10.3. Плотины насыпные, возводимые с механическим уплотнением грунта

Уплотнение насыпного грунта обеспечивает достаточную плотность насыпи, создание в ее грунте более высокого внутреннего трения и сцепления, повышает водонепроницаемость тела плотины.

Уплотнение грунта. В современных плотинах уплотнение грунта производится чаще всего самоходными или прицепными катками: гладкими, ребристыми и кулачковыми, а иногда просто гусеничными тракторами или самоходными скреперами. Эффект уплотнения зависит от нагрузки на единицу укатываемой площади, числа проходок катка и толщины укатываемого слоя.

Наибольший эффект укатки суглинистых грунтов дают шиповые или кулачковые катки, так как при них давление на 1 см² поверхности грунта достигает 9—18 кг/см² и более, гладкие же катки дают 2—3 кг/см². Поверхность земли при укатке кулачковыми катками получается негладкой, что облегчает сопряжение укатанного слоя со следующим, при гладких же катках приходится перед насыпкой очередного слоя земли укатанную поверхность взрыхлять, бороновать.

Число проходок катка зависит от типа катка, заданного уплотнения и влажности грунта: обычно бывает 5—8 проходок, а при легких катках — и более.

Рис. 10.3.1. Уплотнение дамб скреперами на насыпных дамбах канала Волга-Дон [5].

Толщина укатываемых слоев задается 15—20 см, максимум 25 см, при особо тяжелых катках и более. Чем глинистее грунт, тем меньше должна быть высота укатываемого слоя. В экранах и ядрах эта толщина не должна превышать 10—15 см.

За последнее время в отдельных случаях применяли вместо укатки грунта механическое трамбование, но распространения этот метод пока не получил за исключением мест, недоступных для катков (в примыкании плотины к бетонным и другим сооружениям).

Существующие способы производства уплотнения тела плотины не дают однородного ее тела. Обычно верхняя часть укатываемого слоя получается более плотной, чем нижняя, поэтому тело плотины получается слоистым и анизотропным в фильтрационном отношении: в горизонтальном направлении коэффициент фильтрации больше, чем в вертикальном. Поэтому надо следить за рыхлением поверхности укатанного слоя перед насыпкой следующего, слои полезно также вести не горизонтально, а с небольшим наклоном в сторону верхнего бьефа.

Фиг. 12—41. Кривые зависимости уплотнения от влажности грунта

При уплотнении грунт должен быть увлажнен до так называемой эффективной, или оптимальной влажности, т. е. такой влажности, при которой заданное уплотнение получается при минимуме проходок катков или вообще минимуме работы уплотняющих средств.

Эта влажность устанавливается опытным путем в лаборатории и в натуре, для чего определяется для каждого вида уплотнения (в лаборатории это — число ударов трамбовки определенного веса, в натуре — число проходок катка) объемный вес грунта при разных влажностях его в опытах уплотнения.

Результаты опытов обрабатываются в виде кривых связи между влажностью и уплотнением (фиг. 12—41 — в пределах 10—14%); обычно эта влажность близка к предельной, при которой грунт полностью насыщается водой (нижний предел пластичности), но никогда ее не достигает, так как часть воздуха всегда остается в порах. Указанные кривые позволяют дозировать поливку грунта водой при его укатке.

Назначение процента влажности или дозировку поливки грунта производят с учетом естественной влажности грунта в карьере к моменту производства работ. Поливку грунта производят или перед укаткой на месте работ или в карьере; в последнем случае достигается более равномерное увлажнение грунта. В сухих районах при использовании лёссовых грунтов их иногда увлажняют в карьере во избежание образования огромных масс пыли, затрудняющей работу.

Степень уплотнения грунта в плотине характеризуется пористостью или объемным весом грунта. Степень эта определяется по принятой оптимальной влажности, а именно, объемный вес уплотненного грунта должен быть равен:

?₁=?/ (1+A_?)

где ? — удельный вес скелета грунта;

А — оптимальная влажность, принимаемая равной нижнему пределу пластичности.

В целях получения минимальной осадки тела плотины или определенного сопротивления грунта сдвигу следовало бы задавать уплотнение, исходя из компрессионных свойств грунта и высоты насыпи. Как известно, всякому давлению в грунте соответствует при определенных условиях обжатия его определенный коэффициент пористости или объемный вес, определяемые из компрессионной кривой грунта.

Так как давление в разных частях плотины различное, то и степень уплотнения следовало бы задавать различную в зависимости от ожидаемого давления, принимая последнее в насыпи равным ?1h, где h — глубина рассматриваемого слоя плотины. Однако в таком случае пришлось бы иногда уменьшать влажность при укатке и увеличивать число проходок катков для достижения большего объемного веса, чем по формуле (12—46), т. е. переходить к менее оптимальным условиям. На практике обычно не отходят от оптимальной влажности.

Особые условия имеют место в лёссовых плотинах. Первым плотинам из лёсса придавали очень пологие откосы — до 1:7—1:9, но современный опыт показывает возможность придания таким плотинам откосов, близких к обычным суглинистым насыпям (фиг. 12—42). При этом выяснилось, что лёсс трудно уплотняется: в существующих сооружениях плотность его не превосходит 1,55—1,6, хотя по формуле (12—46) она должна бы достигать приблизительно 1,7—1,78.

Фиг. 12—42. Катта-Курганская лёссовая плотина.

Контроль за уплотнением тела плотины осуществляется при производстве работ путем лабораторного исследования объемного веса проб грунта, взятых из каждого слоя примерно в вершинах квадратов со стороной 20—40 м.

Кроме лабораторных определений для контроля за уплотнением применяют и особые полевые «плотномеры».

Осадка насыпных плотин складывается из осадки тела плотины и осадки ее основания. При правильном назначении степени уплотнения и надлежащей укатке, последующая осадка тела плотины может быть незначительной. Осадка плотин, уплотнявшихся старыми методами, достигала 1—3% при укатке слоями не более 15 см, а в случае превышения этой толщины доходила до 5% и более.

Осадка основания зависит от слагающих его пород и происходит независимо от осадки тела плотины. В соответствии с ожидаемой осадкой высоте плотины дается строительный запас.

В случае торфяных и илистых грунтов, сильно сжимаемых, их не удаляют, как делалось раньше, а возводят плотину на таких грунтах, учитывая обжим грунтов (торфов — почти в 2 раза) и отжатие в сторону жидких илов, как это имело место при восстановлении Веселовской плотины на Маныче. Темпы возведения плотины должны быть согласованы с ходом деформации основания.