автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Цементационные противофильтрационные завесы в основаниях напорных гидротехнических сооружений на вечномерзлых грунтах

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЦЕМЕНТАЦИОННЫХ ЗАВЕС В ОСНОВАНИЯХ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ.

1.1. Основные инженерно-геологические особенности, определяющие параметры противофильтрационных устройств.

1.1.1. Температура скальных пород, количественное содержание льда в породах и их распределение по массиву горных пород.

1.1.2. Распученность вечномерзлых скальных пород.

1.1.3. Фильтрационные свойства вечномерзлых пород и методы их изучения.

1.2. Примеры противофильтрационных устройств в основании сооружений на вечномерзлых грунтах и их влияние на работу сооружений.

1.2.1. Обеспечение фильтрационной прочности противофильтрационных элементов плотин и отдельных зон в скальных основаниях за счет снижения скоростей фильтрации.

1.2.2. Снижение интенсивности оттаивания грунтов основания сооружений, предотвращающее резкое увеличение фильтрации.

1.2.3. Формирование поверхности фильтрационного потока в нижнем бьефе.

1.2.4. Консолидация термопросадочных грунтов основания сооружений.

1.2.5. Обеспечение нормативной эпюры противодавления в основании бетонных сооружений.

1.2.6. Снижение расхода фильтрации из водохранилища в нижний бьеф.

1.2.7. Снижение скоростей фильтрации при создании мерзлотных завес.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ЦЕМЕНТАЦИОННЫХ ЗАВЕС В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ.

2.1. Виды оттаивания вечномерзлых оснований.

2.2. Общие принципы оттаивания вечномерзлых грунтов основания.

2.2.1. Гидро и парооттаивание оснований.

2.2.2. Электрооттаивание оснований.

2.2.3. Условия применения различных способов оттаивания вечномерзлых грунтов.

2.2.4. Термонаблюдения при оттаивании вечномерзлых грунтов.

2.3. Основные принципы технологии цементации в предварительно оттаянном массиве.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРООТТАИВАНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

ПРИ РАБОТЕ НАГРЕВАТЕЛЕЙ.

3.1. Расчетное обоснование параметров оттаивания вечномерзлых грунтов.

3.2. Результаты опытно-производственных цементационных работ.

3.3. Предлагаемая методика определения времени оттаивания вечномерзлого основания.

3.4. Сопоставление расчетных и натурных данных времени оттаивания вечномерзлого основания.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЦЕМЕНТАЦИОННЫЕ ЗАВЕСЫ НА СТРОИТЕЛЬСТВЕ

КОЛЫМСКОЙ ГЭС.

4.1. Цементационная завеса в основании правобережной части плотины.

4.1.1. Особенности геологического строения участка.

4.1.2. Конструкция завесы.

4.1.3. Выполнение завесы 2-ой очереди.

4.2. Цементационная завеса в русловой части плотины.

4.3. Цементационная завеса в основании левобережной части плотины и подземном комплексе.

4.3.1. Инженерно-геологические условия. Проектное решение.

Выводы по главе 4.

Наука и инженерная практика ведут большую и важную работу по освоению и использованию природных ресурсов Крайнего Севера, который во многом является основой экономического могущества России. На большей части территории России распространены многолетнемерзлые грунты, что ставит особые задачи по технологии и организации строительства вообще и особенно в гидротехническом строительстве.

Россия уже является одной из ведущих стран, развивающих северную гидроэнергетику, внесла большой вклад в развитие строительства в особо сложных условиях. Создание и эксплуатация объектов гидроэнергетики в зоне с вечномерзлыми основаниями имеет целый ряд особенностей, связанных с инженерно-геокриологическими условиями. В этих условиях возведение энергетических, особенно напорных сооружений, обеспечение их надежности и безопасности являются важнейшими задачами в развитии строительной индустрии в северных регионах России.

В настоящее время накоплен большой опыт организации и строительства в сложных условиях Крайнего Севера. Этот опыт с успехом и широко применяется на строительстве ответственных сооружений.

Часто по геологическим и другим особенностям района строительства приходится пересматривать известную технологию работ, создавать новые конструкции и организацию возведения, особенно напорных гидротехнических сооружений.

Надежности и безопасности напорных сооружений, и в частности плотин, во многом способствует качественно выполненные противофильтрационные завесы в вечномерзлых основаниях.

Практический опыт проектирования и производства работ по устройству цементационных завес в сложных условиях Крайнего Севера существенно развился и обогатился благодаря строительству и эксплуатации Колымской ГЭС.

Большой научный интерес и практическую ценность представляет организация строительства цементационной завесы с предварительным оттаиванием вечномерзлых грунтов. На Колымской ГЭС потребовалось существенно усовершенствовать методику оттаивания основания. Оттаивание выполнялось как разогревом основания под действием фильтрации, так и принудительным путем с использованием воды и электронагревателей: на Колымской ГЭС получила новое развитие технология цементации в естественном состоянии основания и под напором фильтрационного потока. Достигнуто повышение надежности процесса электрооттаивания путем усовершенствования конструкции электронагревателей омического типа.

Используя и развивая опыт Колымской ГЭС, сформулированы новые предложения по организации оттаивания вечномерзлых оснований. В частности, при определении времени оттаивания учитывается неоднородность температурного поля вокруг электронагревателей. Обосновано предложение, при какой льдистости скального массива необходимо предварительное оттаивание, а в каких условиях цементацию можно осуществлять в естественных условиях без оттаивания основания.

В диссертации не только использован богатый производственный опыт, но и обогащены научным обоснованием предложения по дальнейшему совершенствованию энергетического строительства на Крайнем 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 диссертационной работы является обоснование методов возведения цементационных завес при строительстве напорных ГТС в условиях вечной мерзлоты на основе имеющегося практического опыта. В диссертации показана эффективность электрооттаивания, определена его продолжительность и методы контроля оттаивания с учетом особенностей места строительства.

В работе показано, как в конкретных условиях обоснованно выбрать конструкцию и выполнить надёжную цементационную завесу, в том числе под напором в условиях вечномерзлого основания, а также обоснованно выбрать состав инъектируемых растворов, дать рекомендации по тем или иным добавкам в производственных условиях.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней впервые в практике гидротехнического строительства предложена обоснованная технология возведения надёжной цементационной завесы в условиях вечномерзлых оснований.

В предложенной технологии увязано влияние эффективного контролируемого электрооттаивания, времени цементации, конструкции цементационной завесы, выбор состава цементационного раствора.

На примере Колымской ГЭС даны обоснованные рекомендации о выборе способа оттаивания, количества и мощности электронагревателей, предложена организация опытно-фильтрационных исследований, позволяющая следить за проницаемостью изменяющейся по глубине пород, обоснована конструкция цемзавесы, в том числе при выполнении работ под напором.

Сделан обоснованный вывод, что теоретические расчетные модели не дают такого надёжного обоснования конструкции цемзавесы, выбора способа оттаивания вечномерзлого основания, как опытные научно-экспериментальные исследования на месте строительной площадки и анализ опыта возведения цемзавес в натурных условиях.

Практическая ценность результатов, изложенных в диссертации, заключается в том, что в ней, опираясь на опыт строительства, на многочисленные опытно-исследовательские работы в производственных условиях, сформулированы основополагающие принципы технологии возведения цементационных завес напорных гидротехнических сооружений на вечномерзлых скальных породах.

Особенностью предложенной научно обоснованной технологии является то, что она учитывает опыт создания цементационной завесы в условиях Колымской ГЭС, где вечномерзлые скальные породы основания после оттаивания имели высокую водопроницаемость.

Научно-методические предложения по технологии и организации возведения цемзавес, изложенные в диссертации, опираются на многочисленные опытно-производственные работы по оттаиванию и цементации пород. Это позволяет сформулировать научно-обоснованные нормативные требования для создания надёжных напорных сооружений в сложных геологических условиях и развивать мало изученный раздел науки о цементационных завесах в гидротехническом строительстве.

Научно-обоснованная технология и организация цементационных работ с систематическим контролем позволила оценить эффективность 9 цемзавесы на различных этапах её возведения. Оценить влияние изменения состава цементационного раствора, эффективность добавок: опилки, жидкое стекло, соль: применение цементно-бентонитовых растворов.

Апробация работы. Результаты выполненной работы многократно обсуждались на технических совещаниях, технических и научных Советах АО Ленгидропроект, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, на научных семинарах СПбГТУ, МЭИ, СПбГАСУ.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 51 наименование.

Выводы по главе 4

1. Проектирование технологии и организации работ по созданию цементационных завес в вечномерзлых трещиноватых породах с высокой водопроницаемостью должно выполняться на основании результатов предварительных опытно-производственных работ по оттаиванию и цементации представительных участков горных пород.

2. По инженерно-геологическим и мерзлотным условиям створ плотины Колымской ГЭС имел три участка с разными условиями для выполнения цементационной завесы: правобережный склон, русловая часть и левобережный склон.

3. Русловая часть цементационной завесы в зоне талика и естественного оттаивания бортов водой, фильтрующей из промежуточного водохранилища, выполнялась при напоре воды, не превышающем 30 м.

4. Цементационные завесы первой очереди на левом и правом берегах глубиной 40 м выполнялись с предварительным искусственным электрооттаиванием грунтов до заполнения водохранилища второй очереди.

5. Глубокая цементационная завеса второй очереди, глубиной 60 м, выполнялась после естественного оттаивания грунтов основания под растепляющим воздействием воды водохранилища с напорами до 100 м.

6. Цементационная завеса первой очереди обеспечила условия для выполнения цементационной завесы II очереди.

7. Крупные тектонические трещины создавали определенные трудности при производстве цементационных работ, но были преодолены различными технологическими приемами.

8. В результате проведения работ удалось достичь заданной плотности цементационной завесы с удельным водопоглощением < 0,05 л/мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обобщение опыта проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений в условиях Крайнего Севера является важной составной частью научной организации гидротехнического строительства на вечномерзлых грунтах.

2. Изменение фильтрационных, суффозионных, теплофизических характеристик вечномерзлых грунтов оснований, их распученность при промерзании и уплотнение консолидация при оттаивании, требуют особого, отличного от общепринятого подхода при создании противофильтрационных цементационных завес с применением предварительной оттайки грунтов основания.

3. Для выполнения противофильтрационных завес высоких плотин с оттаиванием грунтов основания рекомендуется предусматривать цементационные потерны и организацию термометрических наблюдений за основанием при его оттаивании.

4. Применение цементации вечномерзлых грунтов способствует выравниванию свойств основания, создает благоприятные условия для замораживания грунтов и улучшения напряженно-деформированного состояния сооружений.

5. Цементация скального основания может выполняться в природном состоянии без оттаивания при малой льдистости.

6. Оттаивание вечномерзлых оснований целесообразнее всего проводить с применением электронагревателей омического типа.

7. Существующая методика расчета времени электрооттаивания вечномерзлого основания наиболее эффективна на ранних стадиях проектирования.

121

8. В производственных условиях время оттаивания следует определять с учетом неравномерности температурного поля, льдистости и теплофизических характеристик грунта в оттаиваемом массиве.

9. Предложенный в диссертации закон распределения температуры хорошо согласуется с натурными данными электрооттайки вечномерзлого основания под водоприемник Колымской ГЭС.

1. Федосеев В.И. Опыт проектирования и . производства цементационных работ на строительстве Колымской ГЭС // Энергетическое строительство, 1983 г., № 2. С. 24.

2. СНиП 2.03.04-84. Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур.

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

4. 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.

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

6. Федосеев В.И., Шишов И.Н. Цементационная завеса напорных сооружений Вилюйской ГЭС-3 // Гидротехнические строительство, 1996 г., № 8.

7. Чернобаева A.B. Сооружение цементационных завес в вечномерзлых скальных породах с предварительным оттаиванием // Энергетическое строительство, 1987 г., № 7.

8. Чернобаева A.B., Федосеев В.И. Цементационная завеса напорных сооружений Колымской ГЭС. Проектирование и производство работ. Сборник научных трудов Гидропроекта, 1992 г. Вып. 155.

9. Коваленко AM., Федосеев В.И., Чернобаева A.B. Борьба с осадками главного корпуса Аркагалинской ГРЭС методом цементации основания // Энергетическое строительство, 1984 г., № 5. С. 60.

10. Глускин Я.Э., Лосев Е.Д., Петров В.Г., Фрумкин Н.В. Колымская гидроэлектростанция //Гидротехнические строительство, 1974 г., № 8. С. 20.

11. Фриштер Ю.И., Серов A.A., Иохельсон А .Я., Когодовский O.A. Временная плотина Колымской ГЭС // Энергетическое строительство, 1983 г., № 1. С. 13.

12. Арсеньева А.П., Февралев A.B. Термический режим продольной перемычки котлована основных сооружений Вилюйской ГЭС-3 // Энергетические строительство, 1986 г., № 5. С. 46.

13. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. М., Энергоатомиздат, 1983 г., 176 с.

14. Биянов Г.Ф., Когодовский O.A., Макаров В.И. Грунтовые плотины на вечной мерзлоте. Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1989 г., 152 г.

15. Временная инструкция по возведению противофильтрационных устройств плотин в северной строительно-климатической зоне: ВИ-28-81. М.: Минэнерго СССР, 1988 г., 48 с.

16. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л.: Стройиздат, 1969 г., 104 с.

17. Гольдман В.Г., Знаменский В.М., Чистопольский С.Д. Гидравлическое оттаивание мерзлых горных пород. Труды ВНИИ-I Магадан, 1970 г. Т. 30, 450 с.

18. Гохман М.Р. Теплотехнические расчеты вечномерзлых оснований зданий и сооружений с использованием метода условных точек. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1988 г., № 4. С. 16-18.

19. Инструкция по проектированию гидротехнических сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов. Минэнерго СССР, 1983 г., 100 с.

20. Каган A.A., Кривоногова Н.Ф. Многолетнемерзлые скальные основания сооружений. Л.: Стройиздат, 1978 г., 108 с.

21. Когодовский O.A., Фриштер Ю.И. Гидроэнергетика Крайнего Северо-Востока. М.: Энергоатомиздат, 1966 г., 299 с.

22. Куперман B.JI., Мызников Ю.Н., Торопов JI.H. Гидротехнические строительство на Севере. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., 301 с.

23. Рекомендации по инженерно-геокриологическому изучению скальных пород как оснований гидротехнических сооружений. П88-91/ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1991 г., 113 с.

24. Руководство по проектированию плотин из грунтовых материалов, возводимых в северной строительно-климатической зоне. П48-76/ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Л., 1976 г., 64 с.

25. Серов A.A., Пехтин В.А. Колымская ГЭС. Опыт строительства и эксплуатации. СПб: ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1999 г., 513 с.

26. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений.

27. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.

28. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1977 г., 552 с.

29. Цытович H.A. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973 г., 446 с.

30. Глускин Я.Э., Демидов А.Н. Вилюйская ГЭС // Гидротехническое строительство, 1970 г., № 2. С. 13.

31. Зискович В.Е. Третья гидроэлектростанция Вилюйского каскада, ^идротехническое строительство, 1981 г., № 10. С. 10.

32. Куперман В.Л., Мызников Ю.Н., Плотников В.М. Усть-Сантайские плотины. М., Энергия, 1977 г.

33. Макаров В.Д., Ягин В.П., Зальцман О.М. Компоновочные и сонструктивные решения основных сооружений Курейской ГЭС // Энергетические строительство, 1986 г., № 11. С. 11.

34. Макаров В.Д., Зальцман О.М. Проектирование и строительство {окольной части русловой плотины Курейской ГЭС // Энергетическое лроительство, 1986 г., № 11. С. 27-3 1.

35. Технический проект Колымской ГЭС на р. Колыме, № 1157-101 т. 1енгидропроект, 1971 г.

36. Хантайская ГЭС на р. Хантайке. Проектное задание. № 1045-18. 1енгидропроект, Сибгидропроект, 1967 г.

37. Когодовский O.A. Из опыта возведения каменно-земляных плотин ; северной строительно-климатической зоне. Сб.: Проблемы инженерного 1ерзлотоведения в гидротехническом строительстве. М.: Наука, 1986 г. :. 171-182.

38. Колымская ГЭС на р. Колыме. Технический проект. Природные словия. № 1 157-103 т.

39. Новиков Н.Ф. Инженерно-геологические проблемы при гидротехническом строительстве на вечномерзлых породах. Сб.: Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве. М.: Наука, 1986 г. С. 62-67.

40. Пехтин В.А., Серов A.A. Об устройстве потерн в теле грунтовых плотин // Гидротехническое строительство, 1997 г., № 2. С. 36-39.

41. Каган A.A., Кривоногова Н.Ф. Проблемы и эффективность инженерно-геологических изысканий для энергетического строительства в районах с суровым климатом // Энергетическое строительство, 1984 г., №11. С. 47-51.

42. Мызников Ю.Н., Полдомасов Б.Е. Подготовка многолетнемерзлого основания каменно-земляной плотины, прорезанного подрусловым таликом // Энергетическое строительство, 1981 г., № 4. С. 4753.

43. Тетельмин В.В. Специальные вопросы инъекционного закрепления оснований плотин. М.: Энергоиздат, 1982 г., 68 с.

44. Смолин Г.И., Ферингер А.Б., Фрумкин В.Н. Усть-Среднеканская гидроэлектростанция // Гидротехническое строительство, 2001 г. С. 6.

45. 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. С. 26.

46. Фрумкин В.Н., Федосеев В.И., Шишов H.H., Шерман М.М. Совершенствование способов создания цементационных завес в вечномерзлых скальных основаниях гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство, 2001 г., № 8. С. 33.

47. Фрумкин В.Н., Комаров Ю.С. Уточнение инженерно-геологических условий в процессе возведения сооружений Толмачевской ГЭС-3. В кн.: Труды международной конференции "Геотехника. Оценка состояния оснований и сооружений". СПб., 2001 г.