ОСОБЕННОСТИ ПЛОТИН, ВОЗВОДИМЫХ НАПРАВЛЕННЫМ ВЗРЫВОМ
Строительство грунтовых плотин требует выполнения большого объема земельноскальных работ. Одним из средств снижения сроков их выполнения является использование взрывов на выброс и сброс, при которых не только обеспечивается разрыхление пород, но и отпадает необходимость в транспорте и уплотнении. В СССР был накоплен значительный опыт применения направленного взрыва при строительстве перемычек и плотин. Проектировался ряд плотин, которые должны были быть возведены с помощью направленного взрыва. Около 70 плотин в КНР возведены направленным взрывом.
Применение столь специфического метода ведения работ требует создания специальных конструкций грунтовых плотин. Наиболее приемлемыми в отношении использования энергии взрыва являются сравнительно узкие створы (с коэффициентом створа тИН<2) в горных условиях с вогнутыми берегами. Вопросам использования энергии взрыва при строительстве плотин большое внимание уделяли проф. Г.И. Покровский [142] и проф. И.С. Федоров. Вопросами общей теории взрыва занимались выдающиеся советские ученые академики М.А. Лаврентьев, М.А. Садовский, Л.И. Седов и др.
Плотины, возведенные взрывом. Основная трудность, которая встречается при проектировании грунтовой плотины, возводимой направленным взрывом, обеспечение относительной водонепроницаемости тела плотины. При создании селезащитной плотины использование направленного взрыва резко облегчается, так как в этом случае не стоит задача обеспечения водонепроницаемости тела плотины.
Для защиты г. Алма-Ата от часто угрожающих ему селей, образующихся в бассейне р. Малая Алма-атинка, в урочище Медео направленным взрывом с левого и правого берегов была возведена плотина высотой 60 м и объемом «2,5 млн м3.
На рис. 13.39 показана схема размещения зарядов в створе. В результате правобережного взрыва (октябрь 1966 г.) в тело плотины было уложено 1,7 млн м} гранита. Левобережный взрыв, произведенный 14 апреля 1967 г., позволил уложить в плотину еще 0,85 млн м3 гранита. При проведении правобережного взрыва было израсходовано 5294 т взрывчатых веществ (ВВ), а левобережного 3941 т, т.е. средний удельный расход ВВ по общему объему взорванной породы составил 2,6 кг/м3. Профиль навала, который был образован в результате взрывов, показан на рис. 13.40. Кроме плотины в состав селезащитного гидроузла входили: туннельный водосброс для пропуска расходов воды р. Малая Алмаатинка, расположенной на левом берегу реки, и левобережный селесброс для сброса селя, если селехранилшце наполнится. Естественно, что туннельный водосброс был выполнен до проведения взрыва, так как в противном случае началось бы наполнение селехранилшца водой при отсутствии водосбросного сооружения. Как видно из сказанного, состав гидроузла и конструкция плотины были достаточно просты, что определялось задачами гидроузла.
На р. Вахш (Таджикистан) был построен Байпазинский гидроузел (первая очередь) с плотиной высотой 65 м, создающей необходимый подъем воды для орошения земель плодородных долин (Яванской и Обиканской).
При строительстве направленным взрывом Байпазинского гидроузла (взрывались известняки) решались более сложные вопросы, чем в описанном выше случае: обеспечить малую водопроницаемость тела плотины и надежное примыкание тела плотины к левому берегу (взрыв только правосторонний), а также сохранность построенного к моменту взрыва левобережного быстротока на расход 4200 м3/с, который находился в 300-350 м от зарядов правого берега (рис. 13.41).
Кроме того, взрыв не должен был повредить правобережный водопропускной туннель диаметром 5,3 м, по которому вода должна была подаваться в Яванскую долину. Общая масса заряда составила 1,9 тыс. т. Основные заряды (№№ 12 и 11) имели массу 642 и 543 т. Замедление взрыва основных зарядов по сравнению со взрывом зарядов первого ряда составляло 0,25 и 0,5 с соответственно.
На левом берегу в районе понура заранее складировался суглинок, который с помощью плоского заряда с замедлением в 4 с был уложен в понур., В верхней части плотины экран отсыпался в воду. Всего в результате правобережного взрыва в тело плотины было уложено 1,5 млн м3 грунта, а удельный расход ВВ составил 2,5 кг/м3.
Конструкция плотины в продольном и поперечном сечениях приведена на рис. 13.42 и 13.43. В данном случае сравнительно небольшой объем плотины
В настоящее время проектируется несколько плотин различной высоты, в которых вопрос создания противофильтрационного устройства решается различным образом; созданием инъекционной диафрагмы и замывом пустот каменной наброской со стороны верхнего бьефа песчаным грунтом. Проектирование высоких плотин большого объема потребует использования ВВ большой мощности, что может привести к дополнительному раскрытию трещин в бортах каньона или к появлению новых трещин в бортах. Повышение трещиноватости повлечет развитие обходной фильтрации. Борьба с обходной фильтрацией при строительстве больших плотин направленным взрывом становится очень важной задачей, которую нужно решать при проектировании гидроузла.
В КНР взрыв используется для возведения основного объема упорной призмы, а не всей плотины на полную высоту. Затем плотина досыпается до гребня и создается противофильтрационное устройство (экран). Этот комбинированный метод возведения имеет свои достоинства и недостатки. К достоинствам метода относится большая экономия ВВ, т.к. расходуется только 11,3 кг/м3 ВВ в силу того, что весь взорванный объем идет в полезный объем плотины; к недостаткам применение различных методов производства работ на одном объекте, неравномерное уплотнение грунта по объему и возможность развития неравномерных деформаций, что в свою очередь может привести к нарушениям противофильтрационных устройств. На рис. 13.44 приведена схема плотины Лишу (КНР). С другой стороны часть упорной призмы возведенной направленным взрывом уплотняется очень хорошо и абсолютные величины смещений при отсыпке значительно меньше.
Расчет зарядов ВВ. Взрыв с перемещением породы на свободной поверхности условно классифицируют на «выброс», «сброс» и «обвал». Общим для взрывов первых типов является то, что кроме дробления породы энергия взрыва перемещает разрыхленную породу за пределы воронки взрыва. Различие между этими двумя типами взрывов сводится к тому, что взрывы на выброс осуществляются на участках, где свободная поверхность взрываемой породы горизонтальна или слабо наклонна.
Когда свободная поверхность имеет наклон к горизонту более 30°, то взрыв относится к взрывам на сброс. Расчетные зависимости зарядов ВВ на выброс и сброс также различаются между собой, но часто для расчетов взрывов на сброс используются зависимости взрыва на выброс, что приводит к несколько большему расходу ВВ. Например, на Байпазинском гидроузле планировался навал объемом 0,78 млн м3, а было взорвано 1,5 млн м3.
Направленность взрыва на выброс и сброс достигается соответствующим расположением заряда, его величиной и порядком взрывания. При взрыве на сброс сила тяжести в значительно меньшей степени противодействует раскрытию свободной поверхности верхней части воронки, чем при взрыве на выброс. Энергия взрыва не затрачивается вообще или затрачивается в малой степени на подъем выбрасываемой породы, и поднятая взрывом порода не возвращается обратно в верхнюю часть воронки сброса.
Величина зарядов Q, кг, на выброс и сброс пропорциональна третьей степени длины линии наименьшего сопротивления (JIHC):
Длина линии наименьшего сопротивления наименьшее расстояние от заряда до свободной поверхности. По формуле М. М. Борескова (для взрыва на выброс), где к расчетный удельный расход ВВ, кг/м3, который чаще всего устанавливается опытными взрывами; п показатель действия взрыва, равный отношению полураскрытая воронки выброса пород к величине W (рис. 13.45) и принимаемый обычно от 1 до 2; при этом могут быть отклонения в ту или другую сторону.
Формула М.М. Борескова дает хорошие результаты при малых глубинах заложения зарядов. При больших глубинах заложения зарядов (взрыв на выброс) пригодна формула Г.И. Покровского
Как видно из формулы (13.14), величина заряда пропорциональна четвертой степени длины ЛНС, т. е. эффективность ВВ снижается. Проверка предложенной формулы была проведена на основе взрыва ядерных ВВ и показала ее применимость. Необходимо отметить, что структура формул (13.13) и (13.14) не учитывает угол наклона свободной поверхности. Имеются предложения М.Ф. Бур пггейна по расчету зарядов с учетом наклона свободной поверхности. Взрыв зарядов сброса в условиях косогора заметно отличается от взрыва на выброс при горизонтальной свободной поверхности. Главное различие расположение центров тяжести секторов сброса и выброса. Сопоставление воронок взрывов на сброс и на выброс показывает, что параметры воронок взрыва сброса выше, а удельные расходы ВВ ниже более чем в 2 раза, чем взрыва на выброс.
При взрыве на сброс предложена формула
Зависимость (13.15) справедлива для одиночного заряда. Обычно взрыв осуществляется рядом зарядов, которые взаимодействуют между собой. С учетом взаимодействия
По мнению автора этих зависимостей М. Ф. Бурпггейна, сходимость данных, полученных по ним, с производственными данными хорошая. Значение коэффициента взаимодействия при изменении п от 0,4 до 2 меняется от 0,75 до 1,17. Расстояние а между сосредоточенными зарядами можно определить по формуле
Направленный взрыв предусматривает максимальную укладку горной массы в проектный профиль сооружения. Построение профиля навала может осуществляться различными приближенными приемами. Наиболее простой из них сводится к выделению контура отрыва породы в сечениях, проходящих через центр заряда и включающих ЛНС. Контур отрыва находится на основе определения радиуса отрыва:
Для скальных пород коэффициент ц=1,25 для центральных зарядов и 1,1 для боковых. При взрыве полускальных пород ц снижается на 0,1. Дальность полета грунта вычисляют по формуле
Контур навала строится по типовой схеме (рис. 13.45, в). Схема построения навала при взрыве нескольких зарядов дана на рис. 13.45, г. Если направления JIHC не параллельны между собой, то для каждого из зарядов сечение строится самостоятельно как для одиночного, а в точках пересечения высота навала суммируется.
Контур навала после графического построения корректируется таким образом, чтобы заложение откосов не было больше естественного угла откоса взрываемого материала.
Все скальные породы трещиноваты. В зависимости от их трещиноватости и крепости меняется значение удельного эталонного расхода ВВ. При этом значение qэ аммонита 6ЖВ меняется от 0,3 кг/м3 для слабых и очень трещиноватых пород до 1,4 кг/м3 для прочных и малотрещиноватых пород. Если учесть дробимость породы, то удельный расход ВВ
Заряды обычно располагают в два ряда. Первый ряд зарядов (вспомогательный) взрывают раньше основного ряда, создавая поверхность заданной формы, что обеспечивает лучшую направленность действия основного ряда. При установлении высоты заложения заряда следует учитывать воздействие взрыва на массив за пределами действия взрыва. Глубину заложения заряда рекомендуется принимать по отношению к высоте массива обрушения, равной 0,70,9, что обеспечивает равномерное дробление породы.
Институт Ташгидропроект изучал развитие взрыва на обвал [95]. В этом случае энергия взрыва расходуется только на рыхление породы. Движение породы в тело плотины из воронки взрыва осуществляется под действием силы тяжести. При этом разрыхленный взрывом грунт приобретает свойства тяжелой жидкости. Такой прием взрывания позволяет резко сократить расход ВВ (до 1,0 кг/м3).
При массовых взрывах на многоводных реках этот метод возведения плотины, видимо, позволит, экономично и быстро возвести однородную плотину, и ввести ее в эксплуатацию. Фильтрационные потери (если плотина входит в состав энергетического гидроузла) могут составить от 2 до 10% в зависимости от расходов в реке (30,0 м3/с и более) и высоты плотины (70-200 м). В дальнейшем может быть возведено противофильтрационное устройство в виде, к примеру, инъекционной завесы. Фильтрационные потери могут понижаться также за счет естественной или искусственной кольматации. На рис. 13.46 показано решение пространственной фильтрационной задачи в теле взрывнонабросного навала, полученное численным методом с учетом нелинейных фильтрационных свойств грунтов [157] а плановое движение потока (показаны следы поверхностей тока и эквипотенцналей на депрес сионной поверхности и низовом откосе ниже кривой выклинивания); б эквипотеншали и линии тока в продольных сечениях плотины; в направления проекций скоростей фильтрации и следы поверхностей тока в поперечных сечениях плотины; граница поверхности навала; 2 сечение каньона на отметке ВБ; 3 след поверхности депрессии; 4 границы зон материала плотины с различной проницаемостью (Аф=2,5ьО,3 см/с)
Массовый взрыв ВВ может вызвать значительную сейсмическую волну. Степень повреждения зданий и сооружений сейсмической волной, по данным М.А. Садовского, зависит от максимальной скорости колебаний грунта. Скорость при колебаниях в зависимости от расстояния до центра заряда может быть определена по формуле
Продолжительность колебаний меняется в зависимости от заряда и R от 6 с при 1000 м до 22 с при R= 13 ООО м.
По данным С.В. Медведева, имеется соответствие между сейсмическими колебаниями (СК) и скоростями движения при этих колебаниях:
Для зданий опасны колебания уже в 67 баллов. Для тоннелей, по опыту Медео, возможно, допустить значительные скорости при колебаниях, так как при скорости 80 см/с существенных повреждений в обделке обнаружено не было. При скорости 200-250 см/с наблюдались нарушения в обделке, которые потребовали ремонта. Полученные данные говорят о том, что проведение крупных взрывов вблизи сооружений, видимо, возможно.
Гранулометрический состав, плотность и коэффициент фильтрации материала навала. Как уже отмечалось выше, основная трудность возведения плотины с помощью взрыва создание противофильтрационного устройства. Необходимость и возможность создания того или иного противофильтрационного устройства во многом определяется гранулометрическим составом материала навала, образованного взрывом. Этот состав навала зависит от трещиноватости породы. Рыхление скалы при взрыве происходит по трещинам, имеющимся в скале. Если известна трещиноватость, то можно прогнозировать гранулометрический состав. На рис. 13.47 приведены гранулометрические составы навалов, полученные при возведении различных плотин взрывным способом. Как видно (рис. 13.47), полученные составы сравнительно близки. Исключение составляет лишь Байпазинская плотина, в гранулометрическом составе которой мало мелких фракций. В плотине в урочище Медео имеется значительное количество мелких фракций d<5 мм 23%). Видимо, в этом случае вследствие большой мощности взрыва при падении происходило значительное дополнительное дробление материала: гранит гораздо более хрупкая порода, чем осадочные породы.
Необходимость измельчения породы в центральной части плотины, например, возникает, когда противофильтрационное устройство хотят выполнить в виде инъекционной диафрагмы. Для этого требуется близко расположить один к другому распределенные скваженные заряды, что приводит к резкому росту расхода ВВ. Измельчение породы со стороны верхового откоса может потребоваться для облегчения его планировки, подбора и укладки фильтра при возведении плотины с грунтовым экраном, возводимым после взрыва отсыпкой, или только для планировки и укладки слоя подготовки при устройстве негрунтового экрана. Для увеличения дробимости породы также применяют уменьшение интервалов замедления взрывания для лучшего взаимодействия зарядов.
Рис. 13.48. Фрагмент центрального участка Рис. 13.49. Зависимость коэффициента однородной плотины на р. Бурлыкия фильтрации каменной отсыпки с линиями равных плотностей содержания фракций размером более 5 мм
Плотность навала обычно достаточно высокая. На плотине в урочище Медео на глубине 20 м от гребня она достигла 2,17 г/см3 (и дальше по глубине не менялась) и уменьшалась на глубине 6 м от гребня до 1,95 г/см3. На Байпазинской плотине была достигнута большая плотность навала (более равномерный гранулометрический состав) 2,22 г/см3.
Интересные исследования по инициативе В.Ф. Корчевского провел Сао гидропроект по созданию взрывонабросных плотин, возведя опытную плотину на р. Бурлыкия. Распределение плотностей в этой плотине показано на рис. 13.48, откуда видно, что плотность равномерно нарастает от гребня к основанию, достигая сравнительно больших величин (2,05 и 2,1 т/м3).
Значение коэффициента фильтрации для материала навала в зависимости от количества частиц d<5 мм приведено на рис. 13.49. Эти исследования были проведены Саогидропроектом. На их основании можно заключить, что при содержании d<5 мм в количестве, меньшем 24,5%, Лф резко возрастает.
