ГРУНТОВАЯ НЕОДНОРОДНАЯ НАСЫПНАЯ ПЛОТИНА
GROUND HETEROGENEOUS ROCK-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 переходный слой (то же: зона, фильтр), который выполняют из грунта заданного зернового состава. При этом 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 (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).
Из условия производства работ толщина такого 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.
Указанные обстоятельства обуславливают 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 (сегригации) 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 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 переходный слой, выполненный из грунта заданного зернового состава, пересекающий по высоте тело плотины и отделяющий часть тела плотины из мелкозернистого грунта от части тела плотины из крупнообломочного грунта, согласно изобретению переходный слой выполнен в виде габионной стенки из связанных между собой габионов, корзины которых имеют коробчатую форму и выполнены из проволочной сетки. Каждая ячейка корзины заполнена порцией грунта переходного слоя, а между габионной стенкой и мелкозернистым грунтом тела плотины выполнен разделительный слой из геосинтетического и/или минераловолокнистого материала.
Дополнительно:
- порция грунта заключена в гибкую оболочку, которая выполнена из геотекстильного полотна, имеет коробчатую форму, а 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:
,
макс
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 габионной стенки по указанным правилам позволяет экономно и без расслоения укладывать грунт переходного слоя при одновременном создании поярусно с верховой стороны вертикальной и относительно ровной, обычно со стороны верхнего бьефа, поверхности. Эта поверхность, в свою очередь, создает благоприятные условия для выполнения из геосинтетических материалов экономичного и высококачественного разделительного слоя в виде противосуффозионного или противофильтрационного элемента между мелкозернистым грунтом (ядром) и крупнообломочным грунтом упорной призмы. 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 переходного слоя.
Все это обеспечивает достижение ранее указанного технического результата, а в конечном счете - снижение затрат при возведении плотины и повышение ее надежности при эксплуатации.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены 3 примера плотины для случая, когда габионная стенка расположена с низовой, по отношению к направлению фильтрационного потока, стороны от мелкозернистой части тела плотины. Пример 4 чертежами не иллюстрирован.
На фиг.1-6 изображена земляная плотина на нескальном основании 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 - схема возведения габионной стенки плотины и ее противосуффозионного элемента; на фиг.6 - разрез А-А на фиг.1, принципиальная схема работы противосуффозионного элемента и его превращения естественным путем в противофильтрационный элемент.
На фиг.7 изображена каменная плотина на нескальном основании с разделительным слоем в виде противофильтрационного элемента, пример 2, поперечный разрез.
На фиг.8 изображена каменно-земляная плотина на скальном основании с супесчаным ядром и с разделительным слоем в виде противосуффозионного элемента, пример 3, поперечный разрез.
Пример 1 (фиг.1-6). Земляная плотина расположена на относительно водопроницаемом нескальном основании 1 и в поперечном сечении содержит верховую упорную призму 2, выполненную из гравелистого песка (мелкозернистый грунт), низовую упорную призму 3, выполненную из галечникового грунта (крупнообломочный грунт), и расположенный между этими призмами 2 и 3 переходный слой (зона) 4, выполненный из грунта заданного зернового состава. Переходный слой 4 пересекает по высоте тело плотины, которое собственно и состоит из этих грунтовых частей 2, 3 и 4.
Переходный слой 4 выполнен в виде габионной стенки 5, состоящей из связанных между собой габионов 6, корзины 7 которых имеют коробчатую форму и выполнены из проволочной сетки 8 (фиг.2 и 3). Каждая ячейка 9 корзины 7 заполнена порцией грунта переходного слоя 4. Между габионной стенкой 5 и гравелистым песком верховой упорной призмы 2 расположен разделительный слой 10, который выполнен из композиционных материалов и плотно прилегает к плоской верховой боковой поверхности 11 габионной стенки 5.
Каждая порция грунта переходного слоя 4 заключена в гибкую оболочку 12 (фиг.4), которая выполнена из геотекстильного полотна, имеет коробчатую форму, а ее размеры, по меньшей мере, равны размерам ячейки 9 корзины 7 и обеспечивают плотное прилегание грунта порции к проволочной сетке 8 корзины 7.
макс
Разделительный слой 10 выполнен в виде противосуффозионного элемента из водопроницаемых волокнистых материалов и состоит из полотна 13 и выравнивающей прокладки 14. Полотно 13 выполнено из геотекстиля, например, два слоя «Дорнит-500», а выравнивающая прокладка 14 выполнена из минераловолокнистых плит и придает мягкость верховой боковой поверхности 11 габионной стенки 5. При этом расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом композиционном волокнистом материале (полотно 13 и прокладка 14)  удовлетворяет условию: , где d - максимальный диаметр частиц грунта верховой упорной призмы 3, перемещение фильтрационным потоком 15 которых в направлении разделительного слоя 10 (то же: противосуффозионного элемента) при эксплуатации плотины временно возможно и допустимо.
макс
Зерновой состав переходного слоя 4, а также диаметры и d устанавливаются проектом по известным математическим формулам и исследованиям в соответствии с нормативными требованиями.
Количество ячеек 9, образованных в корзине 7 диафрагмами 16, необходимость выполнения в них крышек 17 (фиг.2), диаметр проволоки кромки 18 и основной проволоки 19, размеры ячеек в проволочной сетке 8 (фиг.3), необходимость выполнения замыкающих фартуков 20 в гибкой оболочке 12 (фиг.4) также устанавливаются проектом.
Сопряжение плотины, а также ее разделительного слоя 10 с основанием 1 осуществлено посредством горизонтально расположенного полотна 21, выполненного из геотекстиля и аналогичного полотну 13, и элемента 22, выполненного из связного грунта.
На чертежах обозначены и другие элементы плотины, а именно:
23 - слой отсыпаемого грунта;
24 - армирующая панель;
25 - уровень воды перед плотиной;
26 - переходный слой (микрослой перед полотном 13 или 21, фиг.6);
27 - противофильтрационный слой (тонкий слой перед переходным слоем 26);
28 - защитный слой;
29 - крепление верхового откоса.
Плотину возводят поярусно в следующей последовательности.
я1
к
к
я1
Сначала выполняют сопряжение плотины с основанием 1. Для чего из связного грунта выполняют элемент 22 и на подготовленное основание 1 укладывают полотно 21. Затем возводят первый (нижний) ярус габионной стенки 5 высотой Н=2Н, где Н - высота корзины 7. При этом каждый габион 6 образуют путем заполнения ячеек 9 корзин 7 заключенной в гибкую оболочку 12 порцией грунта переходного слоя 4. Образовывать габионы 6 целесообразно на специальных площадках, а транспортировать их и осуществлять габионную кладку - посредством приспособленных для этой цели погрузчиков с вилочным подхватом или челюстным захватом. Габионы 6 в ярусе связывают между собой, после чего с низовой стороны габионной стенки 5 на высоту яруса Н слоями 23 укладывают грунт в низовую упорную призму 3, а на вертикальной боковой поверхности 11 габионной стенки 5 из прокладки 14 и полотна 13 выполняют разделительный слой 10. Затем послойно укладывают грунт в верховую упорную призму.
я2
к
Аналогично возводят второй и последующие ярусы габионной стенки и укладывают грунт в упорные призмы 3 и 2. При этом высота яруса может быть увеличена, например, Н=3Н. В этом случае каждую корзину 7 нижнего ряда габионов 6 выполняют с армирующей (анкерующей) панелью 24.
В случае заполнения грунтом ячеек 9 корзины 7 непосредственно в габионной стенке 5 одна из корзин 7 в сопрягаемой паре может быть выполнена с открытым торцом, т.е. без проволочной сетки 8 на сопрягаемом торце.
После подъема уровня воды 25 перед плотиной сооружение работает следующим образом.
o
Фильтрационный поток 15 воды через плотину первоначально имеет высокий расход, а скорость воды по его линиям тока имеет максимальную величину. Взвешенные мелкие частицы грунта в верховой упорной призме по порам перемещаются к разделительному слою 10. Частицы, диаметр которых менее диаметра водопроводящих отверстий D, в геотекстиле полотна 13 и прокладке 14, в большинстве случаев проходят через разделительный слой 10 и вместе с водой сливаются в нижний бьеф. Более крупные частицы задерживаются полотном 13 и они создают первый микрослой переходного слоя 26 (фиг.6). В последующем происходит задержание последовательно уменьшающихся частиц вплоть до коллоидных частиц. Этим заканчивается создание естественным путем переходного слоя 26, толщина которого обычно не превышает 1 миллиметр и в котором вымыты мелкие частицы, не создающие несущий скелет грунта. Этот слой 26 покрывает с верховой стороны полотно 13, в котором поры грунта, изначально прилегающего к полотну 13, закольматированы несвязным грунтом, а размеры частиц по мере удаления от полотна 13 резко уменьшаются по принципу обратного фильтра. Поэтому переходный слой 26 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 15 на скелет грунта со временем происходит создание высококачественного противофильтрационного слоя 27. В этом тонком, но исключительно плотном слое 27 поры закольматированы связным грунтом, поэтому скорости фильтрации потока 15 со временем уменьшаются, а наращивание толщины противофильтрационного слоя 27 замедляется. В результате всего этого естественным путем в плотине происходит преобразование противосуффозионного элемента в противофильтрационный.
Аналогичным образом слои переходный 26 и противофильтрационный 27 образуются перед полотном 21 у подошвы верховой упорной призмы 2 и в основании 1 под низовой упорной призмой 3.
Высокие деформативные свойства габионной стенки 5, полотна 13, полотна 21 и прокладки 14, а также высокое качество противофильтрационного слоя 27 обеспечивают высокую надежность плотины, которая сохраняется и при сейсмическом сотрясении.
Зерновой состав переходного слоя 4, заключенный в гибкую оболочку 12, подобран из условия недопущения опасного отслаивания глинистых частиц противофильтрационного слоя 27 и из условия его фильтрационной прочности на контакте с грунтом низовой упорной призмы 3. Поэтому плотина сохраняет надежность и в случае полной утраты со временем прочностных свойств в элементах разделительного слоя 10, гибкой оболочке 12 и проволочной сетке 8 корзин 7. К тому же к этому времени в плотине произойдет консолидация всего ее тела.
Пример 2 (фиг.7). Каменная плотина также возведена на относительно водопроницаемом нескальном основании 1, содержит аналогичную габионную стенку 5 и имеет следующие конструктивные особенности.
1. Разделительный слой 10 выполнен в виде противофильтрационного элемента, который состоит из водонепроницаемой мембраны (геомембрана гидроизоляционная полимерная рулонная) 30, прилегающей к выравнивающей прокладке 14. Эта мембрана 30 представляет собой заключенную в геотекстиль полимерную пленку, а выравнивающая прокладка 14 выполнена из минераловолокнистых плит.
2. Сопряжение плотины с основанием 1 осуществлено посредством горизонтально расположенной такой же мембраны 30 и элемента 22.
3. Упорные призмы верховая 2 и низовая 3 выполнены из крупнообломочной горной массы и отделены от мембраны 30 и габионной стенки 5 переходными зонами (слоями) верховой 31 и низовой 32.
Основное отличие работы такой плотины заключается в том, что в ее теле практически отсутствует фильтрационный поток.
Пример 3 (фиг.8). Каменно-земляная плотина возведена на скальном основании 33, содержит габионную стенку 5 и имеет следующие конструктивные особенности.
1. Центральная часть плотины выполнена из супеси в виде ядра 34, низовая грань которого прилегает к разделительному слою 10, выполненному, как и в примере 1, в виде противосуффозионного элемента из водопроницаемого волокнистого материала: полотно 13 и прокладка 14.
2. Габионной стенке 5 придан слабый уклон в сторону верхнего бьефа.
3. Оголовок 35 плотины снабжен противофильтрационным элементом в виде водонепроницаемой мембраны 36.
4. Боковые упорные призмы 2 и 3, как и в примере 2, выполнены из крупнообломочной горной массы.
5. Сопряжение плотины со скальным основанием 33 осуществлено посредством бетонной плиты 37 и цементации 38.
Основные особенности работы такой плотины заключаются в следующем.
1. У низовой грани ядра 34 непосредственно перед полотном 13 образуется высококачественный противофильтрационный слой 27, который существенно повышает работоспособность супесчаного ядра 34.
2. Грунтовый материал переходного слоя 4 в корзинах 7 первоначально находится в слабо уплотненном состоянии, что предотвращает зависание на переходном слое 4 ядра 34. Это объясняется тем, что недоуплотненность грунта переходного слоя 4 временно увеличивает его (т.е. габионной стенки 5) деформативность, что повышает надежность работы ядра 34, следовательно, и плотины в целом в наиболее ответственный начальный период эксплуатации плотины.
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 4, чертежами не иллюстрирован. Плотина низкая временная. Особенностью плотины является то, что размеры ячеек проволочной сетки корзины приняты минимально допустимыми из условий экономики, а заполнение ячеек грунтом переходного слоя осуществлено непосредственно без заключения этого грунта в гибкую оболочку, т.е без использования п.2 формулы изобретения.
Приведенные примеры не исчерпывают случаи возможного использования изобретения, например, случаи расположения габионной стенки перед ядром плотины.
Обозначения
1 - основание (нескальное)
2 - верховая упорная призма
3 - низовая упорная призма
4 - переходный слой (зона)
5 - габионная стенка
6 - габионы
7 - корзина (габиона)
8 - проволочная сетка (корзины)
9 - ячейка (корзины)
10 - разделительный слой (геосинтетический и/или минераловолокнистый материал)
11 - верховая боковая поверхность (габионной стенки)
12 - гибкая оболочка (из геотекстильного полотна)
13 - полотно (из геотекстиля)
14 - прокладка (минераловолокнистые плиты)
15 - фильтрационный поток
16 - диафрагма (в корзине)
17 - крышка (корзины)
18 - проволока кромки
19 - основная проволока
20 - замыкающий фартук
21 - полотно (из геотекстиля)
22 - элемент (из связного грунта)
23 - слой отсыпаемого грунта
24 - армирующая панель
25 - уровень воды перед плотиной
26 - переходный слой (микрослой перед полотном 13 или 21, фиг.6)
27 - противофильтрационный слой (тонкий слой перед переходным слоем 26)
28 - защитный слой
29 - крепление верхового откоса
30 - водонепроницаемая мембрана (геомембрана гидроизоляционная полимерная рулонная)
31 - верховая переходная зона (слой)
32 - низовая переходная зона (слой)
33 - основание (скальное)
34 - ядро (супесь)
35 - оголовок плотины
36 - водонепроницаемая мембрана (в оголовке плотины)
37 - бетонная плита
38 - цементация