Плотины на вечной мерзлоте
Мерзлыми называют породы, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед. Их подразделяют на сезонномерзлые и вечномерзлые (многолетнемерзлые).
Площадь, занятая вечномерзлыми грунтами в СССР, 10,5 млн. км2, что составляет 47 % территории. Мощность вечномерзлой толщи колеблется в значительных пределах: от 8...20 до 500 м (и более). Верхний слой подвержен ежегодному промерзанию и оттаиванию. Такой слой называют деятельным, глубина его колеблется от 0,7 до 3,8 м в зависимости от климатических условий, характера грунтов и др. В отдельных случаях между деятельным слоем и сдоем вечной мерзлоты находятся талики — слой с постоянной положительной температурой.
Температурное поле вечномерзлой толщи приведено на рисунке 5.58. Расстояние от границы сезонного промерзания до нижней границы мерзлой толщи составляет ее мощность. В зоне распространения вечной мерзлоты встречаются как скальные, так и нескальные породы. Скальные породы в мерзлом состоянии представляют монолит и при оттаивании мало теряют свои прочностные свойства, но у них заметно изменяется коэффициент фильтрации в сторону увеличения, что является следствием освобождения трещин от льда.
Дисперсные мерзлые грунты — многофазные системы; они состоят из минеральных частиц, незамерзшей воды и газообразных частей, находящихся в порах грунта. Такие грунты сцементированы льдом и практически представляют монолит с повышенными прочностными свойствами, водонепроницаемы.
Вода в мерзлых грунтах находится в трех состояниях: в виде льда, заполняющего поровое пространство, в виде ледовых включений — линз и прослоек, в виде незамерзшей воды. Общее количество воды равно сумме трех составляющих. Незамерзшая вода окружает минеральные частицы грунта и прочно с ними связана адсорбционными силами. Количество незамерзшей воды зависит от температуры и вида грунта.
Содержание льда в грунте оценивается относительной льдистостью:
Характерная особенность мерзлых грунтов — миграция влаги, морозное пучение, морозобойное растрескивание поверхности грунта, солюфлюкция и значительные осадки при оттаивании.
Под морозным пучением понимается перемещение (движение) незамерзшей воды к фронту промерзания, в результате чего увеличивается льдистость верхних слоев мерзлого грунта, приводящая к местному увеличению объема грунта при замерзании поровой и подтягиваемой в процессе миграции воды. Морозобойное растрескивание поверхности грунта — следствие температурного режима по вертикали и появления растягивающих напряжений на поверхности и сжимающих в глубине. Солюфлюкция выражается в медленном течении оттаивающего грунта под действием собственного веса вследствие уменьшения характерстик. В мерзлых грунтах при оттаивании наблюдают осадок от действия собственного веса и внешней нагрузки. Мерзлые грунты после оттаивания обладают малой несущей способностью, и практически их нельзя использовать для возведения сооружений. Наряду с осадкой различают и просадку — быстропротекающую необратимую деформацию грунта.
Типы плотин, возводимые в условиях вечной мерзлоты. В районах распространения вечной мерзлоты возможно применять следующие типы плотин: талые, технология возведения которых основана на использовании в теле и основании непросадочных и не- пучинистых грунтов, с применением водонепроницаемых устройств — грунтовых ядер и экранов; мерзлые с промораживанием всего поперечного профиля в процессе укладки грунта; мерзлые, в которых укладывают грунтовое ядро, с последующим искусственным промораживанием его и поддержанием в этом состоянии в течение всего эксплуатационного времени.
Талые плотины. Их выполняют чаще из каменной наброски, а водонепроницаемое устройство — из маловодопроницаемых грунтов в виде ядер или экранов. В качестве противофильтра- ционных устройств допускается использовать пленки. Основанием таких плотин могут быть связные и несвязные непросадочные грунты, но лучше возводить плотины на скальных породах.
К талым плотинам предъявляются те же требования, установленные действующими нормативами, относящиеся к плотинам из грунтовых материалов, возводимых в зоне умеренного климата.
Талые плотины с противофильтрационными устройствами построены в Сибири: Вилюйская (74 м), Хантайская (65 м), Серебрянская (78 м), Колымская (125 м).
Мерзлые плотины. Они имеют в поперечном профиле зоны мерзлых грунтов, смыкающиеся с вечномерзлыми грунтами основания. Существует два основных типа мерзлых плотин: в первом из них все тело плотины выполняют из мерзлого грунта в процессе эксплуатации, а в результате оттаивания образуется зоны талого грунта; во втором предусматривают водонепроницаемую преграду в виде мерзлого грунта, искуственно промороженного после возведения плотины [10].
В первом типе мерзлых плотин (рис. 5.59) весь поперечный профиль выполняют мороженым в период отрицательных температур. Грунт укладывают слоями с заполнением пор водой к промораживанием каждого слоя. Такие плотины возводят на вечномерзлых грунтах с обеспечением водонепроницаемого стыка с основанием.
Во время эксплуатации поперечный профиль мерзлой плотины и основание будут иметь зоны талого и мерзлого грунта. Со стороны верхового откоса, после заполнения водохранилища водой, в результате теплового воздействия воды образуется зона талого грунта А. Границу этой зоны (см. рис. 5.59, линия а—в) определяют на основе теплотехнических расчетов.
В средней части профиля будет зона Б, в которой грунт остается в мерзлом состоянии. Гребень плотины, низовой откос и надводная часть откоса образуют зону сезонного оттаивания и промерзания В. Для уменьшения глубины промораживания по этим зонам укладывают теплозащитные покрытия, например торф, насыпают слой снега или используют искусственные теплозащитные материалы. Уменьшение глубины промерзания достигается и засолением грунта; для этого применяют хлористый кальций или хлористый натрий.
В основании таких плотин будет две зоны: талая под верхним клином плотины (зона А) и вечномерзлого грунта основания, смыкающаяся с мерзлым грунтом тела плотины.
Во втором типе мерзлых плотин используют грунтовое ядро, укладываемое из талых грунтов с последующим искусственным промораживанием его. Для этого применяют систему охлаждения в виде морозильных колонок, по которым циркулирует теплоноситель— жидкость (рассол) или воздух. Схема мерзлой льдогрунтовой плотины с искусственно промороженной стенкой - завесой показана на рисунке 5.60. Расчетная схема мерзлых плотин приведена на рисунке 5.61.