Материалы для переходных зон (фильтров)

Фильтры грунтовых плотин по размерам и характеру работы несколько отличаются от фильтров в основании элементов бетонных гидротехнических сооружений или в составе дренажных устройств земляных плотин, под облицовками откосов каналов и т. п. Фильтры в теле каменно-земляных плотин помимо своего основного назначения — защита связного грунта ядра или экрана от механической суффозии, отслаивания и контактного размыва, служат одновременно переходными зонами от грунта ядра или экрана к каменной наброске или галечнику боковых призм. Из-за укладки фильтров грунтовых плотин на контакте разных по характеру и составу материалов, претерпевающих большие и разные по величине деформации, создается реальная опасность нарушения сплошности слоя фильтра (при небольшой толщине). Кроме того, в процессе уплотнения наброски струей воды из гидромониторов под давлением 5—7 кгс/см² не исключается возможность нарушения состава фильтров (при небольшой толщине).

Чтобы избежать этих явлений, с учетом производственных условий укладки и уплотнения толщина слоев переходных зон (фильтров) принимается обычно не менее 3,0 м, т. е. несравненно больше обычных тонкослойных фильтров, имеющих размеры в поперечном сечении 25—30 см. Такая толщина слоев дает возможность к составу переходных зон (фильтров) предъявлять менее жесткие требования, чем к тонкослойным фильтрам; для последних коэффициент неоднородности ограничивается величиной 12.

Для устройства переходных зон применяются естественные или обогащенные несвязные водопроницаемые песчаные, песчано-гравелистые и гравиино-галечниковые грунты, а также щебень и щебеночные отходы камнедробильных заводов. Применение обогащенных грунтов или искусственных смесей требует обоснования.

Основные требования к грунтам переходных зон следующие: пески должны состоять из твердых и плотных пород; гравий, галечник, щебень и щебеночные отходы должны быть продуктами твердых и плотных каменных пород, не содержащих водорастворимых солей, не подвергающихся физическому и химическому выветриванию. Предел прочности каменных пород при сжатии должен быть не ниже прочности камня в наброске и не менее 300—400 кгс/см2, морозостойкость должна быть испытана при числе циклов не менее 50 и температуре ±17 °С, при этом потеря в весе не должна превышать 5%.

Грунты для переходных зон плотин, сооружаемых в суровых зимних условиях, исследуются на морозостойкость при температурах —40°С и ниже при значительной величине температурного перепада. Прочие требования к переходным зонам относятся к составу материала, по подбору которого имеется ВСН-47-71, а также ряд рекомендаций как отечественных научно-исследовательских и проектных институтов, так и отдельных зарубежных исследователей.

Следует отметить, что СНиП П-53-73 дает лишь общие указания по устройству переходных зон в теле каменно-земляных плотин и рекомендует использование, как правило, карьерных разнозернистых грунтов. Поэтому при проектировании переходных зон следует пользоваться действующими в настоящее время «Указаниями по проектированию переходных зон каменно-земляных плотин ВСН-47-71» и «Инструкцией по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений ВСН-02-65».

Инструкция и Указания составлены по результатам теоретических, экспериментально-лабораторных и натурных исследований в области фильтрационно-суффозионных свойств грунтов и подбора состава фильтров, а также опыта проектирования и строительства гидротехнических сооружений. Инструкция и Указания являются обязательными ведомственными нормативными документами для всех проектных и строительных организаций системы Минэнерго СССР. Они предназначены для проектирования переходных зон из несвязных песчано-гравийно-галечниковых и щебеночных грунтов, устраиваемых в каменно-земляных плотинах.

Инструкция и Указания рекомендуют для толстослойных переходных зон каменно-земляных плотин применять несвязные естественные карьерные грунты со степенью разнозернистости до 50. Укладка таких грунтов с послойным разравниванием и уплотнением перекрывает неравномерность раскладки грунта, обеспечивая тем самым однородность по слою.

Для первого слоя переходной зоны коэффициент разнозернистости допускается принимать и более 50, однако при этом должен быть соблюден ряд дополнительных условий, приведенных в Указаниях, в том числе наличие в составе грунта песчаных фракций (0,05—2 мм) не менее 20—25%.

При использовании для переходных зон карьерных грунтов без дополнительной переработки состав их должен удовлетворять следующим основным условиям, определяемым по расчету: недопущение деформаций отслаивания или отрыва агрегатов частиц связного грунта экрана или ядра на контакте с грунтом первого слоя фильтра (переходной зоны), непросыпаемость частиц на контакте и фильтрационная прочность контактов, а также самозалечиваемость (кольматируемость) местных трещин в ядре или на экране при их образовании.

Используемый для фильтров грунт может быть как несуффозионного, так и суффозионного состава. На фильтрационную прочность грунта, служащего фильтром и защищаемого ими ядра или экрана, влияют гидродинамические условия, т. е. градиенты напора. Поскольку поступление воды через слабоводопроницаемое ядро или экран не может создать в фильтре градиентов, геометрический критерий суффозионности грунта теряет значение и не может служить препятствием для применения его в качестве материала для переходных зон.

Попутно отметим, что исследования принципов проектирования осуществленных фильтров некоторых высоких зарубежных плотин показывают, что подбор их состава в некоторых случаях основан на критерии Терцаги, который ставит следующие требования:

1) размер частиц материала фильтра должен не менее чем в 4 раза превышать размер частиц защищаемого фильтром слоя более мелкого грунта;

2) размер частиц материала фильтра должен быть не более чем в 4 раза крупнее частиц защищаемого грунта, мельче которых в нем содержится 85%.

Первое условие обеспечивает свободный отвод воды, фильтрующейся через ядро или экран, второе — исключает возможность возникновения опасных для сооружения суффозионных явлений. Оба условия должны быть выдержаны не для осредненных кривых гранулометрического состава защищаемого грунта и фильтра, а для огибающих кривых реального состава используемых материалов.

От правильного подбора состава переходных зон зависит сохранность плотины в целом.

В современных плотинах переходные зоны осуществляются в большинстве случаев однослойными или двухслойными, редко трехслойными.

Для ряда отечественных плотин — Серебрянская 1, Перепадная I, Сарсапгская, Жинвальская и другие применялись однослойные переходные зоны из местных необогащенных или обогащенных аллювиальных грунтов.

На плотинах Тиквеш, Гепач, Кокин Брод, Трангслет, Оровилл, Нурекской, Чарвакской переходные зоны осуществлялись двухслойными: первый слой — из отсортированных естественных песчано-гравелистых материалов с коэффициентом неоднородности 40—50 и выше, а второй - представляющий переходный слой к каменной наброске — выполнялся из естественных гравелисто-галечных грунтов самого разнообразного состава с различными коэффициентами разнородности или из карьерной мелочи.

На строящихся в настоящее время высоких отечественных плотинах переходные зоны запроектированы с соблюдением требований Указаний ВСН-47-71.

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