Подготовка основания. Сопряжение тела земляных насыпных плотин с берегами, основанием и бетонными сооружениями
1. Подготовка основания. В пределах основания плотин должны быть вырублены лес и кусты, выкорчеваны пни, удален растительный слой, пронизанный корнями деревьев и кустов или ходами землеройных животных; в случае скального основания удаляют поверхностный слой сильно выветренной и разрушенной скали, отдельные крупные камни, а также скопления камней; заделывают разведочные геологические и строительные выработки (не используемые тля дренажа и наблюдения за основанием). При наличии в скальном основании местных крупных тектонических нарушений в виде отдельных широких и глубоких трещин принимают соответствующие меры по расчистке и заделке их и по повышению фильтрационной прочности заполнителя этих трещин. Котлован в пределах основной маловодопроницаемой части поперечного профиля плотины (в пределах верхового клина, экрана или ядра) часто делают большей глубины, чем в остальной части.
В сейсмических районах приналичии в основании плотины аллювиального грунта, способного разжижаться при динамических воздействиях, такой грунт следует подвергать уплотнению с помощью виброфлотации или камуфлетных (подземных) взрывов определенной мощности. Виброфлотом называют устройство в виде вертикальной трубы диаметром 0,35...0,40 м и длиной до 20 м, внутри которой находится вибратор с электродвигателем и эксцентриком, а также патрубок для подачи воды под напором. Виброфлот подвешивают к стреле крана (или к особой подвижной опоре); под действием собственной массы, вибрации и инъектируемой воды виброфлот проникает в сыпучий грунт до заданной отметки. Затем его постепенно поднимают с шагом 0,3...0,5 м, производя вибрирование на каждом уровне до достижения желаемой ступени уплотнения грунта. Уплотнение распространяется по радиусу на 1,0...1,5 м. Виброфлот применяют также для образования в толще некоторых связных грунтов дренажных колонн из крупнозернистого материала.
Сравнительно тонкий поверхностный слой грунта основания имеет меньшие прочностные (сдвиговые) характеристики, чем грунт тела плотины. Наличие такого слоя грунта заставляет нас уполаживать откосы земляной плотины и тем самым увеличивать объем земляных работ. Иногда экономически целесообразно удалить такой слабый слой грунта основания и тогда не будет необходимости уполаживать откосы плотины.
2. Сопряжение тела плотины с берегами. Следует различать случай нескальных и случай скальных берегов.
Нескальные берега планируют не сразу на всю их высоту, а постепенно но мере роста высоты отсыпаемой плотины (рис. 2.80).
Скальные берега могут иметь следующие недостатки: а) крутизна берегов оказывается весьма значительной, иногда могут иметь место даже нависающие участки скальной поверхности; б) макро и микрорельеф скальной поверхности может оказаться опасным, так как при осадке выполненной насыпи вдоль поверхности сопряжения ее со скальным берегом иногда открываются сосредоточенные ходы фильтрации; в) при наличии узкого каньона, перекрываемого плотиной, может иметь место уменьшение нормального давления со стороны тела плотины на поверхность берегов; г) наличие трещиноватости в пределах поверхностного слоя скалы может способствовать возникновению опасных размывов грунта тела плотины.
Считают, что сопряжение тела плотины со скальными берегами получается достаточно хорошим, если средний угол наклона поверхности береговых склонов к горизонту не превышает 45°, а местные углы наклона—70°.
Учитывая отмеченные выше обстоятельства, предусматривают следующие меры: 1) с помощью отбойных молотков сглаживаю: скальную поверхность; 2) отдельные понижения поверхности под готовляемого основания заполняют бетоном или уплотненным грунтом. Дополнительно в пределах подошвы противофильтрационных устройств (или верхового клина плотины) часто устраивают: 1) бетонную плиту, сглаживающую выступы скальной поверхности; эту плиту выполняют, например, с помощью шприцбетона (набрызг бетона); 2) зуб или зубья (рис. 2.81), число и размеры которых назначают с таким расчетом, чтобы получить равенство; 3) соответствующую инъекционную завесу или инъекционные завесы, при соблюдении надлежащего расстояния между ними (рис. 2.81), а также поверхностную инъекцию.
При наличии в основании быстро выветривающихся пород последние после расчистки основания покрывают слоем грунта тела плотины. Иногда поверхность скалы до укладки на нее бетонной смеси моют или продувают сжатым воздухом. Грунт тела плотины в месте примыкания его к поверхности дна котлована следует тщательно уплотнять. Если неровная скальная поверхность оказывается под водой, то после отсыпки на нее грунта шов сопряжения скалы с грунтом уплотняют путем инъекции той или другой тампонирующей смеси.
Рассмотрим случай устройства плотины в каньоне (рис. 2.82). Считаем, что борт а—b каньона имеет угол наклона 0 больший, чем угол ф внутреннего трения грунта. Легко видеть, что в этом случае сопряжение насыпного тела плотины с бортом а—b каньона ничем не должно отличаться (от сопряжения на рис. 2.14) земляной плотины с внутренней поверхностью бетонного устоя.
Можно рекомендовать следую рис 2.83. Сопряжение земляной пло [ций рациональный вариант уст тины с глинистым основанием, ройства плотины в каньоне. Основную часть поверхности борта
Отсыпку плотины можно провести в одну очередь, однако при этом необходимо уплотнять грунт плотины ниже уровня b—с настолько, чтобы послестроительные осадки ниже этого уровня вовсе отсутствовали.
3. Фильтрация в берегах в обход плотины возникает после заполнения водохранилища водой. В связи с этим при проектировании плотины всегда рассматривают необходимость сооружения следующих устройств: 1) противофильтрационных преград в берегах, являющихся продолжением ядра (диафрагмы) плотины, или экранов, прикрывающих береговые склоны и являющихся продолжением экрана плотины; 2) дренажа в береговых склонах нижнего бьефа с целью перехвата воды, фильтрующейся в обход плотины. Размеры указанных береговых противофильтрационных устройств и дренажей (если таковые намечаются в проекте) устанавливают на основании соответствующих фильтрационных расчетов и расчетов фильтрационной прочности грунта. Дополнительно анализируют устойчивость береговых склонов нижнего бьефа (у плотины) с учетом фильтрации в обход плотины.
4. Сопряжение тела плотины с основанием:
1) водоупор расположен на поверхности. В этом случае преду. сматривают меры, поясненные в настоящем параграфе; дополнительно может быть устроен неглубокий зуб (рис. 2.83). Водоупором иногда условно называют скальный грунт, верхняя толщина которого всегда является трещиноватой, а следовательно, водопроницаемой. При наличии такого условного водоупора необходимо дополнительно предусматривать создание инъекционной завесы в основании, а иногда и поверхностной инъекции в пределах подошвы противофильтрационных устройств. Глубину завесы и поверхностной инъекции назначают в проекте с некоторым приближением и затем уточняют в процессе производства работ на основании результатов водо или воздухопоглощения буровыми скважинами. При устройстве в основании инъекционной завесы в теле плотины всегда предусматривают ядро (диафрагму) или экран (см. ниже п. 3).
Как правило, в случае скального основания инъекционную завесу и поверхностную инъекцию осуществляют путем цементации скалы, иногда же применяют горячую битумизацию и глинизацию. Трещиноватость скалы часто распространяется на значительную глубину. В большинстве случаев трещиноватость с глубиной уменьшается. О степени трещиноватости на данной глубине судят по величине водо или воздухопоглощения. Для построенной плотины глубина цементационной завесы на различных участках ее продольного профиля может оказаться различной, что не учитывается проектом. В проекте стремятся назначить только среднюю глубину завесы с таким расчетом, чтобы стоимость ее была равна стоимости действительной завесы.
При составлении проекта гидротехнического сооружения приходится различать: а) строительные размеры сооружения, которые затем реализуются без изменения при возведении сооружения; б) сметные размеры, на основании которых составляется только смета на постройку сооружения.
Сопряжение ядра или грунтового экрана с трещиноватой скалой принято выполнять по одной из двух схем, показанных на рис. 2.84, а, б (применительно к случаю ядра). На рис. 2.84, а показана бетонная подушка, покрывающая скалу. Сквозь эту подушку пробуривают скважины, через которые осуществляют инъекцию раствора в скалу. Толщину инъекционной завесы, являющейся как бы продолжением ядра, назначают с таким расчетом, чтобы поперечные градиенты напора в ней были не более 15...25. Бетонную подушку устраивают для того, чтобы растворная смесь, нагнетаемая в скважины, не выходила по трещинам на поверхность скалы. 2) если водоупор расположен практически на недосягаемой глубине (более 30...40 м), то отдельные части плотины не стремятся сопрягать с водоупором. При отсутствии экрана или ядра ограничиваются подготовкой основания, поясненной выше; дополнительно устраивают неглубокие зубья (см. рис. 2.83) в пределах между осью плотины и вертикалью, проведенной через урез воды верхнего бьефа. При наличии экрана или ядра (диафрагмы) иногда создают висячие противофильт рационные преграды в виде глубоких зубьев или шпунтовых свайных рядов — шпунтов (рис. 2.85), а также устраивают понур (см. рис. 2.73). Глубину висячих противофильтрационных преград и длину понура, устанавливают фильтрационным расчетом и расчетом фильтрационной прочности грунта. При выполнении таких расчетов учитывают кольма таж ложа водохранилища и верхового откоса плотины, который может иметь место в процессе эксплуатации сооружения; 3) водоупор, расположенный на досягаемой глубине. Если основание менее водопроницаемо, чем тело плотины, то такую плотину обычно целесообразно сопрягать с основанием, как указано в п. 2. Создавать водонепроницаемую преграду, сопрягающую тело плотины с водоупором, имеет смысл только в случае, когда грунт основания более водопроницаем, чем грунт тела плотины. Устраивая преграду, пересекающую сильно водопроницаемое основание (рис. 2.86), получаем напор: а) перед преградой (в основании), равный примерно напору Н\ верхнего бьефа; б) за преградой—равный примерно напору Н2 нижнего бьефа. В данном случае напору Z, действующему на плотине, противопоставляется весьма короткий путь фильтрации abc. Очевидно, в районе контура abc можно ожидать в связи с большими действующими здесь пьезометрическими уклонами опасные фильтрационные деформации. Учитывая это обстоятельство, при проектировании плотин придерживаются следующего правила: если сильно водопроницаемый слой основания пересекается маловодопроницаемой преградой, то эту преграду следует продолжать и в теле плотины до самого ее верха (см. на рис. 2.86 пунктирные линии bD); причем в результате получаем плотину с ядром, диафрагмой или экраном. 5. Противофильтрационные преграды в нескальном основании плотины:
1) металлический шпунтовый свайный ряд (см. рис. 2.85), при погружении свай пакетами замки свай в пределах пакета должны предварительно уплотняться; в противном случае шпунтовая стенка не будет ийеть достаточную водонепроницаемость;
2) сплошная стенка из бетона (минимальной толщины 0,5... ...1,0 м) или из глинистого грунта (минимальной толщины 1,5... ...12,5 м). Такого рода стенки выполняют или согласно схеме на рис 2.87, а (в открытом котловане с соответствующими откосами), или в траншее с вертикальными стенками (рис. 2.87,6). В послед
3) буровая стенка из бетона или глино цемента, образованная сваями большого диаметра (0,6...1,0 м), соприкасающимися или перекрывающими друг друга (рис. 2.88). Буровые работы производят или с обсадными трубами, или с заполнением соответствующих выемок бентонитовой суспензией. В ответственных случаях можно устраивать две параллельные буровые стенки с заинъектированным пространством между ними;
4) инъекционная завеса, выполняемая (в случае нескального грунта) с помощью нагнетания в поровое пространство грунта цементных, глинистых (с пластифицирующими добавками), полимерноцементных, полимерных или других растворов; толщина инъекционной завесы книзу может уменьшаться.
Металлические шпунтовые свайные ряды применяют в случае плотин высотой до 20...30 м, когда в нескальном основании нет крупных камней. Сплошные стенки можно делать глубиной до 50...60 м; при такой глубине они, как правило, более предпочтительны, чем буровые стенки и инъекционные завесы.
Буровые стенки рекомендуют применять глубиной до 100...200 м, в отличие от сплошных стенок их можно устраивать под небольшим слоем воды (в русле реки). Инъекционные завесы можно выполнять практически на любую глубину в различных аллювиальных грунтах.
Толщину сплошных и буровых стенок, а также инъекционных завес следует назначать в соответствии с фильтрационной прочностью грунта (и с учетом других отмеченных выше обстоятельств). Ориентировочно можно принимать следующие допускаемые градиенты напора на противофильтрационных преградах (рассматривая горизонтальную фильтрацию через них): для инъекционной завесы — 5...10; для сплошной глинистой стенки — 10...30; для сплошной бетонной стенки — 50... 100.
Сопряжение сравнительно тонкой противофильтрационной преграды (устроенной в основании) с ядром или грунтовым экраном выполняют или путем достаточно глубокой врезки преграды в тело ядра (или грунтового экрана), или путем достаточного утолщения преграды в месте ее примыкания к ядру (или грунтовому экрану). При устройстве в нескальном основании глубокой противофильтрационной преграды (в виде стенки или завесы) резко снижается осадка ядра плотины (в первое время эксплуатации сооружения) по сравнению с осадками верхового и низового клиньев плотины. Такая неравномерная осадка тела плотины высотой более 50...100 м может повлечь за собой нежелательную деформацию ядра.
6. Сопряжение земельных насыпных плотин с бетонными сооружениями (бетонными сопрягающими устоями и т.п.). Внешние контуры тела плотины в месте ее примыкания к бетонному сооружению (сопрягающему устою) определяются конфигурацией этого сооружения, а также соответствующими условиями его эксплуатации, заставляющими обычно увеличивать ширину плотин при подходе к данному сооружению. Подземный контур сопрягающего устоя (в плане) проектируется на основании расчетов фильтрации и фильтрационной прочности грунта, а также с учетом замечаний, приведенных в § 2.7. Иногда с целью развития путей фильтрации в обход устоя устраивают шпоры, врезающиеся в тело плотины. Эти шпоры могут выполняться в виде бетонных стенок (диафрагм), ядер, шпунтовых рядов и т. п. Противофильтрационные и дренажные устройства земляной плотины соответствующим образом увязывают с противофильтрационными и дренажными .устройствами бетонной части плотины.