Укладка камня в тело плотины

В зависимости от применяемого в отдельных зонах тела плотины каменного материала, различного по крупности и прочности, выбирается и технология его укладки и уплотнения.

При возведении плотины (или части ее) из материала с преобладанием крупного камня наброска ведется пионерным способом — камень сбрасывается с большой высоты и в большинстве случаев сопровождается интенсивным промывом напорной струей воды из гидромониторов под давлением 5—8 кгс/см². Этим обеспечивается плотность наброски и замыв мелочи в пустоты между крупными камнями. При использовании отборного камня глыбовой отдельности (наружные защитные зоны) наброска ведется и без промыва.

На плотине Нантахала, например, камень сбрасывался с высоты от 15 до 40 м и уплотнялся струей гидромонитора под давлением 8,4 кгс/см²; на плотине Хирфанли наброска производилась с высоты 30 м, уплотнение — под давлением 6 кгс/см². В плотине Браунли, где осуществлена зональная укладка камня, наружные зоны верховых и низовых призм, уложенные из крупного камня, уплотнялись струей воды под давлением 5,2— 7 кгс/см².

На плотинах Раунд Батт, Кугар, Майка, Саммерсвил, Инфернильо наружные зоны наброски из крупного камня не подвергались обработке гидромониторами и уплотнение достигалось в основном сбросом камня с автомашин.

При применении камней среднего и мелкого размера (60—25 см и мельче) наброска (или, вернее, отсыпка камня) производится небольшими слоями с механическим уплотнением в основном виброкатками, а при более мелком составе камня — катками, а также тяжелыми тракторами и автосамосвалами.

Правильность выбора метода уплотнения наброски имеет большое значение, так как от него зависят осадки тела плотины в период строительства, наполнения водохранилища и эксплуатации. Поэтому при проектировании плотины обязательно проведение ряда экспериментальных работ на опытных участках строительства для установления оптимального метода уплотнения как тела плотины, так и ядра или экрана и переходных зон.

На плотине Гешенеральп, например, для установления эффективного метода уплотнения крупнообломочного материала боковых призм были проведены полевые исследования на девяти опытных картах, на которых толщина слоя наброски изменялась от 1,5 до 5 м. Отсыпка велась как в естественно влажном состоянии, так и с промывом гидромониторами. При уплотнении карт применялись груженые самосвалы, а также тяжелые вибраторы. Опыты показали, что уплотнение достигается и без применения вибраторов, если при укладке удается избежать сегрегации материала. Для этой цели в составленных специально технических условиях производства работ требовалось соблюдение максимально допустимого объема камней не более 1 м³ и высоты слоя насыпи близкой к 2 м (не более 3 м). Техническими условиями предусматривалось также увлажнение материала в кузовах самосвалах перед сбросом его на откос у самого края. Уплотнение наброски достигалось только движением колесного транспорта в процессе производства работ.

Характерным примером рационального проектирования конструкции плотины с ядром является плотина Кугар. Как тип плотины, так и методы ее возведения были уточнены после подробных изысканий в створе плотины и выявления в результате вскрытия котлованов реальных запасов материалов из полезных выемок и их свойств.

Например, в процессе строительства выявилось, что от сброса камня с большой высоты следует отказаться из-за недостаточной его прочности, так как даже при сбрасывании с высоты 6 м получалось большое раздробление. Поэтому была принята конструкция плотины, предусматривающая зональную укладку камня небольшими слоями исходя из прочности и крупности: наиболее прочный и крупный материал отсыпался на поверхность откосов в качестве защитного слоя, а в остальной части он укладывался слоями по 0,9 и 0,6 м при минимальной крупности 60 и 45 см и уплотнялся 27-тонными тракторами и 10-тоиными виброкатками.

Представляет интерес также конструкция плотины Браунли с грунтовым экраном, на которой применены разные методы уплотнения наброски в результате укладки различных по крупности материалов. Верховой откос и низовой зуб выполнены из крупных камней (объемом более 0,4 м³), уплотняемых струей воды из гидромониторов под давлением 5,2—7 кгс/см². Основная несущая призма плотины возведена из камней меньших размеров, которые набрасывались слоями 0,45 м с соблюдением по возможности зонального распределения по крупности с возрастанием последней от верхового откоса к низовому. Слой наброски 0,45 м уплотнялся трехкратным ходом 50-тонных пневмокатков. Оба метода уплотнения обеспечили высокую плотность каменной наброски в теле плотины.

На плотине Парадела, являющейся самой высокой плотиной с экраном из железобетона, наброска тела плотины осуществлялась из крупных камней. Уплотнение достигалось путем сбрасывания камня с большой высоты и промыва наброски струей воды из гидромониторов (расход воды 4 м³ на 1 м³ наброски). Поверхностные зоны наброски толщиной 6 м с верховой стороны и 2 м с низовой набрасывались из камня без содержания мелочи, а образовавшаяся при сбросе мелочь промывалась. Для сухой подэкрановой кладки подбирались наиболее крупные камни, укладываемые гусенично-стреловым краном. Примерно аналогичную конструкцию имело тело плотины Уишон, Дике Ривер, Кортрайт, Солт Спрингс, Лоуэр Бэр Ривер.

На основании опыта отечественного и зарубежного проектирования и строительства каменно-земляных и каменнонабросных плотин можно рекомендовать два основных метода устройства каменной наброски:

1) наброска крупного камня высокими ярусами (10 м и более) с уплотнением гидромеханическим способом (гидромониторами) или без уплотнения;

2) отсыпка камня (горной массы) небольшими слоями (до 2,5 м) с механической укаткой или виброуплотнением.

В обоих случаях отсыпка камня производится последовательными рабочими слоями по всему профилю плотины в направлении от одного берега к другому, т. е. так называемым «пионерным» (опережающим) способом.

Подвоз грунта обычно производится автотранспортом, однако строительство высоких и сверхвысоких плотин требует усиления транспортных средств внедрением транспортного и пневмоконтейнерного способа подачи грунта.

При отсыпке камня с большой высоты получается самоуплотнение в результате динамического эффекта сбрасывания. Дополнительное уплотнение достигается струей воды из гидромониторов, вследствие чего скальная мелочь вмывается в пустоты между основным скелетом наброски, расчищая одновременно контакты между крупными камнями и упрочняя их положение.

Высота отсыпаемого яруса колеблется от 4 до 15 м (Миборо, Кении, Джатилухур, Бинга и другие), а иногда доходит до 50—68 м (Солт Спрингс, Парадела, Лоуэр Бэр Ривер и др.).

Выбор высоты отсыпаемого слоя зависит от интенсивности работ по возведению плотины, сезонных, климатических условий, условий безопасности работ, а также от степени разнородности состава камня и его качества. При большой высоте происходит сильное разламывание камня и значительный процент боя, поэтому она приемлема для твердых и вязких пород. При большой высоте отсыпки явление сегрегации (расслоения) усиливается, тем более при значительной разнородности состава камня; с другой стороны, для интенсивности рабог по отсыпке желательно иметь большую высоту, особенно в летнее время, когда нет препятствий в применении гидроуплотнения. Явление же сегрегации значительно смягчается при интенсивном промыве гидромонитором в момент сбрасывания.

На выбор высоты отсыпки оказывает влияние также расположение берм и удобство транспортных подъездов, которые должны быть увязаны с отметками карьерных забоев.

Рабочее давление на сопле гидромонитора рекомендуется принимать 7—8 кгс/см² при размерах насадки 70—100 мм. Расход воды обычно принимается 2—4 м³ на 1 м³ наброски. Струя гидромониторов может быть направлена как на откос, так и по откосу.

Второй метод отсыпки наброски, предусматривающий возведение тела плотины небольшими слоями из относительно мелкого камня, дает хорошие показатели уплотнения наброски и не уступает первому. Этим методом возводилось и уплотнялось большинство современных высоких плотин.

При устройстве наброски слоями небольшой толщины с уплотнением виброкатками или послойной укаткой пористость можно довести до 20—25%, а при укладке высокими ярусами с уплотнением гидромониторами — до 30—35%.

Наброска может осуществляться в любых климатических условиях, в том числе и суровых зимних условиях при отрицательных температурах до 30—40 °С. В настоящее время накоплен значительный опыт по укладке камня круглогодично в северных районах и районах вечной мерзлоты как в Советском Союзе, так и за рубежом. Строительство Вилюйской, Серебрянской и Усть-Хантайской каменно-земляных плотин велось в суровых климатических условиях при температурах, доходящих до —40—45 °С. На Крайнем Севере строится Колымская плотина (126,5 м). Это свидетельствует о том, что возведение наброски или насыпей из камня в сильно морозный период вполне осуществимо, однако необходимо соблюдение ряда технических условий. Последние изложены во «Временных указаниях по проектированию земляных и каменнонабросных плотин для Крайнего Севера ПС11-08-65», согласно которым допускается наброску проводить как тонкими слоями (3—4 м) с уплотнением автосамосвалами, катками или вибрационными машинами, так и высокими ярусами (30 м и более) с уплотнением отсыпанного зимой слоя в теплое время года гидромониторами или промочкой водой.

При укладке последующего слоя насыпи поверхность ранее уложенного слоя должна быть очищена от снега, корки сплошного обледенения насыпи и от мусора.

Представляет интерес также возведение в суровых климатических условиях насыпей из песчано-гравелистого и галечного грунта. В Советском Союзе такие насыпи выполнялись для Иркутской плотины на р. Ангаре (11,8 млн. м³), для левобережной дамбы (высотой 27,5 м) Братской плотины и на верховой перемычке для ограждения котлована Красноярской ГЭС.

Указанные несмерзающиеся грунты допускаются к укладке в зимнее время без применения специальных мер борьбы с их замерзанием, однако перед началом работ следует уточнять технологию уплотнения путем ее опробования на опытном участке.

Опыт возведения каменной наброски в суровых зимних условиях имеется и за рубежом. В Швеции построены плотины Мессауре, Зейтеваре, Летси и другие, для которых каменная наброска возводилась при больших морозах. К зимней укладке камня предъявлялись особые требования: наброску камня в морозный период рекомендовалось производить слоями высотой не более 2 м без полива водой, с уплотнением тяжелыми тракторами, а весной зимнюю наброску хорошо промочить; отсыпка камня летом разрешалась только после полного оттаивания зимней насыпи. Соблюдение этих условий и ряда других обеспечили уменьшение осадок каменной наброски как в период строительства, так и наполнения водохранилища и эксплуатации. На плотине Мессауре, например, осадка от наполнения водохранилища была менее 0,3% высоты, что свидетельствует о завершении основной осадки наброски в период постройки. Шведский опыт строительства показал, что для стабилизации наброски весеннее промачивание водой зимней укладки значительно эффективнее электрообогрева насыпи, который был опробован на опытном участке плотины.

Таким образом, можно прийти к выводу, что оба способа возведения наброски при надлежащем выполнении работ как в обычных, так и морозных условиях обеспечивают плотность наброски, достаточную для исключения осадок, опасных для сооружения.

Метод возведения наброски выбирают в основном исходя из крупности наличного камня и его качества. Эффективность принятого метода укладки и уплотнения устанавливают на опытной наброске, выполняемой в производственных условиях.

На опытной наброске определяется также величина угла естественного откоса наброски, играющего решающую роль для установления объема плотины.

Угол естественного откоса каменной наброски зависит от многих факторов: размеров камней, их формы, степени разнородности, наличия посторонних (грунтовых) примесей в наброске и главным образом от степени уплотнения.

На ранних стадиях проектирования и до организаций работ по опытной насыпи угол естественного откоса наброски можно назначить по аналогам построенных плотин.

Для боковых призм, возводимых из гравелисто-галечного грунта, насыпь производится слоями толщиной от 0,3 до 1 м с уплотнением виброкатками, пневмокатками или ходом груженых автосамосвалов. Толщина слоя укладки назначается в зависимости от гранулометрического состава галечного грунта, а иногда исходя из наличия уплотняющего механизма. При выборе толщины слоя и уплотняющего механизма необходимо учесть как равномерность раскладки частиц грунтового материала, так и гарантию уплотнения слоя по всей высоте. Оптимальная толщина слоя и влажность укладки грунта устанавливается в результате опытных укаток.

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