Отдельные плотины являются грандиозными сооружениями своего времени, аварии которых вызывают огромный экономический, экологический и социальный ущерб. Поэтому проводят тщательные гидрогеологические изыскания, отрабатывают технологию возведения, изучают поведение
87
плотины на физических и математических моделях. В течение всего периода строительства и эксплуатации следят за: перемещениями плотины и основания; напряжениями и деформациями в основании, бетона и арматуры; температурой бетона; развитием трещин; давлением поровой воды и скоростью фильтрации; прочностью бетона.
В гидротехнических сооружениях наряду с химическими воздействиями на конструкции возможны и механические: течение, абразивное воздействие песка и льда, удары судов, внутреннее давление льда, удары волн и др.
Строительство водохранилищ приводит к существенному изменению окружающей обстановки [6].
Вблизи г. Оровилла в Северной Калифорнии в 1969 году закончено строительство самой высокой в США дамбы (235 м), за которой образовалось водохранилище объемом 4,4 кубических километра. Спустя шесть лет после подъема воды в водохранилище в августе 1975 года произошло землетрясение с магнитудой 5,7 ... 6. Эпицентр находился на глубине 8 километров. Землетрясение сопровождалось оживлением старого разлома, края которого вертикально сместились. Слабые толчки начались сразу после заложения водохранилища.
В 1961 году началось заполнение водохранилища на реке Койна (Индостан) с проектной высотой плотин 103 метра и объемом 2780 млн.м3. Основание сложено кристаллическими породами. В ночь с 10 на 11 декабря произошло восьми - девяти бальное землетрясение, унесшее 180 человеческих жизней и оставившее более двух тысяч раненых. Сама плотина опасно повреждена. Ранее в окрестности было построено 12 крупных водоемов, но подземных толчков не наблюдали.
Подобная сейсмическая активность наблюдалась и у нас, например, в окрестности Курского гидроузла на реке Вахш в Таджикистане. В последнем квартале 1972 года отмечено 133 землетрясения (интенсивное заполнение водохранилища началось в 1972 г.).
После заполнения водохранилищ изменяется гидрогеологический режим подземных вод, начинается "переработка" берегов, сопровождающаяся оползнями. Здания и сооружения, расположенные в оползневой зоне, разрушаются.
В Пенсильвании (США) на реке Саут было построено водохранилище емкостью 20 млн.м3. Насыпная земная плотина имела длину 248 м, ширину в основании 61 м. В мае во время проливных дождей уровень воды стал угрожающе подниматься. Меры по отводу излишней воды не дали результатов. Вода стала переливаться через гребень плотины на участке длиной 90 м, произошел ее разрыв. Вода со скоростью гоночного автомобиля устремилась вниз. Высота фронтальной волны достигла 12 м. Все, что попадалось на пути потока, уничтожалось. В
88
пяти километрах от плотины располагалось локомотивное депо. 16 шестидесятитонных паровозов были разбросаны в радиусе полукилометра. Погибло около 2,5 тыс. человек.
Плотины Аустин и Сен-Френсис (США) разрушились из-за отсутствия деформационных швов. Первая Асуанская плотина (Египет, 1903 г.) длиной 2120 м была построена без швов. Вследствие этого в русловой ее части на длине 900 м образовалось более 200 трещин, из них 36 сквозных. На плотинах Карданелло и Компличчиоли высотой 76 и 73 м (Италия, 1929 ... 1931 г.г.) температурные швы были выполнены через 43 + 5,3 м, но не были доведены до основания. Это привело к образованию трещин через 8 ... 10 м и к массовым протечкам воды. Подобная картина наблюдалась и на плотине Норрис высотой 81м (США, 1936г.).
Деформационные швы рекомендуется уплотнять системой асфальтовых шпонок в сочетании с контурными резиновыми лентами.
Бетон в плотинах иногда интенсивно разрушается. К примеру на гравитационной плотине Баркер (США) через 30 лет эксплуатации бетон разрушился на глубину до 1 м. Для защиты крупных гидротехнических сооружений успешно применяют эмали и мастики на основе эпоксидных смол.
Наиболее частой причиной разрушения гравитационных плотин (около 50 % общего числа катастроф) является нарушение устойчивости основания, недостаточная прочность контактной зоны и неравномерность осадки. В ряде случаев появляются зоны растягивающих напряжений (зоны разуплотнения) под напорной гранью высоких гравитационных плотин. Они возникают при определенных сочетаниях напора, геометрических размеров профиля и характеристик скального основания. Раскрытие контактного шва приводило к разрыву цементационной завесы и повышению противодавления. Развитие процессов разуплотнения наблюдали, например, под напорной гранью Братской и Усть Илимской плотин. Одной из причин разуплотнения является появление температурного растяжения, вызванного неравномерным распределением температуры в контактной плоскости. Наблюдения показывают, что напряжения в контактной зоне интегрально зависят от всех этапов возведения плотины. Существенное влияние на совместную работу плотины с основанием оказывает фильтрационное противодавление. С помощью дренажной системы можно его резко снизить.
Основными причинами аварий или аварийных ситуаций являлись:
- фильтрация воды под отдельными участками (плотина Пуэнтэс в Испании, Долгаррог в Северном Уэльсе) [6];
- оползни больших массивов грунта со склонов (водохранилище Вайонт в Италии) |6|;
89
- наличие в основании сильно трещиноватых и выветрелых пород;
- наличие в основании плотины разлома;
- недостаточное сопротивление сдвигу плотин по основанию;
- чрезмерная фильтрация воды через тело плотины;
- разрушение материала тела плотины;
- недопустимые деформации основания и плотины. Опыты на моделях выявили характерные схемы разрушения:
- возникновение трещин на контакте бетон-скала под верховой гранью;
- раскрытие межсекционных швов на напорной грани;
- появление трещин в бетоне у низовой грани, ориентированных по траектории главных сжимающих напряжений;
- появление трещин сжатия в береговых секциях.
В арочных плотинах не массивных с арочным эффектом возникают трещины у береговых упоров, раскрываются швы под напорной гранью береговых секций.
Отметим наиболее выдающиеся гидротехнические сооружения. К ним относится система Сноуи-Маунтинз в Австралии, включающая 15 плотин, 11 гидротехнических панелей общей длиной 77,5 мили, 10 электростанций, три из которых находятся глубоко под землей.
90
