Необходимым конструктивным элементом для водохозяйственного использования рек являются водоподпорные гидротехнические сооружения или плотины. Как показывает практика [1, 2], в условиях криолитозоны наиболее целесообразным типом водоподпорного сооружения являются грунтовые плотины. Они могут быть разделены на две основные группы: плотины с мерзлотной завесой (не фильтрующие) и плотины без мерзлотной завесы (талые или фильтрующие) [1].
Часто по геологическим и другим особенностям района строительства приходится пересматривать известную технологию работ, создавать новые конструкции и организацию возведения, особенно напорных гидротехнических сооружений.
Надежности и безопасности напорных сооружений, и в частности плотин, во многом способствует качественно выполненные противофильтрационные завесы в вечномерзлых основаниях.
- Постановка задачи.
Практика гидротехнического строительства показывает, что строительство крупных гидротехнических сооружений в условиях вечной мерзлоты возможно. Однако при этом особое внимание должно быть уделено фильтрационному и температурному режимам системы грунтовая плотина — основание, изменения которых, в основном, являются причиной аварийных ситуаций. Это устанавливает повышенные требования к конструкциям и качеству противофильтрационного элемента, а также требует дополнительных исследований и совершенствования методов решения фильтрационно-температурных задач.
- Описание исследования.
Как известно, основным фактором, влияющим на устойчивость и сохранение работоспособности грунтовых плотин в криолитозоне, является их температурно-влажностный режим или их геокриологическое состояние. При проектировании принимается один из принципов строительства [6]:
- Сохранение вечномерзлого состояния грунта при строительстве и эксплуатации;
- Допущение использования естественных талых или оттаивание грунтов основания в ходе строительства и эксплуатации плотины на определенную глубину.
Плотина согласно проекту мерзлого типа, расположена на мерзлом основании. Мощность многолетнемерзлых пород около 230 м. Температура грунтов на глубине нулевых амплитуд минус 5-7ºС [3, 4].
В теле плотины наблюдалось постепенное повышение температур от правобережной части к левобережной, эта тенденция была подтверждена результатами работ, проведенных в предаварийный период 2012 г. [5].
Большая часть плотины от правого берега до дамбы-шпоры водозаборного узла сложена многолетнемерзлыми грунтами сливающегося типа и характеризуется температурами грунтов от минус 5ºС до минус 1ºС в верхней части разреза ниже сезонно-талого слоя и от минус 1,4ºС до минус 0,6ºС на глубине 20 м. Температура грунтов равномерно повышается по направлению от правого берега плотины к левому. Около оси заложения трубы для пропуска строительных расходов на глубинах 4–9 м (абсолютные отметки 44–49 м) зафиксированы повышенные температуры грунтов в диапазоне минус 0,2–0,4 ºС. Так же участок многолетнемерзлых грунтов сливающегося типа вскрыт у левого берега плотины правее поверхностного водосброса. Температуры грунтов на этом участке составляют от минус 2,6–2,4 ºС в верхней части разреза, до минус 0,1–0,3 ºС на глубинах 15–20 м.
Грунты основания за пределами зоны разуплотнения находятся в многолетнемерзлом состоянии, четвертичные отложения льдонасыщены, льдистые, реже — сильно льдистые; сланцы юрско-меловой системы — слабольдистые.
Грунты слоя сезонного промерзания и оттаивания представлены насыпными, преимущественно щебенистыми и дресвяными грунтами с суглинисто-супесчаным заполнителем и суглинками дресвяными и щебенистыми. Грунты сезонного слоя находятся в мерзлом состоянии. Толщина сезонного слоя изменяется от 3,0 до 3,7 м. При промерзании по степени морозной пучинистости грунты сезонного слоя относятся к среднепучинистым.
Наиболее фильтрующими являются насыпные техногенные грунты на контакте с грунтами основания, представленным выветрелыми трещиноватыми коренными породами или аллювиальными отложениями, находящимися в талом состоянии.
Подземные воды вскрыты в талых аллювиальных галечниковых грунтах на глубинах порядка 16–18 м. Воды напорные, установившийся уровень подземных вод соответствует абсолютным отметкам 40,01–40,51 м.
Воды пресные, химический состав — гидрокарбонатно-хлоридно-натриево-магниевый с минерализацией 0,6 г/л.
Коррозионная агрессивность грунтов плотины по отношению к свинцу средняя и высокая, к алюминию — средняя, к стали — средняя и высокая, к бетону грунты неагрессивны.
Результаты опробования скважин.
Было выполнено 11 экспресс-наливов в скважины, расположенные на гребне плотины и на берме со стороны нижнего бьефа. При проведении испытаний применялись автоматические датчики давления, позволявшие проследить ход восстановления уровня воды в скважине непрерывно.
Коэффициенты фильтрации по 11 опробуемым скважинам, полученные при интерпретации экспресс-опробований по методу Hvorslev, приведены в таблице 1, исходные расчетные графики — на рис. 4.2–4.10.
Таблица 1
Результаты фильтрационных испытаний
|
№ скважины |
Коэффициент фильтрации, м/сут |
|
1 |
1.17 |
|
2 |
4.26 |
|
5 |
1.41 |
|
6 |
1.60 |
|
7 |
4.80 |
|
8 |
2.43 |
|
9 |
4.83∙10–3 |
|
10 |
1.00 |
|
11 |
0.10 |
Индикаторные графики изменения уровней при обработке экспресс-наливов с результатами работы программы ANSDIMAT представлены на рисунках 1-9.
Рис. 1. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 1 при экспресс-наливе
Рис. 2. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине№ 2 при экспресс-наливе
Рис. 3. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 5 при экспресс-наливе
Рис. 4. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 6 при экспресс-наливе
Рис. 5. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 7 при экспресс-наливе
Рис. 6. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 8 при экспресс-наливе
Рис. 7. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 9 при экспресс-наливе
Рис. 8. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 10 при экспресс-наливе
Рис. 9. График временного прослеживания восстановления уровня воды в скважине № 11
Таким образом, в результате проведенных экспресс-опробований и обработки данных определены фильтрационные характеристики грунтов. Коэффициенты фильтрации разуплотненных талых грунтов изменяются от 1,17 до 4,8 м/сут, суглинков — от 1,41∙10–3 до 4,83∙10–3 м/сут.
С помощью цементации производится заполнение имеющихся в грунте пустот, в результате чего снижается расход и скорость фильтрации воды. При снижении расходов и скоростей фильтрации:
− создаются условия, позволяющие переморозить фильтрующий талик;
− повышается суффозионная устойчивость грунтов в районе фильтрующего талика;
− уменьшается тепловой поток в мерзлый массив на границе с мерзлыми породами, и соответственно уменьшается скорость деградации мерзлоты.
- Заключение.
Анализируя полученные данные можно сделать следующие выводы:
- Плотина находится в аварийном состоянии;
- Требуется цементационная завеса в местах ослабления грунтовой плотины и восстановление несущей способности по результатам ранее проведенных геофизических, геологических и гидрогеологических изысканий.
Литература:
- Гольдин А. Л., Рассказов Л. Н. Проектирование грунтовых плотин: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во АСВ, 2001. 375 с.
- Куперман В. Л., Мызников Ю. Н., Торопов Л. Н. Гидроэнергетическое строительство на Севере. М.: Энергоатомиздат, 1987. 303 с.
- Документация о ремонте плотины после аварии 1970 г.
- Проектная документация строительства плотины «Дальстройпроекта» 1964–1969 гг.
- Проект капитального ремонта плотины ОАО «Фундаментпроект» 2011 г.
- СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечно мерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04–88 — М., 2012.
