Гидротехнические сооружения в криолитозоне возводятся для производства электроэнергии, создания прудов-охладителей тепловых электростанций, хвостохранилищ горно-обогатительных фабрик, затопления дражных полигонов при разработки россыпных месторождений. Наиболее ответственным элементом конструкции гидроузлов является плотины. Кроме них в состав гдротехнических комплексов входят водосборные сооружения, водозаборы, водоводы, сооружения по борьбе со льдом.
Общее требование при строительстве гидротехнических
сооружений максимальное использование местных строительных материалов. Их наличие, в значительной мере определяет конструкцию тела плотины, противофильтрационных устройств и других элементов.
Надежным и достаточно дешевым источником электроэнергии на Севере являются гидроэлектростанции. В связи с этим здесь уже созданы и продолжают проектироваться каскады электростанций на реках Вилюй, Колыма, Бурея и других реках. Опыт строительства каскада Вилюйских ГЭС, Колымской ГЭС показал, что наиболее целесообразным является компоновка гидроузлов с плотинами, обеспечивающими создание водохранилищ большой емкости в виду неустойчивости речного стока. Не следует забывать и наличие криолитозоны различной мощности, строения и температуры. В комплексе это определяет наличие достаточно большого количества проблем, решаемых при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений в Сибири.
Работу тепловых электростанций в межень могут обеспечить только многоводные реки, которых в Сибири не так уж много, поэтому здесь широко используется система оборотного водоснабжения с созданием прудов охладителей. Температура воды в них достаточно высокая, вследствие этого сохранение температурного режима оснований плотин в криолитозоне становится весьма трудной задачей.
При строительстве плотин хвостохранилищ вне пределов криолитозоны отсыпаемая или намывная дамба (плотина) является упорной и дренажной призмой намывной плотины второй очереди их хвостов. В условия Крайнего Севера реализация этой технологи невозможна, поскольку в зимний период откос и гребень пионерной дамбы промерзает до глубины 4-5 и более метров. В этом случае работа пионерной дамбы как дренажной призмы привела бы к образованию в ней водоупора изо льда и мерзлых пород с передачей на него всего гидростатического напора. В связи с этим на Крайнем Севере пионерная дамба отсыпается из водоупорных пород. Дренажные устройства заглубляются в ее тело, а в низовом откосе – в утепленные галереи.
Плотины дренажных полигонов для затопления участков разработки россыпных месторождений полезных ископаемых представляет собой каскад земляных сооружений с деревянными или сифонными водосбросами.
Проблема водоснабжения на Крайнем Севере принято решать созданием крупных водохранилищ, для аккумуляции вод весенних паводков для последующего расхода в весенне-зимний период. Плотины строятся как с сохранением криолитозоны в основании, так и без ее сохранения [Кузьмин].
Таим образом, при создании для создания гидротехнических сооружений на Крайнем Севере используют плотины и дамбы.
Земляные плотины по материалу, подразделяются на земляные, каменно-земляные и каменно-набросные, по способу возведения – на насыпные и намывные, а по способу обеспечения водонепроницаемости тела плотины на мерзлые и талые [12, 45].
Мерзлые плотины могут быть только земляными и каменно-земляными. Водонепроницаемость мерзлых плотин обеспечивают путем естественного промораживания нижней части призмы плотины или естественного и искусственного
промораживания ядра плотины и поддержания его в мерзлом состоянии специальными охлаждающими устройствами.
Плотины первого вида обычно сооружают в долинах рек, второго – в руслах.
Мерзлые плотины стоят на нескальных многолетнемерзлых основаниях, грунты отличаются большой сжимаемостью при оттаивании (более 0,15), а также на нескальных талых основаниях подстилаемых ММП. Если мерзлая плотина возводится в русле реки, то скорость подруслового потока не должна превышать 2,5 м/сут. Это требование обусловлено техническими возможностями промораживания подруслового потока [12].
Талые плотины могут быть земляными, каменно-землянымии каменно-набросными. Водонепроницаемость талых плотин обеспечивают созданием профильтрационного экрана или ядра. Такие плотины сооружают на скальных и нескальных основаниях, находящихся как в талом, так и в мерзлом состояниях. В последнем случае сжимаемость пород основания при оттаивании не должна превышать 0,15.
В пределах одного створа можно устраивать мерзлые и талые плотины, сопрягая их при помощи поперечных замораживающих завес. Часто в русле реки создают талую плотину, а на пойме и в бортах долины мерзлую [12].
Кроме того, земляные плотины подразделяются на плотины из однородного и неоднородного грунта. В первом случае, сооружение состоит из плотины, построенной из однородного грунта, крепления откоса. Талые плотины включают противофильтрационный экран или диафрагму из негрунтовых материалов и дренаж, для мерзлых плотин – замораживающие установки (рис. 7. 11),
Во втором случае сооружение состоит из тела плотины из неоднородного материала, крепления откоса, а также для талых плотин – дренажа, для мерзлых – замораживающих установок и термоизоляции гребня (рис. 7. 12). Тело плотины подразделяется на верховую и низовую упорные призмы, переходный слой и противофильтрационное ядро.
Для создания экрана и ядра используют глинистые материалы. При наличии экрана вместо верховой упорной призмы
устраивают защитный слой, предохраняющий экран от механических повреждений [12, 45].
| Рис. 7.11. Конструкция плотин из однородного грунта:талой без (а) и с противофильтационным (б) экраном; в – мерзлой. 1 – крепление откоса; 2 – тело плотины; 3 – дренаж; 4 – обратный фильтр; 5 – противофильтрационный экран из грунтовых материалов; 6 - замораживающая установка |
| Рис. 7.12. Конструкция плотин из неоднородного грунта:талой без (а) и с противофильтационным (б) экраном; в – мерзлой. 1 – верховая призма из крупнообломочных грунтов; 2 – переход-ный слой; 3 – противофильт-рационное ядро; 4 – низовая призма из крупнообломочных грунтов;5 – фильтр обратный; 6 – дренаж; 7 – крепление откоса; 8 надэкранный защитный слой; 9 - противофильтрационный экран; 10 – замораживающая установка; 11 – теплозащитный слой |
Каменно-земляные плотины отличаются от неоднородных земляных только тем, что у них верховая и низовая упорные призмы сделаны из камня (рис. 7.13) [12, 45].
| Рис. 7.13. Конструкции каменно-земляных плотин:талой без (а) и с противофильтационным (б) экраном; в – мерзлой. 1 – верховая каменная призма; 2 – переходный слой; 3 – противофильтрационное ядро; 4 – низовая каменная призма; 5 –обратный фильтр; 6 – противофильтрационный экран; 7 – надэкранный защитный слой 8 - крепление откоса; 9 - замораживающая установка; 10 – теплозащитный слой |
Каменно-набросные плотины состоят из каменного банкета и противофильтрационной диафрагмы или экрана из негрунтовых материалов (рис. 7.14). При наличии экрана под ним укладывают выравнивающий слой песка. Каменно-набросные плотины имеют только талый вариант [12, 45].
| Рис. 7.14. Конструкции каменно-набросных плотин с противофильтрационным экраном (а) и диафрагмой (б) из нерудных материалов: 1 – выравнивающий слой; 2 – экран; 3 – тело плотины; 4 - диафрагма |
Плотина возводится из всех видов грунта за исключени-
ем песков, содержащих более 0,1% (от массы скелета) водорастворимых солей, супесей и суглинков – более 0,2% и глин более 0,25% а также грунтов, в которых органические примеси превышают 5% (от массы грунта).
Не рекомендуется верховую упорную призму возводить из глин, пылеватых супесей и песков. Плотность пород, укладываемых в тело плотины, принимается из условия, чтобы за период эксплуатации осадка гребня плотины не превысила 2,5% его высоты. Размеры тела плотины должны обеспечивать невозможность переливания воды через ее гребень, устойчивость откосов и условия нормальной эксплуатации.
Для обеспечения устойчивости откосов высоких плотин на них через каждые 10 м по высоте устраиваю бермы шириной не менее 3 м. Берма на верховом откосе часто используется одновременно для упора крепления, на низовом для проезда транспорта.
Все откосы, за исключением пляжных, подлежат укреплению. Крепление бывает основным и облегченным: основное устраивается на верхнем откосе, начиная от гребня и заканчивая уровнем сработки водохранилища плюс две высоты волн, рассчитанные с 1%-ной обеспеченностью; облегченное – на низовом откосе, начиная от гребня и заканчивая подошвой откоса или гребнем дренажной призмы, а также на верховом откосе ниже основного крепления. Основное крепление осуществляется каменной наброской, монолитным и сборным железобетоном, асфальтобетоном; облегченное –гравийно-галечной отсыпкой толщиной 0,2 м, дерном или травянистой растительностью. Толщина каменной наброски принимается равной трем условным диаметрам камня, крупность которого принимается по расчету на волновое воздействие. Покрытие из монолитного или сборного железобетона толщиной 0,2-0,4 м укладывают на слой обратного фильтра или геотекстиль.