Способ восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании
METHOD FOR RESTORING THE GEOPHYSICAL STABILITY OF AN EMERGENCY GROUND DAM ON A WEAK FOUNDATION

Способ восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании из сильно сжимаемых водонасыщенных грунтов, подстилаемых коренными породами относится к области водохозяйственного строительства и предупреждения опасных гидрологических явлений и может быть использован для снижения рисков возникновения техногенных паводков и наводнений при прорывах водохранилищ, ограждаемых грунтовыми дамбами.
3
Известен способ восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой Никольской дамбы № 7 Каховского водохранилища, расположенной на слабом основании из водонасыщенных (~0,97) иловатых суглинков, подстилаемых коренными породами [1, с. 305-306, рис. 4.53], включающий укладку грунта в тело дамбы объемом около 150 тыс.м.
Недостатком известного способа восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании является невысокая надежность ее работы в связи с высокой вероятностью возникновения техногенного паводка и наводнения при прорыве Каховского водохранилища, ограждаемого грунтовой дамбой, обусловленная тем, что при интенсивном (быстром) повышении отметки гребня дамбы (путем отсыпки насыпи грунта) возникающая весовая нагрузка воспринимается в водонасыщенных иловатых суглинках основания, в первую очередь, водной составляющей (фазой) грунта. Указанное приводит к возникновению порового давления, при котором резко, практически до нулевого значения, снижаются прочностные свойства грунта - угол внутреннего трения, удельное сцепление. При этом, отсутствие возможности оттока («выжима») этой воды препятствует консолидации сжимаемого водонасыщенного грунта - иловатого суглинка, а следовательно, и снижению величины порового давления. Кроме этого, указанному процессу оттока поровой воды препятствуют также гидростатическое давление воды как со стороны верхнего бьефа, так и (в меньшей мере) со стороны нижнего бьефа водохранилища.
Снижение же прочностных свойств грунта основания придает ему текучесть и приводит к его выдавливанию в сторону нижнего бьефа и (в меньшей мере в сторону верхнего бьефа) с потерей геофизической устойчивости низового откоса грунтовой дамбы, просадкой ее гребня с большой вероятностью прорыва водохранилища и возникновения техногенного паводка и наводнения.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является способ восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании из сильносжимаемых водонасыщенных грунтов (илы), подстилаемых коренными породами, включающий укладку грунта в тело дамбы [2, с. 130] (ПРОТОТИП).
Недостатком известного способа восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании является невысокая надежность ее работы в связи с высокой вероятностью возникновения техногенного паводка и наводнения при прорыве водохранилища, ограждаемого грунтовой дамбой, обусловленная тем, что даже при постепенном наращивании высоты дамбы отсыпкой грунта в насыпь весовая нагрузка воспринимается в основании из сильно сжимаемых водонасыщенных илов, в первую очередь, водной составляющей (фазой) грунта. При этом возникает поровое давление с резким снижением (практически до нуля) прочностных характеристик грунта - угла внутреннего трения и удельного сцепления. Отсутствие возможности оттока («выжима») из основания этой воды препятствует консолидации сильно сжимаемого водонасыщенного грунта - ила, а следовательно, и снижению величины порового давления. Процессу консолидации - оттоку поровой воды препятствует также гидростатическое давление воды как со стороны верхнего бьефа, так и (в меньшей мере) со стороны нижнего бьефа водохранилища.
Снижение прочностных свойств грунта основания придает ему текучесть и приводит к выдавливанию его в сторону нижнего и (в меньшей мере) в сторону верхнего бьефов с просадкой гребня дамбы и потерей геофизической устойчивости ее низового откоса, что приводит к резкому повышению риска прорыва водохранилища с возникновением техногенного паводка и наводнения с затоплением прилегающих подкомандных территорий и населенных пунктов.
Таким образом, использование известного способа восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании характеризуется невысокой надежностью ее работы с риском прорыва водохранилища и возникновения техногенного паводка и наводнения на прилегающих территориях и населенных пунктах.
Техническим результатом от использования заявленного способа восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании является повышение надежности ее работы с снижением вероятности прорыва дамбы водохранилища и возникновения техногенного паводка с наводнением.
Технический результат достигается тем, что в способе восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании из сильносжимаемых водонасыщенных грунтов, подстилаемых коренными породами, включающем укладку грунта в тело дамбы с верховой стороны от гребня дамбы выполняют вертикальную противофильтрационную стену (шпунтовую, буробетонную, «стену в грунте» и др.) от уровня гребня дамбы до коренных пород, а с низовой стороны от последней устраивают вертикальные «песчаные сваи» - дрены, верхние концы которых соединяют в теле грунтовой дамбы с дренажем, выполненным с наклоном в сторону низового откоса грунтовой дамбы. При этом, вдоль подошвы низового откоса выполняют заглубленный в основание горизонтальный дренаж, после чего в тело дамбы дополнительно укладывают грунты с повышением отметки ее гребня на высоту не менее проектного значения.
Технический результат достигается и тем, что с низовой стороны от вертикальных «песчаных свай» - дрен в области подошвы низового откоса грунтовой дамбы выполняют вертикальную сильнопроницаемую («разряженную») шпунтовую стенку.
Известен способ выполнения вертикальной грунтобетонной диафрагмы в просевшей аварийной грунтовой плотине Боулдерхэд [3, с. 21, рис. 2]. В известном способе вертикальная грунтобетонная диафрагма выполнена от гребня до основания плотины (коренных пород) для блокирования «гидравлического разрыва» в противофильтрационном ядре, расположенном в теле самой грунтовой плотины.
В предлагаемом же способе восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании из сильносжимаемых водонасыщенных грунтов, подстилаемых коренными породами, включающем укладку грунта в тело дамбы, выполнение с верховой стороны гребня дамбы вертикальной противофильтрационной стенки (шпунтовой, буробетонной, «стены в грунте» и др.) от уровня гребня дамбы до коренных пород, а с низовой стороны от последней создание вертикальных «песчаных свай» - дрен, верхние концы которых в теле грунтовой дамбы соединены с дренажем с наклоном в сторону низового откоса дамбы. При этом, выполнение вдоль подошвы низового откоса заглубленного в основание горизонтального дренажа и дополнительная укладка грунта в тело дамбы с повышением отметки ее гребня на высоту не менее проектного значения обеспечивает восстановление геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании с повышением надежности ее работы, обусловленное снижением вероятности прорыва водохранилища с возникновением техногенного паводка и наводнения за счет следующих факторов:
- создание с верховой стороны гребня дамбы вертикальной противофильтрационной стеки (шпунтовой, буробетонной, «стены в грунте» и др.) от уровня гребня дамбы до коренных пород предотвращает возможность возникновения внезапной аварии - прорыва грунтовой дамбы в результате продолжающейся просадки тела дамбы, перелива потока воды через ее гребень с поверхностным размывом грунта дамбы и практически полностью перекрывает фильтрационный поток из водохранилища в тело дамбы и ее основание с понижением депрессионной поверхности и снижением гидростатического давления воды в сильносжимаемом водонасыщенном грунте основания;
- создание с низовой стороны от противофильтрационной стенки вертикальных «песчаных свай» - дрен обеспечивает упрочнение сильносжимаемого водонасыщенного грунта основания за счет приема поровой воды, «отжимаемой» из грунта основания под весовой нагрузкой грунтовой дамбы, и вывода ее до уровня дамбы (выше уровня воды нижнего бьефа). При этом снижается поровое давление в сильносжимаемом грунте основания, которое консолидируется - сжимается с возрастанием значений прочностных свойств грунта - угла внутреннего трения, удельного сцепления грунта. Рассматриваемый процесс консолидации, сопровождающийся некоторой дополнительной осадкой дамбы (~0,5-0,8 м), является положительным фактором, свидетельствующим об укреплении (упрочнении) грунтов основания. Кроме этого, замена некоторого объема слабых грунтов основания на более прочностные «песчаные сваи» (из песка, гравия) также приводит к общему упрочнению грунта основания;
- соединение верхних концов «песчаных свай» в теле грунтовой дамбы с дренажем, выполненным с наклоном в сторону низового откоса дамбы позволяет поровой воде, выдавливаемой в результате консолидации через «песчаные дрены» из сильно сжимаемого водонасыщенного грунта основания, свободно стекать по дренажу в сторону низового откоса дамбы;
- выполнение вдоль низового откоса дамбы заглубленного в основание горизонтального дренажа позволяет снизить негативное влияние завышенного уровня грунтовых вод нижнего бьефа на водонасыщенность сильносжимаемых грунтов основания дамбы, снизить уровень депрессионной поверхности грунтовых вод под насыпью почти до уровня заглубленного дренажа, облегчить процесс консолидации слабых грунтов основания дамбы за счет снижения гидростатического давления воды нижнего бьефа. При этом совместное влияние рекомендуемых мероприятий (перекрытие фильтрационного потока противофильтрационной стенкой, дренирование «песчаными сваями» и заглубленным продольным дренажем) позволяет получить синергетический эффект за счет формирования фильтрационного потока, направленного из более высокого уровня воды нижнего бьефа в верховую сторону - в сторону заглубленного дренажа. При этом фильтрация в нижних слоях основания (ниже заглубленного дренажа) также будет направлена в сторону верхнего бьефа - то есть фильтрационное гидродинамическое давление также будет направлено в сторону верхнего бьефа, что повышает устойчивость низового откоса грунтовой дамбы на оползание;
- дополнительная укладка грунта в насыпь с повышением отметки ее гребня на высоту не менее проектного значения полностью восстанавливает геофизическую устойчивость аварийной грунтовой дамбы и повышает надежность ее работы, снижая вероятность прорыва.
Выполнение с низовой стороны от вертикальных «песчаных сваи» - дрен в области подошвы низового откоса грунтовой дамбы вертикальной сильнопроницаемой («разряженной») шпунтовой стенки предотвращает возможность выдавливания грунтов слабого основания в сторону нижнего бьефа, обеспечивая при этом беспрепятственный отток поровой воды из основания, что повышает надежность ее работы.
На рисунке показано водохранилище 1 с верхним бьефом (ВБ), аварийная грунтовая дамба 2 с областью просадки 3, расположенная на слабом основании из сильносжимаемых водонасыщенных грунтов 4, подстилаемых коренными породами 5, в которой вертикальная противофильтрационная стенка (шпунтовая, буробетонная, «стена в грунте» и др.) 6 выполнена от гребня дамбы 2 до коренных пород 5. С низовой стороны от стенки 6 выполняют «песчаные сваи» - дрены 7, верхние части которых соединены с дренажем 8, выполненным с наклоном в сторону низового откоса дамбы 2. При этом, вдоль низового откоса дамбы 2 выполняют заглубленный в основание 4 горизонтальный дренаж 9. Отметку гребня дамбы повышают путем дополнительной укладки грунта в тело дамбы 10 с повышением ее отметки на высоту не менее проектного значения.
На рисунке показаны также область порового давления 11, депрессионные поверхности грунтовых вод под дамбой 12, со стороны нижнего бьефа 13 от заглубленного дренажа 9, а также схема движения фильтрационного потока 14.
Предлагаемый способ восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы 2 водохранилища 1 на слабом основании из сильносжимаемых водонасыщенных грунтов 4, подстилаемых коренными породами 5, осуществляют следующим образом. При эксплуатации указанной однородной грунтовой дамбы 2 в результате давления веса дамбы, динамического воздействия автотранспорта на гребень дамбы 2, увеличении гидростатического давления и повышении депрессионной поверхности в теле дамбы при повышении уровня верхнего бьефа водохранилища 1, сейсмических воздействиях и др., происходит просадка 3 тела дамбы, что приводит к возникновению аварийного состояния и большой вероятности прорыва водохранилища 1, сопровождающегося техногенным паводком и наводнением. При этом создание с верховой стороны гребня дамбы 2 вертикальной противофильтрационной стенки 6 от уровня гребня дамбы до коренных пород 5 предотвращает возможность прорыва грунтовой дамбы 2 и перекрывает фильтрационный поток из водохранилища 1 в тело дамбы 2 и основание 4 с понижением депрессионной поверхности 12 и гидростатического давления в основании под дамбой 2.
Создание с низовой стороны от противофильтрационной стенки 6 вертикальных «песчаных свай» - дрен 7 обеспечивает упрочнение слабого грунта основания 4 за счет снижения порового давления 11 при приеме и отводе «отжимаемой» поровой воды через наклонный дренаж 8. При упрочнении слабого грунта 4 в результате его консолидации повышаются его прочностные характеристики - угол внутреннего трения, удельное сцепление. Кроме этого, замена некоторого объема слабых грунтов основания 4 на более прочностные «песчаные сваи» (из песка, гравия) 7 также приводит к общему упрочнению грунта основания.
Создание вдоль подошвы низового откоса грунтовой дамбы 2 заглубленного в основание дренажа 9 позволяет снизить уровень депрессии 12 под дамбой 2, облегчить процесс консолидации за счет снижения гидростатического давления нижнего бьефа и повысить геофизическую устойчивость низового откоса дамбы 2 за счет формирования синергетического эффекта - формирования фильтрационного потока 13,14 с гидродинамическим давлением, направленным в сторону верхнего бьефа. При этом повышение отметки гребня грунтовой дамбы 2 за счет дополнительной отсыпки грунта 10 в тело дамбы полностью восстанавливает надежность работы грунтовой дамбы 2 и снижает вероятность ее прорыва. Выполнение с низовой стороны от вертикальных «песчаных сваи» - дрен в области подошвы низового откоса грунтовой дамбы вертикальной сильнопроницаемой («разряженной») шпунтовой стенки предотвращает возможность выдавливания слабых грунтов основания в сторону нижнего бьефа, обеспечивая при этом беспрепятственный отток поровой воды из основания, что повышает надежность ее работы.
Таким образом, осуществление способа восстановления геофизической устойчивости аварийной, просевшей, прорывоопасной, однородной грунтовой дамбы на слабом основании из сильносжимаемых водонасыщенных грунтов, подстилаемых коренными породами, обеспечивает повышение надежности работы грунтовой дамбы, снижение рисков по ее прорыву и возникновению техногенного паводка и наводнения.
Предлагаемый способ восстановления геофизической устойчивости аварийной грунтовой дамбы на слабом основании и повышения надежности ее работы может быть использован на грунтовой дамбе Крюковского водохранилища Краснодарского края, где 25.03.2017 года возникла аварийная ситуация с просадкой дамбы (на 2-3 м) на участке в 230 м в месте пересечения дамбой заболоченного участка лимана с слабыми водонасыщенными грунтами. Прорыв указанной дамбы создает угрозу возникновения техногенного паводка с масштабными затоплениями селитебных территорий.
Источники информации
1. Ничипорович А.А. Плотины из местных материалов. М., СИ. 1973. - 320 с.
2. Каганов Г.М., Румянцев И.С. Гидротехнические сооружения. КнЛ.М., ЭАИ.1994. - 305 с.
3. Радченко В.Г. Радченко С.В. Ремонт плотин из грунтовых материалов в случае нарушения фильтрационной прочности // Гидротехническое строительство. 2011, № 5. С. 20-26.