Волкрикская плотина: строительство, проблемы и геологические особенности
Wolf Creek Dam
Плотина Wolf Creek: строительство, история и роль в контроле паводков на р. Камберленд. Предотвратила ущерб на сотни миллионов долларов. Озеро Камберленд.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Строительство
Строительство плотины Волчья река было санкционировано Законом о борьбе с наводнениями 1938 года и Законом о речных портах и гаванях 1946 года как часть комплексного плана развития бассейна реки Камберленд. Строительство началось в 1941 году, но из-за Второй мировой войны и других факторов было завершено только в 1951 году. Озеро Камберленд – один из четырех основных водохранилищ для регулирования паводкового стока в бассейне реки Камберленд; остальные – плотина Дж. Перси Прист, плотина Дейл-Холлоу и плотина Центр-Хилл. Последний генератор был установлен в 1952 году. Хотя строительство плотины негативно сказалось на нескольких небольших городах, таких как расположенные ниже по течению Крилсборо и выше по течению Бернсайд, плотина предотвратила ущерб от наводнений на сотни миллионов долларов.
Construction of the Wolf Creek Dam was authorized by the Flood Control Act of 1938 and the River Harbor Act of 1946 as part of a comprehensive plan to develop the Cumberland River Basin. Construction began in 1941 but because of World War II and other factors, construction was not completed until 1951. Lake Cumberland is one of four major flood control reservoirs for the Cumberland; the others being J. Percy Priest Dam, Dale Hollow Dam, and Center Hill Dam. The last of the power generators was installed in 1952. While several small towns were adversely affected by the construction of the dam, such as nearby Creelsboro (downstream) and Burnside (upstream), the dam is credited with preventing several hundred million dollars in flood damage.
Характеристики
Вольф-Крик – плотина длиной 1748 м и высотой 79 м с комбинированной земляной и бетонной конструкцией. Бетонная часть плотины Вольф-Крик состоит из 37 гравитационных монолитов, которые составляют 547 м длины плотины и расположены в русле старого русла реки. Проливной участок включает в себя десять затворов типа Тайнтер и шесть нижних водосбросных затворов. В водозаборной части расположены напорные трубопроводы, питающие шесть турбин мощностью по 45 МВт. Земляная секция простирается от конца бетонной гравитационной части на 1200 м через долину к правой опоре. Её максимальная высота составляет 65 м над уровнем скального основания. Земляная насыпь не имеет зон и состоит из хорошо уплотненных глин с низкой пластичностью, взятых из аллювиальных отложений долины.
The Wolf Creek Dam is a 5736 feet (1748 m) long and 258 feet (79 m) high dam with a combined earthen and concrete structure. The concrete section of the Wolf Creek Dam consists of 37 gravity monoliths that comprise 1794.62 feet (547 m) of the dam's length, across the old river channel. The spillway section contains ten tainter gates and six low level sluice gates. The power intake section contains the penstocks that feed the six 45 MW turbines. The embankment section extends from the end of the concrete gravity portion 3937.008 feet (1200 m) across the valley to the right abutment. It has a maximum height of 213.2546 feet (65 m) above the top of rock. The non zoned embankment is composed of well compacted, low plasticity clays, from the valley alluvium.
Просачивание
В 1968 году были обнаружены признаки просачивания воды в земляных насыпях и фундаменте плотины Волк-Крик. У подножия плотины со стороны оттока появились провалы, а в отводящем канале плотины наблюдалась мутная вода. Причины просачивания были установлены в карстовой геологии региона, которая способствует растворению известняка в фундаменте плотины. Каналы растворения, образовавшиеся в результате этого процесса, создают условия для вымывания грунта, что усиливает эрозию фундамента. Плотина и прилегающий к ней водохранилище расположены на мощном карстовом основании. Карстовые образования – это крупные пустоты, залегающие под, казалось бы, монолитными породами известняка. Они формируются, когда известняковые породы со временем подвергаются воздействию воды, просачивающейся в результате естественных осадков. Дождевая или талая вода содержит растворенный углекислый газ из атмосферы, который в растворе образует слабую угольную кислоту. Эта кислота разрушает известняк, растворяя его и создавая пустоты в породе. Когда водохранилище с уровнем воды более 30 метров поднимается над таким фундаментом, гидравлическое давление воды легко вымывает цементирующие глины из трещин и пустот карстового основания. Устройство бетонного основания плотины в таком фундаменте, а также инъектирование водонепроницаемого раствора в пустоты между бетонным основанием плотины и скальным фундаментом (для заполнения пустот) обычно создает водонепроницаемый барьер над, в и под фундаментом бетонной плотины в карстовой зоне. Однако плотина Волк-Крик – это преимущественно земляная насыпная плотина. В этом типе конструкции основная часть сооружения плотины (измеряемая по длине в поперечном сечении русла реки) представляет собой условно водонепроницаемый земляной корпус, при этом здание ГЭС и (при наличии) контролируемый аварийный водосброс расположены внутри бетонного монолита. В случае плотины Волк-Крик земляная насыпь размещена непосредственно на прежнем русле реки, с удалением только поверхностных слоев почвы и глины. Хотя верхняя граница между основанием насыпи и старым руслом реки условно водонепроницаема, карстовые каналы растворения, проходящие глубоко под массивом земляной насыпи, могут непосредственно воздействовать на пористый и не защищенный от просачивания фундамент земляной части плотины. Именно это явление привело к проблеме просачивания. В качестве краткосрочного решения было применено цементирование существующих каналов просачивания, работы проводились с 1968 по 1970 год и считаются спасшими плотину. Просачивание, вероятно, нашло новые пути обхода, и, возможно, просачивается через ранее установленную водонепроницаемую завесу. С марта 2005 года, примерно в то время, когда были обнаружены повышенные скорости просачивания, уровень воды в озере Камберленд поддерживался практически на постоянном уровне, чтобы снизить нагрузку на конструкцию и ее фундамент. В конце января 2007 года Инженерный корпус армии США присвоил плотине статус "высокого риска" аварии, наряду с плотиной Центр-Хилл в штате Теннесси, обе из которых являются крупными плотинами выше по течению от Нэшвилла, штат Теннесси. Был предложен новый долгосрочный проект для решения или контроля текущей проблемы просачивания. Планируется строительство цементной завесы и новой бетонной диафрагмы увеличенных размеров с использованием современных технологий. Однако это может повлиять на водоснабжение до 200 000 жителей региона и встретило сопротивление со стороны владельцев пристаней для яхт, поэтому уровень воды остался на 12 метров ниже нормы. Этот пониженный уровень воды в озере будет поддерживаться в течение неопределенного времени и будет регулярно пересматриваться. Первый этап восстановительных работ начался в марте 2006 года. Второй этап, включающий цементирование фундамента плотины, начался в январе 2007 года. Строительство барьерной стены, начатое в 2009 году, было завершено в 2013 году, а уровень воды в озере вернулся к норме в 2014 году.
In 1968, signs of seepage problems within Wolf Creek Dam's earthen embankments and foundation were discovered. Sinkholes appeared at the downstream toe of the dam, and muddy water was observed in the dam's outflow channel. The seepage problems were traced to the karst geology of the region which allows for the dissolution of limestone in the dam's foundation. Solution channels caused by this process allow piping to occur, which adds to the rate of erosion in the foundation. The dam and its adjacent reservoir reside upon a heavy Karst bedrock foundation. Karst formations are large void spaces lying beneath seemingly solid species of limestone bedrock. Karst formations are created when limestone bedrocks are, over time, attacked by water through natural precipitation seepage. The rain or snowmelt water contains dissolved carbon dioxide from the atmosphere, which, in solution, forms a weak carbonic acid. That acid attacks the limestone rock dissolving it and thereby leading to the voids within the rock formation. When a reservoir of 100+ feet in elevation is raised above this style of foundation, the hydraulic pressure of the water easily dislodges the cementing clays that are in the cracks and void spaces of the underlying Karst foundation. Keying a concrete dam's footing form into such a foundation; along with injecting waterproof grout into the void spaces between the dam's concrete base and the rock foundation (so as to fill the foundation's voids) will usually create a watertight seal above, at, and below the foundation of a concrete dam, in a Karst locale. However Wolf Creek is primarily an earth fill embankment dam. In this form of construction the majority of the dam's structure (measured by length across the streambed) is a nominally waterproof earth fill embankment body, with only the powerhouse and (if so equipped) the controlled overflow spillway section located within a concrete monolith. In the particular case of Wolf Creek dam, the earth embankment section is placed directly upon the formerly existing streambed; with only the surface soils and clays removed. While the upstream interface between the embankment section's foot and the old streambed is nominally waterproof, the Karst solution channels far under the mass of the earth embankment section proper, can directly attack the porous and not waterproofed foundation of the earth embankment section of the dam. It is this phenomenon that has occurred and led directly to the seepage problem. A short term solution of grouting the existing seepage channels was employed immediately; grouting in the dam foundation ran from 1968 to 1970 and is credited with saving the dam. Seepage has likely found new paths around, and possibly through, the cut off wall previously placed. Since March 2005, around the time when increased seepage rates were discovered, Lake Cumberland has been held at nearly constant water levels to reduce the stresses placed on the structure and its foundation. In late January 2007, the U. S. Army Corps of Engineers placed the dam under a 'high risk' for failure designation, along with Center Hill Dam in Tennessee, both of which are two major dams upstream from Nashville, Tennessee. A new long term solution was proposed to solve, or control, the current seepage problem. A grout curtain and a new concrete diaphragm wall of greater dimensions will be constructed with newer technologies. However, this will affect up to 200,000 area citizens' water supply and has also met resistance from marina owners, so the water level has remained at 40 feet (12 m) below normal. This 40 ft. lowered lake level is to be held for an indefinite amount of time and will be subject to frequent review. Phase one remedial work began in March 2006. Phase two, which includes grouting the dam's foundation, began in January 2007. The barrier wall begun in 2009 was completed in 2013 and lake levels returned to normal in 2014.