Некоторые особенности возведения земляных насыпных плотин

Наиболее надежным, испытанным и распространенным способом постройки земляных плотин является отсыпка грунта с последующим его механическим уплотнением.

Механическое уплотнение грунта производят для уменьшения фильтрации (особенно неравномерной) воды из водохранилища, создания более прочного материала тела плотины, обеспечивающего экономичное заложение откосов, и уменьшения деформаций плотины под действием собственного веса и давления воды со стороны верхнего бьефа.

Уплотнение грунта производят самоходными или прицепными катками - гладкими, ребристыми, шиповыми, на пневмоходу, виброкатками, трамбующими катками или плитами, а иногда гружеными автосамосвалами, гусеничными тракторами или самоходными скреперами.

Достаточно эффективные шиповые катки, у которых давление на 1 см2 поверхности грунта составляет до 4,0 МПа. Масса современных катков достигает 100 т и более. Число проходов катка по одному и тому же месту, зависящее от типа катка, заданного объемного веса скелета грунта и его влажности, обычно находится в пределах 5-8. Толщина укладываемого слоя обычно 15-20 см (после укатки), но использование очень тяжелых катков позволяет ее поднять до 60 см.

Трамбующие катки или плиты мало производительны и обычно используются для уплотнения грунта в примыканиях к другим негрунтовым сооружениям или на крутых склонах основания, где катки не могут обеспечить качественное уплотнение грунта.

Виброкатки наиболее эффективны при уплотнении несвязных грунтов.

Наибольший эффект при уплотнении глинистого грунта достигается, если грунт обладает так называемой оптимальной влажностью. Влажность, соответствующая получению наибольшего объемного веса при прочих равных условиях, называют оптимальной. В общем случае величина оптимальной влажности зависит от типа грунта, типа катка, числа проходок и т. д.

Для предварительного назначения можно руководствоваться рекомендацией , где  - влажность на границе раскатывания, %. Уменьшение влажности на 2% ниже предела раскатывания соответствует более жирному грунту, а на 4% - более тощему. При укатке грунта тяжелыми катками оптимальная влажность имеет меньшее значение, чем при укатке легкими (при всех прочих равных условиях).

Для уменьшения величины порового давления необходимо стремиться к возможно меньшей величине влажности при укладке грунта в тело плотины. Иногда даются рекомендации по снижению влажности грунта против оптимальной на 1%.

Величина оптимальной влажности может быть достаточно точно определена в лабораторных условиях методом Проктора (или ему подобным). Согласно этому методу грунт испытывают в лаборатории на уплотняемость при действии ударной нагрузки. Опыты проводят в цилиндре диаметром 10 см, в который укладывают последовательно три (пять) слоя испытуемого грунта общим весом 2,1 кг и утрамбовывают его падающим грузом. Масса груза, количество ударов и высота падения могут быть подобраны таким образом, чтобы эффект уплотнения от ударной нагрузки был эквивалентен тому или иному типу катка.

К примеру, если взять груз массой 2,5 кг, число ударов по каждому из трех слоев 25 и высоту падения 30 см, то оптимальная влажность соответствует уплотнению грунта пневмокатком массой 30-50 т (средний каток). При моделировании эффекта уплотнения грунта тяжелым катком часто используют груз массой 4,5 кг, высоту падения 45 см и 25 ударов по каждому из пяти слоев, т. е. всего 125 ударов.

В качестве иллюстрации такого рода исследования на рис. 15.6 приведены графики испытаний грунта, где оптимальная влажность определялась в зависимости от затраченной работы на уплотнение. Влажность, соответствующая вершине каждой из кривых, является оптимальной для данного способа уплотнения.

В производственных условиях величину оптимальной влажности уточняют на основе опытной укатки грунта производственными механизмами.
Степень уплотнения грунта характеризуется объемным весом скелета , которая достигается при оптимальной влажности, иногда называется оптимальной плотностью.

Большие исследования, которые были проведены при строительстве канала им. Москвы, показали, что объемный вес скелета грунта и влажность находятся между собой в зависимости

                                     ,                            (15.9)

 
где  и  - удельный вес воды и грунта в г/см, V - объем защемленного воздуха в долях единицы;  - оптимальная влажность грунта в долях единицы. Величина V = 0,03-0,05 для суглинков и глин. Для лёссовых грунтов V = 0,07-0,08.

Иногда в теле плотины используют и всевозможные щебенисто-дресвяные, гравийно-галечниковые грунты с содержанием заполнителя (частицы d< 2 мм) более 50%, к которым относятся моренные глины и так называемые материалы конуса выноса в горных районах. Если заполнитель глинистый, то изложенное выше может быть отнесено к назначению влажности и плотности заполнителя и затем делается пересчет влажности и объемного веса скелета на весь грунт, имея в виду, что крупные фракции несут с собой влажность 2-3% и их объемный вес равен удельному, так как они практически «плавают» в мелкозернистом грунте.

На рис. 15.7 приводится график, построенный В. С. Истоминой на основании данных натурных наблюдений за построенными плотинами, по которому можно установить величину объемного веса грунта в целом, если известно количественное содержание фракций d> l мм.

Использование этих грунтов для укладки в тело плотины осложняется наличием фракций d > 100-200 мм, так как фракции, допускаемые в тело плотины, должны составлять   поэтому

 
Рис. 15.6 Кривые зависимости работы по уплотнению грунта от его влажности:
1 -затраченная работа ~ 258 кГм, 2,5 кДж; 2 - 1,68 кДж; 3 - 0,84 кДж; 4 - 0,42 кДж; 5 - 0,21 кДж; 6 - 0,1 кДж; 7 - кривая предельной влажности

 
Рис. 15.7 Зависимость объемного веса грунтов  от содержания в них фракций  мм для ядер плотин (кружки) и экранов (треугольники)

часто необходимо отсеивать крупные фракции в зависимости от принятой толщины слоя или увеличивать толщину слоя, что приводит к снижению плотности укладки грунта.

Отсев крупных фракций усложняет работы и, как следствие этого, вызывает удорожание строительства.
На строительстве плотины Слоттморбергет в Норвегии предпочли укладывать грунт толщиной слоя 90 см, что позволило допустить включения размером до 0,6 м.

При укладке такого рода грунтов в водонепроницаемые элементы плотины надо также тщательно следить и предотвращать возможное расслоение грунтов при их отсыпке в тело плотины.

Обеспечение равномерного уплотнения. Существующие механизмы уплотнения грунта позволяют получать  в зависимости от типа грунта от 1,6 до 2,3 т/м3 (16-23 кН/м³). Меньшее значение соответствует жирным глинам, а максимальное - для грунтов с крупнозернистыми включениями.

Создать плотность, равномерную по толщине слоя, обычно не удается: верхняя часть слоя получается более плотной, чем нижняя, и тело плотины получается как бы слоистым и анизотропным в фильтрационном  отношении - в горизонтальном направлении коэффициент фильтрации может оказаться больше, чем в вертикальном. Поэтому стремятся к снижению толщины слоя, которую устанавливают опытной укаткой. При укладке суглинков в зависимости от массы катков обычно принимают толщину слоя 20-40 см. Тяжелым каткам соответствует большая толщина слоя.

Перед укладкой глинистого грунта в тело плотины его влажность должна быть равна оптимальной. Если грунт в карьере имеет влажность меньше оптимальной, то доувлажнение может быть произведено в карьере, что наиболее удобно, на карте отсыпки, в самосвале, при транспортировке грунта из карьера в тело плотины или в промежуточном складе грунта, если таковой имеет место в технологическом цикле. Если грунт в карьере имеет влажность выше оптимальной, то снижение влажности может вызвать значительные трудности. Основной метод снижения влажности - дренирование карьера. Подсушка грунта возможна только в сухих и жарких климатических поясах, но сопряжен этот технологический цикл с большими трудностями. Чаще всего в этом случае идут на укладку переувлажненных грунтов. За рубежом иногда для подсушки используют вращающиеся печи.

Контроль за уплотнением тела плотины очень важен: он осуществляется при производстве работ путем лабораторного определения объемного веса проб грунта, взятых из каждого укатанного слоя. В зависимости от класса сооружения, его конструкции, объема и т. д. регламентируется количество проб.

Пробы берутся с различной глубины слоя. Если грунт содержит крупнозернистые включения, то отбор проб осуществляется из лунки, 'Причем минимальный линейный размер лунки должен не менее чем в пять раз превышать максимальный размер фракции (для грунтов с крупнозернистыми включениями). Если грунт мелкозернистый, то иногда используют особые полевые пробы - плотномеры различных конструкций, в том числе и с использованием радиоактивных изотопов.

Песчаные грунты укладывают обычно слоями 25-40 см. Лучший эффект уплотнения достигается при использовании пневмокатков или вибрационных катков. При использовании катков вибрационного действия необходимо стремиться к минимальной влажности. Степень уплотнения грунта назначают, исходя из карьерной плотности или относительной плотности .