К концу XX в. в районах криолитозоны в РФ и в зарубежных северных государствах (Канада, Аляска, Норвегия, Швеция, Финляндия, Исландия) было выстроено, строится и эксплуатируется более 600 гидротехнических сооружений: гидроузлов, гидроэлектростанций с водохранилищами, дамб и плотин, хвостохранилищ не учитывая небольших гидромелиоративных сооружений, дамб и кратковременных перемычек дражных полигонов (Биянов, 1983, Каган, Кривоногова, 1986 и др.). В РФ самые крупными являются Вилюйская, Хантайская, Мамаканская, Колымская, Зейская ГЭС, Аркагалинская ГРЭС.
самые ответственные гидросооружения — это водоподпорные плотины и ограждающие плотины, разрушения и аварии которых приводят к большой вред в народном хозяйстве, катастрофическим трансформациям в окружающей среде а также к людским жертвам. Исходя из этого надёжность и капитальность гидроузлов и плотин должна быть высокой, в особенности для высоких плотин и крупных гидроузлов.
В области развития мерзлых пород самый распространены плотины из грунтовых материалов. В зависимости от видов грунтов и способов возведения, слагающих противофильтрационные элементы и тело (устройства), все плотины из грунтовых материалов подразделяются на четыре главных вида.
1. Земляная насыпная плотина, возводимая из песчаных, глинистых либо крупнообломочных грунтов, отсыпаемых с естественным (под собственным весом) либо неестественным (с послойным) уплотнением.
2. Земляная намывная плотина, возводимая из мелкодисперсных (песчаных, глинистых) и крупнообломочных грунтов, каковые намываются в тело сооружения средствами гидромеханизации по разработкам гидронамыва.
3. Каменно-земляная плотина, в главное тело которой отсыпают крупнообломочные и валунно-глыбовые грунты, а в противофильтрационные устройства укладывают с послойным уплотнением слабофильтрующие мелкопесчаные либо глинистые грунты, или крупнообломочные грунты с песчано-глинистым заполнителем не меньше 30—40%.
4. Каменно-набросная плотина, тело которой возводится из крупнообломочных и валунно-глыбовых грунтов, а противофильтрационные устройства делаются из негрунтовых материалов (железных страниц, диафрагм, шпунта, бетонных стенок, асфальтовых экранов, синтетических пленок и др.).
Перечисленные виды грунтовых плотин в зависимости от их температурного режима подразделяются на два главных типа — мерзлая и талая плотины и один вспомогательный (промежуточный) тип — тало-мерзлая (либо мерзло-талая) плотина, наименование которых взаимосвязаны с принципом и грунтов температурным состоянием основания их применения в мерзлом (I принцип) либо в талом (II принцип) состоянии (рис. 2.4.1).
Рис. 2.4.1. Проектирование земляных плотин по I (а) и II (б) правилам:
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 строительных работах и эксплуатации, а талые грунты противофильтрационного элемента плотины замораживаются до начала заполнения водохранилища и после этого сохраняются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации.
II принцип строительства допускает оттаивание многолетнемерзлых пород основания в строительных работах и эксплуатации плотины либо проводится неестественное их оттаивание на заданную (проектную) глубину до начала заполнения водохранилища при сохранении противофильтрационного элемента (устройства) по большей части в талом состоянии при эксплуатации.
Строительство по I принципу ведется в большинстве случаев в условиях, в то время, когда в качестве оснований употребляются сильнольдистые грунты, характеризующиеся большой просадочностью по окончании оттаивания либо повышением водопроницаемости. Для проморозки ядра плотины активно используются замораживающие совокупности, в которых теплоносителем помогает холодный атмосферный воздушное пространство. Циркуляция холодного воздуха осуществляется принудительно через коаксиальные колонки, опущенные в скважины, пробуренные с гребня плотины либо через горизонтальные воздуховоды и теле плотины. Но, как показывает практика, цена таких совокупностей высока, а надежность недостаточна, поскольку воздуховоды и колонки понемногу зарастают льдом, а очистка их трудоемка. На данный момент чаще используются охлаждающие совокупности с естественной циркуляцией теплоносителя — саморегулирующиеся охлаждающие установки.
Проектирование плотин с постепенным оттаиванием мерзлых пород допускается, в то время, когда нереально сохранить основание в мерзлом состоянии либо в то время, когда это экономически не нужно.
Проектирование плотин по принципу оттаивания грунтов оснований должно предусматривать постепенную осадку оттаивающих грунтов, не превышающую допустимых значений, причем грунты основания по окончании оттаивания не должны иметь высокую водопроницаемость.
При проектировании гидротехнических сооружений громадное внимание уделяется району проектируемого водохранилища. При инженерно-геокриологической оценке территории будущего водохранилища направляться иметь в виду, что в ходе его дальнейшего существования и наполнения будет происходить деградация мерзлоты. В случае, 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. Кроме этого нужны 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-эксплуатации и геологические условия строительства гидротехнических сооружений, возводимых на многолетнемерзлых скальных породах. Неприятности инженерного мерзлотоведения в гидротехническом постройке. М.: Наука, 1986. С. 34-43.
Хрусталев Л.Н. Базы геотехники в криолитозоне: Учебник. – М.: Изд-во МГУ, 2005. 542 с.