16-2. ПЛОТИНЫ ИЗ ΚАМЕННОЙ НАБРОСКИ И ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Профиль плотины.
Ширину гребня плотины при устройстве дороги назначают в соответствии с заданными габаритами проезжен части, при отсутствии дороги — около 0,1 Н, но не менее 5 м. Угол наклона откосов плотины должен быть не круче угла естественного откоса каменной наброски. зависящего от размеров и формы камнем и способа их укладки. Большинство построенных набросных плотин высотой 20—40 м в зависимости от качества основания имеет заложения откосов: верхового — от 1:1,1 до 1:1,35 и низового — от 1:1,2 до 1:1,4. В сейсмических районах оба откоса делают более пологими (на 15—20%) но сравнению с указанными выше. Так же уполаживают откосы и в плотинах большей высоты. Для предварительного назначения откосов плотик может служить график В. Н. Поспелова*, составленный им по данным построенных и запроектированных плотин (рис. 16—4). На графике эти данные изображены кружками.
Ври одном и том же среднем угле паклена откосов θ, высоте плотины h, объемном весе наброски γ1 и коэффициенте трения наброски по основанию f плотина с экраном устойчивее плотины с противофильтрационным устройством в средней ее части, что следует из схематического сравнения коэффициентов устойчивости на сдвиг kс.
В плотине с экраном сила трения, вызываемая весом плотины, увеличивается за счет вертикальной составляющей давления воды yа экран. В плотине же с диафрагмой, помимо того, что эта составляющая отсутствует, верховая часть плотины (до диафрагмы) находится во взвешенном состоянии тогда для плотины с экраном по формуле (16—1) kс=2,42, а для плотины с диафрагмой по формуле (16—2) kс=1,17, и практически не принимает участия в сопротивлении тела плотины сдвигу.
Рис. 16—5. Схемы профилей плотины с экраном b диафрагмой.
Поэтому при одних и тех же величинах kс, γ1, b, h и f плотине с экраном можно придать более крутые откосы, чем плотине с диафрагмой; следовательно, плотина с экраном будет иметь меньший объем кладки, чем плотина с диафрагмой.
Противофильтрационные устройства. Как было указано в § 16—1, и роти инфильтрационное устройство в набросных плотинах может быть расположено по плоскости верхового откоса в виде жесткого экрана (рис. 16—6), или в верховом откосе плотины в виде пластичного экрана, прикрытого защитным слоем (рис. 16—11), или же в средней части плотины. В последнем случае водонепроницаемость плотины создается жесткой конструкцией: бетонной или железобетонной диафрагмой (рис. 16—13), или пластичной: ядром из глины или суглинка. Конструкции всех противофильтрационных устройств, помимо водонепроницаемости и прочности, должны обладать еще гибкостью, обеспечивающей восприятие деформаций наброски плотины. Экраны делают бетонные, железобетонные, деревянные, металлические и пластичные (асфальтовые и суглинистые). Преимуществом плотин с экраном является доступность осмотра и ремонта конструкции экрана. Все экраны, за исключением экранов из грунта, укладывают обычно на подэкрановую кладку, выравнивающую откос каменной наброски.
Минимальная толщина подэкрановой кладки в верхней части плотины 1,2—2,0 м, а понизу около 0,07—0,09 высоты плотины. Подэкрановую кладку выполняют из подобранных постелистых камней с тщательной перевязкой швов и заполнением вертикальных швов мелким камнем. Пустот в такой кладке должно быть не более 20—25% объема.
Бетонные и железобетонные экраны устраивают трех типов: 1) жесткие, которые могут воспринимать деформации, вызванные температурными изменениями, и не всегда воспринимают осадочные деформации: 2) полужесткие (скользящие), воспринимающие как температурные, так и осадочные деформации, и 3) гибкие или слоистые, применяемые при значительных деформациях, т. е. в плотинах, возводимых на сжимаемом основании.
Жесткие экраны состоят из бетонной или железобетонной плиты, бетонируемой на месте работ и разделенной для возможности восприятия температурных деформаций швами в вертикальной плоскости на отдельные плиты размером 10—20 м Толщину бетонных плит принимают в верхней части откоса нс менее 20 см, а в нижней — 40—50 см или (0,02-0,016) Н. Армирование железобетонных плит 0.5—1,0%. Во избежание отслоения экрана от наброски плотины арматуру плит связывают с подэкрановой кладкой анкерами. Плиты укладывают на железобетонные опорные балки, бетонируемые к сухой кладке как вдоль, так и поперек откоса. Швы между плитами делают на балках (рис. 16—7). Подобную конструкцию экрана применяют в набросных плотинах небольшой высоты, возводимых на скальном основании к имеющих незначительную осадку, а также в плотинах из сухой кладки, имеющих еще меньшую осадку, чем набросные.
Полужесткая конструкция железобетонного экрана отличается от жесткой тем, что в ней экран разрезан еще и осадочными швами. Железобетонные плиты кладут на бетонный слой, выравнивающий откос сухой кладки. На бетон наносится слой битума, наличие которого позволяет экрану изменять положение (скользить по слою битума) независимо от осадки тела плотины. Эта конструкция плит применяется в набросных плотинах.
Гибкие экраны устраивают в набросных плотинах, особенно в сейсмических районах, и в плотинах на сжимаемых основаниях, обладающих большой осадкой. Эти экраны состоят из нескольких слоев железобетонных квадратных плит с размерами сторон 3—9 м и толщиной 8-18 см.
Рис. 16—7. Конструкции швов жесткого экрана: а — осадочного: 6 — температурного.
Швы между слоями заполняют битумом. Слои битума, увеличивая водонепроницаемость экрана, уменьшают трение между плитами при смещении их вследствие осадки тела плотины. Число рядов плит берется постоянным или же увеличивающимся сверху вниз. Армирование составляет 0,5%.
Железобетонные и бетонные экраны разделяют осадочными, идущими поперек плоскости наклона откоса (горизонтальными), и температурными — по откосу (наклонными) швами (рис. 16—7). Расстояние между температурными швами зависит от климатических условий и принимается в пределах 12—18 м, а между осадочными 8—15 м. Для придания водонепроницаемости и гибкости шву в него закладывают медный лист толщиной 2—4 м.ч (Т-образной формы, по краям заделанный в плиты. Сверху шов заливают асфальтом. Для увеличения водонепроницаемости, а также для защиты от механических повреждений подобных экранов поверхность их иногда покрывают торкретом; рекомендуется также оставлять деревянную опалубку. Контроль за профильтровавшейся через экран водой производятся по смотровой галерее, устраиваемой за подэкрановой кладкой.
Сопряжение экрана с зубом плотины можно осуществить как жестким, так и разрезным, гибким, что более совершенно. Непосредственный переход жесткого экрана в бетонный зуб, опущенный в толщу основания плотины, возможен при предполагаемой незначительной осадке плотины (обычно в плотинах из сухой кладки).
В разрезной конструкции водонепроницаемый горизонтальный шов устраивают вдоль зуба (рис. 1G—8): арматура плит экрана пропускается в зуб, но при этом обеспечивается свобода вращения экрана. Делается также шарнирное соединение, состоящее в устройстве подушки из мелкого окатанного камня, на которую укладывают железобетонную плиту, являющуюся опорой плит слоистого экрана (рис. 16—9). Шарнирность достигается укладкой трех слоев асфальта с прокладкой брезента. Гибкие швы являются наилучшими, но наиболее дорогими.
Разработаны проекты железобетонных экранов из сборных плит.
Деревянные экраны состоят из двух-трех рядов досок толщиной 5—7 см из сосны или лиственницы. Между досками укладывают битумные маты. Экран прибивают к уложенным по выровненному откосу подэкрановой кладки брусьям, заанкеренным в кладку. Возможна и другая конструкция (более плотного) экрана, брусья которого укладывают сплошь по откосу и опирают па горизонтально уложенные и заделанные в сухой кладке опорные бревна (рис. 16-10). Учитывая разбухание досок после заполнения водохранилища, между ними оставляют зазоры, заполненные битумом. Для предупреждения загнивания древесины, усиливающегося при частых и резких колебаниях уровня воды, рекомендуется пропитывать деревянные элементы конструкции экрана антисептиками, не растворяющимися в воде. Деревянные экраны применяют в плотинах при небольших колебаниях уровня воды верхнего бьефа.
Металлические экраны делают из сварных листов толщиной 8—10 мм, прикрепляемых анкерными болтами к подэкрановой кладке. Стыки листов перекрывают ребрами жесткости (тавровым или корытным железом), а швы расширения — металлическими полосами перевернутой U-образной формы. Недостатки подобных экранов заключены в сложности монтажа и большом расходе металла; кроме того, поверхность экрана подвержена биокоррозии (от железобактерий), против чего применяют антикоррозийные покрытия. Стоимость стальных экранов значительно выше конструкций экранов из других материалов.
Пластичные экраны выполняют из глинистых грунтов, торфа и из специальных изоляционных материалов: асфальта или битума. Экраны из глины, суглинка и глинобетона укладывают с откосом 1:1,3—1:1.5. Конструкция их аналогична конструкции экранов земляных плотин, описанных в главе 13. Особенностью устройства пластичных экранов в набросных плотинах является отсыпка промежуточного слоя между экраном и наброской, выполняемого по типу обратного фильтра (рис. 16 — 11).
Асфальтовые экраны содержат примерно 10 % битума, а также известковую муку и песок. Обычно асфальтовый экран состоит из двух слоев толщиной по 5—7 см, укладываемых на слой пористого бетона. Плиты из пористого бетона защищают также асфальтовый слой сверху. Асфальтобетонные экраны состоят из асфальтового битума и заполнителя (песка и гравия). Оба типа экранов обладают гибкостью и водонепроницаемостью. Они рекомендуются для применения в районах с мягким климатом.
В некоторых плотинах за рубежом уложены экраны из искусственных пластических материалов на полиэтиленовой основе1. Экраны из пластмассы стойки, способны к удлинению в 3 раза и прочны, в особенности если их с обеих сторон плотно обложить песчаными слоями толщиной по 10 cм, а затем слоями глинобетона толщиной по 1 м (рис. 16—12). Для лучшей защиты экрана в слои глинобетона вибрированием вдавливают камни.
1 Φ. Тельке. Водохранилищные плотины. М., 1957.
Рис. 16—11. Набросная плотина с пластичным экраном и понуром.
Экран укладывают в виде ступеней.
В последнее время экраны из пластиков в плотинах из местных материалов устраивают в виде пластмассового ковра — водонепроницаемой прокладки между бетонными сборными элементами, или в виде пластмассового экрана, представляющего собой сплошное пленочное покрытие, укладываемое па верховой откос плотины и защищаемое грунтом. В итальянской плотине Контрада Сабетта, высотой 25 м на верховом откосе, выровненном каменной
кладкой, уложены армобетонные плиты размером 7x7 м и толщиной 0,25м. Поверх этих плит положен слой пористого бетона в 10 см, на который помещены склеенные между собой листы оппанола толщиной 2 см. Листы оппанола защищены плитами неармированного бетона 2 X 2 м, толщиной 0,2 м1.
1 Б. В. Рельтов и И. Е. Кричевский. Перспективы применения рулонных пластмасс в качестве экранов плотин из местных материалов. «Гидротехническое строительство», 1964.
Фильтрационный расчет набросных плотин с грунтовым экраном или ядром, а также определение длины и толщины понура выполняется согласно СП и П П-И. 6-62. Плотины земляные насыпные. Расчеты устойчивости откосов набросных плотин проводят с учетом конструкции противофильтрационных устройств. Верховой откос для плотин с ядром и грунтовым экраном рассчитывают на случай внезапного снижения уровня воды в водохранилище. В плотинах на нескальных основаниях проверяется устойчивость низового откоса с учетом сопротивления сдвигу грунтов основания. В плотинах с экранами, положенными по верховому откосу, проверяется их устойчивость па сдвиг по основанию.
Рис. 16—12. Экран из пластмассы.
Противофильтрационные устройства в средней части плотины делают жесткими, в виде железобетонной диафрагмы, или пластичными — глиняные ядра. Давление воды, воспринимаемое этими устройствами, передается низовому клину наброски. Диафрагму обычно жестко заделывают в скальное основание, поэтому в случае перемещения наброски диафрагма испытывает деформации, подвергаясь изгибу и срезыванию. Для наблюдения за состоянием диафрагмы и отвода профильтровавшихся вод диафрагму большей частью делают полой, из двух топких продольных стен, соединенных между собой поперечными стенами, в которых устраивают отверстия, соединенные служебными мостами (рис. 16—13). Есть примеры устройства сплошных диафрагм, которые во избежание образования трещин разрезают вертикальными температурными и усадочными швами. В сопряжении такой диафрагмы с основанием устраивают горизонтальный шов.
Рис. 16—13. Набросная плотина с железобетонной диафрагмой.
Опыт эксплуатации каменнонабросных плотин с диафрагмами показывает на неудовлетворительную их работу, так как диафрагма, являясь жесткой конструкцией, не может следовать за деформацией упорной призмы и в то же время слаба для выдерживания давления воды со стороны верхнего бьефа. Поэтому такие плотины строят редко. Преимущество пластичного ядра в каменнонабросной плотине по сравнению с жесткой диафрагмой состоит в том, что ядро нечувствительно к деформациям, вызванным изменением давления воды; вследствие этого менее вероятно нарушение прочности ядра. Ядра проектируют тонкими, с откосами 1:0,2—1:0,4 толщиной понизу, равной 0,5—0,6 высоты плотины, или широкими, распластанными, с откосами 1:0,5—1:0,75. Между наброской и ядром отсыпают переходный слой в виде обратного фильтра, крупность которого убывает по направлению от наброски к ядру (рис. 16—1, г).
При устройстве глиняного ядра с каменнонабросных плотинах в Рурской области в глину вводили с помощью вибратора изюм из камней, что создало достаточно монолитное ядро. Оно пластичнее и значительно дешевле бетонных диафрагм.
Плотина Нурекской ГЭС высотой 295 м проектируется также с центральным ядром из лессового грунта (рис. 16—14) 1.
