Методы улучшения оснований
Основания плотин обычно требуют проведения мероприятий по их улучшению в отдельных «ослабленных» зонах или для значительных областей толщи. По назначению их можно разделить на два основных вида:
противофильтрационные — для уменьшения фильтрационного давления на сооружение и береговые примыкания (дренажи), позволяющие сократить в соответствующих случаях объем бетона (см. формулу 3.8) и повысить устойчивость склонов; для предотвращения опасных фильтрационных деформаций грунта (в том числе выноса заполнителя трещин, химической суффозии — в скальных основаниях), а в соответствующих случаях и уменьшения фильтрационных потерь (различные завесы, зубья, шпунты, понуры и пр., снижающие средние фильтрационные градиенты и обеспечивающие допустимые выходные градиенты);
укрепительные — для понижения деформируемости основания или его отдельных зон (повышение модуля деформации), уменьшения осадок (смещений), их неравномерности; повышения прочностных (в том числе сдвиговых) характеристик грунтов.
Многие из этих мероприятий (см. 5), особенно противофильтрационные относятся и к основаниям грунтовых плотин. Основные сведения по проти- вофильтрационным мероприятиям приведены в разделе 2, некоторые дополнительные данные— в [1, 9, 23, 24, 119, 120, 127].
При нескальных основаниях в силъ- пофильтрующих грунтах устраивают противофильтрационные завесы; их типы принимают в зависимости от вида грунта и других условий с учетом технико-экономических показателей. Применяют шпунтовые стенки (в грунтах, допускающих забивку свай, несвязных), траншейные стенки, выполненные методом «стена в грунте» буро-бетонные и др. [59]. Инъекционные завесы устраивают различными способами цементации (жидкими глино-це- ментными растворами из диспергированного цемента — при коэффициенте фильтрации 30...50 м/сут; цементными растворами из предварительно диспергированного цемента с добавкой ПАВ — 50... 120м/сут; цементными или цементно-глинистыми растворами с введением пластифицирующих и пептизирующих добавок— при 120 м/сут; цементно-коллоидальными растворами с добавкой ПАВ и цементно-глинистыми диспергированными растворами — при 30...120 м/сут); силикатизации; глинизации; нагнетанием глинистых суспензий и глино-силикатных растворов.
Инъецирование применяют иногда и для уплотнения контакта между подошвой плотины и грунтом (например, при сооружении низконапорной водосливной плотины Макаритане в Мозамбике на мелко- и среднезернистых песках с гравием и галькой нагнетали раствор; воды 100 л, бентонита 1 кг, цемента 100 кг). Инъецирование используют и как меру укрепления грунтов — повышения их прочностных и деформативных характеристик, в том числе глинистых и илистых, для которых применяют электрохимические и термические способы закрепления [59].
Бетонные несущие стенки и сваи в грунте используют также в качестве противооползневых мероприятий при сопряжении плотин с берегами, на склонах, при ограждении котлованов. В этих случаях применяют и анкеровку (рис. 7.5) [59]. Анкера, приведенные на рисунке 7.5, а и б, рекомендуются для глинистых грунтов, а на рисунке 7.5, а и г — для песчаных.
Для оснований, сложенных рыхлыми грунтами, иногда используют виброуплотнение. Его применяли и для оснований грунтовых плотин (например, уплотнение мелкозернистых песков на глубину 10 м основания грунтовой плотины Массанжир высотой 48 м в Мозамбике).
В качестве противофильтрационно- го и укрепительного мероприятия в любых водонасыщенных грунтах возможно искусственное замораживание их. Этот способ используют для создания противофильтрационных завес плотин в условиях Крайнего Севера (см. гл. 5.3) и как временную меру борьбы с фильтрацией и укрепления грунта в период производства работ [59].
Исключительно важные элементы бетонных (и других) плотин на нескальных основаниях — дренажи, позволяющие эффективно управлять фильтрационным потоком; их применение дает возможность получить экономичные и надежные инженерные решения. Вопросы проектирования дренажей рассмотрены в разделе 2 и главе 7.3 (см. рис. 7.24 и 7.23,6).
При скальных трещиноватых основаниях в качестве противофильтрационных мероприятий применяют цементацию (при удельном водопоглощении q от 0,01 до 100 л/мин и более), битумизацию (холодную, заключающуюся в нагнетании тонкодисперсных битумных эмульсий — при мелкой трещиноватости (0,01...1 л/мин, и горячую при более крупных трещинах и 1...100 л/мин и более), силикатизацию (при мелкой трещиноватости), глинизацию (при 0,1...100 л/мин) и замораживание. Наиболее широко применяют цементацию. Выбор параметров противофильтрационных (обычно цементационных) завес рассмотрен в главе 2.2. Глубина завес нередко достигает 0,5...0,7 напора на сооружение, а иногда бывает больше (например, 220 м для арочной плотины Мовуазейн высотой 236 м).
Противофильтрационные завесы (рис. 7.6 и 7.7) обычно выполняют вертикальными или несколько наклоненными в сторону ВБ (рис. 7.7,г — цементационная завеса и дренаж выведены в одну галерею), причем учитывают характер трещиноватости (следует стремиться пересечь скважинами завесы основные трещины). В ряде случаев цементационные завесы могут и отсутствовать — на участках створа со слаботрещиноватой маловодопроницаемой скалой, на которых цементация оказывается неэффективной; здесь ограничиваются цементацией лишь наиболее крупных трещин и пустот, если они есть. Цементационную завесу можно продолжить в глубь берегов на необходимое расстояние, исходя главным образом из того, чтобы обходная фильтрация не была опасной для устойчивости береговых примыканий плотины и склонов; при этом учитывают влияние дренажей (рис. 7.8). Как видно из рисунка 7.8, устройство цементационной завесы и дренажей уменьшает гидродинамическую (фильтрационную) силу и увеличивает устойчивость склона.
Дренажи в основании и берегах (дренажные завесы, или дренажные экраны, как их иногда называют, дренажные галереи) (рис. 7.6,.7.8)— существенные элементы сооружения, служащие для уменьшения фильтрационного давления на подошву плотины (особенно важно для гравитационных плотин) и на береговые примыкания и склоны (существенно для арочных плотин). При размещении дренажей относительно противофильтраци- онной завесы надо учитывать характер заполнителя трещин и направление последних.
Необходимо, чтобы фильтрационные градиенты при выходе воды в дренаж не вызывали суффозию заполнителя трещин.
Укрепительные мероприятия скальных и полускальных оснований следующие: связующая цементация контакта плотина — основание (имеет и противофилътрационное значение); укрепительная цементация (рис. 7.6); расчистка крупных трещин и полостей и заполнение их бетоном, часто не сплошное, а с устройством «решеток» или отдельных шпонок (рис. 7.9, 7.10); устройство бетонных стенок или «свай», пересекающих слабые породы и передающих давление от сооружения на более прочную породу с большим модулем деформации (рис. 7.11); анкеровка (рис. 7.11). Часто применяют сочетание нескольких из этих мероприятий (рис. 7.10, 7.11), в том числе дренирования. Анкеровку используют и для укрепления бортов каньона около плотины (пример — Чиркейская плотина на р. Сулак).
Укрепительная цементация позволяет увеличить модуль деформации трещиноватой скалы в среднем в 1,5... 3 раза и несколько повысить прочностные характеристики скального массива. Ее делают в верхней части основания на глубину до 7...15 м, чаще в средней и низовой частях подошвы, а при прочных малодеформирующихся породах вообще не устраивают.
Иногда укрепительную цементацию, предназначенную для повышения модуля деформации и прочности скалы в достаточно большой области, называют сплошной, а связующую цементацию в средней и низовой частях плотины — контактной (см. [9], гл. 3).
Укрепительную (сплошную) цементацию чаще применяют в основаниях арочных плотин (более напряженных, чем гравитационные) для некоторого выравнивания деформативных характеристик скалы по контуру опирания плотины. Она может быть целесообразной для контрфорсных и гравитационных плотин; например, когда в зоне основания около низовой грани модуль деформации Е2 существенно меньше, чем у верховой грани что приводит к неблагоприятному распределению напряжений в контактном шве с малыми сжимающими, могущими перейти в растягивающие напряжениями у верховой грани (см. гл. 3.3, рис. 3.11, а). В этом случае может быть выгодным повысить Ё2 цементацией. При рассмотрении вопроса об устройстве контактной (связующей) и укрепительной цементации массивных плотин в средней и низовой зонах подошвы (за цементационной завесой) следует учитывать, что она уменьшает водопроницаемость основания и может привести к некоторому увеличению фильтрационного давления на подошву (особенно при недостаточном дренировании основания), поэтому без необходимости устраивать ее не надо. Не всегда не очень высокий модуль деформации скалы является недостатком, и его надо стремиться повысить, в том числе и при арочных плотинах (см. гл. 7.4), Это надо иметь в виду и при назначении глубин врезок подошвы сооружения в скалу.
Чрезмерные врезки допускать не следует. Надо учитывать прочностные (особенно сдвиговые) и деформатив- ные характеристики скалы в разных ее зонах и расчетами оценить, при каких врезках будет получено оптимальное решение. Некоторые рекомендации по этому вопросу приведены в [49]. Поверхностный слой скалы, если он сильно выветрен, обычно удаляют под сооружением.