Технологические исследования плотин из грунтовых материалов
Роль технологических исследований в научном обосновании плотин из грунтовых материалов
Борткевич С.В., кандидат техн. наук

Исследования технологии возведения плотин из грунтовых материалов, направленные на обоснование проектных решений и внедрение в реальные объекты, является одним из главных направлений деятельности института.

Комплексные работы по указанному направлению проводились и продолжают производиться применительно к различным типам и конструкциям плотин: земляным насыпным и намывным, каменно-земляным и каменно-набросным, входящим в состав сооружений гидроэнергетического и воднотранспортного назначения, мелиоративных систем, систем водоснабжения, защиты территории от затопления и др.

Исследования проводились для строек, располагавшихся в различных инженерно-геологических условиях в умеренном климате, в северной строительно-климатической зоне, а также в зонах аридного и тропического климата. Результаты технологических исследований внедрены в построенные гидротехнические сооружения и в нормативные документы, освещены в монографиях и статьях ведущих учѐных института, изложены на конференциях и конгрессах проходивших в нашей стране и за рубежом.

Крупные научно-технические достижения получены при проведении технологических исследований плотин из грунтовых материалов для таких объектов как:
Жигулѐвская ГЭС (Россия), где был отработан новый технологический приѐм возведения намывных земляных сооружений путѐм выпуска гидросмеси на пляж большой струей из торцов высокорасположенных трубопроводов в условиях минусовых температур наружного воздуха. Это позволило значительно сократить сроки возведения русловой плотины и обеспечить своевременный ввод объекта в эксплуатацию.

Асуанский гидроузел (Египет) и Капчагайская ГЭС (Казахстан), где произведѐн замыв каменной наброски песком, в результате чего оптимизированы конструкции водоподъѐмных плотин и устранена необходимость подводных работ по устройству многослойных фильтров.
Нурекская ГЭС (Таджикистан) и ГЭС Тери (Индия) построенные в сейсмически активных районах, на которых отработана технология возведения центрального ядра высотных каменно-набросных плотин из искусственно приготовленных смесей крупнообломочных и глинистых грунтов, повысившая фильтрационно-суффозионную прочность ядра и улучшившая напряжѐнно-деформативное состояние тела плотин. Разработаны методика проектирования параметров уплотнения и оперативные методы контроля качества уплотнения таких грунтовых смесей. Обоснованы технические решения по отсыпке и уплотнению боковых призм плотин из гравийно-галечниковых грунтов. Вышеуказанные исследования способствовали достижению высоких эксплуатационных качеств этих сооружений.

Гидроузел Аль-Кадиссия (Ирак) и гидроузел Тишрин (Сирия), где впервые была обоснована возможность применения для возведения плотин выветрелых и выщелоченных слабых карбонатных пород из полезных выемок и ближайших месторождений вместо горной массы крепкого камня, карьеры которого располагались вдали от створов плотин. С учѐтом опыта изысканий и строительства этих гидроузлов была разработана строительная классификация карбонатных пород и выполнена систематизация их физико-механических и фильтрационных свойств.

Загорская ГАЭС (Россия), где в производственных условиях реализована технология возведения дамб верхнего аккумулирующего бассейна из смеси моренных грунтов с переувлажненными покровными суглинками, разработаны конструкции грунтовых сооружений из двухкомпонентных смесей глинистых грунтов и способ контроля качества их возведения. Помимо экономического эффекта, полученного от использования грунтов вскрыши месторождения в смеси с грунтами полезной толщи, уменьшена величина ущерба окружающей среде за счѐт сокращения площади карьеров и отвалов.

Днестровская ГАЭС (Украина), где внедрение нового способа снижения водопроницаемости глинистых грунтов позволило использовать местные грунтовые материалы полезных выемок для создания противофильтрационного экрана верхнего водоѐма вместо дорогостоящих полимерных материалов.
МГЭС-3 на канале Баксан-Малка (Россия), где путѐм площадного замачивания лѐссовой толщи и последующего устройства набивных свай из гравийно-галечниковых грунтов в сочетании с противофильтрационным экраном из грунтовой смеси были устранены просадочные явления в основании водоприѐмника ГЭС и повышена устойчивость сооружения против сдвига.

Гидроузел Чиан (Вьетнам), где устройство противофильтрационного зуба в латеритовых грунтах основания дамб водохранилища на р. Роп выполнено послойной укаткой тех же грунтов после их механической переработки, благодаря чему была устранена необходимость большого объѐма цементационных работ.

Дамба им. 15 Хардада (Иран), в которой противофильтрационный элемент из асфальтобетона был заменѐн на противофильтрационную призму из местных скелетно-глинистых грунтов с целью удешевления сооружения и сокращения сроков строительства.
Богучанская ГЭС, где предложена технология возведения каменно-набросной плотины, существенно снижающая еѐ строительные и эксплуатационные деформации.

Кроме вышеуказанных работ следует отметить успешные результаты технологических исследований по обоснованию проектов гидротехнических сооружений из грунтовых материалов на Крайнем севере в районах распространения вечной мерзлоты, по разработке методов зимней укладки связных грунтов в тело плотины Вилюйской, Усть-Хантайской, Курейской и Колымской ГЭС.

Большинство работ выполнялось при участии ведущих организаций страны в рассматриваемой области строительства, таких как институт «Гидропроект» и его филиалы, институт «Гидроспецпроект», трест «Гидромеханизация», ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, ВНИИ «ВОДГЕО», МГСУ, МГУП и др.
Из числа специалистов ОАО «НИИЭС», внѐсших наибольший вклад в технологические исследования при научном обосновании плотин из грунтовых материалов следует отметить: Г.Ф.Биянова, А.И.Огурцова, И.Н.Щербину, Ю.К.Зарецкого, А.Г.Чернилова, М.Г.Коршунова, М.Ю. Гарицелова, Н.А. Красильникова, В.М.Иванникова, Л.Е.Каныгина, В.Н.Черненко, В.А.Филимонова, В.М.Урунича, И.И.Хабибуллина, В.А.Болтунова, Т.В.Огурцову, Т.Н.Чучик, А.В.Коновалову, Е.А.Федотову и С.Т.Варданян.

Технологические исследования на объектах строительства представляют собой комплекс взаимно увязанных научных работ. Одновременно с изучением способов разработки, транспортировки и укладки грунтов изучаются их физико-механические характеристики и фильтрационные свойства, отрабатываются методы геотехнического контроля и схемы его организации.

Правильная постановка задач, решаемых технологическими исследованиями возможна только при условии тесного контакта между проектировщиками, строителями, изыскателями и научными работниками, выполняющими исследования. Опыт работы показал, что в этом случае удаѐтся создать оптимальные по стоимости конструкции плотин и значительно сократить сроки их возведения. В процессе проведения технологических исследований особое внимание уделяется выявлению степени изменения физико-механических и фильтрационных свойств грунтов при разработке, кондиционировании и укладке их в тело плотин, а также при эксплуатации этих сооружений. Зачастую несложные работы по облагораживанию грунтов, на первый взгляд непригодных для возведения плотин, позволяют получить вполне приемлемые механические и фильтрационные характеристики этих грунтов.
Часть технологических исследований может выполняться в лаборатории, часть — только в полевых условиях. Для лабораторных исследований наиболее широко используются лотки и установки уплотнения грунта. В качестве примера на рис.1 показан лоток с моделью каменно-набросной упорной призмой плотины, которая замывалась песком с помощью опускных труб. В результате выполнения этой работы были даны рекомендации по возведению упорной призмы, позволившие отказаться от сложного трѐхслойного фильтра, между песчаным телом плотины и упорной призмой из каменной наброски. На рис.2 приведена установка для уплотнения крупнообломочных грунтов, позволившая обосновать плотность и способы укладки горной массы камня и гравийно-галечниковых грунтов в теле нескольких уникальных плотин. Установка отличается от известных тем, что максимальное уплотнение испытываемых грунтов достигается совместным воздействием на грунт пригрузки, вертикальных и горизонтальных колебаний.
Для исследования в полевых условиях применяются те механизмы, которые предполагается использовать или уже используются на строительстве, а также полевые методы определения физико-механических и фильтрационно-суффозионных свойств грунтов, включая штамповые испытания, сдвиги целиков грунта, наливы воды в шурфы и скважины и т.п. В качестве примера на рис.3 показан общий вид одной из площадок опытных работ по приготовлению и разработке грунтовых смесей для возведения плотины, а на рис.4 – опытная отсыпка этой грунтовой смеси. Обобщение результатов технологических исследований позволило расширить представление об уплотняемости различных несвязных грунтов. Если раньше было известно соотношение между степенью плотности грунта.

а)

б)

Рис.1. лоток с фрагментом каменно-набросной призмы плотины до замыва ее песком (а) и после замыва с помощью опускных труб (б).

 

 


Рис.2. Установка для уплотнения крупнообломочных грунтов:
на переднем плане – в состоянии загрузки модельной смеси грунта,
на заднем плане – в сборе перед испытанием.

Рис.3. Общий вид площадки опытных работ по приготовлению, разработке и укладке грунтовых смесей для возведения плотины:
1 и 2 – частично разработанные склады различных грунтовых смесей;
3 и 4 – опытные насыпи из заготовленных грунтовых смесей.

Рис.4. Опытная отсыпка грунтовой смеси.

JD и коэффициентом его уплотнения kcom только для песков, которое по данным [1] выражается формулой:
kcom = 0,80 + 0,20 JD ; (1)
то теперь это соотношение практически подтверждено и для горной массы камня [2].
Для гравийно-галечниковых грунтов вышеуказанная зависимость согласно [3] приобретает вид:
kcom = 0,87 + 0,13 JD . (2)
Сравнение приведенных зависимостей (1) и (2) показывает, что из крупнообломочных грунтов наибольшей потенциальной уплотняемостью характеризуется горная масса камня, а наименьшей – гравийно-галечниковые грунты. Величина реализации деформаций этих грунтов в сооружениях зависит от плотности их укладки, характеризуемой коэффициентом уплотнения, обводнености, а также от уровня статических напряжений в сооружении, вида динамических воздействий и степени их изменения во времени. Этот факт необходимо учитывать при выборе грунтовых материалов для строительства плотин и величины коэффициента их уплотнения. Коэффициент уплотнения kcom несвязных грунтов необходимо указывать во всех проектных решениях качественных насыпей и оснований гидротехнических сооружений, а также при геотехническом контроле и обследовании сооружений для составления деклараций безопасности.
Коэффициент уплотнения, представляющий собой отношение действительной плотности грунта к максимальной достижимой, требует знания максимальной плотности для каждого вида грунта.
Для грунтов, содержащих частицы крупностью до 20 мм, максимальная плотность определяется по ГОСТ 22733-2002 «Грунты. Метод лабораторного определения плотности», а для грунтов большей крупности в настоящее время подобного стандарта не существует. Накопленный ОАО «НИИЭС» опыт уплотнения таких грунтов позволил включить в план ОАО «РусГидро» на 2010 г разработку стандарта «Гидроэнергетическое строительство.

Методы определения максимальной и минимальной плотности несвязных крупнообломочных грунтов для гидроэнергетического и энергетического строительства», который должен способствовать повышению качества строительных и ремонтных работ [4]. При успешном выполнении этой разработки вышеуказанный стандарт ОАО «РусГидро» может послужить основой для разработки соответствующего государственного или межгосударственного стандарта стран, использующих в качестве норматива ГОСТ 22733-2002.
Многолетнее изучение качества укладки гравийно-галечниковых грунтов на опытных насыпях и при возведении плотин позволило установить, что вследствие высокой неоднородности этих грунтов в процессе послойной укладки образуется характерная структура квазиоднородного массива насыпи. Геотехническая модель структуры насыпного массива из гравийно-галечниково грунта приведена на рис.5.


Рис.5. Геотехническая модель структуры сложения насыпного массива из гравийно-галечниково грунта.
а) план; б) сечение А-А; в) гранулометрический состав грунта;
г) характеристика структуры.
1 – отсыпаемый грунт; 2 – «основа» массива грунта; 3– «скопления» валунов.

Элементами структуры являются «скопления» валунов и «основа» грунтового массива. «Скопления» валунов неравномерно распределены в «основе» по объему насыпи. Изменение гранулометрического состава грунта по крупности и содержанию мелкозема создает первый масштабный уровень неоднородности насыпи, а изменение структуры его сложения – второй масштабный уровень неоднородности. Объем единичных «скоплений» валунов достигает 1,5 м3 при линейных размерах 0,5-2,0 м. Содержание «скоплений» в насыпи может изменяться от 15% до 50% в зависимости от гранулометрического состава отсыпаемого грунта. «Скопления» валунов и «основа» массива, сформированного послойной отсыпкой гравийно-галечникового грунта, существенно различаются по содержанию мелкозема (частиц мельче 5 мм) и степени неоднородности. Так, например, при отсыпке гравийно-галечникового грунта с содержанием мелкозема 20-25% в «основе» образуется порядка 35-40% мелкозема, а в «скоплениях» от 0 до 5%. Степень неоднородности «основы» грунтового массива составляет 100-200, а «скоплений» валунов не более 5. Различия гранулометрических составов «основы» грунтового массива и «скоплений» валунов в нем обусловливают различие их фильтрационных, деформационных и прочностных характеристик, которые существенно отличаются от характеристик определяемых при лабораторных исследованиях на модельных смесях гравийно-галечниковых грунтов. Результаты опытно-производственных исследований позволяют рекомендовать определение расчетных характеристик гравийно-галечниковых грунтов, укладываемых в тело плотины, раздельно для каждого элемента структуры создаваемого грунтового массива, с последующим пересчетом на массив в целом при реальном соотношении элементов структуры грунтовой «основы» и «скоплений» валунов в массиве. Для этих целей может быть использовано изобретение «Способ определения параметров сдвиговой прочности грунтовых смесей» [5] или его модификации.

Опыт работы по исследованию гравийно-галечниковых грунтов в полевых и производственных условиях, накопленный специалистами ОАО «НИИЭС» совместно с геофизиками института «Гидропроект», показал что структура насыпного массива и количественное соотношение вышеназванных элементов структуры могут быть установлены с помощью сейсмоакустической томографии путем массового замера скоростей упругих волн на различных базах измерений. При этом был реализован способ контроля плотности и гранулометрического состава грунта [6], который может найти применение на таких перспективных объектах, как Нижне-Курейская ГЭС, Усть-Среднеканская ГЭС, Мокская ГЭС в России, Рогунская ГЭС в Таджикестане и др.
В настоящее время технологические исследования, а также консультации по проектированию и строительству грунтовых сооружений ОАО «НИИЭС» выполняет для Костромской ТЭС, Днестровской ГАЭС, гидроузла Халябия-Залябия и Северной ПЭС.

В заключении отметим следующее:

1. Технологические исследования – важная составляющая часть проектирования и строительства плотин из грунтовых материалов, которая должна реализовываться в процессе проведения изысканий и разработки конструкций сооружения.
2. Результаты технологических исследований в значительной мере определяют тип плотин, а также способы их возведения.
3. Технологические исследования позволяют правильно подобрать механизмы для разработки грунтов в месторождениях и укладки их в тело плотины, составить технические условия на производство работ, обосновать требования к качеству укладки грунтов в сооружения.
4. В состав технологических исследований должна входить отработка методов геотехнического контроля за возведением грунтовых сооружений.
5. Окончательные расчетные характеристики физико-механических и фильтрационно-суффозионных свойств грунтов в теле плотин для основных конструктивных элементов рекомендуется устанавливать после корректировки результатов лабораторных испытаний технологическими исследованиями.

Список литераторы

1. Lee K., Singh A. Relative density and relative compaction. Proceedings of the American Seciety of civil Engineers, v.97, №M7, July, 1971, p.1049-1052.
2. Воронин С.Г., Воронович В.Е., Иванников В.М. Оценка состояния плотин из грунтовых материалов по величине коэффициента уплотнения // Научно-технический и производственный сборник «Безопасность энергетических сооружений». М.: ОАО «НИИЭС». 2003. Вып. 12.
3. Борткевич С.В. О плотности укладки песчанно-гравийных и галечниковых грунтов в тело плотины // Гидротехническое строительство. 1982. №6.
4. Вестник РусГидро // Корпоративная газета. ОАО «РусГидро». М.: 2009. №1.
5. А.с. СССР №1476063. Способ определения параметров сдвиговой прочности грунтовых смесей / Борткевич С.В., Кузнецов В.Б., Скибин А.Н., Урунич В.М. // Бюллетень изобретений. 1989. №16.
6. А.с. СССР №1833816. Сейсмоакустический способ контроля качества укладки крупнообломочных грунтов в насыпь / Борткевич С.В., Горшков Ю.М., Коптев В.И., Савич А.И., Савченков Н.Г. // Бюллетень изобретений. 1993. №30.