§ 6.3. Противофильтрационные элементы грунтовых плотин
Грунтовые и особенно каменнонабросные плотины нуждаются в гидроизоляции для уменьшения фильтрации воды через них. Противофильтрационные элементы таких плотин устраиваются в виде суглинистых ядер и экранов, экранов и диафрагм из металла, железобетона и асфальта, а в последние годы еще в виде инъекционных завес и из новых полимерных материалов [13, 35, 55]. Очень остро стоит вопрос о противофильтрационном экранировании каменнонабросных плотин, для которых обязательны такие элементы, ибо они характеризуются повышенными осадочными деформациями (табл. 6.13).
Таблица 6.13
Плотина | Страна | Год строительства | Высота, м | Смещение, м | Скорость смещения | ||
вертикальное | горизонтальное | средняя, мм, год | наибольшая, см/с | ||||
Параделла | Португалия | 1956 | 110,0 | 128,7 | 27,4 | 2195 | 1,25·10–5 |
Солт Спрингс | США | 1931 | 100,0 | 167,0 | 55,0 | 610 | 2,78·10–6 |
Ватауга | США | 1948 | 99,6 | 79,0 | — | 334 | 1,48·10–6 |
Кении | Канада | 1952 | 98,8 | 57,8 | 38,2 | 335 | 1,28·10–6 |
Шерри Велли | США | 1956 | 95,5 | 13,7 | 15,2 | 273 | 2,60·10–6 |
Вишон (главная) | США | 1958 | 91,0 | 49,6 | 26,2 | 850 | 2,69·10–6 |
Соут Холстон | США | 1950 | 86,5 | 85,0 | 8,0 | 546 | 9,63·10–6 |
ВольФ-Коик | США | 1955 | 56,2 | 13,4 | 8,5 | 134 | 1,07·10–6 |
Кедер-Крик | США | 1952 | 50,2 | 33,9 | 7,9 | 290 | 9,48·10–7 |
Эль-Гриб | Алжир | 1936 | 65,0 | 25,5 | 25,0 | 119 | 3,46·10–6 |
Ист Форк | США | 1955 | 41,1 | 14,4 | 4,9 | 131 | 7,59·10–7 |
Широковская | СССР | 1948 | 40,0 | 72,0 | 75,0 | 175 | 2,88·10–6 |
Маткожненская | СССР | 1933 | 32,5 | 35,0 | 75,0 | 173 | 2,38·10–6 |
Хоамская | СССР | 1946 | 30,0 | 16,8 | 7,0 | 132 | 4,67·10–7 |
Терцаги (Мишн) | Канада | 1959 | 61,0 | 317,0 | 30,0 | 396 | 1,26·10–5 |
Миборо | Япония | 1960 | 131,0 | 42,0 | 41,0 | 400 | 3,86·10–6 |
Трангслет | Швеция | 1960 | 125,0 | 202,0 | 56,0 | 75 | 4,24·10–6 |
Верхнетуломская | СССР | 1965 | 47,0 | 16,8 | 26,2 | 51,6 | 1,64·10–5 |
Вилюйская | СССР | 1967 | 74,5 | 521,5 | 134,4 | 1738,3 | 5,52·10–5 |
Как видим, значительные осадки и их скорости, особенно в первый год после возведения плотины и наполнения водохранилища, создают большие трудности для работы экрана на верховом ее откосе. Например, особенно большие осадки тела плотины Сан-Габриэл (США), вызванные катастрофическим ливнем, с максимальной величиной до 1 м и скоростями до 5—10 см/с, привели к расстройству железобетонного экрана; поэтому такие экраны стали усиливать асфальтобетонными прослойками (см. табл. 6.4) или устраивать гибкие уплотнения из профильных резиновых лент либо латунных листов-компенсаторов. Все это очень усложняет и удорожает конструкции противофильтрационных экранов, вынуждая заменять их более экономичными асфальтобетонными.
Примерно такое же положение создалось и с металлическими экранами. В Советском Союзе построена лишь одна плотина с таким экраном — Храмская (1946 г.); он работает удовлетворительно, но нуждается в постоянном уходе и возобновлении антикоррозионного покрытия. Поэтому и за рубежом не строятся плотины с металлическими экранами — можно назвать только одну плотину Агуада Бланка (Перу) высотой 45 м, у которой в 1970 г. был сделан экран из стальных листов толщиной 5 мм с антикоррозионным покрытием, температурными компенсационными швами через 10 м и периметральным швом, уплотненными мастичным герметикой, причем весь экран уложен на водонепроницаемую асфальтовую подготовку; он работает удовлетворительно [35].
Следует подчеркнуть, что сочетание жестких железобетонных плит с асфальтобетонной прослойкой ухудшает ее работу, а иногда делает необходимым ремонт экрана. Мы уже приводили данные о ремонте железобетонных плит на плотине Эль-Гриб в Алжире. Точно так же на одновременно построенной плотине Боу-Ханифия при осадках и смещении гребня плотины всего на 40 см железобетонные плиты постоянно растрескиваются, что потребовало ремонтов уже трижды — в 1938, 1964 и 1970 гг.
На плотине Кри Вильденштейн (Франция) из-за расстройства поверхностных железобетонных плит образовались трещины и в асфальтобетоне, в связи с чем в 1975 г. экран был перекрыт новым слоем асфальтобетона толщиной 10 см.
Аналогичное положение возникло при устройстве асфальтобетонного экрана на плотине Варцихской ГЭС (Грузия) — выполненная ранее бетонная подготовка со швами через 10 м вызвала растрескивание асфальтобетона над ними. Подобное явление наблюдается при попытках перекрыть бетонное покрытие дорог и аэродромов асфальтобетонным покрытием — бетонное покрытие накапливает температурные деформации и сосредоточивает их в швах между плитами, что и приводит к растрескиванию асфальтобетона над швами. Учитывая это, американские инженеры при строительстве бассейна ГАЭС Лудингтон пошли на дробление бетонной подготовки мощными катками, чтобы избежать больших сосредоточенных деформаций в швах.
Гораздо рациональнее решен данный вопрос на алжирской плотине Эль-Гриб (рис. 6.11, а), где асфальтобетонный экран заключен между железобетонными плитами, но имеет слой литого асфальта для самозалечивания образующихся трещин, а в местах сосредоточения деформаций усилен, кроме того, армирующими прокладками (рис. 6.11, б). Действительно, при наполнении водохранилища в экране образовались трещины, но они быстро затампонировались литым асфальтом, и фильтрация прекратилась [35, 55].


В мировой практике плотиностроения утвердились асфальтобетонные экраны и диафрагмы (рис. 6.11, в и г) как наиболее прогрессивные и экономичные. Количество грунтовых плотин с асфальтобетонными противофильтрационными элементами все время возрастает (рис. 6.11, д); лишь за последние годы построены 44 крупные плотины с асфальтобетонными экранами и 22 плотины с асфальтобетонными диафрагмами (табл. 6.14), причем все они служат безукоризненно.
Таблица 6.14
Плотина | Страна | Год строительства | Высота, м | Данные о диафрагме | Данные об эксплуатации | ||
наклон | масса, т | толщина, см | |||||
Валь де Гайо | Португалия | 1949 | 45 | 1:0,75 | 6 000 | 10—20 | Течь 0,01 л/с |
Хенне (с экраном) | ФРГ | 1954 | 58 | 1:0,5 | 12 500 | До 100 | Течи нет |
Ваанбах (перемычка) | ФРГ | 1957 | 13 | 1:0,5 | 3 000 | 50—100 | Течь 0,01 л/с |
Ротгюлдензее | Австрия | 1957 | 22 | 1:1 | 8 500 | 90—120 | Течь 0,25 л/с |
Дюнн Валей | ФРГ | 1961 | 35 | 90° | 10 800 | 50—70 | Течи нет |
Бремге (перемычка) | ФРГ | 1962 | 22 | 90° | 2 900 | 50—70 | Течи нет |
Бигге | ФРГ | 1964 | 55 | 1:1 | 21 000 | 50—60 | 1973 г. — течи нет |
Эйхаген (перемычка) | ФРГ | 1964 | 21 | 90° | 7 500 | 70—90 | — |
Штилупп | ФРГ | 1968 | 28 | 90° | 21 000 | 40—60 | Течи нет |
Салагу | Франция | 1969 | 57 | 1:1 | 20 000 | 100—110 | — |
Матхауз (перемычка) | ФРГ | 1969 | 16 | 90° | 2 000 | 40 | — |
Эберласте | Австрия | 1969 | 28 | 1:0,4 | 6 000 | 40—50 | Течи нет |
Ластиоль | Франция | 1969 | 27 | 1:0,4 | 8 500 | 75 | Течи нет |
Лагедади (с экраном) | Эфиопия | 1970 | 26 | 90° | 53 000 | 70 | Течи нет |
Форсвартн | Норвегия | 1969 | 12 | 90° | — | 20 | Течи нет |
Поза Хонда (с экраном) | Эквадор | 1971 | 40 | 90° | — | 60 | Выше 20 м — экран |
Виль | ФРГ | 1970 | 54 | 90° | 30 000 | 50—70 | 1976 г. — течи нет |
Мейсвинкель | ФРГ | 1971 | 22 | 90° | 1 500 | 50—70 | — |
Финкенрат | ФРГ | 1972 | 25 | 90° | — | 50—70 | — |
Хиг Ислэнд (восточная) | Гонконг | 1978 | 107 | 90° | 73 700 | 120+120 | Двойные диафрагмы |
Хиг Ислэнд (западная) | Гонконг | 1978 | 102 | 90° | 66 000 | 120+120 | |
Финстерталь | Австрия | 1979 | 149 | 1:0,4 | 79 200 | 50—70 | Диафрагма 93 м |
Для Советского Союза такие конструкции относительно новы и часто встречают возражения, поэтому остановимся на них более подробно. С подобным же отношением встретились и австрийские инженеры при проектировании в 1970—1972 гг. уникальных плотин Ошеникзее с асфальтобетонным экраном высотой 106 м и Финстерталь высотой 149 м с асфальтобетонной диафрагмой.
Поэтому на XI Конгрессе по большим плотинам в Мадриде ими была предложена сравнительная оценка [35] противофильтрационных элементов, приведенная в табл. 6.15 (Матер. XI Конгресса, т. III, вопрос 42, доклад 34), которая убедительно иллюстрирует преимущества асфальтобетонных экранов по надежности, долговечности и технологичности перед грунтовыми.
Таблица 6.15
Особые условия | Экран | Грунтовое ядро | Асфальтобетонная диафрагма | ||
грунтовой | асфальтобетонный | тонкое | толстое | ||
Устойчивость к деформациям основания плотины | 1 | 2 | 2 | 3 | 2,5 |
Возможность усиления зубом, завесой или понуром | 1 | 1 | 2 | 3 | 1,5 |
Надежность при просадках на соседних участках | 2 | 3 | 1 | 2 | 2 |
Трещиноустойчивость при больших осадках тела плотины | 1 | 3 | 2 | 2 | 3 |
Суффозионная устойчивость при трещинообразовании | 3 | 2 | 1 | 1 | 2 |
Способность к самозалечиванию очагов фильтрации | 1 | 1 | 2 | 3 | 1,5 |
Долговечность (общая надежность) | 2 | 2 | 3 | 3 | 2,5 |
Возможность повреждения камнями | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 |
Доступность для осмотра | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 |
Возможность ремонта (усиления) | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 |
Сравнительная оценка, % | 100 | 120 | 110 | 135 | 125 |