Способ упрочнения гравийно-галечниковых грунтов в плотинах

Разработка способа упрочнения гравийно-галечниковых грунтов в каменно-земляных плотинах

Архиппова Е.К., Борткевич B.C., Скибин А.Н., Финк А.К., инженеры

При строительстве и реконструкции каменно- земляных плотин в районах повышенной сейсмической активности широко применяют малосжимаемые гравийно-галечниковые грунты. Для уменьшения опасности обрушения гребень и откосы плотин ук-репляют рваным камнем, так как он при малых нагрузках обладает значительным сцеплением (по терминологии ряда исследователей — зацеплением). Толщина крепления рваным камнем достигает 20 — 40 м. Применение большого количества рваного камня связано с освоением новых карьеров, которые, как правило, расположены в труднодоступных местах рельефа. Требуется устройство специальных дорог и выполнение значительных объемов буровзрывных работ. Все эти обстоятельства весьма усложняют строительство, оказывают вредное воздействие на окружающую среду, увеличивают стоимость и сроки ввода объекта в эксплуатацию. Поэтому естественно стремление разработать такой способ упрочнения гребня и откосов плотин, который позволил бы уменьшить объем рваного камня либо вообще от него отказаться. В частности, для этих целей рядом специалистов были предложены антисейсмические железобетонные пояса, упрочняющие откосы и боковые призмы каменно-земляных плотин. Принципы, лежащие в основе проектирования таких поясов, заключаются в следующем:

  1. конструкции упрочнения должны быть гибкими и допускать заранее задаваемые перемещения и деформации в связях между элементами;
  2. элементы конструкции должны быть достаточно жесткими и прочными, а их поверхности — шеро-ховатыми, чтобы выдерживать значительные нагрузки без проскальзывания в грунтовой среде;
  3. элементы должны обладать коррозионной стойкостью и долговечностью, выдерживать много-кратные динамические нагрузки;
  4. конструкции должны быть простыми в изго-товлении, а их установка при возведении плотины не должна вызывать коренного изменения отработанной технологии строительства.

В соответствии с этими принципами был запроек-тирован и выполнен антисейсмический пояс плотины Нурекской ГЭС. Он состоял из жестких железобе-тонных балок длиной 10 м, высотой 2—3 м, располо-женных поперек речного потока, соединенных между собой (в направлении речного потока) двумя железо-бетонными плитами. Соединение балок и плит про-изводилось гибкими связями из арматурной стали класса А-11. Защита арматуры от коррозии осуществлялась покрытием ее поверхности эпоксидной гидроизоляцией толщиной 2—3 мм. В процессе выполнения антисейсмического пояса плотины Нурекской ГЭС выявились такие недостатки :

  1. громоздкость железобетонных конструкций, сложность их монтажа;
  2. необходимость изготовления упрочняющих элементов вне строительной площадки;
  3. обязательное применение камня (меньшей крупности, чем на откосах) для засыпки пространства между элементами.

Конструкция антисейсмического пояса плотины Нурекской ГЭС была подвержена критике в статье. В ней отмечалось, что громоздкость железобетонных сейсмопоясов высотой 2—3 м с расстоянием между ними 18—21 м приводит к существенной неоднородности армируемой зоны сооружения, что ставит под сомнение правомочность расчетов сейсмостойкости армированной плотины Нурекской ГЭС как однородной. Кроме того, в статье показано, что в настоящее время в практике строительства все более широкое применение находят сооружения из армогрунта, получаемого путем дисперсного армирования мелкозернистых несвязных грунтов гибкими элементами в виде полос или лент из металла. Дисперсное армирование приводит к значительному улучшению механических свойств грунта (снижению деформативности, повышению прочности и др.) без нарушения его однородности. При этом расчеты сооружений на статические и динамические нагрузки могут производиться обычными методами механики сплошных однородных сред.

В соответствии с вышеизложенными положениями был разработан новый способ упрочнения гра-вийно-галечникового грунта, заключающийся в создании искусственной структуры грунта, препятствующей его разуплотнению и разрушению при сейсмическом воздействии на сооружение. Укрепление гребня и откосов каменно-земляной плотины с применением этого способа состоит в следующем:

  1. основной объем камня пригрузки откосов и гребня плотины заменяется упрочненным гравийно- галечниковым грунтом, используемым для возведения тела плотины;
  2. упрочнение этого грунта производится вклю-чением гнезд малоцементного бетона, укладываемого самосвалами одновременно с гравийно-галечниковым грунтом в шахматном порядке по площади карты укладки;
  3. гнезда малоцементного бетона связываются друг с другом заанкеренными в них арматурными плетями, которые располагаются как вдоль, так и поперек речного потока;
  4. сохраняется лишь поверхностное крепление откосов плотины 1—3 м.

Камень для этого крепления можно получить дроблением наиболее крупных валунов из гравийно-галечникового грунта. Чтобы определить количество бетона и арматуры, необходимое для упрочнения гравийно-галечникового грунта, рекомендуется поступать следующим образом:

  1. находят, сколько надо включить в гравийно-галечниковый грунт гнезд малоцементного бетона, чтобы его сдвиговая прочность повысилась до уровня прочности заменяемого рваного камня. Влияние арматуры не учитывается;
  2. определяют необходимое количество арматуры, заанкеренной в гнезда малоцементного бетона, считая, что устойчивость откосов плотины обеспечи-вается лишь за счет арматуры, а не сдвиговыми па-раметрами гравийно-галечникового грунта. Влияние гнезд малоцементного бетона на упрочнение грунта не учитывается. Параметры прочности грунтового массива с включением гнезд бетона определяются расчетным путем. Плотность, модуль деформации и коэффициент фильтрации упрочненного гравийно-галечникового грунта устанавливаются на основе соответствующих свойств его составляющих по принципу линейной пропорциональности, например для плотности:

где ρd — плотность упрочненного грунта (т.е. смеси галечник плюс бетон) в целом; ρ’d — плотность бетона; ρ»d — плотность галечника; S — относительное содержание бетона в смеси.

Сдвиговая прочность упрочненного гравийно-галечникового грунта устанавливается в соответствии с следующим образом. Исходя из соотношений, описывающих линейное перераспределение напряжений между компонентами смеси при сдвиге под действием нормального напряжения σ и сдвигающего ζ, а также из соотношений между σ и ζ по закону Кулона (ζ = σtgφ + С), определяют коэффициент трения и сцепление в смеси, последовательно выполняя вычисления по следующим уравнениям:

где Е, Е’, Е» — соответственно модули деформации смеси в целом, бетона и галечника; S — относительное содержание бетона в смеси; S — относительное сжатие смеси; σ, σ’, σ» — нормальные напряжения в плоскости сдвига смеси, бетона и галечника; ζ, ζ’, ζ» — то же для касательных напряжений; tgφ, С — коэффициент внугреннего трения и сцепление смеси (упрочненного гравийно-галечникового грунта); tgφ1, С1 — то же для бетона; tgφ2, С2 — то же для гравийно-галечникового грунта; σа, σь — парные значения нормальных напряжений в упрочненном гравийно-галечниковом грунте при сдвиге, задаваемые произвольно (рис. 1); ζа, ζь — соответствующие значения сдвигающих напряжений.

В табл. 1 приведены значения плотности, модуля деформации, коэффициентов фильтрации и прочностные показатели гравийно-галечникового грунта, малоцементного бетона М 100 и упрочненного грунта в сравнении с рваным камнем. Величины сцепления рваного камня, гравийно-галечникового грунта и бетона приняты равными нулю из следующих соображений: для камня и гравийно-галечникового грунта учитывается влияние сейсма, при котором происходит резкое снижение этого показателя. Для бетона принимается во внимание влияние процессов физического выветривания, следствием которого являются развитие трещинообразования в нем и соответственное уменьшение величины сцепления при длительной эксплуатации плотины.
Таблица 1.
На основании соотношений (2)—(3) построена зависимость tg φ  смеси от относительного содержания в ней бетона S (рис. 2). Из этого рисунка видно, что кривая зависимости tg φ  = f(S) пересекает уровень прочности заменяемого камня примерно при содержании бетона, равном 11%. В качестве требуемой величины содержания бетона в упрочняемом гравийно-галечниковом грунте для обеспечения его равнопрочности с рваным каменем при некотором запасе можно принять S = 15%. Из табл. 1 видно, что при таком количестве включений бетона упрочненный грунт имеет практически такие же, как у рваного камня, сопротивление сдвигу и коэффициент фильтрации, но значительно большую плотность и модуль деформации. Кроме того, наличие в теле грунтовой плотины включений материала с различным соотношением модулей Юнга и плотности приводит к тому, что скорости распространения упругих сейсмических волн в них будут различны, и следовательно, сами компоненты упрочненного массива гравийно-галечникового грунта будут колебаться с различными частотами и амплитудами. Все вышеуказанное препятствует возникновению резонансного режима колебания сооружения в целом. В результате происходит снижение величины деформаций тела плотины, а их неравномерность сглаживается. Реализация вышеизложенного способа упрочнения грунта позволяет создать новый композиционный материал, состоящий из галечника, включений малоцементного бетона и заделанных в них арматурных плетей. В таком материале усилия на арматуру передаются посредством заделки в бетон, а не по-средством контакта с грунтом, как это имеет место в армогрунте, широко применяемом за рубежом. Это позволяет отказаться от всех ограничений по крупности грунта и использовать арматуру более эффективно, чем в армогрунте. Предлагаемый способ упрочнения гравиййо-галечникового грунта в теле плотин (вариант дисперс-ного армирования) позволяет создать квазиоднородный грунтовой массив с искусственной структурой. Поэтому расчет напряженно- деформированного состояния таких плотин и оценка устойчивости их откосов могут производиться обычными методами механики сплошных однородных сред.
Рис. 1. Зависимость касательных напряжений от вертикаль-ных при сдвиге малоцементного бетона (1), упрочненного гравийно-галечникового грунта (2), рваного камня (3) и рядового гравийно-галечникового грунта (4)
Рис. 2. Зависимость (1) между коэффициентом трения tg(p упрочненного гравийно-галечникового грунта и объемным содержанием в нем малоцементного бетона S в сравнении с коэффициентом трения рваного камня tgφ= 0,90 (2)
Из обзора геологических и геотехнических условий, которые имеют место на Подавляющем большинстве грунтовых плотин, для разрушения откосов наиболее характерен оползень по круговой поверхности скольжения. Такие оползни (по терминологии теории оползневых процессов — оползни срезания, вращения) возникают в откосах, сложенных однородными или сравнительно однородными породами. Понятие «сравнительно однородные породы» означает, что основание или тело плотины содержит несколько слоев грунта, отличающихся по прочности не более чем в 3—5 раз. Если же разница в прочности грунта составляет 30—100 и более раз (например, прослоек пластичной глины в полускальных породах), возможен оползень по плоской ломаной поверхности скольжения. Эти положения теории оползневых процессов хорошо соответствуют случаям разрушений в гидротехнической практике. Так, в работе описаны десять разрушенных грунтовых плотин, у которых была зафиксирована круговая поверхность скольжения, а в работе — еще почти 50 грунтовых откосов, разрушение которых происходило тоже по круговым поверхностям скольжения. В связи с этим проверка устойчивости упрочненных откосов каменно-земляных плотин нами производилась в предположении их обрушения по круговым поверхностям скольжения. Для примера произведен расчет упрочнения откосов каменно-земляной плотины высотой более 300 м, относящейся к первому классу сооружений, расчетный сейм 9 баллов. Нормативный коэффициент запаса устойчивости для плотины такого класса равен 1,185. Поперечный профиль этой плотины приведен на рис. 3. В соответствии с методикой расчета устойчивости откоса при его обрушении по круговым поверхностям скольжения он делится вертикальными плоскостями на n отдельных отсеков (рис. 4).
Рис. 4. Схема расчета устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения с учетом арматуры в упрочненном гравийно-галечниковом грунте.
При действии сейсмической нагрузки, которая является объемной и приложена к центру тяжести отсека, а также силы натяжения арматуры в армированных грунтах коэффициент запаса устойчивости (Куст) определяется как отношение момента удерживающих сил трения к моменту сдвигающих сил. В этом случае выражение для Куст при использовании метода ВНИИГ — Терцаги имеет вид.
где Wj — вес отсека с порядковым номером j-й при обрушении по окружности с радиусом R (рис. 4); Сj tgφj — соответственно сцепление и коэффициент трения в j-м отсеке; Lj — длина поверхности скольжения в j-м отсеке;  φj — угол наклона поверхности скольжения, соответствующей j-му отсеку; Аj — равнодействующая сила натяжения арматуры, уложенной вблизи поверхности откоса в пределах j-го отсека. Считается, что арматура заанкерена в гнезде бетона в пределах j-го отсека; aj — плечо силы Aj относительно центра вращения; Sj — сейсмическая сила в j-м отсеке; Sj — плечо действия силы Sj относительно центра вращения. Интегрирование в формуле (8) ведется по всей длине кривой скольжения до пересечения ее с поверхностью грунта (низовой откос) или с горизонтом воды (верховой откос). Расчеты показали, что при замене всего объема камня исследуемой плотины со сдвиговыми характе-ристиками С = 6 т/м2, tgφ  = 0,9 неупрочненным гравийно-галечниковым грунтом, имеющим С= 0, tgφ = 0,78, коэффициент запаса устойчивости обоих откосов становится меньше нормативного — для верхового откоса 0,914, для низового откоса 1,108.
Рис. 3. Поперечный профиль исследуемой плотины (а), расчетная эпюра распределения сейсмических ускорений по высоте плотины (б), схема размещения арматуры по высоте плотины в упрочненном гравийно-галечниковом грунте верхового откоса плотины (в), схема размещения в плане (по сечению 1—1) гнезд малоцементного бетона и упрочняющей арматуры (г): 1 — скелетно-глинистый грунт ядра; 2 — материал переходных зон; 3 — гравийно-галечниковый грунт боковых призм; 4 — упрочненный гравийно-галечниковый грунт; 5 — камень крепления откосов; 6 — гнезда малоцементного бетона; 7 — упрочняющая арматура
Таблица 2. Коэффициенты запаса устойчивости откосов плотины и параметры соответствующих им поверхностей скольжения (верхний бьеф — НПГ, сейсм — 9 баллов) при замене камня на неупрочненный гравийно-галечниковый грунт
Результаты определения минимальных коэффициентов запаса устойчивости, ординаты и абсциссы центров вращения, радиусы соответствующих им поверхностей скольжения даны в табл. 2. При упрочнении гравийно-галечникового грунта в теле плотины важно правильно выбрать направление армирования, которое определяется положением деформаций сжатия и линий нулевого растяжения. Так как армирующие элементы работают на растяжение, располагать их в направлении деформации сжатия или вдоль поверхности скольжения бесполезно. Траектории действия площадок максимальных сжимающих напряжений в откосе плотины таковы, что для верхних частей обоих откосов, подлежащих упрочнению, наиболее благоприятным является горизонтальное расположение арматуры. Поэтому считалось, что в каждом из расчетных отсеков, на которые условно делится откос по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения, приложено к поверхности откоса горизонтальное усилие Aj (рис. 4). Величины усилий в арматуре Aj в каждом из отсеков, высота слоя упрочненного грунта, количество арматуры на 1 м высоты и длины плотины для стали марок С-3 и А-11, обеспечивающее значения коэффициентов запаса устойчивости обоих откосов равными 1,185, приведены в табл. 3. Положение наиболее опасных поверхностей скольжения для упрочненных гравийно-галечниковых грунтов верхового и низового откосов плотины дано на рис. 5.
Рис. 5. Положение наиболее опасных поверхностей сколь-жения для откосов исследуемой плотины с упрочненным гравийно-галечниковым грунтом: 1, 2, 3, 4, 5 — зоны плотины по рис. 1.