ЖУРНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

Источник: «Achievements and Advancements in US Dam Engineering: USSD and ICOLD»

Авторы: Дуглас Д. Бойер, Ричард Л. Уилтшир, Глен С. Тарбокс

1  ПЕРВОНАЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

Расположение

Округ Стаффорд расположен на севере шт. Вирджиния, приблизительно в 40 милях к югу от столицы США — г. Вашингтон. Водоснабжение муниципального района осуществляется из двух водохранилищ, принадлежащих и эксплуати­руемых «Департаментом комму­нального обору­дования округа Стаффорд» (Stafford County Department of Utilities). Озеро Смит — одно их них. Оно располагается около г. Гаррисонвилл (Garrisonville), к западу от автострады I-95, и граничит с Базой морского корпуса Куантико (Quantico Marine Corp Base, QMCB).

Рисунок 1 — Расположение гидроузла Смит Лейк

Назначение объекта

Гидроузел Смит Лейк был сооружён в 1969 г. на ручье Акиа Крик в виде земляной плотины высотой 65 футов (20 м), известной как плотина Акиа (Aquia Dam). Назначением гидроузла являлось водо­снабжение округа Стаффорд. Водо­хра­нилище имело объём около 3000 акрофутов (3,7 млн. м³) при отметке НПУ около 70 футов (21,4 м) и оценочной водоподаче прибли­зительно 5,7 млн. галлонов в день (0,25 м³/с). Плотина располагалась примерно в 400 м к востоку от автострады I-95. Из-за потенциального ущерба, который мог быть нанесён автостраде и нескольким населённым пунктам, плотина Акиа была классифицирована Отделом безопасности плотин Государственного департамента консер­вации и воссоздания плотин как плотина первого класса опасности, обеспечивающая пропуск расчётного паводка PMF (Probable maximum flood). Исследования, выполненные в 1980-х гг., выявили, что существующая плотина и водослив могут пропустить в безопасном режиме только 19 % от величины PMF. Штат дал указание Округу обеспечить повышение про­пускной спо­собности аварийного водослива для пропуска полного расхода PMF. В то время округ Стаффорд характеризовался беспре­це­дентным ростом, сопровождавшимся повыше­нием потреб­нос­ти в водоснабжении. В 1990 г. О’Брайеном (O’Brien) и Гере (Gere) было выполнено предва­рительное изучение, пока­завшее, что повышение уровня воды в водохранилище на 6,1 м может обеспечить дополнительную подачу около 13200 м³ воды. В 1993 г. Округ решил про­должить проектирование модернизации плотины Акиа и её водохра­нилища, выделив 10 млн. долларов. Для проекти­рования была нанята компания «Woodward-Clyde International» (сейчас — «URS Corporation»). Проект имел несколько нижепе­речисленных целей, уста­новленных регули­рующими ведомствами и округом Стаффорд. Основным требованием являлось условие увеличения про­пускной способности водопропускных соору­жений более чем в четыре раза для возможности пропуска всей величины расхода PMF.

– Минимальное воздействие на окру­жающую среду. Нормальный уровень воды должен поддерживаться на отметке не выше 90 футов (27,5 м) для минимизации ущерба заболо­ченным территориям. В нижнем бьефе для будущего рекреационного парка требовалось приблизительно 7 акров (2,8 га) заболоченной территории и доступных площадей.

– Для удовлетворения будущих потребностей проект должен был обеспечить удвоенную пропускную способность водоприёмника.

– В связи с тем, что гидроузел являлся главным действующим элементом системы водо­снабже­ния, для Округа было важно, чтобы гидроузел Смит Лейк и очистная станция находились в эксплуатации в течение всего периода ре­конструкции. Помимо прочего, это означало необходимость сохранения уровня воды в верхнем бьефе на отметке 70 футов (21,4 м) в течение пикового периода.

– Округ также пожелал избежать изменений или воздействий на очистную станцию, что привело в проекте к ограничениям при повы­шении плотины и реконструкции водосброса.

– Как результат обязательств по возмещению ущерба, Округ потребовал, чтобы рекон­струируемый водосброс соответствовал павод­ковым характеристикам существующего водо­хранилища с повторяемостью штормов менее одного раза в 100 лет.

– Округ пожелал, чтобы проект соответствовал всем поставленным целям и не выходил за пределы бюджета в 10 млн. долларов.

Общее описание особенностей проекта

Водохранилище Смит Лейк было образовано строительством плотины на ручье Акиа в период 1967—1969 гг. Изначально в состав сооруже­ний входили земляная плотина высотой 65 футов (20 м), основной водосброс (башенный водо­приёмник, железобетонный трубопровод диаметром 60 дюймов (1,5 м)), аварийный во­досброс (бетонная шахта на левобережном примыкании плотины). Кроме того у право­бережного уреза водохранилища был возведён водоприёмник для очистной станции, распо­ложенной непосредственно в нижнем бьефе гидроузла.

Рисунок 2 — Общий вид гидроузла Смит Лейк после реконструкции

Дальнейшее развитие проекта Смит Лейк продолжилось весной 1994 г., когда были выполнены гидрологические и гидравлические исследования для подтверждения допустимой величины забора воды, производимой после подъёма уровня, и определения конструкции водоприёмника. Также были проведены геотехни­ческие исследования существующей и нефункционирующей закрытой дренажной системы, и центрального ядра, расположенного на 10 футов (3 м) ниже вновь запроектированного. На осно­вании выполненных исследований был выполнен альтернативный анализ основной концепции проекта. Перечень требований Округа и регулирующих организаций был дополнен следующими условиями:

– Аварийный водосброс граничил на севере с морской базой QMCB, и не мог быть расши­рен в данном направлении. В дополнение, для зданий, принадлежащих QMCB, был уста­новлен максимальный уро­вень 100 футов (30,5 м) для штормов повторяемостью 1 раз в 100 лет, и 110 футов (33,6 м) для максималь­ного проектного па­водка. База QMCB выразила крайнее нежелание разре­шать вторжение в пределы своей территории.

– На месте строительства имелась нехватка материала для повышения высоты плотины.

– Техническая документация о первоначальной конструкции плотины имелась не в полном объёме, что привело к неопределённостям в характеристиках уже существующих соору­жений.

Для учёта всего набора требований и условий регулирующих органов, Округа, вопросов по имуществу и месту размещения была выполнена ценная инжиниринговая работа. Она включала в себя интерактивную процедуру нахождения решений, которые бы обеспечивали требования проекта, ограничение стоимости, и реализуемость идей в натуре. Ключевыми вехами в данном процессе были рабочие совещания проектной команды, в ходе которых устанавливались кри­терии, дости­гался консенсус, и принимались решения. В работе также принимали участие представители Отдела безопасности плотин штата Вирджиния. Для представления в округ Стаффорд был подготовлен перечень возможных альтерна­тивных решений, который включал лабиринтный водосброс, водосброс с поплавковыми затворами, и водосброс из укатанного бетона (RCC). Хотя решения достигали необходимого баланса между эксплуатационной эффективностью и сметной стоимостью, у каждого из них были свои преимущества и недостатки.

Желаемой альтернативой стало применение укатанного бетона, укрепляющего тело плотины в месте расположения аварийного водосброса. Данный вариант был выбран в июле 1994 г. и сразу включен в предварительный проект, разработанный к ноябрю того же года. Немедленно вслед за этим началась подготовка окончательного проекта, которая была закончена в июле 1995 г. В ходе проектирования были тщательно изучены требования заказчика и проектные ограничения.

Окончательный проект расширения гидроузла Смит Лейк с плотиной Акиа включал следующие аспекты: увеличение высоты плотины для подъема уровня воды в водохранилище с отметки 70 футов (21 м) до 90 футов (27,4 м), новый основной железобетонный водосброс шириной 160 футов (48,8 м) на левобережном примыкании плотины, новый водобой, новый аварийный водосброс, представляющий собой переливную конструкцию из укатанного бетона, защищающую участок плотины на длине 900 футов (274 м), новые затворы и подводное механическое оборудование в существующей водозаборной башне, новый водоприемник и насосная станция, а так же искусственная заболоченная территория. Далее рассматриваются детали существующих и новых сооружений.

Рисунок 3 — План проекта реконструкции гидроузла Смит Лейк

Плотина

Первоначальная плотина Акиа состояла из зонированной насыпи с длиной по гребню около 1600 футов (500 м) при отметке гребня 90 футов (27,4 м). Исходные чертежи указывали, что плотина была построена с центральным малопроницаемым ядром, которое достигает скальных пород основания посредством устройства траншеи. Верховой и низовой откосы были выполнены с уклоном 1:3. Вдоль основания низового откоса проложен дренаж из перфорированных гофрированных стальных труб диаметром 8 дюймов (203 мм), заключенных в щебеночную обсыпку. На чертежах указывалось, что данные трубы соединены с поверхностью низового откоса плотины. В ходе изысканий описанные трубы были обследованы.

Рисунок 4 — Поперечный разрез по плотине

Реконструкция плотины предусматривала повышение высоты плотины посредством устройства насыпи на низовом откосе, и превращение участка плотины длиной 900 футов (274 м) в аварийный водосброс. Последнее было выполнено покрытием на данном участке гребня и низового откоса слоем укатанного бетона. Глухой участок плотины поднимался на 12 футов (3,6 м) до абсолютной отметки 102 фута (31,1 м), а участок аварийного водослива — до отметки 96,5 футов (29 м). Поднятая таким образом плотина имела ширину гребня 15 футов (4,57 м), уклон откосов 1:3, малопроницаемый глиняный экран и переходные зоны. Вдоль глухого участка плотины был выполнен парапет высотой 4,6 фута (1,4 м), обеспечивающий дополнительный аккумулирующий объем и запас высоты на гребне до отметки 106,6 футов (32 м). Вдоль аварийного водослива, сооруженного из укатанного бетона, размещена дамба высотой 3,5 футов (1 м) с отметкой гребня 100 футов (30,5 м).

Снижение фильтрационного расхода, контроль над ним и его сбор осуществлены посредством бентонитовой стены в грунте, малопроницаемым экраном, совокупностью фильтров и дренажей. Геотехническое исследование старой плотины показало, что верх ее ядра находится на глубине 20 футов (6 м) от отметки гребня плотины. Функцию соединения нового экрана и ядра старой плотины выполнила бентонитовая стена в грунте, прорезающая гребень старой плотины. Новый экран уложен по верховому откосу новой верхней части плотины.

Повышение высоты плотины потребовало около 70 000 ярдов³ (53 000 м³) несортированного грунта и 10 000 ярдов³ (7 500 м³) малопроницаемого грунта для экрана. Описание материалов приводится ниже. На территории, находящейся во владении округа Стаффорд, необходимые объемы грунтов отсутствовали. Рассматривался вопрос завоза карьерных грунтов, но их объемы были ограничены, а надлежащее качество для материала ядра не обеспечено. Кроме того, стоимость привозных грунтов превысила бы утвержденный бюджет.

Проектная команда оценила частным образом приобретенные партии, расположенные недалеко от водохранилища, и определила, что значительные объемы грунтов имелись на площади около 16 акров (6,5 га). Земля была приобретена и разработана для получения карьерных материалов. Это дало значительную экономию, хотя и вызвало расширение буферной зоны поблизости от водохранилища и исключение данной территории из освоения. Грунты включали как аллювиальные (отложения прибрежной долины), так и элювиальные отложения.

Основной водосброс

Старый водосброс состоял из прямоугольной железобетонной водоприемной башни и трубопроводов диаметром 60 дюймов (1,5 м), проложенных через тело плотины, со сбросом у низовой пяты плотины. Скользящий затвор размером 36х36 дюймов (0,9х0,9 м), расположенный у основания башни, обеспечивал сброс глубинных слоев воды — отметка 26 футов (8 м). Старый аварийный водосброс был расположен в скальной выемке в левобережном примыкании плотины. Чертежи исходного проекта указывали, что первоначально аварийный водосброс был сооружен в виде необлицованного канала. Но в 1972 г., во время тропического шторма Агнес, водосброс был сильно поврежден. В итоге строительство нового водосброса было осуществлено на том же месте. Он состоял из водослива длиной 160 футов (48,8 м) и бетонного быстротока. Важнейшей причиной для реконструкции был тот факт, что основной и аварийный водосбросы пропускали только около 19 % расхода PMF (Probable Maximum Flood — возможный максимальный паводок).

Для реконструкции и расширения объекта башня старого основного водосброса и трубопровод были превращены в водоспуск, как это описано ниже. Для безопасного управления расходами паводка были построены новые основной и аварийный водосбросы. Старый аварийный бетонный водосброс на левом берегу был снесен, и на его месте был сооружен новый основной бетонный водосброс. Новый основной водосброс представляет собой водослив с широким порогом шириной 160 футов (48,8 м) и отметкой порога 90 футов (27,4 м), и бетонного быстротока. Под подошвой водосброса уложен дренаж для контроля и сбора фильтрационных вод, а также анкера для сопротивления противодавлению. Гашение энергии осуществлено посредством успокоительного колодца по типу III Бюро Мелиорации. Основной водосброс был запроектирован для пропуска расхода повторяемостью 1 раз в 500 лет, без задействования аварийного водосброса.

Рисунок 5 — Построенный новый основной водосброс

Аварийный водосброс

Как было сказано выше, новый аварийный водосброс выполнен в виде покрытия из укатанного бетона поверх 900-футовой (274 м) секции на левостороннем участке повышенной грунтовой плотины, поблизости от основного водосброса. Суммарно основной и аварийный водосбросы запроектированы для пропуска расхода PMF с достаточным запасом гребня сооружений. Расчетный расход PMF составляет 81300 футов³/с (2300 м³/с). На гребне водосброса выполнена железобетонная водосливная стенка с отметкой перелива 100 футов (30,5 м). Покрытие из укатанного бетона представляет собой ступени высотой 12 дюймов (29 см) и шириной 8 футов (2,4 м), с наклоненной со стороны нижнего бьефа гранью (уклон 1:3). Толщина покрытия — 2,5 фута (0,75 м). Поверхности ступеней были уплотнены с использованием ручным трамбующим оборудованием под углом около 45°, без облицовки обычным бетоном. Для защиты от эрозии в нижней части водосброса была выполнена площадка длиной вдоль потока 40 футов (12 м) — из укатанного бетона и с порогом из армированного железобетона. На длине еще 30 футов (9 м) вниз по течению для дополнительной защиты была отсыпана каменная наброска.

Рисунок 6 — Поперечный разрез по аварийному водосбросу

Аварийный водосброс потребовал около 25 000 ярдов³ (19 000 м³) укатанного бетона. Укатанный бетон производился на бетонном заводе стройплощадки, с использованием заполнителей из расположенных поблизости карьеров (заполнители, добываемые из карьеров площадки строительства, были неподходящими). Проектным замыслом в отношении укатанного бетона было создание смеси со средней удобоукладываемостью и относительно высоким содержанием цемента так, чтобы объединить высокую прочность и сопротивление погодному выветриванию. Окончательная смесь состояла из дорожного заполнителя (Вирджиния № 21A) и цемента с содержанием 400 фунтов/ярд³ (240 кг/м³), конечной плотностью 164 фунтов/фут³ (2600 кг/м³) и прочностью в возрасте 90 суток, равной 3500 фунтов/дюйм² (24 МПа).

Рисунок 7 — Укладка укатанного бетона в аварийный водосброс

Рисунок 8 — Укладка укатанного бетона в низовую площадку аварийного водосброса

Рисунок 9 — Поднятый низовой откос плотины, укладка укатанного бетона в аварийный водосброс

Водоспуск

Старый основной водосброс был переделан в водоспуск, который мог сбрасывать расход около 355 футов³/с (10 м³/с), обеспечивая полезные попуски и возможность опорожнения водохранилища. Существующий башенный водоприемник был модифицирован для размещения гидравлических затворов (ремонтного и двух эксплуатационных), через которые производится подача воды в водовод диаметром 60 дюймов (1,5 м). Старое отверстие размером 36х36 дюймов (91х91 см), использовавшееся как донный водоспуск, было переделано в запасное. Для обеспечения пропуска малых расходов в диапазоне от 1 до 12 футов³/с (0,34 м³/с) был смонтирован затвор диаметром 8 дюймов (20 см). Для управления большими расходами — до 355 футов³/с (10 м³/с) — установлен затвор 24х48 дюймов (0,6х1,2 м). Новые затворы водоприемной башни — стандартные автономные чугунные затворы с бронзовыми опорными частями, запроектированные для восприятия полного напора величиной 80 футов (24 м).

Рисунок 10 — Поперечный разрез по водоспуску

Ручное управление для изначального запасного затвора было заменено на погружные гидравлические цилиндры. Затворы управляются одной гидравлической системой контроля, расположенной в носке плотины. Гидравлические линии из нержавеющей стали были проложены от гидравлической силовой установки в здании оператора затворов до самих затворов посредством крепления их к своду туннеля диаметром 60 дюймов (1,5 м).

В дополнение к затворам на башне был установлен сифон диаметром 10 дюймов (25 см) с входным отверстием на отметке 54 фута (16,5 м). Назначением сифона является пропуск воды при отметках воды в водохранилище, находящимся в пределах 55—70 футов (17—21 м), без забора воды со дна водохранилища через запасной затвор. Сифон выполнен в виде трубы диаметром 10 дюймов (25 см), с двухдюймовым (5 см) стояком и запорным клапаном в верхней части, позволяющим останавливать работу сифона для осмотра башни. Сифон обеспечивает пропуск приблизительно 6—8 футов³/с (0,17―0,23 м³/с). При необходимости пропуска более крупных расходов могут быть использованы запасной затвор и затвор 24х48 дюймов (0,6х1,2 м).

Водоприемник увеличен для удовлетворения требованиям Бюро мелиорации и Руководству по опорожнению водохранилищ и размерам водоприемников (1982 г.) следующим образом:
– опорожнение до 75 % глубины воды (отметка 74 фута (23 м)) в течение 30 дней;
– опорожнение до 50 % глубины воды (отметка 61 фут (19 м)) в течение 50 дней;
– опорожнение до 25 % глубины воды (отметка 58 футов (18 м)) в течение 60 дней;
– опорожнение до 10 % глубины воды (отметка 42 футов (13 м)) в течение 80 дней.

Водоприемник неочищенной воды

Изначальный водоприемник неочищенной воды был построен в 1990 г., располагаясь вверх по течению от плотины на расстоянии приблизительно 150 футов (46 м) по правобережному ее примыканию. Он представлял собой конструкцию, опиравшуюся на стальные сваи. От водоприемника к водохранилищу шли три водоприемных трубы, каждая на своей высотной отметке. Забор воды из водохранилища производился тремя насосами, подававшими ее на станцию водоочистки по кованному стальному трубопроводу диаметром 24 дюйма (60 см).

С поднятием уровня воды в водохранилище на 20 футов (6 м) потребовался новый водоприемник неочищенной воды, который бы располагался приблизительно в 200 футах (60 м) вверх по течению от правобережного примыкания плотины. Сооружение было запроектировано на 30-летний срок эксплуатации. Он представляет собой железобетонное сооружение, опирающееся на скальное основание. Три водоприемных отверстия были запроектированы на отметках 63,5 фута (19,5 м), 73,5 фута (22,5 м), 83,5 фута (25,5 м). Данные глубины, расположенные ниже нормального уровня воды в водохранилище, идентичны глубинам старого водоприемника и обеспечивают забор воды с нижних отметок в течении всего засушливого периода. Существующий водоприемник был оставлен на месте на непредвиденный случай. От башни водоприемника вдоль берега был проложен новый трубопровод диаметром 30 дюймов (76 см). В качестве гидросилового оборудования были выбраны насосы с регулируемой частотой вращения.

Рекультивированные заболоченные территории

Подъем отметки водохранилища на 20 футов (6 м) вызвал затопление 7,3 акров пресноводных заболоченных территорий вокруг контура первоначального водохранилища. Требования к качеству воды были удовлетворены созданием приблизительно 3,1 акров заболоченных территорий вокруг контура увеличенного водохранилища, дополнительных 7,6 акров заболоченных территорий в нижнем бьефе, и станции водоподготовки. Для заболоченных территорий нижнего бьефа было сооружено несколько прудов, а вода для отстойников подавалась промывкой отстойника станции водоподготовки.

2  ПРОЕКТНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

В ходе четырехлетнего периода проектирования и строительства, с 1993 по 1997 гг., проект расширения гидроузла Смит Лейк были преодолены значительные преграды, в том числе трудности, связанные с погодными условиями. Но цели были достигнуты, с рядом инновационных решений. На основе данных, полученных на стадии проектирования, были выполнены важные инженерные работы для обоснования наиболее эффективных решений и для принятия мер по возникающим осложнениям. Компания Woodward-Clyde подготовило проект, состоящий из следующих элементов:
– аварийный водосброс из укатанного бетона длиной 900 футов (274 м) для пропуска расхода PMF;
– система двойных затворов, размещенная на основном водосбросе с погружными гидравлическими огранами управления;
– основной водосброс типа водослива с широким порогом;
– рекультивированная заболоченная территория площадью 7 акров в нижнем бьефе плотины, использующая воду со станции водоподготовки;
– бентонитовая стена в грунте, используемая для соединения с существующим ядром.

Проект расширения гидроузла Смит Лейк представляет собой первое использование укатанного бетона для переливной плотины в штате Вирджиния. Применяя инновационные инженерные решения, компания Woodward-Clyde сумела достигнуть цели, поставленные округом Стаффорд, при стоимости почти на 20 % ниже бюджета. За эти достижения проект расширения гидроузла Смит Лейк был награжден премией "Проект реконструкции" за 1996 г. Ассоциацией безопасности плотин штата.

3  ПРОЕКТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Гидрологическое моделирование и расчет паводка

Гидрологическая модель бассейна озера Смит Лейк была разработана с использованием компьютерной модели дождевого стока USACE HEC-1. Изучение паводка было произведено для повторяющихся штормов, ранжированных от повторяемости от одного раза в два года до максимально возможного паводка PMF. Величина максимально возможных осадков PMP была рассчитана в соответствии с гидрологическими отчетами HMR-51 и HMR-52 Национальной погодной службы. Результаты анализа значения PMF показали пиковую приточность в Смит Лейк около 81 300 футов³/с (2 300 м³/с). Расширение гидроузла Смит Лейк было запроектировано с учетом безопасного пропуска расхода PMF при отметке воды 105,6 футов (32,3 м), что соответствует запасу на гребне величиной 1 фут (0,31 м). Новый основной водосброс был запроектирован для пропуска расхода повторяемостью раз в 100 лет величиной приблизительно 13 100 футов³/с (370 м³/с) с отметкой воды в водохранилище 99 футов (30,2 м). Паводки повторяемостью свыше одного раза в 500 лет пропускаются одновременно работающими основным и аварийным водосбросом.

Анализ разрушения плотины и оценка нарастающих повреждений (IDA) были выполнены с использованием модели BOSS DAMBRK для расчета прорыва плотины Смит Лейк. Оценка возрастающих повреждений IDA была произведена для случаев с расходами 60 %, 80 % и 100 % от паводкового расхода PMF. Целью оценки являлось определение сооружений и конструкций, которые могут быть затоплены в ходе разрушения плотины, для всего диапазона паводковых расходов, а также поиск возможности снижения проектной пропускной способности водосброса. Оценка IDA показала, что при переходе от расчетного случая с наименьшим максимальным расходом к расчетным случаям с возрастающими максимальными расходами затоплению подвергается все большее число объектов, поэтому было решено сохранить проектный расход величиной, равной PMF.

Геология и геотехнические условия

Гидроузел Смит Лейк расположен в восточной пьедмонтской физиографической области, к западу от линии сброса. Данный сброс разделяет пьедмонтскую область и область прибрежной равнины. Скальное основание включает в основном раннепалеозойские метаморфические породы. Геологические карты показывают, что плотина Акиа и больная часть сооружений гидроузла подстилаются четвертичными отложениями, состоящими из черного сланца c прослоями аспидного сланца и кварцита. Геологические изыскания площадки расположения гидроузла выявили, что основные неоднородности следуют вдоль слоев в направлении 20 градусов от севера к востоку и падают почти вертикально. Грунты вскрыши относятся к элювиальным отложениям области прибрежной равнины, образовавшиеся в результате выветривания и разложения материнской метаморфической породы.

Во время проведения данных изысканий в 1990-х гг. площадка расположения гидроузла Смит Лейк находилась поблизости от границы, разделявшей сейсмические зоны № 1 и № 2, определенные в Единых строительных нормах 1982 года (Uniform Building Code). Зона № 2 была выбрана все качестве определяющей сейсмические нагрузки.

Геотехнические исследования были проведены на площадке гидроузла для оценки состояния плотины и основания существующих плотины и водосброса. Они включали контрольное бурение, компрессионные испытания, скважинные наблюдения и исследования отражения сейсмических волн.

По результатам исследований было установлено, что изначальная плотина была в целом в хорошем состоянии. Однако наблюдались явные отклонения от первоначального проекта. Из результатов тестового бурения выяснилось, что центральное ядро было сооружено с отметкой подошвы, равной примерно 65—70 футов (20—21,5 м), при том что согласно проекта отметка должна была составлять 80 футов (25 м). Было очевидным, что зуб плотины был вырыт до здоровой скальной породы. Наслонный дренаж в ходе бурения обнаружен не был, и его геометрия не была подтверждена. У низового клина плотины были обнаружены и четко обозначены три дренажных выпуска.

4  ПРОЕКТНЫЕ УСЛОВИЯ

Расширение гидроузла Смит Лейк было запроектировано в соответствии с требованиями проектирования и безопасности плотин "Virginia DCA", которые были действующими на тот момент для плотин и гидротехнических сооружений. Методы проектирования и стандарты, использованные в гидравлических и геотехнических расчетах, в основном были основаны на нормах USACE, Бюро мелиорации (Bureau of reclamation), Американской службы по сохранению грунтов (U.S. Soil Conservation Service), Американского сообщества по тестированию и материалам (American Society for Testing and Materials, ASTM), Департаменту транспорта Вирджинии (Virginia Department of Transportation, VDOT). Проектирование бетонных конструкций было выполнено в основном в соответствии со стандартами Американского института бетона (American Concrete Institute) и стандартами ASTM. Проект сейсмического воздействия был основан на сейсических зонах UBC. Проект электротехники соответствовал местным строительным нормам и следующим стандартам: Национальные электротехнические нормы, Институт электротехники и электронной инженерии, Международная электротехническая комиссия, Лаборатория техники безопасности.

Повышение плотины

Высота плотины была увеличена с использованием уплотненного грунта, полученного из карьера на правобережном примыкании плотины. Материалами послужили сортированный и несортированные грунты, дренажная засыпка, каменная наброска, постель каменной наброски. Сортированный грунт уложен для образования верхового откоса ядра и представляет собой песчанисто-гравелистую глину и глинистый песок, содержащий не менее 25 % глинистого материала (определен как CH, CL, ML, MH и SC в соответствии с нормами ASTM D 2487). Несортированный грунт был использован для укладки на низовом откосе и состоял из неорганического материала (CL, ML, SC, SM, SP, SW, GM, GP, GW). Дренажная засыпка представляла собой песок и гравий из удаленных карьеров. Подбор фракций для дренажных траншей произведен в соответствии с Запиской по механике грунтов № 1 (Mechanics note № 1) издания 1986 г. Американской службы по сохранению грунтов (U.S. Soil Conservation Service). Каменная наброска и постель каменной наброски также добывались из удаленных от гидроузла карьеров. Сортированный и несортированный грунты были уплотнены до плотности 98 % от максимальной плотности в сухом состоянии, как указано в нормах ASTM D 648.

Расчет фильтрации

Фильтрационный расчет был выполнен для оценки величин фильтрационного расхода, обоснования устройства трубопроводной сети и проектирования дренажной системы. Для моделирования существующей плотины (с малопроницаемой стеной в грунте, и без нее) была использована компьютерная программа SEEP/W, основанная на методе конечных элементов. Величины коэффициента фильтрации были получены в ходе исследований гидравлической проницаемости на площадке гидроузла, лабораторных тестов и инженерной оценки. Полученные коэффициенты фильтрации через плотину увеличенной высоты составили 0,7 футов³/с (0,02 м³/с) для варианта без бентонитовой стены в грунте, и 0,22 фута³/с (0,006 м³/с) для варианта с данной стеной. Кроме того, расчеты показали, что в варианте с бентонитовой стеной в грунте депрессионная поверхность фильтрующегося потока снизилась на 6 м. Уменьшение фильтрационного расхода и снижение депрессионной поверхности явились основанием для включения бентонитовой стены в грунте в проект.

Противофильтрационная стена в грунте

Бентонитовая стена в грунте, соединяющая существующее ядро с экраном, уложенным по верховому откосу наращенной части плотины, имела наименьшую толщину 3 фута (0,9 м) и была заполнена бентонитовым раствором. Стена в грунте была заглублена в существующее ядро не менее чем на 3 фута (0,9 м) и до отметки не выше 65 футов (19,8 м). Максимальный проектный коэффициент фильтрации для стены составлял 1·10-6 см/с. Материалом стены послужил грунт, вынутый из траншеи и смешанный с бентонитом. Нормативными документами для бентонитовой стены в грунте стали нормы 13A и 13B Американского нефтяного института (American Petroleum Institute), а также ASTM C143-74.

Рисунок 11 — Устройство бентонитовой стены в грунте

Контроль фильтрации

Изначальный дренаж был выведен из эксплуатации посредством удаления десятифутовых (3 м) фрагментов труб со стороны нижнего бьефа, расчисткой оставшихся фрагментов и заполнением их под давлением цементным раствором на протяжении не менее 20 футов (6 м). Был уложен наслонный дренаж толщиной 2 фута (0,6 м) для снижения вероятности внутренней эрозии (суффозии).

Для возросшей плотины в проект была включена новая дренажная система, предназначенная для сбора фильтрационного расхода, контроля депрессионной поверхности и выполнения роли фильтра для предотвращения возможной суффозии. Дренажная система была выполнена соответствующей возросшей плотине и состояла из наслонного и пластового дренажа. Наслонный дренаж распространялся от откоса существующей плотины до отметки 75 футов (23 м), имел толщину по горизонтали 10 футов (3 м) и проектный коэффициент фильтрации 0,05 см/с. Для получения толщины 10 футов (3 м) потребовалось выполнение выемки в существующем откосе плотины вдоль укатанного бетона аварийного водосброса. Наслонный дренаж сопрягался с пластовым дренажем, который укладывался на естественное основание — под удлиняемую часть низового откоса плотины. Пластовый дренаж имел толщину 3 фута (0,9 м) и дренировал основание низового откоса плотины. На участке аварийного водосброса пластовый дренаж разгружался через множество пластиковых труб диаметром 6 дюймов (0,15 м), выходивших в водобой водосброса.

Рисунок 12 — Устройство пластового дренажа

Расчет устойчивости плотины

Расчет устойчивости возросшей плотины был произведен в общем соответствии с процедурами, приведенными в USACE EM 1110-2-1902 «Устойчивость откосов». Для расчета использована компьютерная программа PCSTABL5M, основанная на модифицированном методе Бишопа. Параметры напряжений существующей плотины, использованные в расчете, были основаны на результатах прессиометрических и сдвиговых тестов. Параметры напряжений для материала новой плотины были получены по результатам тестов на трехосное сжатие переуплотненных образцов. Поверхность фильтрующейся воды была рассчитана в программе SEEP/W с учетом противофильтрационной стены в грунте. Для расчета сейсмической нагрузки применен псевдостатический коэффициент, равный 0,10·g, соответствующий сейсмической зоне 2 согласно UBC.

Были рассмотрены следующие загружения:
– постоянный уровень воды на отметке 90 футов (27,5 м);
– пониженный уровень воды на отметке 80 футов (24,4 м);
– максимальный уровень воды на отметке 100 футов (30,5 м);
– быстрые сработки уровня воды с отметок 90 футов (27,5 м) и 100 футов (30,5 м);
– этап завершения строительства;
– псевдо-статический расчет сейсмической нагрузки.

По результатам расчетов было установлено, что все загружения удовлетворяли минимальным коэффициентам надежности USACE.

Расчет осадки плотины

Расчет осадки плотины был произведен для оценки величины осадки, которую можно было ожидать в результате повышения высоты плотины. Осадка происходила от уплотнения (консолидации) существующей плотины под весом нового отсыпанного грунта, а также от уплотнения самого отсыпанного грунта. Залегающая в основании скала рассматривалась как несжимаемая. Консолидация существующей плотины была рассчитана с использованием компьютерной программы DEFORM, основанной на распределении напряжений по теории Буссинеска, и на коэффициентах уплотнения. Параметры консолидации для существующей плотины были получены из результатов прессиометрических и лабораторных испытаний консолидации. Консолидация новой плотины под своим собственным весом была оценена по эмпирическим данным (Бюро мелиорации, 1987 г.; Sherard и др., 1963 г.). Результаты расчетов дали максимальную величину осадки около 0,5 фута (0,15 м), которая рассматривалась в качестве проектной.

Защита верхового откоса

Защита верхового откоса была выполнена для возросшей плотины от отметки 84,5 фута (25,8 м) до отметки 96,5 фута (29,4 м). Она состояла из слоя каменной наброски VDOT класса 2 толщиной 18 дюймов (0,45 м) с камнями весом 150—500 фунтов (46―152 кг) при содержании камней весом от 300 фунтов (92 кг) не менее 50 %. Для защиты нижележащих грунтовых слоев плотины от волнового воздействия и эрозии под каменной наброской был отсыпан слой каменной постели толщиной 9 дюймов (23 см). Материал постели соответствовал спецификации стандарта VDOT (VDOT Standard Specification). Материалы каменной наброски и ее постели были получены из близлежащих частных карьеров.

Карьеры для тела плотины

Карьерные площади для добычи грунтов в тело новой плотины были расположены на четырех участках земли на южном берегу водохранилища. Материалами были прибрежные грунты и элювий разрушения материнской породы. Участок площадью 16 акров был определен как имеющий подходящий карьерный материал как для сортированного грунта ядра, так и для несортированной наброски, и был приобретен для проекта.

Водосбросы

Новые основной и аварийный водосбросы были запроектированы для следующих загружений:
– нормальные условия: гидростатическое давление воды водохранилища при шторме повторяемостью 1 раз в 100 лет, полное противодавление в основании;
– давление льда: ледовая нагрузка приложена на 1 фут ниже порога водосброса; противодавление в основании;
– загружение с максимальным возможным расходом PMF: водохранилище имеет максимальную отметку; противодавление в основании;
– сейсмическое загружение: сейсмическая зона 2 по UBC с ускорением 0,1·g.

Верх стен водобойного колодца принят выше уровня воды при шторме повторяемостью 1 раз в 100 лет.

5  СТРОИТЕЛЬСТВО

Проект расширения гидроузла Смит Лейк был осуществлен компанией «Branch Highways of Roanoke» (шт. Вирджиния) с декабря 1995 г. по 1997 г. Управление строительством производилось компанией «O’Brien and Gere Engineers» из г. Блу Белл (шт. Пенсильвания), с проектной поддержкой в ходе строительства компанией «Woodward-Clyde» из г. Гейтерсберг (шт. Мериленд).

В ходе строительства в сентябре 1996 г. шторм, вызванный ураганом Фран, произвел значительные повреждения основания нового основного водосброса, подмыв элементы частично возведенной плиты водосброса. Проектная команда работала совместно со строителями для выработки ремонтных мероприятий без срыва общего срока строительства. Ремонт включал огромные объемы заливки бетонной смеси.

Строительство было завершено в середине 1997 г., а наполнение водохранилища до новой отметки НПУ произошло к концу декабря того же года.

Рисунок 13 — Вид с правого берега на гидроузел Смит Лейк после реконструкции

6  КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЯ

Затраты на изыскания, проектирование, оплату лицензий, проектное сопровождение в ходе строительства, а также на проект осушения и мониторинг составили приблизительно 1 млн. долларов.

Проектная команда работала в течение проектирования и строительства для обеспечения эффективных по стоимости решений и ограничений бюджета округа Стаффорд. Оптимизация, выполненная в проекте после рассмотрения альтернатив, снизила первоначальные оценочные затраты по строительству плотины и водосбросов приблизительно с 10 млн. долларов до 7,7 млн. долларов в окончательном проекте. Фактическая стоимость дамбы и водосбросов по контракту составила 6,2 млн. долларов. Окончательная контрактная стоимость, исключая незапланированные работы, добавленные заказчиком, а также ремонтные работы по последствиям урагана Фран, была в пределах 0,5 % от изначальной стоимости.

7  ПОВЕДЕНИЕ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Находясь в эксплуатации с 1997 г., гидроузел Смит Лейк находится в хорошем состоянии. Непрерывный мониторинг пьезометров дает согласующиеся результаты положения депрессионной кривой. Расход дрен у носка низовой призмы плотины остается постоянным в течение ряда лет. Основной водосброс функционирует в проектном режиме, эрозия в нижнем бьефе не отмечается. Аварийный водосброс в течение уже более 15 лет, с момента пуска в эксплуатацию, обслуживания не требовал.

Водоприемник также находится в нормальном состоянии, хотя по результатам работы затвора потребовалась дополнительная защита водопроводящего тракта. Установка стальных пластин в тракте обеспечила достаточную защиту при минимальных дополнительных затратах.

Краткая характеристика