ГЛАВНАЯ ОБ ИНСТИТУТЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТЫ НАШИ ПРОЕКТЫ КОНТАКТЫ

Технические решения и результаты первоочередных работ по сооружению противофильтрационной стены в грунте в ядре и основании плотины Курейской ГЭС.

Технические решения и результаты первоочередных работ по сооружению противофильтрационной стены в грунте в ядре и основании
 плотины Курейской ГЭС.

Малышев Л.И., доктор техн. наук, Шишов И.Н., Кудрин К.П., ,
 инженеры (Гидроспецпроект), Бардюков В.Г., инженер (Курейская ГЭС)

            Русловая каменно-земляная плотина Курейской ГЭС возведена на скальном основании местами прикрытом аллювиальными отложениями (песок, супесь, суглинок) мощностью до 24 м. Плотина имеет максимальную высоту 81,5 м, длину по гребню 1576 м, ширину гребня 10 м, максимальную ширину по основанию 325 м. Ядро плотины выполнено из суглинисто-гравелистых грунтов с проектной отметкой гребня 95,5 м. Выше гребня ядра отсыпан непучинистый гравелисто-песчаный грунт. Переходные зоны выполнены в виде двухслойного фильтра из естественного гравелисто-песчаного грунта в первом слое и отсева фракций размером 100...200 мм во втором. Проектная отметка гребня плотины 100,1 м при расчётных отметках НПУ 95 м и ФПУ 97,3 м.

            Плотина возведена в 1984-1990 г.г., водохранилище наполнялось до проектной отметки НПУ и выше 4 раза, в 1989-1992 г.г. Уровень воды выше НПУ поддерживался в период пропуска паводков продолжительностью до 70 суток.

            26.07.92. на русловом участке плотины в районе ПК 7+00...ПК 7+32 произошёл прорыв напорного фронта с увеличением фильтрационного расхода с 20 до 1750 л/с, выносом значительного объёма грунта, проседанием верхового откоса, образованием продольных трещин и воронки на низовом откосе. Разведочным бурением обнаружено нарушение сопряжения понура с ядром (суглинок замещен материалом первого верхового фильтра). Это подтверждалось и данными пьезометрических наблюдений. К паводку 1993 г. были выполнены противофильтрационные и укрепительные мероприятия, включающие уплотнение ядра и его основания в контактной зоне инъекцией цементно-глинистых растворов, грунтовые пригрузки верхового и низового откосов, устройство дренажной призмы [1]. Эти мероприятия были необходимы, но имели в основном временный и вспомогательный характер.

При проведении указанных выше мероприятий, а также в результате разведочных работ и натурных наблюдений в последующие годы в ядре плотины были выявлены многочисленные зоны, в которых при бурении скважин буровой снаряд погружался под действием только собственного веса, встречались интервалы с повышенным содержанием песка и гравия, участки с суглинком текучей консистенции [2]. На участке от ПК 6+35 до ПК 7+50 непосредственно под понуром и ядром залегают пески мощностью до 3м, коэффициент фильтрации которых более чем на порядок выше чем у подстилающих их супесей и суглинков.

Натурные и модельные исследования фильтрации на этом участке показали, что при дефектном ядре и повреждённом сопряжении ядра с понуром градиент напора в примыкающей к дренажу зоне на ПК 7+23 превышает 20, в то время как расчётный в этой зоне должен быть не более 4.

            Решение о необходимости проведения ремонтных работ с целью повышения эксплуатационной надёжности плотины принято научно-техническим советом (НТС) РАО “ЕС России” 12.11.97 г. НТС поддержал предположения Гидроспецпроекта выполнить на дефектных участках в ядре и в контактной зоне основания плотины противофильтрационную стену в грунте методом секущихся свай с креплением скважин обсадными трубами. Такая технология устройства стены в грунте с опережающим задавливанием обсадных труб позволяет не допускать фильтрацию и деформацию ядра в зонах текучей консистенции при бурении скважин и гарантирует надежность плотины в процессе производства работ. В качестве первоочередного для выполнения опытно - производственных работ по стене в грунте был выбран участок русловой плотины от ПК 6+20 до ПК 7+60, вмещающий наиболее опасный фрагмент в районе ПК 7+23.

            Для снижения расходов фильтрации и градиентов напора до нормативных и расчётных величин в наиболее дефектном сечении плотины и её основания на ПК 7+23 стену в грунте необходимо заглубить на 8...10 м ниже подошвы ядра до суглинков. При глубине стены в грунте здесь ~35 м градиент напора под подошвой ядра снижается до 0,02...1,8, у выхода из под ядра – 2,0.

            Проект первоочередных работ по стене в грунте разработан с учётом результатов исследований. Стена в грунте из секущихся свай диаметром 1200 мм при их шаге 850 мм выполняется с 1998 г. За этот период выполнено 122 сваи на участке длиной  94,1 м от ПК 6+65,8 до ПК 7+59,9. Бурение скважин производится буровой машиной “Casagrande” С-60 с инвентарными обсадными трубами при длине звеньев 4,0 м.

            В качестве противофильтрационного материала стены в грунте применяется литой пластичный глиноцементобетон с кубиковой прочностью на одноосное сжатие 1...2 МПа и мгновенным модулем деформации 10...20 МПа. Этот материал обладает сцеплением порядка 0,5 МПа, углом внутреннего трения 28...30°, мерой ползучести (0,25...0,35)?10-3 МПа-1, в результате которой мгновенный модуль деформации глиноцементобетона снижается под нагрузкой в 2,5...3,0 раза, адаптируясь с напряжённо-деформированным состоянием вмещающей среды.

            Шаг буронабивных свай выбран с учётом возможного отклонения от вертикали в разные стороны двух сопрягающихся свай. Согласно паспортным данным буровой машины “Casagrande” величина отклонения скважин от вертикали не должна превышать 0,4 %, т.е. при глубине свай 35 м – не более 0,28 м. Эта величина отклонения учитывает только кинематические характеристики буровой машины и не учитывает отклонения, связанные с неточностью направления установки обсадных труб при бурении, неоднородностью проходимых скважиной грунтов, изношенностью замковых соединений труб. Опыт работ на Курейской ГЭС подтвердил, что даже при тщательном контроле за вертикальностью при забуривании скважин, фактические отклонения забоев свай от вертикали могут превышать паспортные.

            Расчётная толщина стены в грунте в месте пересечения свай принята равной 40 см. Расчеты показали, что для безусловного соблюдения данного условия необходимо, чтобы наибольшее отклонение оси каждой сваи от вертикали не выходило за зону, ограниченную двумя дугами радиуса 56,5 см с центрами на оси стены в грунте и расстоянием между дугами по оси 28 см (рис. 1). При глубине бурения 30 м (до суглинков) этому условию соответствуют отклонения осей скважин от вертикальной плоскости, совпадающей с осью стены в грунте, - до 0,47 %, совпадающей с нормальным направлением к оси стены в грунте - до 1,23%.

            Контроль вертикальности забуривания скважин осуществляли геодезическим способом двумя теодолитами, установленными на взаимно перпендикулярных лучах, сходящихся на оси скважины, либо с помощью специального отвеса, прикладываемого поочерёдно с двух сторон к наружной стене обсадной колонны. По результатам контроля (измерения) вертикальности изменением положения мачты и передвижением буровой машины вдоль оси стены в грунте устанавливали обсадную трубу в вертикальное положение. Проверку вертикальности завершали после погружения обсадной трубы на глубину 12 м, поскольку дальнейшее исправление её положения оказывалось невыполнимым.

            Контроль фактических отклонений пробуренных скважин от вертикали осуществляли прибором “Koden” ДМ 682. С помощью лебёдки на тросу в скважину опускали ультразвуковой излучатель и приёмник, а на бумажной ленте по мере опускания датчика отмечалось расстояние от вертикали до стенок обсадной трубы в выбранной вертикальной плоскости. При достижении забоя спуск прекращали, прибор переключали на измерение расстояния от вертикали до стенок обсадной трубы в перпендикулярном направлении. По измерениям в двух взаимно перпендикулярных плоскостях определяли величину и направление отклонения оси скважины от вертикали на любой глубине. Статистика измерения отклонений от вертикали следующая: отклонение до 0,4 % имеют 39% скважин; до 0,7% - 26 % скважин; до 1% - 20% скважин, свыше 1% - 15% скважин. Среднее отклонение составляет 0,6%. Чтобы обеспечить надёжное сопряжение потребовалось выполнить 9 дополнительных свай (рис. 2).

           

            Контроль за состоянием ядра и основания, составом грунта в процессе работ осуществляли практически непрерывно. Описание поднятого на поверхность грунта производили по мере бурения на всю глубину скважин. По этим данным обобщённый геологический разрез представляется в следующем виде: вверху (в оголовке) до глубины 5...7 м насыпной галечниковый грунт с дресвой, с малым содержанием супесчаного заполнителя и валунами крупностью до 0,5 м, имеет неплотное сложение, проседает от динамического воздействия обсадных труб; ядро плотины - из моренного суглинка, гравелистого с галькой и большим количеством валунов размером 0,20...0,30 м и с глыбами до 1,5 м, вода появляется в основном ниже контакта ядра с основанием, но в ряде случаев (в 15%) - на глубинах 16...22 м; местами в районе контакта ядра с основанием мощностью от 0,5 до 4,0 м имеется слой супесчано-суглинистых грунтов с содержанием большого количества гальки, щебня с валунами и глыбами; в основании ядра в интервале глубин 23...29 м расположен мелко- и тонкозернистый песок с включениями гравия, гальки и валунов, их количество в нижней части слоя существенно возрастает, при бурении в скважины обильно поступает вода; в пределах глубин 26...33,7 м залегает плотный суглинок, маловлажный с включениями плотно упакованных гальки, щебня, валунов и глыб больших размеров (до 1,5 м и более), коэффициент фильтрации суглинков ~ 0,001 м/сут.

            Как отмечалось выше, глубина в стены в грунте предусматривалась проектом равной 35 м. Однако обеспечить повсеместно эту глубину бурения с заглублением на 5-7 м в плотные суглинки при наличии в них крупных валунов (ранее содержание валунов не предполагалось) оказалось трудно исполнимым. Так как плотность суглинков была высокая, а водопроницаемость их оказалась на порядок ниже, чем принятая в проекте, заглубление свай в суглинок было уменьшено. По условиям обходной фильтрации под стену в грунте, фильтрационной прочности подстилающих твёрдых суглинков, для которых критический градиент напора не менее 4,5, и обеспечения нормативных градиентов напора в основании ядра плотины с низовой стороны стены в грунте величина заглубления свай в суглинок составила от 2,5 до 5,0 м.

            Состав глиноцементобетона для стены в грунте предварительно был подобран в лаборатории Гидроспецпроекта. Были изучены его деформационно-прочностные свойства, на моделях проверены долговечность и водопроницаемость, в том числе с учётом переменных температур в оголовке плотины. Этот состав скорректирован на строительстве для поступавших партий материалов (песка, бентонита, песчано-гравийной смеси). Расход материалов на 1м3 смеси следующий: портландцемент ПЦ-400 Д 20 – 125…156 кг, бентонит порошковый Черногорского месторождения - 120...140 кг, песок с М к = 1,5...2,0 - 620...680 кг, гравий фракции 5-20 мм - 870...1000 кг, ЛСТ - 0,375...0,460 кг, вода - 310...390 л.

            Глиноцементобетон готовился по следующей схеме: на растворном узле в автобетоносмеситель сливалось требуемое количество бентонитового раствора с объёмной массой 1,24 г/см3, а затем в тот же автобетоносмеситель загружалась перемешанная на бетоносмесительной установке (БСУ) – сухая смесь из цемента, гравия, песка с добавкой ЛСТ, перемешивание компонентов производилось при транспортировке.

            Растворный узел бентонитового раствора фирмы “Casagrande” включает контейнер со смесительным оборудованием и контейнер (танк ёмкостью 20 м3) для хранения готового раствора. Перемешивание раствора в танке и подача его в расходный дозатор производятся насосом, установленным между контейнерами. Дозатор оттарирован на 360, 720 и 1080 л соответственно для приготовления 1,0; 2,0 и 3,0 м3 глиноцементобетонной смеси.

            Контроль качества глиноцементобетона включал проверку параметров исходных материалов и состояния мест их хранения, измерение параметров бентонитового раствора и готовой глиноцементобетонной смеси (при необходимости с корректировкой) по цепочке приготовления-транспорта-укладки, отбор образцов глиноцементобетонной смеси и их испытание в процессе твердения и набора прочности. Средние значения прочности на образцах в возрасте 7, 28 и 90 суток получены соответственно равными 0,914; 1,358 и 2,024 МПа при минимальных значениях 0,42; 0,57; 0,70 МПа, максимальных 1,52; 2,38 и 3,066 МПа и коэффициенте вариации в пределах 27...29.

            Бетонирование скважин, после их комиссионной приёмки, производили методом ВПТ. Транспорт глиноцементобетона - тремя автобетоносмесителями ёмкостью по 3 м3, слив бетона в скважину - с инвентарной эстакады через бункер, оборудованный клапаном.

            Операции извлечения обсадной и бетонолитной труб производили с помощью одновременного применения обсадного стола, лебёдки буровой машины и крана ДЭК-251. При этом нижний торец обсадных и бетонолитных труб всегда находился на 2...3 м ниже верха укладываемой глиноцементобетонной смеси.

            Средний расход глиноцементобетона на 1м сваи составил 1,27 м3/м при геометрическом объёме 1м скважины 1,13 м3 , фактический коэффициент расхода глиноцементобетона - 1,128. На аварийном участке русловой плотины (ПК 7+24...7+06) был зафиксирован повышенный его расход. Наиболее ярко это проявилось в скважинах 1-й очереди №№  112, 111, 109, 2-й очереди №№  108, 110 и в дополнительных скважинах №№ 108Д, 109Д и 111Д в пределах отметок 68...80 м (ПК 7+10...7+15). В этих скважинах в зоне контакта плотины с основанием, а также в приконтактной зоне отмечены удельные расходы глиноцементобетонной смеси 2,0...2,7 м3/м. Зона с максимальным расходом глиноцементобетонной смеси находится в области размыва ядра плотины, установленной Красноярскгидропроектом изыскательскими скважинами. В этой зоне на ликвидацию пустот и на уплотнение ядра плотины дополнительно ушло 62 м3 глиноцементобетонной смеси (Рис. 3).

           

            Удельные расходы глиноцементобетонной смеси в скважинах 2-й очереди значительно ниже, чем в скважинах 1-й очереди, они мало отличаются от средней величины
1,27 м3/м и тем самым свидетельствуют о ликвидации на оси стены в грунте выявленных дефектов в ядре и основании плотины.

            В процессе работ по стене в грунте появились проблемы с бурением скважин, поскольку крупность валунов в ядре и в основании оказалась существенно больше (до 1,5 м), чем предполагалось по данным изысканий (до 300 мм). Проходка крупных валунов затруднена, при их проходке наблюдается повышенный износ бурового инструмента (зубьев шнеков и обсадных труб, долот). Естественно, производительность работ по устройству свай существенно зависит от скорости бурения скважин и в меньшей степени от скорости бетонирования (рис. 4).

            На всех скважинах, проходка и бетонирование которых продолжалось более двух суток, задержка была из-за тяжёлых валунов, поломки бурового инструмента (долота), аварий и ремонта оборудования, продолжавшегося иногда более 4-х суток.

            Средняя скорость проходки и бетонирования скважин в 1999 г., включая все простои, аварии и ремонты бурового инструмента, составила 42 часа ( в 1998 г. - 58 часов). Скорость проходки скважин в 1999 г. возросла в основном за счёт сокращения времени бурения последних метров скважин, благодаря поочередному использованию двух тяжелых долот при проходке крупных валунов.

            Фактическое и расчётное распределение времени по операциям на одну сваю (среднее по всем) следующее:

Наименование операций

Время выполнения одной сваи, час.

Факт за 1998г.

Расчёт на 1999г.

Факт за 1999г.

Переезд на следующую скважину

1,6

0,5

23,7

Бурение

28,4

20,0

Измерение отклонений и приёмка скважин

2,5

2

1

Монтаж бетонолитных труб и бетонирование

6,2

6,0

5,3

Техническое обслуживание и ликвидация аварий

6,5

2,0

4,9

Обеденный перерыв

4,6

4,5

3,5

Другие перерывы и простои

7,8

____

3,6

Резерв

____

1,0

____

Всего на одну сваю

57,6

36,0

42,0

 

            Эффективность стены в грунте оценивали по напору на сохранившихся низовых пьезометрах в районе ПК 7+10...7+17, а также по перепаду напора на стене в грунте по пьезометрическому створу на ПК 7+53. Натурные наблюдения показывают, что сезонные колебания в низовых пьезометрах на аварийном участке плотины до устройства стены в грунте были в пределах отм. 75,5...81,0 м, после устройства стены в грунте снизились до отм. 75,0...76,5 м. Перепад напора на завесе (стене в грунте) на расстоянии 7м от ее торца составляет ~ 75% от полного напора на плотину в данном районе.

            Стена в грунте как противофильтрационная завеса имеет высокую эффективность, решает проблему фильтрационной устойчивости грунтов основания и ядра плотины. Необходимо завершать работы по её созданию одновременно с контролем и анализом фильтрации, оценкой состояния ядра и основания плотины опережающими изысканиями.

            В 1999 г. начаты работы по наращиванию ядра плотины методом секущихся свай на участках, где в результате консолидации верх ядра плотины оказался ниже отм. НПУ. В качестве первоочередного выбран участок левобережной плотины длиной 80 м с наиболее низкими отметками ядра от ПК 0+20 до ПК 1+00, сваи на котором выполнялись буровой машиной “КАТО”.

            При толщине верха ядра 3,5-4,0 м равнопрочная по фильтрационной устойчивости конструкция оголовка создаётся путём заглубления свай в плотный суглинок не менее чем на 2,0 м. Учитывая полученный на объекте опыт обеспечения вертикальности и сплошности сопряжения свай, в оголовке шаг скважин при диаметре 1200 мм и глубине до 7-8 м принят равным 1,0 м.

            На левобережной плотине в верхней части оголовка было обнаружено большое количество крупных скальных негабаритов, что значительно удлиняло время проходки скважин буровыми машинами. На этом участке экскаватором ЭО 3323А с обратной лопатой предварительно была пройдена пионерная траншея глубиной 2,5...3,5 м, шириной поверху ~ 1,5 м, которую затем засыпали песчано-гравийным грунтом без валунов. Бурение скважин под сваи после замены грунта проблем не вызывало.

            Верхнюю границу суглинистого ядра при бурении шнеком фиксировали с точностью ± 0,20. В отдельных случаях геолог, спускавшийся на забой скважины, производил обследование нижней части стенок и точное измерение отметок верха ядра.

            Вертикальность (отклонения от вертикали) скважин контролировали по отвесу с калиброванным диском диаметром 20 см.

            Состав глиноцементнобетонной смеси для бетонирования свай в оголовке на первом участке принимался практически таким же, что и для глубокой стены в грунте. Несколько были снижены только количество воды и подвижность бетонной смеси, поскольку бетонирование свай производили сбросом сверху без бетонолитной трубы. Эта технология бетонирования была проверена на расслаиваемость и однородность при падении бетонной смеси с высоты 7,2 м в вертикальную трубу диаметром 800 мм. Вскрытие бетона через трое суток после заполнения им трубы и последующие испытания отобранных образцов позволили отработать требования к бетону и технологии бетонирования сухих скважин без бетонолитной трубы. Все скважины на этом участке были практически сухие, поэтому бетонирование через бетонолитную трубу не применялось.

            На первом участке выполнены 81 свая, средняя прочность образцов глиноцементобетона в 28-дневном возрасте составила 18,7 кгс/см2, 40% образцов имели прочность более
20 кгс/ см2.

В 2000 г. работы по наращиванию ядра плотины методом секущихся свай были продолжены буровой машиной “Casagrande” на участке русловой плотины длиной 153 м от
ПК 14+51 до ПК 16+04. На этом участке в опытном порядке была отработана и применена технология работ по проходке и бетонированию в оголовке скважин стены в грунте с применением смеси глинобетона (без цемента).

            По СНиП 2.02.02.85 допустимый градиент напора для заглинизированного грунта в завесах равен 20, градиент напора в оголовке на стене в грунте не превышает 10.

            Среднесуточная производительность в 2000 г. на участке русловой плотины составила ~ 7 свай/сут.

            Выводы:

1. Технология сооружения противофильтрационной стены в грунте в ядре и контактной зоне плотины с основанием методом секущихся свай отработана, стена в грунте выполнена на длине 94,1 м (от ПК 6+65,8 до ПК 7+59,9), перекрыла обнаруженные дефекты в плотине и основании, эффективно гасит напоры воды на этом участке.

2. Геология плотины и основания существенно отличается от ранее представляемой, имеется большое количество валунов размером до 0,5 м и более, бурение скважин стены в грунте возможно лишь с дроблением валунов ударным способом.

3. Возможность использования в низконапорных сооружениях в качестве материала стены в грунте глинобетона (без цемента) должна быть проверена специальными исследованиями - натурными и модельными.

 

Литература:

1. Мызников Ю.Н. Конструктивно-технологические решения, обеспечивающие надёжность грунтовых плотин на крайнем севере//Гидротехническое строительство, 1993 г., № 12.

2. Малышев Л.Н., Рассказов Л.Н., Солдатов П.В. Состояние плотины Курейской ГЭС и технологические решения по её ремонту//Гидротехническое строительство, 1999 г., № 1.