Основание плотин

К скальным основаниям относят массивы прочных пород с жесткими связями между частицами, характеризующиеся пределом прочности на сжатие более 5 МПа, более 1 МПа на растяжение и модулем деформации более 5 ГПа. Массивы оснований и породы с меньшими показателями относят к полускальным грунтам.

В состав скальных пород могут входить три основные группы:

1. Магматические— интрузивные (граниты, сиениты, габбро, диориты) и эффузивные или лавовые (базальты, диабазы, порфириты, андезиты), которые отличаются высокими показателями прочности (на сжатие до 100÷320МПа).

2. Осадочные— крепкие известняки и доломиты (прочность на сжатие до 140 МПа), песчаники кремнистые (прочность — 100÷230 МПа).

3. Метаморфические— кристаллические сланцы, гнейсы, кварциты, филлиты.

Скальные основания чаще всего неоднородные и имеют сложную структуру, в связи с чем получение достаточного объема информации о геологическом строении района створа гидроузла с показателями геомеханических свойств пород и особенностями их напластования является первоочередной задачей.

При подготовке скального основания под плотиной выполняют следующие виды работ:

• Удаление с поверхности скалы всех аллювиальных отложений.

• Удаление поверхностного разрушенного слоя разборной скалы, т. е. скалы, которую можно удалить без применения взрывных работ.

• Удаление оставшегося слоя трещиноватой скалы до проектной отметки — обычно до поверхности «здоровой» скалы. Необходимо отметить, что при разработке скальных оснований, имеющих явно выраженные отдельности или напластования с общим или местным падением в сторону нижнего бьефа, поверхность основания обрабатывают уступами с подъемом в сторону нижнего бьефа с уклоном 1:5, что примерно соответствует направлению главных напряжений в основании сооружения (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Зубья-уступы фундаментной части плотины: 1 — верховой подплотинный зуб; 2 — противофильтрационная завеса; 3 — траектория главных сжимающих напряжений

• Укрепление раздробленных участков (при необходимости) различными связями и конструкциями.

• Подготовка основания к бетонированию путем его очистки от глинистых грунтов, грязи пыли мусора, следов масла.

• Бетонирование первого слоя.

• Цементация основания путем устройства в верховой зоне основания плотины в месте возможного возникновения растягивающих напряжений площадной связующей цементации, а в низовой части — укрепительной. Глубина связующей цементации обычно составляет 3÷5 м, а укрепительной — 7÷15 м. Диаметр скважин, через которые под давлением нагнетают цементный, цементно-глинистый или битумизированный раствор, составляет 45÷76 мм, а шаг скважин от 1,5÷2 до 3÷4 м.

Противофильтрационная завеса и дренаж

Дренажные устройства бетонных плотин на скальном основании располагают как в основании, так и в теле со стороны верховой грани.

Дренажные устройства, располагаемые во флютбете плотины так же, как и противофильтрационные завесы устраиваются с целью снижения фильтрационного противодавления.

Противофильтрационные завесы (рис. 6.5, а) в скальных породах создаются путем нагнетания в буровые скважины под высоким давлением (от 10 до 100 атм) заполнителя: цементного, битума, глинистого или комбинированного (например, цементно-глинистого). Скважины располагаются в шахматном порядке в два-три ряда на расстоянии 1÷2 м между рядами и 2,5÷4 м между скважинами в ряду. Глубина скважин зависит от глубины зоны основания с допустимым водопоглощением и практически обычно колеблется в пределах от 0,4 до 0,8H, гдеH— напор на плотину.

Для возможности восстановления завесы в процессе эксплуатации в связи с выщелачиванием заполнителя в нижней части плотины (или в зубе) делают достаточно большую продольную галерею, из которой можно бурить скважины и нагнетать раствор. Ее габариты определяются размерами оборудования, с помощью которого будут производить цементацию и обычно не менее: ширина 2,5 м и высота 3,5÷4 м.

Помимо указанной галереи в теле плотины также устраивают смотровые потерны, служащие для осмотра состояния внутренних частей бетонных плотин, наблюдения за ходом фильтрации, возможным появлением трещин, для размещения контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), а также для служебного сообщения между берегами (рис. 6.5, а). Минимальный внутренний размер смотровых галерей назначается: ширина — 1,2 м, высота — 2 м. При необходимости проезда габариты потерн могут быть увеличены. По высоте смотровые потерны располагают через 15÷40 м.

	б	в
а	г

Рис. 6.5. Схема дренирования тела плотины: а — общая схема дренирования тела плотины: 1 — дренаж в теле плотины; 2 — потерна; 3 — отвод воды; 4 — дренаж в основании; 5 — цементационная завеса; б — схема дренирования основания при выполнении цементационных 1 и дренажных скважин из одной потерны; в — схема раздельного устройства потерн для цементационных 1 и дренажных 2 скважин; г — дренаж слоистого основания: 1 ÷ 2 — водонепроницаемые и водоносные слои; 3 — завеса; 4 — дренаж; 5 — разгружающие скважины

Вертикальный дренаж в теле плотины устраивается для снижения фильтрационного противодавления и во избежание вредного физико-химического и механического воздействия фильтрации воды. Он представляет собой систему вертикальных дрен, как правило, круглого сечения диаметром 10÷30 см с шагом 2÷3 м, расположенных вблизи напорной грани на расстоянии:

где — напор над расчетным сечением;

— коэффициент надежности по назначению сооружения;

— критический средний градиент напора для бетона плотины (для массивно-гравитационных плотин принимается равным= 25).

Дрены отводят фильтрующуюся в них воду в продольные галереи, имеющие сборные канавы или кюветы. Из кюветов вода направляется в поперечные галереи или штольни, выводящие ее в нижний бьеф. Для самотечного отвода воды одна из продольных галерей располагается выше уровня нижнего бьефа. Для галерей, расположенных ниже уровня воды в нижнем бьефе, предусматривается откачка фильтрующейся воды насосами. Необходимо учитывать, что во всех случаях во избежание промерзания дренажной системы вода должна отводиться ниже минимального уровня воды нижнего бьефа.

Вертикальный дренаж основания устраивают наиболее часто. Его делают, как правило, в виде одного ряда дренажных буровых скважин при обязательном наличии цементационной завесы. Диаметр дрен тот же, что и у дрен тела плотины, шаг — 2÷3 м, а глубина составляет , где— напор на плотину.