Процессы, связанные со строительством и эксплуатацией водохранилищ

 

Водохранилища – искусственные водоемы размером от мелких прудов до крупнейших резервуаров воды протяженностью в сотни километров, соизмеримые по размеру с естественными озерами. В любом случае создание водохранилища представляет собой вторжение в природу, нарушающее изначально сложившееся равновесие геологической среды, поверхностных и подземных вод.

По этой причине по берегам водохранилищ происходит:

- во-первых, активизация уже имеющихся геологических процессов,

- во-вторых, развивается ряд специфических процессов, присущих только окрестностям водохранилищ. Это – переработка берегов, заиление и накопление твердого стока, различные виды фильтрации, суффозия под основанием и изменение напряженного состояния горных пород.

Активизация геологических процессов. По краям чаши водохранилищ возможна активизация и возникновение оползней, оплывин, эрозии, оживление карстово-суффозионных явлений. После заполнения ряда крупных горных водохранилищ в их окрестностях было отмечено увеличение сейсмической активности.

Переработка берегов, заиление и накопление твердого стока. После заполнения водохранилища и подъема уровня воды в нем во многих случаях начинается процесс разрушения и отступления берега, получивший название переработки. Процесс имеет место на крупных водохранилищах, сооруженных в мягких песчано-глинистых породах, проявляется сильнее вблизи плотины и постепенно затухает к верховьям.

В скальных породах процесс переработки практически не развивается. Каковы же причины переработки? Рассмотрим поперечный профиль долины реки (рис. 2.26).

 

 

Рис. 2.26. Схема переработки берегов водохранилища:

а) соотношение α₂ > α₁ показывает причину разрушения берега после заполнения водохранилища; б) – схема размыва и заиления

 

На профиле показаны русло, пляж, склон долины и уровни воды до и после заполнения водохранилища. Наименьший уклон поверхности земли имеет пляж (α₁) как место, во-первых, увлажненное, а во-вторых, испытывающее воздействие волн и текущих вод реки.

Для каждого типа грунтов эта величина своя и в целом для песчано-глинистых грунтов варьирует от одного до нескольких градусов, в то время как угол склона долины реки (α₂) составляет значительно большую величину, достигая первых десятков градусов.

После заполнения водохранилища уровень воды устанавливается напротив склона долины реки и крутизна берега α₂ начинает значительно превышать аналогичную величину, возможную в естественных условиях α₁. Долго такое положение продолжаться не может – происходит увлажнение склона, его интенсивный размыв и отступление до тех пор, пока угол уклона α₂ не уменьшится и не приблизится к величине α₁, соответствующей составу грунтов, слагающих пляж.

Размытый объем грунта вместе с твердым стоком отложится на дне водохранилища, заметно уменьшая его глубину, – данный процесс получил название заиление водохранилища. На волжских водохранилищах переработка произошла по всему контуру и в отдельных местах достигла многих десятков метров.

Методы борьбы. Переработка берегов представляет собой нежелательный процесс, приводящий местами к потере земель различного назначения. Наиболее ценные земли – это территории населенных пунктов и сельскохозяйственные угодья. Для противодействия процессу переработки применяются различные берегоукрепительные мероприятия, чаще других – укладки ячеистых бетонных блоков и устройство набережных.

В любом случае укрепление берега является весьма дорогостоящим делом и на практике выполняется в пределах населенных пунктов, вдоль дорог, проложенных по берегу водохранилища, или в других исключительных случаях. При условии качественного выполнения работ берегоукрепительные сооружения успешно приостанавливают процесс переработки.

Накопление твердого стока. Переносимые реками в естественных условиях частицы грунта получили название твердого стока. Способность потока воды к переносу твердого стока зависит от размера частиц и скорости движения воды.

Легче всего переносятся мельчайшие глинистые частицы, а труднее всего – крупнообломочная фракция валунно-глыбового размера. Скорость течения воды в водохранилище значительно меньше, нежели воды в реках. По этой причине, как только река впадает в водохранилище, ее транспортирующая способность тут же падает, и переносимый ею материал откладывается на дне водохранилища – это принято называть накоплением твердого стока.

Спокойные равнинные реки переносят песчано-глинистый материал, а горные реки, имеющие большие скорости течения, – также гравий, гальку и более крупные частицы, причем суммарный объем накопленного твердого стока горной реки значительно больше накопленного твердого стока равнинной реки, имеющей равный с нею расход воды.

Подтопление – этим термином обозначается повышение уровня подземных вод, вызванное повышением уровня поверхностных вод в водотоке. Чаще всего крупные подтопления происходят в результате заполнения водохранилищ. Схема подпора грунтовых вод показана на рисунке 2.27.

Рис. 2.27. Подпор грунтовых вод и подтопление территории, вызванные заполнением водохранилища

 

Как можно видеть из рисунка, величина подтопления максимальна по берегу водохранилища и далее постепенно уменьшается и в итоге сходит на нет по направлению в сторону от берега. Ширина зоны подтопления может составлять сотни и тысячи метров.

Процесс подтопления может иметь неблагоприятные последствия в том случае, когда он происходит на территориях с уже сложившейся застройкой. Подтопленными могут оказаться основания, подвалы и другие подземные сооружения, сложнее становятся работы нулевого цикла в котлованах на новых сооружениях. На неосвоенных площадях подтопление практически незаметно и отрицательных последствий не имеет.

Меры борьбы – искусственное понижение уровня грунтовых вод с помощью дренажа.

Пример 1. В 1930-е годы на Москве-реке была сооружена плотина, и уровень воды в реке поднялся на три метра. В связи с этим ожидалось, что в неблагоприятных условиях подтопления может оказаться полоса берега Москвы-реки шириной 1-2 километра от Павелецкого вокзала до Свято-Данилова монастыря. Вся эта территория включала застройку рубежа ХlХ-ХХ веков. Здесь находились жилые здания и несколько десятков промышленных предприятий. Сооружения имели подвалы, в которых должно было произойти затопление.

Для предотвращения такого развития событий вдоль берега Москвы-реки был сооружен дренаж длиной около четырех километров, имеющий в своем составе несколько сот скважин, галерею для сбора воды и две насосные станции. Дренаж успешно защитил подземные части сооружений от затопления. В 1990-е годы дренаж был отремонтирован и действует до сих пор.

Фильтрационные потери в окрестностях плотин. В связи с большим перепадом высот между верхним и нижним бьефом плотины возникает значительный гидравлический напор, являющийся причиной возникновения фильтрационных потоков.

Обычно принято рассматривать три вида фильтрации, схематично показанных на рисунке 2.28:

· обходная фильтрация по горным породам по боковым примыканиям плотины;

· фильтрация по горным породам под основанием плотины;

· фильтрация сквозь тело земляной плотины.

Фильтрация – обходная и под основанием плотины. Любые фильтрационные потери из водохранилища представляют собой отрицательное явление, так как целью создания водохранилища в первую очередь является накопление воды.

 

Рис. 2.28. Схема обходной фильтрации

Первые два вида фильтрации происходят по горным породам по боковым примыканиям и в основании плотины. В этих случаях область распространения фильтрационных потоков может достигать десятков метров. При этом величина расхода фильтрационных потоков будет максимальной вблизи плотины и далее постепенно убывать в стороны и вглубь от нее.

Суммарная величина расхода фильтрационных потоков зависит от перепада высот водохранилища и проницаемости массива горных пород вблизи плотины – то есть от состава, состояния, тектоники, форм залегания, пористости, трещиноватости, закарстованности горных пород и других условий.

Прогнозируемая величина фильтрационных потерь является одним из весомых факторов, принимаемых во внимание при выборе местоположения створа плотины.

Для снижения фильтрационных потерь из водохранилища выполняется два типа мероприятий. Первое – работы по уменьшению проницаемости окружающих горных пород – их цементация, глинизация, битумизация, силикатизация и т.п. Эти операции обычно выполняются через скважины, пробуренные в основании и по боковым примыканиям плотины. Второе – закладка в конструкцию плотины элементов, увеличивающих длину фильтрации – зуба плотины - углубленного участка фундамента и понура - противофильтрационного забетонированного участка в нижнем бьефе.

Фильтрация сквозь тело земляной плотины. Земляная плотина и дамбы отличаются размерами и конфигурацией, но сходны по внутреннему составу и сложению. Сильно упрощая можно сказать, что тело плотины или дамбы отсыпается из слабофильтрующего глинистого материала, который тщательно укатывается, трамбуется и уплотняется в процессе укладки с целью уменьшения его фильтрационных показателей. Используется обычно местный глинистый материал, так как его требуется настолько много, что завоз издалека невозможен.

После заполнения водохранилища сквозь тело земляной плотины и дамб устанавливается фильтрационный поток, и образуются обычные в таком случае зона насыщения, зона аэрации и уровень грунтовых вод (рис. 2.29)

Фильтрационный поток приводит к потерям воды из водохранилища. Для наблюдений за ним в теле плотины устанавливаются наблюдательные скважины и колодцы, а расчет потерь производится по формулам динамики подземных вод.

Земляная плотина и дамбы отличаются размерами и конфигурацией, но сходны по внутреннему составу и сложению. Сильно упрощая можно сказать, что тело плотины или дамбы отсыпается из слабофильтрующего глинистого материала, который тщательно укатывается, трамбуется и уплотняется в процессе укладки с целью уменьшения его фильтрационных показателей. Используется обычно местный глинистый материал, так как его требуется настолько много, что завоз издалека невозможен.

 

 

Рис. 2.29. Фильтрация сквозь тело плотины:

а - в плане; б - в разрезе

 

Суффозия под основанием плотины – процесс механического выноса частиц грунта подземными водами, что рассматривается в разделе «Процессы, связанные с присутствием и движением подземных вод».

После заполнения емкости водохранилища возникновение суффозии возможно в нижнем бьефе (см. рис. 2.19).

Причиной возникновения суффозии под плотиной является большая величина напорного градиента, создаваемого водохранилищем, высокая скорость и восходящее направление фильтрационного потока подземных вод, выходящего из-под основания плотины. Все это оказывает взвешивающее воздействие на частицы грунта и создает условия для развития суффозии, способной усиливаться с течением времени. В данных условиях суффозия признается опасным процессом, нарушающим работу грунтового основания плотины.

Для предотвращения суффозии применяются те же методы, что и для борьбы с фильтрацией воды под основанием плотины – противофильтрационные завесы, устройства зуба и понура плотины, а также отсыпка дополнительного объема крупнообломочного материала в нижнем бьефе плотины.

Напряженное состояние горных пород в окрестности плотины. По поверхности контакта плотины водохранилища и геологической среды имеет место два вида нагрузки.

Сжимающая нагрузка от веса плотины на основание. Процессы, происходящие при этом в грунтах, рассмотрены в разделе «Процессы в основании сооружений».

Сдвигающая нагрузка от веса воды в верхнем бьефе. Для противодействия этому виду нагрузки бетонной плотине придается изогнутая форма арки, в результате чего она упирается и передает нагрузку на боковые примыкания. По этой причине необходимо тщательное изучение состава, свойств, условий залегания и всех прочих характеристик горных пород, слагающих эти примыкания. Земляные плотины противодействуют сдвигающей нагрузке за счет своего веса и сцепления с основанием.

Наименее благоприятными считаются условия, если в основании имеются прослои пластичных глинистых пород, плохо сопротивляющиеся сдвигу. Для правильной оценки условий работы основания требуется подробное изучение разреза и точное измерение свойств грунтов всех встреченных слоев.