Укрепление скальных оснований

Неблагоприятные   свойства скальных   оснований    такие, как разнородность    (наличие    пород разной     жесткости),    включение - слабых   пород среди   надежных,  большая и неравномерная деформативность, значительная трещиноватость, наличие тектонических: зон,      малая      сопротивляемость сдвигу, могут смягчиться или вообще практически исчезнуть бла­годаря     проведению    различных конструктивно-строительных    ме­роприятий. Глубинная цементация основания или какой-либо его зоны про­изводится в тех случаях, когда необходимо уменьшить  деформативность основания вообще (повысить его жесткость  или  модуль деформации).

Эта цементация захватывает иногда большие глубины и области основания. Она эффективна в трещиноватых породах, особенно в слоистых породах с развитой трещиноватостью тектонической или в результате выветривания. Для эффекта цементации глини­стый заполнитель должен быть предварительно вымыт.

Глубинная цементация может повысить модуль деформации в 1,5-3 раза и более в зависимости от геологического строения и характера трещиноватости массива.

Например, в песчаниках основания плотины Камбамбе модуль деформации после цементации вырос в 2,5-3 раза, в известняках плотины Чиркейской - в 1,5-2, а в отдельных случаях даже до 8 раз. Эффективность цементации проверяется опытными работа­ми в каждом отдельном случае.
Кроме повышения жесткости сплошная цементация увеличи­вает прочность и водонепроницаемость основания и в некоторой мере сопротивляемость его сдвигу.

Крупные трещины и тектонические зоны (трещины сбросов, грабенов, горстов и т. п.), зияющие или заполненные рыхлым ма­териалом, гнезда слабой скалы или продуктов ее распада, а также иногда слабые прослойки уплотняются и укрепляются на такую глубину или длину, которая необходима для придания основанию некоторой однородности, для избежания концентрации напряже­ний в плотине, для обеспечения ее устойчивости.

Заделку крупных трещин и тектонических зон, открытых с поверхности, производят бетоном после их расчистки от заполнителя (струей воды под напором) и разделки стенок до здоровой скалы. Глубина заделки зависит от характера усилий, передаваемых плотиной, и наклона трещины к вертикали.

Вообще глубина заделки может быть определена анализом кар­тины напряженного состояния основания.
В США для определения глубины d, заделки трещин или слабых зон пользуются формулами:

для плотин высотой         
для плотин высотой                 

где b - ширина трещины или слабой зоны.

Если тектоническая зона не выклинивается в котловане, бето­нирование ее ведут из специальных подходных штолен  или шахт.

Некоторые трещины, особенно заполненные глинистым мате­риалом, являются опасными путями сдвига плотины, если они вы­ходят на поверхность в нижнем бьефе (рис. 10.9, а). Опасны быва­ют такие контакты пород, как на плотине Торрехон, где на границе диабазов и сланцев лежит слой слабого ампелитового сланца (рис. 10.9,б). Если по условиям деформации основания не требу­ется полная заделка трещины, то в таких случаях для увеличения сопротивления сдвигу выполняются бетонные шпонки-штольни-полости сечением, большим сечения трещины или слабого слоя. Такие шпонки передают усилия верхнего массива прочному ниж­нему, работая на срез бетона (деталь на рис. 10.9, б).

Укрепление раздробленных скальных оснований различными связями и конструкциями производят в тех случаях, когда скальное основание разбито крупными трещинами, разломами, одной цемен­тации его недостаточно или она мало эффективна.

 Рис. 10.9 Устройство шпонок для повышения сопротивления сдвигу оснований плотин:
а - плотина Гранд-Питер  (США):  1 - зоны, опасные по сдвигу;   2 - бетонные   шпонки; б - плотина Торрехон  (Испания): 1 - профиль плотины; 2 - противофильтрационная за­веса; 3 - дренаж; 4, 5 - бетонные   шпонки;   6 - ампелитовый   сланец;   7 - сланцы;  8 - диабазы; 9 - цементационные скважины; 10 - смотровая галерея

Так, монолитность берегового склона у плотины Кастийон была обеспечена устройством бетонных контрфорсов (рис. 10.10, а, 1), которые были прижаты к скале стальными анкерами (2), разме­щенными в буровых скважинах диаметром 30 см и заделанными (3) (зацементированными) в здоровой скале на глубине 30-40 м. Анкеры были натянуты усилиями до 9 МН.

Аналогичным образом укреплено в некоторых частях основание плотины Санта-Евлалия. Здесь тонкий слой кварцитов и их чере­дование со сланцами были связаны анкерами с кремнистыми слан­цами.

В случае слабых скальных оснований, в особенности с глини­стыми прослойками, как, например, у контрфорсной плотины Авентино, их укрепляют методом, аналогичным устройству свайных оснований в нескальных грунтах (рис. 10.10, б). Основание плотины Авентино было укреплено сваями в виде анкеров диаметром 30 и 24 мм и длиной до 10 м, зацементированных в скважинах диа­метром 9,5 см.

Противофильтрационные завесы устраивают под подошвой пло­тины с верховой ее стороны (см. рис. 10.8) и продолжают на склонах долины

 Рис. 10.10 Укрепление основания анкерами и сваями:
а - плотина Кастийон; б - плотина Авентино

на некоторую длину. Они представляют собой ряды буровых скважин, в которые нагнетается раствор, чаще всего це­ментный, заполняющий трещины и образующий таким образом преграду, малопроницаемую или практически непроницаемую для воды. В некоторых случаях завесы представляют собой бетонные стенки, заглубленные в основание.

Глубина завесы в скальных породах зависит от распростране­ния трещиноватости по глубине от поверхности основания: при малой толще водопроницаемых пород завеса доводится до кровли водонепроницаемых пород (водоупора); при значительной толще - до зоны, где трещиноватость пород уменьшается настолько, что удельное водопоглощение буровой скважины падает до 0,01- 0,05 л/мин (меньшая цифра относится к плотинам с напором до 30 м, большая - с напором более 100 м). На практике глубина завесы составляет от 0,5 до 0,8 напора на плотину, но, конечно, бы­вают, и притом значительные, отступления, вызванные особенно­стью геологических условий.

Число продольных рядов скважин, определяющих толщину за­весы, назначается так, чтобы максимальный градиент фильтрации через завесу (которая не может быть абсолютно водонепроницае­мой) не превышал допустимой величины. По «Указаниям» допустимый градиент определяют по табл. 10.2.

Таблица   10.2

Максимальный градиент фильтрации в теле завесы (верхнее ее сечение) J_доп приближенно равен разности давлений фильтрацион­ного потока перед и после завесы, деленной на толщину завесы. Градиент фильтрации на низовом конце завесы равен нулю, по­этому завеса может иметь переменную толщину; при нескольких рядах скважин вверху завесы до низа цементируемой толщи осно­вания доводится один ряд;

Расстояние между рядами зависит от степени трещиноватости скалы, обычно оно составляет от 1,5-2 до 3-4 м; примерно такое же расстояние и между скважинами в ряду.

На рис. 10.11 показано расположение цементационных скважин завесы под плотиной Летиен (см. также рис. 10.8). При сложном геологическом строении (кварциты, известняки, брекчии, сильная трещиноватость) скважины цементации имеют разную глубину (устанавливаемую в процессе производства работ путем опробо­вания скважин на водопоглощение) при разном расстоянии между ними в ряду в зависимости от водопроницаемости   различных зон основания.

Скважины обычно выполняют вертикальными, но при верти­кальных или близких к вертикальным трещинам их делают наклон­ными по возможности нормально к трещинам. В последнее время скважины завесы делают наклонными в сторону верхнего   бьефа.

 Рис. 10.11 Цементационная завеса плотины Летиен (Иран):
1 - дренаж;  2 - низовая завеса;  3 - здание  ГЭС;    4 - верховая завеса   (основная);  породы основания;  5 - белые кварциты;  6 - красные  кварциты;  7 - сланцы;  8 - сланцевый  извест­няк; 9 - зона брекчий; 10 - зеленый олигоцен; 11 - красный кальцит

Диаметр скважин принимается в пределах 45-76 мм. Нагнета­ние цементных растворов в скважины производится под давлением обычно после укладки небольшого слоя бетона.

Для устройства завес используют цементный раствор с примене­нием пластифицирующих добавок: гидрофильной или гидрофобной. В условиях закарстованных пород полости в скале заполняют бе­тоном или цементно-глинистым раствором со значительной при­месью глины или же битумом. Завесы, выполняемые нагнетанием битума, применяют относительно редко; они целесообразны в тех случаях, когда цементная завеса подверглась бы сильной коррозии ввиду наличия агрессивных вод.

Завесы выполняют обычно из специальных галерей в теле пло­тины или в особых бетонных плитах перед напорной гранью пло­тины (см. рис. 10.8); береговые завесы ведут с поверхности земли, а при их большой глубине - из специальных штолен, располагае­мых ярусами. В концевых участках завес скважины иногда распо­лагают в виде веера (см. рис. 10.11).

Длина и направление береговых завес в плане определяются многими условиями: местом выклинивания водоупорных пород, по­ложением поверхности депрессии фильтрующихся в обход плотины вод (характером гидроизогипс), ожидаемыми потерями воды из водохранилища в обход плотины, а также устойчивостью пород бе­регового склона против сдвига.

В тех случаях, когда устройство цементационной завесы затруднительно (слабая скала, чередование скальных пород со слоями рыхлых и т. п., не допускающих нагнетания раствора под давле­нием) или неэкономично, завесы устраивают в виде бетонных сте­нок или комбинации стенок и цементации под ними.