1 МЁРЗЛЫЕ И ТАЛЫЕ ПЛОТИНЫ
Суровые климатические условия характеризуются низкими температурами воздуха и мёрзлыми грунтами основания (вечная мерзлота). В России к регионам с такими характеристиками относятся в основном Восточная и Западная Сибирь, а также север Дальнего Востока.
Грунтовые плотины для суровых климатических условий проектируются по двум принципиально отличающимся температурным состояниям их тела:
– мёрзлые плотины;
– талые плотины.
Мерзлое температурное состояние плотины подразумевает, что восприятие напора верхнего бьефа происходит только при промороженной центральной части тела плотины. При этом наличие в плотине фильтрационного потока не допускается ни при каких штатных условиях. Исключением являются мерзлые плотины с противофильтрационным элементом из полиэтиленовой пленки.
Вариант конструкции талой плотины с полиэтиленовой плёнкой
Талое температурное состояние плотины подразумевает, что плотина воспринимает гидростатическую нагрузку верхнего бьефа при полностью талом состоянии её противофильтрационного элемента (глинистого ядра). Мёрзлое состояние низового клина плотины допускается.
2 МЁРЗЛОЕ И ТАЛОЕ ОСНОВАНИЕ
По аналогии с мёрзлым или талым состоянием грунтовых плотин их естественные основания также проектируются по двум различным принципам использования:
– I принцип: мёрзлые грунты основания;
– II принцип: талые грунты основания.
Проектирование грунтовых плотин по I принципу предполагает сохранение естественных низких температур основания плотины. Это необходимо для поддержания в неизменном состоянии прочностных и фильтрационных свойств грунтов. Однако сохранить отрицательные температуры основания в районе верхового клина плотины в любом случае оказывается невозможным. Это связано с мощным отепляющим воздействием водохранилища, температура воды в котором всегда имеет положительные значения. Переход изначально мёрзлых грунтов под верховым клином плотины в талое состояние сопровождается резким ростом их осадок. Следствием таких осадок являются деформации верхового откоса плотины. Данное обстоятельство особо учитывается при проектировании плотины. При любых осадках основания общая устойчивость верхового клина тела плотины должна быть гарантирована.
Проект плотины, возводимой на естественном основании, соответствующем II принципу, предусматривает оттаивание вечномерзлых грунтов. Как правило оттаивание длится несколько лет (иногда десятилетий). Оттаивание является следствием отепляющего воздействия фильтрационного потока, который формируется в естественном основании плотины под влиянием перепада между уровнями верхнего и нижнего бьефов. При оттаивании происходит существенное изменение физики-механических свойств грунтов. Такое изменение всегда направлено в сторону ухудшения этих свойств. К примеру, мёрзлые нескальные грунты фактически переходят из состояния, близкого к скальным породам, в состояние обычных мягких грунтов. При большой исходной льдонасыщенности мягкие грунты, перейдя в талое состояние, часто характеризуются пониженными свойствами даже в сравнении с обычными (немёрзлыми) грунтами. По этой причине чрезвычайно важным при проектировании гидроузлов в суровых климатических условиях является расчет конечной установившейся границы, которая разделяет талую и мерзлую зоны основания. Такой расчет называется прогнозом теплового влияния водохранилища на мерзлое основание.
3 СОЧЕТАНИЕ МЁРЗЛЫХ И ТАЛЫХ СООРУЖЕНИЙ И ГРУНТОВ
Действующей нормативной базой допускается проектирование гидроузлов, в составе которых предусматриваются одновременно и мёрзлые, и талые грунтовые плотины. Однако такое сочетание не рекомендуется. Аналогичная ситуация и с одновременным использованием I и II принципов поддержания температуры основания гидротехнических сооружений.