Намывные плотины из разнородного грунта (с образованием ядра)

Образование такой плотины возможно при наличии разнородного грунта с коэффициентом неоднородности , содержащего достаточное, (но не более 15-20%) количество мелких (d < 0,05 мм) и крупных фракций (d > 0,5-l мм до 50-60 мм) грунтов I-III категорий. Намыв плотины с ядром производят с двух сторон профиля плотины - из двух боковых пульповодов (лотков или трубопроводов, подающих пульпу), идущих вдоль откосов на эстакадах (рис. 15.9), или безэстакадный непосредственно на грунте откоса, или по невысоким продольным дамбочкам, насыпаемым из грунта откоса.

Пульпа выпускается из пульповодов на эстакадах через особые выпуски, располагающиеся через 5-10 м по длине пульповода, а при безэстакадном методе намыва - через торец звена пульповода.

Пульпа, огражденная по откосу дамбочки, течет к середине плотины, где образуется так называемый прудок-отстойник. Скорость движения пульпы, наибольшая в месте выпуска из пульповода у откоса плотины, постепенно уменьшается к середине профиля сооружения, благодаря чему частицы грунта выпадают из потока в порядке убывающей их крупности. Середины профиля достигают лишь самые мелкие частицы, медленно оседающие в прудке-отстойнике. Они образуют относительно водонепроницаемое ядро плотины. Более проницаемые для воды боковые части профиля, складывающиеся из крупных частиц, называют наружными пли боковыми призмами: между ними и ядром образуется промежуточная зона (около 20-30% общего объема плотины).

Удаление осветленной (благодаря отстою) воды из прудка происходит частью через боковые призмы, а главным образом через специальные временные водосливы в виде деревянных вертикальных колодцев – труб с горизонтальными отводами у основания плотины. В некоторых случаях воду удаляют плавучими насосными установками. Для образования ядра в центре сечения плотины выпуск пульпы следует производить одновременно с обоих откосов.

Рис. 15.9 Двусторонний эстакадный намыв плотины с ядром:
1 - колодец; 2 - дамба обвалования; 3 – коллектор; 4 – прудок-отстойник; 5 – промежуточная зона, 6 - боковая призма; 7 - выпуска; 8 - пульповод

Ширина прудка, а с нею и ширина будущего ядра должна быть в границах, намеченных проектом, примерно в пределах 15-20% ширины профиля плотины на данной высоте. Это достигается регулированием отвода воды из прудка, для чего; в колодцах предусматриваются простейшие щиты - шандоры.

 
Рис. 15.10 Детали безэстакадного намыва:
а -продольный разрез вдоль пульпопровода; б - соединение труб, деталь; 1 - раструб трубы; 2 - растекание пульпы; 3 - намывные слои; 4 - углубление размыва струей пульпы; 5 – конец трубы; 6 – резиновое кольцо уплотнения; 7 - привариваемые бортики

Прудок-отстойник должен иметь некоторую минимальную ширину, соответствующую пути, на котором должно произойти выпадение из пульпы частиц  мм, частицы  мм всегда «отмываются», т. е. сбрасываются из прудка вместе с водой.
В настоящее время обычно стремятся к отмыву фракций  мм или даже 0,1 мм для того, чтобы ускорить процесс выпадения частиц и в конечном счете ускорить процесс намыва. Длина необходимого для этого пути в прудке  приближенно определяется формулой

                                     ,                                         (15.10)

где  - средняя скорость струи в прудке;  - «гидравлическая крупность» (скорость падения частиц в стоячей воде) наиболее крупных частиц, подлежащих сбросу из прудка; h - глубина воды в прудке.

Приближенно можно принимать гидравлическую крупность песчаных частиц диаметром  = 0,05 мм  = 0,173 см/с;  = 0,1 мм  = 0,6 см/с;  = 0,13 мм  =1 см/с;  = 0,3 мм  = 3,0 см/с.

Верхняя часть профиля с шириной, недостаточной для образования прудка, выполняется другими методами намыва или способом отсыпки насухо.

Намыв плотины производится по участкам или картам длиной 200-400 м и более. При эстакадном намыве с одного положения эстакады можно намыть ярус плотины высотой до 5-6 м, после чего пульповоды перемещаются на эстакады следующего яруса (см. рис. 15.9); старые эстакады остаются в грунте, за исключением связей и раскосов, снимаемых по мере роста плотины.

При безэстакадном намыве, который в настоящее время широко используется, с одного положения, трубы пульповода намывается слой - конус грунта высотой 0,3-0,5 м (рис. 15.10, а), после чего, не прерывая намыва, при помощи специального быстроразъемного соединения присоединяют краном следующую трубу (рис. 15.10, б) и намывают новый конус и так до конца карты (см. рис. 15.16). После этого намывают новый ярус высотой 0,3-0,5 м, идя в обратном направлении вдоль карты путем постепенного отсоединения труб. Ход намыва по этому методу напоминает движение челнока и иногда называется «челночным».

Безэстакадный намыв впервые внедренный трестом «Гидромеханизация», получивший у нас широкое развитие, значительно экономичнее эстакадного. Отсутствуют эстакады (экономия лесоматериалов) и работы, связанные с их устройством, намыв идет непрерывно и выполняется механизированными способами, производительность труда более высокая. Все крупные земляные плотины волжских и других гидроузлов намыты безэстакадным способом. Самой высокой намывной плотиной с ядром в СССР является Мингечаурская плотина на р. Куре высотой 80,5 м и объемом 15 млн. м3 (рис. 15.11), возведенная безэстакадным способом на плотном основании в условиях восьмибалльной сейсмичности (1956) из песчано-гравелистых грунтов. Грунты доставлялись из нескольких карьеров (гравийных, песчаных) железнодорожным транспортом, смешивались и разжижались в особом бункере-смесителе на месте постройки и затем направлялись на строящуюся плотину.

Рис. 15.11 Мингечаурская плотина:
а - разрез плотины; б - осредненные кривые гранулометрического состава грунтов плотины; 1 - ядро; 2 - промежуточные зоны; 3 - боковые призмы; 4, 5 - дренаж и выпуск из него; 6, 7 - перемычки; 8 - глиняный зуб и цементация; 9 - контур плотины первой очереди; 10 - осредненный состав грунта карьеров

Фракционирование грунта видно по профилю плотины, из осредненных кривых гранулометрического состава. Несмотря на относительно небольшое различие в фильтрационных свойствах ядра и остальной части профиля, в ядре гасится до 70-80% напора. Дренаж плотины выполнен из сборных бетонных блоков.

Прогноз раскладки фракций в теле плотины. Геотехнические показатели грунта в разных частях профиля плотины после намыва определяются предварительно в проекте. Для сооружений I и II классов это делают путем проведения опытного намыва, а для прочих - путем примерных, приближенных расчетов (то же и для предварительных соображений по сооружениям I и II классов).

Существует ряд методов расчета гранулометрического состава намытого грунта, все они относительно условны. Наиболее прост и достаточно точен способ, предложенный П. И. Гордиенко. Поэтому способу, имея кривую гранулометрического состава карьерного грунта, например ОВКА (рис.15.12, а), вначале строят кривую состава после отмыва из этого грунта мелких фракций: если желают отмыть частицы крупностью  мм (точка В), то в плотине останется грунт крупностью 0,06 мм и более. Если отмыто  % всего грунта (в данном примере около 10%), то количество частиц каждой фракции в оставшемся грунте станет больше в  раз, считая содержание фракции от линии, соответствующей 100%. Например, частиц крупнее 0,06 мм было , станет ; частиц крупнее 0,1 мм было 68% (рис. 15.12, а), т.е. , теперь будет  и т. д.

Рис. 15.12. Расчет раскладки грунта при намыве:
а -при отмыве мелких частиц; б - при образовании ядра; 1 - исходный грунт; 2 - грунт после отмыва фракций d< 0,06 мм; 3 - грунт ядра; 4 - грунт упорных призм

Графически это можно получить так: взять произвольную точку и провести прямую в точку  отсекающую «отмытую» фракцию на оси О%, и прямую МВ на линии . Для перестройки кривой ВКА надо сносить вниз ее точки пропорционально высотной разнице между прямыми MB и , например точка К переносится по горизонтали в , определяется  и на эту величину опускается точка К в положение .
Раскладка фракций в теле плотины с ядром прогнозируется аналогичным образом: устанавливают максимальный размер частиц, допускаемых в ядро (рис. 15.12, б, точка С), и затем кривая:  (часть кривой гранулометрического состава ) перестраивается в , при помощи вспомогательных лучей  и  в гранулометрическую кривую состава ядра; кривая же СА перестраивается аналогично в кривую состава боковых призм и переходных зон - .

Особенностью настоящего построения является необходимость учета проникновения частиц, предназначенных для призм, в ядро и наоборот, которое имеет место в действительности. Экспериментально установлено, что в среднем 15% фракций из призм проникает в ядро и 15% фракций ядра проникают в призму. Для выполнения этого условия построение, предложенное П. И. Гордиенко,

Рис. 15.13. Схема фильтрации в плотине в период намыва:
1 - основание - суглинок; 2 - проницаемое основание; 3 - прудок

несколько преобразуется. При построении кривой зернового состава призмы следует провести два луча: один луч проходит через точку раздела фракций (С) на фракции для ядра и призм из полюса М. Второй луч из этого же полюса проходит через точку на вертикали раздела, соответствующей 15% (), и выполняются построения, аналогичные изложенному.

Для построения кривой зернового состава ядра намывной плотины проводятся два луча из полюса N: один из лучей NC, а другой из этого же полюса через точку на вертикали раздела, соответствующей 85% (). Построения выполняют аналогично предыдущему случаю. Кривая  - зерновой состав ядра плотины; кривая  - зерновой состав упорных призм.

После определения зернового состава ядра и упорных призм необходимо установить по этому составу примерные характеристики грунтов.

Расчеты фильтрации воды в период намыва необходимы для оценки устойчивости плотины. Общая схема фильтрации показана на рис. 15.13 для случаев проницаемого и непроницаемого основания. Сетку фильтрации можно построить графически.

Расчеты устойчивости плотины в период намыва. Наиболее опасным для намывной плотины с ядром является период, близкий к ее окончанию, когда рост плотины в высоту ускоряется (уменьшается ширина плотины), а давлению разжиженного и недостаточно уплотненного ядра сопротивляются относительно тонкие боковые призмы. Для расчета устойчивости призм можно пользоваться методом М. М. Гришина и Б. Н, Федорова, разработанным для прямолинейных откосов в предположении, что материал боковых призм не обладает сцеплением и что поверхности скольжения в призмах - плоскости (по опытам Гильбоя это близко к действительности).

В период постройки на призму ABCD (рис. 15.14) действует давление разжижения ядра, принимаемое распределенным по гидростатическому закону и направленное под углом  к  нормали плоскости AD; под влиянием этого давления часть призмы ABED может сдвинуться по некоторой плоскости DE под углом  к горизонту, чему будет препятствовать трение грунта по плоскости DE. Для устойчивости отсека грунта ABED надо, чтобы реакция R, равная равнодействующей сил давления ядра Q и веса G отсека ABED, была направлена к нормали линии DE под углом , меньшим, чем угол внутреннего трения грунта наружной призмы , т.е. .

Рис. 15.14 Схема к расчету наружных призм плотин с ядром

Рис. 15.15 Сестринская дамба

Наиболее опасной плоскостью скольжения будет та, для которой угол  достигает максимального значения. Анализ показывает, что этому максимуму соответствует положение плоскости DE под углом , характеризуемым уравнением

                   ,  (15.11)

 
где
                   ;
                                     ;

 
                                               ,                           (15.12)

- средний объемный вес материала наружных призм;  - высота плотины от гребня до рассматриваемого сечения;  - высота треугольника ODC; Q - давление разжиженного ядра, принимается равным ,   ( - объемный  вес материала ядра как тяжелой жидкости); по мере уплотнения ядра давление уменьшается до величины обычного давления связного грунта на стенку. Угол  в расчетах можно принимать равным нулю.

Наиболее опасная поверхность скольжения, как показывает анализ, всегда проходит через точку Dпересечения откоса ядра с поверхностью основания или с поверхностью уже уплотнившейся части ядра. Приближенно линию DE можно принять горизонтальной и совпадающей с DC.

В зависимости от результата расчета для повышения устойчивости боковых призм могут быть приняты следующие меры: 1) уменьшена ширина ядра и тем увеличена ширина боковых призм (при данных откосах); 2) снижены темпы роста ядра в высоту, чтобы грунт ядра успевал уплотниться; 3) уположены наружные откосы профиля. Откосы плотин, намываемых из песчаных грунтов, в верхней части профиля (если основание надежно) могут иметь заложение в пределах , уполаживаясь книзу, а при гравелистых грунтах боковых призм - около .

Расчет устойчивости откосов намывной плотины в строительный период может выполняться и по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения при учете фильтрации из прудка.

Расчет устойчивости плотины в эксплуатационный период производится по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения аналогично обычным насыпным плотинам.

Регулирование процесса намыва. Процесс уплотнения тела плотины и особенно ядра идет вначале относительно быстро, а затем все медленнее и может тянуться годами. Во многих- случаях за период постройки ядро все же успевает достаточно уплотниться, если состав его не очень однороден. Мало уплотненное ядро, оказывающее давление как тяжелая жидкость, может вызвать смещение боковых призм или оползень, поэтому темпы возведения плотины или интенсивность намыва в целом должны сообразовываться с ходом уплотнения ядра. Средняя интенсивность намыва. плотин с ядром (рост плотины в высоту) на практике составляет 0,1-0,25 м/сут. Регулировать приходится не только рост, но и ширину прудка и гранулометрический состав грунта.

В натуре ядро, конечно, не имеет в разрезе формы трапеции, а только приближается к ней (рис.15.15). Нежелательными являются «языки», т. е. участки песчаного грунта, образующиеся в ядре из-за больших скоростей пульпы (а-на рис. .15.15), и «карманы» (б - на рис. 15.15) глинистого грунта в боковых призмах, так как они могут обусловить значительное гидростатическое давление пульпы на откос и оползание его по глинистой прослойке. Борьба с языками заключается в уменьшении скорости пульпы постановкой щитков по пути ее движения или в. регулировании расхода пульпы из труб и лотков. Борьба с карманами ведется регулированием ширины прудка или уровня воды в нем.

Контроль за процессом намыва исключительно важен и необходим для предотвращения аварий сооружения в период работ и обеспечения нужного качества сооружения. Подвергают контролю гранулометрический состав грунта в карьере и в теле плотины, консистенцию пульпы, плотность намытого грунта (объемный вес) и ее изменения во времени, размеры ядра, фильтрацию воды на откосах и состояние последних. Для контроля на строительстве организуется специальная полевая геотехническая лаборатория. Геотехнический контроль осуществляется путем периодического взятия грунтоносами проб грунта (одна проба на 300-600 м³ грунта) и определения объемного и удельного весов, влажности, гранулометрического состава, пластичности. Контроль за уплотнением ведется также при помощи специальных реперов и электроемкостными методами.