2015-05-05
6341Основными объектами визуальных наблюдений и обследований на грунтовых плотинах должны быть: конструктивные элементы и основание, от состояния каждого из которых может зависеть надежность и безопасность сооружения; прилегающая к плотинам территория и берега; дефектные участки, проявившиеся еще до начала наблюдений, и отдельные зоны плотины, вызывающие опасения.
В число объектов визуальных наблюдений и обследований на грунтовых плотинах включаются:
- гребень и бермы плотины;
- верховой и низовой откосы;
- экраны и волновые крепления верхового откоса;
- крепления, системы сбора и отвода поверхностных вод на низовом откосе;
- зоны примыкания плотины к встроенным бетонным сооружениям (устоям открытых водосбросов, трубам водоспусков, туннелям и т.п.);
- зоны примыкания плотины к берегам и бортам каньона;
- дренажные устройства тела плотины (каменные банкеты, наслонные призмы, трубчатые дренажи и колодцы, дренажные канавы, водовыпуски дренажей и др.);
- участки береговых склонов и поймы, прилегающие к низовому откосу;
- берега и прибрежная зона водохранилища;
- стенки, своды и днища потерн и галерей, устроенных в теле плотины или на контакте с основанием;
- водоемы, существовавшие до постройки плотины или образовавшиеся после наполнения водохранилища, расположенные вблизи сооружения (прудки, озерца, ручьи, ключи, грифоны и др.);
- зоны подмыва плотины или берегов в нижнем бьефе;
- старые карьеры грунтов в районе плотины;
- ледовые образования и майны в верхнем и нижнем бьефах;
- лесокустарниковая и травяная растительность на плотине, береговых склонах и в пойме;
- контрольно-измерительная аппаратура, расположенная на плотине;
- зоны дефектов и неблагоприятных явлений.
Состав натурных визуальных наблюдений и обследований должен назначаться с учетом класса плотины [1], ее конструктивных особенностей, природно-климатических и технологических условий, требований эксплуатации, наличия и характера дефектов и неблагоприятных проявлений в сооружении.
Визуальные наблюдения и обследования на грунтовых плотинах существующих водохранилищ и прудов Дятьковского р-на включали в себя следующее:
- выявление и оценку выходов фильтрации через плотину, основание, берега, сопряжения, швы и др.;
- регистрацию и оценку фильтрационно-суффозионных выносов грунта из плотины, основания, береговых и пойменных массивов, примыкающих к плотине;
- контроль работы и состоянием дренажей плотины, водоотводящих выпусков, канав и кюветов;
- контроль мутности воды, профильтровавшейся через плотину или основание;
- фиксирование мест заболачивания территории, примыкающей к подошве низового откоса плотины;
- выявление и оценку местных деформаций откосов, гребня и берм плотины, а также береговых склонов в примыканиях;
- выявление, регистрацию и оценку развития всевозможных трещин на гребне, откосах и бермах;
- контроль состояния креплений верхового и низового откосов, крепления берегов (если таковые имеются);
- наблюдения за эрозией берегов водохранилища;
- наблюдения за размывами и подмывами плотины и берегов со стороны нижнего бьефа;
- контроль изменения во времени геометрического профиля плотины, включая его подводные части;
- наблюдения за развитием древесно-кустарниковой растительности, травяного покрова и поведением землеройных животных на плотине.
В дополнение к представленному перечню визуальных наблюдений и обследований в их состав включались также общие наблюдения за состоянием гидромеханического оборудования (затворы, краны, лебедки и т.п.) и негрунтовых конструкций (подпорные стенки, устои и др.), расположенных в плотине, повреждения которых могут прямым образом отразиться на ее надежности.
При визуальных наблюдениях гребня (берм) грунтовой плотины контролировались: появление и характер развития трещин различной направленности и происхождения; чрезмерные осадки и просадки гребня, в том числе в примыканиях плотины к бетонным сооружениям и крутым берегам; проявления морозного пучения грунта, если таковые могли иметь место; очаги формирования оползней откосов.
Практика наблюдений показывает, что трещины на гребне (бермах) грунтовых плотин образуются довольно часто. Следует различать трещины продольного (вдоль оси плотины) и поперечного направлений. Причины образования тех и других трещин обусловлены, в основном, возникновением в грунте растягивающих или касательных напряжений, превышающих предел растяжимости или сопротивление сдвигу грунта как материала.
Продольные трещины, как правило, возникают в процессе первичного наполнения водохранилища, когда плотина подвергается замочке водой, способствующей интенсификации ее осадки. Местоположение продольных трещин чаще всего приурочивается к низовой и верховой бровкам гребня и бермам (рисунок 1, 2). Протяженность их бывает весьма значительной от нескольких до 100-200 и более метров. Раскрытие трещин может достигать иногда 5-10 см. На границах элементов плотины, сложенных разными по сжимаемости грунтами, продольные трещины могут иметь вертикальные ступени, свидетельствующие о разности осадок разделенных трещиной элементов (рисунок 3). Продольные трещины не представляют существенной опасности для плотины, если они не получают развития во времени после окончания наполнения водохранилища. Но, несмотря на это, контроль динамики процесса необходимо выполнять до полной стабилизации раскрытия.
Поперечные трещины (перпендикулярные оси сооружения или проходящие под углом к ней) чаще возникают на береговых наклонных участках плотины и в местах, где она резко меняет свою высоту (например, над бортами руслового каньона, над уступами поверхности основания и т.п.). Трещины могут как полностью, так и частично пересекать гребень плотины. Их раскрытие зависит от напряженно-деформированного состояния сооружения на данных участках. При значительном раскрытии трещин (несколько сантиметров) глубина их проникновения в тело плотины может быть ниже отметок уровня воды в верхнем бьефе. В этих случаях трещины начинают фильтровать, что представляет очень серьезную опасность для грунтовой плотины. Поперечные трещины должны не только контролироваться, но и "лечиться" путем заделки их водоупорным материалом или перекрытия непроницаемой стенкой.
Трещины на наружных поверхностях гребня, берм, облицованных напорных откосов и др. достаточно легко обнаруживаются визуальным способом, в особенности, если поверхности сухие, ровные и не замусорены. Осмотры поверхностей плотины с целью выявления трещин лучше проводить в солнечную погоду. "Полости" трещин при боковом освещении контрастно выделяются тенью (черным цветом), даже если раскрытие трещины невелико - 1-2 мм (рисунок 4, 5).
1, 2, 3,...,7 - номера трещин
Рисунок 1 - Характерное расположение продольных трещин на гребне и бермах плотины
а) 
б) 
а - трещины с вертикальным уступом по границе ядра с боковой призмой;
б - трещина косого направления без уступа
Рисунок 2 – Примеры расположения продольных трещин на гребне плотины
а) 
б) 
а - трещина с уступом; б - трещина без уступа.
Рисунок 3 – Фрагменты трещин
Просадки гребня в виде воронок или видимых на глаз значительных его понижений могут вызываться рядом причин: протайка захороненного в теле плотины льда, снега или промороженного грунта; недостаточное уплотнение локальных объемов или прослоек грунта, уложенного в плотину; суффозионный вынос мелкого грунта из тела плотины или основания; выпор слабого грунта из основания и др. Просадки гребня следует оценивать как следствие проявления отмеченных дефектов.
Прямыми признаками проявления просадок на гребне плотины являются: образование на поверхности характерных воронок диаметром от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров; заметное разрыхление грунта в воронках и понижениях просадочного характера; скопление снега в воронках и понижениях; более интенсивный, при равных прочих условиях, характер протекания осадки на просадочных участках, чем на непросадочных (фиксируется геодезическими измерениями).
Просадки грунта в примыканиях к бетонным сооружениям иногда могут обнаруживаться по "старому" (до просадки) отпечатку контура насыпи на бетоне. Косвенными подтверждениями просадочного характера отмеченных на гребне воронок или значительных понижений могут служить: увеличение фильтрационного расхода, появление мутности в воде в нижнем бьефе или в цементационной потерне, заметный подъем поверхности грунта (выпор) у подошвы плотины и другие факторы. Как правило, просадочные явления на плотине проявляются в процессе интенсивного наполнения водохранилища и в начальный период работы плотины под напором.
Большинство связных грунтов (глины, суглинки) в силу своих структурных особенностей при промерзании сильно увеличиваются в объеме (пучатся) и подвергаются трещинообразованию. При этом после нескольких циклов промерзания-оттаивания плотность грунта, его противофильтрационные свойства значительно снижаются. Это явление может иметь неблагоприятные последствия для суглинистых ядер, экранов или тела плотины, увеличивая их водопроницаемость в пределах глубины сезонного промерзания.
Признаком пучения грунта гребневой части плотины является образование в зимние периоды на его поверхности характерных бугров или локальных подъемов поверхности. Визуальными наблюдениями явление пучения грунта обнаруживается сравнительно легко. При наличии на гребне плотины (или, например, на верховом ее откосе, на откосах каналов) покрытий в виде железобетонных плит или асфальтобетона, пучение грунта может сопровождаться заметными неравномерными деформациями покрытия, раскрытием швов и взаимным смещением плит, образованием трещин.
Рисунок 4 – Потенциальные зоны просадок гребня плотины
Состояние и устойчивость откосов грунтовой плотины играют одну из главных ролей в обеспечении эксплуатационной надежности и безопасности сооружения. Повреждения откосов, как правило, сопровождаются серьезными осложнениями в работе плотины, а в ряде случаев приводят к ее аварии с тяжелыми последствиями.
Визуальными наблюдениями за откосами плотины следует выявлять признаки потери устойчивости (оползания) откосов, повреждения специальных креплений, наличие промоин и просадочных воронок на поверхности низового откоса, повреждения водосборных и водоотводящих лотков, изменения геометрии (очертания) откосов, участки зарастания откосов растительностью, наличие и деятельность землеройных животных; признаки выветривания камня; образование наледей на откосе и порового льда в грунте.
Первичная трещина отрыва
Рисунок 5 – Пример формирования оползня на откосе плотины
Основными признаками потери устойчивости (оползания) откоса, фиксируемыми визуально, являются: образование на поверхностях гребня, берм или склонах откосов плотины характерных для оползней криволинейных трещин, нарастающее во времени их раскрытие; образование вдоль следа трещины вертикального уступа (проседает отделившийся массив); увеличение раскрытия трещины и высоты уступа; появление заметного выпучивания грунта в средней и нижней частях откоса (рисунок 6, а).
При осмотрах каменного крепления верхового откоса в первую очередь осуществляется регистрация участков переработки откоса волнами. Такие участки, как правило, характеризуются наличием промоин-пазух в верхней части откоса, смещенных в сторону гребня. Боковые и фронтальные стенки пазух имеют крутизну близкую к вертикальной. У подножия пазух по линии уреза воды наблюдается скопление относительно крупного (отмытого от мелочи) камня (рис. 6, б). При сильной засоренности каменного материала крепления некондиционным мелким грунтом (каменной мелочью, гравием, песком и т.п.) отложившийся у подножия пазух крупный камень не образует сплошного покрытия. Такой откос может долгое время подвергаться дальнейшему размыву и его следует закрепить, чтобы избежать опасных для плотины повреждений в верхней его части.
а - признаки и стадии формирования оползня; б - переработка волнами каменного крепления; в - измерения крупности камня, г - повреждения плитного крепления,
д - съемка откоса со льда.
Рисунок 6 – Признаки и стадии оползания откоса
Визуальными наблюдениями и обследованиями железобетонного крепления верхового откоса оценивались качество бетона, наличие процессов его коррозии. Признаками повреждения бетона плит являются: увеличение шероховатости поверхности, обнажение на поверхности плит камней заполнителя и арматуры, сколы кромок плит, появление глубоких каверн, возможность "разборки бетона руками", шелушение бетона, отсутствие упругой "отдачи" при ударе тяжелым предметом и др.
Кроме качества бетона плит визуальными наблюдениями и обследованиями контролируется: состояние и герметичность швов, геометрия плит и откоса в целом, состояние грунтовой постели под плитами. При осмотре швов оценивается наличие в них уплотнений (деревянные бруски, битумная заливка и др.) и их качество. Деревянные доски в швах проверяются острым щупом на загнивание, а битумное заполнение - на выдавливание из швов. Тщательным образом контролируется раскрытие отдельных швов и взаимные вертикальные смещения плит относительно друг друга.
Явными признаками взаимного смещения плит являются: образование вертикальных уступов в швах, провалы, перекосы или выпирание отдельных плит (рис. 6, г). Эти явления, как правило, сопровождаются расстройством швов, вымывом грунта из-под плит и образованием пустот под ними.
Нередки случаи, когда при внешнем благополучии состояния швов и бетонных плит методом сплошного простукивания по принципу "бухтит - не бухтит" под ними обнаруживаются пустоты (рис. 6, г). Обычно это явление связывают одновременно с недостаточной герметичностью швов, с низким качеством или полным отсутствием грунтового фильтра под плитами и "высасыванием" грунта через швы волнами. Установлено, что если образовавшиеся под швами пустоты своевременно не заполнить кондиционным грунтом (или растворами), а швы не загерметизировать, процесс вымыва может продолжаться и вызвать уже значительные деформации плит с полным расстройством швов.
Крепление низового (сухого) откоса плотины предназначено главным образом для предотвращения размывов грунта поверхностными водами, эстетического оформления, а в отдельных случаях - для защиты грунта откоса от промерзания. Обычно крепление низового откоса выполняют из щебня, гравия, мелкого камня или наброски, растительного грунта с посевом трав.
Обследованием крепления на низовом откосе следует устанавливать соответствие уложенного в него материала и фактической толщины защитного слоя требованиям проекта. Визуальными наблюдениями необходимо установить наличие повреждений (или даже отсутствие) крепления на отдельных участках. Для этого осуществляется тщательный осмотр поверхности откоса.
При осмотрах важно также отметить наличие на поверхности откоса поперечных (от гребня к подножию откоса) впадин, борозд, рытвин, углублений от следов бульдозера и т.п. Эти локальные углубления на откосе способствуют концентрации поверхностных вод в потоки, а последние приводят к образованию промоин, повреждениям крепления, эрозии грунта тела плотины.
Промоины на откосе формируются обычно в направлении от гребня к подножию откоса в виде оврагов (рис. 7, а). Смываемый потоками воды грунт транспортируется по промоинам к подножию откоса, где и откладывается. Часто это приводит к заилению расположенных в низовом клине плотины и в нижнем бьефе дренажных устройств и ухудшению условий разгрузки фильтрационного потока. Поэтому при осмотрах промоин необходимо проверить состояние дренажных устройств в створе оврага на предмет их заиления смываемым грунтом.
Визуальные наблюдения за работой и состоянием водосборных и водоотводящих кюветов на низовом откосе, как правило, предусматривают: контроль целостности бетонных лотков; проверку наличия и работы на прием воды дренажных отверстий в стенках и днище лотков; оценку транспортирующей способности лотков при перехвате и отводе поверхностных вод (возможность переполнения лотков водой); контроль заиляемости лотков смываемым с поверхности грунтом. Все эти контрольные операции проводятся путем тщательных осмотров стенок, днища, швов и дренажных отверстий лотков, а также специальных наблюдений за работой всей системы водосбора и отвода во время обильных дождей и снеготаяния.
а - вид промоин; б - проверка толщины крепления; в - водосборный лоток.
Рисунок 7 - Промоины на низовом откосе. Водосборный лоток. Крепление
Для ориентировки наблюдателя на рисунке (7,в) приведена типовая конструкция и схема сопряжения водосборного лотка с грунтовым телом и креплением на поверхности низового откоса.
Возникающие иногда на поверхностях откосов просадочные воронки и локальные понижения по своей природе аналогичны тем, которые наблюдаются и на гребне плотины. Просадки грунта на верховом откосе часто обусловлены интенсивной замочкой верховой призмы плотины при первоначальном наполнении водохранилища. На низовом откосе, как и на гребне плотины, просадки могут быть вызваны суффозионным выносом грунта из тела плотины, протаиванием захороненного при строительстве льда или снега, доуплотнением грунта в зонах рыхлой отсыпки, выпором слабых грунтов из основания под плотиной и др. Просадочные воронки или локальные понижения поверхности на откосе обнаруживаются при тщательных осмотрах поверхности в условиях хорошего бокового освещения или геодезической съемкой. Наблюдения за просадочными явлениями на откосах выполняются по аналогии с такими же наблюдениями на гребне плотины.
Практика эксплуатации грунтовых плотин показала, что со временем крутизна верховых откосов может существенно меняться, например, вследствие интенсивной замочки верховой призмы при наполнении водохранилища, переработки материала волнами, неравномерности осадки, динамических воздействий и др. Указанные изменения очертания откосов могут быть неблагоприятными в отношении их устойчивости.
Изменения очертания профиля откоса могут фиксироваться боковым фотографированием контура поверхности на фоне неба.
В период наполнения водохранилища или при нормальной эксплуатации сооружения иногда имеют место выходы профильтровавшейся через плотину воды на поверхность низового откоса. Они могут быть или в виде малоинтенсивного рассредоточенного высачивания и намокания грунта (мокрые пятна), или в виде отдельных сосредоточенных ручейков, фонтанчиков (грифонов), ключей. Все эти выходы воды на поверхность откоса могут представлять серьезную опасность для плотины, требуют тщательного контроля их развития и принятия необходимых мер инженерной защиты. Зафиксировать выходы воды с помощью КИА, установленной в плотине, не всегда представляется возможным.
Внешними проявлениями рассредоточенного выхода являются: заметное увлажнение грунта на поверхности откоса в зоне высачивания воды, оплывание водонасыщенного грунта, более густая и ярко зеленого цвета трава (если откос покрыт растительностью), характерные зеркальные блики при отражении солнечных лучей от увлажненной поверхности, образование проталин в снежном покрове или парение (в морозные дни) в пределах зоны водонасыщения грунта, образование наледей на откосе зимой и др. (рисунок 8).
Рассредоточенные выходы воды на откосе в виде мокрых пятен значительной площади хорошо обнаруживаются по отмеченным признакам визуальным способом, если поверхность чистая, не захламлена, не имеет мощного крепления камнем, а также травяной или кустарниковой растительности. Мокрые пятна выделяются на откосе более темным цветом влажного грунта, особенно в безветренную сухую погоду при перистой облачности.
Рисунок 8 - Выявление области высачивания воды на откос
Фильтрация в виде сосредоточенных выходов воды на дневную поверхность или под уровень воды в нижнем бьефе (грифоны, ключи, ручьи и т.п.) в ряде случаев может представлять реальную опасность для плотины, вызывая нарушения фильтрационной прочности грунта и сооружения.
Основными причинами появления очагов сосредоточенной фильтрации на низовом откосе плотины или примыкающей к нему территории могут быть следующие: наличие в теле плотины (или в основании) слабых в фильтрационном отношении прослоек грунта, явившихся следствием отступлений от проекта, плохого качества строительных работ или недостаточности изысканий; наличие снежно-ледовых прослоек, оставленных при возведении плотины; сквозные фильтрующие трещины в противофильтрационных элементах плотины; погребенные в теле плотины водопроводящие или жесткие элементы (трубы, шланги, бревна и пр.).
Признаками проявления очагов сосредоточенной фильтрации являются: наличие фонтанчика или ключа, выходящих на поверхность с некоторым напором (рис. 9, а, б); значительная интенсивность излива воды из очага; обводнение узкой полосы поверхности грунта на откосе ниже очага фильтрации; образование зимой ниже очага (по уклону) узкой наледи; парение откоса в морозные дни или появление проталин на снежном покрове в зоне действия сосредоточенного очага фильтрации; "кипение" песка вокруг подводных ключей, а в экстремальных случаях - интенсивный вынос мелкого грунта (мути) из очагов действия грифонов и др. При длительном действии очага сосредоточенной фильтрации в плотине или в основании, сопровождающимся суффозионным выносом грунта, на поверхностях выше очагов могут проявляться просадочные воронки.
а)
| б)
| в)
|
а – грифон; б – ключ; в - ручей
Рисунок 9 - Наблюдения за сосредоточенными очагами фильтрации
Сосредоточенные выходы фильтрации достаточно легко обнаруживаются визуальным способом путем тщательного осмотра всей поверхности низового откоса, прилегающей территории и береговых склонов, если они не замусорены, не имеют буйной растительности или специальных покрытий. При поисках сосредоточенных выходов воды следует ориентироваться на все те признаки их проявления, которые перечислены выше. Скрытые очаги сосредоточенной фильтрации (например, под слоем щебня или камня крепления низового откоса, в зарослях травы и т.д.) иногда можно обнаружить, проследив путь ручьев, вытекающих из-под покрытий на нижних отметках.
Опасными являются очаги, через которые происходит явный суффозионный вынос грунта из тела плотины или основания. Вынос грунта вместе с фильтрующейся водой фиксируется: зрительно по наличию или отсутствию мути в пробе воды, взятой из очага в чистую стеклянную посуду (просмотром на свет); по отложениям мелкого грунта вокруг очага или в местах рассредоточения вытекающей воды по площади; путем специального отбора проб воды и выпаривания из них твердого осадка. Визуальную оценку мутности профильтровавшейся воды следует производить непосредственно на месте, оперативно, при хорошем освещении и, желательно, путем сравнения с "эталонной" водой, в чистоте которой наблюдатель уверен (например, с водой, принесенной с собой в отдельной чистой и прозрачной стеклянной посуде).
Выяснение происхождения зафиксированных очагов сосредоточенной фильтрации (будь то на поверхности низового откоса, прилегающей территории или на береговых склонах) производится на основании тщательного анализа возможных причин их появления, перечисленных выше, а также соответствующей проектной и строительной документации (геологические разрезы по створу, справки по качеству уложенных в плотину грунтов, акты на скрытые работы и допущенные отступления от проекта и т.п.), результатов натурных наблюдений за сооружением под напором (характер и неравномерность осадки, появление поперечных трещин, образование просадочных воронок и др.). Анализ указанных причин и сопутствующей документации следует проводить в тесной увязке с местоположением очагов сосредоточенной фильтрации на плане сооружения относительно пикетов, высотных отметок, залегания и выходов отдельных слабых геологических слоев или линз в основании и берегах, отдельных трещин и др.
К дренажным устройствам грунтовых плотин относятся: дренажный банкет; дренажная призма (например, низовая призма тела плотины из каменной наброски); трубчатый закрытый дренаж (или грунтовая дренажная лента); наслонный дренаж; комбинированный дренаж (сочетание дренажного банкета с наслонным или внутренним дренажем), а также водосборные и водоотводящие канавы, трубы и т.п. (рис. 10, а).
Главное назначение дренажа плотины - сбор и отвод профильтровавшейся через плотину воды и защита тела плотины от суффозии. Исходя из этого, визуальными наблюдениями за работой дренажа плотины контролируются: наличие и характер истечения из дренажа фильтрующейся воды; прозрачность воды; признаки засорения или зарастания дренажа; частичное или полное перемерзание дренажа зимой.
Если дренаж плотины не подтоплен со стороны нижнего бьефа и доступен для осмотров, то выходы воды из него легко фиксируются осмотром выходных отверстий водовыпусков (например, из трубчатого дренажа) или контактов внешних откосов банкета, наслонной призмы с основанием. Выходы воды из грунтовых дренажей проявляются, как правило, в виде заметных на глаз мелких ручейков и водонасыщенности грунта у подножия низового откоса. Из водовыпусков трубчатого дренажа вода изливается в виде сосредоточенных струй, занимающих полностью или частично выходное сечение трубы. В дренажных канавах поступление профильтровавшейся через плотину и основание воды может прослеживаться в виде высачиваний на откосе, ближнем к плотине.
а - зоны визуального контроля дренажей; б, в - контроль течения воды поплавками;
г - температурный контроль работы дренажа; д, е - признаки выхода из работы дренажей.
Рисунок 10 - Наблюдения за дренажными устройствами плотины
При разгрузке воды из дренажа под уровень нижнего бьефа или образовавшегося за плотиной прудка (от скоплений в понижениях талых и фильтрационных вод) установить визуально исправность работы дренажа затруднительно, так как явные выходы воды зрительно практически не фиксируются. В этих случаях рекомендуется фиксировать движение воды в дренаже с помощью легких поплавков. В трубчатый дренаж поплавки запускаются через смотровые колодцы и отслеживается их движение в сторону водовыпусков (рис.10,б). У подтопленного дренажного банкета поплавки запускают в ряде мест по его длине от уреза воды на откосе и также отслеживают движение поплавков, если, конечно, прудок имеет организованный исток в виде прорези в грунте, канавы, трубы и т.п. (рис.10,в).
Для контроля работы дренажа в ряде случаев применяются сезонные измерения температуры воды как в самих дренажах (или вблизи них), так и в водохранилище. Если изменения температуры воды в дренаже хорошо коррелируются с изменениями температуры воды в водохранилище, есть основание считать, что дренаж работает. Например, в работающей подтопленной прудком дренажной призме температура воды у подножия наружного откоса летом будет ниже, а зимой, наоборот, выше, чем температура воды в прудке на некотором удалении от плотины, но более близко (с учетом некоторой временной сдвижки по фазе) будет совпадать с температурой воды в низовой призме плотины (рис. 10, г).
Отметим, что оценивать работу дренажа по расходам воды в водосборной канаве не всегда корректно, даже если она расположена близко от низового откоса плотины. Канава может собирать в себя воду, профильтровавшуюся через плотину в обход дренажа (например, из основания), а также верховодку.
Засорение дренажа оценивается визуально по отложениям мелкого (часто пылеватого) грунта в трубах-дренах, водовыпусках или в пустотах наброски банкета, в порах наслонных призм. Если после прочистки труб-дрен и водовыпусков в них через некоторое время снова откладывается мелкий грунт, то есть основание считать, что дренаж плохо защищен фильтром и требуются целенаправленный поиск дефектных мест и ремонт. Дренажная призма в виде банкета из наброски может быть засорена не только вследствие суффозионного выноса и отложения в пустотах камней мелкого грунта тела плотины, но и вследствие небрежности при проведении строительных работ (отсыпка некондиционного грунта, мусора и т.п.), а также попадания в банкет сверху мелкого грунта, смываемого поверхностными водами с низового откоса. Очистить дренажный банкет от засорения весьма сложно. Однако в отдельных случаях это частично удается сделать очень обильной проливкой его гребня и низового откоса водой (например, с применением брандспойта) в теплое время года.
Основным признаком выхода из работы дренажа тела плотины являются полное отсутствие или ничтожно малое истечение из него фильтрующейся воды и, как следствие этого, - значительное повышение поверхности депрессии в теле плотины (последнее фиксируется по показаниям пьезометров, расположенных перед дренажем, визуально или обоими способами). При этом происходит обводнение низового клина плотины, а фильтрационный поток выходит на низовой откос выше отметок расположения дренажа (рис. 10, д, е). Места выхода воды на поверхность откоса проявляются в виде мокрых пятен, имеющих более темный цвет, чем сухой грунт, а также эрозии и оплывания грунта.
Перемерзание дренажей чаще происходит в холодные и малоснежные зимы. Признаками перемерзания являются: прекращение истечения воды из водовыпусков, образование на них сосулек и наледей, продвижение наледей вверх над дренажем, образование наледей на поверхности низового откоса (происходит подъем поверхности депрессии, в местах высачивания на откос вода замерзает и т.д.). С перемерзанием дренажей можно бороться путем утепления водовыпусков и зон разгрузки профильтровавшейся воды (снежными отвалами, крупнообломочным грунтом, керамзитом и т.п.).
Обнаруженные визуальными наблюдениями участки выхода дренажа из работы, предположительные причины его повреждения заносятся в журнал наблюдений и на карту-развертку. Информация о повреждении дренажа оперативно сообщается ответственному должностному лицу ввиду опасности этого явления для плотины.
В местах сопряжений грунтовой плотины с жесткими бетонными сооружениями (устоями, подпорными стенками, донными водосбросами туннельного типа и др.) и крутыми берегами нередко возникает сосредоточенная по контактам фильтрация. Причинами этого могут быть: сегрегация и недостаточное уплотнение грунта в контактной зоне (у стенок, в пазухах, за выступами и т.п.); образование в грунте на контактах с бетоном или скалой сквозных горизонтальных трещин, обусловленных трением грунта по жесткой поверхности, снижением горизонтального нормального давления грунта на конструкцию и возникновением "арочного" эффекта; недостаточное заведение в грунт плотины сопрягающих противофильтрационных элементов (шпунт, шпора, реборды, зуб и др.); раскрытие контактного шва между грунтом и бетоном вследствие деформаций конструкции и др.
Осмотры зон сопряжения плотины с устоями, берегами и другими встроенными жесткими сооружениями следует производить очень тщательно и, главным образом, со стороны нижнего бьефа и гребня плотины, т.к. в этих зонах проявляется контактная фильтрация. Признаками контактной фильтрации являются: увлажнение или намокание грунта на контакте с бетонной поверхностью (берегом); появление ручейков или грифонов; появление мутности в профильтровавшейся воде; оплывание грунта в зоне контакта; образование наледей (зимой), проталин в снежном покрове или парение в морозные дни. При развитии контактной фильтрации и значительном суффозионном выносе грунта потоком на гребне плотины (бермах) могут образовываться просадочные воронки (рис. 11). При наличии в зоне сопряжения пьезометров или датчиков напряжений грунта они отреагируют соответственно повышением уровней и снижением бокового давления грунта на контактную поверхность бетона.
а - сопряжение с устоем, б - сопряжение с крутым берегом,
в - сопряжение с туннельным водосбросом
Рисунок 11 - Зоны визуального контроля сопряжения плотины с берегами и бетонными сооружениями
Территория, непосредственно примыкающая к подошве низового откоса, может рассматриваться как объект информации и диагностирования работы плотины и основания. Ряд жизненно важных для сооружения процессов проявляется на этой территории. Протяженность территории, подлежащей систематическим визуальным наблюдениям, от подошвы откоса вдоль оси речной долины, рекомендуется принимать не менее 2Н, где Н - напор на плотине.
Территория, не подтапливаемая нижним бьефом, подвергается регулярным тщательным осмотрам в целях выявления неблагоприятных для сооружения процессов и косвенных показателей его работы.
Объектами осмотров и контроля на прилегающей к плотине территории должны быть:
- все водовыпуски из дренажных систем плотины и основания, зоны разгрузки фильтрационных потоков из дренажных банкетов, наслонных призм и тюфяков;
- водосборные и водоотводящие канавы;
- естественные и искусственные понижения поверхности, включая воронки, строительные прорези и траншеи, старые карьерные выработки, озера и отдельные бочажки и т.п.;
- ключи, грифоны, ручьи, все неорганизованные зоны высачивания грунтовых вод на поверхность;
- места сопряжения внешней поверхности низового откоса плотины с береговыми склонами, береговые склоны;
- заболоченные участки территории;
- участки береговых осыпей, обрушений или подвижек склонов;
- береговые участки отводящих каналов ГЭС, водосбросов и других сооружений.
При осмотрах со стороны нижнего бьефа водовыпусков из дренажей или самих дренажных призм следует четко зафиксировать все участки явных выходов воды и составить необходимую характеристику этих выходов: интенсивность высачивания или величина расхода; наличие или отсутствие намоканий грунта выше водовыпусков; наличие или отсутствие мутности в фильтрующейся воде; характер изменений расходов фильтрующейся воды во времени (например, по сезонам, месяцам) и их связи с колебаниями уровня верхнего бьефа, выпадением осадков, изменениями температуры наружного воздуха и другими факторами.
При этом следует обратить внимание на то, что в местах суффозионного выноса фильтрационным потоком грунта из тела плотины или основания ниже (по течению) зоны разгрузки, как правило, имеют место заметные отложения мелкого грунта в виде языков, шлейфов или отдельных полосок.
В местах интенсивной разгрузки профильтровавшейся воды в естественные или искусственные водоемы вблизи низового откоса заметно меняется характер подводной растительности (водорослей). В этих водоемах водоросли либо совсем отсутствуют, либо их очень мало по сравнению с другими участками, где фильтрация незначительна. Это вызвано тем, что профильтровавшаяся вода, как правило, холодная, и, если ее поступает в водоем много, то происходит локальное изменение температурного режима водоема в районе фильтрационного выхода. В период ледостава и зимой участки интенсивных фильтрационных выходов в водоем характеризуются (и легко обнаруживаются визуально) наличием в местах выходов воды свободных от льда акваторий (майны, полыньи), а в морозные дни - парением.
При контрольных осмотрах водосборных и водоотводящих канав необходимо фиксировать процессы и участки их заиления грунтом, зарастания водорослями, а также очаги выхода мутной воды из откосов и дна канав. Зимой в водосборных канавах следует обращать внимание на наличие майн, продухов (полыней) или подмывов льда по линии уреза воды со стороны низового откоса плотины. Их наличие и местоположение могут свидетельствовать об интенсивных выходах фильтрации в этих местах.
При обнаружении в канавах проявлений в виде шлейфов мутной воды необходимо установить их происхождение. Возможность суффозии грунта оценивается, как отмечалось выше, измерениями и сравнением с допустимыми значениями фактического выходного градиента напора в точке проявления мутности. Другими причинами этого явления может быть стекание в канавы поверхностной мутной воды (например, после выпадения дождей) или подмыв грунта откоса канавы потоком и его оплывание.
В естественных и искусственных углублениях и понижениях на поверхности, примыкающей к низовому откосу плотины, включая воронки, траншеи, карьерные выработки, озера и отдельные бочажки, необходимо обращать внимание на появление и скопление в них воды, на цвет (мутность) воды, колебания уровня водной поверхности в зависимости от различных факторов (УВБ, дождей, температуры воздуха и др.), на характер и количество донных отложений.
Сосредоточенные и все другие выходы воды на поверхность территории, примыкающей к низовому откосу плотины, в виде грифонов, ключей, ручьев, высачиваний следует контролировать так же, как и аналогичные проявления непосредственно на плотине.
Заболоченные участки на прилегающей к плотине территории могут оказывать неблагоприятные воздействия на грунты основания (переувлажнение, снижение прочностных характеристик и др.). Воднорастительный покров заболоченных участков затрудняет наблюдения за проявлениями возможных серьезных дефектов или процессов: суффозионный вынос грунта, деформации выпора, грифоны и др. Глубокое перемерзание этих мест зимой может осложнять разгрузку через основание фильтрационного потока. В этой связи заболоченные участки должны находиться под визуальным контролем и подвергаться осушению путем устройства сети водоспускных дренажных канав.
Признаками заболачивания береговых склонов, кроме водонасыщения поверхностного слоя грунта (что трудно бывает обнаружить при густой растительности), являются: появление "пьяного" леса или отдельных деревьев, оплывание грунта по склону. Если это происходит вблизи плотины, то на склонах должны быть проведены соответствующие мелиоративные и укрепительные мероприятия. Не исключено, что при интенсивных выходах на береговые склоны грунтовых вод, являющихся следствием обходной фильтрации из водохранилища, участки высачивания необходимо защищать пригрузкой из дренажно-фильтрового материала (гравий, щебень, каменная мелочь, дресва и т.п.).
Наблюдая визуально места примыкания к плотине береговых склонов, необходимо обязательно фиксировать даже малозаметные признаки обходной фильтрации (а зимой - образование наледей) и ее характер, а также признаки образования промоин от верховодки в логообразных впадинах между поверхностями склона и низового откоса плотины.
Явления выпора слабых грунтов из основания плотины под действием ее собственного веса или выпора, обусловленного взвешивающими гидродинамическими силами выходящего на поверхность фильтрационного потока, как правило, наблюдаются вблизи подошвы низового откоса. Основными признаками выпора грунта являются: заметный подъем (часто волнообразного характера) земной поверхности, трещинообразование на выпуклостях (гребнях) гряд выпора, выходы на поверхность через трещины или другого вида очаги грязевых и водных грифонов с наличием мутности и др. При обнаружении выпирания (подъема) грунта на этом участке ватерпасовкой или нивелированием снимается несколько профилей. Выпор грунта представляет опасность для плотины и поэтому требуется принятие незамедлительных мер по его подавлению, в первую очередь, это пригрузка деформирующейся территории слоем дренажно-фильтрового материала (гравий, щебень, дресва и т.п.) и снятие избыточного напора в толще основания устройством самоизливающихся или откачиваемых дренажных скважин.
Наледи, образующиеся зимой в местах выходов на поверхность прилегающей к плотине территории фильтрующихся вод, хорошо поддаются визуальному контролю. При этом важно оценить характер развития наледи и ее влияние на режим фильтрации и работу плотины. Постоянно разрастающаяся внутрь и в высоту наледь (прогрессирующая) обычно с поверхности имеет волнообразный рельеф (наслоение наплывов). Она свидетельствует о фильтрационной природе образования наледи, величине фильтрации с перекрываемой ею площади основания (или низового откоса, берегового склона), а также создании наледью затруднений для разгрузки фильтрационного потока на дневную поверхность.
Наличие в льде наледи частиц грунта, следов ржавчины или мутности различных оттенков указывает на суффозионный вынос грунта из основания, тела плотины, трещин скального массива или на растворение и вынос потоком солей в породах основания.
Неразвивающаяся во времени наледь обычно возникает не вследствие намораживания фильтрующейся из основания и плотины воды, а из-за перемерзания воды в водоемах и вод поверхностного стока.
На территории, примыкающей к низовому откосу плотины и подтопленной нижним бьефом, состав визуальных наблюдений становится весьма ограниченным. В этих случаях наблюдениями следует контролировать признаки и места размывов (подмывов) низового откоса и берегов, деформации их креплений, явления просадок грунта на низовой берме, общее состояние и устойчивость береговых склонов.
При небольших глубинах воды у низового откоса значительные выходы фильтрации через плотину, разгружающиеся под уровень через дренажную призму или водовыпуски, можно обнаружить зимой по майнам в ледовом покрове вблизи откоса. В летние периоды с этой целью полезно тщательно изучить характер распределения подводной растительности и донных отложений вдоль уреза воды. Явление значительной механической суффозии может быть отмечено по шлейфам мутной воды, выходящим от откоса плотины в акваторию.
Наблюдениями за водной акваторией вблизи низового откоса важно выявить наличие неблагоприятных сбоев потока, водоворотных зон, способных произвести локальные размывы грунта или креплений в плотине и на береговых склонах.
При наличии в нижнем бьефе вблизи плотины водоотводящих каналов визуальными наблюдениями контролируется состояние разделяющей их территории в части размывов, обрушений, просадок и т.п.
Травяное крепление поверхности низового откоса от размывов верховодкой во многих случаях является достаточно эффективным. Однако травяной покров затрудняет контроль за выходами профильтровавшихся через плотину вод на откос (если таковые имеют место). Развитие на откосе кустарниковой растительности, с этой точки зрения, также нежелательно. Предусмотренная проектом растительность на откосе должна своевременно скашиваться, а непредусмотренная - удаляться.
Наличие крупных деревьев с развитой вглубь корневой системой на откосе недопустимо. Корнями могут пронизываться и нарушаться водоупорные и грунтовые элементы, забиваться фильтровые слои и дренажные устройства. При отмирании крупных корней по ним могут формироваться сосредоточенные очаги фильтрации. Визуальными наблюдениями все эти обстоятельства должны контролироваться.
При осмотрах низового откоса, покрытого травой, необходимо обращать внимание на густоту и цвет травы. В местах повышенной влажности, которые могут быть выходами фильтрационных вод или скоплениями верховодки, трава обычно растет более густой и имеет более яркий зеленый цвет, чем на сухих участках.
При обнаружении на поверхности откоса признаков жизнедеятельности землеройных и норных животных следует с помощью соответствующих специалистов установить их вид и особенности устраиваемых ими подземных ходов. При создании животными глубоких ходов в теле плотины, особенно в областях фильтрации, противофильтрационных элементов и фильтров, должны быть приняты необходимые меры по защите сооружения или переселению животных в другие места.
Необходимость этих наблюдений обусловлена тем, что при повреждениях указанных сооружений или отказе механического оборудования может оказаться невозможным нормальный пропуск расходов воды через гидроузел, что приведет к переполнению водохранилища, переливу воды через гребень и разрушению плотины.
Механическое оборудование гидросооружений (затворы, защитные заграждения, подъемные механизмы, средства автоматики, электрозащиты и др.) должно, как правило, периодически освидетельствоваться и проверяться механиками в соответствии с утвержденным графиком.
Визуальные наблюдения следует в большей мере направлять на выявление явлений и дефектов сооружения, препятствующих нормальной эксплуатации смонтированного на нем оборудования.
Наблюдениями контролируются: качество бетона, наличие и характер трещин, раковин, обнажений арматуры в местах опирания затворов; механические и коррозионные повреждения затворов и закладных частей; наличие и размеры наледей на затворах, в пазах, на водосливных поверхностях и других узлах; наличие и толщина ледового припая с верховой стороны затворов или чистота полыньи, если поддержание таковой предусмотрено условиями эксплуатации оборудования; целостность линий электропитания, распределительных щитков, лебедок и других важных узлов; состояние утеплений или работа систем обогрева пазов, опорных устройств, пролетных строений и затворов; наличие и размеры полей плавающего в верхнем бьефе перед затворами леса, торфа, мусора, льда.
