Каменно-земляные плотины - Опыт строительства каменно-земляных плотин зимой

12-3. ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА КАМЕННОЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН ЗИМОЙ В СССР
В СССР накоплен большой опыт строительства каменно-земляных плотин в суровых климатических условиях, при круглогодичном выполнении работ, на вечномерзлых грунтах. В широких масштабах зимние работы выполнялись с 1953 г. на ряде плотин, построенных в Сибири.
Иркутская плотина из песчаногравелистого и галечного грунта с центральным ядром высотой 45,0, длиной 2400 м и объемом насыпи 12 600 тыс. м³, в том числе суглинка 800 тыс. м³, строилась в 1953—1958 гг. в достаточно суровых климатических условиях: среднегодовая температура равна плюс 1,3°С; зимой температура снижается до минус 40°С; продолжительность безморозного периода 6 мес.
По гранулометрическому составу песчаногравелистый и галечный грунт не имел пыли и глины, но содержал песка крупностью менее 5 мм — 27, гравия 5—50 мм — 50, галечника 50—80 мм — 20 и булыжника крупнее 80 мм — 3%. Такой грунт в естественном залегании характеризуется коэффициентом фильтрации 9,7—1,4 см/с, а после его перемешивания и уплотнения — только (5-7)·10-2 см/с. При разработке его из-под воды он быстро отдает воду, а уложенный в большом отвале летней заготовки не смерзается зимой. Эти свойства грунта оказались решающими в организации работ по насыпи боковых призм плотины.
Грунт, заготовленный и штабелированный в таких отвалах летом, под защитой мороженой корки толщиной 0,8—1,2 м по поверхности отвала, сохранял зимой температуру от плюс 6 до плюс 8°С, влажность 4—6%, легко разрабатывался экскаватором и грузился в автосамосвалы. Технологическая схема производства работ на строительстве Иркутской плотины для летних и зимних условий приведена на рис. 12-8.
Зимой грунт отсыпался пинерным способом слоями 1,0 м и уплотнялся до плотности скелета грунта 1950 кг/м³ только за счет проходящих рассосредоточенно по карте отсыпки 25-тонных автосамосвалов. В отсыпаемом грунте попадались и комья мерзлого грунта, но их было немного. Летом грунт отсыпали так же, но с водой и слоями высотой 1,5 м, уплотняя его также до плотности 2050 кг/м³.
В особо холодные и пасмурные дни зимой грунт в насыпи подмораживался, но оттаивал летом за счет проливки водой. Для лучшего уплотнения грунта летней насыпи его грузили в автосамосвалы драглайнами из-под воды. В результате этого каждый 25-тонный автосамосвал вместе с грунтом доставлял на карту до 1,5 м³ воды. Наблюдения за осадками зимней насыпи (рис. 12-9) показали, что они практически оканчиваются в первый летний сезон следующего года; осадки плотины в целом прекратились за время ее возведения.
При наличии грунта летней заготовки интенсивность работ по насыпи плотины зимой была не меньше летней. В зимних условиях было уложено 42% общего объема насыпи боковых призм. Центральную часть профиля плотины вместе с ядром возводили только летом, а боковые призмы как летом (пазухи между ядром и зимней насыпью боковых призм), так и зимой (рис. 12-10).
Для экрана пускового профиля руслового участка плотины был применен пылеватый суглинок и древнеаллювиальные отложения. 

Рис. 12-9. График осадки зимней насыпи Иркутской плотины.
1 — группа верхних реперов; 2 — то же средних; 3 — то же нижних.

Такие грунты отсыпались при температуре наружного воздуха около минус 30—35°С на верховой откос под воду. При таком выполнении экрана и образовавшегося перед плотиной понура фильтрация достигала 2,5 м³/с. В первые зимы грунт ядра от промораживания закрывали слоем песчано-гравелистого грунта. Эта защита оказалась малоэффективной, а поэтому в дальнейшем стремились только сохранить снежный покров от сдувания его с насыпи.
Из приведенных исследований, а также опыта строительства и эксплуатации Иркутской плотины можно сделать следующие выводы:

1. гравелисто-галечные грунты, разрабатываемые из-под воды и легко отдающие воду при их штабелировании в больших отвалах, в аналогичных климатических условиях могут быть сохранены в талом виде в течение всей зимы;
2. подмороженные в насыпи грунты оттаивают за летний сезон от проливки их водой и выпадающих дождей;
3. осадка зимней насыпи стабилизируется за летний сезон следующего года и практически не оказывает влияния на осадку плотины в целом;
4. осадка плотины из песчано-гравелистого и галечного грунта, отсыпанного пионерным способом с уплотнением только рассредоточено проходящими по ней гружеными 25-тонными автосамосвалами, заканчивается в строительный период;
5. насыпь ядра плотины из карьерного суглинка можно производить при температуре воздуха до минус 20—22°С, но при условии непрерывной работы, не допуская смерзания суглинка до его уплотнения па карте насыпи;
6. карьеры суглинка зимней разработки не следует вскрывать с осени и очищать от снега зимой, чтобы не допустить излишнего промораживания грунта.
7. насыпь плотины из песчано-гравелистого и галечного грунта, сохраненного зимой в талом виде, можно успешно выполнять зимой;

Рис. 12-10. Распределение насыпи Иркутской плотины по сезонам и годам ее возведения.

Используя опыт строительства Иркутской плотины, аналогично организовали и выполнили работы на строительстве левобережной дамбы Братской плотины. Эту дамбу высотой до 40,0 м с объемом насыпи 2775 тыс. м³, в том числе наброски камня 536 тыс. м³ и гравелисто-галечного грунта 1162 тыс. м³, возводили также зимой.
Зимой 1962/63 г. была возведена верховая перемычка для ограждения котлована Красноярской ГЭС. В подводную часть перемычки грунт отсыпали в воду слоями значительной высоты, что приводило к некоторому расслоению грунта на откосе и к образованию прослоек грунта повышенной фильтрации. Потребовалась дополнительная подводная отсыпка супеси на верховом откосе, а также увеличение водоотлива в котловане. Надводную часть насыпи перемычек отсыпали пионерным способом слоями 0,5—0,7 м и уплотняли автосамосвалами, перевозившими грунт. Для сохранения межслойных контактов требовалось полное уплотнение уложенного грунта до его замерзания. Не допускалось образования длинных гряд из комьев мороженого грунта в насыпи. Никаких заметных просадок и деформаций зимней насыпи при ее оттаивании летом не наблюдалось.
Зимой 1966/67 г. была выполнена опытная насыпь на строительстве Зейского гидроузла из супесчаного грунта следующего гранулометрического состава: пыли и глины 20—22, песка 63—65, гравия 2,5—15 мм—10 и гальки крупнее 15 мм — 3%.
Грунт в карьере при температуре наружного воздуха минус 20—47°С находился в талом состоянии и имел карьерную влажность 7—18% при оптимальной 10—14%. Козырьки мороженого грунта, образующегося при разработке забоя, периодически подрывали и убирали. Грунт разрабатывали экскаваторами ЭКГ-4,6 и отвозили автосамосвалами (большинство из которых не имело утепленных кузовов) на расстояние 5,0 км. На карте насыпи грунт отсыпали кучами. Для накопления на карте требуемого объема грунта для уплотнения приходилось отсыпать грунт за несколько рейсов. Поверхность грунта за это время покрывалась коркой мороженого грунта, который по визуальной оценке составлял 5—15% по объему. Грунт разравнивали бульдозерами до толщины слоя 30—45 см и уплотняли гружеными автосамосвалами БЕЛАЗ-540 за 8— 10 проходов до проектной плотности 1800 кг/м³. При разравнивании грунта происходило перемешивание талого и подмороженного грунтов. Подмороженный грунт или талый с влажностью более 14% до такой плотности не уплотнялся.
Процесс укладки состоял из отсыпки карты — 45—60 мин, планировки·—15—30 мин и укатки—45—90 мин. Цикл отсыпки слоя трех карт занимал 6—8 ч. Среднесуточная интенсивность насыпи была 900 м³, а в отдельные дни достигала 3000 м³. Глубина промерзания уложенного грунта при температуре наружного воздуха минус 30—35°С достигала за 1 ч 2—3 см, за 2 ч — 4—5 см и за 5—6 ч— 10 см; при температуре ниже минус 40°С за 1 ч — 4—5 см, а за 3 ч — 10 см.
По данным датчиков термосопротивлений вся насыпь в объеме 30 тыс. м³ за зиму промерзла, а весной после оттаивания разуплотнилась. Средняя плотность уложенной насыпи (по данным 258 проб) составляла 1780 кг/м³, а после того, как насыпь была проморожена (по данным 95 проб), плотность оказалась всего 1600 кг/м³.
При отрицательной температуре воздуха (от —17°С до —37°С) талый грунт сохраняет положительную температуру в течение 3,5—2,5      ч, что позволяет при интенсивной насыпи уложить и уплотнить грунт в талом состоянии. Талый грунт, уложенный на промороженный грунт, имеет хороший контакт. Рыхлые контакты образуются только при насыпи и уплотнении мороженого грунта.
Опытная насыпь на строительстве Зейской плотины подтвердила, что при интенсивном ведении работ и строгом соблюдении технологии их выполнения в таких сложных зимних условиях можно получить качественную пасыпь. Технология выполнения зимней насыпи зависит от состава грунта (содержания в нем фракций глины и пыли), его влажности, температуры наружного воздуха и интенсивности отсыпки грунта, т. е. факторов, которые проверяются на опытной насыпи. При промораживании зимней насыпи необходимо считаться с ее разуплотнением, что проверяется в процессе производства работ.
Для защиты от глубокого промерзания насыпи можно использовать не только снежный покров, но и любые имеющиеся па месте теплоизолирующие материалы (солому, мох, торф и т. п.), а также пенолед. Пенолед [Л. 9] может быть использован для защиты от промерзания поверхности карьера грунта, разрабатываемого зимой, а также штабелированных на зиму отвалов грунта. Пенолед состоит из замороженной пены, воды, образованной пенообразующими добавками. Пенолед характеризуется плотностью менее 0,1 т/м³ и коэффициентом теплопроводности менее 0,2 ккал / (м-ч °С).
За укладкой связного грунта зимой ведут особенно тщательные наблюдения, включая наблюдения за глубиной его промерзания в карьере и насыпи. С наступлением теплого периода проверяют качество насыпи, определяя также степень разуплотнения грунта, подвергшегося промораживанию зимой. Путем шурфования ведут наблюдения за оттаиванием грунта. Верхняя граница замороженного зимой грунта с наступлением теплого времени понижается, а нижняя — повышается. В зависимости от результатов исследований зимней насыпи и данных наблюдений за ее оттаиванием определяют срок возобновления работ по насыпи и необходимость дополнительного уплотнения или удаления, если за зиму произошло разуплотнение грунта.
При укладке грунта способом отсыпки в воду требования к сохранению тепла в карьере связных грунтов аналогичны требованиям к грунтам, укладываемым с уплотнением укаткой.
С наступлением морозов до минус 5°С грунт укладывают в воду так же, как и в летнее время. С понижением температуры наружного воздуха ниже минус 5°С отсыпку грунта в воду производят только при условии непрерывной его укладки, исключающей образование льда в прудке. В случае вынужденных перерывов образовавшийся в прудке лед удаляется. В отдельных случаях может быть применен подогрев воды в прудках, для этого могут быть использованы теплые грунтовые воды. При температуре наружного воздуха ниже минус 20°С грунт следует укладывать только в подогретую воду или прекращать работы на всю зиму, причем последнюю отсыпанную карту можно оставить под водой, чтобы этим предохранить грунт насыпи от промерзания зимой.
Таким образом, указанными выше мероприятиями может быть продлен сезон возведения насыпей зимой. В районах, где зимой температура наружного воздуха не ниже минус 20°С, насыпь связного грунта в противофильтрационные устройства плотины можно производить круглогодично, строго соблюдая технологию и требования производства работ. Для районов с более суровым климатом, соблюдая требования ведения зимней насыпи, можно удлинить срок производства работ в осенне-зимний период с применением для этого засоления грунта.
Так как выполнение зимней насыпи противофильтрационных устройств в зависимости от характера грунта, карьерной влажности связано с большими трудностями, то нет и особой необходимости прибегать к этому, так как это очень удорожает выполнение работ. Например, па строительстве Вилюйской плотины зимняя насыпь экрана обходилась значительно дороже летней.
Из изложенного выше можно сделать общий вывод, что климатические условия не являются существенным препятствием для строительства каменно-земляных плотин; они только осложняют выполнение работ и удорожают их стоимость. Эти плотины, включая и их противофильтрационные устройства, можно строить круглогодично, если в этом есть необходимость, но в проекте плотины, намечаемой к строительству в суровых климатических условиях, должны быть учтены все усложнения в производстве зимних работ. Следует учитывать и «температурный барьер» минус 40°С, только выше которого можно вести зимой работы по строительству плотины.
В условиях Крайнего Севера, Северо-Восточной Сибири, Заполярья и Кольского полуострова построены плотины: в 1969 г. Вилюйская высотой 75,0 м, в 1970 г. Серебрянская высотой 78,0 м, в 1972 г. Усть-Хантайская высотой 65,0 м, строится Колымская высотой 126,0 м и проектируется Панойская плотина высотой 124,5 м. Кроме того, в этих районах построен ряд мелких грунтовых плотин, которые представляют большой интерес с точки зрения гидротехнического строительства, выполняемого в суровых климатических условиях.
Вилюйская плотина построена в Якутской АССР в суровых климатических условиях: среднегодовая температура воздуха минус 8,2°С, а зимой она снижается до минус 63°С. Зима начинается в октябре и продолжается 7 мес. Плотина расположена в районе сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов и пород. Только в русле реки на глубину до 80 м прослеживается подрусловой талик. Глубина деятельного слоя в зависимости от экспозиции склона изменяется от 1,5 до 2,5 м, а льдонасыщенность глинистых грунтов колеблется от 50 до 90%.

Рис. 12-11. Вилюйская плотина.
1 — каменная наброска, отсыпанная без уплотнения; 2 — выравнивающий слой из мелкого камня; 3 — слой фильтра из щебня до 150 мм; 4 — то же до 40 мм; 5 — экран из дресвяного суглинка; 6 — переходная зона из песчано-гравелистого грунта; 7 — пригрузка камнем; 8 —  крепление камнем крупностью 60 см; 9 — каменный банкет; 10 — противофильтрационная завеса, выполняемая из галереи; 11 — скала; 12 — аллювий.

Режим р. Вилюя чрезвычайно неравномерный: за весенний период проходит 84%, а за зимний только 2% стока. Зимние расходы реки уменьшаются до 1—2 м³/с, а паводковые 5%-ной обеспеченности достигают 9400 м³/с. Паводковые уровни в реке поднимаются па 10—12 м. Толщина ледяного покрова 1,5—1,8 м, а продолжительность его стояния 200—230 дней. В пределах створа плотины залегают диабазы, трещиноватые с поверхности и сильно разрушенные на склонах. В состав Вилюйского гидроузла входят: каменно-земляная плотина, подводящий канал на правом берегу с водосливом и водоприемником, полуподземное здание гидроэлектростанции и повысительная подстанция.
Основным сооружением гидроузла является каменно-земляная плотина с экраном из дресвяно-суглинистого грунта высотой 75,0 и длиной 635 м (рис. 12-11). В упорную призму отсыпали камень, получаемый из карьеров и при разработке котлованов. При отсыпке камня производили его грубую сортировку: автосамосвалы с крупным камнем направляли к низовой части призмы, а с мелким — к верховой.
Камень отсыпали ярусами по 8—10 м, летом в первый год строительства применяли его гидроуплотнение под давлением 0,5—0,6 МПа с расходом 1,0—2,5 м³ воды на 1 м³ наброски. 

Рис. 12-12. Вид на Вилюйскую плотину во время строительства (справа видна строительная траншея).

В дальнейшем ввиду промораживания наброски зимой камень отсыпали всухую, без уплотнения. В этих условиях, по данным измерений в различных точках плотины за период с 20 мая 1965 г. по 30 июля 1968 г., произошла осадка: при высоте насыпи 35,9 м — 1742 мм (4,85%), 42,5 м — 2678 мм (6,30%) и при высоте насыпи 35,5 м— 1763 мм (4,97%),. что объясняется отсутствием уплотнения каменной наброски, большая часть которой выполнена в зимних условиях.
По выравнивающему слою из мелкого камня на верховом откосе уложен двухслойный фильтр из щебня крупностью до 40 и до 150 мм. Фильтры укладывали с послойным уплотнением до 1800—1900 кг/м³. С верховой стороны экран прикрыт переходной зоной из песчано-гравелистых грунтов, а в пределах высоты призмы сработки эта зона усилена слоем щебня. Для защиты экран пригружен каменной наброской. Экран сопрягается с основанием посредством слабоармированной бетонной плиты с цементационной галереей над нею. До заполнения водохранилища в подрусловом талике выполнена цементационная завеса, которая по мере оттаивания основания будет продолжена и по склонам. Объем насыпи плотины составляет 4746 тыс. м³. Для отвода реки в пределах левобережного склона оставлена и проложена строительная траншея — канал. До готовности траншеи реку пропускали по естественному руслу через проран в упорной призме, камень в которую отсыпали пионерно с обоих берегов. После окончания строительной траншеи (рис. 12-12) в нее перевели реку и все работы по подготовке котлована в русле и насыпь экрана производили в зимних условиях под защитой невысокой перемычки, построенной зимой. За первые 1,5            года работ до перекрытия русла в плотину было отсыпано 566 тыс. м³ камня.
Паводок 1965 г. пропускали по строительной траншее, для чего была отсыпана упорная призма в русле на высоту 49 м, а экран и его пригрузка на 25 м. Входную часть левобережного торца плотины укрепили железобетонными сборными плитами. За 4 года строительства плотины пропускались паводки с максимальными расходами от 4610 до 7800 м³/с. Зимой 1966/67 г. траншею закрыли насыпью плотины, а экран примкнули к левобережному склону. После этого началось заполнение водохранилища. К весне 1967 г. был подготовлен и водослив, который при пропуске паводка вступил в работу.
Для экрана плотины использовали дресвяный суглинок из аллювиально-делювиальных отложений, залегающих плащом по склонам на коренных породах. Для такой насыпи использовали хорошо перемешанную смесь этих грунтов, которая имела до 55% дресвы (щебня), 25—30% песчаных и пылеватых грунтов и 10—20% глинистых, коэффициент неоднородности D60/D10 находился в пределах 2000—2500. К заполнителю такого грунта, т. е. фракциям мельче 2 мм, предъявляли следующие требования: плотность насыпи (по мелкозему) 1600—1650 кг/м³, коэффициент фильтрации не свыше А·10-4 см/с; влажность укладываемого грунта 6—44% при оптимальной 9—11%; комья мерзлого грунта до 7% допускали в насыпь, если их крупность не превышала половины толщины отсыпаемого слоя.
В суровых климатических условиях строительства Вилюйской плотины выполнение насыпи экрана было одним из наиболее трудных производственных процессов, тем более что зимой он в таких масштабах осуществлялся впервые.
Чтобы сохранить зимой грунты для экрана в талом состоянии, летом их складировали в большие штабеля. Схема организации этих работ изображена на рис. 12-13. Для предохранения грунта от промерзания зимой и создания лучшей электропроводности их при электропрогреве штабель покрывали слоем засоленного грунта 2,0—2,5 м, расходуя от 12 до 34 кг поваренной соли на 1 м³ грунта. Схема организации работ по засолению грунта и покрытию им штабеля показана на рис. 12-14. Кроме того, поверхность штабеля покрывали слоем пенольда толщиной 0,5 м, что уменьшало глубину промерзания грунта на 1,0 м. Для разогрева грунта во время его зимней разработки применяли электропрогрев. Электроды и всю электропроводку для этого монтировали летом, а зимой электропрогрев начинали за 3—4 сут до разработки штабеля. Таким способом удавалось сохранить в штабеле грунт в талом состоянии и разогреть его до положительной температуры 8—11°С перед разработкой. На разогрев 1 м³ грунта расходовалось 80—100 кВт-ч электроэнергии, а всего на это израсходовано около 3 млн. кВт-ч. Зимой такой грунт налипал на переохлажденные ковши экскаваторов, что осложняло его погрузку в самосвалы. По-видимому, этого можно было частично избежать, применив  электропрогрев в ковшах экскаваторов.
Талый грунт из карьера на карту насыпи перевозили в 10-тонных автосамосвалах, кузовы которых имели двойные стенки и подогревались отработанными газами; сверху грунт закрывали брезентом. 

Рис. 12-13. Схема производства работ по штабелированию суглинисто-дресвяного грунта в карьере.

Рис. 12-14. Схема производства работ по засолению грунта на поверхности отсыпанного штабеля.
На карту насыпи грунт отсыпали кучами и до его разравнивания прикрывали полиэтиленовой пленкой. Насыпь экрана начали в конце февраля 1965 г. и производили в зимних условиях. Грунт разравнивали слоями толщиной 40—50 см и уплотняли в талом состоянии до смерзания за 6—8 проходов груженого 25-тонного автосамосвала.

Подготовка основания для отсыпки очередной карты [Л. 18] состояла из очистки поверхности карты от снега и наледей, а также прогрева ее с помощью турбореактивной установки, смонтированной на тракторе, и химической защиты грунта от промерзания.
С помощью струи газов, выбрасываемой из сопла двигателя с высоким скоростным напором при температуре 300—500°С, в течение нескольких минут удавалось очищать 400— 700 м² поверхности карты и одновременно за счет регулирования режима работы двигателя, а следовательно, и температуры воздушногазовой смеси прогревать поверхность карты до плюс 5—10°С. За небольшой срок такой обработки грунт на поверхности карты прогревался на глубину 1—1,5 см, что позволяло производить засоление и укладку очередного слоя грунта.
Химическая защита грунта от промерзания заключалась в повышении концентрации грунтового раствора путем внесения в грунт водорастворимой соли с целью понижения температуры смерзания грунта. Расход концентрированных растворов хлористого натрия или хлористого кальция на 1 м² поверхности составлял 2—4 л в зависимости от температуры наружного воздуха и интенсивности укатки, что обеспечивало засоление верхней части слоя на глубину около 5 см. Такое засоление производили при помощи поливочной автоцистерны перед укаткой разровненного грунта на карте насыпи. Стоимость засоления грунта на карте насыпи составляла около 50% всех расходов по его укладке.
Карты отсыпки имели небольшие площади. При наружной температуре воздуха минус 30—35°С грунт в течение 1 —1,5 ч находился в талом состоянии в кучах под прикрытием полиэтиленовой пленки. Для накопления на карте 100—150 м³ грунта, необходимого для разравнивания и планировки, требовалось 20—40 мин. Среднесуточная интенсивность насыпи 2000 м³; максимально достигнутая в марте 1965 г. составила около 3000 м³, а в апреле — 3400 м³. Интенсивность насыпи за это время увеличилась с повышением температуры наружного воздуха от минус 40 до минус 20°С.
Стоимость 1 м³ насыпи экрана с накладными расходами и плановыми накоплениями составила: в летних условиях 7 р. 73 к., а в зимних 12 р. 93 к. [Л. 18]. За период 1962— 1967 гг. в тело плотины уложено: каменной наброски — 3490, фильтров — 323 и экрана —  633 тыс. м³, в зимнее время уложено около 80% этого объема.

Исполнительный график насыпи плотины характеризовался неравномерным выполнением работ. Максимальная месячная интенсивность наброски камня достигла 220 тыс. м³ в июне 1966 г., насыпи фильтров — 46 тыс. м³ в мае и экрана — 70 тыс. м³ в апреле 1965 г. В 1965 г. — год наиболее интенсивных работ — отсыпано каменной наброски 950, фильтров 186 и экрана 308 тыс. м³.
Наблюдения за деформациями и температурным режимом Вилюйской плотины позволяют сделать следующие выводы:

1. Несмотря на значительные осадки, которые быстро стабилизировались, опасения за нарушение контактов между каменной наброской и экраном вследствие отставания деформаций экрана от осадок упорной призмы оказались преувеличенными. После почти двухлетней эксплуатации плотины не обнаружено видимых следов фильтрации и просадок экрана.
2. В температурном режиме тела плотины наблюдается закономерный сдвиг по фазе и амплитуде в зависимости от глубины, понижение отрицательных температур в направлении к низовому откосу и, наоборот, повышение положительных к экрану (см. рис. 7-4). За последние годы не произошло заметных изменений в температурном режиме низовой призмы Вилюйской плотины.
3. Упорная призма плотины зимой охлаждается до очень низких температур, а летом происходит ее прогревание. Этому способствовала усиленная конвекция холодного воздуха в порах каменной наброски. После того как они были закрыты на низовом откосе отсыпью щебня, воздухообмен в призме сократился, изменился и температурный режим в упорной призме.

Плотина Серебрянской ГЭС высотой 78,0 м и длиной 1820 м построена на р. Вороньей за Полярным кругом на Кольском полуострове. Температура наружного воздуха здесь изменяется от минус 48°С зимой до плюс 32°С летом. Грунт за зиму промерзает на глубину до 2,5 м. Работы осложняют сильные ветры (до 40 м/с) и густые туманы.
Серебрянская плотина (рис. 12-15) построена с центральным ядром из моренного грунта, отсыпанного в воду. Грунт имеет следующий осредненный гранулометрический состав: глина и пыль — 8; мелкий песок 0,05— 0,25 мм — 1,7; средний песок 0,25—0,5 мм — 8; крупный песок 0,5—2,0 мм — 11; гравий 2—10 мм — 14; 10—100 мм — 25 и валуны крупнее 100 мм — 13%. Плотность грунта 2000 кг/м³, в том числе мелкозема 1700 кг/м³, коэффициент фильтрации не превышает в среднем 1,1-10—3 см/с. Боковые призмы отсыпаны из наброски камня, получаемого в карьере и при разработке котлована, а переходные зоны— из аллювия, получаемого из карьера, расположенного па расстоянии 12 км от плотины. Объем работ по строительству плотины: выемка — 430, ядро— 1722, переходные зоны и наброска камня — 2450 тыс. м³.
Плотина возводилась круглогодично. На рис. 12-16 приведена технологическая схема возведения ядра плотины в летних и зимних условиях. На рис. 12-17 представлена карта ядра, отсыпанная летом.
За зимние сезоны (с октября по апрель) уложено морены 34, аллювия и камня 67, т. е. всего около 51%.

Рис. 12-15. Серебрянская плотина.
1 — ядро из песчаной морены, отсыпанной в воду; 2 — переходные зоны из аллювия (песчано-гравелистого грунта); 3 — наброска камня без уплотнения; 4 — бетонная плита; 5 — противофильтрационная завеса; 6 — аллювий в русле; 7 — скала.

Рис. 12-16. Технологическая схема возведения Серебрянской плотины.
Л — летняя отсыпка; Б — зимняя отсыпка; В — наброска камня; Г — центральная часть прудка, образующаяся в результате зимней насыпи, заполняется летом; I-X — очередность ярусов каменной наброски.
Зимой вода в прудках подогревалась. Это позволило вести отсыпку ядра с интенсивностью до 50 тыс. м³/мес. Минимальная температура, при которой производились эти работы, в отдельные месяцы снижалась до минус 38°С. Для подогрева воды в прудках применялась электробойлерная установка мощностью 6500 кВт и, кроме того, зимой 1967/68 г. использовались электронагреватели мощностью 700 кВт, смонтированные на понтонах. Для уменьшения теплопотерь поверхность прудка покрывали плавающими плитами полистирола. Летом отсыпка грунта в воду велась сплошными картами, зимой — отдельными полосами шириной 10 м вдоль откосов. Под водой моренный грунт растекался и ложился с откосами 1 : 3,5—1 : 10. 

Рис. 12-17. Вид на карту летней отсыпки ядра Серебрянской плотины.

Для удаления заберегов и образования полыньи применялась обдувка горячими газами от работающего реактивного двигателя тепловой машины, а для уменьшения промораживания грунта —  поливка отсыпаемых полос грунта раствором хлористого кальция. Отсыпка грунта отдельными полосами сокращает ширину прудка. Зимой прудок всегда оставался под водой, что исключало образование в ядре мерзлотных зон. По опыту зимней отсыпки грунта в 1967/68 г. были установлены следующие расходы электроэнергии и материалов на 1000 м³ насыпи: электроэнергии 38 тыс. кВт-ч, хлористого кальция 260 кг, авиационного керосина 1090 кг, пенополистирола 2,36 м³ и круглого леса 0,1 м³ [Л. 89]. 

Рис. 12-18. Усть-Хантайская плотина.
1 — ядро из коренного грунта; 2 — первый слой фильтра (d<10 мм); 3 — то же второй (d>10 мм); 4 — аллювий; 5 — каменная наброска; 6 — крепление камнем массой по 3,5—5 т для пропуска строительных расходов через плотину; 7 — деревянный ряж; 8 — перемычка; 9 — аллювий; 10 — противофильтрационная завеса, выполненная из галереи; 11 — долериты.
Стоимость отсыпки моренного грунта в воду летом с накладными расходами и плановыми накоплениями для Серебрянской плотины составила 3,66 руб/м³, а зимой 5,88 руб/м³. Опыт строительства Серебрянской плотины показывает, что метод отсыпки грунта в подогреваемую воду позволяет возводить каменно-земляные плотины круглогодично даже в суровых условиях Заполярья.
Усть-Хантайская плотина построена на р. Хантайке на Крайнем Севере Сибири. Плотина (рис. 12-18) каменно-земляная высотой 65,0 и длиной 420 м (в русловой части) с объемом насыпи 1181 тыс. м³, в том числе наброски камня 873, фильтров 173 и ядра из моренных грунтов 135 тыс. м³.
В состав узла сооружений Усть-Хантайской ГЭС входят: русловая плотина с земляными дамбами — левобережной высотой до 11,0 и длиной 1800 м и правобережной высотой до 30 м и длиной 4100 м с объемом насыпи 2020 тыс. м³; строительный туннель в левобережном склоне сечением 100 м² и длиной 240 м; подводящий канал на правом берегу с водосливом на расход 4130 м³/с; водоприемник; подземное здание ГЭС.
За исключением отвода реки, компоновка узла сооружений идентична компоновке Вилюйской ГЭС.
Режим р. Хантайки очень неравномерен, и расходы реки изменяются от 2—3 м³/с зимой до 6900 м³ в паводок 5%-ной обеспеченности в мае—июне. Строительство плотины проходило в суровых климатических условиях со среднегодовой температурой минус 8°С; зимой температура снижалась до минус 63°С. Безморозный период длился в среднем 78 дней. Основание русловой части плотины представлено долеритами, которые на береговых склонах сильно выветрены и разрушены. По условиям производства работ в основании ядра плотины оставлен слой аллювия 6—7 м, прикрытый железобетонной плитой и прорезанный противофильтрационной завесой.
Кроме суровых климатических условий для строительства Усть-Хантайской плотины сложной проблемой являлся пропуск паводков через створ в узком ущелье с крутыми склонами. С учетом установленных сроков строительства и необходимости получить минимальные объемы работ была принята плотина с ядром, и предусмотрен один строительный туннель, который при подпоре, лимитируемом высотой перемычки около 12 м, пропускался расход воды только 500 м³/с. При этом предусмотрена возможность затопления плотины после перекрытия русла и пропуск второго паводка через недостроенную плотину и водосбросный канал с пониженной отметкой (см. рис. 9-12).
Производство работ по возведению Усть- Хантайской плотины во многом повторяет условия Вилюйской плотины. Камень, полученный из полезных выемок, в наброску отсыпался пионерным способом ярусами по 3—5 м, без уплотнения.
Ядро отсыпалось из моренных грунтов, карьер которых находился на расстоянии 8 км от плотины. Большая часть грунта в ядро плотины была уложена в зимнее время при температуре наружного воздуха до минус 40°С. Для насыпи ядра использовались неоднородные грунты, представленные суглинком, супесью с прослойками песка, с примесью гальки и гравия, мощностью 0,8 м и мореной мощностью в среднем 1,3 м.
Глубина сезонного промерзания грунтов в карьере достигала 1,5 м.
Разработка карьера производилась только летом после оттаивания грунта, а для обеспечения зимних работ выполнялось складирование грунтов в штабелях.  Массовой заготовке грунта предшествовали исследования температурно-влажностного режима грунта на всех стадиях технологического процесса. Грунты в карьере в большей части находились в переувлажненном состоянии, а естественная подсушка их исключалась климатическими условиями (частые дожди летом). Часть грунта была с влажностью, близкой к оптимальной. Разработка грунта в карьере производилась экскаватором одновременно всех слоев, благодаря чему происходило их смешение, а в процессе складирования к нему добавлялось 10% песчано-гравелистого грунта. Такая добавка улучшала гранулометрический состав грунтовой смеси, понижала общую влажность на 1,0—1,5% и обеспечивала движение автосамосвалов при складировании грунта, особенно в дождливые дни. Фактическая стоимость такого грунта с учетом вскрыши составила 2,6 руб/м³ [Л. 16].
После вскрышных работ разработка грунта в карьере (в июне—июле), когда он еще находился частично в мерзлом состоянии, производилась экскаватором ЭКГ-4,6. Для этого в пределах вскрытой территории карьера проходилась пионерная траншея на всю глубину полезных слоев (около 2,0—2,5 м). После разработки на всю длину траншеи экскаватор возвращался в исходную позицию и грунт разрабатывался вдоль траншеи с погрузкой в автосамосвалы.
Грунт в штабелях объемом не менее 200 тыс. м³, высотой до 15 м и шириной по верху 50—60 м. отсыпался пионерным способом. Удельная поверхность такого штабеля 0,1 м²/м³. Поверхность штабеля покрывалась слоем засоленного грунта 1,5 м с расходом поваренной соли 40 кг/м³. Засоление грунта производилось в карьере за счет покрытия подготовленной поверхности солью, за 2—3 недели до разработки перемешивание нерастворенной соли с поверхностными грунтом производилось бульдозером. По мере разработки грунта в штабеле зимой производился электропрогрев смерзшейся поверхностной корки, для чего электроды ставились в грунт до начала его замерзания.

Рис. 12-19. Кривые обеспеченности влажности (а) и плотности (б) грунтов, уложенных зимой в ядро Усть- Хантайской плотины.
1 — грунты, уложенные с применением обычных методов их уплотнения; 2 — грунты переувлажненные, уложенные с уплотнением тракторами.

Технология разработки талого грунта в штабеле с его температурой около плюс 6— 8°, транспортирование на карту отсыпки, отсыпка, защита от смерзания, разравнивание и уплотнение приняты по схеме, апробированной на опыте строительства Вилюйской плотины. Поверхность отдельных слоев насыпи (40— 50 см до уплотнения) обрабатывалась концентрированным раствором хлоридов из автоцистерны с разбрызгивателем из расчета не более 1,5—2,5 л/м². Верхняя часть уплотняемого слоя не смерзалась, оставалась пластичной и не препятствовала уплотнению нижней зоны. В уплотненном грунте насыпи не развивались процессы, связанные с морозным пучением, а контакты между слоями насыпи получились монолитными. Грунт в насыпи уплотняли гружеными автосамосвалами КрАЗ-256 и МАЗ-525 за 8—12 проходов.
Такой метод уплотнения мог применяться для насыпи из грунта с влажностью, близкой к оптимальной, 9—10%. Однако приходилось укладывать и переувлажненный до 16—17% грунт. При такой влажности грунта груженые автосамосвалы не могли выходить на карту насыпи, и грунт отсыпался на переходных зо нах, а затем передвигался на карту ядра бульдозерами. Грунт в насыпи ядра укладывался в распор с переходными зонами, насыпь которых опережала по высоте насыпь ядра на один слой. Толщина укладываемых слоев в рыхлом состоянии составляла 50—70 см.
Отсыпанный на карту грунт обрабатывался перед его уплотнением раствором хлоридов из цистерны, смонтированной на трелевочном тракторе ТДТ-40, оборудованном рыхлителя ми, что способствовало равномерному и более глубокому проникновению хлоридов в переувлажненный грунт. Уплотнение грунта производилось тракторами с уширенными гусе ницами с учетом консолидации такой насыпи под нагрузкой от вышележащей толщи. При необходимости поверхность насыпи прогрева лась тепловой машиной.
Пройденные шурфы показали, что грунт в насыпи имеет однородную и монолитную структуру. На рис. 12-19 приведены кривые обеспеченности влажности и плотности насыпи из переувлажненного грунта, уплотненного тракторами. Из этих графиков видно, что на сыпь, уложенная из грунта с влажностью 10,7%, имеет плотность 1980 кг/м³, а насыпь из грунта с влажностью 15,3% имеет плот ность 1860 кг/м³ (обеспеченностью 50%).

На строительстве Усть-Хантайской плоти ны ядро из таких грунтов возводилось при тем пературе наружного воздуха до минус 30°С с интенсивностью до 3000 м³/сут. Температу ра уплотняемого грунта поддерживалась в пределах 3—6°С [Л. 16]. Однако фактически оказалось невозможным развить такую интенсивность роста насыпи плотины по высоте, чтобы сохранить грунт в талом состоянии.
Противофильтрационные устройства (экран и ядро) Вилюйской и Усть-Хантайской плотин во время постройки оказались частично или полностью промороженными. Эксплуатация этих плотин показала, что, несмотря на кажущуюся жесткость насыпи, видимых деформаций мерзлого грунта в них не обнаружено. По-видимому, деформации мерзлой насыпи вследствие ее пластичности соизмеримы с деформациями упорных призм. Из опыта строительства Усть-Хантайской плотины следует, что моренные грунты в таких климатических условиях можно укладывать и в переувлажненном состоянии.
Плотины мерзлого типа относительно небольшой высоты построены в Сибири главным образом для промышленного водоснабжения, а также для создания прудов-охладителей при тепловых электростанциях. Опыт их строительства и эксплуатации, безусловно, может быть использован при проектировании и строительстве подобных каменно-земляных плотин и большей высоты. За последние 30 лет в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов и пород построены следующие плотины: на р. Долгой высотой 10,0 м, на р. Наледной — 7,0 м, на р. Мяунджи — 11,5 м, Анадырская — 8,5 м, Иреляхская — 12,0 м, на озере Мелком — 7,0 м, Кадыкчанская— 8,0 м, Певейская —12,0 м и на Арктическом побережье — 15,6 м. Все они построены в районах с очень суровыми климатическими условиями, где среднегодовая температура воздуха находится в пределах минус 3,0°С — минус 12,7°С, на просадочных термокарстовых грунтах, с использованием промороженных грунтов и камня и строились не только в летних но и зимних условиях. Большинство из этих плотин имеют мерзлотные диафрагмы (ядра), которыми проморожены часть тела и основание плотины, чем и достигается их водонепроницаемость.
На Аляске в США построена плотина Читаника (рис. 12-20) с мерзлотной диафрагмой высотой 44,0 м.
Мерзлотные диафрагмы создаются охлаждающей системой, состоящей из холодильной установки, системы трубопроводов и замораживающих колонок — скважин, которые располагаются в один (плотина р. Мяунджа) или два ряда (плотина на оз. Мелком). Эти скважины — охлаждающие колонки проходят через все тело плотины и врезаются в промороженное основание, прорезая этим подрусловые талики и фильтрующие грунты.   

Рис. 12-20. Плотина Читавшее.
1 — гравелисто-галечный грунт; 2 — мерзлотная диафрагма; 3 —  трубы для замораживания диаметром 100 мм; 4 — теплоизоляция из мха и дерна: 5 — отсыпка камня; 6 — аллювий; 7 — сланцы.

В качестве хладагентов используется раствор хлористого кальция (плотина на р. Долгой) или этиленгликоль (плотина Читаника), охлаждаемые холодильными машинами. Но чаще всего для этих целей используется холодный зимний воздух, который по системе рассоло- и воздухопроводов и охлаждающих колонок скважин прогоняется насосами или вакуум-вентиляторами. Для этих целей каждая из таких колонок состоит из обсадной трубы диаметром 100—200 мм, в которую вставлена вторая труба диаметром 50—100 мм, через которую подается в скважину хладагент или из скважины выкачивается поступающий туда по наружной трубе холодный воздух. Вся система трубопроводов, подающих хладагент или откачивающих воздух и проходящих по гребню плотины в специальном коробе, теплоизолируется.
Чтобы предохранить от размораживания мерзлотную завесу летом, гребень и низовой откос плотины покрывают теплоизолирующим материалом (торф 40 см и двойная отмостка на плотине Долгой, пригрузка мелким камнем плотины на Арктическом побережье) или покрывают откос деревянным навесом (плотина Мяунджа), окна которого на лето закрываются.   
Для наблюдения за температурным режимом плотина и основание оборудуются системой термопар — датчиков. Показания температуры в процессе эксплуатации позволяет следить за режимом и состоянием мерзлотной диафрагмы и этим корректировать работу замораживающей системы.

В СССР накоплен опыт строительства и эксплуатации постоянно мерзлых завес в плотинах небольшой высоты. Поскольку при строительстве шахт широко применяется замораживание грунта на сотни метров глубины, это позволяет рассчитывать, что такой опыт может быть использован для постройки средних и возможно высоких плотин. Мерзлотные завесы в каменно-земляных плотинах энергетических гидроузлов, возводимых в суровых климатических условиях, являются вполне рациональными конструкциями.