Противофильтрационные устройства плотин, возводимых на многолетнемерзлых полускальных основаниях: На примере Вилюйской ГЭС-III

Экономическое и социальное развитие России связано с освоением сырьевых и энергетических ресурсов районов Сибири, Дальнего Востока и Северо-востока страны. На большей части территории России распространены многолетнемерзлые грунты, которые занимают У значительную площадь — 11 млн. км, что составляет 47% всей территории страны.

Многолетнемерзлые грунты занимают большую часть Сибири и Арктики. Любой вид хозяйственной деятельности неизбежно вызывает необходимость строительства гидротехнических сооружений для создания водохранилищ водохозяйственного и энергетического назначения. Возведение и эксплуатация гидротехнических объектов на многолетнемерзлых основаниях имеет ряд особенностей, связанных с инженерно-геологическими и геокриологическими условиями.

Обеспечение надежности и безопасности напорных сооружений являются важнейшими задачами в развитии гидротехнического строительства в условиях Севера России.

Строительство низконапорных плотин на вечной мерзлоте началось в начале XX века для создания водохранилищ с целью хозяйственно-питьевого обеспечения населения и водоснабжения объектов промышленности.

Плотины строились по «мерзлому» и «талому» принципам. С сохранением многолетней мерзлоты возведены плотины в Якутии, на Таймырском полуострове, Хабаровском крае, Магаданской области и Чукотке. Высота самых крупных плотин «мерзлого» типа, построенных в России, не превышает 17−22 м.

При строительстве и эксплуатации плотин возникали различные аварийные ситуации, вплоть до их разрушения, связанные прежде всего с отсутствием опыта проектирования и эксплуатации плотин на многолетнемерзлых основаниях. Открытие богатых месторождений полезных ископаемых послужило толчком для интенсивного развития промышленности и экономики Северных территорий, возникла необходимость строительства гидроузлов для энергои водоснабжения.

Родоначальницей крупного плотиностроения на многолетней мерзлоте является плотина Вилюйской ГЭС I — II высотой 75 м, при проектировании и строительстве которой были решены многие инженерные проблемы гидротехнического строительства в суровых природных условиях Крайнего Севера.

Научно-технические разработки, опыт проектирования и строительства Вилюйской ГЭС-I-II широко использовались на других гидротехнических объектах: Усть-Хантайской ГЭС, Колымской ГЭС, Курейской ГЭС, Вилюйской ГЭС-Ill, Усть-Среднеканской ГЭС.

Отечественный опыт строительства и эксплуатации крупных плотин в северных условиях имеет сравнительно короткий срок — около четырех десятилетий. За это время была создана нормативная база для проектирования и строительства гидротехнических сооружений. Возникла новая отрасль науки — Северная гидротехника. Большой вклад в ее развитие внесли научные и проектные институты: ВНИИГ им. Веденеева, его Сибирское отделение, ЛПИ им. Калинина (С-Петербургский ГТУ), МИСИ им. Куйбышева, инженерно-строительный институт г. Нижний Новгород, Ленгидропроект, Гидроспецпроект, Сибгидропроект, строительные организации — Вилюйгэсстрой, Колымагэсстрой, Хантайгэсстрой, Курейгэсстрой. Научные исследования и разработки представлены в отчетах, книгах и статьях инженеров и ученых, таких, как Г. Ф. Биянов, А. К. Бугров, И. М. Васильев, Ю. С. Васильев, В. И. Вуцель, С. С. Вялов, А. Я. Гольдин, Б. Н. Далматов, А. Н. Демидов, В. Н. Жиленков, Ю. К. Зарецкий, П. Л. Иванов, А. А. Каган, О. А. Когодовский, В. В. Колеганов,.

Н.Ф.Кривоногова, Я. А. Кроник, Л. И. Кудояров, С. А. Кузьмин, В. С. Кузнецов, В. Л. Куперман, Е. Д. Лосев, Т. В. Матрошилина, В. Д. Макаров, И. А. Максимов, В. Г. Мельник, В. А. Мельников, И. С. Моисеев, Н. А. Мухетдинов, Ю. Н. Мызников, Р. М. Нарбут, М. П. Павчич, В. А. Пехтин, Ю. П. Правдивей, В. Н. Придорогин, В. Г. Радченко, Л. А. Розин, Л. Н. Рассказов, Д. Д. Сапегин, А. А. Серов, В. И. Телешев, В. В. Тетельмин, Л. А. Торопов, Г. Т. Трунков, В. А. Турчина, С. Б. Ухов, В. И. Федосеев, М. П. Федоров, В. Н. Фрумкин, Ю. И. Фриштер, А. М. Цвик, А. В. Чернобаева, Ю. Д. Чертыков, И. Н. Шишов, В. П. Ягин и других специалистов.

Природные условия строительства и эксплуатации гидротехничеких сооружений в Северной строительно-климатической зоне настолько разнообразны и индивидуальны, что на каждом крупном объекте возникали новые проблемы, которые приходилось решать в процессе возведения и эксплуатации сооружений.

Научный анализ и обобщение опыта строительства и эксплуатации сооружений позволяют сокращать «белые пятна» в Северной гидротехнике и не повторять ошибочных решений.

Строительство Вилюйской ГЭС-Ill осуществлялось в весьма сложных инженерно-геологических и геокриологических условиях, примеров которым в мировой и отечественной практике гидротехнического строительства не имеется. По их совокупности Вилюйская ГЭС-Ill занимает особое положение, а условия создания противофильтрационных устройств каменно-земляных плотин оцениваются, как уникальные, не имеющие аналогов.

Большой научный интерес и практическую ценность представляют технологии возведения напорных сооружений Вилюйской ГЭС-Ill с электрооттаиванием полускальных фунтов основания и созданием противофильтрационных устройств элементов плотин — ядра из связных грунтов и цементационной завесы в мерзлом основании.

На строительстве Вилюйской ГЭС-Ill были разработаны, научно обоснованы и реализованы новые методы по обеспечению требуемых прочностных, деформационных и противофильтрационных свойств многолетнемерзлых пестрых по составу грунтов основания, а также способы восстановления фильтрационной прочности ядра после деформаций грунтов основания в результате их оттаивания.

Практический опыт проектирования и производства строительных работ по возведению гидроузлов в условиях Крайнего Севера существенно развился и обогатился благодаря строительству Вилюйской ГЭС-HI, научные обоснования получили предложения по дальнейшему совершенствованию гидроэнергетического строительства на Севере.

Работа выполнялась в соответствии с Государственной программой по теме 04.02.М2 проблема 0.55.08 «Разработать и внедрить новые технологические решения и технологию строительства гидроэлектростанций в сложных природно-климатических условиях» .

Целью работы являлась разработка и обоснование технологий и способов строительства напорных гидротехнических сооружений в сложных геологических и геокриологических условиях многолетней мерзлоты на основании обобщения опыта изыскательских, проектных, научно-исследовательских, опытно-экспериментальных и производственных работ.

Методической основой выполнения работы являлись:

— опытно-производственные исследования, проводимые в процессе технологической последовательности создания противофильтрационных элементов плотины;

— контроль качества восстановления области сопряжения ядра с основанием с применением разведочного бурения и средств КИА.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней впервые в практике строительства ГТС на многолетнемерзлых грунтах в весьма неблагоприятных геологических условиях, не имеющих аналогов в мировой и отечественной практике, предложены обоснованные технологии возведения противофильтрационных элементов плотин: ядра и противофильтрационной завесы. «В отличие от известного способа предпостроечного оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания разработан новый способ послепостроечного искусственного оттаивания грунтов под ядром плотины и устройства противофильтрационной завесы после возведения плотины.

Личный вклад автора заключается:

— в проведении опытно-производственных исследований непосредственно на строительстве каменно-земляной плотины;

— в анализе и оценке результатов проектных и опытно-производственных работ, в разработке вопросов новой I технологии возведения противофильтрационных элементов плотины.

Практическая ценность результатов, изложенных в диссертации, заключается в том, что в ней разработаны и проверены на практике методы и технологии строительства напорных гидротехнических сооружений в весьма сложных природных условиях, которые могут быть использованы в практике гидротехнического строительства на Крайнем Севере.

Особенностью предложенных технологий является снижение водопроницаемости оттаявших грунтов основания и обеспечение требуемых деформационных, физико-механических характеристик фунтов в результате специально разработанной технологии цементации грунтов основания и суглинистого ядра плотины.

Научно-обоснованная технология и организация работ по возведению противофильтрационных устройств грунтовых плотин с систематическим и масштабным контролем позволила оценить эффективность и надежность разработанных технологий.

В диссертационной работе обобщен разнообразный опыт работ по электрооттайке просадочных фунтов на глубину до 65 м, обводненных «высокоминерализованными грунтовыми водами — криопэгами, что позволяет рекомендовать применение технологии электрооттайки грунтов на других объектах строительства в условиях многолетней мерзлоты.

Апробация работы. Результаты выполненной работы многократно обсуждались на технических совещаниях, технических и научных Советах ОАО Ленгидропроект, Гидроспецпроекта, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, Дирекции каскада Вилюйских ГЭС и управления строительства Вилюйской ГЭС-Ш, на научных семинарах СПбГТУ, МЭИ, СПбГЛСУ.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 4 работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4х глав, заключения и списка литературы, включающего 58 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработан и впервые осуществлен на строительстве каменно-земляных плотин Вилюйской ГЭС-Ш послепостроечный метод создания противофильтрационных устройств с искусственным оттаиванием многолетнемерзлых полускальных глинисто-карбонатных пород основания после возведения тела плотины.

2. Решены технологические проблемы электрооттаивания многолетнемерзлых грунтов на большую глубину, обводненных подземными водами-криопэгами с отрицательными температурами (- 2 ч— 3,2 °С). Способ оттаивания мерзлых пород обетонированными сборными электронагревателями омического типа в весьма сложных геокриологических условиях можно характеризовать как универсальный способ и рекомендовать его применение на других объектах строительства. 3. В результате выполнения масштабных разведочных и опытно-производственных работ в условиях, не имеющих аналогов, отработана и осуществлена технология инъекции предварительно оттаянных полускальных карбонатно-глинистых пород, что позволило создать противофильтрационную завесу с заданной плотностью.

4. Восстановление разуплотненной зоны суглинка ядра на контакте с оттаявшими породами основания способом инъекции цементных растворов дало положительные результаты и может быть рекомендовано для применения на других объектах гидротехнического строительства.

5. Ядро из суглинистых грунтов, несмотря на осадки основания, сохранило сплошность и первоначальную водопроницаемость. Образования трещин внутри и на гребне ядра не наблюдалось, хотя по вариантным расчетным прогнозам возникновение трещин на гребне ядра не исключалось. Достоверное обоснование поведения ядра может быть получено в результате продолжения опытных, научно-исследовательских и лабораторных работ.

6. Осуществленный метод возведения земляных плотин Вилюйской ГЭС-Ill в сложных природных условиях не имеет аналогов в гидротехническом строительстве. Строительство гидроузла полностью еще не завершено, получены лишь первые результаты методов его возведения. Эксплуатация гидротехнических сооружений должна сопровождаться систематическими наблюдениями за их поведением по специальной программе с установкой средств КИА, с анализом и обобщением результатов наблюдений.