1 ТИПЫ ОСНОВАНИЯ
Выбор типа температурного состояния грунтовой плотины — мерзлого или талого — важнейший вопрос, решаемый при проектировании грунтовых гидротехнических сооружений в суровых климатических условиях и вечной мерзлоте. Основным фактором, определяющим данный выбор, является тип естественного основания. Это связано с тем, что возведенная плотина в ходе своей длительной эксплуатации (формально — не менее 50―100 лет, фактически — намного дольше) постоянно находится под сильным влиянием тех условий, которые формирует для неё её основание. Поэтому корректнее здесь говорить не о плотине, а о единой системе «плотина+основание».
Типы естественного основания можно представить в виде специальной классификации. Такая классификация учитывает одновременно три характеристики грунтов или пород — геологическую, мерзлотную и инженерную.
– Тип 1: прочные скальные породы, находящаяся в талом или мёрзлом состоянии;
– Тип 2: непросадочные нескальные грунты, находящиеся в талом состоянии; основным примером такого типа грунта является подрусловой талик, находящийся в окружении водоупорных мёрзлых пород;
– Тип 3: просадочные скальные породы, находящиеся в мёрзлом состоянии, с пониженной прочностью, с высоким насыщением льда, с повышенной трещиноватостью; при оттаивании — со значительной осадкой, сопровождающейся резким ростом водопроницаемости;
– Тип 4: рыхлые грунты, находящиеся в мёрзлом состоянии, с высоким содержанием льда, со сравнительно малой мощностью слоя, располагающиеся поверх непросадочных пород (которые при оттаивании приобретают свойства водоупора);
– Тип 5: рыхлые грунты, находящиеся в мёрзлом состоянии, с высоким содержанием льда, с большой мощностью слоя; при оттаивании — со значительной осадкой, развитием процессов термокарста, существенным снижением прочности и несущей способности.
2 ВЫБОР ТАЛОЙ ПЛОТИНЫ
При благоприятных условиях наиболее предпочтительным температурным состоянием грунтовой плотины является талое состояние. Именно талую плотину следует проектировать, если присутствующий в районе строительства тип естественного основания (см. выше) это позволяет. К таким типам относятся:
– тип 1,
– тип 2.
Талые плотины также допускается проектировать на типах:
– тип 3,
– тип 4,
– тип 5.
Однако при наличии таких типов основания обязательно требуется произвести замену грунтов, характеризующихся высокой льдистостью и термопросадочностью. Указанная замена предпочтительна. Но в случае, если она требует чрезмерных финансовых затрат, возможно выполнение оттаивания данного основания (с последующим его уплотнением).
Основные преимущества талой плотиной перед мёрзлой:
1. Отсутствие специального оборудования и сетей для охлаждающих (замораживающих) элементов. Благодаря этому эксплуатация талой плотины оказывается проще (что особенно важно в связи со сложностью обслуживания сооружений в суровых климатических условиях). Также существенно снижаются эксплуатационные расходы.
2. Отсутствие специальных требований по расположению водосбросных сооружений по отношению плотине. Это вызвано отсутствием опасности постепенного растепления тела плотины под воздействием сбрасываемой в нижний бьеф воды.
3 ВЫБОР МЁРЗЛОЙ ПЛОТИНЫ
Мёрзлое состояние плотины принимается в случае, если установлено, что талое состояние плотины недопустимо (т.е. не обеспечивает прочности, устойчивости, фильтрационной прочности и несущей способности основания).
Вариант конструкции мёрзлой плотины
Важнейшим вопросом, возникающем при проектировании мёрзлой плотины, является выбор I или II принципа использования естественного основания.
I принцип (мёрзлое основание) может быть использован для любых вышеописанных типов основания. Однако должен быть соблюдён ряд специальных следующих условий:
1. Существующий подрусловой талик должен иметь мощность не более 10 м. В ходе подготовки основания плотины данный талик в любом случае подвергается обязательному промораживанию. Промораживание должно быть сохранено на весь срок эксплуатации гидротехнического объекта. Сохранение талика в его природном состоянии допускается в случае сравнительно низкой фильтрационной способности грунта, из которого состоит талик (не более 0,1 м/ч). Данное решение допустимо благодаря возможности промерзания талика уже после возведения мёрзлой плотины. Такое промерзание достигается воздействием промораживающих устройств, устанавливаемых в центральной части плотины.
2. В основании не должны присутствовать мёрзлые грунты, находящиеся в сыпучем (несцементированном) состоянии.
3. При наличии скальных пород их трещины должны быть заполнены глинистым грунтом или льдом.
II принцип (талое основание) может быть использован при соблюдении следующих условий:
1. Приемлемая стоимость работ по предварительному оттаиванию основания.
2. Сохранение у естественного основания, переведённого из мёрзлого состояния в талое, необходимой несущей способности и противофильтрационных свойств.
Важной особенностью мёрзлых грунтовых плотин является необходимость отсутствия водосбросных сооружений (или их элементов) в теле плотины. Это связано с возможностью растепления тела плотины в местах расположения таких сооружений под влиянием тёплой воды. При проектировании компоновок гидроузлов с мёрзлыми плотинами водосбросы и подобные им сооружения должны располагаться на некотором расстоянии от плотины (более 20 м).