11.1. История строительства намывных плотин

Первоначальное применение гидромеханизации земляных работ получила в США в штате Калифорния при разработке золотоносных песков, изобретателем этого способа считается Матиссон (1853 г.) Грунт размывался мощной струей гидромонитора, создаваемой обычно с помощью насосной станции. Образованная при размыве пульпа самотеком или с помощью грунтового насоса по пульпопроводу транспортировалась на обогатительную фабрику, где выделялось золото.

Другим направлением явилось применение плавучих установок с установленным на палубе грунтовым насосом, с помощью которого ил и песок всасывался со дна водоема и транспортировался тем же насосом на береговой объект или наливался в баржу. Эту установку назвали земснарядом и применяли первоначально на расчистке рек, а затем на намыве площадок, дамб и земляных плотин.

Благодаря высокой рентабельности при несложном оборудовании и незначительных капиталовложениях гидравлический способ весьма быстро получил широкое распространение сначала в золотой промышленности, а затем в конце ХIХ века стал применяться там же в США при строительстве земляных плотин и других сооружений.

Рис. 11.1.1. Гидравлическая разработка золотоносных песков в Калифорнии (США 19 век) [16].

Начиная с ХХ века, гидромеханизация в США постепенно завоевала главенствующее положение при возведении земляных плотин, называемыми в случае возведения способом гидромеханизации — намывными, причем размеры сооружаемых плотин все возрастали, и объемы намывных плотин достигли 75 млн. м3 (плотина Форт-Пек на р. Миссури, 1933 — 1939 гг.). До 1941 г. в США были намыты десятки крупных плотин высотой до 80 м. Ввиду ужесточения законов охраны окружающей среды в США, возведение плотин способом гидромеханизации сегодня не используется.

Рис.11.1.2. Устаревший эстакадный способ намыва. Намыв плотины на строительстве  Цимлянской и Куйбышевской ГЭС до перехода на безэстакадный способ в 1953 г. [5].

В СССР намыв плотин был начат в 1935 -1936 гг. при строительстве канала Москва — Волга по инициативе профессора Н. Д. Холина (Иваньковская плотина на р. Волга и др.).

В послевоенные годы возведение намывных плотин получило широкое использование на строительстве крупных ГЭС на реках Дон (Цимлянская ГЭС), Волга, Кама, Днепр, Днестр, Неман, Даугава. В 1946 г. постановлением Правительства был образован трест «Гидромеханизация» в Министерстве Электростанций. С 1946 по 1990 гг. производственными подразделениями треста намыты десятки крупных плотин в России, ближнем и дальнем зарубежье, общим объемом до 4 миллиардов кубометров, среди них такие уникальные плотины как Асуанская Высотная плотина на р. Нил в Египте.

В этом тресте был изобретен и широко внедрен безэстакадный способ намыва, позволившим полностью механизировать технологию намыва и отказаться от строительства высоких деревянных эстакад..

Рис. 11.1.3. Намывная  плотина Рыбинской ГЭС на Волге, построена в 1937 г.  [12]

Эстакадный способ был заменен безэстакадным способом повсеместно после его внедрения на намыве плотины Куйбышевской ГЭС в 1953 г. Другим крупным техническим достижением, внедренным в тресте, был намыв дамб с пляжными волноустойчивым откосом, позволившим снять бетонное и каменное крепление верхового откоса плотины.

Построенные за эти годы ГЭС производят до 18% электроэнергии от общей выработки.

 

11.2 Особенности возведения намывных плотин

1. Если насыпные плотины можно возводить практически из любых грунтов при выборе определенной конструкции, то возведение намывных плотин ограничено использованием песчаных и супесчаных грунтов. Это обстоятельство объясняется тем, что способ гидромеханизации совмещает в едином процессе разработку, гидротранспорт и укладку грунта.

Начальной головной операцией является разработка грунта, но эффективная высокопроизводительная разработка способом гидромеханизации ограничена только мягкими несвязными грунтами: песчаными, песчано-гравийными, супесчаными, илистыми грунтами. При разработке глин, а тем более глин с валунами (мореные грунты), производительность установок гидромеханизации снижается во много раз по сравнению с разработкой песчаных грунтов, и даже может быть вообще невозможной. А илистые грунты непригодны для возведения плотин.

Учитывая опыт возведения намывных и полунамывных плотин в США и России, пригодными для намыва плотин следует считать те грунты, у которых кривые гранулометрического состава находятся между крайними кривыми, показанными на рис. 11.2.1. [12].

Примечание: Пунктиром показаны рекомендуемые границы гранулометрического состава карьерных грунтов для однородных плотин, сплошными линиями — то же в отношении грунтов ядер намывных плотин.

Рис. 11.2.1. Контрольные кривые гранулометрического состава грунтов карьеров, пригодных для намыва плотин и ядер плотин.

На рис. 11.2.1. приведены кривые гранулометрического состава карьеров намывных плотин России и некоторых зарубежных. Из него видно, что в большинстве случаев, материалом для намыва плотин в России служили супеси, пески и песчано-гравийные грунты. [2].

2. Намыв плотины выполняется обычно без дренажа, который закладывают уже после окончания намыва и обезвоживания намытого тела плотины. Это приводит к уменьшению устойчивости откосов плотины в процессе намыва, особенно при водонепроницаемом основании, когда вода из прудка карты намыва и водонасыщенного тела фильтруется только через откосы плотины. Условия фильтрации при производстве намыва коренным образом отличаются от эксплуатационного расчетного случая, и они являются критическими для устойчивости откосов, суффозии и последующего оползания грунтов откоса, особенно на водонепроницаемом основании. Многие ученые и практики считают, что критический случай устойчивости откосов плотины возникает при его намыве, а не при эксплуатации готового сооружения, на который производится расчет устойчивости и проектирование плотины.

Рис. 11.2.2. Кривые гранулометрического состава грунтов карьеров намывных плотин: 1 — Угличская; 2 — Сестринские дамбы; 3 — дамбы Волгостроя; 4 — Шекснинская; 5 — Иваньковская; 6—7 — Мингечаурская; 8 — Цимлянская; 9 — Волжская (Сталинградская); 10 — Жигулевская (Куйбышевская); 11 — Александер (США); 12. Форт-Пек (США); 13 — Плотина из суглинков (СССР).

Случаи оползания откосов при намыве наблюдались неоднократно на различных объектах.

Так, например, для прекращения суффозии и обрушения откосов при намыве Цимлянской плотины, применяли иглофильтровые установки и глубинные насосы АТН-10 и АТН-12, с помощью которых производилось откачивания воды из тела плотины и снижение выклинивания депрессионной кривой на откосе [5].

При намыве земляной плотины Куйбышевской ГЭС в сопряжении плотины с береговой частью Волги на ПК 29 произошло большое оползание низового откоса во время интенсивного намыва [6].

Сначала образовался небольшой вынос песка из откоса. Намыв был прекращен, но оползание откоса быстро прогрессировало, углубившись до 30 м в тело плотины. Были приняты срочные меры по отсыпке гравия, который погружался в разжиженный грунт оползня. Оползень был остановлен только после откачки воды из тела плотины глубинными насосами.

Необходимо отметить, что теория расчета устойчивости откосов плотины при намыве плотины разработана только для намывной плотины с ядром (Л. Гришин. с. 423).

Еще в начале использования способа намыва плотин у специалистов вызывало сомнение в принципиальной возможности его применения из-за возможного оползания откосов и самого тела плотины, но практика доказала возможность его использования с принятием определенных мер по отводу фильтрационных вод.

Для предотвращения оползня откосов плотины при намыве, особенно на водонепроницаемом основании, вероятно, нужно до начала намыва закладывать временный дренаж, или прикрывать откос наслонным дренажем по мере намыва.

3. Характерной особенностью при намыве плотин являются ограничение производства работ периодом положительных температур воздуха, сложность, а иногда и невозможность, выполнения намыва зимой при устойчивых отрицательных температурах ниже -50 — 100. Это связано как с ограниченным перемещения земснаряда в акватории с ледяным покровом, гидротранспортом по трубам, в которых замерзает гидросмесь при длительном перерыве работ, так и с образованием и замывом льда в тело плотины, что совершенно недопустимо.

Если нет крайней необходимости, суровой зимой намывать ответственные плотины не рекомендуется.

Но в ряде случаев такая необходимость возникает при позднем прекращении судоходства на реке и перекрытии русла реки банкетом и намывом. В этом случае главным условием успешного производства работ является непрерывность всего процесса от разработки грунта до его намыва. Это непременное условие весьма трудно выполнить, хотя есть и примеры успешной работы. Так зимой 1955—1956 г. было намыто в плотину и дамбы на строительстве Куйбышевской ГЭС до 6 млн. м3 грунта при выполнении специальных мероприятий и строгой дисциплине персонала. Себестоимость этих работ была много выше, чем в летний период.

 

11.3. Типы намывных плотин

Конструктивно намывные плотины ограничены тремя основными типами:

1. Однородные плотины с принудительно формируемыми откосами;

2. Плотины с ядром и принудительно формируемыми откосами;

3. Плотины с пляжным динамически волноустойчивым откосом.

Более подробная классификация намывных плотин приведена в [1].

ВИДЫ НАМЫВНЫХ ПЛОТИН

1. Большинство намытых в России плотин являются однородными, то есть, созданы из одного материала, в основном из песка, с малым коэффициентом разнозернистости или неоднородности (ŋ = 2- 3; ŋ = d60/d10 по гранулометрическому составу грунта) и небольшим содержанием (до 10%) фракций диаметром меньше 0.05 мм.

Рис. 11.3.1 — крепление верхового откоса; 2 — дренаж; 3 — намывное ядро; 4 — намывные промежуточные зоны; 5 — намывные боковые зоны; 6 — намывная центральная слабоводопроницаемая зона; 7 — боковые насыпные призмы (банкеты); 8 — сейсмостойкое крепление откоса; 9 — насыпное глинистое ядро.

Но и при однородном материале при намыве происходит классификация потоком воды, более крупные фракции откладываются в зоне откоса, мелкие откладываются в центре плотины (в прудке), глинистые фракции удаляются через сбросную систему.

Из намывных однородных песчаных плотин, возведенных на реках центральной зоны России, приведен как типичный профиль на рис. 11.8 — разрез плотины Цимлянского гидроузла [5]:

2. Только несколько намывных плотин в СССР являются ядерными. Среди них -Мингечаурская [11] на р. Куре в Азербайджане. Она одна из самых высоких в мире земляных намывных плотин высотой 80 м, объемом 15 млн. м3. На рис. 11.8 представлен её профиль и гранулометрический состав грунтов.

Рис. 11.3.2. Намывная песчаная однородная плотина Цимлянской ГЭС, построена 1952 г. Намывные плотины Цимлянского гидроузла: а — пойменная; б — русловая; 1 — бетонные армированные плиты; 2 — песок тела плотины; 3 — трехслойный ленточный фильтр; 4 — закрытый дренаж; 5 — щебеночное покрытие; 6 — дренажная призма и наслонный дренаж.

Плотина была возведена намывом из грунтов, которые добывали в разных карьерах — гравийном и песчаном, доставляли их по железной дороге в бункер-смеситель. Грунты строго дозировались для разных зон плотины, в бункере — смесителе размывались гидромониторами и подавались с помощью грунтового насоса 20-Р11 на карты намыва, где естественным путем при поддержании определенных границ прудка грунты сегрегировались и откладывались в определенные зоны плотины. В результате были сформированы боковые призмы их гравия, переходная зона и ядро из мелкопесчаных грунтов с низким коэффициентом фильтрации.

Такая конструкция плотины обеспечила высокую устойчивость плотины и малую водопроницаемость. Но ядерные намывные плотины не получили большого применения ввиду редкого наличия в районе строительства карьеров с разными грунтами и сложности технологии. Преимуществом ядерных плотин заключаются в возможности возведения высоких плотин и сокращения объема плотины за счет откосов повышенной крутизны.

При возведении этой сложной плотины, по предложению группы инженеров, в том числе инженера Звонцова А. А., был успешно внедрен безэстакадный намыв при намыве гравийных призм.

Рис. 11.3.3. Мингечаурская ГЭС с ядерной плотиной

1 — ядро: 2 — промежуточные зоны; 3 — боковые призмы; 4 — верховая перемычка; 5 — проектные границы; 6 — фактический состав смеси грунтов в бункере-смесителе.

3. Третий тип плотин, нашедший широкое распространение при намыве ограждающих дамб сравнительно небольших водоемов (охладители ТЭС и др.), относится к одностороннему намыву дамб с верхним пляжным откосом укладки грунта с заложением m = 30 — 40 при песчаных грунтах и m = 15 -20 при гравийных грунтах. Эти заложения откосов достигаются при торцовом безэстакадном намыве. При рассредоточенном намыве из выпусков и средней концентрации пульпы свободные откосы растекания приобретают заложение в 2 — 1.5 раза круче. Этих заложений откосов в большинстве случаев достаточно для защиты от волнового размыва и позволяет отменить их бетонное или каменное крепление. Экономия от отмены крепления откоса перекрывает увеличение объема намыва со свободным откосом.

Рис. 11.3.4. Дамба с динамически устойчивым для волны откосом.

В [2] приводится рекомендуемый расчет заложения волноустойчивого откоса в зависимости от высоты волны в водоеме и среднего диаметра частиц грунта. Схема такого сооружения приведена на рис. 11.3.4.

 

11.4. Фильтрация при намыве плотины и мероприятия по сохранению откосов

Приводим натурные наблюдения за состоянием кривой депрессии, выполненные при намыве плотины Цимлянской ГЭС (Л. Отчет по строительству Цимлянской ГЭС).

На строительстве Цимлянской земляной плотины силами Днепропетровского института инженеров транспорта имени Л. М. Кагановича велись наблюдения за положением депрессионной кривой в процессе намыва.

Силами строительства проводились опытные работы по искусственному повышению влагоотдачи намываемого грунта.

В результате наблюдений за депрессионной кривой установлены следующие зависимости.

Основным решающим фактором, влияющим на положение кривой депрессии, являются фильтрационные качества основания плотины. При песчаных основаниях депрессионная кривая располагается на глубине 4—5 м от внешних контуров откоса плотины (фиг. 89), а при основаниях из связных грунтов (суглинки) депрессионная кривая находится от поверхности откоса на глубине 2 м (фиг. 90).

Наблюдения за устойчивостью откосов показали, что при намыве крупнозернистых песков количество воды, фильтрующейся через откосы, увеличивалось и в результате гидродинамического воздействия уменьшалась устойчивость откосов. При намыве мелкозернистых песков, обладающих меньшей фильтрационной способностью, фильтрация через откосы плотины уменьшалась, что благоприятно отражалось на устойчивости откосов. С увеличением интенсивности намыва увеличивалась площадь пляжа карты, одновременно покрытой пульпой, и вместе с тем увеличивался выход воды из откосов плотины, снижая их устойчивость.

При исключительно малой интенсивности наблюдались случаи, когда вся вода пульпы успевала профильтроваться через грунт пляжа, не доходя до отстойного прудка и не поступая, таким образом, в водосбросную систему.

На строительстве Цимлянской плотины были проведены в производственных условиях опыты применения иглофильтровых установок и глубинных насосов для откачивания воды из тела намывной плотины. Необходимость применения иглофильтровых установок возникла на одной из карт правобережной части плотины, где вследствие наличия водоупора в основании и повышенной интенсивности намыва появились отдельные локальные оползни, угрожавшие устойчивости всего откоса. Для предотвращения дальнейшего разрушения откоса были поставлены два яруса иглофильтровых установок, которые снизили депрессионную кривую и прекратили оползневые явления.

Изучение влияния откачивания иглофильтровыми установками на положение депрессионной кривой показало, что депрессионная кривая опустилась на глубину 8 м от дневной поверхности низового откоса (фиг. 89). В то же время депрессионная кривая на верховом откосе выклинивалась на высоте 2 м и находилась в верхней части откоса на глубине 4 м, что объяснялось отсутствием искусственного водоотлива в основании откоса.

Фиг. 89. Депрессионные кривые при намыве карты правого берега (основание песчаное).

[5].

Еще больший эффект дало применение глубинных насосов. При намыве пазух правобережного устоя водосливной плотины и левобережного устоя гидростанции было использовано 15 глубинных насосов АТН-10 и АТН-12. При помощи этих насосов осушался крутой принудительный откос (1:1) высотой до 15 м при среднесуточной интенсивности намыва 70—100 см. Никаких оползней откосов не наблюдалось.

Фиг. 90. Депрессионные кривые при намыве карт левого берега (основание суглинистое).

Скважины глубинных насосов располагались через 30 м, но опыт показал, что необходимо ставить их с интервалом в 15— 20 м или принимать меры для увеличения радиуса действия насоса. Для увеличения радиуса действия глубинных насосов в порядке опыта применялись вертикальные (фиг. 91) и горизонтальные дрены, подключенные к скважине глубинного насоса. В качестве дрен использовались деревянные дощатые короба с отверстиями и фильтром из рогожи и металлические перфорированные трубы диаметром 75—100 мм, заполненные крупным гравием. Наблюдения показали, что принятые простые конструкции фильтров дрен в условиях намыва непригодны, так как поток пульпы, содержащей пылеватые фракции грунта, забивал не только фильтры, но и дрены. В качестве фильтров дрен рекомендуется применять обычные фильтровые металлические сетки и тщательно обсыпать их грунтом для защиты от засорения.

Фиг. 91. Вертикальная дрена.

Необходимо отметить, что наблюдения за положением депрессионной кривой производились спустя несколько часов после прекращения намыва, за этот период верхняя часть поверхности намыва успевала отдать воду. При подаче пульпы эта часть кривой депрессии совпадает с поверхностью намыва.

Намыв проектного профиля плотины, рассчитанного для эксплуатации плотины с дренажем, производится при его отсутствии при полном обводнении тела плотины, и этот нерасчетный случай гораздо тяжелее для устойчивости откосов и их оплывания. Особенно это проявляется при водоупорном основании, в этом случае весь расход фильтруется через нижнюю часть откосов, что вызывает их оплывание. В этом случае для прекращения суффозии и обрушения откоса принимают срочных меры по откачке фильтрационных вод с помощью иглофильтровых установок и глубинных насосов. Такие случаи были при намыве плотин Цимлянской, Куйбышевской (Жигулёвской) и других ГЭС. На рис. 11.12. показан такой случай [6].

Эти аварии обуславливаются тем, что теоретические исследования и обоснование расчета устойчивости откосов и суффозии для случая намыва отсутствуют, кроме общих рекомендаций [2]. Проектные организации, выполняющие технологический проект намыва плотины, не производят поверочный расчет на фильтрацию, устойчивость откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения и суффозию при намыве плотины.

Попытаемся хотя бы грубо оценить расход фильтрации через тело плотины и высоту выхода кривой депрессии на откос при водоупорном основании на основе закона Дарси, без построения всей фильтрационной сетки, зная, что крайняя линия депрессии проходит от гребня плотины вдоль откоса, а напор равен высоте плотины.

Рис. 11.4.1. Разрушение низового откоса плотины Куйбышевской ГЭС фильтрационными водами при намыве.

Профиль плотины примем высотой Н = 20 м, шириной по гребню В = 20 м, с заложением откосов m = 4. Коэффициент фильтрации k примем как среднее значение для мелкозернистых и среднезернистых песков k= 0.001 см/c или 0.036 м/час.

Без построения фильтрационной сетки примем среднюю длину пути фильтрации вдоль откоса L ср = 100 м (длина откоса равна 82.5 м). Фильтрационный расход согласно закону Дарси:

q= k ω J , (1) где: q — расход воды; k  — коэффициент фильтрации грунта;

ω — полная геометрическая площадь сечения потока;

J — гидравлический уклон (градиент) фильтрационного потока, равный H/L , где:

Н  — потеря напора на длине пути фильтрации L ;

Тогда градиент потока J = H/L = 20/100 = 0.2;

Для гребня плотины при намыве шириной В = 20 м площадь сечения поток ω = 20 м2,

При этом по формуле (1) фильтрационный расход на 1 м длины гребня плотины будет:

q = k ωJ = 0.036 х 20 х 0.2 = 0.144 м 3 /час (2);

Вычисленный расход истекает через два откоса у основания плотины, т.е. на каждый откос приходится расход q = 0.072 м 3 /час.

Зная расход q и напор Н вычислим площадь истечения фильтрационных вод в нижней части откоса: ω = q/ kН (3). Тогда ω = 0.072/0.036 х 0.2 = 10 м 2 ; Для нашего случая сечение ω при на длине выклинивания воды на откосе будет 10 м, а высота выклинивания депрессионной кривой на откосе будет: h д = ω/m = 10/4 = 2.5 м.

Определим скорость истечения фильтрации V через сечение ω.

V = q/ω = 0.072/10 = 0.0072 м/час. Действительная скорость движения вод фильтрации будет выше с учетом коэффициентом пористости грунта, примем его равным n = 0.35, тогда действительная скорость воды в порах будет V д = 0.0072/0.35 = 0.02 м/час

Рис. 11.4.2. Расчетная схема фильтрации плотины при намыве на водонепроницаемом основании

При полученных значениях скорости истечения фильтрационных вод из нижней части откоса и определенном гранулометрическом составе грунта можно вычислить устойчивость откоса на оплывание в месте выхода фильтрационного потока по методике ВНИИГ или ВОДГЕО. Но для их использования требуется знать многие свойства грунта.

Упрощенный расчет изложен в (Л. Справочник по гидротехнике), который сводится к равенству:

tgθ ≈ φ0.5tg; где θ — угол откоса, φ — угол внутреннего трения грунта откоса. При откосе m = 4, угол θ = 140, а tgθ = 0.25; Угол внутреннего трения для водонасыщенного мелкого песка можно принять φ = 230 по таблице. Для 230 — 0.5tg 230= 0.5 х 0.424 = 0.212

Коэффициент запаса на суффозию будет К = 0.25/0.212 = 1.18.

То есть суффозии при этих условиях не должно быть. Для более точных результатов угол внутреннего трения грунта определяют лабораторным способом для конкретного грунта откоса.

К мероприятиям по сохранению откоса от оползания — суффозии, наиболее простым способам является уположение нижнего откоса при проектировании и устройство наслонного дренажа по мере намыва опасного участка плотины.

Для ликвидации аварийных случаев, когда суффозия прогрессирует, относятся вышеописанные способы установки иглофильтров или глубинных насосов на откосах или верха намываемой плотины.

 

11.5. Подготовка основания намывной плотины

Основные требования к подготовке основания плотин изложены в разделе 9.

Ввиду критического состояния откосов намывной плотины при намыве, желательно выбирать размещение плотины на песчаном основании. В большинстве случаев плотины ГЭС Волжского — Камского и Днепровского каскадов возведены на песчаном основании.

При подготовке основания безусловно должны быть удалены покровные растительные грунты и подстилающие грунты малой мощности с малым коэффициентом фильтрации. Высокие береговые сопряжения из фильтрующих грунтов должны дополняться противофильтрационными завесами. Во всех случаях должны выполняться мероприятия согласно [1].

 

11.6. Обустройство карты намыва

При значительной протяженности плотин они разбиваются на отдельные участки намыва протяженностью 300 — 200 м, называемые картой намыва . Карта намыва с подготовленным основанием оконтуривалась дамбочками первичного обвалования высотою до 1.5 — 2 м в зависимости от рельефа местности.

При песчаном основании грунт с ложа карты перемещался в тело дамб с помощью бульдозера или экскаватора из выемки водоотводящей канавы вдоль низового откоса дамбы. При глинистом основании песчаные дамбы должны отсыпаться из песчаного или песчано-гравийного грунта, которые могли бы быть облегченным дренажем при намыве. Дамбы обвалования желательно уплотнить хотя бы с помощью бульдозера.

Беспорядочная отсыпка из чернозема мусора, шлака и золы в дамбу обвалования могут привести к аварийным последствиям при начале намыва, особенно при наличии большого объема воды в прудке карты намыва. Такой случай произошел на участке примыкании карты намыва русловой плотины к зданию ГЭС на Куйбышевгидрострое, [9,6] когда отсыпанная из шлака и золы дамба прорвалась, а вода с карты намыва залила потерну ГЭС с находящимися в ней рабочими.

Как и подготовка основания, первичное обвалование карты должно приниматься технической инспекцией дирекции.

Для отвода осветленной при намыве воды на разбитой оси основания плотины в середине карты сооружается шахтный шандорный водосбросной деревянный колодец, размером в плане примерно 1.5 х 1.5 м [4,8]. Стойки колодца из бруса 20 х 20 см заглубляются или забиваются в грунт. Основание колодца и его досчаное дно заполняются гравийной отсыпкой, предохраняющей от выноса грунта при намыве и его всплытия. Стойки колодца обшиваются качественными досками с уплотнением гребнем толщиной на менее 25 — 40 мм. Эти доски наращиваются по мере намыва, служат водосливом и называются шандорами.

В стенку колодца вводится с уплотнением в досках стальная труба расчетного диаметра от 300 мм до 1000 мм с толщиной стенки не менее 12 мм, называемая коллектором. Размеры колодца и коллектора определяются расчетом на максимальную водопроизводительность подающего на карту намыва пульпу грунтового насоса с коэффициентом запаса на атмосферные осадки при водоупорном основании. При фильтрующем основании расчетный расход уменьшают на величину фильтрации в основание плотины.

Водоотводящий коллектор выводится обычно поперек карты намыва, как правило, в нижний бьеф. Заканчивается коллектор за пределами карты у водоотводящей канавы. Примерно через 10 — 15 м к трубе коллектора крепятся сваркой металлические диафрагмы из листовой стали размером 2х2 м, которые служат для уменьшения контактной фильтрации вдоль трубы, так как обычно шандорный колодец и коллектор остаются погребенными в тело плотины. Труба коллектора с внешней стороны очищается от ржавчины и окалины и покрывается битумом.

Кроме того труба коллектора пригружается от всплытия расчетным грузом. Обычно для этого сооружают над трубой пригрузочные ящики с гравием и камнем, но не песком, который может быть смыт при намыве. Такие случаи имели место и коллектор всплывал. Сегодня, при развитой бетонной промышленности, можно выполнить пригрузку коллектора бетонными блоками.

При строительстве плотин высотой более 10 м с 1952 г. на строительстве Куйбышевской ГЭС торец коллектора, входящий в шандорный колодец, стали дополнительно оборудовать вертикальными раструбными металлическими патрубками высотой до 1.5 м, наращиваемые по мере намыва, а сам колодец заполнять грунтом [4,6,9]. Это вошло в правило, так как при намыве плотин Цимлянской ГЭС доски шандорного колодца при достижении высоты намыва 15 — 20 м часто не выдерживали внешнего давления, ломались, и коллектор выходил из строя. При дополнении колодца вертикальной трубой аварий с колодцами не происходило при высоте намыва до 50 м и выше. Конструкция шандорного колодца показана на рис. 11.6.1.

Рис. 11.6.1. Конструкция шандорного колодца с центральной трубой-стояком  [4].

Расход воды, переливающийся через шандоры колодца, определяют по формуле гидравлики:

Q = mlH (2gH) 0.5  м3/c, где m — коэффициент расхода, принимаемый равным 0.4; l — ширина водосливного фронта в м; Н — высота переливающегося слоя в м, назначаемый проектом из условия сброса мелких частиц грунта при намыве [4].

Водосбросной коллектор от шандорного колодца до водоотводящей канавы укладывают обычно с уклоном 0.015, которого достаточно для полного заполнения трубы. Диаметр коллектора определяют по формулам гидравлики или таблицам для необходимого расхода.

До 1953 г. карту намыва оборудовали по контуру намывным пульпопроводом с выпусками и лотками на деревянной эстакаде высотой до 5 м [9]. Эстакада препятствовала работе бульдозера по наращиванию обвалования из намытого грунта, и поднятие обвалования выполнялось бригадой землекопов — намывщиков вручную. Так для бесперебойного намыва с использованием земснаряда типа 300—40 в каждой смене работала с лопатами бригада из 40 человек.

При переходе на безэстакадный намыв [6] в смене работал один бульдозерист, один крановщик гусеничного крана, один рабочий карты намыва. По существу безэстакадный намыв стал революцией в технологии намыва, и эстакадный намыв в России больше не применялся.

 

11.7. Безэстакадный и низкоопорный способы намыва плотин

В настоящее время намыв плотин выполняется повсеместно безэстакадным способом, который был впервые применен при намыве ядерной Мингечаурской плотины в 1952 г. на намыве призм откосов из песчано-гравийных грунтов [4]. Этот способ заключался в следующем:

1. Намыв производился из торца пульпопровода; 2. Намывные трубы были специальной конструкции: звено трубы длиной 6 м, с одного торца оснащалось раструбом, соединительной петлей и скобой для подъема звена с помощью гусеничного крана, другой торец трубы оснащался уплотнением из резиновой манжеты, и крючком для соединения петлей навешиваемого звена трубы; 3. Первое звено соединялось с магистральным пульпопроводом от земснаряда и укладывалось на грунт; 4. Гусеничный кран поднимал торец звена на 50 — 30 см выше грунта основания и давалась команда на земснаряд на подачу пульпы; 5. При намыве конуса грунта слоем до 30 см без остановки подачи пульпы краном подавалась с откоса плотины заранее подготовленное второе звено, которое раструбом входило в торец первой трубы и закреплялось петлей помощником крановщика. При этом крановщик мог поворачивать навешенное звено горизонтально и вертикально на угол до 150 — 200, направляя струю пульпы в сторону обвалования откоса или во внутрь карты намыва; 6. После намыва слоя грунта в 30 см присоединялась следующее звено намывного пульпопровода, и так до достижения конца карты намыва. 7. По достижению торца карты намыва начиналась разборка звеньев намывного пульпопровода без остановки подачи пульпы с намывом следующего слоя грунта в 20 — 30 см; 7. Освобожденное звено укладывалось на откос плотины в сфере действия стрелы крана.; 8. Кран переезжал на противоположный откос карты и челночная операция намыва продолжалась. 8. В это время с помощью бульдозера из намытого слоя грунта у первого откоса создавался валик обвалования высотой до 1 м с необходимым отступлением внутрь карты, сообразуясь с выставленном лекалом откоса плотины.

Таким образом, намыв мог продолжаться почти беспрерывно, остановки имели место только на переезд крана и подъема патрубка магистрального пульпопровода, который обычно оборудовался напорным рукавом. Иногда, при необходимости, на одну карту подавали пульпу два земснаряда на оба откоса карты, но такие случаи были редкими, т.к. оба земснаряда при этом должны были работать почти синхронно.

На рис. 11.7.1. изображена конструкция звена раструбной намывной трубы.

Рис. 11.7.1. Соединение раструбных труб

1— конец трубы с резиновым кольцом уплотнения; 2— конец трубы с раструбом; 3 — петля; 4— глухое крепление петли; 5 — крюк крепления петли; 6 — раструб; 7 — резиновое кольцо уплотнения; 8 — бурты из прямоугольной стали; 9 — сварка

На намыве плотин Куйбышевской ГЭС был сосредоточен большой парк земснарядов разных типов:

земснарядов среднего класса типа 300—40 (подача по воде 3000м3/час),

т м3/час), тттипа 500/60 (подача 5000 м3/час) и самых мощных 1000/80 (подача 10000 м3/час). Безэстакадный намыв был освоен на земснарядах всех типов с намывными раструбными трубами Д = 600 мм для земснарядов 300/40 и 500/60, и звеньями труб Д = 800 мм для земснарядов 1000—80. Звенья Д = 800 мм были на предельной грузоподъемности для применяемых на намыве гусеничных кранов ПК-2.

Успешное применение этого способа в Мингечауре было перенесено по инициативе управляюшего трестом «Гидромеханизация» Минэнерго СССР С. Б. Фогельсона в 1953 г. на намыв песчаных плотин Куйбышевской ГЭС. У инженеров гидромеханизации вызывало сомнение возможность перемещения гусеничного крана по поверхности свежего намытого полностью водонасыщенного песчаного грунта, когда перемещение человека не всегда было возможным. Но применение торфяных кранов ПК — 2 и КПТ — 1 Ивановского завода торфяных машин с уширенными траками гусениц и удельным давлением на грунт 0.15 — 0.2 кгс/см2, оказалось оправданным. Производственные испытания одновременно проводились на 6 —ти картах намыва и закончились полным успехом. Безэстакадный намыв быстро вытеснил намыв с высоких эстакад на всех объектах гидромеханизации, избавив от большого расхода лесоматериала и ручного обвалования [9].

Лабораторными анализами было установлено, что плотность намываемых грунтов выше, чем при эстакадном намыве за счет воздействия мощной струи, вытекающей из торца пульпопровода, но при этом «пляжный» откос на карте намыва стал положе. На рис. 11.7.2. изображена схема безэстакадного намыва.

На рисунке 11.7.3. показан одновременный намыв плотины с обеих откосов, в большинстве случаев намыв осуществлялся одним земснарядом с одним краном, меняя откосы после каждого цикла попеременно.

Рис. 11.7.2. Наращивание раструбных труб при безэстакадном намыве  [9].

Прудок при этом несколько смещается с оси плотины при каждом цикле.

Повсеместрное внедрение беээстакадного намыва ограничивалось приобретением техники: гусеничных кранов и бульдозеров на тракторе С-100, эти машины были дефицитными.

Промежуточным решением для земснарядов малого и среднего класса было использование низкоопорного намыва с эстакад высотой до 1 метра. Этот способ получил распространение еще до 1953 г. [8]. Он заключался в намыве слоя грунта из торца пульпопровода, следующая труба наращивалась с помощью крана-трубоукладчика, и присоединялась с помощью хомутового соединения к предыдущей трубе. После достижения торца карты намыва пульпопровод демонтировался при работающем земснаряде, деревянные опоры извлекались и процесс повторялся со стороны другого откоса, а из намытого слоя бульдозером ДТ-75 поднимался валик обвалования. При использовании для малых земснарядов фанерных труб Д = 200 — 300 мм их укладка могла производиться вручную при отсутствии механизмов.

Рис. 11.7.3. Карта намыва сооружения, возводимого из торцов трубопроводов без эстакад с центральным прудком

1 — боковые призмы плотины; 2 — ядро плотины; 3 — прудок-отстойник; 4 — продольный коллектор; 5 — сбросной колодец; 6 — шандорные доски (обшивка колодца); 7 — обвалование; 8 — намытый грунт («пляж»); 9 — краны на гусеничном ходу; 10 — трубопровод, собранный из звеньев раструбных труб; 11 — звенья трубопровода на наружном откосе; 12 — поток пульпы из торца трубопровода

Но на мощных земснарядах использовался только безэстакадный намыв с торфяными кранами и бульдозерами.

Серийные бульдозеры часто не успевали выполнить подъем обвалования на карте намыва ни по производительности, ни по высоте валика грунта, и земснаряды простаивали из-за неготовности обвалования. Военная инженерная техника — мощный бульдозер ДЭТ-250 применялся на ряде объектов, по своей маневренности и мощности он своевременно обеспечивал возведение обвалования высотой валика до 1.5 м без остановки земснаряда на ожидание его возведения.

Рис.11.7.4. Земснаряд 1000—80 в забое на строительстве Куйбышевской ГЭС .

Специально для скоростного строительства Куйбышевской ГЭС было построено 8 этих мощных земснарядов. Они хорошо зарекомендовали себя при безэстакадном намыве, при намыве с высоких эстакад земснаряды 1000—80 с подачей 1000 м3/час грунта больше простаивали, чем работали, в ожидании постройки намывного пульпопровода.

В настоящее время в основном используются земснаряды малого класса с диаметром пульпопровода 200 мм и производительностью по воде 200 — 800 м3/час и низкоопорный намыв не утратил своего применения.

 

11.8. Ядерные намывные плотины

Как отмечалось выше, большинство построенных земляных намытых плотин после перехода на безэстакадный способ относятся к классу однородных безядерных плотин, хотя наличия ядра сокращает фильтрацию через тело плотины и объем самой плотины. Объясняется это следующими причинами:

1. Для создания гравийных призм и глинистого ядра необходимо располагать месторождением песчано-гравийного грунта с включением глины. Далеко не всегда такие месторождения имеются вблизи будущей плотины.

2. Регулирование раскладки грунта в теле плотины можно выполнять только размерами прудка: его длиной и глубиной с помощью установки слоя перелива воды через шандоры сбросного колодца. В литературе (Нурок) приведены расчеты размеров прудка как отстойника с определенной длиной и глубиной для обеспечения выпадения глинистых частиц. Но при безэстакадном намыве пульпа поступает на карту из торца наращиваемого пульпопровода, которая при выполнении цикла поступает на карту в створе колодца, при этом прудок не имеем длины и все мелкие частицы грунта сбрасываются в колодец. Поэтому метод расчета намыва с прудком не имеет аналогии с отстойником.

При эстакадном намыве с равномерным поступлением пульпы на обе стороны карты, и при тщательном контроле, можно обеспечить определенные размеры прудка, и его можно рассматривать как отстойник с определенными параметрами, но и по мере увеличения высоты намыва плотины эти параметры изменяются.

3. Производительность земснаряда при разработке гравийных грунтов, особенно с включением валунов, в несколько раз менее чем при разработке песчаных грунтов. Применение мощных земснарядов на разработке песчаных грунтов при безэстакадном намыве обеспечивает низкую себестоимость намыва грунта. Поэтому устойчивость откосов и уменьшение фильтрации можно обеспечить уширением плотины, уположением откосов, и при увеличении объема себестоимость работ при намыве однородной плотины будет ниже стоимости возведения ядерной плотины.

Плотина Цимлянской ГЭС проектировалась как приближающееся к ядерной, но приведенные в отчете фактические сведения о полученном коэффициенте фильтрации в призмах и центральной прудковой зоне подтверждают почти однородность грунтов в намытой плотине.

Лабораторными исследованием отобранных проб грунта установлено, что коэффициент фильтрации песков в центральной части составляет 0.003 — 0.06 см/c, боковых призм 0.006 — 0.07 см/с. Эти данные получены при эстакадном намыве и жестком контроле за параметрами прудка.

Поэтому к чисто ядерным намывным плотинам можно отнести только несколько построенных плотин, в том числе плотину Мингечаурской ГЭС рекордной высоты 80 м. Но там использовался намыв с высоких эстакад и специальная подготовка гравийно-песчаной смеси с глиной в бункере из привозных грунтов разных карьеров. Её профиль и гранулометрический состав приведен в разделе 11.3.

 

11.9. Плотины с пляжным динамически волноустойчивым откосом

К третьему типу намывных плотин, нашедшим широкое применение при строительстве сравнительно низких дамб высотой до 5—7 м относятся песчаные и песчано — гравийные дамбы с неукрепленным пляжным динамически волноустойчивым откосом. Идея возможности возведения таких дамб взята от природных естественных морских пляжей Балтийского моря, где даже на очень мелких песках Рижского залива сохраняются берега с подводным заложением откоса до m = 100 -200. Изучением этого природного явления занимались русские ученые, в том числе академик М. А. Великанов.

Сегодня расчет таких дамб введен в [1] как рекомендуемый. Намыв таких дамб производится со свободным пляжным откосом m = 30 — 40 со стороны водохранилища, и принудительным откосом m = 2—3 с противоположной стороны. Грунт для намыва такой дамбы желательно подбирать из близлежащих месторождений с максимально возможной крупности частиц, включая гравий. От крупности частиц грунта и способа намыва зависит заложение откоса.

Как правило, обычно, намыв осуществлялся торцевым безэстакадным способом с большим заложением откоса, известно, что при рассредоточенном намыве из выпусков пульпопровода можно получить заложение откоса до полутора раз меньший. Но получаемый пляжный откос должен иметь заложение выше расчетного, рекомендованного СНиП 2.06.05—84* на воздействие волны. Приводим этот расчет.

 

11.10. Определение крутизны волноустойчивого неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта при профиле динамического равновесия

Предварительная оценка параметров динамически устойчивого при воздействии волн профиля неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта («профиля динамического равновесия») может быть выполнена по формулам:

(1)

где m — коэффициент откоса;

m о  — коэффициент естественного откоса грунта тела плотины под водой;

h cdl  — высота расчетной волны, м;

λ — длина расчетной волны, м;

d o  — средневзвешенный диаметр частиц грунта тела плотины, м;

(2)

где d i  — размер фракций, м;

р i  — доля фракций, % по массе;

k l  — коэффициент, принимаемый:

k l = 0,37 для подводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды в водохранилище (или в реке) до нижней границы размывающего действия волн (h 2 ), определяемой по формуле

(3)

k l = 0,17 для надводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды до верхней границы размывающего действия волн (h 2 ), зависящей от высоты наката, определяемой по СНиП 2.06.04—82*. В первом приближении можно принять h 2 = 05 h cdl (см. чертеж).

Определение крутизны верхового неукрепленного откоса песчаной плотины. 1 — расчетный уровень воды; 2 — участок откоса при k l  = 0,37; 3  — то же, при k l  = 0,17

Примечания:

1. При определении крутизны динамически устойчивого откоса необходимо учитывать размывающее влияние косого подхода волн, особенно сильно проявляющееся при углах подхода a = 45—57°.

2. Профиль сооружений необходимо уточнять по данным лабораторных или натурных исследований на основе результатов эксплуатации земляных сооружений с неукрепленными откосами, построенных из аналогичных грунтов и в условиях, близких по волновым и ветровым воздействиям.

В целях сокращения объема дамбы со свободным откосом инженером Н. Н. Кожевниковым [13], был предложен намыв из выпусков раструбных труб на инвентарных опорах специального профиля высотой до 1 м, приведенного на рис. 11.10.1.

Рис. 11.10.1. Звено пульпопровода с опорой и выпуском для рассредоточенного намыва: {13}

1 — стальная труба; 2 — верхний крюк с заглушкой; 3 — чалочная скоба; 4 — крюк соединительный; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — нижний выпуск с внутренней заглушкой; 7 — опора звена; 8 — торцовая стенка опоры; 9 — намытый грунт; 10 — конусный раструб; 11 — скоба соединительная.

Производственные испытания пульпопровода протяженностью до 100 м. собранного из таких труб с опорами и выпусками, были проведены на дамбах ограждения пруда — охладителя Курской АЭС. Звенья пульповода предварительно монтировались с помощью гусеничного крана и легко извлекались после рассредоточенного намыва из выпусков из грунта и переставлялись на высший ярус. Схема полученного откоса при торцевом намыве и из выпусков устройства, показана на рис. 11.11. приведена ниже. Сокращение объема дамбы составило около 500 тыс. м3 грунта.

Рис. 11.10.2. [13]

Поперечное сечение намытой дамбы берегоукрепления пруда-охладителя:

1 — при безэстакадном торцовом способе намыва; 2 — при рассредоточенном намыве из выпусков звеньев пульпопровода

Успешный результат широких производственных испытаний позволяет рекомендовать эту технологию и устройство для использования на намыве дамб со свободным откосом в гидротехническом и дорожном строительстве.

 

11.11. Контроль качества намывных плотин и соблюдение экологии при строительстве

Ввиду высоких требований к объектам повышенной опасности, к которым относятся плотины, на каждом строительстве плотин I — III класса при дирекции строящегося объекта организуется отдел технической инспекции и грунтовая лаборатория с постами контроля на месте производства работ. Инспекция имеет широкие полномочия вплоть до остановки работ при нарушении регламента.

В основании плотины закладываются плиты-марки для наблюдения за осадкой основания и необходимые датчики контрольно-измерительных приборов. Выставляется и закрепляется по внешним реперам и пунктам триангуляции ось сооружения. Выставляются деревянные откосники сооружения и геодезическая служба подрядчика разбивает и закрепляет перенос дамбочек обвалования при переходе на следующий ярус по высоте.

Контрольный пост лаборатории отбирает пробы грунта с привязкой в плане и вертикали на плотность и гранулометрический состав. Проектом сооружения устанавливается контрольная плотность намываемого грунта, которая сопоставляется с отобранными пробами. При отклонениях от проектных величин контрольный пост немедленно докладывает руководству для принятия необходимых мер.

Отбираются также пробы на содержание грунта в осветленной воде. Обычно содержание глинистых частиц в сбрасываемой с карты намыва осветленной воде составляет 3—5% от объема подаваемого карьерного грунта. Эта величина зависит от гранулометрического состава грунтов карьера и в меньшей степени от управления зоной прудка при намыве.

Загрязнение сбросной водой водоемов и рек является одной из самых больших проблем применения способа гидромеханизации. Радикальным способом избавления от загрязнения рек служит изоляция карьера от реки или водоема, когда сбрасываемая вода с карты намыва поступает в выработанное карьерное пространство, в котором и оседают сбрасываемые мелкие частицы грунта. При этом земснаряд работает по схеме кругооборота воды.

Но не всегда удается изыскать месторождение для организации изолированного от реки карьера, и приходится разрабатывать речное месторождение, и, следовательно, сбрасывать загрязненную воду в реку, что в принципе недопустимо, если ниже по течению находится питьевой водозабор.

В этом случае рядом авторов, в том числе профессором Г. А. Нурком, [8] предлагается организовать специальный пруд — отстойник для отложения в нем глинистых частиц. В практике такая организация работ не встречалась, так как значительно удорожает стоимость плотины. В будущем устройство отстойников может быть перспективным. Но и устройство дополнительного отстойника в ряде случаев не может полностью задержать глинистые частицы с электрическим зарядом. Такие частицы практически не выпадают в осадок.

НИР и ОКР по применению электрофореза и полиакриломида для интенсификации процесса осаждения частиц грунта в воде пока не вышли из стен лабораторий, и практически не используются.

Ужесточение охраны окружающей среды в ряде стран, в том числе в США, привело к запрету использования намыва плотин. Более того, в США ряд плотин начали разбирать, несмотря на высокую стоимость этих работ. Атомная энергетика стала вытеснять строительство ГЭС, хотя и в ней есть не меньшие нерешенные проблемы.

 

11.12. Доработка плотин после намыва

Намыв тела плотины является первым основным этапом её сооружения, после него производят работы по планировке откосов, устройству фильтров, защите напорных откосов от волнового воздействия, устройству парапета, укреплению низовых откосов посевом трав, прокладке по гребню плотины дорог и других коммуникаций.

Остановимся на тех работах, которые связаны непосредственно с доработкой работ гидромеханизации. К ним относится надежная заделка водосбросных коллекторов, погребенных в тело плотины, ибо металлические трубы коллекторов, обычно пересекающих половину сечения плотины, подвержены ржавлению и могут являться активным источником фильтрации, вплоть до разрушения самой плотины. Поэтому техническая инспекция требует полного заполнения труб коллекторов песчаноцементным раствором.

Эта, на первый взгляд простая операция, может превратиться в сложную инженерную проблему, если не будет достигнуто полного заполнения трубы коллектора раствором, что произошло при заделке коллекторов плотины на строительстве Куйбышевской ГЭС. Прежде всего, должен составляться детальный проект организации работ, который должен неукоснительно соблюдаться, а сам процесс строго контролироваться.

Предварительно концы труб коллекторов были заглушены стальной заглушкой, а перед заглушкой врезана труба d = 200 мм для выпуска воздуха, воды и контроля заполнения раствором.

Трубы коллекторов на Куйбышевгидрострое были диаметром Д = 1000 мм, протяженностью до 250 м, объем заполнении трубы составлял вместе с вертикальным стояком 220 м3 раствора. Состав песчано-цементного раствора с добавкой сульфитно — спиртовой бардой (ССБ) для увеличения подвижности подбирался центральной бетонной лабораторией.

Задача сводилась к продвижению раствора под давлением 27,5 м вод. ст. (высота плотины) на длине трубы 250 м до потери подвижности раствора в течение 8 часов, и подаче раствора с бетонного завода не менее 30 м3/час. Доставка раствора выполнялась автосамосвалами МАЗ-205 с наполнением кузова 2 м3 раствора и уплотнением в заднем откидном борту. Было выделено 15 автосамосвалов для доставки раствора к стоякам коллекторов, оборудованных приемным бункером. С бетонно-растворным заводом был согласован график подачи раствора.

Для заполнения одного коллектора раствором необходимая интенсивность подачи составляла 15 автосамосвалов в час беспрерывно в течение не менее 8 часов.

Это условие не было выдержано, начали заливать раствором одновременно несколько коллекторов. В результате раствор остановился на 50 м от колодца при полном заполнении стояка на пяти коллекторах.

Техническая инспекция стройки потребовала полного заполнения труб коллекторов раствором. Подача раствора оставалась возможной только с нижнего конца коллектора. Автором главы был разработан специальный сложный проект, который удалось осуществить с большими потугами и риском. Положение еще усугубилось тем, что при строительстве дренажной призмы концы коллекторов были вырезаны и потеряны. Геодезическая привязка коллекторов была выполнена неверно и пришлось предварительно искать погребенные на 6 м в тело плотины концы коллекторов гидравлической иглой (труба d = 12 мм с шлагом и подачей воды с давлением 1 МПа). Описанный случай свидетельствует о необходимости точного соблюдения проекта заполнения раствором коллекторов.

Проект заделки сбросной системы по окончании намыва земляной плотины путем бетонирования концов коллектора и заливки трубы цементным раствором приведен на рис. 11.12.1. [4].

Рис. 11.12.1. Заделка шахтных колодцев и коллекторов по окончании намыва [8]

1 — коллектор, заполняемый цементным раствором: 2 — шахтный сбросной колодец, засыпаемый грунтом (стояк заделывают бетоном); 3 — противофильтрационные диафрагмы; 4 — объем грунта; удаляемый при откапывании трубы для ее заделки бетонной пробкой и восстанавливаемый укладкой вручную; 5 — объем заделки конструкций колодца, удаленных на глубину до 2 м; 6 — бетонные пробки; 7 — удаляемая часть трубы.

Операции выполнения работ по заделке колодца и коллектора понятны из описания рисунка. Другой операцией по доработке плотины, связанная с окончанием её намыва, связана с планировкой откосов. При создании промежуточных дамбочек обвалования в процессе намыва верхний слой откоса толщиной 1 — 0.5 м имеет предельно низкую плотность и подлежит удалению. Планировка производится по выставленным шаблонам проектных откосов с помощью срезки грунта с помощью бульдозеров и грейдеров. Срезанный вниз грунт разравнивается у основания откосов.

Рис. 11.12.2. Бетонирование участка плотины Куйбышевской ГЭС. 1954 г.

Дальнейшие работы по отсыпке фильтров, устройству дренажа, бетонированию или мощению верхового откоса обычно выполняются управлением механизации строительства. Но в зимний период (при простое земснарядов) для загрузки рабочих крепление откосов не редко выполняется гидромеханизаторами без применения специального оборудования.

 

11.13. Расчет фильтрации, оплывания и устойчивости откосов плотины во время намыва

Почти все грунтовые плотины при строительстве ГЭС Волжско-Камского и Днепровского каскадов возводились способом гидромеханизации из песчаных грунтов. Все эти плотины проектировались институтом «Гидропроект». Надежность намывных плотин подтверждена их многолетней безотказной эксплуатацией.

Вместе с этим, в процессе намыва, на ряде объектов происходили оплывание и оползни откосов во время намыва. Эти случаи объясняется тем, что намыв плотины производится в гораздо более тяжелых условиях, чем в расчетных режимах эксплуатации с дренажными устройствами. Как правило, намыв плотины производился до устройства постоянного дренажа, в условии постоянного полного водонасыщения тела плотины водой гидросмеси от мощных земснарядов с расходом от 4000 м3/час до 10000 м3/час, при высоте плотин в отдельных случаях до 80 м (плотина Мингечаурской ГЭС).

Оплывания и оползни откосов при намыве случались не часто. Это можно объяснить большим заложением откосов и большим коэффициентом надежности, принимаемым генпроектировщиком, а также тем, что основание большинство пойменных и русловых плотин было дренирующими, а подаваемый расход воды кроме сброса в водоотводящие устройства, фильтровался через два откоса плотины и основание. Происходящие случаи оползания откосов обычно не были катастрофическими и быстро устранялись.

Но при водонепроницаемом основании положение усложняется, так как весь поток фильтрации при намыве истекает только через нижнюю часть откосов намываемой плотины. Случай оползня произошел при намыве пойменной плотины на строительстве Куйбышевской ГЭС, где не были полностью удалены суглинки основания береговой части Волги [1].

Был и катастрофический случай в Киеве в 1961 г. при многолетнем заполнении гидроотвала оврага «Бабий яр» глинистыми нестабилизированными грунтами (рис. 2). Госкомиссия по выяснению причин прорыва дамбы с образованием селя, выявила многочисленные нарушения, как при проектировании, так и при эксплуатации гидроотвала. (Рис. 1.1. повтор в начале}

Комиссия отметила, что проектной конторой гидромеханизации Минмонтажстецстроя, выполнявший проект, не был произведен расчет ограждающей дамбы на устойчивость при намыве, а исполнители не установили должного контроля над производством.

К сожалению, необходимо отметить, что если генпроектировщик выполняет все расчеты для эксплуатации плотины с устройством дренажа, то для процесса намыва плотины не разработана теоретическая база расчетов, кроме общих рекомендаций в нескольких литературных источниках [2, 5].

Натурные исследования кривой депрессии во время намыва плотин выполнялись лишь на плотине Цимлянской ГЭС [3] с применением иглофильтровых установок. Приводим их на рис. 11.13.1.

Рис.11.13.1. Депрессионные кривые при намыве плотины правого берега Цимлянской ГЭС [5].

Основание песчаное. С нижнего бьефа включена двухярусная иглофильтровая установка, понизившая депрессионную кривую до 8 м. Оплывание откоса прекратилось.

Рис. 11.13.2. Депрессионные кривые при намыве плотины левого берега Цимлянской ГЭС Основание суглинистое. Видно выход фильтрационных вод на откос на высоте до 5 м. [5].

При намыве пазух примыкания к устоям водосливной плотины и ГЭС было использовано 15 глубинных насосов АТН-12. С их помощью осушался крутой откос (1: 1) высотой

15 м при суточной интенсивности намыва до 1 м. Оползней откосов не наблюдалось.

Принятые меры по снижению кривой депрессии позволили прекратить и предотвратить оползни откосов.

Поэтому создание базы для расчетов проверки устойчивости откосов плотины при её намыве необходима.

Проектные организации, выполняющие проекты организации работ по намыву, не проверяют профиль плотины, предложенный генпроектировщиком, на фильтрацию, оплывание и устойчивость откосов в период строительства.

В этой статье, в порядке предложения, предлагается упрощенный способ определения фильтрации при намыве плотины [6], и приводятся имеющиеся способы проверки профиля на оплывание откосов и устойчивость.

В приведенном расчете, как наиболее тяжелый случай, рассматривается фильтрация через тело и откосы однородной плотины на водонепроницаемом основании. Длина пути фильтрации принята по средней линии потока от 1/4 верха карты намыва до середины поверхности выхода фильтрации в нижней части откоса. В упрощенных расчетах такое допущение возможно. Для более точных расчетов необходимо построение фильтрационной сетки с помощью прибора ЭГДА или на модели.

В расчете использованы основные формулы фильтрации Дарси [4].

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести или благодаря наличию разности напоров воды в отдельных точек потока. Движение фильтрационных вод подчиняется закону Дарси: q = k ω J (1) , где: q — расход воды м3/с;

k  — коэффициент фильтрации грунта — размерность скорости при перепаде в 1 м вод. ст.;

ω — полная геометрическая площадь сечения потока — м2 или м при задаче в плоском сечении;

J  — гидравлический уклон (градиент) фильтрационного потока — величина безразмерная, равная J = H/l (2), где:

Н  — потеря напора на длине пути фильтрации — м вод. ст.; l  — длина контура фильтрации м;

Из формулы (1) следует, что расход грунтового потока линейно зависит от градиента, что имеет место при ламинарном движении воды.

Закон Дарси выражается также зависимостью: V = k J  (3).

Выражение для скорости V можно записать также в виде: V = q / ω (4),

где V  — фиктивная скорость фильтрации, отнесенная к полному сечению потока ω.

Действительная скорость течения воды в порах грунта равна: V I  = V/n  (5),

где n  — активная пористость грунта.

Для выполнения расчетов прежде всего, необходимо знать коэффициент фильтрации грунтов плотины, которые определяют лабораторно. Примерные осредненные значения коэффициентов фильтрации для различных грунтов помещены в таблице №1 [4].

Таблица №1 [5].

В приведенных ниже примерах коэффициент фильтрации принят как средний в песчаной однородной плотине Цимлянской ГЭС, равный для мелкозернистых и среднезернистых песков k= 0.001  см/c или 0.036 м/час [3]. Следует отметить, что при проектировании плотин высокого класса коэффициент фильтрации нужно принимать по лабораторным исследованиям грунтов плотины, т.к. он может отличаться на порядок и более от табличных значений.

Профиль плотины принят по рис. 4 для расчета конкретного примера. Расход фильтрации одинаков на входе (с карты намыва) и на выходе из откосов. Принято равномерное распределение фильтрации между откосами.

Рис.11.13.3. Схема расчета фильтрации однородной плотины на водоупорном основании в процессе намыва: 1 — прудок на карте намыва; 2 — средняя линия тока фильтрации; 3 — зона выхода фильтрата; 2b —ширина карта намыва; Н — высота карты намыва; h1 = b — высота высачивания вод фильтрации из откоса; q — расход фильтрации из карты намыва (прудка) в нижнюю часть откоса; L — длина средней линии потока фильтрации [2].

Из положения, что расход фильтрации одинаков на входе и на выходе из откоса, можно записать равенство: 1) q вх = k ω вх J; 2) q вых = k ω вых J; Поскольку в уравнениях 1 -2 значения

k и J одинаковы, то ω вх = ω вых; То есть, площадь входа фильтрации равна площади выхода (на 1 м протяженности плотины это линейный размер) b вх = b вых = h1; Зная угол заложения откоса 0  можно получить площадь высачивания потока на откосе:

F 1 = b: sin θ  (6).

Напор на конец средней линии потока будет: H — (7); Длина откоса будет: mH, а длина средней линии фильтрации (примерно) L = mH + b (8), (можно принять измерением по чертежу). Тогда градиент напора J = Н / (mH +b)  (9);

Вычислим расход фильтрации через один откос на 1 м длины плотины:

q = kbJ = kbH/ (mH +b) (10);

С другого противоположного откоса вытекает равновеликий фильтрат.

Суммарный расход составит: Q = 2q.

Фиктивная скорость фильтрации в откосе составит: V = q/F 1 (6) при равном делении фильтрата на откосах. При пористости n действительная скорость истечения будет:

V д = V/n (11);

Проверим предложенную схему расчета на конкретном примере, приняв:

K = 0.036 м/час; H = 20 м; b = 10 м; m = 4; θ 0 = 14 0; n = 0.35

При этом h1 = b = 10 м;

H = 20 м; L = mH + b = 4х20 +10 = 90 м;

J = Н / (mH +b) = 20/ (4 х 20 +10) = 0.22;

q = kbJ =0.036 х 10 х 0.22 = 0.079 м 3 /час на 1 м длины плотины;

Суммарный расход фильтрации Q = 2q = 0.158 м 3  /час на 1 м длины плотины,

На 1 км — 158 м 3 /час или 158/3600 = 0.044 м 3 /c

Фиктивная скорость фильтрации в откосе составит: V = q/b: sin14 0 = 0.079/10:0.242 =

0.002 м/час или 5 х 10 —5 см/c;

Действительная скорость фильтр. Vд = 5 х 10 —5 /0.35 = 1.4 х 10 — 4 см/c;

Будет ли при этой скорости вымывание из тела плотины мелких частиц грунта?

Это зависит от состава грунта плотины и градиента скорости. Такая методика существует, но она сложна в вычислениях [2]. Воспользуемся графиком В. С. Истоминой, приведенной в [2]. По принятому нами грунту песчаной плотины Цимлянской ГЭС [3] коэффициент неоднородности грунта ŋ = d60 /d 10 не выходит за значения 2 — 4. При градиенте J = 0.22  по графику Истоминой [2] наш случай находится в зоне безопасных градиентов.

По другой методике, приведенной в [4], расчет устойчивости откоса на оплывание в месте выхода фильтрационного потока на поверхность зависит от зависимости: tg θ≥ 0.5 tg φ, где θ угол откоса, в нашем случае θ = 140, а tg 140 = 0.25. Угол внутреннего трения φ может быть определен по таб. 2 [4]. Для влажного песка φ =20 0, а tg 200 = 0.36. Тогда: 0.25 ≥ 0.18; Из этого следует, что откос 1: 4 устойчив от оплывания.

Рис.11.13.4. Минимальные (безопасные) градиенты, при которых отсутствует суффозия в несвязанных грунтах в зависимости от неоднородности грунтов [2].

(По В. С. Истоминой) [2]

Следующим этапом проверки откоса на устойчивость выполняется по методу К. Терцаги по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения. Этот способ давно применяют в расчетах устойчивости откоса, он описан во многих литературных источниках [5,4,3], и приводить в статье не целесообразно. Вычисления вручную занимают много времени, но сегодня существуют программы для ЭВМ. В расчете при намыве плотины не следует забывать, что грунт плотины целиком насыщен водой, и это обстоятельство, снижающее устойчивость откоса, непременно нужно учитывать.

Рядом авторов и институтом Водгео на базе проверки откоса на устойчивость по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения определены значения углов прямолинейных откосов для однородных грунтов, в зависимости от характеристик грунтов [2]. Данные эти приведены на графике рис. 6. Зная объемный вес грунта γ 1, угол внутреннего трения грунта φ, сцепление с и высоту откоса h, можно определить угол безопасного откоса [Гришин, стр. 387].

Рис.11.13.5. График для расчета устойчивости откоса [2].

Для рассматриваемого случая песчаной плотины сцепление С = 0. При принятом угле внутреннего трения φ=200 безопасный угол откоса θ по графику равен 200, в профиле плотины мы приняли этот угол θ = 140, то есть принятый нами откос при m = 4 будет безопасным, что подтверждается и ранее принятыми расчетам.

Для сравнения полученных результатов по предложенной автором методике расчета фильтрации [6] при намыве плотины, произведем расчет фильтрации для эксплуатационного случая аналогичной плотины на водонепроницаемом основании [2, c. 373 — 375].

Расчетная схема приведена на рис. 8.

Определим это смещение: = 4/ (1 +2х4) = 0.44; λ= 0.44;

λ=m/ (1+2m)

λН = 0.44 х 20 = 8.8 м;

Рис.11.13.6. Схема к расчету фильтрации через однородную плотину на непроницаемом основании: Н — напор на плотину -20м; заложение откоса m = 4; ширина плотины на горизонте верхнего бьефа-20 м; а0 — высота выхода кривой фильтрации на откос; λН — смещение осей координат; [2].

Высота фильтрации: а 0 = S 1 /m — [(S 1 /m) 2  — H 2 ] 0.5  = 108.8/4 — [(108.8/4) 2 — 20 2)] 0.5 = 8.8 м;

Расход фильтрации:

q = k (H 2  — а 0 2 ) / 2 ( λ Н+s) = 0.036 (202 — 8.82) /2 (8.8 +64.8) = 0.079 м 3/час;

При фильтрации при намыве плотины мы вычислили расход фильтрации на один откос

q = 0.079 м3/час, а на оба откоса q = 0.158 м3/час. Из полученных результатов, фильтрационные расходы через один откос равновелики, как при эксплуатации плотины, так и при её намыве. Но высота выхода фильтрационной кривой на откосе несколько различна: при намыве плотины — 10 м, в эксплуатационном случае — 8.8 м. Это укладывается в точность примерных расчетов. Значение величин близкое. До набора водохранилища, по условию не промерзания фильтрата, в плотине необходимо устройство дренажа. В обоих случаях откосы плотины с принятым заложением 1: 4 устойчивы, в том числе на суффозию.

Чтобы убедиться в применимости расчета фильтрации по средней линии потока проведем его для сопоставления с принятым по [2] для эксплуатационного случая.

Схема к расчету — на рис. 8.

Рис.11.13.7. Схема к расчету фильтрации плотины из однородного грунта на водонепроницаемом основании по методу средней линии потока: 1 — верх плотины и горизонта воды в верхнем бьефе: 2 — примерная линия депрессии фильтрации F -N; 3 — средняя линия потока фильтрации C — Д — N, протяженность — L = 100 м; q — расход фильтрации м3 /час; Н = 20 м — напор и высота плотины [2].

Как видно из рисунка 8, он повторяет конфигурацию и параметры рис.7, принятого для расчета фильтрации по [2].

Проведем расчет по методу средней линии потока фильтрации, приняв за основу формулу Дарси: q = kωJ (1). Верхний клин плотины А — Т — F по [2] почти не влияет на расход фильтрата q, им можно пренебречь, считая начало фильтрации от линии F-C-T.

Определим градиент напора J =H 1 /L; Напор H 1 = 10 м на средней линии напора, L =100 м;

J =H 1 /L = 10/100 = 0.1; k = 0.036 м/час (как и в предыдущей задаче); ω — площадь потока, в плоской задаче на 1 м длины плотины — высота F-C-T = 20 м; Тогда расход фильтрации в нижний клин откоса равен: q = 0.036 х 20 х 0.1 = 0.072 м3 /час, то есть одинаков с решением по [2].

Отсюда — вывод, что для грубых оценок, метод расчета по средней линии потока фильтрации, который использован в этой статье, применим.

Конечно, нужно выполнять НИР и ОКР по исследованию фильтрации и устойчивости плотин и гидроотвалов в процессе намыва, поскольку он связан с безопасностью сооружений и людей, а сегодня по существу нет теоретической базы для практических расчетов.

ВЫВОДЫ:

1. Проверка устойчивости откосов плотины и определение фильтрации во время намыва способом гидромеханизации должна проверяться при проектировании, с целью исключения аварийных последствий при производстве работ, в том числе на гидроотвалах, как это и предусмотрено [5].

2. Предлагаемые выражения (6 — 11) для вычисления параметров фильтрации из откосов при намыве плотины из однородных грунтов на водонепроницаемом основании можно рекомендовать для примерных поверочных расчетов.

3. Для более точных расчетов рекомендуется построение фильтрационной сетки с использованием способа ЭГДА, моделирование, и создания методики расчетов для включения в нормативные документы.