Грунты и искусственные грунтовые смеси для экранов и ядер

Основные требования, предъявляемые к грунтам экранов или ядер каменно-земляных или каменнонабросных плотин, — слабая водопроницаемость, предотвращающая большие потери воды из водохранилища, прочность, исключающая вымыв мелких частиц, и пластичность, допускающая возможность значительных деформаций без образования трещин. Помимо указанных качеств от грунтов ядра или экрана требуется также сопротивляемость сдвигу и хорошая уплотняемость.

Водонепроницаемость грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации, который в зависимости от содержания в них пылеватых и глинистых частиц и степени уплотнения колеблется в широких пределах. В широком диапазоне изменяются и сдвиговые показатели.

Грунты, содержащие большой процент глины и пыли, обладают меньшим коэффициентом фильтрации, обеспечивая практически полную водонепроницаемость ядра или экрана, однако при этом могут резко уменьшиться сдвиговые показатели, обусловливающие заложение устойчивых откосов и объем плотины в целом. Практически считается достаточным получение в ядрах и экранах коэффициента фильтрации порядка 10,4—10,5 см/с. Эти значения коэффициента фильтрации Кф, а часто и меньшие получаются при средней степени уплотнения суглинистых грунтов, лессовидных и моренных отложений, глинистого мелкозема, супеси, галечника с суглинистым заполнителем и др.

Для глин и некоторых тяжелых суглинков Кф значительно меньше, однако чистые глины не удобны для уплотнения, особенно при большом влагосодержании, так как обладают значительной вязкостью, служащей препятствием при укатке, поэтому применения глин (особенно жирной консистенции) следует избегать.

При отсутствии естественных грунтовых материалов нередко изготовляют отощенные искусственные смеси из глины и крупноскелетного грунтового материала или глинобетон. Последний был применен, например, в ядрах плотин Гетенеральп, Зильвенштейн, Дурласбоден.

В экранах и ядрах могут быть использованы также супесчапистые грунты и даже тонкозернистые пески, если нет опасности суффозии, и к плотине не предъявляются требования высокой водонепроницаемости. Размеры экрана или ядра обычно в этих случаях принимаются значительно большие.

Таким образом, материалом для грунтовых экранов и ядер каменно-земляных плотин могут служить в основном связные естественные глинисто-суглинистые и суглинисто-супесчапые грунты и моренные отложения, а также аллювиально-делювиальные грунты с суглинистым заполнителем. При соответствующем технико-экономическом обосновании в экранах и ядрах могут быть применены также супеси и песчаные грунты, искусственные грунтовые смеси и глинобетон.

Как указывалось выше, водонепроницаемость укладываемого ядра или экрана зависит от гранулометрического состава грунта и степени его уплотнения; последняя в сильной мере зависит от влажности, при которой производится отсыпка грунта и его укатка; наибольший эффект от уплотнения получается при соблюдении оптимальной влажности.

Определение оптимальной влажности производится в лабораторных и полевых условиях. Следует отметить, что степень влажности укладываемого грунта оказывает большое влияние на развитие порового давления в ядре плотины и на коэффициент фильтрации. В частности, увеличение влажности приводит к уменьшению коэффициента фильтрации, особенно в грунтах с большим содержанием глинистых частиц, и увеличивает пластичность; однако большое влагосодержание увеличивает поровое давление, а также создает затруднения при производстве работ. Испытания, проведенные проф. Бьеррумом на плотине Марморера (Швейцария), показали, что если грунт уплотнен при оптимальной влажности или при более низкой влажности, то поровое давление составляет примерно 30% давления насыпи.

Однако укладка грунта при повышенной влажности не всегда ведет к повышению перового давления и снижению сопротивляемости сдвигу. Если в процессе возведения плотины вода из пор ядра «отжимается», как это имело место на плотине Серр-Понсон, то исключается возможность резкого повышения порового давления (обычно это происходит при относительно высоких коэффициентах фильтрации).

Таким образом, при относительно высоком значении коэффициента фильтрации, обеспечивающем при заданных размерах сооружения «отжатие» воды в период производства работ, при назначении начальных значений влажности, коэффициента водонасыщения и плотности грунта, укладываемого в ядро, следует считаться лишь с влиянием этих факторов на сопротивляемость сдвигу. При таких условиях расчетная влажность может приниматься на несколько процентов (2—3%) как ниже, так и выше оптимальной.

Лабораторные исследования, произведенные при строительстве плотины Гешенеральп, показали, что минимальный коэффициент фильтрации получается при влажности, превышающей оптимальную на 2%. Но одновременно возрастало и поровое давление, уменьшающее сопротивляемость сдвигу на 30—50%.

Исключительное изменение коэффициента фильтрации (не характерное для других плотин) имело место на плотине Мад Маунтин, ядро которой состояло из смеси аллювиального гравия и ледниковой морены, содержащей 3% глины с высоким содержанием монтмориллонита. При увеличении влажности грунта ядра от величины на 2% ниже оптимальной до величины на 2%' выше оптимальной произошло уменьшение коэффициента фильтрации в тысячу раз.

О величине влажности грунта, укладываемого в ядро плотины, существуют различные точки зрения. Так, на III Международном конгрессе по механике грунтов (1953 г.) наряду с высказываниями за уплотнение при влажности ниже оптимальной (Терцаги), приводились доводы, подтверждающие успешность возведения ядер, уплотняемых при влажности, превышающей оптимальную.

Однако опыт возведения и эксплуатации грунтовых плотин в СССР и за рубежом, а также результаты полевых и лабораторных исследований ряда плотин могут служить основанием для следующих практических рекомендаций как по общим вопросам, так и по выбору основных параметров грунтов (влажности, коэффициепта фильтрации, характера компрессионной кривой, порового давления и др.), а именно:

1. При выборе карьера грунта предпочтение следует отдавать карьеру, из которого получаемый материал может быть использован в естественном состоянии, т. е. без обработки для достижения влажности, близкой к оптимальной, и без сортировки или обогащения.

2. При необходимости искусственную сушку грунта можно производить как в карьере (как это делалось, например, для плотины Черри-Вэлли), так и на карте; при этом следует учесть, что во время укладки грунта, разравнивания его на карте и уплотнения влажность уменьшается примерно на 2% без специальной обработки (однако это обстоятельство зависит от погоды, времени дня и сезона). Искусственное увлажнение грунта можно производить как в карьере, так и на карте при разравнивании и уплотнении.

3. Наилучшим материалом для грунтовых ядер и экранов является грунт с коэффициентом фильтрации порядка 10,6—10,7 см/с, имеющий угол трения 20—26°; при таком коэффициенте фильтрации всегда можно обеспечить практическую водонепроницаемость ядра или экрана при небольших их размерах.

Достижение хороших показателей возможно при следующем гранулометрическом составе грунта и оптимальном его уплотнении: 12—20% глины и пыли, остальная часть — фракции, постепенно изменяющиеся от пылеватого песка до гравия.

4. Влажность укладываемого грунтового материала должна быть близка к оптимальной, чтобы избежать затруднений при уплотнении механизмами, а также развития большого порового давления.

Эти условия становятся более актуальными для сверхвысоких плотин, имеющих большой объем насыпи и выдерживающих большие нагрузки.

Отклонения от оптимальной влажности без обоснования допустимы в небольших пределах (1—2%); для значительных отклонений требуются расчетное и опытное обоснование с учетом изменения условий уплотняемости, ухудшения сдвиговых показателей, развития порового давления и т. д.

Р.А. Айрапетян, Проектирование каменно-земляных и каменнонабросных плотин, М., Энергия, 1975