Технология укладки мелоподобных пород в плотину гидроузла Тишрин

Исследования по обоснованию технологии укладки мелоподобных пород в плотину гидроузла Тишрин

ISSN 0132-2796. Сб. научн, тр. Гидропроекта. 1993. Вып. 154.
УДК 627.8.001.5 : 624.131.25

С. В. БОРТКЕВИЧ, канд. техн. наук;
И. И. ХАБИБУЛЛИН, инж. (НИИЭС)

Совершенствование технологических процессов при возведении грунтовых плотин, разработка новых средств механизации и исследования в области уплотнения нетрадиционных грунтовых материалов открывают широкие возможности по применению низкопрочных и выветрелых пород в плотиностроении. К этой разновидности относятся и мелоподобные породы, имеющие довольно широкое распространение, по мало используемые в гидротехническом строительстве.

Такие грунты применялись в качестве строительного материала сооружении плотин Гевинс Пойнт, Форт Рэндолл, Харлан Каунти (США), в небольшом объеме —при строительстве плотины Евфратского гидроузла, а также дамб магистрального канала в Мескене-Алеппо (Сирия). В этих случаях мелоподобные породы, укладываемые в тело плотин или дамб, использовались в сочетании с противофильтрационными или другими конструктивными элементами, носившими защитный характер по отношению к мелам.

При проектировании плотины гидроузла Тишрии возникла новая задача — использовать мелоподобные породы полезных выемок для возведения однородной плотины. В районе строительства они представлены нерасчлененными верхне-эоценовыми и олигоценовыми отложениями (P23-P3). На основании анализа литологических особенностей пород в толще меловых отложений изыскателями выделено семь характерных пачек, из которых пачки 3, 4 и 5 предстоит разработать в котловане здания ГЭС и уложить в тело плотины.

Согласно данным изысканий по физическим и прочностным свойствам, основные разности пачек 3 и 4 близки между собой и практически не отличаются друг от друга. Породы пачки 5 характеризуются несколько большей прочностью. Характеристика химических и физических свойств мелоподобиых пород, которые предполагается использовать при возведении плотины, приведены в табл. 1.

Для грунтов ненарушенной структуры пачек 3 и 4 рекомендуются следующие расчетные показатели: tgω = 0,5, с = 0,010 МПа, а для пачки 5 tgω = 0,6, с = 0.

Особенность мелоподобиых пород заключается в том, что по классификации ГОСТ 25100-82 они относятся к классу скальных грунтов пониженной, прочности, поэтому размельчаются при разработке и образуют горную массу, содержащую мелкозем, обладающий пластичностью. Границы текучести и раскатывания мелкозема равны, соответственно, WL = 0,28-0,32, Wp= 0,22-0,26; число пластичности J = 0,03-0,09. По числу пластичности мелкозем мелоподобиых пород можно условно отнести к супесям. Следует отметить, что обломки горной массы мелоподобиых пород в воде не нарушаются. При испытаниях па размокаемость образцы мела, мелоподобного мергеля и мелоподобного доломита после четырехмесячного замачивания сохранились в целости. Мелоподобные породы по водоустойчивости относятся к размягчаемым, при водонасыщении в 1,5-3 раза снижают свою прочность, но проявляют довольно высокую устойчивость к выветриванию.

Таблица 1.

Главными факторами, обеспечивающими механическую и фильтрационную прочность горной массы мелоподобных пород в теле плотины, являются гранулометрический состав и плотность укладки. Гранулометрический состав грунта, допускаемого к укладке в сооружение, представлен в табл. 2. Содержание мелкозема (частиц мельче 5 мм) в грунте составляет 40—80%. Максимальная крупность обломков — 200 мм. Плотность укладки горной массы установлена па основании положений [2], в соответствии с которыми мелкозем должен уплотняться при твердой консистенции до величины, обеспечивающей сохранение этой консистенции при полном водонасыщении. Эта величина плотности сухого мелкозема составляет ρd 1570 кг/м3.

Таблица 2.

Укладка грунта при такой консистенции мелкозема для плотины гидроузла Тишрин имеет ряд преимуществ:

Экспериментально установлено, что при замачивании горной массы и выдерживании ее в течение суток и более крупные фракции приобретают влажность, равную влажности мелкозема. Увлажнение грунтовой смеси приводит к тому, что мелкозем первоначально приобретает влажность больше, чем крупные фракции, но затем, в процессе выдерживания, происходит постепенное перераспределение влажности для всей горной массы. Эта особенность мелоподобиых Пород обусловливает тот факт, что оптимальная влажность горной массы является постоянной величиной и не зависит от содержания мелкозема.

Для определения максимальной плотности и оптимальной влажности мелкозем был испытан в приборе СоюзДорНИИ по ГОСТ 22733-77 «Грунты. Метод определения максимальной плотности» и в виброприборе Гидропроекта. Результаты лабораторного уплотнения мелкозема различными методами приведены на рис. 1.Они показывают что требуемая плотность мелкозема достигается модифицированным методом AASHO и уплотнением в виброприборе Гидропроекта.

Уплотнение горной массы в целом изучали в виброприборе Гидропроекта при содержании мелкозема 0,20, 40, 60, 80 и 100%. Максимальная крупность фракций обломков породы составляла 60 мм. Исследованиями было выявлено, что максимальная плотность сухого грунта ρd*max изменяется незначительно — от 1680 до 1650 кг/см3; Оптимальная влажность составила 0,20—0,25. График зависимости плотности горной массы от содержания мелкозема приведен на рис. 2. Кривая 1 значений максимальной плотности соответствует предельно плотному сложению грунта. Она имеет две ветви, расходящиеся из точки, характеризующей содержание, мелкозема 40%. Левая ветвь кривой снижается до значения плотности сухого грунта ρd*max=1280 кг/м3, что свидетельствует о недостаточном количестве мелкозема в составе уплотняемой смеси; Прямая ветвь кривой падает незначительно от ρd*max =1680 кг/м3 до ρd*max=1650 кг/м3.

В этой смеси мелкозем переполняет поры и разъединяет крупные фракции. Плотность такого грунта может изменяться за счет увеличения или уменьшения содержания крупных фракций, которые имеют несколько более высокую плотность, чем мелкозем. Однако крупные фракции и мелкозем получены из одних и тех же пород, поэтому изменение плотности грунта в целом невелико.

Рис. 1. Результаты лабораторного уплотнения мелкозема мелоподобных пород гидроузла Тишрин различными методами:

1 — теоретическая кривая плотность — влажность при полном водонасыщении; 2, 3, 4 — графики зависимости ρd=f(W) по ГОСТ 22733-77, по модифицированному методу AASHO и в виброприборе Гидропроекта соответственно

На этом же графике нанесены расчетные кривые предельных плотностей изучаемых грунтов. Для правой части расчетная кривая 4 определялась по формуле:

где ρdk и ρd — соответственно плотность крупных фракции и мелкозема;

т — содержание мелкозема в д. ед., для левой части — в соответствии с  по формуле

Однако, как показывают расчетные данные (кривая 3), теоретические значения сильно отличаются от практических результатов, т. е. формула (2) не совсем правильно отражает процесс уплотнения грунта, когда поры полностью не заполнены мелкоземом. На графике нанесены значения предельно рыхлых плотностей грунта (кривая 2).

Если взять среднее значение плотности рыхлого мелкозема, то формула для расчета левой части теоретической кривой может быть выражена следующей зависимостью:

где ρd0 —значение плотности горной массы без содержания мелкозема (m = 0); ρdp — среднее значение плотности мелкозема в рыхлом состоянии; т — содержание мелкозема в д. ед.Кривая 4 построена по этой зависимости. Так как эта кривая довольно хорошо совпадает с экспериментальной, в дальнейших расчетах теоретической кривой, характеризующей предельно плотное состояние грунта, когда в порах укладываемой горной массы содержится ниже 30—40% мелкозема, рекомендуется пользоваться указанной формулой.

Уплотнение грунта оценивают по относительному уплотнению (или коэффициенту уплотнения)

и по относительной плотности

Связь между этими параметрами горной массы мела может быть выражена следующей зависимостью:

Характеристики уплотняемой горной массы с различным содержанием мелкозема приведены в табл. 3. Как видно из таблицы, однородные по уплотняемости грунты представлены горной; массой с содержанием мелкозема от 40 до 80%. Требуемая проектом плотность этих грунтов обеспечивает степень уплотнения RD ≥0,95 при относительной плотности ID≥0,92, что соответствует мировому опыту уплотнения грунтов при строительстве; плотин.

Рис. 2. График зависимости предельных значений плотности горной массы от содержания мелкозема т

На основании лабораторных исследований были получены технологические параметры, которые легли в основу рекомендаций; по возведению плотины из мелкоподобных грунтов и технология укладки которых отрабатывалась на опытных насыпях. Опытно-полевые работы показали, что отклонения влажности горной массы от требуемой приводят к недоуплотнению грунта. Отмечено также, что доставка на карту укладки горной массы с содержанием мелкозема меньше 40% способствует тому, что при ее уплотнении основная часть работы катка затрачивается на дробление породы, а не на уплотнение. Также установлено, что при укладке грунта необходимы мероприятия по исключению его сегрегации. Отсыпку грунта следует выполнять автосамосвалами которые перемещаются по уплотненному и замоченному с поверхности слою. Разгрузка грунта должна производиться на отсыпаемый слой. В процессе отсыпки грунт необходимо бульдозером, разравнивать и надвигать на уплотненную поверхность слоя толщиной 30-40 см.

Таблица 3.

* В числителях дробей указаны минимальные требуемые значения, в знаменателях — средние.

Выводы

  1. Исследования позволили установить возможность выполнения проектных требований к укладке мелоподобных пород в тело плотины гидроузла Тишрин.
  2. При содержании мелкозема более 40% горная масса мелоподобных пород может укладываться с едиными требованиями к плотности и влажности независимо от гранулометрического состава.
  3. Для мелоподобных пород наиболее эффективным является вибрационный метод уплотнения.