ПРИЧИНЫ АВАРИЙ И ПОВРЕЖДЕНИЙ ПЛОТИН И ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Аварии каменно-земляных плотин сравнительно редки и относятся главным образом к раннему периоду их строительства (1883—1927 гг.). Разрушения в большинстве случаев происходили вследствие перелива воды через гребень (Энглиш, Уэлнот Грув, Лоуэр Отей, Бюлли Крик и др. высотой до 40 м) и реже — вследствие образования химической суффозии через сквозные трещины в ядре плотины (Апишапа). Аварийное состояние, грозящее разрушением, может возникнуть также из-за суффозии грунта в основании плотины (Апишапа).

Детальное изучение свойств грунтов основания и принятие мер по их закреплению, удалению легко размываемых прослоев, а также уменьшению градиентов напора соответствующими противофильтрационными устройствами может полностью исключить возможность вымыва грунта из-под основания, следовательно, и опасность разрушения плотины.

Возникновение суффозии в теле плотины является следствием низкого качества ее проектирования или возведения.

Вымыв грунта ядра или экрана возможно предотвратить правильным назначением размеров указанных элементов, обеспечивающих неразмывающие градиенты напора, а также надлежащим подбором состава и размеров переходных зон (фильтров); при этом весьма важным условием является качественное уплотнение грунтовых материалов, так как плохо уплотненные зоны создают пути сосредоточенной фильтрации и опасность суффозии.

Причиной суффозии грунта в теле Ортотокойской однородной земляной плотины высотой 53 м послужило неравномерное уплотнение по слоям насыпи. Для предупреждения развития опасных размывов в центральной зоне профиля плотины была выполнена противофильтрационная инъекционная завеса.

Случаи суффозии часто имеют место в примыканиях плотин к крутым береговым склонам и бетонным сооружениям ввиду затруднительности уплотнения грунта механизмами в зоне контакта. Эти зоны требуют дополнительного ручного уплотнения.

Образование трещин в ядре или экране — наиболее опасная форма деформации плотин, так как вызывающие их факторы весьма разнообразны, менее изучены, следовательно, трудно уловимы. Поэтому для установления кдк причин их возникновения, так и способов залечивания требуются большие исследовательские работы.

Напряжения в теле плотины из грунтовых материалов, как известно, сжимающие, но с переменной интенсивностью, зависящей от формы поперечного сечения, очертания каньона, свойств грунтовых материалов и степени их уплотненности. Тем не менее, как показывают обследования многих высоких плотин, построенных в последние два десятилетия, в них образуются трещины, свидетельствующие о возникновении местных растягивающих напряжений.

Натурные наблюдения над каменно-земляными, а также земляными плотинами показали, что трещины в зависимости от порождающих их причин бывают поперечные и продольные, расположенные снаружи или внутри тела плотины.

Поперечные трещины могут быть вертикальными, наклонными и горизонтальными, а также сквозными и локальными.

Вертикальные трещины, преимущественно наружные, образуются на гребне плотины и распространяются в глубь тела на ограниченную глубину. Они возникают из-за неравномерной осадки тела и основания плотины.

Причинами образования вертикальных трещин могут быть: сопряжение плотины с невыравненными обрывистыми береговыми склонами, имеющими резкие переломы профиля; значительные уступы; наличие в основании пойменного участка плотины сжимаемых наносных отложений, дающих большие осадки против бортовых участков; некачественное выполнение насыпи тела плотины, приводящее к неравномерным осадкам различных ее участков.

Причиной для образования вертикальных трещин могут служить также сейсмические воздействия большой силы.

Если вертикальные трещины проходят ниже уровни бьефа, то они представляют фильтрационную и суффозионную опасность и требуют соответствующих мер обезвреживания.

На гребне плотины Раунд Батт над крутым скальным уступом в береговом примыкании образовалась вертикальная трещина. Она распространялась ниже уровня водохранилища и была локальной (не сквозной). Трещина была тщательно обследована и затампонирована смесью сухого песка и пылеватого бентонита.

Наиболее опасны горизонтальные поперечные трещины, особенно сквозные. В результате большой осадки основания в центральной части плотины Апишапа и ее «зависания» на крутых скальных склонах бортовых участков образовалась горизонтальная поперечная сквозная трещина между верхней и нижней частями плотины, через трещину прорвалась вода разрушающей силы и за несколько часов размыла плотину.

Менее опасны продольные трещины, обычно возникающие на гребне плотины вдоль ее оси. Они чаще всего образуются на контакте ядра с боковыми призмами (или переходными зонами) отдельными участками (иногда значительной длины) и имеют глубину до нескольких метров. Продольные трещины возникают чаще в плотинах с грунтовым ядром, главным образом из-за разной осадки ядра и боковых призм. Ввиду того, что грунтовая насыпь ядра и каменная наброска по плотности укладки обычно отличаются друг от друга, появление продольных трещин в высоких каменно-земляных плотинах почти неизбежно; это явствует также из примеров построенных плотин Раунд Батт, Маттмарк, Черри-Вэлли, Мад Маунтин, Холстон, Ноттели, Уатога и др., на гребнях которых обнаружены продольные трещины глубиной до 1—2 м. На плотине Раунд Батт суммарная длина трещин составляла, например, 150 м. Продольные трещины могут возникнуть и на поверхности откосов и берм плотины.

Поверхностные трещины обнаруживаются визуальными наблюдениями и легко обезвреживаются тампонированием (забивкой песчано-глинистым материалом иногда с примесью силикатов), реже — цементацией под давлением.

Внутренние трещины в теле плотины могут образоваться также на контакте ядра с заложенной в него бетонной или железобетонной конструкцией (стенкой — диафрагмой, зубом, галереей) ввиду весьма малой сжимаемости бетонной конструкции по сравнению с окружающей сжимаемой грунтовой средой. Такого рода трещины были обнаружены на плотине Неверзник (над бетонным зубом).

Наряду с вышеизложенными соображениями о причинах образования трещин имеется еще мнение, что трещинообразование в ядрах и экранах в известной мере зависит от показателей пластичности и гранулометрического состава грунтов, из которых они возведены. Из анализа 17 плотин США, на которых обнаружены трещины, усматривается, что трещинообразованию подвержены главным образом глинистые грунты с числом пластичности менее 15 гранулометрического состава. Глины высокой пластичности (>20) более трещиностойки. Неблагоприятны рыхлые элювиальные грунты, в составе которых имеются частицы из непрочных, легко выветриваемых пород. Таким образом, можно прийти к следующему: 1. Аварии плотин от суффозии можно предупредить, если ее своевременно обнаружить и приостановить ее развитие. Для этого при постройке плотины в нее должна быть заложена необходимая контрольно-измерительная аппаратура, сигнализирующая об образовании внутренних и поверхностных трещин, зон усиленной фильтрации и о других нарушениях нормальной работы сооружения.

2. Образование трещин можно предупредить путем правильной оценки компрессионных свойств грунтов в основании плотины, правильного выбора типа и конструкции плотины, грунтов для ее возведения, а также надлежащей подготовки основания.

3. Из всех трещин наиболее опасны внутренние трещины в ядре (или экране), поэтому при их обнаружении следует неотложно организовать тщательные наблюдения за развитием фильтрации и проявлением суффозии. При наличии суффозии может потребоваться полное или частичное опорожнение водохранилища на время ремонтных работ во избежание дальнейшего развития суффозии. Следует отметить, что часто происходит «самозалечивание» мелких трещин, возникающих на контакте ядра или экрана с фильтрами благодаря кольматационной способности связных грунтов. При надлежащем подборе состава фильтров (переходных зон) кольматация контактных трещин обеспечивается.

В зависимости от интенсивности суффозии и степени ее опасности «излечение» плотины может производиться либо путем инъекции в поврежденные участки глиноцементного, цементного, силикатного или химического растворов, либо устройством на верховом откосе нового противофильтрационного экрана (плотина Терцага).

Наружные трещины могут быть излечены (после их стабилизации) путем заделки, т. е. заполнения щели водоупорным грунтом или искусственными смесями с содержанием бентонита, иногда и силикатов.

4. Современную контрольно-измерительную аппаратуру и систему наблюдений за ее показаниями нельзя считать совершенными для обнаружения внутренних трещин. Требуется создание новых специальных приборов и совершенствование существующих.

Кроме создания новых приборов, весьма существенно совершенствовать теоретические методы расчета условий возникновения трещин, а также расширить базу экспериментирования и крупномасштабного моделирования плотин в различных условиях их работы, побуждающих образование трещин.

5. При строительстве плотин должна быть строго соблюдена технология ее качественного возведения, заданная техническими условиями. Весьма важно также соблюдение инструкции наполнения водохранилища, а при эксплуатации режима его сработки, пропуска паводков, льда, шуги, опорожнения и повторного наполнения и других условий, заданных инструкцией по эксплуатации. При соблюдении всех вышеперечисленных условий аварии плотин можно полностью предотвратить, а повреждения свести к минимуму, безопасному для целостности плотины.

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