Иванов В.М. и др. Расчет и проектирование гидротехнических сооружений для гидроэлектростанций малой мощности и объектов водоснабжения и водоотведения

Подождите немного. Документ загружается.

-21-

можно выполнять висячими, т. е. не доходящими до водоупора. Диафрагмы

могут быть жесткими и гибкими. Глубину заложения и размеры диафрагм ус-

танавливают фильтрационными и статическими расчетами.

Рисунок 7 - Типы сопряжений плотин с основанием

Плотины с экраном и понуром (рисунок 7ж). Горизонтальный понур яв-

ляется продолжением наклонного экрана, и выполняют его из таких же грун-

тов, что и экран. Длину понура определяют фильтрационными расчетами по

допустимым расходам и скоростям фильтрационного потока при выходе его в

нижний бьеф, однако её принимают равной не более пяти-шести напоров на

плотину.

в) г)

д) е)

ж)

з)

а) б)

-22-

3.3 Деление земляных плотин по способам их возведения

По способам постройки плотины делятся на следующие типы:

а) плотины насыпные, возводимые путем сухой отсыпки грунта и после-

дующего его уплотнения (укатки);

б) плотины намывные, строительство которых производится при помощи

гидромеханизации, или гидравлическим способом, когда грунт разрабатывает-

ся в карьерах, доставляется к месту постройки и, главное, укладывается (намы-

вается) в тело плотины при помощи воды;

в) плотины полунамывные, при возведении которых грунт разрабатыва-

ется в карьерах, доставляется к плотине и отсыпается в боковые части (внеш-

ние призмы) ее тем же методом, что и в насыпных плотинах, но укладка грунта

во внутреннюю часть (ядро плотины) совершается при помощи воды путем от-

мыва глинистых фракций из отсыпанного грунта; в настоящее время этот тип

плотин применяется редко.

В плотинах намывных и полунамывных, выполняемых из неоднородного

грунта, последний сортируется при помощи воды по крупности так, что про-

филь плотины близок к типу IIа или IIб (рисунок 6), причем в последнем случае

крупность частиц грунта к откосам плотины постепенно увеличивается. В по-

лунамывных плотинах тип IIб видоизменяется тем, что по откосам плотина

оказывается прикрытой насыпным грунтом, содержащим довольно большое

количество мелких частиц.

При намыве плотины из однородного грунта (песка) такого фракцио-

нирования частиц грунта не получается, и плотина выполняется по типу I, III,

IVб или V (рисунок 6).

Кроме указанных основных способов строительства плотин в последнее

время применялись еще в отдельных случаях:

а) способ сухой отсыпки плотин без последующей укатки;

б) мокрый способ, при котором сухой лёссовый или моренный грунт от-

сыпается на участки тела плотины, огражденные валиками и залитые водой на

глубину 0,5-0,7 м;

в) способ направленных взрывов, когда плотина образуется путем массо-

вого выброса грунта с берегов после взрыва заложенных в него зарядов взрыв-

чатого вещества.

-23-

3.4 Условия работы земляной плотины

Материал тела земляной плотины, вообще говоря, всегда в той или иной

мере проницаем для воды. Поэтому в теле плотины создается поток воды,

фильтрующейся из верхнего бьефа в нижний.

Рисунок 8 - Схема фильтрации и насыщения плотины водой

Свободная поверхность этого фильтрационного потока (рисунок 8), по-

степенно понижающаяся к нижнему бьефу, называется поверхностью насыще-

ния, или депрессионной поверхностью, а линия пересечения ее с вертикальной

плоскостью, проводимой поперек оси плотины, называется линией насыщения

или депрессии, или депрессионной линией.

Ниже депрессионной поверхности (линии) грунт плотины насыщен во-

дой, взвешивается ею; выше депрессионной линии находится зона капиллярно-

го поднятия воды, высота которой зависит от свойства капиллярности грунта: в

песчаных грунтах она достигает 5-15 см, в суглинистых и глинистых - 0,5-1,5 м

и более.

Выше капиллярной зоны грунт обладает небольшой влажностью, так на-

зываемой естественной влажностью, зависящей от климатических условий

(влажность воздуха, количество осадков, температура и пр.) и состава самого

грунта.

Границы описанных зон изменяют свое положение в зависимости от ко-

лебаний горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах.

Например, при сработке водохранилища линия депрессии АВ или ABC

(рисунок 8) понижается до линии А

или А

. Положение депрессионной

линии зависит также от высоты уровня нижнего бьефа, а при проницаемом ос-

новании и отсутствии воды в нижнем бьефе - и от уровня грунтовых вод

(рисунок 8б).

а)

б)

-24-

Линия депрессии устанавливается в положениях, указанных на

рисунке 8, лишь с течением времени, при длительном стоянии определенных

горизонтов верхнего и нижнего бьефов (стационарный режим); в остальное

время она занимает промежуточные положения.

Фильтрация, воздействие воды верхнего и нижнего бьефов, клима-

тические условия создают сложный режим земляного тела плотины.

В зоне насыщения водой грунт взвешивается гидростатическим дав-

лением и подвержен действию фильтрационных сил (гидродинамическое дав-

ление), стремящихся сдвинуть частицы грунта в направлении к низовому отко-

су; мельчайшие частицы грунта могут при этом выноситься в нижний бьеф (яв-

ление суффозии), сам же откос может оползать, обрушаться. Прочность грунта,

насыщенного водой, несколько падает вообще по сравнению с сухим. В плоти-

нах из проницаемых грунтов могут иметь значение потери воды из верхнего

бьефа (фильтрационный расход).

Волнение воды в верхнем и нижнем бьефах может размывать грунт отко-

сов в пределах колебания уровней воды, это вызывает необходимость крепле-

ния откосов. Ледяной покров, образующийся в верхнем бьефе, может также

повреждать откосы.

При температурах ниже 0° откосы плотины выше горизонта воды и гре-

бень её могут промерзать, а суглинистые и глинистые грунты их при этом бу-

дут пучиться, а при оттаивании оползать и образовывать трещины; трещины

могут появляться в тех же грунтах и при высыхании откосов в жаркое время

года. Поперечные трещины опасны ввиду возможности развития по ним раз-

рушительной фильтрации.

Атмосферные осадки, выпадающие на плотину, частью просачиваются

внутрь и смачивают тело плотины, частью стекают по откосам. Смачивание те-

ла плотины водой понижает прочность ее грунта, что нежелательно, поэтому

принимаются меры к ускорению и упорядочению стока дождевых вод с гребня

и откосов путем поверхностного дренажа и крепления откосов.

Таким образом, водопроницаемость грунта и фильтрация воды в теле

земляной плотины играют весьма важную роль. Статистика показывает, что

около 45% аварий и разрушений земляных плотин произошло вследствие не-

достаточности мер по борьбе с фильтрацией воды; около 15% аварий являются

результатом оползания откосов, вызванного большей частью также действием

фильтрационных вод.

3.5 Дренаж плотин

В целях уменьшения водонасыщенной зоны в плотинах и повышения ус-

тойчивости откосов, получения более обжатых и экономичных профилей пло-

тин применяется дренаж плотин, т.е. введение в тело плотин зон или полостей,

заполненных крупнозернистым материалом (гравием, щебнем, камнем) с ни-

чтожным сопротивлением фильтрации, а иногда даже труб, перехватывающих

-25-

фильтрационный поток. Дренаж приводит к снижению депрессионной кривой.

Существуют следующие основные виды дренажа:

• дренажная призма (рисунок 9а). Дренажная призма выполняется, как

правило, трапецеидального сечения. Берма (верх призмы) - шириной от 2 до 3

м. Заложение внутреннего откоса m

= 1,0-1,5, наружного m

= 1,5-2,5. Высота

должна быть на 0,5-1 м выше выхода депрессионной кривой на внутренний от-

кос призмы, в первом приближении на 1-1,5 м выше расчетного уровня воды в

нижнем бьефе (рисунок 10);

Рисунок 9 - Схемы дренажа плотин:

а - дренажная призма; б - дренажный тюфяк; в - трубчатый дренаж

• дренажный тюфяк (рисунок 9б). Толщина каменной отсыпки определяет-

ся по расчетами, но должна быть не менее глубины промерзания плюс 0,2 м;

• трубчатый дренаж (рисунок 9в). Трубчатый дренаж выполняется из труб

диаметром не менее 0,2 м или каменной отсыпки в железобетонном или бетон-

ном лотке, окруженном обратными фильтрами (рисунок 11). Трубчатый дре-

наж располагается от нижнего бьефа на расстоянии l

, принимаемом от 1/6 до

1/4 ширины плотины по основанию.

а)

б)

в)

-26-

Возможны также комбинированные типы. В зависимости от наличия или

отсутствия дренажа земляные плотины делятся на дренированные и недрени-

рованные.

Рисунок 10 - Конструкция дренажной призмы

Рисунок 11 - Конструкция трубчатого дренажа

3.6 Пропуск воды через земляные плотины

Пропуск воды через земляную плотину нежелателен, а перелив через ее

гребень без специальных устройств вообще недопустим, так как ведет к быст-

рому ее разрушению.

Поэтому земляные плотины устраиваются, как правило, глухими.

Водоспуски в теле земляной плотины устраиваются при соблюдении ря-

да предосторожностей.

3.7 Выбор типа земляной плотины. Роль имеющихся для плотины

материалов

Многочисленные типы земляных плотин в основном определяются нали-

чием того или иного местного материала.

Наиболее простым, дешевым и удобным в производственном отношении

является ил плотины из однородного материала (тип I, рисунок 6а). Однако он

требует нужного количества доброкачественного материала, удовлетворяюще-

-27-

го требованиям водонепроницаемости, прочности и экономичности. Однород-

ные плотины строятся из суглинков, супесей, песков, песчано-гравелистых и

даже галечных грунтов.

Чем выше плотина, тем обычно труднее получить хороший грунт в нуж-

ном количестве. Тогда переходят к плотинам типа II (рисунок 6) с, ограничен-

ным количеством достаточно водонепроницаемого грунта, выполняя из него

или внутреннюю центральную часть, обсыпая ее пористым грунтом (тип IIб,

рисунок 6в), или напорную часть, располагая в остальной прочие грунты (тип

IIа, рисунок 6б). Следует учитывать, что при строительстве гидроузла, в кото-

рый входит земляная плотина, в распоряжении строителей имеются, прежде

всего, грунты из выемок под водослив и под другие сооружения узла (шлюз,

гидростанцию, подходные каналы и пр.), которые желательно использовать в

полезную насыпь, т.е. в земляные сооружения узла - плотину, дамбы, перемыч-

ки и пр. В общем балансе грунты полезных выемок могут играть большую

роль, а специальные карьеры для земляной плотины иногда даже меньшую.

Этим обстоятельством объясняется факт распространения высоких плотин из

разных грунтов, именно типа IIб (рисунок 6в) с центральной водонепроницае-

мой частью, обсыпанной разными грунтами в порядке возрастания крупности

зерен их и пористости к откосам. Тип IIa (рисунок 6б) менее распространен,

хотя он более целесообразен в фильтрационном отношении, но верховой откос

в таких глубинах должен быть более пологим, чем в типе IIб (рисунок 6в).

При крайне ограниченном количестве хорошего водонепроницаемого

грунта переходят к типам плотин III и IV (рисунок 6г, д, е, ж), которые можно

выполнять вообще из всяких грунтов; причем если имеется пластичный водо-

непроницаемый грунт, то осуществляют тип IIIа или IVа (пластичный экран

или ядро), а если и его нет, то IIIб или IVб (жесткий экран или диафрагма).

Что касается типа V (рисунок 6), то он целесообразен, когда из полезных

выемок гидроузла получается много камня, не используемого для других со-

оружений. Наброска этого камня в низовую часть плотины создает весьма ра-

циональный тип плотины. Геологические условия определяют, прежде всего,

материал для плотины, но, кроме того, они могут влиять на выбор типа плоти-

ны сами по себе. Если водонепроницаемый связный грунт лежит близко от по-

верхности, целесообразны все типы плотины без жестких экранов или диа-

фрагм; последние лучше сопрягаются со скальным основанием, однако есть

случаи применения диафрагм и при глинистых основаниях с установкой диа-

фрагмы на надежный шпунт.

При глубоком залегании водонепроницаемого грунта можно применять

плотины с понурами, если нецелесообразно смыкаться с водонепроницаемой

слишком глубоко залегающей толщей, а в противном случае - плотины с экра-

нами и диафрагмами, сопрягающимися глубокими зубьями с водонепроницае-

мыми основаниями.

Климатические условия в известной мере также влияют на выбор типа

плотины. Суровые зимние условия заставляют применять мощный защитный

-28-

слой по откосам, приближая однородную плотину к типу плотины с централь-

ной водонепроницаемой частью (тип IIб, рисунок 6в). В этих условиях вообще

предпочтительнее плотины из несвязных или малосвязных грунтов с диафраг-

мами или жесткими экранами, тем более, что в северных местностях сезон для

постройки земляных плотин очень короток, плотины же из несвязных и мало-

связных грунтов можно строить и при небольших морозах.

Обилие атмосферных осадков делает невозможной укатку глинистых

грунтов в период дождей, поэтому при подобных условиях надо стремиться к

уменьшению объема глинистых грунтов в плотине или полному их исключе-

нию, т.е. с этой точки зрения целесообразнее плотины типа III и IV (рисунок 6),

причем даже лучше IIIб и IVб с жесткими диафрагмами и экранами.

Производственно-экономические условия. Наличие того или иного обо-

рудования для постройки плотины (экскаваторы, скреперы, вид транспорта,

катки и пр.) определяет темпы возведения земляной плотины, которые в со-

временных условиях для больших плотин характеризуются суточной произво-

дительностью земляных работ по насыпи плотин до 30 000 м

. Сроки возведе-

ния зависят от имеющейся механизации для работ и типа плотины: проще все-

го выполнять однородную плотину и затем плотину с экраном, плотины с яд-

рами, диафрагмами, плотины из нескольких грунтов сложнее, так как темпы

возведения отдельных частей между собой связаны, и чаще всего наличие

«многодельности» тормозит работу.

Большую роль играют общий план работ по гидроузлу, часть которого

составляет земляная плотина, очередность их, а также экономические показа-

тели плотины: стоимость ее, сроки возведения, условия эксплуатации. Оконча-

тельный выбор типа плотины может быть сделан после суммарного учета

влияния всех перечисленных выше факторов.

-29-

4 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

4.1 Общие требования к материалам для земляных плотин

Основными качествами, которыми должен обладать грунт для тела одно-

родной земляной плотины, являются водонепроницаемость, прочность, харак-

теризуемая в основном внутренним трением и сцеплением, и водоустойчи-

вость.

В плотине, выполняемой из нескольких грунтов, каждая часть ее требует

грунта, обладающего специфическими для этой именно части качествами. Так,

защитный слой должен обладать только прочностью и водоустойчивостью, для

ядра и понура особенно важна водонепроницаемость, для экранов - пластич-

ность, водонепроницаемость и прочность. Грунты, укладываемые у верхового

(напорного) откоса, должны быть вообще возможно более водонепроницаемы;

наоборот, зону низового откоса целесообразно устраивать из грунта более во-

допроницаемого, так как это ведет к снижению кривой депрессии близ этого

откоса и к увеличению его устойчивости. Наконец материал дренажных призм

и обратных фильтров должен быть пористым, а для фильтров, кроме того, по-

добранным по определенному закону. Материал для намывных плотин должен

удовлетворять некоторым дополнительным требованиям, указываемым ниже.

4.2 Гранулометрический состав грунта

Основной характеристикой грунта, по которой можно судить о его важ-

нейших свойствах, является гранулометрический состав.

Насыпные плотины. Наилучшим грунтом для однородной, земляной пло-

тины была бы такая естественная смесь частиц разной крупности, в которой

мельчайшие пылеватые и глинистые частицы (d < 0,01÷0,005 мм) заполняли бы

поры между более крупными (песчаными, гравелистыми), образующими ске-

лет, обеспечивая вместе с тем непосредственное соприкосновение между собой

крупных частиц. Подобный грунт обладает большим углом внутреннего трения

и вместе с тем благодаря заполнению пор тонким глинистым материалом - нич-

тожным коэффициентом фильтрации. Содержание глинистых частиц в грунте

характеризует и водонепроницаемость и прочность грунта. При содержании

этих частиц 6-25% всего объема грунта он пригоден для однородного тела пло-

тины, при большем - только для ядер, экранов, понуров. Песчаные грунты мо-

гут быть применены для однородных плотин, если коэффициент фильтрации

их достаточно мал, в противном случае они идут в проницаемые части тела

плотин (низовые), если же из них выполняется все тело плотины, требуются

противофильтрационные устройства - ядра, диафрагмы, экраны и т.п.

Одной из основных характеристик грунта является его зерновой состав.

Нижние границы зерновых составов и названия отдельных фракций по их раз-

мерам приведены на рисунке 12.

-30-

Большое значение имеет степень неоднородности грунта, характе-

ризуемая коэффициентом

, где d

и d

- размеры зерен, мельче кото-

рых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % по весу. При η≥30÷100

грунты обладают малой порозностью и хорошо уплотняются, при η<5÷10 грун-

ты уплотняются плохо, обычно они более водопроницаемы.

Если поблизости не имеется грунтов для однородной плотины, то пере-

ходят к другим типам - из нескольких грунтов, с водонепроницаемыми экрана-

ми, ядрами и пр. При наличии специальных противофильтрационных уст-

ройств тело плотины может быть выполнено из водопроницаемых грунтов. Во-

обще земляные плотины строят только из грунтов, находящихся на месте или

поблизости от места их постройки. Карьеры грунтов, расположенные далеко от

створа плотины, нецелесообразно использовать, так как дороговизна перевозки

грунта сделает плотину неэкономичной.

4.3 Водоустойчивость и примеси

Грунты, укладываемые в частях плотины, насыщаемых водой, должны

обладать водоустойчивостью, т.е. не должны разжижаться и растворяться в во-

де; водорастворимых примесей допускается не более 3%. Однако в некоторых

районах РФ приходится возводить плотины ив грунтов с большим содержа-

нием солей за отсутствием лучшего материала. Вопрос этот не является еще

окончательно выясненным.

Грунты также не должны заключать в себе органических примесей более

чем 1%, так как большое количество таких примесей может вызвать при раз-

ложении их в период эксплуатации неравномерные осадки и неравномерную

(сосредоточенную) фильтрацию.

Не допускаются в тело плотины растительные грунты, хотя имеется

удовлетворительный опыт постройки и эксплуатации плотин высотой до

10-12 м с применением в низовом откосе смеси суглинка с черноземом и вооб-

ще с растительным грунтом, снимаемым при рытье котлованов, карьеров и т. п.

По-видимому, для плотин II и III классов капитальности и для временных

сооружений это допустить можно.