Глава 13
Земляные плотины
13—1. Типы плотин
Простота конструкции и технически неограниченные размеры земляных плотин, широкое использование для их возведения местных строительных материалов, возможность постройки почти при любых геологических условиях местности, приемлемая точность расчетов обусловили широкое применение земляных плотин в гидротехнике. Земляные плотины издавна строились в России; так, Змеиногорская плотина высотой 18 м, построенная в XVIII веке выдающимся строителем К. Д. Фроловым, работает и сейчас.
Земляные плотины предназначены для различных целей: крупные создают большом емкости водохранилища, малые выполняют ту же роль в создании небольших прудов; земляные плотины часто применяются (как в гидроузлах, так и самостоятельно) в качестве регулировочных сооружений, как дамбы, временно поддерживающие перед собой воду, а значительную часть времени стоящие сухими, как оградительные валы.
По своей конструкции земляные плотины являются глухими водохранилищами плотинами, через гребень которых недопустим перелив воды (за исключением весьма редких специальных конструкций), поэтому для пропуска паводковых вод, а также рабочего расхода (па орошение, водоснабжение и т. п.) при земляных плотинах устраивают специальные сооружения. Перелив воды через земляную плотину почти всегда влечет за собой ее разрушение, поэтому паводковые воды должны пропускаться через водосбросы. Подпор воды перед земляной плотиной вызывает фильтрацию как сквозь плотину, так и в ее основании и в берегах. Зги обстоятельства определяют главнейшие условия работы земляных плотин.
Земляная плотина работает в следующих условиях.
- Подпирая уровень воды в верхнем бьефе, земляная плотина должна устойчиво выдерживать напряженное состояние грунта в своем теле; вызывая напряженное состояние основания, она но должна нарушать его устойчивости; поэтому необходимо придать земляной плотине такое очертание и такие размеры, которые обеспечили бы без излишних запасов как устойчивость ее откосов против оползания, так и устойчивость основания против выпирания его плотиной.
- Развивающееся под действием ветра волнение в водохранилище может разрушить откосы плотины, поэтому необходимо защитить их креплениями, соответствующими силе волнения, пли уположить. Ветром может быть вызвано развевание грунтов сухого откоса плотины; в этом случае здесь необходимо применить специальные защиты (крепления) против развевания.
- Подпор воды перед плотиной вызывает фильтрацию через (сквозь) плотину, ее основание и берега (в обход плотины), поэтому, помимо учета в водохозяйственном расчете потерь воды на фильтрацию, необходимо разработать соответствующую конструкцию земляной плотины и защиты берегов, гарантирующую их устойчивость.
Особенно опасна фильтрация вдоль стен бетонных или деревянных водопропускных сооружений (из-за конструктивных недостатков или из-за плохого выполнения строительных работ); кроме того, грунтовые воды, выклиниваясь на визовом откосе, ухудшают условия его устойчивости. При быстром опорожнении водохранилища тяжелые условия устойчивости наблюдаются па верховом откосе плотины вследствие медленной утечки воды из грунта плотины. Высокое положение депрессионной кривой в плотине, вследствие капиллярного движения воды, может повести зимой к образованию трещин при замерзании грунта или к обмерзанию (при бесснежной погоде) откоса в месте высачивания воды, что вызовет дальнейшее повышение кривой депрессии и может создать опасность для устойчивости низового откоса.
Большое значение фильтрации в земляных плотинах заставляет обратить внимание на придание им безопасных конструктивных форм и размеров, устойчиво воспринимающих фильтрационный поток. В соответствии с этой задачей конструируют земляные плотины различных типов.
Земляные плотины из однородных материалов (рис. 13—1, а) строят при наличии в районе строительства надлежащего качества и количества грунтов, преимущественно суглинков, т. е. грунтов, не содержащих более, чем указывается в нормах, глинистых и илистых частиц, органических веществ, растворимых солей и агрессивных солей (последнее в том случае, если при плотинах строится бетонное или железобетонное сооружение).
Непригодны для плотин растительные грунты, пронизанные корнями растений, легкоподвижные при насыщении водой, песчано-илистые, илистые и грунты, содержащие свыше 6% водорастворимых примесей1. По последним исследованиям, присутствие до 7—8% органических веществ в аморфном виде придает грунту большую водонепроницаемость и сопротивление сдвигу, но несколько снижает уплотняемость.
Ядровые плотины (рис. 13—1, б). Внутри плотины с целью ослабления фильтрации устраивают антифильтрационный слой из водоупорных грунтов (жирные суглинки, глины) или жесткую диафрагму (железобетонную, металлическую, бетонную). Для тела ядровых и экранных плотин можно использовать более водопроницаемые грунты.
Экранные плотины (рис. 13—1, б), в которых антифильтрационные конструкции получили дальнейшее развитие. По верховому откосу плотины укладывают антифильтрационный слой из соответственно защищенных водоупорных грунтов (глина, суглинок, торф) или, значительно реже, слои битумных матов, покрытие из бетонных пли железобетонных плит.
1 Строительные нормы и правила, ч. II, раздел II, гл. 4. Плотины земляные насыпные. Нормы проектирования. М., 1963.
Близкими по конструкции к экранным плотинам будут плотины смешанного типа (рис. 13—1, е), когда из-за недостатка одного материала плотины строят из разнородных грунтов, помещая со стороны нижнего бьефа более проницаемые грунты (камень, гравий, песок), а со стороны верхнего бьефа — более водоупорные грунты (суглинки и т. п.).
Рассмотренные типы плотин снабжают дренажными устройствами, понижающими положение депрессионной кривой и тем самым повышающими устойчивость низового откоса.
Все сказанное относится к случаю размещения плотин на малопроницаемом основании, практически на водоупоре.
При значительной водопроницаемости основания устраивают экранную, ядровую или однородную плотину с зубом, доходящим от экрана, ядра или от подошвы суглинистой плотины до водоупора, если последний залегает неглубоко и производство работ не связано с сильным водоотливом; при сильном притоке грунтовых вод из неглубокого зуба забивают шпунт. Вследствие осложнения работ забивкой шпунта и потребности в привозных материалах следует стремиться заменить шпунт понуром.
Замок (зуб) располагают примерно в створе верховой бровки гребня плотины и врезают его в берега до уровня паводкового горизонта, постепенно уменьшая срезку по глубине до 1—0,5 м наверху. При глубоком залегании водоупора устраивают экранную или однородную плотину с понуром.
