Устройство ядра и экрана из грунтовых материалов

В каменнонабросных и каменно-земляных плотинах ядро имеет центральное или слегка наклонное к верховому откосу расположение. При наклоне ядра до величины угла естественного откоса наброски оно превращается в так называемый экран, который отличается от ядра как по характеру работы, так и по схеме возведения.

При конструировании плотины с грунтовым экраном должна быть предусмотрена надежная защита последнего слоем каменной наброски или слоем крупноскелетного грунта с пригрузкой из каменной наброски (Мон-Сени, Ириклинская и др.) для предохранения экрана от размывов волной и промерзания грунта при зимней сработке водохранилища.

Возведение ядер и экранов подавляющего большинства каменно-земляных плотин производилось методом послойной укладки грунта с механическим уплотнением, названным «сухим способом». Укладка обычно производится в осушенном котловане, огражденном перемычками. Исключение составляет плотина Даллес в США, экран которой возводился отсыпкой песчано-гравелистого грунта в воду без осушения котлована.

Кроме указанного метода существует еще метод отсыпки грунта в воду (прудки) с обвалованием карт — «мокрый метод». Метод отсыпки грунта с послойным механическим уплотнением требует соблюдения оптимальной влажности укладываемого грунта, достигаемой искусственным увлажнением при недостатке влажности или сушкой при ее избытке. Увлажнение грунта производят различными методами. Для плотины Кении, например, увлажнение производилось в карьере путем замены ножа бульдозера рыхлителем и трубой, через которую грунт замачивался на глубине 0,45 м. В плотине Берсимис увлажнение достигалось поливкой грунта из шланга во время разравнивания слоя на плотине.

Сушка грунта иногда производится в карьере с помощью специальной обработки культиваторами и плугами. Такая обработка, например, производилась на плотине Черри-Вэлли для грунта ядра, у которого естественная влажность превышала оптимальную на 10—15%. Обработка потребовала четырехдневного цикла сушки с применением экскаватора, рыхлителя, плуга и бороны. Увлажнение и сушка грунта может производиться также при укладке его в карты.

Транспортировку грунта и укладку его в тело плотины производят теми же средствами, какие применяются для наброски.

Возведение ядра обычно принято вести одновременно с наброской или с небольшим опережением. Для плотин с экраном, особенно при небольших размерах последнего, наоборот, экран возводится с отставанием, иногда со значительным, вызванным сезонным ограничением.

При возведении ядра и экрана в зимнее время основным требованием является предотвращение промерзания грунта; оно достигается следующими мероприятиями:

• сокращение продолжительности полного цикла работ по карте до промежутка, предельного по условиям промерзания грунта;
• обеспечение безостановочного ведения работ и преду-смотрение отеплительных мероприятий в карьере и в кузовах автомашин, а иногда и на карте;
• применение хлористых солей в сухом виде и в растворе в виде добавки к грунтам.

Применение раствора хлористого кальция в грунтовом материале экрана плотины Берсимис (опрыскивание) дало возможность возведения экрана без промерзания грунта с уплотнением при оптимальной влажности.

Уплотняемость засоленных грунтов при морозе практически мало отличается от уплотняемости без применения солей, т. е. в неморозный период.

Механическое уплотнение грунта в ядре и фильтрах плотины можно произвести одним из следующих механизмов или их сочетанием: гладкими или шиповыми катками, катками на пневмошинах, трамбующими вибромашинами или виброкатками, гружеными автомашинами или тяжелыми тракторами на гусеничном ходу. Применение того или другого типа механизма зависит от механического состава грунта, требуемой плотности, расчетной (оптимальной) влажности и принятой толщины уплотняемого слоя.

В практике строительства высоких плотин для уплотнения связных грунтов чаще всего применяются тяжелые катки — кулачковые или на пневмошинах и большегрузные автосамосвалы, а для уплотнения несвязных грунтов и грунтовых материалов — катки на пневмошинах и виброкатки.

Разравнивание карт производится бульдозером или грейдером. Толщина укладываемого слоя ядра, экрана или понура устанавливается проектом в зависимости от требуемой плотности, числа пластичности и степени влажности грунта в увязке с типом применяемого уплотняющего оборудования. Для связных грунтов указанная толщина колеблется в пределах 0,15—0,3 м. Например, на плотинах Браунли, Хирфанли, Фурнас, Нантахала, Блу-Меза, Тума, Кастэйк и других толщина слоя была принята 0,15 м, на плотинах Берсимис, Дерош, Макио, Инфернильо, Глобочица, Кебан — 0,20 м, на Кении, Черри-Вэлли, Шимен, Мессауре, Оровилл и др. — 0,23— 0,25 м, а на плотинах Дербендн Кхан, Гепач, Гешенеральп, Кугар, Саммерсвил, Серр-Понсон, Раунд Батт — до 0,30 м. При тяжелых климатических условиях укладки грунта толщина слоя часто увеличивается до 0,50 м и более (Вилюйская, Усть-Хантайская, Зейтеваре и др.). Для несвязных грунтов, укладываемых в переходные зоны и фильтры, толщина слоя принимается до 0,5—1,0 в зависимости от гранулометрического состава грунта.

Число проходок уплотняющего механизма задается исходя из веса катка, толщины слоя, степени влажности и требований плотности и окончательно устанавливается опытной укаткой в полевых условиях путем взятия проб после определенного цикла укатки. Для плотин I и II классов опытная укатка обязательна.

Примеры из практики строительства высоких набросных плотин показывают, что при толщине слоя 0,15 м и применении кулачковых катков расчетная плотность достигается после 12—16 проходов (Браунли, Кении, Нантахала, Миборо, Тринити, Тума, Блу-Меза, Мар-морера и др.), а при тяжелых пневмокатках достаточно и 4—6 проходов (Фурнас, Серр-Понсон Свифт, Акосомбо, Кугар и др.). В местах, недоступных для катков (примыкание к сооружениям), уплотнение производится пневматическим трамбованием и движением шинного транспорта, часто и вручную. Иногда при применении неоднородных по составу грунтов приходится удалять крупные фракции (булыги, камни >150—200 мм) для возможности уплотнения. Нередки случаи и отощения карьерного материала при большой вязкости грунтов (жирные глины и др.).

Известны случаи возведения ядра плотины под прикрытием шатра, предохраняющего грунт от переувлажнения при дождях во время укладки. На строительстве плотины Мад Маунтин, например, над местом возведения ядра был раскинут водонепроницаемый тент размером 91x45 м. Тент был подвешен тросами к поддерживающему канату над ущельем, а края его плотно прилегали к бортам каньона.

Передвижной шатер размером 40x24 м был применен на строительстве плотины Гешеперальп. Шатер был устроен с помощью сборных металлических конструкций на трехосных тележках, имеющих гидроподъемники, позволяющие повышать шатер по мере наращивания насыпи. Указанные мероприятия для ведения работ по отсыпке и уплотнению грунта в условиях обильных атмосферных осадков достаточно сложны и трудоемки и требуют больших затрат, вследствие чего должны быть применены в исключительных случаях при строгой обоснованности решения. Поэтому целесообразно в местностях с интенсивными ливневыми осадками прибегать к методу отсыпки грунта в воду.

Этот метод применим в любых условиях и может дать высокий эффект укладки. Достоинством его является именно то, что он допускает укладку переувлажненных и водонасыщенпых грунтов независимо от степени их влажности и не требует соблюдения сезонности; тем не менее дождливая погода неблагоприятно влияет на интенсивность работ вследствие затруднения экскавации в карьере и передвижения автосамосвалов по мокрым картам. При возведении экранов и ядер отсыпкой грунта в воду могут быть применены грунты с любы-м содержанием глинистых частиц, т. е. как пески, супеси, так и суглинки и глины с примесями гальки, и даже валунов, а также грунты любой степени комковатости.

Метод отсыпки в воду разработан и внедрен на практике в Советском Союзе. Суть метода заключается в следующем: грунт пионерно отсыпается в стоячую воду системы прудков, создаваемых на картах, он намокает, распадается на части и после постепенного отжатия воды из пор равномерно оседает и уплотняется под действием собственного веса и бульдозеров, разравнивающих грунт после отсыпки, а также груженых автомашин, доставляющих грунт к месту укладки. Для создания прудков поверхность насыпи разбивается на прямоугольные или квадратные карты (примерно 0,4—0,9 тыс. м²), края которых окаймляются замкнутыми дамбами из отсыпаемого грунта для образования прудка. Прудки наполняются водой, в которую равномерно и непрерывно по всему фронту пионерпо отсыпается привозимый из карьера грунт. Глубина воды в прудках поддерживается на постоянном уровне вследствие перелива в соседнюю карту через проран, оставленный в смежной дамбе. Движение груженых и порожних автомашин по ранее уложенным картам должно происходить в определенном порядке, обеспечивающем равномерность уплотнения грунта от их хода, поскольку первоначальное уплотнение грунта имеет большое значение.

Для зимних условий отсыпки требуется обеспечение положительных температур воды в прудке. Технология отсыпки грунта в воду поддается широкой механизации и проста в выполнении, поэтому эти работы можно осуществить в короткий срок. Результаты уплотнения получаются вполне удовлетворительными; например, на Ириклинской плотине высотой 43 м коэффициент фильтрации получился 10-7 см/с, а максимальная осадка за 15 лет наблюдений достигла 0,48%, что говорит о высокой плотности грунта.

В последнее время метод отсыпки грунта в воду все больше внедряется, поскольку благодаря обширным исследованиям, проведенным на Иркутской плотине, и опыту возведения перемычки Вилюйской плотины, построенной в Заполярье при отрицательной температуре до 50 °С, отработана технология отсыпки грунта в воду как в суровых зимних условиях, так и в условиях положительных температур. Отсыпкой в воду моренного грунта возведено ядро Серебрянской плотины высотой 78 м (Кольский полуостров) при морозах, доходящих до 48 °С. Отсыпка производилась с ооогревом воды в прудках при помощи горячей воды, подаваемой с электробойлерной установки и электропечей на понтонах, поддерживающих температуру воды до +5°С. Поверхность воды покрывали плавающими матами из пенополистирола. Грунт интенсивно отсыпался в прудок и уплотнялся авгосамосвалами; перед укладкой следующего слоя поверхность предшествующей карты обрабатывалась горячей водой из автоцистерн для оттаивания образовавшегося льда и посыпалась сухой солью хлористого кальция во избежание повторного промерзания. Грунт перевозился на отепленных автосамосвалах. Плотность грунта составляла 1,7 т/м³.

Отсыпкой грунта в воду построен также экран плотины Лерепадной ГЭС I Ингурского каскада высотой 55 м в субтропической зоне Черноморского побережья. Укладка грунта в экран «сухим способом» представляла большое затруднение из-за дождливых условий района, препятствующих послойному механическому уплотнению. С переходом на метод укладки грунта в воду удалось в короткий срок уложить около 1 млн. м³ связного грунта. Остановки в работе происходили лишь при интенсивных дождях, когда передвижение в карьере и на неуплотненной карте становилось невозможным. Результаты уплотнения получились весьма удовлетворительные; насыпь на 2—3-й день имела проектную плотность 1,7 т/м³ и выше.

Отсыпка грунта в воду весьма эффективный и прогрессивный метод, имеющий следующие преимущества:

1) можно использовать грунты, которые плохо уплотняются механическим способом;

2) не требуется соблюдения оптимальной влажности грунта при укладке, поэтому отпадает необходимость увлажнения или подсушивания;

3) увеличивается длительность строительного сезона, поскольку возможно вести работы в дождливый и морозный периоды;

4) улучшается качество уплотнения благодаря равномерности раскладки частиц грунта;

5) повышается интенсивность укладки благодаря увеличению толщины слоя грунта в 3—4 раза и упрощению технологии укладки с упразднением специальных уплотняющих механизмов.

Существует еще третий метод укладки и уплотнения грунтовых масс — метод намыва или гидромеханизации, который применяется преимущественно при строительстве земляных плотин. Для каменно-земляных плотин он может быть использован при возведении широкого центрального ядра, т. е. в плотинах с центральной грунтовой призмой.

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