§ 2. Неблагоприятные процессы и явления, возникающие на искусственных водохранилищах и меры борьбы с ними

Устройство плотины любых размеров на реке приводит к тому, что на участке созданного водохранилища река прекращает свое существование, превращаясь в проточное озеро. Речной режим сменяется озерным, а на больших водохранилищах приближается к морскому. Речная эрозия и разработка долины прекращается и начинается переработка берегов, подобная морской абразии. Однако, действие абразии на берегах искусственных водохранилищ (в первую очередь – водохранилищ ГЭС), отличается от морской абразии тем, что уровень воды в водохранилище подвержен резким годовым колебаниям. Например, в водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС при полном заполнении отметка уровня воды в верхнем бьефе 539м, а при сработке – около 500м; таким образом, колебания уровня почти 40м. Также, для искусственных водохранилищ характерно отложение на дне, особенно непосредственно перед плотиной, так называемого твердого стока – частиц горных пород, которые река переносила до строительства плотины. Теперь, скорость течения резко упала, и частицы оседают на дно, создавая угрозу заиления.

Периодические смачивания и обсыхания берегов водохранилища в полосе колебания уровня также приводят к разрушению горных пород, слагающих берега.

Таким образом, на искусственных водохранилищах можно выделить следующие явления:

- заиление чаши водохранилища;

- возникновение, приостановка, возобновление оползневых процессов на берегах водохранилища;

- формирование нового профиля берегов водохранилища (сопровождающееся обвалами пород, образованием и разрушением террас и др.);

- подпор грунтовых вод по берегам водохранилища и связанное с ним подтопление территории.

При строительстве гидротехнических сооружений особое значение имеет прогноз переработки берегов во времени. Не рекомендуется новое строительство в береговой полосе, которая, по прогнозу, будет вовлечена в процесс переработки. Существующие сооружения защищаются уже описанными методами: сооружением дамб, подпорных стенок, волноломов, устройством искусственных пляжей. Главная трудность заключается в том, что пока нет абсолютно надежных методов прогноза скорости развития процессов переработки берегов. Поэтому широко используется метод аналогий, основанный на непосредственных наблюдениях.

Глава 4. Суффозия механическая и химическая. Плывуны. Методы борьбы с суффозией и плывунами § 1. Суффозия механическая и химическая

Суффозия (от латинского «подкапываю») – процесс выноса частиц горных пород движущимися (фильтрующимися через породу) подземными водами. Различают механическую и химическую суффозию.

Под механической суффозией понимают разрыхление и вынос частиц пород, даже не содержащих растворимых в воде минералов, током фильтрующейся воды.

Под химической суффозией понимают выщелачивание и вынос в растворенном виде водорастворимых минералов и горных пород.

Механическая суффозия в природных условиях происходит довольно редко и отмечается в бортах оврагов и речных берегах.

При резком сбросе паводковых вод уровень подпертого водоносного горизонта (УГВ) снижается значительно медленнее, образуется крутая депрессионная кривая ГВ и создается гидродинамическое давление, направленное в сторону склона. На поверхности может образоваться суффозионная воронка вследствие выноса частиц и оседания вышележащего грунта (см. рис. 7.7).

Необходимо подчеркнуть, что вследствие выноса частиц в горной породе образуются пустоты, возрастает скорость потока, начинают выноситься более крупные частицы и т.д. Таким образом, возникший в массиве горных пород или в теле плотины процесс механической суффозии, если не принимать меры по его устранению, будет прогрессировать со временем.

Рис. 7.7. Образование суффозионных воронок.

Химическая суффозия наблюдается в тех случаях, когда на пути фильтрующейся воды есть растворимые в ней вещества. Как правило, процессы механической и химической суффозии протекают одновременно.

Особенно ярко процессы суффозии проявляются в основании (а иногда и в теле) гидротехнического сооружения, при достаточно высоких уровнях воды в водохранилище. При этом фильтрующаяся вода разлагает и выносит минеральный заполнитель трещин и материал, из которого сложены стенки трещин (вмещающую породу) в основании плотины. Кроме того, при наличии трещин в теле плотины, фильтрующаяся вода может выносить материал, из которого сложена плотина (например, цемент из бетонных плотин).

Рассмотрим действие процессов суффозии на примере Саяно-Шушенской ГЭС. Перед началом строительства была снята зона поверхностной трещиноватости (зона выветривания). Кроме того, были выполнены несколько рядов цементации, то есть в основании и береговых примыканиях плотины были отбурены сотни скважин, в которые закачивался цементный раствор. Тем не менее, с наполнением водохранилища, создались очень высокие гидростатическое и гидродинамическое давления. По существующим тектоническим трещинам, существующим и вновь образованным трещинам разгрузки в основании и примыканиях плотины, за пределами областей цементации и непосредственно перед ними, под весьма высоким давлением осуществлялась фильтрация воды. Со временем, во многих цементационных скважинах цемент был вынесен путем механической и химической суффозии. Относительно растворимые минералы в трещинах и прожилках в горных породах основания (кальцит, эпидот, гранат), также разлагались и выносились. Помимо нарушения цементной завесы и размыва, разработки трещин в породах основания, происходит и вынос частиц цемента и бетона из трещин в теле плотины.

В связи с появлением и нарастанием вышеуказанных процессов суффозии, было принято решение о производстве работ по уменьшению (и, в идеале, ликвидации) фильтрации по трещинам в теле плотины и по уменьшению фильтрации по трещинам в ее основании. Для этих работ был заключен договор с известной по строительству тоннеля под проливом Ла-Манш фирмой «Солетанш».

Метод заключался в бурении на участках фильтрации групп скважин, в которые под определенным давлением закачивался специальный материал, который по стволу скважины проникал в трещины и на некоторое расстояние по трещинам. Затем этот материал затвердевал, надежно скрепляя стенки трещин. В процессе работ специалисты СШГЭС изучили метод. В дальнейшем (по настоящее время), данные работ выполнялись собственными силами. Причем, материал для инъекционных работ, так называемые полимерные смолы или многокомпонентные полимеры, сейчас также изготавливают и поставляют на СШГЭС отечественные предприятия. Данный метод работ нами запатентован.

Явление плывунности рассмотрено нами в разделе «Подземные воды». Здесь оно упоминается, поскольку также относится к инженерно-геологическим процессам.