Гидротехнические сооружения, Кудин - Земляные плотины - Гидротехнические сооружения

ПЛОТИНЫ
ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ

Земляные плотины возводят главным образом из различных местных грунтов — суглинка, супеси, песка на любых основаниях, даже на сильносжимаемых, претерпевающих довольно значительные осадки. При малопроницаемом для воды грунте тело плотины можно выполнять из однородного грунта. Профиль поперечного сечения земляной плотины представляет собой трапецию с боковыми сторонами — откосами. Коэффициент откосов плотины, т. е. отношение заложения основания к высоте (т ==tgφ), зависит от качества грунтов плотины и ее высоты. На рис. 1 приведен типовой поперечный профиль земляной плотины. Для плотин из однородных песчано-глинистых грунтов [4] рекомендуется принимать примерные значения коэффициентов откосов, приведенные в табл. 1.
Ширина гребня для земляных плотин с проезжей частью принимается равной ширине земляного полотна автомобильных дорог в зависимости от их категории (табл. 2).
Ширина гребня плотин без проезжей части должна быть не менее 3 м.
Широкое внедрение средств механизации земляных работ, а также развитие механики грунтов и гидравлики грунтовых вод в значительной степени способствовали распространению земляных плотин как наиболее дешевых, простых в строительстве и надежных в эксплуатации. Из всего количества плотин, сооруженных в СССР, большую часть составляют земляные разной высоты, от самых низких (3—5 м) и до самых высоких (100— 150 м и выше).
Во избежание размыва и разрушения переливающейся водой через гребень все земляные плотины строят глухими.
Вода с верхнего бьефа попадает в нижний через специальные водосбросные сооружения — водосливы и водоспуски.

Таблица 1

Рис. 1. Поперечный профиль земляной плотины из однородного грунта:
1 — напор; 2 — уровень верхнего бьефа; 3 — верховой откос; 4 — гребень плотины; 5 — высота плотины; 6 — основание плотины; 7 — низовой откос: 8 — уровень нижнего бьефа.

Водосливы предназначены для сброса излишней воды из водохранилища до определенного уровня и устраиваются в одном из коренных берегов речной долины. Водоспуски предназначены для сброса излишних паводковых вод и выпуска воды со всего водохранилища, поэтому порог водоспуска располагают в самых низких отметках чаши водохранилища.
Основным недостатком земляных плотин является постоянное воздействие фильтрационного потока воды на тело плотины, что может вызвать суффозию или выпор грунта в зонах фильтрационного потока, а также аварию плотины.
По структуре земляные плотины делят на однородные, когда тело плотины возведено из одного материала, и разнородные, состоящие из нескольких видов грунта, — глины, супеси, песка или песчано-гравийного грунта. Грунты в разнородных плотинах укладывают по признакам их водопроницаемости, т. е. менее водопроницаемые грунты укладывают у верхового откоса плотины, более водопроницаемые ближе к низовому откосу, что способствует снижению депрессионной кривой. Часто земляные плотины, возводимые из водопроницаемых грунтов (песков, супесков), сооружают с пластичным или жестким экраном, с ядром, диафрагмой, которые являются противофильтрационными устройствами, т. е. уменьшающими фильтрацию воды через тело плотины (рис. 2, б, в, г, д). Экран и ядро устраивают из суглинка, смеси глины (не более 40%), песка и глинобетона (смесь по объему: глины — 24%, песка — 36%, гравия — 40%).

Рис. 2. Типовые профили земляных плотин: а — из однородного материала; б — с экраном; в — с экраном и понуром; г — с жесткой диафрагмой; д — с глиняным ядром; 1 — дренажная призма; 2 — обратный фильтр; 3 — депрессионная кривая.
Для защиты от промерзания и механических повреждений экран покрывают защитным слоем песка, гравия или щебня толщиной не менее глубины промерзания в месте строительства плотины. Толщина пластичного экрана или ядра вверху должна быть не менее 1 м, а внизу (0,3—0,7) Нпл. Превышение верха экрана или ядра над уровнем максимальных вод в водохранилище должно быть не менее 0,8 м — для плотин I класса и 0,5 м для плотин IV класса капитальности.
При отсутствии соответствующих грунтов для-пластичного экрана используют жесткие экраны и диафрагмы из бетона или железобетона, но только в исключительных случаях, так как они сравнительно дороги, а главное при осадке тела плотины могут давать трещины, устранить которые в процессе постоянной эксплуатации практически невозможно.

Рис. 3. Типы сопряжений плотин с основанием:
а — однородная плотина с замком; б — однородная плотина с зубом и шпунтом; в — плотина с экраном и замком; г — плотина с ядром и замком; б —плотина с диафрагмой и замком; е — плотина с экраном и понуром; 1 — тело плотины; 2 — замок; 3 — зуб; 4 — шпунт; 5 — экран; 6—ядро; 7 — диафрагма; 8 — понур; т — уклон откосов замка; Н — напор; НПУ — нормальный подпорный уровень.
При водопроницаемых грунтах оснований земляных плотин водонепроницаемая их часть (экран, ядро, диафрагма), а также однородные плотины из слабоводопроницаемых грунтов с водонепроницаемым грунтом основания (рис. 3) соединяются при помощи замка или зуба и шпунта. Замок устраивается при мощности водопроницаемых грунтов в основании плотины до 3 м и должен быть заглублен в водопроницаемый грунт основания не менее чем на 0,75 м. Опытом установлено, что лучшим грунтом для земляных плотин являются супеси.
В местах, где имеется достаточное количество камня, строят каменно-земляные плотины (рис. 4), поперечный профиль которых состоит из двух приблизительно равных частей; каменной наброски со стороны низового откоса и земляной отсыпки — из слабоводопроницаемых грунтов, уложенных со стороны верхового откоса. Во избежание выноса мелких фракций грунта через каменную наброску между земляной частью плотины и каменной укладывают переходной слой из крупнозернистого песка или гравия толщиной не менее 1 м.
Земляные насыпные или укатанные плотины малых и средних размеров выполняют насыпным способом с укаткой слоев грунта толщиной 15—25 см специальными катками. Плотины значительных объемов и больших высот возводят еще способом гидромеханизации, т. е. намывом грунта.
Примером сооруженной намывной плотины в СССР может быть земляная плотина Мингечаурского гидроузла (Азербайджанская ССР) высотой 76 м.

Рис. 4. Каменно-земляная плотина (поперечный профиль):
1 — суглинок; 2 — каменная наброска; 3 — обратный фильтр; 4 — защитный слой.

Сопряжение земляной плотины с основанием должно обеспечить плотное примыкание тела плотины к грунту основания.
Для этого удаляют верхний растительный слой на глубину 0,3—1,0 м по всей подошве плотины, так как в этом слое содержится большое количество органических веществ, а также корни деревьев и кустарников, наличие которых в основании плотины недопустимо.
Если основание является водопроницаемым, то для пересечения фильтрации под замок роют траншею до водонепроницаемого слоя с последующим ее заполнением слабоводопроницаемым грунтом и забивают шпунт.
Аналогичным способом производится сопряжение земляной плотины с берегами лишь с той особенностью, что площадки примыкания к берегам и уступы между ними следует делать наклонными, чтобы избежать появления поперечных весьма опасных трещин в теле плотины, вызываемых разной величиной осадки грунта насыпи, вследствие разной ее высоты между смежными уступами. Сопряжение тела земляной плотины со стенками водопропускных сооружений должно быть обеспечено достаточно плотным уплотнением грунта и допустимыми скоростями фильтрации воды в обход стен сооружения.
Возвышение гребня земляной плотины над максимальным уровнем воды верхнего бьефа в соответствии со СНиП П-53-73 определяется по формуле
(1)

где hн — высота наката волны, м; Δh0 — высота ветрового нагона, м; а — конструктивный запас высоты гребня, который в зависимости от класса сооружения принимается в пределах 0,5—1,0 м.
Высоту наката волны и высоту ветрового нагона рассчитывают согласно СНиП 11-57-75.
С целью удешевления строительства земляных плотин значительной протяженности применяют железобетонные парапеты, которые устанавливают по линии сопряжения верхового откоса с гребнем плотины. Высоту парапета принимают равной а, т. е. запасу высоты гребня (Цимлянский и Киевский гидроузлы). Со стороны водохранилища профилю парапета придают соответствующее криволинейное очертание для более эффективного отражения наката и всплеска волны.
Для отвода атмосферных вод гребень плотины выполняют с поперечным уклоном 0,02—0,04 в обе стороны от оси.
Откосы земляных плотин защищают от разрушающего действия льда, волн и атмосферных осадков. Верховой откос по своему расположению подвержен более сильному разрушению, чем низовой, поэтому его крепят от гребня плотины до границы, которая определяется как разность отметки самого низкого уровня воды в верхнем бьефе и двойной высоты волны в водохранилище, соответствующей условиям этого уровня.
Защитное покрытие верхового откоса, в соответствии со СНиП П-53-73, можно сделать в виде каменной мостовой, каменной наброски, бетонных или железобетонных плит, уложенных на песчано-гравийную подготовку (рис. 5).
Наиболее надежным из указанных видов защиты мокрого откоса является крепление бетонными и железобетонными плитами, показавшими вполне удовлетворительные результаты в самых тяжелых эксплуатационных условиях. Толщина плит колеблется в пределах 10—50 см, а размеры в плане 1,5X1,6—6X6 м. Швы между плитами уплотняют асфальтобетоном или фасонной резиной. Низовой откос крепят сплошной одерновкой или в клетку, а также посевом трав на слое растительного грунта толщиной 0,2—0,3 м. Низовой откос, закрепленный одерновкой в первые дни после укладки дерна интенсивно поливают для предупреждения засыхания растительного покрова.
Для понижения депрессионной поверхности, во избежание выхода фильтрационного потока на низовой откос, а также для уменьшения заложения и повышения его устойчивости в теле земляных плотин со стороны низового откоса сооружают дренажные устройства.
Кроме того, дренаж предупреждает размыв низового откоса фильтрационным потоком и способствует беспрепятственному отводу фильтрационной воды через тело и основание плотины в нижний бьеф. Устраивать дренаж необходимо во всех типах земляных плотин. Исключением могут быть случаи, когда основание является сильноводопроницаемым и уровень грунтовых вод находится ниже подошвы плотины или когда плотина сооружена из различных грунтов, и низовая ее часть состоит из крупнозернистых материалов (крупного песка, гравия, щебня и галечника).

Рис. 5. Типы креплений верховых откосов земляных плотин: а — каменная наброска; б —двойное мощение камнем; в — бетонные ящики, заполненные камнем; г — бетонные плиты; д — биологическое крепление; е — низовой конец крепления; ж — обратный фильтр под швом; 1 — каменная наброска; 2 — отсортированный гравий; 3 — песчано-гравийная смесь; -/—песок; 5—плита; 6 —обратный фильтр; 7 —дренажные отверстия; 8 — арматура; 9 —железобетонный тюфяк; 10 — пригрузка.

Дренажи всех типов должны быть защищены от засорения со стороны тела плотины и основания обратным фильтром, состоящим из 2—3 слоев песка и гравия толщиной 0,2—0,4 м с постепенным увеличением крупности зерен в направлении к дренажу.
Наиболее распространенным видом дренажа является дренажная призма из каменной наброски (рис. 5, а), которая одновременно является упором для низового откоса плотины. При отсутствии камня его заменяют кирпичным щебнем или крупным просеянным шлаком. Высота дренажной призмы должна быть 1—2 м, а ширина по верху 0,7—1,5 м. Коэффициент заложения для внутреннего откоса принимают 1,0—1,3, для наружного — 1,3—1,5.
Если уровень воды в нижнем бьефе выше верха дренажной призмы, то для защиты низового откоса от волнового воздействия устраивают комбинированный дренаж в виде дренажной призмы и наслонного банкета из каменной наброски (рис. 5,6) высотой на 0,5 м выше максимального уровня нижнего бьефа.
При недостаточном количестве камня на месте работ применяют наслонный дренаж в виде банкета из 2—3 слоев обратного фильтра, пригруженного каменной наброской (рис. 5, в), толщиной 0,5—0,7 м с коэффициентом откоса равном коэффициенту-низового откоса плотины. Наслонный дренаж депрессионную кривую не понижает, а увеличивает устойчивость низового откоса против оплывания и возможной суффозии.
Закрытые или внутренние трубчатые дренажи требуют значительно меньше камня (рис. 5, г), чем другие конструкции, и состоят из дренажных труб диаметром 0,2 м, укладываемых по основанию плотины на расстоянии от поверхности низового откоса не менее глубины промерзания. Вокруг дренажной трубы сначала укладывают слой гравия толщиной 0,2 м, а затем слой песка толщиной 0,4 м. Фильтрационная вода, собираемая трубчатыми дренами, отводится в нижний бьеф дренами-коллекторами, которые располагают через 3—5 м по длине плотины диаметром не меньше 0,2 м. Степень неоднородности песчаных, гравийных и щебеночных материалов для фильтров дренажей рекомендуется применять согласно СНиП П-53-73.
При выборе типа и конструкции дренажа в каждом конкретном случае следует исходить из инженерно-геологических условий основания и берегов речной долины, типа плотины, наличия на месте материалов для дренажей и гидрологических условий района.
Земляные плотины возводят различными способами с использованием, в первую очередь, грунтов из полезных выемок под другие гидротехнические сооружения или из ближайших возможных карьеров. Грунты необходимо размещать в теле плотины по их физико-механическому составу так, чтобы в верховой части плотины были водоупорные грунты (суглинки, глины), которые будут задерживать фильтрационную воду, а в низовой — водопроницаемые (супески, пески), которые будут способствовать выходу просочившейся воды из плотины.
Наиболее распространенными являются насыпные плотины с укаткой слоев грунта толщиной 15—20 см.
Более толстые слои грунта уплотняют большегрузами на пневматическом ходу и виброкатками, уплотняющими слой грунта толщиной до 0,6—0,8 м, что позволяет снизить стоимость и сократить сроки строительства. Большое значение при уплотнении грунта имеет оптимальная влажность, которая зависит от свойств грунта и веса катка и определяется опытным путем в натурных условиях. Для суглинков при уплотнении 6-тонным катком оптимальная влажность составляет 12—16%, а удельный вес уплотненного грунта достигает 1,8—2,1 т/м³, уменьшается также его пористость, увеличивается угол внутреннего трения и коэффициент сцепления. Грунт после укатки становится менее водопроницаемым, коэффициент фильтрации значительно уменьшается.
Поперечный профиль намывной земляной плотины бывает двух типов: с водоупорным ядром в центральной части профиля и без ядра. Производство работ по возведению намывных плотин состоит из разработки карьеров, доставки грунта к месту строительства и намыва плотины. Разработку карьера лучше производить посредством гидромеханизации (гидромониторами).
Пульповоды, по которым транспортируется пульпа (смесь грунта с водой в соотношении 1:7 — 1:10), целесообразнее всего располагать вдоль откосов на дамбах обвалования. На каждом пульповоде через 5—10 м по длине устанавливают насадки-выпуски с затворами на концах. Пульпа, выливаясь на поверхность намыва, сначала откладывает крупные фракции грунта, потом более- мелкие и к середине плотины поступают по уклону самые мелкие частицы, которые и являются составляющими ядра плотины. На рис. 6 схематически изображен двусторонний намыв плотины.

Рис. 6. Двусторонний намыв плотины:
1 — фильтры; 2 — упорные призмы; 3 —напорные пульповоды; 4 — патрубки; 5 — дамбы обвалования; 6 — насыпная часть; 7 — ядро; 3 — промежуточные призмы; 9 — боковые призмы; 10 — продуктоотстойник; 11 — водосбросной колодец; 12 — отводная труба; I, II, III — ярусы намыва.
В этом случае пульпа выпускается из торца пульповода, уложенного непосредственно на поверхности намываемой площадки, и после намыва слоя толщиной 15—20 см и длиной 7—8 м пульповод, благодаря быстроразъемным соединениям, наращивают (не прекращая движения пульпы) новые звенья и продолжают работу в одном направлении. Потом путем снятия звеньев труб пульповода работа ведется таким же способом в обратном направлении. Намывные плотины следует возводить в местах, где имеются запасы крупного песка и тяжелые суглинки, т. е. те грунты, которые по своему гранулометрическому составу наиболее отвечают условиям возведения намывных плотин. К недостаткам намывных плотин относится потребность в металлических трубопроводах и в частой замене лопаток центробежных насосов, которые быстро изнашиваются от абразивного действия пульпы, а также потребности большого количества воды и электроэнергии. Плотины и насыпи, а также новые русла рек и каналов возводят также взрывным способом. Грунт, падающий с большой высоты, значительно уплотняется и достигает удельного веса до 2 т/м³. Стоимость работ, выполняемых взрывным способом, значительно меньше (почти вдвое), чем при других способах выполнения земляных работ. Насыпь, образовавшаяся в результате взрыва, в большинстве случаев бывает неправильной формы, поэтому планировка откосов, досыпка и прочие недоделки выполняются обычным способом.
При наличии на месте работ песчаных и песчано-гравелистых грунтов иногда целесообразнее возводить плотины методом отсыпки грунта непосредственно в текущую воду. Для этого сначала русло реки перегораживают перемычкой из каменной наброски, потом впереди образовавшегося каменного банкета отсыпают слоями обратный фильтр, после возведения которого отсыпают тело плотины до проектных размеров. Перед отсыпкой заблаговременно отводят русло реки из площадки строительства путем устройства в составе гидроузла соответствующего водосброса.
Возведение плотин мокрым способом состоит в разбивке поверхности плотины, сооружаемой, главным образом, из лессовых и моренных грунтов на отдельные участки (карты) площадью от 100 до 400 м². Карты ограждают валиками из сухого грунта высотой 0,4—0,6 м с последующим заполнением их слоем воды 20— 30 см. Затем карты засыпают сухим грунтом до уровня валиков. Плотность грунта при этом способе оказывается не ниже 1,55—1,60 т/м³. Преимущества мокрого способа заключаются в возможности ведения работ широким фронтом и в устранении необходимости укатки грунта в теле плотины.
Как правило, земляные плотины возводят из грунтов, имеющихся на месте строительства, поэтому стоимость их в сравнении с другим видами плотин значительно ниже, работы по сооружению просты, а темпы строительства при современной механизации высоки. Благодаря сочетанию этих факторов в настоящее время земляные плотины в отечественном и мировом гидротехническом строительстве занимают ведущее положение, конкурирующее с глухими бетонными и железобетонными плотинами. Конструкции земляных плотин выбирают на основании технико-экономических расчетов сравниваемых вариантов.