ЗЕМЛЯНЫЕ НАМЫВНЫЕ ПЛОТИНЫ
Для собственно намывных плотин характерны транспортировка грунта к сооружению и укладка его в тело плотины с использованием воды; разработка грунта в карьере может осуществляться любыми способами, но большей частью производится гидромониторами или землесосами.
В сухом карьере грунт разрыхляют струей воды, выбрасываемой под большим напором гидромонитором; в карьере, лежащем ниже уровня воды, фунт извлекается на поверхность землесосом. И в том и в другом случаях фунт получается в разжиженном состоянии, в виде так называемой пульпы. Консистенция пульпы обычно около 1:7 1:10, т.е. на 1 часть грунта приходится 7 10 частей воды (в зависимости от вида фунта). В последнее время стремятся получать и транспортировать по трубопроводу более густую пульпу, что уменьшает зафаты энергии на транспортировку фунта. Транспортировка пульпы осуществляется или безнапорным способом по лоткам и канавам, или напорным по фубам.
Намывные плотины из разнородного грунта (с образованием ядра). Образование такой плотины возможно при наличии разнородного грунта с коэффициентом неоднородности Т|>3т4, содержащего с двух сторон профиля плотины из двух боковых пульповодов (лотков или трубопроводов, подающих пульпу), которые укладывают вдоль откосов на эстакадах (рис. 13.7) или без эстакад непосредственно на грунт откоса, или на невысокие продольные дамбочки, насыпаемые из грунта откоса. Пульпа выпускается из пульповодов на эстакадах через особые выпуски, располагаемые через 510 мм по длине пульповода, а при без эстакадном методе намыва через торец звена пульповода.
Пульпа, огражденная по откосу дамбочками, течет к середине плотины, где образуется так называемый прудокотстойник.
Скорость движения пульпы, наибольшая в месте выпуска из пульповода у откоса плотины, постепенно уменьшается к середине профиля сооружения, благодаря чему частицы грунта выпадают из потока в порядке убывающей крупности. Середины профиля достигают лишь самые мелкие частицы, медленно оседающие в прудкеотстойнике. Они образуют относительно водонепроницаемое ядро плотины. Более проницаемые для воды боковые части профиля, складывающиеся из крупных частиц, называют наружными или боковыми призмами: между ними и ядром образуется промежуточная зона (около 2030% общего объема плотины).
Осветленная (благодаря отстаиванию) вода из прудка удаляется частью через боковые призмы, а главным образом через специальные временные водосливы в виде деревянных вертикальных колодцев труб с горизонтальными отводами у основания плотины. В некоторых случаях воду удаляют плавучими насосными установками. Для образования ядра в центре сечения плотины выпуск пульпы следует производить одновременно с обоих откосов.
Ширина прудка и ширина будущего ядра должны быть в границах, намеченных проектом, примерно в пределах 15-20% ширины профиля плотины на данной высоте. Это достигается регулированием отвода воды из прудка, для чего в колодцах предусматривают простейшие щиты шандоры.
Прудокотстойник должен иметь некоторую минимальную ширину, соответствующую пути, на котором происходит выпадение из пульпы частиц d>0,05 мм; частицы d<0,05 мм обычно «отмываются», т. е. сбрасываются из прудка вместе с водой.
В настоящее время обычно стремятся к отмыву фракций даже размером 0,1 мм для того, чтобы ускорить процесс выпадения частиц и в конечном счете ускорить процесс намыва. Длина необходимого для этого пути в прудке /0 (рис. 13.14) приближенно определяется формулой
Приближенно можно принимать гидравлическую крупность со песчаных частиц в зависимости от их диаметра:
Верхняя часть профиля с шириной, недостаточной для образования прудка, выполняется другими методами намыва или способом отсыпки насухо.
Намыв плотины производится по участкам или картам длиной 200400 м и более. При эстакадном намыве с одного положения эстакады можно намыть ярус плотины высотой до 56 м, после чего пульповоды перемещают на эстакады следующего яруса (см. рис. 13.7); старые эстакады остаются в грунте, за исключением связей и раскосов, снимаемых по мере роста плотины.
При безэстакадном намыве, который широко используется в настоящее время, с одного положения трубы пульповода намывают слой (конус) грунта высотой 0,30,5 м (рис. 13.8, а), после чего, не прерывая намыва, с помощью специального быстроразъемного соединения присоединяют краном следующую трубу (рис. 13.8, б) и намывают новый конус и так до конца карты (см. рис. 13.14). После этого намывают новый ярус высотой 0,30,5 м, идя в обратном направлении вдоль карты путем постепенного отсоединения труб. Ход намыва по этому методу напоминает движение человека и иногда называется «челночным».
Безэстакадный намыв значительно экономичнее эстакадного: отсутствуют эстакады (экономия лесоматериалов) и работы, связанные с их устройством; намыв ведется непрерывно механизированным способом с более высокой производительностью труда. Все крупные земляные плотины волжских и других гидроузлов намыты безэстакад ным способом.
Самой высокой намывной плотиной с ядром в СССР явилась Мингечаур ская плотина на р. Кура высотой 80,5 м и объемом 15 млн м3 (рис. 13.9), возведенная безэстакадным способом на плотном основании в условиях 8балльной сейсмичности из песчаногравелистых грунтов (1956 г.). Грунты доставляли из нескольких карьеров (гравийных, песчаных) железнодорожным транспортом, смешивали и разжижали в особом смесителе на месте постройки и затем направляли на строящуюся плотину. Фракционирование грунта по профилю плотины видно из осредненных кривых гранулометрического состава. Несмотря на относительно небольшое различие в фильтрационных свойствах ядра и остальной части профиля, в ядре гасится до 7080% напора. Дренаж плотины выполнен из сборных бетонных блоков.
Прогноз раскладки фракций в теле плотины. Геотехнические показатели грунта в разных частях профиля плотимы после намыва определяют предварительно в проекте. Для сооружений I и [I классов это делают проведением опытного намыва, а для прочих примерными, приближенными расчетами (см. п. 11.2).
Существующие методы расчета гранулометрического состава намытого грунта относительно условны. Наиболее прост и достаточно точен способ, предложенный П.И. Гордиенко[51].
По этому способу, имея кривую гранулометрического состава карьерного грунта, например ОВКА (рис. 13.10, а), вначале строят кривую состава после отмыва из этого грунта мелких фракций. Если желают отмыть частицы крупностью d<0,06 м (точка В), то в плотине останется грунт крупностью 0,06 мм и более. Если отмыто р%, всего фунта (в данном примере около 10%), то количество частиц каждой фракции в оставшемся фунте станет больше раз, считая содержание фракции от линии, соответствующей 100% Графически это можно получить так: взять произвольную точку М и провести прямую в точку В\ отсекающую «отмытую» фракцию на оси 0%, и прямую MB на линии р%. Для перестройки кривой В КА надо сносить вниз ее точки пропорционально высотной разнице между прямыми MB и МВ\, например, точка К переносится по горизонтали в точку L\, определяется прямая LiLiH за эту величину точка К опускается в положение /.Раскладку фракций в теле плотины с ядром прогнозируют аналогичным образом: устанавливают максимальный размер частиц, допускаемых в ядро (рис. 13.10, б, точка С), и затем кривую СВ] (часть кривой гранулометрического состава В\,СА) с помощью вспомогательных лучей NC и NC\ перестраивают в кривую В\ЪС\ гранулометрического состава ядра; кривую СА аналогично перестраивают в кривую С244 состава боковых призм и переходных зон.
Особенностью настоящего построения является необходимость учета проникновения частиц, предназначенных для призм, в ядро и наоборот, которое происходит в действительности. Экспериментально установлено, что в среднем 15% фракций из призм проникает в ядро и 15% фракций ядра проникают в призму. Для выполнения этого условия построение, предположенное П.И. Гордиенко, несколько преобразуется. При построении кривой гранулометрического состава призмы следует провести два луча. Один луч проходит через точку С раздела фракций на фракции для ядра и призм из полюса М\ второй через точку С2 на вертикали раздела, соответствующей 15% проникновения фракций; затем выполняют построения, аналогичные изложенным.
Для построения кривой гранулометрического состава ядра намывной плотины проводят два луча из полюса N один из лучей N, а другой из этого же полюса через точку С на вертикали раздела, соответствующей 85 % проникновения фракций. Построения выполняют аналогично предыдущему случаю. Кривая характеризует гранулометрический состав ядра плотины; кривая ACj упорных призм.
После определения гранулометрического состава ядра и упорных призм необходимо установить по этому составу примерные характеристики грунтов (см. п. 11.2).
Расчеты фильтрации воды в период намыва необходимы для оценки устойчивости плотины. Общая схема фильтрации показана на рис. 13.11 для случаев проницаемого и непроницаемого оснований. Сетку фильтрации можно построить графически, методом ЭГДА и т. д. [40].
Расчеты устойчивости плотины в период намыва. Наиболее опасным для намывной плотины с ядром является период, близкий к ее окончанию, когда рост плотины в высоту ускоряется (уменьшается ширина плотины), а давлению разжиженного и недостаточно уплотненного ядра сопротивляются относительно тонкие боковые призмы. Для расчета устойчивости призм можно пользоваться методом М.М. Гришина и Б.Н. Федорова, разработанным для прямолинейных откосов в предположении, что материал боковых призм не обладает сцеплением и что поверхности скольжения в призмах плоскости (по опытам Гильбоя это близко к действительности).
В период постройки на призму ABCD (рис. 13.12) действует давление разжиженного ядра, принимаемое распределенным по гидростатическому закону и направленное под углом к нормали плоскости AD под влиянием этого давления часть призмы ABED может сдвинуться по некоторой плоскости DE под углом X, к горизонту, чему будет препятствовать трение грунта по плоскости DE. Для устойчивости отсека грунта ABED реакция R, равная равнодействующей сил давления ядра Q и веса G отсека ABED, должна быть направлена к нормали линии DE под углом у меньшим угла внутреннего трения грунта наружной призмы
Наиболее опасной плоскостью скольжения будет та, для которой угол достигает максимального значения. Анализ показывает, что этому максимуму соответствует положение плоскости DE под углом Хо, характеризуемым уравнением
Наиболее опасная поверхность скольжения, как показывает анализ, всегда проходит через точку D пересечения откоса ядра с поверхностью основания или с поверхностью уже уплотнившейся части ядра. Приближенно линию DE можно принять горизонтальной и совпадающей с линией DC.
В зависимости от результата расчета для повышения устойчивости боковых призм могут быть приняты следующие меры;
1) уменьшена ширина ядра и увеличена ширина боковых призм (при данных откосах);2) снижены темпы роста ядра в высоту, чтобы грунт ядра успевал уплотниться;
3) уположены наружные откосы профиля.
Откосы плотин, намываемых из песчаных фунтов, в верхней части профиля (если основание надежно) могут иметь заложение в пределах 1:3—1:4 (упо лаживаясь к низу), а боковых призм из фавелистых фунтов около 1:2,51:3.
Расчет устойчивости откосов намывной плотины в строительный период может выполняться и по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения при учете фильтрации из прудка; в эксплуатационный период по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения аналогично обычным насыпным плотинам (см. п. 12.5).
Регулирование процесса намыва. Процесс уплотнения тела плотины и особенно ядра вначале идет относительно быстро, а затем все медленнее и может продолжаться годами. Во многих случаях за период постройки ядро все же успевает достаточно уплотниться, если состав его не очень однороден. Малоуплотненное ядро, оказывающее давление как тяжелая жидкость, может вызвать смешение боковых призм или оползень, поэтому темпы возведения плотины или интенсивность намыва в целом зависят от хода уплотнения ядра1. Средняя интенсивность намыва плотин с ядром (рост плотины в высоту) на практике составляет 0,10,25 м/сут. При этом регулируется не только рост, но и ширина прудка и гранулометрический состав грунта.
В натуре ядро, конечно, не имеет в разрезе формы трапеции, а только приближается к ней (рис. 13.13). Нежелательными являются «языки» 2, т. е. участки песчаного грунта, образующиеся в ядре из-за больших скоростей пульпы и «карманы» 1 глинистого грунта в боковых призмах, так как они могут обусловить значительное гидростатическое давление пульпы на откос и оползание его по глинистой прослойке. Борьба с образованием языков заключается в уменьшении скорости пульпы постановкой щитков по пути ее движения или регулировании расхода пульпы из труб и лотков. Борьба с образованием карманов ведется регулированием ширины прудка или уровня воды в нем.
Контроль за процессом намыва исключительно важен и необходим для предотвращения аварий сооружений в период работ и обеспечения нужного качества сооружения. Контролю подвергают гранулометрический состав грунта в карьере и в теле плотин, консистенцию пульпы, плотность намытого грунта и ее изменения во времени, размеры ядра, фильтрацию воды на откосах п состояние последних. Для контроля на строительстве организуется специальная полевая геотехническая лаборатория. Геотехнический контроль осуществляется путем периодического взятия грунтоносами проб грунта (одна проба на 300600 м3 грунта) и определения удельного веса частиц, влажности, гранулометрического состава, пластичности. Контроль за уплотнением ведется также с помощью специальных реперов и электроёмкостными методами.
Полунамывные плотины отличаются от намывных тем, что в них ядро образуется путем размыва грунта отсыпанных сухим способом боковых призм и отстаивания мелких частиц в прудкеотстойнике, при этом происходит фракционирование грунта, как и при обычном намыве.
Однородные (без ядра) намывные плотины получили свое развитие при использовании однородных песчаных грунтов с небольшим (не более 10%) содержанием фракций d<0,05 мм (главным образом I категории). При намыве таких грунтов раскладки фракций для образования ядра практически не получается, хотя фракционирование и происходит, но в очень узких пределах из-за однородности материала.
Однородные (без ядра) плотины могут возводиться:
1) двухсторонним намывом, как и с ядром (рис. 13.14, п), только вместо ядра эдесь получается центральная зона, сложенная несколько более мелким материалом, чем остальная часть профиля;2) односторонним намывом (рис. 13.14, 6) с подачей пульпы эстакадным и безэсгакадным путем, с образованием прудка у противоположного откоса или без него, со свободным откосом;
3) торцевым намывом (рис. 13.14, д, е) из торцов пульповодов, уклады ваемых параллельно оси плотины.
Плотины без ядра могут возводиться и из более неоднородного грунта путем «мозаичного» намыва. В этом случае пульпу выпускают из ряда отверстий, более или менее равномерно распределенных на карте намыва, образуя «конусы», между которыми осветленная вода движется к отводящим колодцам.
Односторонний намыв применяется чаще всего при возведении русловых плслнн без перемычек. В этом случае поперек реки возводится каменный банкет (рис. 13.14, д), отсыпается грубый обратный фильтр (иногда обходятся без него), а затем в образовавшийся тиховод начинается намыв грунта из пульповодов, располагаемых вначале на банкете, а затем по мере роста плотины на наружных дамбочках низового откоса. С каждого положения пульповода намывается слой Ь\, Ьг, у которого надводный откос очень пологий (для средних и мелких песков 1:121:40, чаще всего 1:17 1:18), а подводный более крутой (около 1:4); для мелких песков при большой глубине уклон составляет до 1:81:10.
При подводном намыве не происходит раскладки фракций. В подводной части получается однородное тело в состоянии, очень близком к предельно рыхлому. Когда плотина полностью выйдет из воды, напорный откос желаемой крутизны образуют с помощью фильтрующих дамбочек (из гравия, щебня) или плетней, пропускающих воду и удерживающих песчаные фракции, или осуществляют двусторонний намыв (рис. 13.14, а). Односторонний намыв удобен для образования и нерусловых плотин с пологим напорным откосом, не требующим зашиты от волнения (рис. 13.5). При этом осветленная вода стекает в сборную канаву за пределами намываемого профиля.
Торцевый намыв (рис. 13.14, д. е) позволяет вести работы сразу по всей ширине плотины из нескольких пульповодов с высоким темпом намыва1. Применяется он главным образом для намыва под воду.
Условия работы однородной плотины несколько отличны от условий работы плотины с ядром (ее плотность при торцевом намыве выше). Устойчивость откосов (вследствие отсутствия разжиженного ядра в период постройки) выше и может рассчитываться теми же методами, что и устойчивость откосов насыпных плотин. Интенсивность роста профиля плотины составляет 0,50,6 м/сут и более. Однако при повышенной интенсивности возведения большую роль играют фильтрационные силы, вызывающие опасное оплывание откосов, сложенных из более мелкозернистых грунтов, чем в случае возведения плотин с ядром. Во из
Так, на русловой плотине Жигулевской ГЭС средняя интенсивность намыва роста плотины была 1.1 м/сут, а объем намыва а среднем составлял 201 тыс. м3/сут при максимуме 277 тыс. мэ/сут.
Для уменьшения фильтрации в слое подводного намытого грунта его иногда перерезают шпунтовой стенкой. Шпунтовые стенки (диафрагмы) могут перерезан однородную земляную плотину в случае необходимости понижения поверхности депрессии.
Намывание плотины из связных грунтов. Намыв плотин из суглинков и глин до последнего времени считался невозможным. Опыт намыва ряда плотин в Средней Азии высотой до 20 м из лессовидных суглинков показал, что это возможно. Такие плотины являются практически однородными с откосами не круче 1:4, лишь у ограждающих дамбочек откладываются более крупные комочки конкреции, не размокшие в воде. Намыв лессовых плотин особенно целесообразен на лессовых основаниях, так как одновременно происходят замачивание и просадка последних, вследствие чего деформации плотин по окончании намыва невелики.
В нашей стране намыв плотин нередко производится и в зимний период. Опыт Днепростроя, Волгостроя, Куйбышевгидростроя показал возможность качественного зимнего намыва плотин и дамб. Основой успеха являются непрерывность и возможно большая интенсивность работы пульпопровода и ведения намыва; особенно успешен намыв под воду. При зимнем намыве необходимо:
1) оборудовать пульпопроводы быстро открывающимися заслонками в пониженных местах для выпуска пульпы при длительных перерывах в работе;2) устроить отепление и теплоизоляцию землесосов и бустеров (перекачечных станций), а иногда и магистральных пульповодов;
3) поддерживать майну (акватория, свободная от льда) для землесосов;
4) периодически очищать площади надводного намыва от мерзлой корки толщиной более 0,25 м и от больших наледей;
5) осуществлять особо строгий надзор за ходом намыва;
6) при температурах воздуха ниже 15° С добавлять в пульпу теплую воду (хотя были случаи успешного намыва и без этого).
Недостатками зимнего намыва являются:
1) понижение (на 2030%) интенсивности работ;2) обмерзание надводных откосов, затрудняющее отвод воды из намывного сооружения, что может вызвать оползание откосов весной, если основание дамбы водонепроницаемое;
3) более высокая стоимость работ.
Сравнение намывных н насыпных плотин. Преимущества намывных плотин по сравнению с насыпными заключаются в следующем:
1) высокие темпы возведения (укладка грунта более 30 млн м3/год);2) возможность возведения сооружения без откачки воды из котлована (намыв в воду);
3) простота механизмов, отсутствие тяжелых землеройных снарядов и транспортных средств для перевозки грунта;
4) меньшая потребность в рабочей силе;
5) меньшая единичная стоимость грунта плотины, особенно при больших объемах работ.
Недостатками намывных плотин являются:
1) плохая сейсмоустойчивость плотин вследствие низкой плотности грунта при намыве, больших осадок при сейсмовоздействии и возможность оползания откосов;2) повышенная требовательность к составу карьерного грунта, который не всегда может оказаться в наличии;
3) большая потребность в энергии для постройки плотины в тех случаях, когда подача пульпы происходит по напорным трубопроводам;
4) значительная требовательность в металле (трубы, лопатки и кожухи насосов быстро изнашиваются и истираются, особенно при крупнопесчаных и гравелистых грунтах).
