Грунтовая плотина располагается на аллювиальных отложениях (песчаные и гравийно-галечниковые) мощностью до 12 м в пойменной части и до 30 м на участке примыкания к правому берегу.
Коэффициенты фильтрации на стадии проекта были приняты:
для супесей и пылеватых песков - до 1 м/сутки;
для песков - 10 м/сутки;
для гравийно-галечниковых отложений - 30 м/сутки.
Ниже аллювиальных отложений залегают практически водоупорные пермские глины.
Положение кривой депрессии в измерительном створе плотины контролируется пьезометрами, установленными на гребне плотины, на низовой берме и перед наслонным дренажем. Изменение напора фильтрационного потока в основании контролируется пьезометрами, установленными под гребнем плотины, перед и за дренажем (в паре с пьезометром в теле плотины) и пьезометром на низовой пойме. Плотина оборудована восемью пьезометрическими створами.
Трасса закрытого дренажа плотины проходит в низовой дренажной призме у основания низового откоса и оборудована водовыпуском на ПК 40 + 65. На трассе дренажа от ПК 37 до ПК 41 + 50 отмечена просадка коллектора (до 0,8 м) на длине в 70 м; коллектор на 70% живого сечения заилен мелкозернистым песком.
Замеры расходов в закрытом дренаже производятся в контрольных пунктах на водовыпусках с помощью мерных водосливов.
Наблюдения за осадками сооружений и их оснований выполняются путём ежегодного нивелирования от опорной реперной сети поверхностных марок геодезической КИА Поверхностные марки запроектированы в целях получения раздельно данных по осадкам основания и тела плотины: поверхностные репера установлены в теле плотины, а плиты-марки - в основании. Марки размещены в 5-ти створах. Типовое расположение марок в измерительном створе следующее:
поверхностная марка на гребне плотины;
поверхностная марка и плита-марка на низовой берме;
поверхностная марка и плита-марка перед наслонным дренажем.
Нивелирование геодезической КИА производится вторым классом точности от реперной сети, состоящей из опорных фундаментных и рабочих реперов. Точность определения отметок марок составляет ± 2 мм.
Качественные показатели состояния грунтовой плотины. Натурные визуальные наблюдения за состоянием грунтовой плотины Воткинской ГЭС проводятся за:
состоянием гребня и откосов грунтовой плотины с целью своевременного обнаружения локальных просадок, оползней и трещин гребня и откосов плотины;
состоянием волнозащитных креплений напорных откосов грунтовых плотин для своевременного обнаружения повреждений на плитах крепления, обнаружения дефектов шовного уплотнения плит, пустот под плитами и т.п.
состоянием низового откоса и береговых примыканий для обнаружения локальных размывов откосов, выклинивания фильтрационных вод на откосе плотины и в примыкании плотины к бетонным сооружениям;
заболачиванием основания в нижнем бьефе плотины;
состоянием дренажа плотины.
К диагностическим показателям, позволяющим дать оперативную оценку безопасности и состояния системы «сооружение - основание - водохранилище», отнесены фильтрационные расходы в закрытом дренаже плотины, отметки уровней воды в пьезометрах, градиенты напора и осадки тела и основания плотины.
Диагностические показатели должны быть оптимальными по количеству задействованного КИА и контролировать прежде всего те зоны сооружения, где его состояние не стабилизировалось и процессы носят незатухающий характер.
Диагностические показатели расхода воды в закрытом дренаже Дренажные расходы являются интегральным показателем и потому более информативны, чем локальные показатели (пьезометрические уровни), которые характеризуют состояние сооружения в ограниченной зоне. Желательно включать в состав диагностических показателей дренажные расходы, измеряемые на всех водовыпусках закрытого дренажа.
За диагностический показатель расхода в закрытом дренаже плотины № 2 приняты значения расхода, наблюдаемые на мерном водосливе водовыпуска № 1.
Диагностические показатели уровней воды в пьезометрах и градиентов напора в теле плотины
При назначении состава диагностических показателей выбирались наиболее ответственные створы для контроля изменений в положении кривой депрессии, в которых в свою очередь назначались наиболее опасные зоны в створе. К таким створам отнесены: створы с наибольшей высотой плотины, створы с наиболее высоким положением кривой депрессии и створы, расположенные в сопряжениях с бетонными сооружениями.
В качестве диагностических показателей, контролирующих положение кривой депрессии в измерительном пьезометрическом створе плотины, назначены показания пьезометров, расположенных:
в верховой призме плотины;
под гребнем плотины;
в низовой призме плотины, перед дренажем;
в основании плотины, перед и за дренажем.
Изменения в положении кривой депрессии можно ожидать в верховой призме плотины как из-за разуплотнения швов плит волнозащитного крепления (создающего экранный эффект), так и при дальнейшей кольматации верхового откоса. Заметные изменения положения кривой депрессии в низовой призме плотины могут быть вызваны нарушениями в работе дренажа или нарушениями фильтрационной (механической) устойчивости грунтов основания в зоне разгрузки фильтрационного потока.
Пониженная достоверность наблюдений за дренажным расходом из-за нарушений дренажного коллектора обусловила необходимость включения всех восьми пьезометрических створов в состав диагностических показателей за исключением пьезометров низкой работоспособности. К последним отнесены пьезометры;
с коэффициентом корреляции относительно действующих факторов ниже 0,4;
с временным трендом показаний.
В качестве створа, показания пьезометров которого использованы при назначении критерия К2 на основе оценки устойчивости плотины, назначен створ № 2 на ПК 39 + 48. Пьезометрический створ выбирался из следующих соображений:
положение кривой депрессии в створе наиболее высокое среди контролируемых створов;
высота плотины в створе близка к расчетной.
В состав диагностических показателей включён градиент напора на выходе в закрытый дренаж, где как показал опыт эксплуатации грунтовых плотин возможна постепенная кольматация обратного фильтра дренажа с выносом материала фильтра в дренаж. Подобные отказы дренажа вызваны ошибками в подборе состава фильтра или нарушениями строительной технологии. Градиенты напора на входе в дренаж грунтовых плотин определялись разницей показаний пьезометров, расположенных у дренажа, и уровнем нижнего бьефа (или отметкой оси закрытого дренажа) и расстоянием между пьезометром и осью дренажа L, м.
Диагностические показатели градиентов напора назначались в створах плотин с наиболее высоким положением кривой депрессии перед дренажем и с наиболее близким расположением пьезометра от дренажа.
Диагностические показатели градиентов напора определены на основе показаний пьезометров № 11 и скважины № 5 в пьезометрическом створе № 2.
Диагностические показатели осадки основания и тела грунтовой плотины
Значения осадок плотины в пяти контролируемых створах выбраны в качестве диагностических показателей осадки тела и основания грунтовой плотины.
Диагностические осадки тела плотины определены показаниями поверхностных марок, расположенных на гребне и перед наслонным дренажем.
Диагностическими показателями осадки основания плотины назначены показания плит-марок, расположенных под гребнем плотины (при нарушении последних - под низовой бермой) и в основании дренажа, контролирующие выпор или появление суффозии в зоне разгрузки фильтрационного потока.
В соответствии с действующими нормами [5, 8], проектное обоснование безопасности сооружений гидроузла выполняется при условии недопущения предельных состояний по устойчивости и прочности ГТС
γ1сF ≤ R/γn.
На стадии проекта приведенное требование выполняется на основании следующих расчетов [8]:
фильтрационной прочности тела, основания плотины и берегов в форме градиентов напора;
устойчивости откосов плотины и берегов;
осадок тела плотины и основания;
прочности креплений откосов на действия волн и льда.
Назначение критериев безопасности К1 и К2 по показаниям пьезометров в теле грунтовой плотины производилось для условий основного и особого сочетания нагрузок, определяемых в соответствии с требованиями действующих СНиП [5, 8],
Критерифхьные значения К1 положения кривой депрессии назначались для условий основного сочетания нагрузок при пропуске расчетного наводка обеспеченностью 1%: уровни бьефов - УВБ (НПУ) - 89,00 м, УНБ = 75,80 м; нормально работающий дренаж. Прогноз значений К1 получен с использованием регрессионной статистической модели.
Критериальные значения К2 положения кривой депрессии назначались для условий особого сочетания нагрузок. Расчетные случаи особого сочетания нагрузок принимались по требованиям СНиПов для условий пропуска поверочного расхода обеспеченностью 0,1% и при условиях пропуска расчётного расхода обеспеченностью 1 % и при закольматированном наслонном дренаже.