Противофильтрационные устройства в основании плотины

При наличии в бортах и основании плотины слаботрещиноватой водонепроницаемой скальной породы сопряжение экрана или ядра производится незначительной врезкой зубом в скалу. Примерами такого сопряжения могут служить плотины Бэр Крик, Берсимис, Джатилухур, Миборо, Дербенди Кхан, Люис Смит, Саммерсвил, Нантахала и др.

При наличии в основании толщи наносных отложений, что часто имеет место в горных и предгорных участках рек, сопряжение осуществляется устройством либо траншейного зуба, прорезающего водоносный слой до достижения водоупора, либо понура, укладываемого на поверхности водоносного слоя в сторону верхнего бьефа. Зуб может быть осуществлен как из бетона, что удобно при экранах из искусственных материалов, так и из водонепроницаемых грунтов. Размеры и конструкция зуба определяются в зависимости от его глубины, характеристик грунтовой среды, в которой он проходит, и методов производства работ.

При небольшой глубине бетонного зуба (около 8—10 м) он возводится открытым способом и размеры его чаще всего определяются в увязке с сечением цементационной галереи, которая устраивается в теле зуба (Парадела и др.).

Зуб из грунтовых материалов применяется преимущественно в плотинах с грунтовым экраном или ядром. Укладка грунта в зуб производится в открытом котловане, ширина которого по верху принимается практически равной размерам ядра или экрана по основанию (при большой ширине ядра или экрана ширина зуба принимается меньше, чем размер ядра).

Сопряжение грунтовым зубом осуществлено на многих плотинах — при толщине слоя отложений в пределах 8—10 м. Такой вид сопряжения осуществлен на плотинах: Хорсшу, Кортрайт, Амбуклао, Серебрянская I, Каджакай, Акосомбо, Хольес, Блу Меза, Зейтеваре и др.

Для плотин Макнон Гепач глубина зуба составляет 20—26 м, на плотине Кебан — свыше 30 м.

Сопряжение с помощью понура в высоких плотинах осуществляется реже.

Устройством понура достигается удлинение путей фильтрации с целью уменьшения градиента напора. Понуры устроены на плотинах Ириклииской, Асуанской, Даллес, Тарбела, Перепадной I Ингурского каскада. Устройство понура отличается сравнительной простотой выполняемых работ, но значительно увеличивает размеры котлована, длину водоотводящих сооружений узла и затраты на водоотлив. При наличии в основании мощного слоя водоносного грунта выбор способа сопряжения с водоупором должен решаться технико-экономическим сопоставлением возможных вариантов. Например, наряду с устройством зуба в открытом котловане могут быть рассмотрены:

• устройство бетонных или глиняных стенок-завес свайным или траншейным методом;
• консолидация песчано-галечных грунтов путем инъекции цементно-глинистых растворов.

Устройство глубокого зуба в открытом котловане, несмотря на простоту конструкции, является весьма затруднительным, особенно в русловой части плотины, где требуется интенсивный водоотлив из котлована. Наиболее прогрессивным является устройство буробетонных стенок-завес или инъектирование грунта.

Метод сооружения противофильтрационных завес был разработан трестом Гидроспецстрой и применен впервые в 1959 г. в основании плотины Чурубай-Нуринекого водохранилища Карагандинской ГРЭС II, позже — в основании плотин Ереванской и Сионской ГЭС. Первые стенки-завесы были сооружены свайным методом, сущность которого заключается в следующем: путем бурения взаимно перекрывающихся скважин диаметром 60—100 см и заполнения их бетоном создается сплошная буробетонная свайная стенка, глубина которой может быть более 50—60 м. Бурение скважин и их заполнение производится в две очереди: скважины первой онереди пробуриваются с прогалами менее диаметра и бетонируются; скважины второй очереди пробуриваются в пределах оставленных прогалов, после бетонирования которых и образуется сплошная стенка-завеса.

Буробетонная завеса Чурубай-Нуринской плотины проходила в песчано-галечниковых отложениях мощностью от 7 до 40 м, имеющих коэффициент фильтрации 150—700 м/сутки. Длина завесы составляла 950 м, площадь — около 22 000 м². На плотине Ереванской ГЭС завеса имела несколько меньшую глубину (20 м) и протяженность.

Траншейный способ отличается большей экономичностью и меньшей трудоемкостью: бурением разрабатывается вертикальная траншея секциями по 6—8 м, шириной около 0,3—1 м. Бурение траншеи осуществляется ударным илн вращательным способом (специальным долотом колоколообразной формы), а удаление разрыхленного грунта посредством эрлифта; для этого траншея заполняется водой или чаще — глинистым раствором, который одновременно служит и для закрепления стенок траншеи до ее бетонирования. Буровой материал эрлифтом подается на вибрационные сита, откуда очищенный глинистый раствор обратно поступает в траншею, а порода удаляется в отвал.

Траншейный способ, (как и свайный) применим в мелкоскелетных грунтах.

В сильно водопроницаемых грунтах (галечных, валунных) этот способ менее рентабелен ввиду слишком больших потерь раствора на утечку.

Основным недостатком траншейного способа является ограничение высоты 20—25 м из-за обрушения стенок и затруднения выноса измельченной породы, а также необходимость применения дорогостоящей бентонитовой глины.

Траншейным способом выполнены завесы в основаниях верхового зуба понура Боткинской ГЭС на Каме и Сионской плотины. Завеса Сионской плотины (в левобережном примыкании) создавалась заполнением бетоном траншеи шириной 0,6 м и длиной 168 м, имеющей глубину от 17,5 до 26,4 м. Завеса проходила в валунно-галечниковых грунтах с супесчаным и легким суглинистым заполнителем. Расход материалов на 1 м² завесы составлял: глины — около 400 кг, цемента — 200 кг.

Агрегат для устройства бетонных, железобетонных и грунтобетонных завес глубиной до 30 м при ширине 0,5—0,7 м в породах крепостью до 1000 кгс/см² позволяет вести работы непрерывным фронтом в отличие от технологии при вышеописанных способах, требующей проходку и бетонирование скважин и траншей производить в две очереди.

В состав установки кроме агрегата СВД-500 входят укладчик заполнителя траншеи, быстроходный смеситель глинистых растворов, ситогидроциклонная установка, компрессор и кран грузоподъемностью 7—10 т.

Проходка ведется путем вертикального бурения стенки траншеи электробуром с перьевым или шарошечным долотом. Из траншеи порода удаляется с помощью эрлифта, встроенного внутри жесткого направляющего шаблона, который обеспечивает вертикальность траншеи. Для устойчивости стенок траншея заполняется раствором из бентонитовых глин. Разрыхленная порода вместе с этим раствором транспортируется эрлифтом по шламоотводящей трубе в ситогидроциклонную ус1аповку, в которой грунт отделяется от глинистого раствора и сбрасывается в отвал, а очищенный раствор по лотку самотеком направляется обратно в траншею.

По данным хронометражных наблюдений производительность проходки траншеи в мягких грунтах составляет 47 м²/смену.

Существует еще горный способ сооружения противофильтрационных завес, примененный на плотинах Пиана-Палу в Италии, Хенне в ФРГ п других.

На плотине Пиана-Палу стенка-завеса глубиной 68 м была сооружена с помощью вертикальных шахт, пройденных в основании береговых участков. Из шахт было пройдено 7 горизонтальных туннелей, выполненных через 9 м по высоте в створе завесы. Из этих туннелей проходились и бетонировались зоны над ними до лежащего выше туннеля. Из них же производилась инъекция для повышения плотности бетона и создания водонепроницаемости между отдельными зонами зуба, а также для заполнения пустот между породой и бетоном. В эксплуатационный период туннели используются для осмотра и дренажа. Аналогично выполнялась бетонная стенка-завеса высотой 72 м в основании берегового участка плотины Марморера.

При залегании водоупора на практически недостигаемой глубине, т. е. при наличии весьма большого слоя наносных отложений, требуется устройство глубокой противофильтрационной завесы, преграждающей или по крайней мере удлиняющей пути фильтрации. Глубина завесы выбирается в зависимости от расположения кровли водоупора, а также фильтрационных и суффозионных свойств прорезаемого грунта. Завесу достаточно доводить до пород с удельным водопоглощением 0,01 — 0,02 л/мин, учитывая, что удельное водопоглощение самой завесы не должно превышать 0,02 л/мин. При отсутствии водоупора завеса делается «висячей», т. е. расчетной глубины. Последняя определяется исходя из допустимых с точки зрения суффозии градиентов фильтрации в обход завесы.

Устройство противофильтрационной завесы необходимо и для трещиноватых скальных пород; в обоих случаях завеса может быть создана следующими способами или их комбинацией: цементацией, глинизацией, холодной и горячей битумизацией и силикатизацией. Выбор способа зависит от свойств породы и грунтов.

Тип применяемых растворов и основные технологические приемы инъекции аллювиальных грунтов зависят от размеров и формы их пор, обусловленных гранулометрическим составом, пористостью и слоистостью. Последняя вызывает необходимость соблюдения коротких интервалов инъекции (50—1100 см).

Растворы должны обладать проникаемостью, обеспечивающей их внедрение в поры грунта; это зависит от крупности помола частиц раствора. Обычно для каждого слоя грунта подбирается два типа раствора: для барьерных ограждающих рядов скважин применяются растворы, имеющие проникаемость, соответствующую средней крупности пор грунта; для заполнительных рядов — большую проникаемость, обеспечивающую заполнение мелких пор грунта.

Специальных требований к прочности грунта в завесе не предъявляется, поэтому растворы могут быть небольшой прочности, но для ограждающих рядов они должны обладать повышенной устойчивостью на вынос фильтрационным потоком во время инъектирования. В этом отношении глиноцементные растворы значительно прочнее глинистых растворов, не имеющих активного вяжущего компонента.

Раствор подбирается в результате подробных лабо раторных и производственных опытов, руководствуясь принципом использования по возможности дешевых местных материалов (глины) и лишь при необходимости привозных — цемента, бентонита, силиката и других добавок.

При выборе типа и составов растворов должен быть использован опыт устройств противофильтрационных завес в основаниях высоких плотин: Асуанской, Серр-Пон-сон, Маттмарк, Зильвенштейн, Мишн, Нотр-Дам-де-Комье, Дурласбоден, Бомба, Иркутской, Ортотокойской и других плотин.

Самая мощная из построенных — противофильтрационная завеса в основании Асуанской плотины перекрывает толщу аллювиальных отложений в русловой части р. Нила на глубине 250 м, считая от основания ядра, и имеет протяженность 560 м.

Ввиду анизотропии слоистых аллювиальных грунтов ширина завесы принята переменой по глубине от 40 до 5 м (четыре яруса).

Завеса состоит из 15 рядов скважин, из которых семь заходили во второй ярус, пять — в третий и один намечался в четвертый ярус как разведочный в нижнем малоисследованном слое. Шаг скважин был принят 2,5 м, расстояние между рядами 2,5 и 3,25 м в первом ярусе и 5 м во втором и третьем.

Для инъекции были приняты растворы: для крупнозернистых и среднезернистых грунтов по ограждающим рядам — глиноцементные, по заполнительным рядам — глиносиликатные; для мелкозернистых и заиленных грунтов соответственно бентонито-силикатные и алюминатно-силикатные; для супесей — цементно-глинистые и алюминатно-силикатные. Нагнетание раствора производилось под давлением от 20 до 55 кгс/см².

Русловая завеса сопрягается с береговой завесой, выполненной в скальных грунтах нагнетанием цементного раствора.

Плотина Серр-Понсон возводилась на наносных отложениях р. Дюранс, имеющих мощность 110 м. Противофильтрационная завеса создавалась нагнетанием под давлением 60—80 кгс/см² раствора тонкомолотого шлакового цемента и коллоидной глины с добавкой каустической соды (в некоторых случаях портландцемента). Опытные нагнетания производились под большими давлениями; результаты образцов показали высокую уплотняемость грунта, характеризующуюся коэффициентом фильтрации до 10,8 см/с.

Опыты показали также, что верхние слои грунта основания (5—6 м) хуже уплотняются, вследствие вытекания раствора на поверхность; последнее указывает на то, что они либо должны быть удалены после цементации, либо пригружены слоем грунта или бетона до цементации.

Ширина инъектируемой полосы основания в поперечном разрезе плотины составляла 32 м поверху и 15 м понизу. Завеса состояла из 12 рядов скважин разной глубины с шагом 2—3 м. Опыт завесы плотины Серр-Понсон показал, что глиносиликатиые и глиноцементные смеси более эффективны для инъектирования, чем чисто цементные.

Плотина Маттмарк высотой 115 м (Швейцария) возводилась на грунтах, представленных речной галькой с крупнопесчаным заполнителем при коэффициенте фильтрации 10,1—10,2 см/с, отдельные участки в виде линз, сложенных из мелко- и среднезернистого песка, имеют коэффициент фильтрации 10,3 см/с. Работы по цементации основания показали, что крупнозернистый грунт интенсивно уплотняется инъектированием глиноцементного раствора, а для мелко- и среднепесчаных линз требуется применение более тонких смесей — бентонитовых с химическими коллоидными добавками (бентонито-фосфатный раствор).

Исследования показывают, что чем меньше начальная проницаемость грунтовой среды, тем труднее ее инъектирование. Поэтому грунты, отличающиеся большой сжимаемостью и малой проницаемостью (например, тонкопесчаные и иловатые озерные отложения), практически не поддаются инъектированию. Опыт инъектирования песчано-гравелистых рыхлых отложений в основаниях плотин Серр-Понсон, Маттмарк, Зильвенштейн, Нотр-Дам-де-Комье привел к выводу, что уплотнения мелкофракционных грунтов следует достигать не путем увеличения давления нагнетания, а подбором оптимальных составов растворов.

Изучение взаимосвязи гранулометрического состава среды и растворов, а также давления для создания завес привело также к выводам о сокращении удельного расхода инъектируемого материала по мере увеличения тонкости раствора и о соответствующем снижении давления.

Поэтому инъектирование скважин в основании плотины Маттмарк велось в три очереди при разных давлениях и составах раствора: в первую очередь раствор принимался более жирный (300 кг глины и 100 кг цемента на 1 м³ раствора) и нагнетался под низким давлением; во вторую очередь количество цемента было уменьшено до 25—75 кг, а давление повышено до 20—25 кгс/см²; в третью очередь применялся гель-бентонит (100 кг на 1 м³ раствора) и фосфатная добавка (1—4% по весу). Общий расход сухих материалов составлял 165 кг/м³ грунта, в то время как на плотине Серр-Понсон он составлял 350 кг/м³, на плотине Зильвенштейн — 200 кг/м³. Такой высокий расход материала в растворе для плотины Серр-Понсон вызвал необходимость создания высоких давлений для проталкивания «крупных» зерен цемента.

По мнению швейцарских специалистов, «крупные» частицы цемента, проникая в струтуру среды, расклинивают ее и увеличивают объем пор и, следовательно, абсорбционную способность среды, причем последняя возрастает с увеличением давления. За счет применения бетонита абсорбция среды уменьшается, поскольку благодаря большой способности бентонита к набуханию уменьшается свободный объем пор.

Вопросы цементации рыхлых грунтов изучались в СССР еще с 1953—1954 гг. Опыты по цементации песчаных грунтов, проведенные во ВНИИГ, показали удовлетворительные результаты при введении в раствор комбинированных гидрофильных и гидрофобных добавок в оптимальных концентрациях.

Исследования, проведенные в 1959 г., доказали возможность цементации лесков с коэффициентом фильтрации 70—90 м/сутки чисто цементными растворами из цементов, домолотых сухим способом в вибромельницах. Введение пластификатора ССБ (СДБ) улучшает пластичность раствора, повышает прочность зацементированного песка и снижает водопроницаемость.

Опытные работы на Чурубай-Нуринском водохранилище по цементации песчано-гравийных аллювиальных грунтов показали, что после нагнетания под давлением 6 кгс/см² цементно-глинистых растворов, компонентами которых являлись в основном тонкодисперская глина и цемент, водонепроницаемость грунтов повысилась в среднем в 60 раз.

Если после инъекции густых цементных растворов ввести жидкие глинистые или силикатные растворы, то произойдет значительное снижение водопроницаемости благодаря более интенсивному прониканию раствора в поры грунта. Опыты по применению бентонитовой глины показали понижение коэффициента фильтрации до 0,1—0,2 м/сут. против первоначального 300 м/сут.

Консолидация аллювиальных грунтов с коэффициентом фильтрации 200—1200 м/сутки была произведена и в основании Иркутской плотины. Цементация гравелисто-песчаного грунта с содержанием песка 27—30% показала, что в зависимости от тонкости помола цемента (с учетом вибродомола) возможна цементация несвязных грунтов, если минимальная крупность их зерен составляет 4 мм.

Опытные работы ВНИИГ привели к выводам, что для закрепления крупнозернистых песков и песчано-галечных грунтов с коэффициентами фильтрации 100—150 м/сутки возможно применение цементных и глиноцементных растворов с введением пластифицирующих добавок в цементный раствор и электролитов в глинистый раствор.

Для песков с коэффициентом фильтрации менее 30 м/сутки рекомендуется применять химические способы закрепления грунта, глино-силикатные и глино-фосфатные растворы с введением отвердителей типа соляной кислоты, алюмината натрия и др.

Способ химического закрепления грунтов находится в стадии освоения. Существующий в настоящее время способ (разработанный проф. Р. А. Ржаницыным) предусматривает нагнетание с помощью насосов гелеобра-зующих растворов через систему металлических трубок.

Рецептура растворов выбирается в зависимости от характера грунта, расхода грунтовых вод и фактора их агрессивности. Качество закрепления грунта сильно снижается при наличии в нем грунтовых вод, богатых углекислотой.

Опыты по устройству химической завесы производятся на участке левобережного примыкания плотины Перепадной ГЭС I Ингурского каскада.

Указанные экспериментальные исследования в СССР по укреплению песчаных грунтов и их практическое применение на Чурубай-Нуринской, Ортотокойской и Иркутской плотинах, а также обширные работы по устройству противофильтрационной завесы в основании Асуанской плотины значительно обогатили опыт консолидации аллювиальных и песчаных грунтов.

Противофильтрационные завесы устраиваются и в скальных породах, имеющих значительные трещины. Необходимость завесы должна быть обоснована данными геологической разведки, характеризующей породу, степень ее трещиноватости, суффозионной устойчивости заполнителя трещин и другие показатели. Цементация скального основания может производиться как поверхностная, так и глубинная. Направление скважин глубинной цементации принимается таким, чтобы пересечь большее количество трещин. В большинстве случаев оно бывает либо вертикальное, либо нормальное к поверхности основания. Так, для плотин Браунли, Уишон, Парадела, Каджакай и других скважины расположены нормально к поверхности основания, а для плотин Дике Ривер, Дербенди Кхан, Солт Спрингс и других — вертикально.

Расстояние между скважинами и глубина нагнетания устанавливаются в зависимости от качества основания и его фильтрационных характеристик. Глубина цементации и требуемое давление устанавливается на основании пробных нагнетаний.

Цементационные работы можно производить как с поверхности вскрытого котлована, так и со специальных галерей или штолен. Устройство галерей и штолен сопряжено с дополнительными затратами, однако они позволяют возводить тело плотины независимо от хода цементационных работ и, кроме того, дают возможность повторной цементации при эксплуатации (при необходимости). Штольни и галереи в эксплуатационный период используются для инспекционных целей и контролирования работы завесы. Сечение галереи или штольни принимается исходя из габаритов оборудования для цементации.

Цементационные штольни построены на ряде современных плотин: Гешенеральп, Гепач, Инфернильо, Мессауре, Серр-Понсон и др. Галереи выполнены главным образом в плотинах с железобетонными экранами и размещены в бетонном зубе (Парадела, Гриб, Караун), а также в основании грунтового ядра или экрана (Нурекская, Чарвакская, Жинвальская, Вилюйская, Тиквеш, Глобочица и др.).

Цементационные штольни устраиваются горизонтальными (реже наклонными) ярусами в створе завесы с таким расчетом, чтобы вертикальными и наклонными скважинами охватить всю область основания, подлежащую цементации. Подход к штольням обеспечивается боковыми штреками, берущими начало с соответствующих отметок склонов в нижнем бьефе плотины. Поскольку для русловой части требуется заглубление штольни ниже дна реки, а при наличии наносных отложений — ниже их основания, цементацию приходится производить снизу вверх, т. е. с шелыги свода.

Поверхностная укрепительная цементация производится в пределах подошвы ядра или экрана. Она выполняется либо со дна открытого котлована (вертикальными скважинами), либо с цементационной штольни или галереи через горизонтальные скважины, пробуренные в их стенках на уровне дна.

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