ГРУНТОВАЯ НЕОДНОРОДНАЯ НАСЫПНАЯ ПЛОТИНА
SOIL NON-HOMOGENUOUS FILL DAM

Изобретение относится к гидротехническому строительству, в частности к грунтовым неоднородным насыпным плотинам.
Известна неоднородная насыпная плотина, тело которой состоит из грунтов двух или более видов. При сопряжении части тела плотины из мелкозернистого грунта с частью тела из крупнообломочного грунта плотина в своем поперечном сечении содержит переходную зону (то же: фильтр), который выполняют из грунта заданного зернового состава. В случае выполнения центральной части плотины из мелкозернистого грунта (ядро) или с диафрагмой, в том числе пленочной, переходный слой пересекает по высоте тело плотины и имеет вид, близкий к вертикальному, и может состоять из последовательно расположенных, по отношению к мелкозернистому грунту ядра или к диафрагме, первого переходного слоя и второго переходного слоя. Каждый из этих слоев выполняют из грунта заданного зернового состава (Гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч.1 / Л.Н.Рассказов, В.Г.Орехов, Ю.П.Правдивцев и др.; Под ред. Л.Н.Рассказова. - М.: Стройиздат, 1999. С.270-271, рис.11.1, б и е, с.350, рис.13.22).
Из условия производства работ толщина переходного слоя обычно принимается не менее 4-х метров, а сопрягается такой слой со смежными грунтами ступенчатыми поверхностями, образующими «елочку». Известные по авторскому свидетельству СССР №1802034 и №1802035 предложения по плоскому сопряжению грунтов (без «елочки») с использованием переставных щитов технологически сложны и до настоящего времени не нашли применение.
Все это обуславливает следующие недостатки известной плотины.
1. Большой объем обычно дефицитного грунта переходного слоя при выполнении его толстым и при его сопряжении со смежными грунтами «елочкой», что обуславливает высокие затраты на возведение плотины.
2. Недостаточная надежность плотины из-за:
- расслоения (сегрегации) грунта переходного слоя при его выполнении;
- увеличения выходных градиентов фильтрации в нише «елочки»;
- зависания грунта ядра плотины на «елочке», что может создать опасный «арочный» эффект;
- сложности качественного выполнения как противосуффозионного элемента из водопроницаемого волокнистого материала (геотекстильное полотно и/или минераловолокнистые плиты), так и противофильтрационного элемента в виде водонепроницаемой геомембраны (далее: мембраны), как при сопряжении грунтов «елочкой», так и при их плоском сопряжении с использованием переставных щитов;
- слабой трещеностойкости ядра плотины в бортах, особенно при сейсмическом сотрясении.
Эти недостатки увеличивают затраты на возведение плотины и снижают ее надежность.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение затрат и повышение надежности плотины.
Технический же результат от использования изобретения заключается:
- в уменьшении объема грунта переходного слоя;
- в предотвращении образования «елочки» при сопряжении переходного слоя со смежными грунтами;
- в предотвращении расслоения грунта переходного слоя;
- в выравнивании выходных градиентов фильтрации;
- в предотвращении зависания ядра на переходном слое;
- в повышении технологичности и качества выполнения противосуффозионного или противофильтрационного элемента плотины;
- в повышении трещеностойкости ядра плотины.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в грунтовой неоднородной насыпной плотине, содержащей в поперечном сечении переходную зону, пересекающую по высоте тело плотины и отделяющую часть тела плотины из мелкозернистого грунта от части тела плотины из крупнообломочного грунта, причем переходная зона выполнена двухслойной и состоит из последовательно расположенных, по отношению к мелкозернистому грунту, первого переходного слоя и второго переходного слоя, каждый из которых выполнен из грунта заданного зернового состава, согласно изобретению переходная зона выполнена в виде двухслойной габионной стенки из связанных между собой габионов. Каждая корзина габиона имеет коробчатую форму, выполнена из проволочной сетки и одной или более диафрагмой разделена на ячейки. Одни ячейки заполнены грунтом первого переходного слоя и образуют первый слой габионной стенки, а другие ячейки заполнены грунтом второго переходного слоя и образуют второй слой габионной стенки. По меньшей мере, грунт первого переходного слоя в ячейке корзины заключен в гибкую оболочку, а между габионной стенкой и мелкозернистым грунтом тела плотины выполнен разделительный слой из геосинтетического и/или минераловолокнистого материала.
Дополнительно:
- гибкая оболочка выполнена из геотекстильного полотна, имеет коробчатую форму, при этом ее размеры, по меньшей мере, равны размерам ячейки корзины и обеспечивают плотное прилегание грунта порции к проволочной сетке ячейки корзины;
- разделительный слой выполнен в виде противосуффозионного элемента из водопроницаемого волокнистого материала, преимущественно из геотекстильного полотна и/или минераловолокнистых плит, при этом расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом волокнистом материале  удовлетворяет условию:
,
мaкc
где d - максимальный диаметр частиц грунта, перемещение фильтрационным потоком которых в направлении противосуффозионного элемента при эксплуатации плотины временно возможно и допустимо;
- разделительный слой выполнен в виде противофильтрационного элемента, содержащего водонепроницаемую мембрану.
Именно выполнение переходного слоя в виде двухслойной габионной стенки по указанным правилам позволяет экономно и без расслоения укладывать грунт переходных слоев при одновременном создании поярусно вертикальной и относительно ровной, обычно со стороны верхнего бьефа, поверхности. Эта поверхность создает благоприятные условия для выполнения из геосинтетических материалов экономичного и высококачественного разделительного слоя в виде противосуффозионного или противофильтрационного элемента между мелкозернистым грунтом (ядром) и грунтом первого слоя переходной зоны (то же: первым слоем габионной стенки). При этом под противосуффозионным элементом понимается особый частный случай противофильтрационного элемента, временно обладающего водопроницаемым свойством, а под геосинтетическим материалом - синтетический материал, предназначенный для работы в грунте. Дополнительно, заключение грунта переходного слоя в гибкую оболочку позволяет не увязывать размеры ячеек проволочной сетки корзины с заданным зернистым составом грунта этого переходного слоя.
Все это обеспечивает достижение ранее указанного технического результата, а в конечном счете - снижения затрат при возведении плотины и повышения ее надежности при эксплуатации.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены 2 примера плотины.
На фиг.1-8 изображена каменно-земляная плотина на скальном основании с супесчаным ядром и с разделительным слоем в виде противосуффозионного элемента, пример 1, а именно: на фиг.1 - показан поперечный разрез плотины; на фиг.2 - конструктивная схема коробчатой с двумя ячейками корзины из проволочной сетки; на фиг.3 - схема шестиугольных ячеек сетки; на фиг.4 - схема коробчатой гибкой оболочки; на фиг.5 - конструктивная схема коробчатой с четырьмя ячейками корзины из проволочной сетки; на фиг.6 - развертка корзины с четырьмя ячейками (перегородки изготовляются отдельно и устанавливаются по месту); на фиг.7 - схема возведения габионной стенки плотины и ее противосуффозионного элемента; на фиг.8 - разрез А-А на фиг.1, принципиальная схема работы противосуффозионного элемента и его превращения естественным путем в противофильтрационный элемент.
На фиг.9 изображена каменная плотина на нескальном основании с разделительным слоем в виде противофильтрационного элемента, пример 2, поперечный разрез.
Пример 1 (фиг.1-7). Каменно-земляная плотина расположена на скальном основании 1. В своем поперечном сечении плотина содержит ядро 2, выполненное из супеси (мелкозернистый грунт), упорные призмы верховую 3 и низовую 4, выполненные из каменной наброски (крупнообломочный грунт) с зональным распределением камня по крупности (на фиг.2 распределение показано пунктиром), и переходные зоны верховую 5 и низовую 6, выполненные из грунтов заданного зернового состава. Переходные зоны 5 и 6 пересекают по высоте тело плотины и отделяют ядро 2 от упорных призм 3 и 4.
Низовая переходная зона 6 выполнена в виде габионной стенки 7 и в два переходных слоя: первый, по отношению к ядру 2, слой 8 и второй слой 9. Габионная стенка 7 выполнена из связанных между собой габионов 10, каждая корзина 11 которых имеет коробчатую форму (фиг.2), выполнена из проволочной сетки 12 (фиг.2 и 3) и диафрагмой 13 разделена на две ячейки 14, образующих одну пару ячеек. Одни ячейки 14 пар расположены, по отношению к оси 15 габионной стенки 7, со стороны верхнего бьефа, заполнены грунтом первого переходного слоя 8 и образуют первый слой 16 габионной стенки 7. Другие ячейки 14 пар расположены со стороны нижнего бьефа, заполнены грунтом второго переходного слоя 9 и образуют второй слой 17 габионной стенки 7. При этом грунты переходных слоев 8 и 9 имеют заданные зерновые составы. По меньшей мере, грунт первого переходного слоя 8 в каждой ячейке 14 первого слоя 16 габионной стенки 7 заключен в гибкую оболочку 18 (фиг.4). Между габионной стенкой 7 и ядром 2 расположен разделительный слой 19, который выполнен из композиционных материалов и плотно прилегает к плоской верховой боковой поверхности 20 габионной стенки 7.
Гибкая оболочка 18 выполнена из геотекстильного полотна, имеет коробчатую форму, а ее размеры, по меньшей мере, равны размерам ячейки 14 корзины 11 и обеспечивают плотное прилегание грунта порции к проволочной сетке 12 корзины 7.
мaкc
Разделительный слой 19 выполнен в виде противосуффозионного элемента из водопроницаемых волокнистых материалов и состоит из полотна 21 и выравнивающей прокладки 22. Полотно 21 выполнено из геотекстиля, например два слоя «Дорнит-500», а выравнивающая прокладка 22 выполнена из минераловолокнистых плит и придает мягкость верховой боковой поверхности 20 габионной стенки 7. При этом расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом композиционном волокнистом материале (полотно 20 и прокладка 22)  удовлетворяет условию: , где d - максимальный диаметр частиц супеси ядра 2, перемещение фильтрационным потоком 23 которых в направлении разделительного слоя 19 (то же: противосуффозионного элемента) при эксплуатации плотины временно возможно и допустимо.
мaкc
Зерновой состав переходных слоев 8 и 9, а также диаметры  и d устанавливаются проектом по известным математическим формулам и исследованиям в соответствии с нормативными требованиями.
Корзина 11 может делиться диафрагмами 13 на число ячеек больше чем две, но всегда на четное число в зависимости от заданного количества пар ячеек 14 в одной корзине 11. В качестве примера на фиг.5 и 6 изображена корзина 11 с четырьмя ячейками 14, т.е. с двумя парами ячеек.
Количество пар ячеек 14 в корзине 11, необходимость выполнения в них крышек 24 (фиг.2), диаметр проволоки кромки 25 и основной проволоки 26, размеры ячеек в проволочной сетке 12 (фиг.3), необходимость выполнения замыкающих фартуков 27 в гибкой оболочке 18 (фиг.4) устанавливаются проектом.
В верхней части плотины в пределах верховой переходной зоны 5 к ядру 2 примыкает (с разделительным слоем 19 или без него) однослойная габионная стенка 28, ячейки корзин которой заполнены грунтом первого переходного слоя этой переходной зоны 5 (фиг.1).
Оголовок 29 плотины снабжен противофильтрационным элементом в виде водонепроницаемой мембраны (геомембраны) 30.
Сопряжение плотины со скальным основанием 1 осуществлено посредством бетонной плиты 31 и цементации 32.
В низких плотинах разделительный слой 19 может состоять только из полотна 21 или из прокладки 22.
На чертежах обозначены и другие элементы плотины, а именно:
33 - технологический слой (низовая упорная призма)
34 - технологический слой (ядро)
35 - переходный слой (микрослой перед полотном 21)
36 - противофильтрационный слой (тонкий слой перед переходным слоем 35).
Плотину возводят поярусно в следующей последовательности.
я
к
к
Сначала выполняют сопряжение плотины с основанием 1. Для чего выполняют бетонную плиту 31 и цементацию 32 основания 1. Затем возводят первый (нижний) ярус габионной стенки 7 высотой Н=3Н, где Н - высота габиона 10. Каждый габион 10 образуют путем заполнения ячеек 14 корзин 11 грунтом низовой переходной зоны 6. Ячейки 14, расположенные по отношению к оси 15 габионной стенки 7 со стороны верхнего бьефа, заполняют грунтом первого переходного слоя 8, а ячейки 14, расположенные со стороны нижнего бьефа - грунтом второго переходного слоя 9. При этом каждую порцию грунта первого переходного слоя 8, предназначенную для заполнения ячейки 14, заключают в гибкую оболочку 18.
В случае заполнения грунтом ячеек 14 корзины 11 непосредственно в габионной стенке 7 одна из корзин 11 сопрягаемой пары может быть выполнена с открытым торцом, т.е. без боковины - проволочной сетки 12 на сопрягаемом торце.
я
В случае использования корзин 11 с одной парой ячеек 14 (фиг.2) образовывать габионы 10 целесообразно на специальных площадках, а транспортировать их и осуществлять габионную кладку посредством приспособленных для этой цели погрузчиков с вилочным подхватом или челюстным захватом. Габионы 10 в ярусе связывают между собой, после чего с низовой стороны габионной стенки 7 на высоту яруса Н слоями 33 укладывают грунт в низовую упорную призму 4, а на вертикальной боковой поверхности 20 габионной стенки 7 из прокладки 22 и полотна 21 выполняют разделительный слой 19. Затем слоями 34 укладывают грунт в ядро 2.
Аналогично возводят второй и последующие яруса габионной стенки и укладывают грунт в низовую упорную призму 4 и ядро 2, а также выполняют все другие элементы плотины.
После подъема уровня воды перед плотиной сооружение работает следующим образом.
0
Фильтрационный поток 23 воды через плотину первоначально имеет наиболее высокий расход, а его скорость, особенно на выходе из ядра 2, имеет максимальную величину. Мелкие частицы грунта на выходе из ядра 2 перемещаются к разделительному слою 19. Частицы, диаметр которых менее диаметра водопроводящих отверстий D в геотекстиле полотна 21 и прокладке 22, в большинстве случаев проходят через разделительный слой 19 и вместе с водой сливаются в нижний бьеф. Более крупные частицы задерживаются полотном 21 и они создают первый микрослой переходного слоя 35 (фиг.8). В последующем происходит задержание последовательно уменьшающихся частиц, включая коллоидные частицы. Этим заканчивается создание естественным путем переходного слоя 35, толщина которого обычно не превышает 1 миллиметр и в котором вымыты мелкие частицы, не создающие несущего скелета грунта. Этот слой 35 покрывает с верховой стороны полотно 21, в котором поры грунта, изначально прилегающего к полотну 21, закольматированы несвязным грунтом, а размеры частиц по мере удаления от полотна 21 резко уменьшаются по принципу обратного фильтра. Поэтому переходный слой 35 задерживает все мелкие, в том числе и коллоидные частицы, и не пропускает их через себя даже при сильном сейсмическом сотрясении.
В результате высокого силового воздействия фильтрационного потока 23 на скелет грунта со временем происходит создание высококачественного противофильтрационного слоя 36. В этом тонком, но исключительно плотном слое 36 поры закольматированы связным грунтом, поэтому скорости фильтрации потока 23 со временем уменьшаются, а наращивание толщины противофильтрационного слоя 36 замедляется. В результате всего этого естественным путем в плотине происходит преобразование противосуффозионного элемента в дополнительный к ядру 2 противофильтрационный элемент в виде противофильтрационного слоя 36.
Высокие деформативные свойства габионной стенки 7, полотна 21 и прокладки 22, а также высокое качество противофильтрационного слоя 36 обеспечивают высокую эксплуатационную надежность плотины, которая сохраняется и при сейсмическом сотрясении.
Зерновой состав грунта первого переходного слоя 8, заключенный в гибкую оболочку 18, подобран из условия недопущения опасного отслаивания глинистых частиц противофильтрационного слоя 36 и из условия его фильтрационной прочности на контакте с грунтом второго переходного слоя 9. Поэтому плотина сохраняет надежность и в случае полной утраты со временем прочностных свойств в элементах разделительного слоя 19, гибкой оболочке 18 и проволочной сетке 12 корзин 11. К тому же к этому времени в плотине произойдет консолидация всего ее тела.
Настоящая конструкция плотины предлагается как вариант для намеченной к строительству Тувинской (Уюкской) ГЭС, расположенной на реке Б. Енисей в 70 километрах выше города Кызыл. Одна из особенностей строительства ТГЭС заключается в том, что в створе плотины запасы песчано-гравийного грунта ограничены, а ближайшее месторождение связных грунтов расположено на расстоянии 25 километров и представлено супесями.
Пример 2 (фиг.9). Каменная плотина возведена на нескальном основании 37, содержит аналогичную габионную стенку 7 и, в отличие от примера 1, имеет следующие конструктивные особенности.
1. Разделительный слой 19 выполнен в виде противофильтрационного элемента, который состоит из водонепроницаемой мембраны (геомембрана гидроизоляционная полимерная рулонная) 38, прилегающей к выравнивающей прокладке 39. Эта мембрана 38 представляет собой заключенную в геотекстиль полимерную пленку, а выравнивающая прокладка 39 выполнена из минераловолокнистых плит и аналогична прокладке 22.
2. В верхней части плотины верховая переходная зона 5 выполнена в два переходных слоя верхового 40 и низового 41 - без устройства габионной стенки.
3. Сопряжение плотины с основанием 37 осуществлено посредством горизонтально расположенной такой же мембраны 38 и элемента 42, выполненного из связного грунта.
Основное отличие работы такой плотины заключается в том, что в ее теле практически отсутствует фильтрационный поток.
Обозначения
1 - основание (скальное)
2 - ядро
3 - верховая упорная призма
4 - низовая упорная призма
5 - верховая переходная зона
6 - низовая переходная зона
7 - габионная стенка (низовая переходная зона)
8 - первый слой (низовая переходная зона)
9 - второй слой (низовая переходная зона)
10 - габион
11 - корзина (габиона)
12 - проволочная сетка
13 - диафрагма (в корзине)
14 - ячейка (корзины)
15 - ось (габионной стенки)
16 - первый слой (габионной стенки 7)
17 - второй слой (габионной стенки)
18 - гибкая оболочка
19 - разделительный слой (геосинтетический и/или минераловолокнистый материал)
20 - верховая боковая поверхность (габионной стенки 7)
21 - полотно (из геотекстиля)
22 - прокладка (минераловолокнистые плиты)
23 - фильтрационный поток
24 - крышка (корзины)
25 - проволока кромки
26 - основная проволока
27 - замыкающий фартук
28 - габионная стенка (перед ядром)
29 - оголовок плотины
30 - водонепроницаемая мембрана (геомембрана)
31 - бетонная плита
32 - цементация
33 - технологический слой (низовая упорная призма)
34 - технологический слой (ядро)
35 - переходный слой (микрослой перед полотном 19)
36 - противофильтрационный слой (тонкий слой перед переходным слоем)
37 - основание (нескальное)
38 - водонепроницаемая мембрана (геомембрана гидроизоляционная полимерная рулонная)
39 - прокладка (минераловолокнистые плиты)
40 - первый переходный слой (верх плотины, верховая переходная зона)
41 - второй переходный слой (верх плотины, верховая переходная зона)
42 - элемент (из связного грунта).