Скальное основание бетонной плотины
Скальным грунтом принято называть горную породу, предел прочности которой при сжатии МПа. Менее прочные породы называют полускальными.
В зависимости от трещиноватости, о которой судят по удельному водопоглощению или коэффициенту фильтрации, различают скалу сильно трещиноватую, трещиноватую и слабо трещиноватую.
В инженерно-геологическом отношении различают скальные породы: изверженные (гранит, сиенит, диабаз и др.), метаморфические (кварцит, гнейсы, сланцы и др.), осадочные (песчаники, известняки, доломиты, конгломераты и др.).
Существуют и другие классификации скальных пород.
1. Геологические исследования основания (до постройки плотины). При этом в основании делают буровые скважины, шурфы, шахты, штольни, проводят колонковое бурение, иногда делают скважины особенно большого диаметра (0,9...1,2 м), чтобы в них можно было спуститься и осмотреть горную породу. В результате этих исследований, проводимых под руководством инженера-геолога, выясняют: 1) мощность и характер аллювиальных отложений, покрывающих скалу; 2) степень и характер трещиноватости скальной породы; 3) падение и простирание слоев скалы; 4) существование древних русл (погребенных); 5) наличие горных отвалов, оползней, конусов выноса из притоков; 6) существование в районе намеченного створа плотины сбросов и сдвигов.
2. Главнейшие требования, предъявляемые к скальному основанию. Для основания плотины желательно иметь; 1) возможно большую монолитность скалы, т. е. малую ее трещиноватость; й) отсутствие возможности выщелачивания горной породы под действием фильтрационного потока; 3) отсутствие в основании слабых сжимаемых прослоек грунта. Падение слоев скалы всегда желательно в сторону верхнего бьефа.
3. Выбор варианта плотины в связи с качеством основания. Бетонную гравитационную плотину возводят не только на скальном основании, но и на нескальном, например на песчаном или на гравелистогалечниковом грунте. Однако предпочтительно все же бетонную плотину возводить на скале, так как коэффициент трения бетона по скале значительно больше, чем по нескальному грунту. В связи с этим вес (объем и стоимость) плотины, расположенной на скале, всегда будет меньше (при прочих равных условиях) веса плотины, расположенной на нескальном грунте.
Учитывая сказанное, при наличии аллювиального отложения, покрывающего скалу, иногда сравнивают в экономическом отношении два разных варианта плотины: 1) плотина (рис. 7.31, а) относительно низкая, распластанного профиля, на нескальном грунте, имеющем относительно малый коэффициент трения ft; 2) плотина (рис. 7.31,6) относительно высокая, обжатого профиля, располагаемая в глубоком котловане на скальном грунте, имеющем большой коэффициент трения
В зависимости от местных условий можем получить различные соотношения площадей поперечного сечения плотины, а следовательно, и различное соотношение единовременных затрат на постройку этих плотин.
Часто при малой мощности аллю виальных отложений по сравнению 1 высотой плотины второй вариант ок зывается более выгодным. Попутно з,1 метим, что, сооружая плотину по этому варианту, не заполняют трус том область А котлована после по стройки плотины; что касается обл;i сти В, то ее заполняют грунтом по планировочным соображениям.
Все сказанное выше относится к плотинам высотой до 30...35 м. Для более высоких бетонных плотин можно считать, что они всегда возводятся на скальном основании, причем глубина котлована в случае таких плотин может доходить до 70 м и более.
4. Подготовку основания осуществляют следующим образом: а) вначале с поверхности скалы удаляют все аллювиальные отложения; б) далее удаляют поверхностный разрушенный слой скалы— так называемую разборную скалу (т. е. скалу, которую можно удалить без применения взрывных работ); толщина такого слоя может быть 1...2 м и значительно более (до 10 м); в) после этого делают выемку в скале надлежащей глубины; последние слои скалы разрабатывают без применения взрывных работ; г) оставшуюся скалу в местах ослаблений подвергают укрепительной поверхностной цементации, например, на глубину до 5 м; в некоторых случаях такая цементация выходит за габариты фундамента плотины, например на сторону нижнего бьефа; при выполнении поверхностной цементации укрепляемую площадь котлована покрывают бетонной плитой и затем сквозь эту плиту бурят скважины, через которые в пбровое пространство скалы нагнетают цементационный раствор; иногда такую цементацию осуществляют до удаления верхнего слоя грунта.
Если в основании плотины устраивают зуб, то траншею под этот зуб делают достаточно широкой (не менее 3,5...4,0 м), чтобы зуб не был срезан сдвигающими силами и чтобы в траншее могли разместиться строительные механизмы.
Иногда в основании приходится делать бетонные пробки 2 (рис. 7.32); скалу в области abc, расположенную над широкой трещиной 1, удаляют, так как она работала бы под нагрузкой как консоль. По соображениям организации производства работ в некоторых случаях в фундаментной части плотины оставляют в бетоне временные туннели 3, в которых ведут работы по сооружению бетонных пробок, а также зуба и завесы. Эти временные туннели в дальнейшем заполняют , бетоном.
Что касается инъекционной (противофильтрационной) завесы, то ее выпол i няют обычно путем цементации, а иногда с помощью горячей битумизации или глинизации.
На основании, способном выщелачиваться под действием фильтрационного потока, не желательно возводить плотины. Если же их всетаки сооружают, то для улучшения работы основания применяют особые меры: а) в основании плотины устраивают наклонные противофильтрационные завесы 1 (рис. 7.33, а); при этом непосредственно под фундаментом плотины создается мертвая зона 2 фильтрационного потока, в связи с чем выщелачивания основания здесь не происходит; б) перед плотиной устраивают водонепроницаемый понур 3 с дренажем 4 (рис. 7.33,6), благодаря чему непосредственно под плотиной скорости фильтрации малы; в) перед плотиной делают водопроницаемый понур из растворимого материала: вода, фильтрующаяся через такой понур, полностью насыщается рас пюряющимся в ней материалом понура и потому, двигаясь под плотиной, уже не вызывает выщелачивания материала основания.
5. Сопряжение бетонной массивной плотины с берегами. На рис. 7.34 показан продольный разрез по оси плотины. Часто береговые склоны планируют в виде горизонтальных (а иногда несколько наклонных) ступеней ab. Ребра а и b ступеней в плане, как правило, не прямолинейны, поэтому вертикальные сквозные деформационные швы 3 делают несколько отступая от этих ребер. Высота ступеней может быть самой различной. Однако ее следует увязывать с высотой блоков бетонирования. Откосы верховой и низовой граней плотины по всей длине плотины сохраняются постоянными. Как видно из рис. 7.34, противофильтра ционная завеса 1 продолжается в берегах на длину L, назначаемую исходя из следующих соображений.
После поднятия уровня воды в верхнем бьефе в берегах образуются фильтрационные потоки (в обход плотины); за счет такой фильтрации появляются значительные утечки воды из водохранилища. Кроме того, естественные склоны берегов в нижнем бьефе плотины, сформировавшиеся в течение длительного времени и находящиеся в состоянии, близком к предельному равновесию, оказываются подверженными сильному воздействию со стороны возникшего фильтрационного потока в берегах. Такое сильное воздействие может вызвать соответствующие оползни в нижнем бьефе.
При устройстве противофильтрационных завес в берегах снижается утечка воды из водохранилища и повышается устойчивость берегов нижнего бьефа.
В случае высоких плотин для выполнения противофильтраци онной завесы иногда приходится устраивать в берегах специальные горизонтальные штольни 2, из которых ведут работы по цементации. В дальнейшем эти штольни бетонируют.