ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ (ГРУНТОВЫЕ ЯДРА И ЭКРАНЫ)
Чаще всего высокие и особенно сверхвысокие (бпл > 200 м) грунто-вые плотины выполняют каменно-земляными, то есть с противофильт- рационными элементами в виде глинистых ядер и экранов. Экономичность таких плотин в значительной мере определяется тем, что в их тело укладывают грунты полезных выемок и из близко расположенных карьеров. Грунт в теле плотины зонируют с учетом ее напряженно- деформированного состояния, а также прочностных и деформационных свойств грунтов. Очень важный показатель, который может рассматриваться как интегральная характеристика экономической эффективности плотины, - коэффициент эффективности использования материала тела плотины К3ф = V/Р, где V - объем насыпи, м3; Р - сила гидростатического давления, кН. Для достаточно прогрессивных конструкций каменно-земляных плотин Кф = 3,2...5,2 • 1СМ м3/кН. Например, для плотин Чарвакской (Узбекистан), Нурекской и Рогу некой (Таджикистан), Оровилл (США) он составляет соответственно 3,2; 4,8; 4,4 и 5,2-10-1 м3/кН.
Ядра и экраны бывают тонкие и толстые.
Тонкие ядра и экраны. Их устраивают из естественного суглинка с градиентом напора, толщиной (0,2...0,5) h. Примерами служат плотины: Инфернильо, hnn = 148 м, (рис. 2.1); Мальпасо, бпл = 138 м (Мексика) и др. Иногда ядро имеет небольшой наклон, что улучшает его напряженно-деформированное состояние, например, плотина Ангосту- ра, h =144 м (Мексика). Грунты с малым сопротивлением сдвигу применяют для ядер. Для экранов желательны более прочные грунты, так как иначе требуется их пригрузка или уполаживание откоса. Для ядер и экранов используют грунты с коэффициентом фильтрации кф в уплотненной насыпи не выше А • 10-4 см/с, обычно. В наклонном ядре плотины Каджакай (hnn = 97,6 м, Афганистан) уложен грунт. Сравнительные данные по ряду плотин с тонкими ядрами и экранами приведены в работе [28].
Толстые ядра и экраны. Их выполняют толщиной от (0,5...1,5) h до 2,5 h. Пример - плотина Эукумбен, = 116,1 м, длина 579, м объем 6,74 млн м3 (Австралия). В последние 20 лет толстые ядра и экраны практически не делали. Их применение может обусловливаться конъюнктурой цен на разработку и укладку соответствующего грунта и возможностью использования для условий данного строительства грунтов полезных выемок.
Глинистые ядра (экраны) должны быть трещиностойкими и иметь достаточную фильтрационную прочность. Желательно, чтобы чаще всего применяемые в них супеси и суглинки имели естественную влажность, отличающуюся от оптимальной не более чем на ± 2...3 %. При больших отклонениях их доувлажняют в карьере или подсушивают. Глинистые грунты укладывают в ядра (экраны) слоями толщиной 0,15...0,3 м и уплотняют пневмокатками (до 50...100 т).
При наличии крутых берегов, в створах с ломаным очертанием, в сейсмичных районах, а также при возможных неравномерных осадках возрастает вероятность трещинообразования в глинистых противокаменной соли фильтрационных элементах. Для предотвращения этого явления повышают пластичность глинистого материала, добиваясь того, чтобы влажность грунта ядра была на 2...3 % больше оптимальной; снижают до 20...40 % содержание крупных фракций (d = 5...70 мм); добавляют в грунт 2...5 % бентонита. Большое внимание уделяют и самозалечиванию появившихся трещин, для чего подбирают зерновой состав фильтров и переходных зон так, чтобы происходила их кольматация продуктами размыва трещин.
Повысить трещиностойкость и фильтрационную прочность, а также способность к самозалечиванию позволяет применение: естественных щебенисто-суглинистых х и супесчаных грунтов, состоящих из смесей глинистых, илистых, песчаных и щебенистых или гравелистых фракций размером d 200 мм, например на Нурекской (рис. 2.2) и Рогунской (рис. 2.3) плотинах; обогащенных при необходимости щебенисто-суглинистых и моренных грунтов путем удаления галечника и камня размером более 150... 200 мм, а также рассева и сортировки фракций, при этом увеличиваются угол внутреннего трения р до 32...380 и плотность до 1,9...2,2 т/м3 (плотины Рогунская в Таджикистане и Чикоасен в Мексике); иногда обогащение можно осуществить естественной сегрегацией фракций размером более 200 мм при сбрасывании грунта с откоса (на Нурекской плотине с высоты до 80 м); качественных материалов для переходных зон и упорных призм, полученных обогащением путем рассева, дробления и сортировки аллювиальных, гравийно-галечниковых грунтов, камня и горной массы, например, в плотинах Нурекской (Таджикистан), Чикоасен (Мексика), Тарбела (Пакистан) и др. Для переходных зон часто применяют и естественный аллювий.
В жарком и тропическом климате для тонких противофильтрацион- ных элементов в узких каньонах при опасности трещинообразования можно использовать и глинобетон так, как на плотинах, приведенных в таблице 2.2. Его приготавливают в смесителях с принудительным перемешиванием.
Опасность трещинообразования можно исключить путем уменьшения осадок и смещений боковых призм, что достигается послойной виброукаткой в первую очередь гравийно-галечных грунтов, а также горной массы и камня.
Для повышения сейсмостойкости плотины Шюгар Пайн (США) в ядро со стороны верхнего бьефа уложили грунт, механически перемешанный с бентонитом (5 % по массе); толщина этой зоны 3 м. В результате этого увеличились пластичность и суффозионная прочность ядра, что особенно важно при появлении растягивающих напряжений и дифференциальных смещений. Грунт с бентонитом уложили также по подошве зуба и его напорной грани.
Выбор типа плотины (с грунтовым экраном или с ядром) осуществляют на основе технико-экономического сравнения вариантов. При этом учитывают их особенности.
Характеристика плотин, на которых для противофильтрационных элементов использовали глинобетон
Достоинства грунтовых плотин с ядром: меньше объем плотины, так как больше крутизна верхового откоса; меньше объем самого ядра по сравнению с экраном; менее жесткие требования к сдвиговым характеристикам материала ядра; лучше сопряжение с крутыми берегами и с бетонными сооружениями, то есть легче обеспечить борьбу с опасной контактной фильтрацией.
Достоинства грунтовых плотин с экраном: возможность независимого ведения работ по отсыпке грунта в тело плотины и экрана, что позволяет также укладывать экран в благоприятное время года - в отсутствие повышенной влажности, дождей, морозов (в горах); удобство сопряжения с понуром при его наличии; выше сейсмостойкость; меньше объем тела плотины 1 этапа строительства; возможность выполнения цементации основания с некоторым отставанием (как и экрана) от отсыпки тела плотины. Недостатки: больший объем тела плотины из-за более пологого верхового откоса, обеспечивающего устойчивость экрана; больший объем грунта в экране; жестче требования к сдвиговым характеристикам грунтов экрана; труднее сопрягать экран с берегами и бетонными сооружениями.
Большинство построенных плотин возведено с ядром.
