Противофильтрационные завесы, экраны из пересекающихся грунтобетонных колонн

Большинством европейских компаний противофильтрационные завесы сооружаются из пересекающихся грунтобетонных колонн, выполняемых по однокомпонентной технологии, иногда - в несколько рядов.

Так, итальянской компанией «Родио», для предотвращения фильтрации из отводного канала электростанции, г. Ровиго, была выполнена противо-фильтрационная завеса из трех рядов пересекающихся грунтобетонных ко-лонн с шагом 0,5 м, глубиной 18 м, в илисто-песчаных грунтах. Всего было пробурено 8000 скважин. Этой же компанией в 1982 г. была выполнена заво« са такой же конструкции в Сицилии. Общая протяженность рабочих скважин составила 1900 м, общий расход цемента - 260 т.

Итальянской компанией «Инъектоджет» была выполнена трехрядная противофильтрационная завеса в Порто Толле, Италия, в грунтах, включавших илы, пески, глинистые илы и илистые глины. Общая площадь завесы составила 1350 м2, общая длина выполненных колонн 8000 м. В результат 1 те прекратились потери воды из водохранилища; при остаточном напоре 6 м они составляли менее 1 л/с.

Эта же компания в 1981 г. выполнила в г. Монфалконе, Италия, для предотвращения фильтрации из отводящего канала электростанции горизонтальный противофильтрационный экран под дном канала - в виде плиты толщиной 3 м из пересекающихся грунтобетонных колонн диаметром 0,8 м с шагом 0,7 м. При этом глубина подошвы экрана была 13,6 м. Грунты - ил с песком рыхлой консистенции, с прослойками щебня. Общая протяженность технологических скважин составила 5000 м. Было израсходовано 600 т цемента.

Другой пример выполнения горизонтального противофильтрационного экрана относится к каналу Альц в Германии. Экран толщиной 0,6 м был выполнен германской компанией «ГКН Келлер» под дном канала. Колонны выполнялись в шахматном порядке, с длиной стороны треугольника 1,2 м. Использовался твердеющий раствор, содержащий 1000 кг цемента и 20 кг бентонита на 1 м3 раствора. В 1 м3 закрепленного грунта содержалось 200 кг цемента. Было выполнено 540 грунтобетонных колонн, площадь экрана составила 670 м2.

Интересный пример сооружения с помощью струйной геотехнологии завесы, играющей роль не только противофильтрационной, но и противосейсмической, представляют работы, выполненные в 1987 г. в Канаде при реконструкции Дамбы «Джон Харт»).

Дамба «Джон Харт» водозаборного сооружения гидроэлектростанции представляет собой комбинированную конструкцию, включающую железобетонное, гравитационное и насыпное подпорные сооружения. Она была построена в 1946 г. в 5 км от устья р. Кемпбелл. В виду высокой сейсмичности региона имела место опасность разжижения слабых грунтов в основании им бы вследствие сейсмических воздействий и, как результат, аварийной утечки воды из водохранилища. Грунты в основании дамбы были представлены дельтовыми отложениями с низким сцеплением, ниже которых располагался слой песчано-гравийных грунтов, подстилаемый водоупорным песчано-суглинистым слоем. Водоупор расположен на глубине 50 м от подошвы плиты бетонной дамбы водозаборного сооружения.

Сооружение завесы включало следующие этапы:

• бурение скважин через тело бетонной дамбы толщиной 23м и погружение направляющих труб до подошвы фундаментной плиты;
• выполнение двойного ряда пересекающихся грунтобетонных колонн с образованием противосейсмической завесы площадью 1980 м2.

На рис. 2.2 показана противофильтрационная завеса в основании железобетонного водоприемного шлюза гидроэлектростанции.

Рис. 2.2. Противофильтрационная завеса (для противосейсмической защиты) из пересекающихся грунтобетонных колонн в основании водоприемного шлюза гидроэлектростанции Джон Харт, Канада
А - бурение скважин в теле железобетонного водозаборного шлюза и установка направляющих стальных труб; В - сооружение с помощью струйной геотехнологии противофильтрационной завесы из пересекающихся грунтобетонных колонн; 1 - вода; 2- аллювиальные отложения в дельте реки; 3- водоупор

Указанные работы выполнялись без прекращения функционирования гидроэлектростанции и без понижения воды в водохранилище. Использование струйной геотехнологии позволило выполнить завесу из материала с пластичными свойствами на основе воды, цемента и бентонита. При этом благодаря специальным техническим решениям, риск больших потерь воды пыл полностью исключен. Кроме того, стенка из грунтобетонных колонн была выполнена также для защиты котлована глубиной 10 м, устраивавшегося с целью замещения разжижающихся грунтов уплотненной ледниковой валунной глиной по обе стороны водозабора, в том числе и бетонной дамой. В качестве технических условий по материалу завесы выдвигались следующие:

• коэффициент фильтрации должен быть меньше 10-6 см/с;
• семидневная прочность материала на сжатие должна быть от 30 до 100 кПа;
• способность выдерживать через 7 дней 10% расчетной нагрузки.

Был выбран состав цементо-бентонитового раствора, включавший 12% цемента и 4% бентонита по массе для обеспечения упругих свойств материала, исключающих его растрескивание при сейсмических воздействиях.

Длина грунтобетонной завесы составила 60 м. Высота грунтобетонных колонн - 14 м. Диаметры грунтовых колонн - 80 см. Расстояние между осями рядов грунтобетонных колонн было принято 600 мм, а между центрами колонн - 625 мм. Применялась однокомпонентная грунтобетонные колонны. Монитор диамефом 58 мм был оборудован двумя боковыми насадками диаметрами от 2 до 2,2 мм, а также трехшарошечным долотом.

Перед началом работ с использованием струйной геотехнологии были проведены экспериментальные работы, в ходе которых проверялись варианты двухэтапных технологий: с предварительным размывом грунта водой и с повторным размывом и закреплением грунта раствором. В результате была принята следующая технология:

1. Бурение рабочей скважины на всю глубину.
2. Подъем монитора до подошвы бетонной фундаментной плиты (по осям насадок).
3. Первая колонна сооружается на первом этапе сверху вниз при частоте вращения 12 мин-1 и скорости опускания монитора 30 см/мин.
4. На втором этапе производится подъем работающего вращаемого монитора со скоростью 30 см/мин.
5. Вторая (смежная) колонна сооружается сверху вниз со скоростью опускания 15 см/мин. Для этой колонны второй этап исключается.
6. Кондуктор заполняется на высоту 12 м свежим раствором и организуется его циркуляция для поддержания напора в течение 48 часов до затвердевания раствора. Это предотвращает оседание раствора вследствие расслоения.

В 1989 г. компания «Паккиози Норт Америка Инк.» выполнила с помощью струйной геотехнологии противофильфационные завесы в основаниях двух дамб, ограждающих котлован машинного здания гидроэлекфостанции Ла Гранде 1 в Канаде. Наблюдения показали, что в котлован глубиной 30 м со стороны верховой дамбы поступает приток в количестве 1,5 м3/с. Наблюдались также повышенные осадки обеих дамб вследствие суффозионной эрозии. Вначале было начато сооружение водонепроницаемой завесы в теле дамбы методом стена в грунте. Однако через несколько недель работы по выполнению указанной конструкции были остановлены по следующим причинам:

• неустойчивость разрабатываемой траншеи;
• образование пустот;
• очень большие затраты времени на разработку траншеи;
• большой расход бентонита и цемента;
• риск разрушения ядра дамбы.

Тогда было принято решение выполнить в максимально сжатые сроки противофильтрационные завесы с помощью струйной геотехнологии.

Завесы из пересекающихся грунтобетонных колонн были выполнены на участках ядра дамб, где наблюдалась фильтрация. На верховой дамбе было выполнено по 138 грунтобетонных колонн (через 80 см по осям) с каждого конца выполненной конструкции стены в грунте. Общая длина грунтобетонных стенок составила 140 м, общая длина выполненных колонн - 861 м. Глубина бурения рабочих скважин составляла от 12 до 30 м, а высота грунтобетонных колонн - от 0,5 до 14 м. Работы были выполнены за 18 дней (при 12-часовой рабочей смене и 7-дневной рабочей неделе). На низовой дамбе была выполнена грунтобетонная завеса общей длиной 100 м в центральной части дамбы.

Общее количество колонн было 128, при общей их длине 705 м. Работы на этой дамбе также были выполнены за 18 дней, несмотря на неблагоприятные климатические условия (температура воздуха до -40° С). Применялась однокомпонентная технология. Грунтобетонные колонны имели диаметр 1,2 м, коэффициент фильтрации материала - 10-6 см/с.

Компанией «Стрейбедж, Лима АГ» была выполнена противофильтрационная завеса в основании дамбы Тика, в 50 км от Найроби, столицы Кении. Грунтовая дамба Тика высотой до 65 м имела глиняное ядро. Протяженность дамбы поверху около 500 м. Грунты основания дамбы на глубине до 35 м были представлены полностью разрушенными вследствие выветривания вулканическими породами и илистыми глинами, ниже располагались вулканические породы с различной степенью трещиноватости. Материал завесы должен был иметь коэффициент фильтрации не более 10-7 см/с и модуль деформации 400-700 МПа.

На проектной стадии были приняты трехкомпонентная технология и диаметр грунтобетонных колонн 1000 мм при расстоянии между их осями 800 мм.
Перед началом работ была выполнена экспериментальная стенка из 16 пересекающихся колонн глубиной 20 м, при расстояниях между центрами колонн 800 и 600 мм. В результате экспериментальных работ удалось установить следующее.

Три колонны не удалось выполнить на требуемую глубину вследствие наличия линз прочных грунтов в слабых грунтах основания. Для прочных, грунтов были подобраны соответствующие значения параметров технологического процесса. Для обеспечения требуемых диаметра и прочности материала грунтобетонных колонн был принят цементо-бентонитовый раствор. Была разработана специальная технология, которая предполагала размыв грунта водяной струей в искусственном воздушном потоке при перемещении монитора сверху вниз, а при подъеме монитора - работу по схеме обычной трехкомпонентной технологии. При этом удаляется дополнительное количество размытого грунта и повышается доля раствора, остающегося в теле колонны. По этой технологии были выполнены 2 колонны, а 16 колонн - по традиционной трехкомпонентной технологии.

Был выполнен контроль качества работ с отбором кернов при бурении ряда колонн в диагональном направлении. Результаты позволили определить требуемые значения параметров технологического процесса, в том числе разные скорости перемещения монитора вдоль скважины, в зависимости от прочности размываемых грунтов. Было установлено, что при использовании технологии с предварительным размывом грунта в слабых грунтах основания получаются колонны диаметром 1,2 м.

Строительные работы по сооружению завесы выполнялись с платформы, передвигающейся по рельсам, проложенным вдоль оси завесы. После сооружения грунтобетонной завесы была выполнена инъекционная завеса в нижерасположенных трещиноватых грунтах.

Компании «Эйруп Джеотекникс» и «Келлер Колкрет» выполнили в Джерси, Англия, грунтобетонную плиту при реконструкции здания банка Мидленд. Грунтобетонная плита толщиной 1,5 м из пересекающихся колонн выполняла одновременно две функции: противофильтрационного экрана в котловане с пригрузкой против давления субартезианских подземных вод и упора в зоне пассивного отпора для подпорной стенки, которая, не будучи сильно заглубленной, удерживалась от смещения в верхней части горизонтальной распоркой, а в нижней части - указанной грунтобетонной плитой.

Грунты были представлены слоями эллювиальных песков, торфа, аллювиальных отложений. Использовалась трехкомпонентная технология со слледующими значениями параметров: диаметр водяной насадки 2,6 мм, расход воды 90 л/мин, под давлением 40 МПа, давление воздуха - 0, 5 МПа, расход подаваемого раствора 105 л/мин, под давлением 1,5 МПа, плотность раствора 1750 кг/м3, при водоцементном отношении 0,6, частота вращения монитора 10 мин-1, скорость подъема монитора 10... 17 см/мин. Диаметры грунтобетонных колонн, полученных при таких значениях параметров, составили 1,2 м.