Ремонт противофильтрационных элементов

Основными причинами образования трещин в ядрах и экра­нах грунтовых плотин являются:

неравномерные осадки основания плотины на склонах и в русле, а также напряженно-деформированное состояние плоти­ны с появлением растягивающих напряжений в ее верхней час­ти; в этом случае трещины ориентируются чаще всего поперек плотины;

неравномерные деформации отдельных частей поперечного профиля плотины из-за разных осадок, обусловленных неодина­ковым уплотнением основания; трещины, возникшие по этой при­чине, иногда достигают глубины 7 м и более и располагаются, как правило, вдоль плотины.

Наиболее опасны поперечные трещины. Зачастую они появ­ляются в зоне примыкания насыпной плотины к берегу, сложен­ному полностью или на отдельных участках из скального или полускального грунта.

Зависание ядра на переходных зонах в результате различ­ного уплотнения элементов плотины имело место, например, на плотине Хайттжувет (Англия) высотой 93 м и др. Это сопровож­далось интенсивной фильтрацией (до 60 л/с), появившейся пос­ле заполнения водохранилища до глубины около 70 м.

В результате значительных и тем более неравномерных оса­док экрана в зоне его береговых примыканий также могут по­являться трещины. Причины их возникновения носят аналогич­ный характер.

Грунтовые ядра и экраны восстанавливают различными спо­собами: сооружают буронабивные сваи; устраивают сплошную стенку в грунте (в ядре); погружают шпунты; выполняют инъ­екцию грунта; укладывают полимерную пленку; делают шпонки; осуществляют замыв, проводят ремонт путем вскрышных ра­бот.

Буронабивные сваи сооружают в такой последовательности. По оси сооружения устраивают траншею, что позволяет умень­шить длину сваи, и прокладывают временные пути для раз­мещения на них бурового агрегата. В грунте бурят скважину на необходимую глубину (30...50 м), используя глинистый или бентонитовый (из расширяющихся в 10...15 раз глин) раствор для закрепления их стен. В нее погружают металлическую на­правляющую (обсадную) трубу. Затем бурят вторую скважи­ну, в которую также опускают направляющую трубу. Из первой скважины извлекают обсадную трубу (по мере надобности в нее опускают арматурный каркас) и ее бетонируют способом верти­кального перемещения трубы (ВПТ) с вытеснением глинистого раствора. Забетонировав первую скважину, бурят третью и опус­кают в нее направляющую трубу. Вынимают трубу из второй скважины и бетонируют ее, как и первую. Способом ВПТ бето­нируют все остальные сваи и получают сплошную стенку из примыкающих одна к другой свай. Иногда скважины бурят твердеющим материалом захватками по 3...4 одновременно. Диа­метр скважин принимают 0,4...1 м в зависимости от допустимых градиентов на завесе и имеющихся буровых агрегатов. Расстоя­ния между центрами смежных скважин принимают меньше двух: диаметров скважин.

Распространенным способом восстановления ядер или экра­нов за рубежом является устройство сплошной стенки в грунте путем создания прорези с заполнением ее вначале глинистым: раствором в целях сохранения от обрушения откосов, а затем: твердеющим материалом способом подводного бетонирования. Чтобы получить прорезь в грунте (траншею), разрабатывают отдельные секции (длиной 5...10 м) или непрерывную траншею.. Секции второй очереди начинают делать после твердения мате- риала-заполнителя и набора необходимой прочности (обычно через 10...20 сут). Чтобы обеспечить хороший контакт между сек­циями, элементы второй очереди врезают в секции первой оче­реди на 0,3...0,5 м. Прорезь разрабатывают глубиной до 50 м: бурофрезерным агрегатом СВД-500Р в комплекте с буровымг станком, проходческим грейфером с гидравлическим приводом: челюстей или с напорной штангой. Ударно-канатный станок типа УКС-ЗОМ с эрлифтом позволяет разрабатывать прорези глуби­ной до 100 м.

Иногда для создания стенки в грунте используют грунтовую» смесь с малым коэффициентом фильтрации. В этом случае ее- толщина достигает 4 м.

Неглубокие противофильтрационные завесы (до 20 м) выпол­няют иногда тонкими, до 0,2 м, из твердеющего материала. Раз­работку траншей в мягких грунтах ведут водовоздушной струей через монитор, опущенный в скважину и имеющий три концен­трические трубы с соплами на конце. Через два сопла в грунт: нагнетают водбвоздушную смесь под давлением 40...50 МПа.. Разработанный грунт выносится на поверхность через соседнюю скважину, а траншея заполняется бентонито-цементным раство­ром через тре_чтье сопло. Траншеи выполняют также путем по­следовательного погружения и извлечения металлических свай, имеющих замковое соединение. По мере извлечения свай обра­зующееся пространство заполняют глиноцементным или глини­стым раствором через специальные трубы, проходящие внутри сваи. Глиноцементный раствор имеет примерно следующий состав по весу (Ц: Г: В) 550:244:735 кг/м³. Глинистые суспен­зии создают из глин с числом пластичности не менее 0,2 и содержанием частиц крупнее 0,05 мм не более 10%, а мельче 0,005 мм не менее 30%.

Иногда для ремонта ядра в слабых или предварительно раз­рыхленных грунтах применяют обычные шпунты или гидро­шпунты с замковыми соединениями.

В сильноводопроницаемых грунтах используют суспензии по­вышенной вязкости с добавлением жидкого стекла или извести. Повысить плотность суспензии можно добавками утяжелителя (барит, магнезит, гематит и др.).

При выполнении ремонтных работ противофильтрационных элементов инъекцию применяют в следующих случаях: при не­обходимости устройства нового или усиления имеющегося противофильтрационного элемента (ядро, зуб, понур, завеса и т. д.), при аварии после землетрясения, непредвиденных осадок эле­ментов сооружения, катастрофического паводка и т. д.; при не­завершенном строительстве противофильтрационного элемента; при физической, химической суффозии или других фильтрацион­ных деформациях на контакте противофильтрационного элемен­та с примыкающими элементами сооружения.

Инъекцию поврежденных противофильтрационных элементов проводят путем принудительного внедрения в трещины и поры грунта тампонажных растворов, которые образуют плотный за­полнитель, препятствующий движению подземных вод. Растворы вводят с помощью специальных насосных установок под давле­нием через пробуренные скважины в один или несколько рядов.

В качестве тампонажных растворов применяют (по данным Гидропроекта): при цементации

цементные, с водоцементным отношением В/Ц = 20...0,4 цементно-песчаные, с отношением Ц/П = 0,5...4 цементно-глинопесчаные, (Г + П)/Ц = 0,5...15 цементно-глинистые, Г/Ц=0,5...10 при глинизации

глиносиликатные, с содержанием глины 400...850 кг/м³ и до­бавлением силиката натрия (жидкое стекло) 0,1...10% мас­сы сухой глины бентонитосиликатные, содержащие 100...300 кг/м³ бентонита и 0,5...1,5 кг/м³ силикатного натрия при силикатизации

песчаных грунтов — вначале жидкое стекло, а затем раствор хлористого кальция для ускорения процесса цементации грунта

мелкозернистых, пылеватых песков, плывунов—жидкое стек­ло с отвердителем (ортофосфорная или серная кислота с добавками реагентов) при вязкости, близкой к вязкости воды.

Кроме того, при цементации широко используют естествен­ные добавки: золу-унос, каменную муку, лесс (со средним диа­метром d_m<0,l..,0,15 мм), бентонит и др. В состав цементных растворов вводят бентонит (0,5...5% массы цемента), жидкое

стекло (силикат натрия), хлористый кальций, поташ, сульфат- но-дрожжевую бражку и другие поверхностно-активные вещест­ва, они уменьшают структурообразование в цементном растворе и повышают подвижность растворов в пустотах. При необходи­мости применяют расширяющиеся цементные растворы с алю­миниевым порошком в количестве 0,02...0,05% по отношению к массе цемента. Способ нагнетания растворов и контроль цемен­тации подробно изложены в литературе [54]. Диаметр скважин при инъекции принимают в пределах 30...200 мм. Расстояние между скважинами цементации первой очереди назначают

5…16 м, а последней — 2...3 м и более.

Глинизацию и битумизацию осуществляют через инъекторы диаметром 25...35 мм. Радиус силикатизации крупных и средних песков изменяется от 1 до 0,3...0,4 м. Его можно увеличить с по­мощью газовой силикатизации, представляющей собой последо­вательное нагнетание жидкого стекла и отвердителя.

В агрессивных средах применяют смолизацию грунтов, то есть закрепление их раствором карбамидных фенолформальдегидных и других синтетических смол с отвердителями. Однако этот способ из-за высокой стоимости используют редко, только при соответствующем обосновании.

Грунтовые ядра и экраны можно восстанавливать с помощью полимерных пленочных материалов, которые имеют различные характеристики по прочности, долговечности, морозостойкости, водонепроницаемости, технологичности соединения, стоимости и перспективности. Чаще используют полиэтилен, поливинилхло­рид и полипропилен, хотя последний имеет низкую морозостой­кость. Для уменьшения старения пленки при ее изготовлении применяются различные стабилизаторы. Срок службы стабили­зированных пленок толщиной 0,2 мм при защите их от климати­ческих факторов в центральных районах составляет 35...40 лет, в южных — не менее 25...30 лет.

т) и /1 — соответственно коэффициент неоднородности и пористость грунта подстилающего слоя; d_l7 — диаметр фракций (мм), меньше которой в грун-

где И — напор, м; 70 — плотность воды, г/см³; d_m — средний диаметр пор грунта подстилающего слоя, мм;

При выполнении ремонтных работ верхней части экрана с применением полимерных пленочных материалов снижают уро­вень воды в водохранилище, снимают верхний слой насыпи на верховом откосе, укладывают экран из полимерных материалов, который пригружают высококачественной насыпью. Толщину (мм) полиэтиленовой пленки определяют по формуле

те содержится 17% частиц по массе; Е — расчетный модуль упругости поли­этилена, МПа; а — расчетный предел прочности полиэтилена на растяжение, МПа.

Модуль упругости пленки должен быть не ниже 70 МПа, а предел прочности на растяжение — не менее 10 МПа. Крупность частиц грунта подстилающего слоя обычно не более 6 мм. Тол­щина подстилающего слоя не менее 0,3—0,4 м, а защитного — свыше 0,4...0,5 м.

Для увеличения долговечности пленки и коэффициента тре­ния грунта по пленке последнюю сверху и снизу защищают то­лем. Ленты пленки соединяют склеиванием, свариванием или путем устройства внахлест складок, которые плотно прижимают грунтом. Пленку укладывают прямыми лентами веерообразно, ступенями или зигзагообразно в зависимости от ожидаемых деформаций, высоты пленочного покрытия и ориентации ее в пространстве.

Способы ремонта грунтовых ядер и экранов посредством вы­полнения шпонок, вскрышных работ и замыва приведены выше (см. 11.1).

Опасным местом с точки зрения появления суффозии у гли­нистого ядра является примыкание его к бетонному сооружению, например водосливу. Такое повреждение наблюдалось в 1968 г. на одной из каменно-земляных плотин в Австралии (высота 43 м), которая эксплуатировалась всего 1 год. В примыкании ядра к бетонному водосливу на низовом откосе вблизи гребня появилась промоина диаметром 1,4 и глубиной 1,3 м. Водохра­нилище немедленно сработали на 7,6 м со скоростью 0,3 м/сут. С помощью шурфов и пробуренных скважин было установлено, что причиной суффозии было отсутствие дополнительного филь­тра из моренного грунта на одном из участков высотой 2,4 м. Низовой фильтр из гравия не мог служить надежным фильтром для защиты глин. Ремонтные работы выполнили в течение четы­рех недель. В месте примыкания ядра к стенке до скального основания забили диафрагму из коробчатого стального шпунта. Поскольку было неясно состояние низового фильтра из морен­ного грунта ниже дна шурфа, то зацементировали этот фильтр, а после обратной засыпки шурфа — и грунт вокруг шпунтовой стенки. Скважины, примыкающие к замкам шпунтин, заполнили цементным, а остальные — специальным химическим раствором (рис. 11.5). Верховой деформационный шов бетонной стенки, ко­торый ранее был без шпонки, также зацементировали.

При восстановлении мерзлотных противофильтрационных элементов грунтовых плотин в суровых климатических условиях применяют сезоннодействующие термосваи (устройства) с есте­ственной внутренней циркуляцией охлаждающего рабочего веще­ства. Они бывают жидкостные (керосин) и парожидкостные (аммиак, фреон, пропан и др.). В первом случае циркуляция

Рис. 11.5. Ремонт участка примыкания ядра к бетонной сопрягающей стенке:

1 — сопрягающая стенка; 2 — шпунтовая стенка; 3 — обратная засыпка из глины; 4 — обратная засыпка дополнительного фильтра; 5 — обратный фильтр; 6 — каменная наброска; 7 — ядро из моренного суглинка; 8 — фильтр из гравия; 9 и 10 — скважины для нагнетания цементного и химического растворов

происходит под действием разности плотностей нагретых (в грун­те) и холодных слоев (в воздухе) охладителя. Во втором пере­нос тепла от грунта к поверхности осуществляется за счет фа­зового превращения. На рисунке 11.6, а приведена схема выпол­нения термосвай с помощью парожидкостной циркуляционной системы, которая работает следующим образом. В осенне-зимний период пары рабочего вещества, находящиеся в конденса­торе, конденсируются и каплями или струйками стекают вниз в испаритель. В нижней части термосваи рабочее вещество на­гревается, отбирая от грунта тепло, и, испаряясь, поднимается в конденсаторную часть. Далее цикл повторяется. Летом, когда температура воздуха близка или выше температуры грунта, пар не конденсируется и термосвая прекращает работу. Если в те­чение летнего периода имеется опасность недопустимого оттаи­вания мерзлотной противофильтрационной завесы, что опреде­ляется теплотехническими расчетами, то дополнительно приме­няют искусственное замораживание грунта. Расстояние между сваями назначают в зависимости от конкретных условий, при­близительно 1,5...2,5 м. В настоящее время наибольшее распро­странение получили воздушные замораживающие системы (рис. 11.6, б, в), основанные на циркуляции низкотемпературного атмосферного воздуха в замораживающей колонке, состоящей из двух труб — наружной и внутренней. Наружная труба внизу заглушена, а внутренняя установлена так, что между ее нижним торцом и заглушкой наружной трубы образуется зазор высотой около 20 см. На один вентилятор группируют по 35...45 колонок.

Рис. 11.6. Схемы замораживающих систем:

а -• парожидкостная циркуляционная; 6 и в —• воздушная принудительного действия о нагнетанием и отсосом воздуха; / — конденсатор; 2 — труба: 3 — пар; 4 — граница талой и мерзлой зон грунта; 5 - - мерзлый грунт; 6 — жидкость; 7 — отверстие для вы­хода воздуха; 8 и 9 — внешняя и внутренняя трубы: Ю - заглушка; 11 — коллектор

Диаметр наружных труб принимают равным 100...219 мм, внут­ренних — 31...189 мм. Замораживающие системы применялись на плотинах, построенных на реках Ирелях, Долгая, Мяунджа, Певек, Сытыкан и др.

Дата добавления: 2015-07-20