СКАЛЬНЫЕ ОСНОВАНИЯ, ИХ ПОДГОТОВКА И УЛУЧШЕНИЕ
К скальным основаниям, особенно при возведении на них плотин большой высоты, предъявляются более жесткие требования в отношении их прочности, деформативности и водонепроницаемости, чем к нескальным основаниям, для которых высота плотины ограничивается (см. п. 7.1). В реальных условиях скальные основания (как и нескальные) обычно неоднородны, сложены разными по свойствам горными породами, анизотропны и, как правило, разбиты многочисленными трещинами, наличие которых снижает прочность и увеличивает деформативность основания по сравнению с массивом породы «в куске». Для улучшения свойств и устранения дефектов скального основания обычно проводят специальные работы по их укреплению.
Классификация оснований, их состав. Все основания плотин можно разделить на скальные и полускальные. К скальным основаниям относятся массивы прочных пород с жесткими связями между зернами, при этом слагающие их породы характеризуются «в куске» пределом прочности на сжатие более 20 МПа и на растяжение более 1 МПа, модулем деформации более 50 ГПа.
Массивы оснований и породы с меньшими приведенных выше показателями относятся к слабым скальным или полускальным.
В состав скальных входят магматические изверженные породы: интрузивные (граниты, сиениты, габбро, диориты) и эффузивные или лавовые (базальты, диабазы, порфириты, андезиты). Эти породы отличаются высокими показателями прочности (на сжатие 100К320 МПа), мало сжимаемые, имеют высокий модуль упругости. Нужно иметь в виду, что в гранитах под влиянием выветривания и тектонических процессов иногда образуются ослабленные зоны (вплоть до глинистой массы).
Другой вид скальных пород метаморфические (кристаллические сланцы, гнейсы, кварциты, филлиты и др.), которые по своим свойствам близки к изверженным, но некоторые из них, например сланцы с их тонкой слоистостью, обладают сниженным сопротивлением скалыванию (сдвигу). Вообще же метаморфические породы отличаются разнообразием строительных свойств (иногда они по своему качеству близки к тем осадочным породам, из которых произошли, например, к глинам, мергелям, известнякам).
Третий вид скальных пород осадочные (крепкие известняки, доломиты, кремнистые песчаники). Эти породы различны по своим свойствам; например, кремнистые песчаники обладают прочностью на сжатие 100230 МПа, а известняки и доломиты (породы органогенные) от 140 до 3050 МПа и ниже. Эти породы обычно слоистые, сильно трещиноваты, часто имеют глинистые и сланцевые прослойки, с низким сопротивлением сдвигу вдоль слоев.
Особо надо отметить такую группу пород, как гипсы, ангидриды, каменная соль, которые менее прочны, чем известняки и песчаники, и отличаются малой водостойкостью, легко растворяются в воде. При сильной трещнноватостн они опасны в качестве оснований подпорных гидротехнических сооружений; их можно использовать лишь при проведении особых мероприятий по обеспечению прочности. Эти породы иногда приходится относить не к скальным, а к полу скал ьным породам.
Полускальные (или слабые скальные) основания отличаются от скальных меньшей прочностью, значительной деформативностью (сжимаемостью) и пониженным сопротивлением сдвигу. В этих основаниях преобладают различные глинистые отложения, начиная от сильно уплотненных глин (аргиллиты), суглинков (алевролиты) и кремнистых глин до опок и мергелей включительно. Предел прочности при сжатии этих пород «в куске» колеблется от 1,0 до 5,0 МПа, в отдельных случаях (опоки, мергели) до 2030 МПа, а модуль деформации от 0,3 до 1,5 ГПа, но для кремнистых опок и мергелей до 45 ГПа и более; в массиве основания модуль деформации еще ниже. Одним из характерных свойств полускапьных пород является их чувствительность
1) к разгрузке, когда за несколько часов вынутый из массива образец превращается в свой исходный материал;2) к воде;
3) глубокая выветренность, иногда превращающая их в скопление мелких обломков мергеля и даже в пластическую массу. Мергели обладают свойствами омыления в воде.
По степени трещиноватости основания характеризуются модулем трещиноватости (число трещин на I м длины разреза), изменяющимся от 1,5 (для слаботрещиноватых) до 30 и более (для сильнотрещиноватых).
По размерам нарушения сплошности основания трещины предлагается делить на: разломы (I—III категории), если ширина зоны дробления значительна от одного до нескольких метров при протяженности от сотен до тысяч километров, и собственно трещины от крупных (шириной от десятков сантиметров до метра или более и протяженностью от десятков до сотен метров) до мелких (шириной менее 0,5 мм и протяженностью метры и сантиметры).
Роль условий залегания и напластования пород. Наиболее благоприят выми для плотин являются однородные основания без тектонических или с малыми тектоническими нарушениями. В случае осадочных пород предпочтительнее горизонтальное или слабонаклонное (к горизонту) залегание пластов (рис. 8.5, а) нежелательны участки с пластами, сильно дислоцированными и круто наклоненными к горизонту (рис. 8.5, б, в). Если водоносный пласт 2 прикрыт водонепроницаемым слоем 1 (см. рис. 8.5, а), то следует опасаться возможности выпора его вследствие большого пьезометрического давления в слое 2 (пьезометр 3). Снизить этот напор можно устройством разгрузочных скважин или колодцев в нижнем бьефе, заглубленных до водоносного слоя.
Разнородность основания (см. рис. 6.27, б) может явиться причиной неравномерных осадок частей сооружения, расположенных на разных по деформа тивным свойствам породах, и образования вертикальных трещин. Во избежание этого плотину разрезают поперечными швами, допускающими независимую осадку отдельных секций.
Роль воды в скальных основаниях. При наполнении водохранилища природный режим подземных вод резко изменяется: происходит подъем их уровня в берегах в верхнем бьефе, вследствие чего ранее сухие породы насыщаются водой и свойства их могут изменяться; возникает фильтрация вод под плотиной и в обход ее в берегах; сооружение и берега подвергаются усилиям от фильтрационного давления воды, движущейся по трещинам пород; заполняющий трещины материал может вымываться и выноситься в нижний бьеф.
Проникая в трещины даже самых малых размеров (микротрещины), вода производит расклинивающее действие, расширяя их и тем самым уменьшая прочность породы и повышая ее деформативность; изменяется и сопротивление скальных оснований сдвигу, что зависит от степени трещиноватости и насыщения их водой. Поэтому при проведении инженерногеологических исследований необходимо определять геомеханические свойства массивов основания в сухом и насыщенном водой состоянии.
Подготовка и улучшение основания. При подготовке основания для сооружения плотины считается обязательным удаление аллювиальных и делювиальных отложений в основании, верхнего интенсивно выветрелого слоя скального грунта (разборного слоя), имеющего низкие прочностные и деформатю ные характеристики, а также гнезд ослабленного материала.
Выемку скалы делают обычно экскаваторами, при этом неразборную скалу предварительно разрушают взрывами, однако поверхность скалы на проектных отметках подошвы сооружения не должна быть нарушена взрывными работами, и иметь острых выступов, которые обычно непрочны. Для этого последние (по глубине) 0,51 м скалы удаляют с помощью перфораторного бурения и мелких взрывов, либо вручную с помощью отбойных молотков, клиньев и кувалд, если порода слабая. Крупные трещины и тектонические зоны, выклинивающиеся на поверхности основания, гнезда слабой скалы и продуктов ее распада расчищают от заполнителя, разделывают до здоровой скалы и для придания основанию некоторой однородности заполняют бетоном на глубину, примерно равную Id, где dширина разделки трещины.
Сильнотрещиноватые и ослабленные зоны основания укрепляют площадной цементацией через сеть скважин, равномерно распределенных по всей площади подошвы, если это дешевле, чем удаление слабой скалы и увеличение объема кладки. Цементный раствор нагнетают через предварительно уложенный на основание слой бетона фундаментной части плотины, предохраняющий в процессе производства работ верхнюю зону основания от подъема под действием давления нагнетаемого раствора. Глубина этих скважин, зависящая от глубины зоны опасной трещиноватости. I противофипьтрационныя завеса; 2 связую составляет 5—15 м. Цементацию осно щаяя цементация; 3 укрепительная цементация; вания ВЫПОЛНЯЮТ И ДЛЯ улучшения дренаж основания связи бетона со скалой (связующая цементация); в этом случае скважины бурят на глубину 35 м (рис. 8.6). Давление раствора при инъекции не должно превышать веса вышележащего грунта над отметкой инъекции.
Основание из сланцев, опок, аргиллитов и других аналогичных пород требует особого подхода. Так как в большинстве случаев эти породы, будучи вскрыты, быстро разрушаются на воздухе, то обнажение поверхности основания должно производиться небольшими участками непосредственно перед укладкой бетонной смеси, чтобы поверхность была обнаженной минимум времени. Если это по какимлибо причинам невозможно, то обнаженную поверхность основания рекомендуется защищать на время до бетонирования, например, слоем асфальта или набрызга бетона.
Для повышения устойчивости сооружения против сдвига поверхности скалы может придаваться форма уступов (см. рис. 8.19, в).
При наличии в основании горизонтальных или слабо наклоненных крупных трещин и тектонических зон, которые могут явиться опасными путями сдвига, последние закрепляются бетонными шпонками (рис. 8.7), если по условиям деформации основания не требуется их полная заделка. Имеются и другие способы укрепления скального основания под плотиной и береговых склонов, когда одной цементации скалы недостаточно или она мало эффективна [15].
Противофильтрационные завесы устраивают под подошвой плотины с верховой ее стороны и в берегах в тех случаях, когда основание плотины состоит из массива скальных грунтов с коэффициентом фильтрации к 0,1 м/сут (удельное водопоглощение 0,05 л/мин). Они представляют собой ряды буровых скважин [диаметром 50-100 мм), в которые нагнетается раствор, чаще всего цементный, заполняющий трещины вокруг скважин и образующий таким образом преграду, малопроницаемую для воды (на рис. 8.6, сечение АА).
Глубина цементационной завесы и расстояние между скважинами зависят УГ степени трещиноватости скалы и её распространения по глубине от поверхности основания. На практике глубина завесы составляет 0,50,8 напора на плотину, но в отдельных случаях может быть и больше; расстояние между рядами скважин от 1,52 до 34 м, примерно такое же расстояние и между скважинами в ряду. За счет инъекции коэффициент фильтрации уменьшаете! 10+50 раз.
Число продольных рядов скважин, определяющих толщину завесы 5 определяют исходя из допустимого градиента фильтрации через завесу
Максимальный напор, равный разности давлений фильтрационного потоп перед и после завесы, действует в верхнем сечении завесы (у подошвы плотины); на низовом конце завесы напор равен нулю. Поэтому завеса обычно имеет переменную толщину; при нескольких рядах скважин вверху завесы до низа цементируемой толщи основания (до кровли водоупора или породы с удельным водопоглощеннем 0,05 л/мин) доводится лишь один ряд скважин (рис. 8.8,6).
Ось цементационной завесы расположена на расстоянии от напорной грани плотины (0,140,25)6, где Ь ширина подошвы плотины.
Скважины обычно выполняют вертикальными, но при вертикальных или близких к вертикальным трещинах их делают наклонными по возможности нормально к трещинам. В последнее время скважины завесы делают наклонными в сторону верхнего бьефа (см. рис. 8.8, а).
Завесы выполняют обычно из специальных галерей в теле плотны (см. рис. 8.8) или в особых бетонных плитах перед напорной гранью плотины; береговые завесы ведут с поверхности грунта, а при их больших глубинах или при крутых береговых склонах из специальных штолен, располагаемых в основании ярусами.
Для устройства завес используют цементный раствор с применением пластифицирующих добавок: гидрофильной или гидрофобной (см. п. 6.1). Раствор в скважины нагнетают вначале под небольшим давлением, затем его повышают ступенями до 13 МПа и более. В условиях закарстованных пород полости в скале заполняют бетоном или цементноглинистым раствором со значительной примесью глины, иногда с добавлением песка. Завесы, выполняемые нагнетанием холодного битума, применяют относительно редко; они целесообразны при наличии агрессивных вод.
В тех случаях, когда устройство цементационной завесы затруднительно (слабая скала, чередование скальных пород со слоями рыхлых, не допускающих нагнетание раствора под давлением) или неэкономично, противофильтра ционные преграды устраивают в виде бетонных стенок (к примеру «стена в фунте») или комбинации стенок и цементации под ними (проект Сангтудин ского гидроузла в Таджикистане)
Дренаж основания и береговых примыканий. Дренаж скальных оснований является мощным средством для изменения режима фильтрации, иногда даже более эффективным, чем завесы и понуры. Совместное применение завес и дренажа дает максимальный эффект. В случае, когда основание представлено слабоводопроницаемым массивом скальных пород (0,1 м/сут), цементационную завесу можно не устраивать, а ограничиться лишь дренажом; в этом случае желательно устройство связующей цементации зоны контакта плотины с основанием.
Дренаж под плотиной представляет собой или ряд скважин в основании (иногда это называется «дренажной завесой»), или галереи (штольни), или полости в подошве плотины, соединенные с нижним бьефом отводящим устройством (см. рис. 8.6 и 8.8).
Дренажные скважины диаметром не менее 20-25 см на расстоянии одна от другой в ряду 25 м располагаются за цементационной завесой (в сторону НБ). Если расстояние между скважинами цементации в ряду (шаг скважин) принять, то дренажные скважины должны быть на расстоянии от завесы, равном (23) во всяком случае не ближе 4 м. Если, как это нередко бывает, и цементационные, и дренажные скважины выполняют из одной галереи в теле плотины, то дренажные делают вертикальными (см. рис. 8.8, а) или те и другие наклонными, но в разные стороны. Однако лучше делать дренажные скважины из особой галереи в плотине, откуда вода отводится в нижний бьеф (см. рис. 8.8, б), В этом случае облегчается и эксплуатация дренажа (регулирование его работы, очистка скважин и др.).
Для усиления работы дренажа иногда делают второй ряд скважин или даже галереи, куда поступает вода из всех дренажных скважин (см. рис. 8.6 и 8.8, б). Усилить дренаж можно также системой продольных и поперечных галерей под подошвой плотины (см. рис. 8.3, г).
Примечание. Дренаж более эффективен, если скважины имеют диаметр 50 мм, но располагаются они на расстоянии 50+100 см друг от друга в ряду. Эти скважины могут выполняться перфораторами на глубину 20 м. При большей глубине диаметр может увеличиваться.
Глубина дренажных скважин зависит от характера основания. При относительно однородной трещиноватости эта глубина составляет 0,5-0,7 глубины цементационной завесы. При слоистом основании дренажные скважины должны пересечь водоносные слои (см. рис. 8.8, б). При обильном потоке подземных вод или при наличии глубинных напорных вод следует делать разгружающие скважины в нижнем бьефе за плотиной (см. рис. 8.8, б) во избежание разрушения верхнего водонепроницаемого слоя скалы под давлением фильтрационных вод.
Дренаж береговых скальных массивов, к которым примыкает плотина, имеет большое значение для устойчивости склонов (берегов) непосредственно ниже плотины.
В береговом примыкании плотины возникают обходные течения воды, фильтрующейся из верхнего бьефа в нижний. Градиенты обходной фильтрации возрастают ближе к нижнему бьефу (рис. 8.9,а) и поэтому береговой массив подвергается действию значительных объемных (заштриховано abh) гидродинамических сил с равнодействующей йф (см. рис. 8.9,а), которая может вызвать его скольжение. В случае устройства завесы 1 (рис. 8.9,6) эти силы уменьшаются, а при устройстве и дренажа (рис. 8.9,6) почти исчезают.
