ОСОБЕННОСТИ ПЛОТИН, ВОЗВОДИМЫХ В ТЯЖЕЛЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Тяжелыми климатическими условиями для возведения грунтовых плотин являются условия Крайнего Севера в зоне распространения вечной мерзлоты с отрицательными среднегодовыми температурами, а также районы с большим числом дождливых дней в году (200 и более). Конструкции и технология строительства плотин в этих условиях имеют специфические особенности.

Конструкции плотин, возводимых на вечной мерзлоте. В связи с интенсивным освоением богатых природными ресурсами районов Севера и Сибири строительству гидроузлов, являющихся источником электроэнергии, уделяется большое внимание. Отсутствие железнодорожных транспортных средств из центральных районов страны заранее предопределяет максимальное использование в этих районах местных материалов, и в первую очередь грунтов, при строительстве плотин.

Все плотины, строящиеся и построенные в условиях Крайнего Севера, можно разделить на две группы: плотины с мерзлотной завесой (нефильтрующие плотины); плотины без мерзлотной завесы (их часто называют талыми или фильтрующими).

Плотины с мерзлотной завесой чаще возводятся на нескальном льдонасыщенном основании, которое при оттаивании дает большую просадку и начинает сильно фильтровать. Оттаивание такого основания происходит при наполнении водохранилища, которое становится очень мощным постоянно действующим источником тепла. Для уменьшения отрицательного влияния водохранилища на основание в плотине и основании устраивают мерзлотную завесу, которая предохраняет основание от оттаивания под ядром плотины. Промороженное ядро должно быть надежно сомкнуто с основанием, что достигается той же мерзлотной завесой.

Плотины без мерзлотной завесы строятся на скальном вечномерзлом основании, оттаивание которого не ведет к дополнительным осадкам и существенному повышению фильтрационного расхода.

Сезонные (месячное и т.д.) колебания температуры окружающей среды вызывают изменения в положении изотерм в плотине. Но даже при отсутствии колебаний температуры внешней среды вследствие отличия начального температурного режима в плотине от конечного потребуется время для прекращения процесса среднегодового изменения колебаний температуры в каждой точке сооружения.

Уравнение Фурье (см. гл. 16) для зон плотины имеет вид:

В качестве граничных условий для плотины без мерзлотной завесы при решении уравнений (13.25) и (13.26) задают:

Если плотина каменноземляная, то вдоль низового откоса в первые годы эксплуатации плотин лучше задавать условие конвективного теплообмена с воздухом на поверхности низового откоса:

В основании плотины температура с глубиной повышается за счет геотермического градиента.

Движение нулевой изотермы наблюдается в плотине в течение 10-50 лет в зависимости от заложения откосов.

Стационарное положение изотермы в силу перерождения уравнения Фурье в уравнение Лапласа, когда левые части уравнений (13.25) и (13.26) становятся равными нулю, можно определить, используя метод ЭГДА. В этом случае отношение сопротивлений электропроводной бумаги обратно пропорционально коэффициентам теплопроводности.

В силу того, что имеются два уравнения (13.25) и (13.26) дня талой и мерзлой зон грунта, решение с помощью ЭГДА возможно методом последовательных приближений: предварительно намечается предполагаемое положение нулевой изотермы; в талой и мерзлой зонах электропроводная бумага по сопротивлению выбирается обратно пропорциональной теплопроводностям X и Х,м каждого грунта; решается задача и устанавливается положение нулевой изотермы; клеится новая модель с новой границей талой и мерзлой зон; снова решается задача, и так до тех пор, пока изменение положения нулевой изотермы при двух последовательных решениях не перестанет меняться на величину, заранее обусловленную и соизмеримую с масштабом модели. Для более грубого решения возможно осреднение к=(к1+Х)12. Это решение можно использовать также в качестве первого приближения.

Максимальную разницу температур на контуре плотины) принимают за 100 %. Граничные условия в вечномерзлом основании задаются в виде потенциала, соответствующего температуре на глубине 2Н (Н высота плотины). Шина 100% устанавливается для однофазной плотины на откосе или на верховой границе ядра (если плотина каменноземляная с ядром) и вдоль дна водохранилища; шина 0% на низовом откосе и основании с низовой стороны. Связь между изотермой Т и соответствующим потенциалом х выражается формулой

Стационарное положение нулевой изотермы каменноземляной плотины с центральным ядром, установленное с помощью ЭГДА (рис. 13.50), обычно находится близко к оси плотины; а в основании параллельно контуру основания в ВБ.

Рис. 13.50. Стационарное положение изотерм (возможная схема), полученных методом ЭГДА для разнородной по материалам плотины, теплопроводность основания, призмы и ядра плотины)

В замкнутом виде получить решение совокупности уравнений (13.25)— (13.28) для талой плотины весьма сложно. Некоторые частные задачи решены П.А. Богословским [17], И.С. Моисеевым, А.А. Цвидом. В настоящее время во многих организациях (кафедра гидротехнических сооружений МГСУ, ВНИИГ им, Веденеева, ВНИИ ВОДГЕО, Нижегородская инженерностроительная государственная академия и др.) разработаны решения этих уравнений на ЭВМ в нестационарной и стационарной постановках.

Длительный морозный период затрудняет производство работ по укладке грунта в тело плотины. Особенно это касается глинистых грунтов, которые в некоторые зимние месяцы вообще укладывать не удается. Поэтому более удобной становится плотина с экраном (рис. 13.51), так как позволяет останавливать отсыпку суглинка в период неблагополучных климатических условий и осуществлять отсыпку крупнозернистого материала. В летнее время укладку глинистого грунта можно форсировать.

Мерзлотная завеса должна быть по возможности удалена от источника теплоты, а мерзлотный экран должен быть очень массивным, что в свою очередь приводит к значительному завышению объемов работ по плотине и экрану из глинистого грунта. Обычно мерзлотные плотины выполняют с центральным ядром из талого маловодопроницаемого грунта, который уплотняется и промораживается. Для промораживания применяют воздушную или жидкостную за мораживающую систему (например, с использованием керосина, фреона или рассола). Жидкостная система состоит из морозильных колонок, по которым циркулирует охлажденный до 15+ 25° С 40%ный раствор СаС12 или другая из перечисленных жидкостей. Колонка обычно состоит из двух труб внутренней и внешней. По внешней трубе жидкость подводится и по внутренней отводится. Вокруг колонки образуется цилиндр мерзлого грунта. Расстояние между колонками должно обеспечивать надежное смыкание цилиндров между собой. Толщина образуемой мерзлотной завесы должна быть достаточной, чтобы в летние периоды (24 мес.) оттаивание было минимальным, так как в этот период движение жидкости прекращается.

Более прогрессивным является использование охлажденного воздуха в качестве носителя холода. В этом случае во многом устраняются недостатки жидкостной системы; сложность эксплуатации, дороговизна, необходимость строгого поддержания концентрации рассола, его частой замены, утечка рассола, использование других жидкостей, интенсивная коррозия труб, и т. д. При воздушной системе охлажденный воздух в зимнее время нагнетается вентилятором по внутренним трубам колонки и, охлаждая грунт, по межтрубному пространству уходит в воздухосборник. В 1964 г. на р. Ирелях была построена плотина высотой 20 м с воздушной охлаждающей системой (рис. 13.52). Плотина возведена из талых укатанных суглинков с пригрузкой откосов песком, каменным креплением и термоизоляционным слоем. Основанием плотины служит мергелистые глины, доломиты, мергели. Аллювий, прикрывающий коренные породы, содержал линзы льда толщиной до 40 см. Воздушная установка состоит из 327 колонок глубиной 8,525 м. Шаг между колонками 1,5 м. Вся система разбита на семь самостоятельных секций. Диаметр труб достигал 140 мм. Подача вентилятора в каждой из семи секций 13 тыс. мч. Толщина мерзлотной завесы достигала в 1966 г. 10 м. В летние периоды охлаждающая система, естественно, не работала. При эксплуатации этой системы выявились ее недостатки закупорка труб льдом. Лед образовывался вследствие конденсации и замораживания влаги воздуха.

Расчет времени замораживания грунта с помощью воздушной системы, как н прочие температурные расчеты, выполняется на основе решения уравнения Фурье (13.25) и (13.26). Решение этого уравнения получено А.А. Цвидом при следующих допущениях: Т\ начальная температура замораживаемого грунта, одинаковая во всех точках массива; теплопроводность материала X, ккал/(м ч град), не зависит от температуры грунта и изменяется скачкообразно от Хт до Хм; при переходе из талого состояния в мерзлое поддерживаемая температура мерзлого грунта Тг постоянна в течение зимнего периода; температура замерзания принята равной 0° С; фильтрация в промораживаемом грунте отсутствует; вся теплота от охлаждения мерзлого и талого грунтов сосредотачивается на границе промерзания, где выделяется его основное количество (70 80%) при промораживании. Уравнение для определения величины f3 имеет вид:

На основании формулы (13.30), задаваясь шагом между колонками, теплофизическими характеристиками грунта, температурой талого и мерзлого грунтов, которую мы хотим достичь, можем определить необходимое время промерзания. Естественно, что Т2 должно быть несколько выше средней зимней температуры. Если время /3 окажется больше длительности зимнего периода, то колонки необходимо сблизить (R2 уменьшить).

В летний период колонки закрываются, но прогрев за счет высокой температуры окружающего воздуха и воды идет, и замороженный грунт начинает оттаивать. Время оттаивания завесы (Тэ) можно определить по зависимости

При решении задачи задаемся минимально допустимой толщиной колонки к концу летнего периода (до установления устойчивых морозов, когда начнет работать система) и определяем время оттаивания; если оно больше летнего периода, то решение надежно, в противном случае необходимо улучшать внешнюю изоляцию плотины (увеличивать толщину завесы в зимний период и т. д.).

Производительность замораживающей системы в пересчете на одну колонку равна:

При проектировании грунтовых плотин необходимо стремиться к отсутствию нависания мерзлого грунта над талой зоной. В нефильтрующих плотинах (с мерзлотной завесой) также следует стремиться к тому, чтобы в каждом расчетном поперечном сечении 50% площади было проморожено; это обеспечивает надежность плотины.

В летний период следует защищать плотину от прогревания со стороны низового откоса и гребня, устраивая, например, деревянные настилы (навесы) или ледяные галереи с покрытием слоем торфа, как это сделано для плотины на оз. Долгое у г. Норильск.

Водосбросы нефилырующих плотин. К настоящему времени не выработаны конструкции водосбросов для оснований, теряющих несущую способность при оттаивании. Известны примеры разрушений водосбросов при таких основаниях. Даже те водосбросы, которые располагались на скале, оказались с дефектами. В частности, мерзлое скальное основание ступенчатого водосброса при плотине на р. Ирельях у г. Мирный оттаяло на большую глубину и вдоль этого талика идет фильтрация, крайне нежелательная для нефилътрующей плотины, примыкающей к водосбросу.

В водосбросе с открытым водосливом (рис. 13.53) в период его работы протифильтрационная преграда создается не только мерзлым грунтом, но и конструкцией самого водосброса (бетонное тело водосброса, шпунтовый ряд и др.), которая обычно разрушается под влиянием температурных деформаций и пропускает воду, что ведет к дальнейшему увеличению фильтрации. Возможно, что сифонные водосбросы позволят выполнить под ними противофильтра ционную преграду из мерзлого грунта и обеспечить водонепроницаемость, но их эксплуатация в условиях Севера требует специальных исследований.

Температурный режим водосбросов с открытым водосливом ухудшается потому, что такой водосброс нагревается больше, чем глухая плотина. Для защиты от такого нагрева необходимо применять следующие меры:

Перечисленными мерами необходимо обеспечить отсутствие фильтрации у водосброса, при этом стабилизация температурного режима имеет важное значение.

Технологические особенности строительства плотин в суровых климатических условиях. В настоящее время в нашей стране плотины в суровых климатических условиях строят в течение всего года. В США, Канаде, Швеции их строят в основном в летний период. Необходимость укладки грунта в тело плотины при низкой температуре воздуха (25° С и ниже) накладывает на технологию строительства много ограничений и в первую очередь это касается глинистого грунта для противофильтрационного элемента плотины. Карьеры глинистого грунта зимой проморожены. Разработка технологии их оттаивания и подсушки по опыту строительства Вилюйской плотины [11] не увенчалась успехом. Была предложена более приемлемая технология, которая сводится к разработке карьера в летнее время и складированию грунта в бурты объемом 200 тыс. м3, высотой 1618 м при ширине гребня 3040 м (большой объем бурта предохраняет основную массу грунта от промерзания); использованию химических методов защиты от промерзания путем засоления хлористым натрием или хлористым кальцием (температура замерзания грунта за счет засоления может быть понижена до 7—8° С) верхней части бурта на месте, а грунта периферийных зон в карьере из расчета 230 кг/м2 и отсыпке засоленного грунта на откос слоем толщиной 23 м; покрытию всей поверхности бурта пенольдом толщиной 0,5 м, что уменьшает глубину промерзания на 1 м; электропрогреву бурта при его разработке в зимнее время.

Все эти технологические мероприятия позволили иметь в течение зимы талый глинистый грунт для укладки в тело плотины. Чтобы грунт не проморозился при транспортировке его от бурта к плотине, кузовы оборудовались устройствами для их прогрева выхлопными газами, а сверху грунт накрывался брезентовыми покрывалами. Перед укладкой очередного слоя грунта поверхность ранее уложенного слоя очищалась от камней и смерзшихся комков грунта, снега и льда. Грунт поверхностного слоя прогревался и поливался соляным раствором.

На Вилюйской плотине для прогрева использовались турбореактивные двигатели, смонтированные на шасси трактора. Струя газа при температуре 300-500° С в течение нескольких минут очищает 400700 м2 поверхности карты и прогревает фунт до 510° С. Главное требование технологии возведения непрерывность производства работ с целью защиты грунта от промерзания при разработке бурта и на карте отсыпки. Хранение группа для зимней отсыпки в буртах имеет и другие положительные стороны: выравнивание гранулометрического состава при вертикальной разработке бурта, выравнивание влажности и т.д. [98].

Изложенная технология облегчается при возможности использования для создания противофильтрационного элемента более «тощих» грунтов супеси или мелких или разнозернистых с маленьким коэффициентом фильтрации песков. Пригодность песков устанавливается фильтрационным расчетом и на основе техникоэкономического сопоставления вариантов с учетом потерь воды на фильтрацию (при строительстве фильтрующей плотины).

По данным Ю.Н. Мызникова, проработавшего 35 лет на строительстве гидроузлов за полярным кругом (Вилюйская, Усть-Хантаиская и Курейская ГЭС) в ядро плотины лучше укладывать переувлажненные суглинистые грунты или тощие глины с влажностью Wp

Вместе с тем следует иметь в виду, что такое ядро будет более деформируемо, что способствует условиям образования гидравлического разрыва.

Крупнообломочные материалы укладываются в тело плотины обычно без увлажения и уплотнения, что приводит к увеличению деформируемости и уменьшению параметров прочности (например, угла внутреннего трения или угла сдвига). Шведские инженеры рекомендуют укладывать в зимнее время каменный материал в упорные призмы не ближе чем на расстоянии 510 м от переходных зон. Однако эти рекомендации могут быть выполнены только для плотины с экраном, если он укладывается в теплое время года. При отсыпке каменного материала снег и лед должны удаляться.

Особенности строительства грунтовых плотин в дождливых условиях. Глинистый грунт в переувлажненном состоянии укладывать в тело плотины за фуднительно, поэтому если дождливый период имеет ограниченное число иней, то на этот период укладку глинистого грунта останавливают. Если дождливый период значителен, то удобнее возводить плотину с экраном, так как в этот период можно отсыпать упорные призмы, а в сухой период года усиленно досыпать экран. Возможны и другие решения:

Во втором случае следует тщательно оценить фильтрационные потери из водохранилища и принимать решение об использовании грунтов с повышенным коэффициентом фильтрации. Влажность глинистого грунта можно снижать с использованием сушильных барабанов. Этот метод имеет большие преимущества, так как резко улучшает условия строительства и повышает качество укладки грунта. Он успешно применялся при строительстве плотины Генач (Австрия) [126].

Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.