Гидротехнические сооружения в криолитозоне

К концу XX в. в районах криолитозоны в России и в зарубежных северных странах (Канада, Аляска, Норвегия, Швеция, Финляндия, Исландия) было построено, строится и эксплуатируется более 600 гидротехнических сооружений: гидроузлов, гидроэлектростанций с водохранилищами, плотин и дамб, хвостохранилищ без учета мелких гидромелиоративных сооружений, кратковременных перемычек и дамб дражных полигонов (Биянов, 1983, Каган, Кривоногова, 1986 и др.). В России наиболее крупными являются Вилюйская, Хантайская, Мамаканская, Колымская, Зейская ГЭС, Аркагалинская ГРЭС.

Наиболее ответственные гидросооружения — это водоподпорные плотины и ограждающие дамбы, аварии и разрушения которых приводят к значительному ущербу в народном хозяйстве, катастрофическим изменениям в окружающей среде и даже к человеческим жертвам. Поэтому капитальность и надежность плотин и гидроузлов должна быть высокой, особенно для крупных гидроузлов и высоких плотин.

В области развития мерзлых пород наиболее распространены плотины из грунтовых материалов. В зависимости от способов возведения и видов грунтов, слагающих тело и противофильтрационные элементы (устройства), все плотины из грунтовых материалов подразделяются на четыре основных вида.

1. Земляная насыпная плотина, возводимая из песчаных, глинистых или крупнообломочных грунтов, отсыпаемых с естественным (под собственным весом) или искусственным (с послойным) уплотнением.

2. Земляная намывная плотина, возводимая из мелкодисперсных (песчаных, глинистых) и крупнообломочных грунтов, которые намываются в тело сооружения средствами гидромеханизации по технологиям гидронамыва.

3. Каменно-земляная плотина, в основное тело которой отсыпают крупнообломочные и валунно-глыбовые грунты, а в противофильтрационные устройства укладывают с послойным уплотнением слабофильтрующие мелкопесчаные или глинистые грунты, либо крупнообломочные грунты с песчано-глинистым заполнителем не менее 30—40%.

4. Каменно-набросная плотина, тело которой возводится из крупнообломочных и валунно-глыбовых грунтов, а противофильтрационные устройства делаются из негрунтовых материалов (металлических листов, диафрагм, шпунта, железобетонных стенок, асфальтовых экранов, синтетических пленок и др.).

Перечисленные виды грунтовых плотин в зависимости от их температурного режима подразделяются на два основных типа — мерзлая и талая плотины и один вспомогательный (промежуточный) тип — тало-мерзлая (или мерзло-талая) плотина, наименование которых взаимосвязаны с температурным состоянием грунтов основания и принципом их использования в мерзлом (I принцип) или в талом (II принцип) состоянии (рис. 2.4.1).

Рис. 2.4.1. Проектирование земляных плотин по I (а) и II (б) принципам:

1 — тело плотины; 2—3 — основания (2 — естественное фильтрующее, 3 — нефильтрующее скальное); 4 — охлаждающие установки; 5 — противофильтрационная завеса с удерживающим ее колом; 6— граница многолетнемерзлых грунтов

При возведении плотины по I принципу многолетнемерзлые породы основания плотины сохраняются в естественном мерзлом состоянии в процессе строительства и эксплуатации, а талые грунты противофильтрационного элемента плотины замораживаются до начала заполнения водохранилища и затем сохраняются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации.

II принцип строительства допускает оттаивание многолетнемерзлых пород основания в процессе строительства и эксплуатации плотины или проводится искусственное их оттаивание на заданную (проектную) глубину до начала заполнения водохранилища при сохранении противофильтрационного элемента (устройства) в основном в талом состоянии при эксплуатации.

Строительство по I принципу ведется обычно в условиях, когда в качестве оснований используются сильнольдистые грунты, характеризующиеся значительной просадочностью после оттаивания или увеличением водопроницаемости. Для проморозки ядра плотины широко применяются замораживающие системы, в которых теплоносителем служит холодный атмосферный воздух. Циркуляция холодного воздуха осуществляется принудительно через коаксиальные колонки, опущенные в скважины, пробуренные с гребня плотины или через горизонтальные воздуховоды и теле плотины. Однако, как показывает опыт, стоимость таких систем высока, а надежность недостаточна, так как колонки и воздуховоды постепенно зарастают льдом, а очистка их трудоемка. В настоящее время чаще применяются охлаждающие системы с естественной циркуляцией теплоносителя — саморегулирующиеся охлаждающие установки.

Проектирование плотин с постепенным оттаиванием мерзлых пород допускается, когда невозможно сохранить основание в мерзлом состоянии или когда это экономически нецелесообразно.

Проектирование плотин по принципу оттаивания грунтов оснований должно предусматривать постепенную осадку оттаивающих грунтов, не превышающую допустимых значений, причем грунты основания после оттаивания не должны иметь высокую водопроницаемость.

При проектировании гидротехнических сооружений большое внимание уделяется району проектируемого водохранилища. При инженерно-геокриологической оценке территории будущего водохранилища следует иметь в виду, что в процессе его наполнения и дальнейшего существования будет происходить деградация мерзлоты. Если отложения представлены скальными трещиноватыми породами, трещины которых сцементированы льдом, карбонатными породами с карстовыми полостями, заполненными льдом, крупнообломочными льдонасыщенными грунтами — их оттаивание может привести к утечке воды из водохранилища. Помимо этого необходимы прогноз возможности термоабразионной переработки берегов водохранилища и обоснование мероприятий по защите территории от подтопления.

Литература

Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. М.: Энергия, 1983. 175 с.

Каган А.А., Кривоногова Н.Ф. Инженерно-геологические условия строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений, возводимых на многолетнемерзлых скальных породах. Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве. М.: Наука, 1986. С. 34-43.

Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: Учебник. – М.: Изд-во МГУ, 2005. 542 с.