 м. Для наброски использовали мелкий камень, получаемый от проходки туннелей. Наброску отсыпали пионерным способом под откос зимой, когда минимальная температура в некоторые дни снижалась до минус 30°С, а максимальная была около минус 10°С. Наброску уплотняли только проходящими автосамосвалами. Весной всю зимнюю отсыпку поливали водой.
Результаты измерений на плотинах Мессауре и Летси осадок зимней каменной наброски и весной после ее проливки приведены в табл. 12-1.
Из этих данных видно, что промачивание водой зимней наброски вызывает дополнительную ее осадку 0,7—0,8%. Наблюдения за последующей осадкой наброски, выполненной как в летних, так и в зимних условиях, показали, что практически она заканчивается во время постройки и только на 5% увеличивается при первом заполнении водохранилища.
Основные положения технических условий на выполнение зимней отсыпки камня для шведских плотин [Л. 95]:
а)  зимнюю наброску камня в плотину разрешается проводить только в частях, указанных в проекте;
б) перед наброской необходимо удалить снег и мороженый грунт для того, чтобы уложить наброску на непромороженный грунт основания плотины;
в)  перед зимней наброской камня на грунтовое основание необходимо уложить гравийный фильтр толщиной 2 м, отдельные слои которого должны быть укатаны до проектной плотности;
г)  наброску камня следует производить слоями высотой не более 2 м всухую с уплотнением тяжелыми тракторами. Весной вся зимняя наброска должна быть хорошо промочена;
д) перед укладкой нового слоя с поверхности ранее уложенного следует тщательно удалить снег и лед сжатым воздухом;
е) не разрешается производить наброску камня во время снегопада;
ж)  отсыпку камня летом на зимнюю наброску разрешается производить после полного оттаивания последней, что устанавливается по заложенным в насыпи телетермометрам;
з)   зимнюю наброску камня следует производить под более строгим контролем, чем летнюю.

Таблица 12-1
Осадки каменной наброски

В Швеции способ укладки и уплотнения каменной отсыпки назначают в зависимости от температурных условий во время строительства. Летом камень отсыпают пионерными слоями высотой 1—2 м с уплотнением гидравлическим способом и тяжелыми тракторами. При таком способе выполнения в последующем каменная насыпь дает малую осадку. На плотине Мессауре осадка от заполнения водохранилища была меньше 0,3%. Зимой насыпь укладывают тонкими слоями и уплотняют тяжелыми тракторами или виброкатками. Весной промачивают водой, что ускоряет таяние снега и льда в пустотах и вызывает ее дополнительную осадку.

Рис. 12-6. Изотермы в плотине Летси.
1 — ядро; 2 — переходные зоны; 3 — каменная наброска (заштрихована наброска, уложенная зимой).

Температурными измерениями зимней отсыпки плотины выявлено, что сезонные изменения температурного режима характеризуются постепенными снижениями от максимума летом до минимума зимой в центральной части плотины. В каждой точке плотины ход температурных колебаний соответствует изменениям наружной температуры воздуха и зависит от геотермических свойств грунтов платины. На рис. 12-6 показано положение изотерм для 0 и минус 10°С в течение наиболее холодного периода зимой 1964/65 г. на плотине Летси. В конце марта большая часть зимней отсыпки была проморожена и холод проник даже в скальное основание со смешением изотермы минус 10°С от поверхностного слоя зимней отсыпки. Очевидно, тепло, содержащееся в камне из подземных выемок, постепенно терялось, хотя оно и влияло на суточные изменения температуры в периоды отсыпки и уплотнения. Эффект увлажнения насыпи в центральной части плотины приводит к малым сезонным изменениям температуры в ядре, где глубина промерзания достигает 2,0 м.
Существует несколько способов защиты грунта ядра от промерзания; самым дешевым и эффективным способом является покрытие летней насыпи слоем неуплотненного грунта толщиной 0,5 м. По мере увлажнения такой слой предохраняет в зимних условиях летнюю насыпь от ее чрезмерного промерзания. Оттаивание замерзшей зоны ядра может быть ускорено удалением защитного слоя, как только это становится возможным.
До продолжения работы весной необходимо, чтобы зимняя насыпь к этому времени оттаяла. Для ускорения этого применяют электропрогрев связных грунтов. Шведский опыт показывает, что промачивание уложенной каменной насыпи водой является наиболее эффективным способом ускорения процесса ее оттаивания и вызывает дополнительную ее осадку. Это подтверждено и опытом строительства Иркутской плотины.

Рис. 12-7. Графики осадки зимней отсыпки камня (по опытным данным).

Были проведены исследования по применению электропрогрева зимней насыпи, при которых на поверхности летней насыпи через. 1,0 м уложили провода сечением 25 мм², объединенные в системы с напряжением 30 В. Электропрогрев производили весь зимний период при высоте зимней насыпи 8,0 м. Температура в обогреваемой зоне повышалась до плюс 30°С, а глубина промерзшей зимней насыпи не превышала 0,4 м. Электрообогрев применяли и для защиты насыпи ядра от ее промерзания зимой. Электронагревательную систему устанавливали осенью в насыпи ядра на глубине 0,3—0,5 м.
Из этих исследований был сделан вывод, что более экономично продолжать зимнюю насыпь и с меньшей производительностью, а также возобновлять на несколько недель раньше работы по летней технологии.
Исследования осадок зимней насыпи показали, что они характеризуются тремя этапами их хода. Таяние зимней насыпи весной вызывает первоначальную осадку. Промачивание насыпи и влияние нагружения плотины от заполнения водохранилища дают дополнительную осадку. Третий этап — осадка насыпи до, ее стабилизации во время эксплуатации плотины. Первоначальную и дополнительную осадки зимней насыпи на двух этапах изучали на опытных насыпях. В этих насыпях высотой 2, 4 и 8 м использовали прочный камень из туннельных выемок. Для сравнения эти исследования выполнили в две серии с применением различных способов уплотнения. В первой серии опытов камень отсылали одним слоем и насыпь уплотняли трактором, а во второй — слоями по 0,5 м. В обеих сериях опытов насыпь не промачивали до года, когда первоначальная осадка заканчивалась.
Наблюдения за осадками этих насыпей вели 2 года; результаты их даны в виде графиков на рис. 12-7. Здесь участки кривых 0—а, 0—b и 0—с представляют собой начальные осадки, вызванные оттаиванием грунта, а участки а—а', b—b', с—с' — дополнительные осадки от промачивания камня. Эти кривые показывают, что осадка зависит от высоты отсыпанного яруса: она равна около 1,0% при высоте яруса 2,0 м и достигает 2,5% при высоте яруса 8,0 м. При отсыпке слоями по 0,5 м осадки резко сокращаются. Выполнение отсыпки слоями по 0,5 м дает минимальную осадку, но такая насыпь менее оправдана с производственной точки зрения. Поэтому в Швеции проводились опыты с отсыпкой камня слоями по 2,0 м, но с уплотнением от 10 проходов тяжелых виброкатков (табл. 12-2).
Из этих данных видно, что вес виброкатка имеет большое значение для уплотнения зимней насыпи, тогда как для летней насыпи это не имеет практического значения. В зимней насыпи при виброукатке получается высокая плотность, а весеннее ее промачивание дает очень малую дополнительную осадку.
За рубежом, кроме Скандинавии и США, работы на строительстве грунтовых плотин зимой прекращаются. Исключением явилось строительство в высокогорном районе Австрии плотины Гепач (см. рис. 2-5), где отсыпка боковых призм производилась и зимой.
За зимний сезон с 1 ноября 1962 г. по 30 марта 1963 г. (96 рабочих дней), когда температура снижалась до —23,5°С, было  уложено 399 тыс. м³ камня при общей высоте зимней насыпи в низовой призме 35 м и в верховой 10 м. Средняя суточная интенсивность достигала 4100, а максимальная — 8150 м³. За сезон 1963/64 г. (126 рабочих дней), когда температура снижалась до — 18,6°С, было уложено 999 тыс. м³ камня со средней суточной интенсивностью 7900 и максимальной 11800 м³. Общая высота зимней насыпи за этот сезон в низовой призме составляла 40 и в верховой 36 м [Л. 114]. 

Таблица 12-2
Результаты опытов по уплотнению каменной отсыпки

Высота зимней насыпи, уложенной здесь за сезон, в несколько раз превышает допускаемую в Швеции—10 м. Это можно объяснить иными температурными условиями и применением виброукатки. Для плотины Гепач использовали карьерный камень, достаточно однородный, крупностью до 2 м³, в котором содержание щебня колебалось от 15 до 55%. Зимнюю насыпь укладывали пионерным способом слоями высотой 1,5—2,0 м и уплотняли 8,5-тонным виброкатком, а летом отсыпали ярусами высотой 6 м с гидравлическим уплотнением под давлением 1,5 МПа при трехкратном расходе воды. При таком способе уплотнения получилась практически однородная по плотности насыпь боковых призм плотины с пустотностью 33—34% и плотностью до 1800 кг/м³.