10.2 Повреждения и аварии грунтовых плотин

По данным Международной комиссии по большим плотинам, надежность грунтовых плотин примерно такая же, как у контрфорсных и арочных. Наиболее часто разрушаются плотины из местных материалов (земляные, каменно-земляные, каменно-на­бросные плотины). Примерно 80% плотин разрушилось в про­цессе строительства или во время постоянной эксплуатации по причинам перелива воды через гребень, повышенной фильтрации воды в основании или теле плотин. При этом повреждения осно­ваний составляли 25%, тела — 47%, водосбросов — 23% и проче­го— 5%. Другими причинами повреждения и аварий грунтовых плотин являются: недостаточно надежная система дренажа; эро­зия и размывы в результате повышенной фильтрации, особенно

5 если одна часть плотины расположена на слабых аллювиальных отложениях, а другая — на прочном основании; неравномерность осадок плотины; явления микросейсма, перерастающие иногда в сейсмические явления большого масштаба; значительные ополз­невые явления и др.

Явление микросейсма возникает предположительно в резуль­тате следующего. При создании крупных водохранилищ обра­зуются дополнительные повышенные нагрузки на грунты их ос­нований. Помимо этого, вода, под большим давлением проник­шая в толщи горных пород основания и береговых примыканий, ослабляет силы сцепления в тектонических трещинах. Это явле­ние имело место на следующих плотинах: Мид Лейк (США), Кариба (Замбия), Кремаста (Греция), Койнопгар (Индия) и др.

Ниже приведены примеры различных аварий или разруше­ний, произошедших на следующих плотинах.

Плотина Хелл-Хоул (США) каменно-земляная, с наклонным :ядром, проектная высота 125 м, длина по гребню 475 м. В пе­риод отсыпки плотины был построен туннель диаметром 4 м. К началу паводка 1964 г. ядро было возведено на 41,5 м ниже, чем призмы плотины. Во время паводка начался перелив воды через недостроенную плотину и возникла значительная фильтра­ция сквозь каменную отсыпку. На низовом откосе образовались потоки воды, которые интенсивно начали размывать основание и откос плотины. Через плотину проходил поток расходом 340 м³/с, который смыл 535 тыс. м³ горной массы.

Плотина Орос (Бразилия) каменно-земляная, высота 54 м, с центральным ядром из глины. Основание представлено скаль­ными породами, а низовая призма опирается на аллювиальные грунты. В 1960 г. паводок планировалось пропустить через водо­слив на отметке 200 м. Однако строительство затянулось. Силь­ные дожди увеличили расход в реке до 2250 м³/с, а отметка возводимого сооружения составляла 183 м. За 24 ч отметку довели до 190 м, но этого было недостаточно, так как началось переполнение водохранилища. Вначале через гребень перели­вался слой воды толщиной всего лишь 0,35 м, но он вынес из тела плотины 800 тыс. м³ грунта. За 34 ч в нижний бьеф было сброшено около 730 млн. м³ воды при максимальном расходе 9600 м³/с. Оперативная помощь войсковых частей позволила эвакуировать население. Сорок человек стали жертвами аварии, вызванной наводнением.

Плотина Титон (США) каменно-земляная, с ядром, высота 93 м, длина по гребню 760 м. В основании плотины залегает реолит, представляющий собой породу с пустотами и значитель­ными трещинами. Ядро сопрягалось с инъекционной завесой, выполненной в три ряда при глубине скважин до 91 м и шаге наружных скважин 6 м, центрального ряда — 3 м. Ко времени аварии инъекционная завеса не была завершена. В июне 1976 г. в прибрежной части плотины со стороны нижнего бьефа появи­лась фильтрация воды с расходом около 1,25 л/с. Через 2 сут. фильтрация на этом участке значительно увеличилась и расход достигал 1,4...1,7 м³/с. Через 30 мин расход возрос до 2 м³/с. Начали эвакуировать население из трех городов, расположен­ных ниже плотины Титон. Еще через 1 ч расход фильтрации достиг 28 м³/с. Образовалась воронка размыва, которая стала интенсивно приближаться к насыпи плотины и разрушать ее. Через 1... 1,5 ч произошла авария. Погибло 11 человек, ранено 2000 человек и остались без крова 30 000 человек. Кроме того, были разрушены коммуникации, строения и дамбы, занесены илом дороги, сельхозугодья и каналы, вырваны деревья. Точную причину аварии установить не удалось. Специальный Комитет по расследованию аварии плотины Титон указал возможные причины разрушения: значительная фильтрация через инъекци­онную завесу в месте сопряжения насыпи с основанием и бере­гами; фильтрация воды по контакту ядра со скалой в правобе­режном примыкании; фильтрация воды через поперечные тре­щины в правобережной части ядра; повышенная фильтрация в обход инъекционной завесы. Следует отметить, что в плотине не была установлена КИА, которая позволила бы выявить опас­ные очаги фильтрации и принять своевременные меры. По мне­нию руководителя экспертного комитета, восстановление этой плотины потребует затрат, соизмеримых с ее полной стоимостью.

Плотина Гуддах (Индия) грунтовая, высота 29 м, построена в 1956 г. Первое разрушение произошло из-за некачественного примыкания тела плотины к сопрягающей стенке, выполненной из каменной кладки. Из-за появления и развития фильтрации по контакту грунта с каменной кладкой возникла значительная фильтрация. Образовалась промоина глубиной 10 м. Плотина была отремонтирована. После этого при заполнении водохрани­лища произошло второе разрушение плотины в том же месте. Во время второго ремонта верховой откос уположили, уложив на него глиняный экран. При этом обращалось особое внимание на качество производства работ.

Плотины в районе г. Эль-Кобре (Чили) разрушились (две из трех) в результате землетрясения. Обрушения произошли при сейсмическом воздействии в 8...9 баллов; оползли откосы и разжижился материал тела плотин.

Плотина Сан-Фернандо нижняя (США) намывная, с ядром и насыпной верхней частью (рис. 10.1,а), высота 43 м и длина по гребню 640 м. При сейсмическом воздействии около 9 баллов, длившемся 12 с, обрушилась верховая часть плотины длиной около 400 м (рис. 10.1,6). Разрушение произошло потому, что верховой откос был запроектирован слишком крутым по сравнению, например, с намывными плотинами, построенными в. СССР.

Рис. 10.1. Плотина Сан-Фернандо нижняя:

а — до аварии; 6 — после разрушения; 1 — укатанный грунт; 2, 4 — намытый грунт; 3 — намытое ядро; 5 — аллювий; 6 — скала; 7 — кривая депрессии; 8 — зона обрушения

Подтверждением этого служит тот факт, что в рассмат­риваемом районе уцелели

плотины Фермонт, Нижний Франклин, Серебряное озеро, а также плотина Сан-Фернандо верхняя, хотя и на последней образовались продольные трещины вследствие подвижек тела плотины в сторону верхнего бьефа (до 1,5 м) и осадки низового откоса около гребня (до 0,9 м).

Плотина Чир-Юртских ГЭС (СССР) насыпана из гравийно­галечных грунтов с ядром из лессовидных суглинков, высота

5. м, длина по гребню 430 м. Характерными для этой плотины были значительны^ осадки тела плотины, которые через полто­ра года составляли в центральной части 36 см, левобережной 29 см и правобережной 14 см. Через четыре года осадки гребня увеличились до 70...80 см. Железобетонный парапет, устроенный на гребне плотины, нарастили и использовали как водоподпор­ную стенку, что снизило устойчивость гребня плотины. К нача­лу землетрясения осадка плотины стабилизировалась и достигла

1. . 1,1 м. Центральная часть гребня плотины сместилась в сто­рону нижнего бьефа на 4,8 см. Кроме того, ко времени сейсми­ческого воздействия водохранилище оказалось заиленным нано­сами на 90%, которые отложились слоем 22...23 м, а глубина воды у плотины составляла лишь 7 м. После землетрясения силой 7 баллов на гребне появились трещины вдоль оси через всю плотину, поворачивающие в сторону верхнего бьефа. Шири­на их достигала 45...50 см, глубина — 2...3 м (рис. 10.2).

Р ис. 10.2. Разрушение гребня плотины Чир-Юртских ГЭС:

1 — упорная призма; 2 — железобетонное крепление; 3 — контур гребня до землетрясения; 4 — контур гребня после землетрясения; 5 — трещины; 6— контур вскрытия; 7 — ядро

Плотина Горьковской ГЭС (СССР) намывная, с трубчатым дренажем, вокруг которого уложен двухслойный обратный фильтр. В зоне расположения трубчатого дренажа правобереж­ной части плотины в течение 1958... 1959 гг. образовались 22 во­ронки диаметром 0,6...1,25 м, глубиной 0,5... 1,8 м. В то же время в трубах дренажа вместе с профильтровавшейся водой появил­ся песок. В отдельных случаях трубы были заполнены песком на ³/₄ их поперечного сечения. Возникла необходимость срочного проведения ремонтных работ. Причиной повреждения оказалось расстройство стыков звеньев труб дренажа и повреждение кро­мок труб на торцах. Методом шурфования было установлено, что на некоторых участках общая толщина обратного фильтра оказалась равной 15...20 см (крупнозернистый песок и гравий слоями 8...10 см), что значительно отличалось от проектной тол­щины — 40 см. Кроме того, в основании оказались суглинистые линзы, которые при строительстве подлежали удалению.

Плотина Роваллен (Австралия) с центральным глинистым ядром, высота 43 м, длина по гребню 579 м. Через год после ее возведения в правобережном примыкании ядра плотины к водо­сливу поблизости от гребня на низовом откосе возникла про­моина с условным диаметром 1,4 и глубиной 1,3 м. Поэтому срочно сработали водохранилище на 7,6 м со скоростью 0,3 м/сут и тем самым избежали опасного развития суффозии. Причины аварии — некачественное исполнение контакта между ядром и бетонной стенкой и возникновение недопустимых градиентов.

Приведенные примеры разрушения грунтовых плотин свиде­тельствуют о том, что опасность возникновения аварии значи­тельно возрастает, как правило, в двух случаях: во время павод­ка и при землетрясениях. Вместе с тем разрушение плотин мо­жет быть в ряде случаев предотвращено службой эксплуатации, если своевременно обеспечивать нормальную работу гидромеха­нического оборудования, поддерживать в надлежащем состоя­нии водосбросы, срабатывать водохранилище, наблюдать за крутыми склонами, фильтрацией, особенно на контакте бетонных элементов с грунтовой плотиной в ее основании.