УСЛОВИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ПЛОТИН

Возведение каменно-земляных и каменнонабросных плотин требует выполнения большого объема земляных работ (добыча, транспортировка и укладка материала в тело плотины). Кроме того, эти плотины, особенно высокие, передают значительные нагрузки на основание и, следовательно, предъявляют к нему требования прочности и малой деформируемости.

Таким образом, решающими условиями для сооружения каменно-земляных и каменнонабросных плотин являются:

• наличие на месте камня и грунта, пригодных для наброски и устройства ядра или экрана;
• наличие в основании и бортовых примыканиях мало-сжимаемых грунтов;
• наличие высокопроизводительных строительных машин и транспортных средств, обеспечивающих широкую механизацию карьерных и строительных работ и высокие темпы возведения плотины.

Последние два условия имеют существенное значение для строительства высоких и сверхвысоких плотин.

Весьма важную роль играют также и природные условия, поскольку в неблагоприятных случаях они приводят к снижению экономической целесообразности строительства плотин данного типа и, часто, к отказу от них. К природным условиям относятся: топогеологические и гидрогеологические условия створа, гидрологические характеристики водотока, а также климатические и сейсмические условия района. Поэтому при проектировании и строительстве каменно-земляных и каменнонабросных плотин требуется проведение больших изыскательских и исследовательских работ для решения следующих задач:

• установления реальных запасов карьерных материалов и методов их добычи;
• выявления механического и геолого-минералогического состава каменного и грунтового материалов, их прочностных характеристик и сдвиговых показателей;
• определения геологического строения основания, несущей способности, степени деформируемости, суффо-зионной прочности и фильтрационных свойств его грунтов, а также степени трещиноватости скальной породы и опасности тектонических смещений;
• проведения подробных проектных проработок по выявлению рационального типа и конструкции плотины, способов ее сопряжения с основанием, а также методов возведения;
• установления экономической целесообразности выбранного типа плотины и ее противофильтрационного устройства и сроков ее возведения.

Ниже рассмотрены природные и производственные условия, определяющие возможность и целесообразность применения каменно-земляных и каменнонабросных плотин.

а) Природные условия

Топографические условия створа плотины. Каменно-набросные и каменно-земляные плотины обычно сооружаются в местностях, богатых камнем или каменным материалом, т. е. в горных и предгорных районах. Последние характеризуются пересеченностью рельефа и большим разнообразием форм каньона и крутизны склонов.

Опыт строительства показывает, что эти плотины могут быть возведены как в широких, так и в узких каньонах, а также при крутых откосах бортов.

Наиболее благоприятными в топографическом отношении являются каньоны с относительно пологими бортами, имеющими равномерное падение и плавное сопряжение с поймой. При таком рельефе нарастание высоты плотины от берегов к русловой части происходит постепенно, что способствует равномерному распределению напряжений в теле плотины, исключая резкое изменение деформаций в местах переломов профиля и образование трещин в ядре или экране.

Каньоны с крутыми, обрывистыми берегами менее благоприятны, так как требуют выполнения работ по выравниванию склонов ввиду необходимости удаления выступов и обрывов и некоторого смягчения резких переходов и уклонов бортов.

Примерами плотин, сооруженных в глубоких ущельях с крутыми бортами, могут служить Каджакай (60—40°), Солт Спрингс (50—40oj, Усть-Хантайская (42°), Раунд Батт (63—70°), Уатога (55°), Инфернильо (40—55°), Кебан (78°), Серр-Понсон (50—57°), Макио (55°), Нурекская (45—55°) и др.

Сложной конфигурацией отличаются, например, створы плотин Уишон, Усть-Хантайская, Гешенеральп, однако это не послужило препятствием для их сооружения, так как путем соответствующего смягчения склонов было осуществлено плавное сопряжение плотины как с основанием, так и с берегами.

Нормированных требований к крутизне склонов каньона при возведении плотин не существует; однако в материалах X конгресса по большим плотинам (1970 г.) и VII конгресса по механике грунтов (1969 г.) имеются тенденции к ограничению наклона бортов 45°, тем не менее приведенные примеры плотин этого не подтверждают.

Таким образом, тяжелые топографические условия створа не являются препятствием для сооружения каменнонабросных и каменно-земляных плотин, однако они приводят к удорожанию плотины; поэтому при выборе местоположения плотины предпочтение следует отдавать створам со сравнительно равномерным и пологим очертанием бортов, особенно в сильно сейсмических районах, где это может иметь решающее значение для прочности плотины и надежности ее сопряжения с основанием. Кроме того, для таких створов удобнее решаются также вопросы компоновки водосбросных сооружений.

Геологические условия створа. Нагрузка на основание высоких каменнонабросных и каменно-земляных плотин достигает 20—30 кгс/см², а сверхвысоких — значительно больше. Такие нагрузки, разумеется, требуют наличия геологических формаций, обладающих достаточной прочностью на сжатие и малой сжимаемостью. Такими свойствами обладают все скальные и частично полускальные породы, а также галечные и другие русловые отложения при отсутствии в них мощных прослоек, опасных с точки зрения осадок, суффозии и сдвига. В этих условиях опасность выпора грунта из-под основания отпадает не только для скальных пород, но и для наносных отложений по той причине, что благодаря широкой базе плотины и равномерному уменьшению нагрузки от середины к краям исключается возможность возникновения значительных краевых напряжений, имеющих место в основаниях бетонных гравитационных плотин. Это обстоятельство является одним из преимуществ плотин из грунтовых материалов перед плотинами других типов.

Большинство плотин из грунтовых материалов возведено на скальных грунтах, но немало примеров расположения их на нескальных породах, несвязных, а также связных и рыхлых грунтах. Наиболее характерным примером является Асуанская плотина на р. Ниле высотой 110 м. В русловой части коренные породы, представленные гранитами и гейсами, залегают на глубине более 200 м и несущим основанием плотины служат насосные отложения, покрывающие коренное дно. Отложения состоят из кварцевого песка и гальки с включением крупных валунов, а также прослоев глины и сцементированных песков. Ниже указанных формаций залегают илистые отложения, уплотненные до состояния глинистых сланцев или песчаников.

На толще аллювиальных песчано-гравелистых отложений р. Дюранс мощностью 110 м возведена плотина Серр-Понсон высотой 130 м; на озерно-ледниковых отложениях мощностью 100 м построена плотина Матт-марк высотой 115 м. Плотины Зильвенштейн и Нотр-Дам-де-Комье высотой по 40 м также возведены на толще аллювиальных отложений соответственно в 120 и 50 м. Строящаяся в Перу плотина Тинахонес высотой 70 м также основывается на толще аллювия мощностью 100 м.

На аллювиальных отложениях различной мощности возведены плотины Кебан, Свифт, Браунли, Дурласбоден, Мад Маунтин, Амбуклао, Гепач, Хорсшу, Гешенеральп, Зейтеваре, Кортрайт, Мессауре, Серебрянская, Усть-Хантайская и др.

Очевидно, что при надлежащем сопряжении противофильтрационного элемента плотины с коренными породами, исключающем фильтрационные потери и опасность суффозии, малосжимаемые наносные отложения могут служить основанием высоких плотин. При наличии в основании плотины мощных сильно водопроницаемых слоев, тектонических нарушений в виде сбросов и выбросов требуется осуществлять специальные мероприятия по их перекрытию, тампонированию и цементации.

Гидрологические условия водотока. В отличие от бетонных плотин, обычно используемых для сброса паводковых расходов, грунтовые плотины требуют устройства сбросных сооружений, расположенных вне тела плотины. Аналогично решается также вопрос отвода строительных расходов; в то время как при строительстве бетонных плотин строительный расход частично или полностью может быть пропущен через временные сбросные отверстия в теле плотины, при строительстве грунтовых плотин отвод реки осуществляется через строительный туннель или открытый водосброс. Для больших рек, особенно с интенсивным ледоходом или с быстрым нарастанием паводка, устройство сбросных и отводящих сооружений при каменно-земляных и каменнонабросных плотинах встречает ряд затруднений и может привести к значительным затратам, снижающим экономический эффект от строительства этих плотин.

Климатические и сейсмические условия района. Каменнонабросные и каменно-земляные плотины могут быть построены в любых климатических условиях. В районах с суровым климатом построены, например, плотины Иркутская, Гешенеральп, Маттмарк, Мон-Сени, Беннетт, Мика Крик и Кении, в условиях Заполярья построены плотины Мессауре, Зейтеваре, Вилюйская, Серебрянская, Усть-Хантайская и др., а плотины Мад Маунтин, Джати-лухур, Амбуклао, Перепадная (Ингурского каскада) и др. построены в районах с интенсивными ливневыми осадками.

В сейсмических районах построены плотины Коготи, Макио, Миборо, Каджакай, Нурекская, Чарвакская и многие др., доказывающие возможность строительства плотин этого типа также в условиях сейсмического воздействия.

Тяжелые климатические условия приводят к дополнительным мероприятиям для беспрепятственного возведения ядра и тела плотины, что вызывает удорожание плотины, а также удлиняют сроки строительства. Так, строительство плотины в суровых климатических районах ставит температурные ограничения для возведения ядра или экрана, учитывающие опасность промерзания укладываемых грунтов, что значительно удлиняет сроки строительства или требует соблюдения особых условий зимней укладки (обогрева, засоления, защитных покрытий и др.).

Строительство в районах интенсивных ливневых осадков обусловливает сезонные ограничения, предусматривающие остановку работ по укладке экрана или ядра в период дождей и форсировку их в засушливый период. Иногда приходится проводить работы под прикрытием тента (Мад Маунтин, Гешенеральп) или отсыпкой грунта в воду (Перепадная).

Строительство в сейсмических районах требует учета инерционных сейсмических сил, что ведет к уположению откосов, т. е. к увеличению объема плотины.

б) Производственные условия

При возведении высоких плотин вопросы производства работ приобретают весьма важное значение, так как из всего комплекса гидротехнических сооружений наибольший срок чаще всего требуется для строительства плотины. Исходя из этого и учитывая большой объем работ по сооружению высоких грунтовых ллотин требуется обеспечение сроков их возведения, конкурирующих со сроками для плотин прочих типов. Выполнение этого требования возможно лишь при наличии высокопроизводительных строительных машин и оборудования, а также крупногабаритных транспортных средств.

Большое значение имеет правильная организация производства работ с учетом природных и дорожных условий района. Как указывалось выше, неблагоприятные климатические условия, интенсивные осадки, сильные морозы служат помехой для нормального ведения работ, но в каждом случае выбор подходящих методов производства работ может гарантировать как соблюдение сроков работ, так и высокое качество их выполнения.

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