Глинистые грунты в противофильтрационных экранах
О применении глинистых грунтов четвертичных отложений в противофильтрационных экранах гидротехнических сооружений.

Гидротехнические сооружения оказывают значительное влияние на окружающую среду, нередко вызывая развитие новых геологических процессов и активизацию старых связанных с подъемом уровня грунтовых вод, фильтрацией воды в обход сооружений и изменением физико-механических свойств грунтов их основания. Это приводит к необходимости выполнения большого объема работ по ликвидации отрицательных последствий строительства, в одних случаях непосредственно в процессе строительства, в других – спустя десятки лет после окончания строительства и ввода сооружения в эксплуатацию.

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду многие современные гидротехнические сооружения обустраивают противофильтрационными экранами.

Конечная цель создания таких экранов может быть различной: предотвращение оползневых и обвальных процессов на естественных склонах (например, верхний водоем Днестровской ГАЭС), защита сооружения от просадочных явлений при замачивании основания (например, водоприемник МГЭС на канале Баксан-Малка), защита от затопления подземных выработок (например, БСР Зеленчукских ГЭС), предохранение грунтовых вод от загрязнения (например, полигоны по захоронению ТБО, пруды-отстойники и накопители сточных вод в Московской области, МГУП «Мосводоканал»), исключение суффозионных процессов в береговых примыканиях и основании водоподъемных плотин (например, проектируемый в САР гидроузла Халибия-Залябия) и др.

Площадь грунтовых противофильтрационных экранов составляет от нескольких до сотен гектар, при этом они должны быть практически водонепроницаемыми. Согласно справочника проектировщика «Гидротехнические сооружения» [1] значение коэффициента фильтрации грунта в теле экрана должно быть не больше 1×10-7 см/с. Однако не из всех глинистых грунтов можно выполнить противофильтрационные экраны, отвечающие вышеприведенным требованиям. Известно, что четвертичные отложения обладают пестрым литологическим строением, которое выражено в проявлении песчаных и пылеватых прослоев и линз в толще суглинков и глин. Такие грунтовые отложения, на которых чаще всего производиться строительство, в естественном залегании характеризуются по результатам инженерных изысканий значениями коэффициента фильтрации А×10-5÷ А×10-6 см/с, где А – любое число от 1 до 9. При этом содержание глинистых частиц (условный диаметр <0,005 мм) в рассматриваемых грунтах составляет ~ 18-40 % (Рис. 1). Являясь глинистыми грунтами, как правило, различного генетического происхождения, например для экранирования золоотвала Рязанской ГРЭС было намечено применить аллювиальные суглинки, для БСР Зеленчукских ГЭС – лессовидные и аллювиальные суглинки, на 4ой и 8ой иловых площадках Курьяновских очистных сооружениях (КОС) делювиальные, моренные суглинки и глины, для карьера «Никульское» — лимний и грунты органогенного происхождения – число пластичности у таких грунтов изменяется от 10 до 20.  Глинистая составляющая таких грунтов обычно характеризуется каолинит — гидрослюдистым или монтмориллонитовым минералогическим составом, который обуславливает их достаточно высокие пластические свойства. Наличие глинистой фракции в грунтах существенно влияет на распределение параметров уплотнения (плотность-влажность) и тем самым влияет на фильтрационную прочность грунтов при различных уплотняющих нагрузках. Результаты лабораторного уплотнения грунтовой смеси, приготовленной из таких суглинков при различных методах  уплотнения показали следующее (см. рис. 2):

—      при ударном уплотнении по ГОСТ 22733-2002 (Россия) оптимальная  влажность составила Wор=0,165 при максимальной плотности сухого грунта ρdmах =1,76 т/м3 ;

—      при ударном уплотнении по методу AASHO Т180-82 (США) оптимальная           влажность –Wор =0,145 при максимальной плотности ρdmах =1,88 т/м3;

—      при облегчённом уплотнении (Швеция) оптимальная влажность Wор составила 0,245 при плотности сухого грунта ρdmax=1,52 т/м3.

Как показывают экспериментальные исследования, оптимальная влажность и максимальная плотность исследуемого грунта, полученные ударным уплотнением по ГОСТ 22733-2002, соответствуют влажности и плотности, получаемым на этом же грунте при статическом уплотнении нагрузкой   0,2-0,4   МПа.    При  статическом  уплотнении  нагрузкой 0,6-0,8 МПа влажность и плотность грунта соответствует параметрам плотности-влажности, полученным по методу AASHO Т180-82 (США).

По результатам ударного уплотнения для снижения водопроницаемости глинистых грунтов по [2] в диапазоне кривых водонасыщения Sr=0,8-1,0 выделена зона параметров плотности – влажности, рекомендуемая для укладки грунтов в противофильтрационный глинистый экран. Влажность укладываемого грунта соответствует его полутвердой, тугопластичной и мягкопластичной консистенции позволяющий выполнять земляные работы широко применяемыми строительными  механизмами. При минимальной допустимой влажности, равной нижнему пределу пластичности Wp и характеризующий

Рис. 1. График гранулометрического состава суглинков четвертичных отложений 4-й иловой площадки КСА в сравнении с составом грунтов вскрыши карьера «Никульское», грунтов защитного  экрана золоотвала Рязанской ГРЭС и бассейна суточного регулирования (БСР) Зеленчукских ГЭС:

А — диапазон изменения гранулометрического состава грунтов  четвертичных отложений 4-й иловой площадки КСА;

Б — то же, для грунтов вскрыши карьера «Никульское»;

В — то же, для грунтов экрана золоотвала Рязанской    ГРЭС;

Г — то же, для грунтов БСР Зеленчукских ГЭС.


Рис. 2. Определение области контрольных параметров укладки суглинков в защитный экран по результатам лабораторного уплотнения:

1 – уплотнение грунта по ГОСТ 22733 – 77 (Россия);

2 – усиленное уплотнение грунта по AASHO T 180 – 82 (США);

3 – облегченное уплотнение (Швеция);

4 – область контрольных параметров укладки суглинков в экран;

rd max – максимальная плотность укладки;

rd min – минимальная плотность укладки;

Wдоп – допустимый диапазон влажности;

Sr – степень влажности.

границу перехода грунта от полутвердой к твердой консистенции, должна быть достигнута его максимальная плотность ρdmах. При максимально допустимой влажности, равной (WL–0,25Ip), характеризующей границу перехода грунта от мягкопластичной к текучепластичной консистенции, должна быть получена минимальная плотность грунта ρdmin. Такие требования обеспечивают параметры укладки суглинков в противофильтрационный экран с граничными значениями плотности сухого грунта ρdmax=1,88 т/м3 и ρdmin=1,52 т/м3 при допустимом диапазоне влажности Wдоп=0,13-0,30 д. ед.

Для предварительной оценки величины коэффициента фильтрации грунтов четвертичных отложений укладываемых  в защитный экран, при заданных контрольных значениях плотности сухого грунта использована зависимость коэффициента фильтрации от коэффициента пористости при различном числе пластичности, приведённая в [3].

Согласно [3] коэффициент фильтрации глинистого грунта определяется по графику, представленному на рис.3. При плотности частиц грунта ρd=2,72 т/м3 коэффициент пористости е для граничных контрольных значений плотности сухого грунта ρd составит для:

ρdmax = 1,88 т/м3 e = 0,44;

ρdmin = 1,52 т/м3 e = 0,78.

При полученных граничных значениях величин коэффициента пористости е=0,44-0,78 в диапазоне  изменения числа пластичности исследуемых суглинков (Iр=7÷14) коэффициент фильтрации изменяется от 9×10-7 см/с до 5×10-9 см/с. При среднем значении Кф≤1×10-7 см/с рассматриваемые для создания противофильтрационных экранов суглинки четвертичных отложений отвечают требованиям справочника проектировщика «Гидротехнические сооружения», СНиП 2.01.28-85 «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию», а также ТСН-30-308-2002 «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов твердых бытовых отходов в Московской области».

Использование способа снижения водопроницаемости глинистых грунтов [2], позволяет создать в грунте диспергационную структуру и тем самым существенно снизить его водопроницаемость.

В этом случае, отсыпка слоёв грунта и его уплотнение выполняется при естественной влажности, которая может изменяться как в сторону её увеличения так и в сторону уменьшения относительно оптимальной влажности оприделяемой по ГОСТ 22733-2002. В зоне полного водонасыщения грунта при различных значениях плотности-

Рис. 3. Зависимость Кф=f(e, Ip) с указанием зоны возможных  значений Кф для суглинков четвертичных отложений

4-й иловой площадки КСА при укладке их в защитный экран. Jp – число пластичности, %.

влажности его коэффициент фильтрации изменяется не значительно. Пояснение этого явления для глинистых грунтов дано в [4] и графически показано на рис. 4.

Изучение зависимости величины коэффициента фильтрации суглинков четвертичных отложений от содержания в них глинистых частиц  после предварительного уплотнения различными нагрузками показало (см. рис. 5), что во всём диапазоне изменения содержания глинистых частиц в суглинках и возможных уплотняющих нагрузок от 0,25 МПа до 0,8 МПа значения  коэффициента фильтрации изменяются   от  5×10-8 см/с до 4 ×10-9 см/с, что также хорошо согласуется с результатами, полученными на основе рекомендаций [3].

Экспериментальные исследования рассматриваемых суглинков проводились на приборе ПФГ-1 при высоких градиентах напора, порядка 400-600. Результаты этих исследований приведены в таблице 1. Как видно из таблицы, полученные значения коэффициента фильтрации составляют А×10-9 см/с, где А = 1 ÷ 9.

Таким образом, суглинки и глины четвертичных отложений, характеризуемые числом пластичности от 10 до 20 при укладке в противофильтрационные экраны  по вышеуказанной методике характеризуются значениями  Кф ≤10-7см/с.

Табл. 1.

№ п/п Влажность W, д.ед. Плотность сухого грунтаrd, т/м3 Число пластичности Ip, % Степень влажности, д.ед. Максимальный градиент фильтрации, ед. Начальный градиент фильтрации, ед. Коэффициент фильтрации кф, см/с
1 2 3 4 5 6 7 8
1 0,208 1,70 15 0,94 580 0 1,3×10-9
2 0,196 1,71 13 0,90 589 0 1,3×10-9
3 0,177 1,95 13 0,87 588 80 3,9×10-9
4 0,174 1,73 11 0,83 587 20 5,0×10-8
5 0,129 1,81 10 0,83 589 0 8,0×10-8



Рис. 4. Зависимость водопроницаемости от влажности при уплотнении

Рис. 5. Зависимость величины коэффициента фильтрации пылевато-глинистой смеси от содержания в ней глинистых частиц после предварительного уплотнения ее нагрузками: 1-Рп=0,2 МПа; 2-Рп=0,4 МПа; 3-Рп=0,6 МПа; 4-Рп=0,8 МПа; 5-диапазон изменения содержания глинистых частиц в четвертичных отложениях 4-й иловой площадки КСА.

Выводы:

  1. Глинистые грунты четвертичных отложений различного генезиса, характеризующиеся числом плотности Ip=10-20, вполне могут быть применимы для создания противофильтрационных экранов гидротехнических сооружений.
  2. Необходимым условием применения этих грунтов является их укладка при плотности и влажности, обеспечивающих степень водонасыщения Sr=0,8÷1,0.
  3. Контроль качества укладки глинистых грунтов в противофильтрационные экраны по степени влажности позволяет производить земляные работы при естественной влажности грунта, подбирая соответствующие механизмы для его уплотнения и исключая необходимость подсушки или увлажнения грунта до оптимальной влажности по ГОСТ 22733-2002.
  4. При создании гидротехнических сооружений на глинистых грунтах четвертичных отложений следует учитывать возможность существенного снижения их водопроницаемости путем переработки и последующего уплотнения.

Список литераторы

 

  1. Гидротехнические сооружения / Г.В. Желязняков, Ю.А. Ибад-заде, П.Л. Иванов и д.р.; Под общ. ред. В.П. Недриги. – М.: стройиздат, 1983. – 543 c., ил. – (Справочник проектировщика).
  2. Патент на изобретение №2325480. Способ снижения водопроницаемости глинистых грунтов при возведении насыпей. Патентообладатель: ОАО «Укргидропроект» (RU). Авторы: Борткевич. С.В. (RU), Бритвин С.О. (RU), Осадчук В.А. (UА), Субота В.И (UА), Хомяк Р.В. (UА). 27 мая 2008 г.
  3. Рекомендации по расчёту обратных фильтров плотин из грунтовых материалов. ВНИИ ВОДГЕО. г. М., 1981. – 23 с.
  4. Строительные свойства уплотнённых глин. (Proc. ASCE, vol.84, № SM2). Перевод № 2055. НИС Гидропроекта, М., 1958, текст.