автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Противофильтрационные устройства плотин, возводимых на многолетнемерзлых полускальных основаниях

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА

ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН В СЕВЕРНОЙ СТРОИТЕЛЬНО

КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ.И

1.1 .Природные условия.

1.1.1. Климат.

1.1.2. Гидрологический режим рек.

1.1.3. Инженерно-геологические условия.

1.1.4. Мерзлотно-грунтовые (геокриологические) условия.

1.1.5. Фильтрационные свойства многолетнемерзлых пород18 ' 1.2.Примеры грунтовых плотин, возведенных и эксплуатируемых на многолетнемерзлых основаниях.

1.2.1. Плотины мерзлого типа (I принцип строительства).

1.2.2. Плотины талого типа (II принцип строительства).

1.3.Отказы плотин.

Выводы по главе 1.

2. ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ОСНОВАНИЙ ПЛОТИН МЕРЗЛОГО И ТАЛОГО ТИПОВ.

2.1. Подготовка оснований плотин мерзлого типа.

2.2.Подготовка оснований плотин талого типа.

2.3.Инженерно-геологические, мерзлотные и гидрогеологические условия оснований сооружений Вилюйской ГЭС-Ш.

2.4.Выбор принципа строительства напорных сооружений Вилюйской ГЭС-Ш.

Выводы по главе 2.

3. ГЛАВА 3. ОТТАИВАНИЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ

ПОЛУСКАЛЬНЫХ ПОРОД.

3.1.Способы оттаивания.

3.1.1. Гидравлический способ.

3.1.2. Оттаивание паром.

3.1.3. Оттаивание электрическим током.

3.1.4. Условия применения различных способов оттаивания58 3.2.Электрооттаивание многолетнемерзлых пород оснований и береговых примыканий каменно-земляных плотин Вилюйской ГЭС-Ш.

3.2.1. Задачи и условия оттаивания.

3.2.2. Технологические процессы электрооттаивания. Конструкции электронагревателей.

3.3.Параметры электрооттаивания грунтовых массивов.

3.3.1. Продолжительность электроотаивания.

3.3.2. Температурных режим оттаиваемых грунтовых массивов.

3.4.Свойства многолетнемерзлых полускальных пород при переходе их в талое состояние.

Выводы по главе 3.

4. ГЛАВА 4. ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОНЫЕ УСТРОЙСТВА КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН ВИЛЮЙСКОЙ-Ш.

4.1.Конструкции противофильтрационных устройств.

4.1.1. Ядро.

4.1.2. Цементационная завеса.

4.1.3. Условия создания противофильтрационных устройств.

4.2.Устройство цементационных завес в основании плотин.92 4.2.1. Опытно-цементационные работы на фрагменте ЮЛ.

4.2.2. Инъекционные растворы.

4.3.Цементация основания под слоем суглинка ядра плотины.

4.4.Контрольные испытания по определению водонепроницаемости цементационной завесы.

4.5.0ценка прочности ядра в зонах возможного нарушения сплошности.

4.5.1. Результаты натурных исследований.

4.5.2. Оценка прочности ядра расчетными методами.

4.6.Экономические показатели устройства противофильтрационной завесы в основании плотин

Вилюйской ГЭС-Ш.

Выводы по главе 4.

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 энерго- и 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.

1. Арсеньева А.П., Февралев А.В. «Термический режим продольной перемычки котлована основных сооружений Вилюйской ГЭС-3». Энергетическое строительство, 1986 г., № 5.

2. Биянов Г.Ф. «Плотины на вечной мерзлоте». М., Энергоатомиздат, 1983 г.

3. Биянов Г.Ф., Когодовский О.А., Макаров В.И. «Грунтовые плотины на вечной мерзлоте». Якутск, ИМЗ СО АН СССР, 1989 г.

4. Булатов Г.Я., Радченко Г.А. «О самозалечивании трещин в грунтовом экране». Труды Ленинградского политехнического института, 1976 г., № 354.

5. Васильев И.М. «Прочность и устойчивость подпорных грунтовых гидротехнических сооружений». М., Энергоатомиздат, 1988 г.

6. Васильев И.М., Пехтин В.А., Серов А.А. «Совершенствование конструкций и технологии строительства каменно-земляных плотин, возводимых в условиях Крайнего Севера». Гидротехническое строительство, 1999 г., № 2.

7. Временная инструкция по возведению противофильтрационных устройств плотин в северной строительно-климатической зоне: ВИ-28-81. М., Минэнерго СССР, 1988 г.

8. Гапеев С.И. «Укрепление мерзлых оснований охлаждением». Л., Стройиздат, 1969 г.

9. Ю.Глускин ЯЗ., Демидов А.Н. «Вилюйская ГЭС». Гидротехническое строительство, 1970 г., № 2.

10. Дюкарев В.П., Сергиевский В.В., Сухно А.Н. «Опыт ликвидации фильтрующего талика плотины в условиях Крайнего Севера». Гидротехническое строительство, 2001 г, № 12.

11. М.Зарецкий Ю.К., Ломбердо В.Н. «Статика и динамика грунтовых плотин».М., Энергоиздат, 1983 г.15.3искович В.Е. «Третья гидроэлектростанция Вилюйского каскада». Гидротехническое строительство, 1981 г., № 10.

12. Инструкция по проектированию гидротехнических сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов. Минэнерго СССР, 1983 г.

13. Информационные записки по результатам цементационных работ (1992-2001 г.г.). ООО «Гидроспецпроект».

14. Каган А.А., Кривоногова Н.Ф. «Многолетнемерзлые скальные основания сооружений». Л., Стройиздат, 1978 г.

15. Каган А.А., Кривоногова Н.Ф. «Проблемы и эффективность инженерно-геологических изысканий для энергетического строительства в районах с суровым климатом». Энергетическое строительство, 1984 г, № 11.

16. Камбефор А. «Инъекция грунтов». М., Энергия, 1971 г.

17. Коваленко A.M., Федосеев В.И., Чернобаева А.В. «Борьба с осадками главного корпуса Аркагалинской ГРЭС методом цементации основания». Энергетическое строительство, 1984 г., №5.

18. Когодовский О.А., Фриштер Ю.И. «Гидроэнергетика Крайнего Северо-Востока». М., Энергоатомиздат, 1966 г.

19. Куперман B.JL, Мызников Ю.Н., Плотников В.М. «Усть-Хантайские плотины». М., Энергия, 1977 г.

20. Куперман В.Л., Мызников Ю.Н., Торопов JI.H. «Гидротехническое строительство на Севере». М., Энергоатомиздат, 1987 г.

21. Макаров В.Д., Ягин В.П., Зальцман О.М. «Компоновочные и конструктивные решения основных сооружений Курейской ГЭС». Энергетическое строительство, 1986 г., №11.

22. Мызников Ю.Н., Полдомасов Б.Е. «Подготовка многолетнемерзлого основания каменно-земляной плотины, прорезанного подрусловым таликом». Энергетическое строительство, 1981 г., № 4.

23. Новиков Н.Ф. «Инженерно-геологические проблемы при гидротехническом строительстве на вечномерзлых породах. Сб.: Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве». М., Наука, 1986 г.

24. Панов С.И., Максимов И.А., Цвик A.M., Толошинов А.В. «Исследования работоспособности сезонно действующих охлаждающих устройств на полигоне Вилюйской ГЭС-Ill». Гидротехническое строительство, 2002 г., № 12.

25. Пехтин В.А., Серов А.А. «Об устройстве потерн в теле грунтовых плотин». Гидротехническое строительство, 1997 г, № 2.

26. Рекомендации по инженерно-геокриологическому изучению скальных пород как оснований гидротехнических сооружений. П88-91/ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1991 г.

27. Рекомендации по использованию электронагревателей для оттаивания вечномерзлых грунтов. НИИОСП Госстроя СССР. М., 1982 г.

28. Руководство по проектированию плотин из грунтовых материалов, возводимых в северной строительно-климатической зоне. П48-76/ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1976 г.

29. Серов А.А., Пехтин В.А. «Колымская ГЭС. Опыт строительства и эксплуатации». СПб, ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1999 г.

30. Синяков Л.Н. «Прочность связных грунтов в условиях объемного сжатия и растяжения и оценка возможности трещинообразованияв грунтовых плотинах». Автореферат диссертации к.т.н., JI., 1984 г.

31. Сирота Ю.Л. «Механические испытания связных грунтов на растяжение для оценки трещинообразования в ядрах каменно-земляных плотин». Известия ВНИИГ, т. 108.

32. СНиП 2.02.02-85. «Основания гидротехнических сооружений».

33. СНиП 2.02.04-88. «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

34. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л., Стройиздат, 1977 г.

35. Тейтельбаум А.И., Мельник В.Г., Саввина В.В. «Трещинообразование в ядрах и экранах каменно-земляных плотин». М., Стройиздат, 1975 г.

36. Тетельмин В.В. «Специальные вопросы инъекционного закрепления оснований плотин». М., Энергоиздат, 1982 г.

37. Технический проект Вилюйская ГЭС-Ш на р. Вилюй. Ленгидропроект.

38. Федосеев В.И. «Опыт проектирования и производства цементационных работ на строительстве Колымской ГЭС». Энергетическое строительство, 1983 г., № 2.

39. Федосеев В.И. «Современное состояние и проблемы подготовки вечномерзлых оснований сооружений энергетических комплексов». Энергетическое строительство, 1987 г., № 7.

40. Федосеев В.И., Шишов И.Н. «Цементационная завеса напорных сооружений Вилюйской ГЭС-Ш». Гидротехническое строительство, 1996 г., № 8.

41. Федосеев В.И., Шишов И.Н., Фрумкин В.Н. «Опыт создания противофильтрационных устройств в скальных основаниях энергетических сооружений Крайнего Севера». Гидротехническое строительство, 2001 г., № 8.

42. Федосеев В.И. «Особенности проектирования цементационных завес для условий многолетней мерзлоты». Труды координационного совещания по гидротехнике. ГС в районах Крайнего Севера, 1975 г. Вып. 101.

43. Фрумкин В.Н. «Цементационные противофильтрационные завесы в основаниях напорных гидротехнических сооружений на вечномерзлых грунтах (на примере Колымской ГЭС)». Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб, 2001 г.

44. Цытович Н.А. «Механика мерзлых грунтов». М., Высшая школа, 1973 г.

45. Чернобаева А.В. «Сооружение цементационных завес в вечномерзлых скальных породах с предварительным оттаиванием». Энергетическое строительство, 1987 г., № 7.

46. Чернобаева А.В., Федосеев В.И. «Цементационная завеса напорных сооружений Колымской ГЭС. Проектирование и производство работ». Сборник научных трудов Гидропроекта, 1992 г. Вып. 155.

47. Шерман М.М, Фрумкин В.Н., Федосеев В.И., Шишов И.Н. «Совершенствование способов создания цементационных завес в вечномерзлых скальных основаниях гидротехнических сооружений». Гидротехническое строительство, № 8, 2001 г.

48. Шерман М.М., Фрумкин В.Н. «О строительстве гидроузла на многолетнемерзлом полускальном основании». Гидротехническое строительство, 2003 г. (в печати).

49. Шерман М.М., Цвик A.M., Толошинов А.В. «Строительство Вилюйской ГЭС-Ill». Гидротехническое строительство, № 8, 1997 г., с. 29.

50. Шерман М.М., Фрумкин В.Н., Цвик A.M., Федосеев В.И., Шишов И.Н., «Способы создания цементационных завес в вечномерзлых скальных основаниях гидротехнических сооружений», № 11, 2002 г.