Устойчивость гравитационной бетонной плотины обеспечивается силами трения и сцепления, пропорциональными весу плотины, возникающими на контакте между основанием и подошвой плотины.
Рис. 32. Гравитационная бетонная плотина: а — глухая; б — водосливная.
Гравитационные плотины бывают как глухие, так и водосливные (рис. 32), сооружают их из бетона, железобетона и редко — из каменной кладки на цементном растворе (бутовой кладки).
При сооружении бетонных гравитационных плотин и всех гидротехнических сооружений необходимо применять бетон, обладающий водостойкостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, прочностью и малым тепловыделением при твердении.
Как правило, морозостойкие бетоны располагают в теле плотины в пределах переменных уровней воды, а водонепроницаемые — в наружном контуре профиля плотины в пределах от переменных уровней воды до основания плотины.
Значительный вес плотины, а также давление воды создают большие нагрузки в основании плотины. Поэтому гравитационные плотины целесообразнее возводить на скальных основаниях, обладающих пределом прочности при сжатии не менее 50 кг/см2.
В плане гравитационные плотины в большинстве случаев прямолинейные и редко криволинейные, обращенные выпуклостью в сторону верхнего бьефа с целью увеличения водосбросного фронта плотины. Так выполнена в плане по дуге окружности с радиусом 600 м бетонная гравитационная плотина Днепрогэса им. В. И. Ленина.
Высота современных гравитационных глухих плотин достигает 250 м, водосливных — 200 м.
Поперечное сечение глухой плотины представляет треугольник (рис. 33) с вертикальной или несколько наклонной передней гранью. При статических расчетах работу гравитационной плотины рассматривают в условиях плоской задачи даже при ее криволинейном очертании в плане, так как криволинейность в расчете на устойчивость и прочность не учитывается. Скальные породы в поверхностных слоях обычно имеют много трещин. Для устранения их производят цементацию, горячую битумизацию, глинизацию или силикатизацию, что укрепляет основание и уменьшает фильтрацию через него, а также значительно снижает противодавление фильтрационного потока на подошву плотины, уменьшая ее поперечное сечение.
Рис. 33. Поперечный профиль глухой гравитационной плотины:
1 — потерны; 2 — цементная завеса; 3 — цементационные скважины завесы; 4 — дренажные скважины; 5 — цементационные скважины основания; 6 — сливная трубка; 7 — облицовка плотины.
Цементация производится путем нагнетания цементного раствора в скважины диаметром от 30 до 200 мм и глубиной 6—8 м, размещенных в шахматном порядке через 3—5 м друг от друга. Цементацию следует производить через 3—5-метровый слой бетона, уложенного в тело плотины, что способствует также цементации контактной плоскости между подошвой плотины и ее основанием.
Для выполнения статических расчетов в направлении оси плотины выделяется участок в 1 м. При этом размеры профиля плотины зависят от устойчивости на сдвиг по подошве АБ и опрокидывании при вращении вокруг точки Б (см. рис. 33).
Конструкции глухих гравитационных бетонных плотин должны быть прочны, экономичны и просты.
Рис. 34. Формы гребня глухих бетонных плотин:
а — без проезда по гребню; б — с проездом по гребню; УВ — уровень воды.
В верхней части глухих плотин устраивают прямоугольную надстройку, образующую гребень плотины, ширина которого зависит от предполагаемого проезда по плотине, но не уже 3 м, когда предусматривается только эксплуатационный проезд. На рис. 34 изображены формы гребня глухой массивной плотины. При значительной ширине проезжей части дорогу прокладывают на контрфорсах, опирающихся на тело плотины (рис. 34, б).
Превышение гребня плотины над максимальным уровнем воды в водохранилище определяют по формуле
(46)
где hпр — превышение гребня плотины над максимальным расчетным уровнем воды, м;
h — высота волны;
L — длина волны;
а — запас над расчетной отметкой волны, принимаемой не менее 0,5 м.
При наличии на гребне плотины со стороны верхнего бьефа парапета (железобетонной стенки) превышение гребня считается от расчетного уровня воды до верха парапета.
Основное действие воды на гравитационные глухие плотины состоит из разности горизонтального гидростатического давления со стороны верхнего и нижнего бьефов (рис. 35) и противодавления, т. е. давления воды на плотину снизу вверх.
Противодавление состоит из двух сил: Р2 — взвешивающего давления воды, которое определяется по закону гидростатики (закон Архимеда) в виде площади эпюры давления ВГЖЗ и P1 — фильтрационного давления на подошву плотины с площадью эпюры ЗКЖ. Причиной возникновения фильтрационного давления является напор воды Н, под влиянием которого вода фильтрует через трещины в основании плотины, причем фильтрационный напор Нф по длине подошвы плотины постепенно снижается от напора Н в начальной точке фильтрации до нуля в месте выхода воды в нижний бьеф.
Рис. 35. Расчетная схема глухой гравитационной бетонной плотины.
Для снижения фильтрационного давления (противодавления) в основании плотины устраивают противофильтрационные преграды в виде цементационных или битумизационных завес, которые действуют как глубокий шпунт, существенно снижающий противодавление. Для дальнейшего снижения противодавления основание плотины дренируют, пробуривают ряд скважин для выхода фильтрационных вод непосредственно за цементационной или другой завесой.
Скважины сообщаются с горизонтальной смотровой потерной (галереей), которая расположена на расстоянии 2—3 м от передней грани плотины и предназначена для сбора и отвода в нижний бьеф фильтрационных вод через выводные боковые трубки, а также для установки измерительно-контрольной аппаратуры.
Потерны устраивают в зависимости от высоты плотины: в плотине высотой до 10 м потерны не устраивают, высотой 10—30 м — одна потерна, выше 30 м — две потерны шириной 1,5—2,5 м, высотой 2—3 м. Сообщение с потернами осуществляется посредством лифтов. Кроме того, вдоль потерны размещают ряд вентиляционных колодцев.
В процессе гидратации цемента температура уложенного бетона повышается на 20° С и выше по сравнению с температурой бетонной смеси в момент укладки. Бетон вначале расширяется, а потом при остывании и под влиянием усадки сжимается, что вызывает появление напряжений в бетоне. Колебания внешней температуры так же вызывают в теле плотины напряжения, которые могут превысить предел прочности бетона на растяжение.
Во избежание появления трещин в бетонной гравитационной плотине через 15—20 м делают температурно-осадочные вертикальные конструктивные швы, которые делят тело плотины на отдельные части по высоте, а продольные горизонтальные или рабочие швы — на отдельные блоки, размеры которых определяются условиями производства бетонных работ.
Для придания прочности телу плотины после окончания усадки бетона в строительные швы через специальные трубы нагнетают цементный раствор.
В больших сооружениях между смежными конструктивными швами дополнительно через 15—20 м делают так называемые температурные швы на глубину 10—15 м от верха плотины (рис. 36).
При возведении небольших плотин температурные швы совмещают с конструктивными. Толщина шва должна быть в пределах 1,0—2,0 см.
Конструктивные швы следует делать в местах резкого изменения поперечного профиля балки или речной долины, где возникает местное напряжение, способствующее возникновению трещины в сооружении. По форме швы разделяют на плоские и со штрабами (рис. 37). На расстоянии 2—4 м от напорной грани устраивают противофильтрационную шахту квадратного поперечного сечения размером от 0,7X0,7 до 1X1 м с водонепроницаемой преградой в виде металлической гибкой пластинки V-образной формы. Такая форма пластинки предупреждает разрыв во время сжатия или расширения шва. Пластинку изготавливают из нержавеющей стали или меди толщиной 2—3 мм. Шахту заполняют также битумным уплотнением. На расстоянии 2—3 м от первой шахты устраивают вторую дренажную шахту (по размерам такую же, как и первую), соединяющуюся с потерной. Эту шахту оборудуют стремянкой. Предназначается она для контроля за фильтрацией из первой шахты.
Швы со штрабами по своему устройству подобны плоским швам, с добавлением лишь штраб, глубина которых бывает до 1 м и длина до 6 м. Частое чередование штраб по длине шва не всегда бывает полезным, поскольку большие местные перенапряжения бетона в смежных блоках вызывают появление трещин по основанию зубьев и прилегающей части плотины.
Для защиты тела плотины со стороны верхнего бьефа от просачивания воды внутрь кладки, а также для предохранения напорной грани от действия мороза при понижении уровня воды в водохранилище, ударов льда и мусора необходима облицовка, которую чаще всего выполняют из слоя более плотного бетона с содержанием 330—350 кг цемента на 1 м3 бетона. Толщина облицовки должна быть вверху не менее 1 м, а внизу — до 3 м и более. Облицовку напорной грани часто выполняют путем торкретирования с содержанием 650 кг цемента на 1 м3 песка. Торкрет наносят на предварительно закрепленную металлическую сетку двумя-тремя слоями, после чего сверху покрывают двумя слоями битума. Толщина торкрета в верху плотины должна быть 5—7 см, внизу — 8—10 см.
Дренажные скважины вертикального направления устраивают также со стороны верхней напорной грани плотины, их соединяют с потерной и закладывают от 1/10 до 1/12 высоты плотины, но не ближе 2 м. Диаметр скважин принимают равным 0,1— 0,3 м; расстояние между ними 2—4 м.
Основные размеры глухой гравитационной плотины обычно определяют двумя основными расчетами: прочности плотины, ее основания и устойчивости. Расчеты производят в условиях плоской задачи на единицу длины (1 м) плотины по теории сопротивления материалов с учетом действующих на плотину горизонтальных и вертикальных сил.
Рис. 38. Глухая бетонная плотина: 1 — гребень плотины; 2 — смотровая галерея
Горизонтальные силы состоят из горизонтальной составляющей давления воды на верховую грань, а при наличии воды в нижнем бьефе — также на низовую грань плотины, давления наносов со стороны верхнего бьефа и льда, волнового давления, сейсмических сил и других.
Вертикальные силы состоят из собственного веса тела плотины, вертикальной составляющей давления воды на верховую грань, если она наклонена в сторону нижнего бьефа, взвешивающего и фильтрационного давления на подошву плотины.
Горизонтальное давление воды со стороны верхнего бьефа (рис. 38) определяют по формуле
Различают статическое и динамическое давление льда. Статическое принимают пропорциональным толще ледяного покрова, поэтому чем толще лед, тем больше его давление на плотину в период повышения температуры воздуха, когда лед расширяется. Давление льда на верхнюю грань плотины учитывают на уровне зимнего уровня воды в верхнем бьефе, величину давления льда принимают в пределах 7—50 т на 1 м в зависимости от толщины льда.
В случае, когда перед плотиной во время эксплуатации поддерживается постоянная траншея (майна), отделяющая ледяное поле от напорной грани плотины, в расчете устойчивости плотины статическое давление льда не учитывают.
Динамическое давление не должно превышать временное сопротивление льда, изменяющееся от 35 до 70 т/м3.
Все силы, действующие на 1 м массивной плотины, приводятся к равнодействующим горизонтальных сил Q, вертикальных сверху вниз G и вертикальных, направленных снизу вверх: силы фильтрационного давления P1 и взвешивающего давления Р2.
Эти силы могут вызывать сдвиг плотины по основанию, оказывать давление на основание без превышения норм.
Верховую грань плотины, возводимой на скального основании, делают обычно вертикальной, реже с коэффициентом заложения откоса m=0,05—0,10. Для низовой грани коэффициент заложения откоса m1определяют расчетом, он изменяется в пределах 0,6—0,8. Для предварительных расчетов ширину плотины по основанию b принимают равной 0,67 Н.
В бетонных плотинах из условий прочности не допускаются растягивающие напряжения, поэтому ширину гравитационной плотины по основанию (рис. 38) при вертикальной верховой грани и учете противодавления (взвешивающего и фильтрационного давления) определяют по формуле
(51)
где Ηт — высота теоретического профиля плотины, м;
γ1 — удельный вес бетона в теле плотины;
а — коэффициент противодавления, принимаемый в зависимости от степени водонепроницаемости скалы от 0,1 (для водопроницаемой скалы) до 0,7 (для скалы с сильными трещинами).
В последнее время гравитационные плотины, возводимые на скальных основаниях, в большинстве случаев оборудуют глубокими противофильтрационными завесами и безупречно работающими дренажными устройствами, благодаря которым почти полностью снимается фильтрационное давление в основании, и противодавление становится незначительным.
В этом случае ширину плотины по основанию при вертикальной верховой грани определяют по формуле
(52)
Исходя из условий устойчивости плотины на сдвиг, ширину по основанию для плотины с вертикальной верховой гранью с учетом противодавления определяют по формуле
Противодавление считают, как сумму (см. рис. 36) взвешивающих сил и фильтрационного давления, уменьшенного на коэффициент противодавления, по формуле
(55)
где Рф — противодавление на 1 м плотины;
α — коэффициент противодавления, значение которого зависит от водонепроницаемости скалы (для скалы водонепроницаемой α=0,1—0,35, скалы трещиноватой α=0,4—0,7).
Массивные бетонные плотины рассчитывают на прочность обычно по подошве фундамента подошвы тела плотины и в нескольких сечениях по высоте.
Прочность плотины рассчитывают для строительного и эксплуатационного расчетных случаев. При строительном расчетном случае (при незаполненном водой водохранилище) учитывают только собственный вес плотины, при эксплуатационном — действие на плотину всех внешних сил.
Условия устойчивости плотины против сдвига при учете сцепления бетона со скалой основания определяют по формуле
(56)
где Кс — коэффициент устойчивости на сдвиг; b — ширина подошвы основания;
Рис. 39. Водосливная плотина безвакуумного профиля, сопрягающаяся с нижним бьефом при помощи криволинейной вставки.
где Ν — сумма проекций на нормаль к сечению всех сил, действующих выше рассматриваемого сечения;
М — момент всех сил относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения;
F — площадь сечения;
W — момент сопротивления сечения.
При расчете на эксплуатационный случай растягивающие напряжения в теле плотины со стороны верховой грани, как правило, не допускаются.
Устойчивость плотины против опрокидывания вокруг низового ребра будет обеспечена в том случае, если равнодействующая давлений не выходит из средней трети основания плотины или из ядра сечения профиля плотины.
Для сброса избыточных паводковых вод из водохранилища, а также для регулирования стока реки и полезных пропусков в нижний бьеф через водосбросные участки напорного фронта рекомендуется сооружать бетонные водосливные плотины, возводимые на скальных и нескальных основаниях. Основными специальными элементами водосливной плотины являются (рис. 39): водосливной гребень или оголовок, водосливная низовая грань, водобойные сооружения и крепления в нижнем бьефе (если плотину возводят на слабом скальном или нескальном основании).
Если гребень плотины расположен на отметке нормального подпорного уровня воды, то при повышении уровня в водохранилище вода автоматически переливается через гребень плотины и сбрасывается в нижний бьеф. При расположении гребня плотины ниже нормального подпорного уровня для поддержания необходимого напора по гребню плотины устанавливают затворы.
Гребень массивной водосливной плотины и низовую грань ее очерчивают по форме падающей струи. Если на всем пути движения под струей воды сохраняется давление, равное атмосферному или больше него, то такая плотина называется водосливной безвакуумного профиля, если же под переливающейся струей образуется разрежение (вакуум) — это будет плотина вакуумного профиля. Площадь поперечного сечения вакуумной плотины на 15—25% меньше площади безвакуумной, а коэффициент расхода на 7—15% больше, чем безвакуумной плотины. Однако в вакуумных плотинах при переливе воды появляется, благодаря попаданию воздуха под струю, вибрация, снижается коэффициент устойчивости плотины на опрокидывание, кроме того, вакуум ускоряет коррозию и кавитацию бетона низовой грани плотины. Поэтому вакуумные водосливные плотины рекомендуется сооружать для сравнительно небольших напоров.
Построение безвакуумного профиля водосливной плотины обычно выполняют по табличным данным А. С. Офицерова (см. рис. 38), который определил координаты точек хи у водосливного профиля безвакуумной плотины для напора 1 м (см. табл. 9).
Для определения фактических значений координат необходимо табличные значения хи у умножить на величину расчетного напора.
Профиль плотины строят следующим образом (рис. 40): нулевую точку О прямоугольной системы координат, относительно которой строится водосливный профиль, размещают на пересечении горизонтальной линии, касательной к оголовку, и вертикальной линии передней грани плотины, причем ось ординат у направлена вниз, а ось абсцисс х — в сторону нижнего бьефа. Далее определяют ширину основания плотины (как для глухой треугольной плотины) согласно
формуле (52)
где Нпл — высота водосливной плотины, м;
Нпр — толщина переливающегося через гребень плотины слоя воды. м.
Начало координат О находят, откладывая вниз от точки Б величину переливающегося слоя воды. Пользуясь табл. 9, строят очертание водосливного профиля. Сопряжение плотины с нижним бьефом осуществляют кривой с радиусом R так, чтобы эта кривая касалась низовой грани в точке Д и основания плотины в точке Е. Далее проводят прямую, которая является касательной к водосливной кривой в точке Г и к сопрягающей кривой в точке Д.
Таблица 9
Рис. 40. Построение безвакуумного профиля плотины.
Рис. 41. Водосливная плотина безвакуумного профиля, сопрягающаяся с нижним бьефом при помощи носка.
Радиус сопрягающей кривой для невысоких плотин на нескальном основании при больших напорах определяют по формуле
(59),
где R— радиус сопрягающей кривой, м; Нпрф — профилирующий напор, м (толщина переливающегося слоя воды); Z— максимальная разность уровней верхнего и нижнего бьефов.
Рис. 42. Бетонная водосливная плотина безвакуумного профиля с прямолинейной вставкой на гребне:
1 — ремонтный затвор; 2 — рабочий затвор.
Сопряжение с нижним бьефом водосливных плотин, построенных на реках с мощным ледоходом, чаще всего осуществляют путем устройства носка (рис. 41), благодаря которому образуется поверхностный прыжок, отбрасывающий льдины от низовой грани плотины.
В тех случаях, когда на гребне водосливной бетонной плотины предусматривается установка затворов (рабочих и ремонтных) для более надежного размещения конструкций затворов, необходимо устраивать горизонтальную прямолинейную вставку (рис. 42), длина которой зависит от габаритных размеров затворов. Тогда водосливной профиль строят в такой последовательности: сначала строят профиль до наивысшей точки на гребне плотины по табл. 11, затем откладывают в сторону нижнего бьефа горизонтальную вставку заданной длины и от конца вставки продолжают построение профиля.
У вакуумных плотин оголовки очерчивают по окружности или по эллипсу с вакуумом не более 6 м вод. ст.
Противофильтрационные завесы, дренажные устройства, потерны, конструктивные и строительные швы в водосливных бетонных плотинах на скальном основании устраивают так же, как и в глухих бетонных плотинах.
Если водосливные бетонные плотины возводят на нескальных грунтах (глинистых, суглинистых, супесчаных, песчаных, гравелистых и галечниковых), то для обеспечения общей устойчивости тела плотины необходимо применять более распластанный профиль плотины за счет наклона верховой напорной грани к горизонту в пределах 45—60° и за счет увеличения ширины плотины по низу В, которую принимают в зависимости от напора Н и грунтов оснований [2]: для суглинистых В=(2,75—3,00)Н; для глинистых В=(2,50—2,75)Н; для супесчаных и песчаных В=(2,25— 2,50)Н; для галечных и гравелистых В=(2,00—2,25)Н [7].
Рис. 43. Водосливная плотина на нескальном грунте:
а — разрез по оси; б — план; 1 — понур; 2 — шпунт; 3 — водосливная плотина; 4 — дренаж; 5 — водобой; 6 — обратный фильтр; 7 — рисберма; 8 — мост; 9 — затвор; 10 — служебный мостик; 11 — паз для шандор; 12 — швы.
На рис. 43 представлена водосливная многопролетная плотина распластанного поперечного профиля, возведенная на нескальном грунте. Такой профиль плотины необходим для обеспечения устойчивости плотины на скольжение и передачи на основание сравнительно небольших напряжений. На глинистом основании, как правило, сооружается наиболее распластанный профиль плотин трапецеидальной формы с большим соотношением ширины подошвы к высоте водослива. От устойчивости подземного контура (флютбета) водосливной бетонной плотины на нескальном основании зависит надежность всего сооружения, поэтому глубину заложения плотины определяют по глубине залегания грунта с необходимой несущей способностью и сопротивляемостью сдвигу.
На рис. 44 показаны схемы подземного контура плотин на различных нескальных основаниях при различных глубинах залегания водоупорных грунтов [2].
Рис. 44. Схемы подземного контура плотин на нескальном основании:
I — при глубоком залегании водоупора; II — при неглубоком залегании водоупора; III и IV — при наличии глинистого основания; 1 — понур; 2 — шпунт; 3 — дренаж; 4 — водослив; 5 — водобой; 6 — проницаемый шпунт; 7 — водоупор.
Подземный контур предназначен для снижения фильтрационного давления в основании плотины до допустимых величин. Подземный контур (схема 1) состоит из понура, так называемого «висячего» шпунта, поскольку он не достает водоупора и дренажа под водосливом и водобоем. Для предупреждения выпора грунта из основания плотины устраивают проницаемый шпунт. Фильтрационное давление на подошву плотины по этой схеме почти полностью снимается.
Водоупор (схема II) залегает на сравнительно небольшой глубине, поэтому движение фильтрационной воды под сооружением может быть преграждено шпунтом, бетонным зубом или завесой. При достаточной водонепроницаемости противофильтрационных устройств дренаж можно не устраивать.
Если плотина размещается непосредственно на водоупоре
(схема III), можно ограничиться устройством у верховой ее грани неглубокого зуба н небольшого горизонтального понура. Для создания хороших условий выхода фильтрационной воды, даже в небольшом количестве, под телом плотины устраивают дренаж.
Для достижения устойчивости на сдвиг в плотинах, возводимых на глинистых основаниях, часто применяют анкерный понур с дренажем под ним (схема IV). За счет превышения давления воды сверху на понур над резко сниженным при помощи дренажа фильтрационным давлением создается значительное усилие, прижимающее понур к основанию, чем увеличивается сопротивление сооружения сдвигу.
Основной частью водосливной плотины является, как и в открытых водоспусках, флютбет, в котором понур и водобой — водонепроницаемые, рисберма — водопроницаемая (см. рис. 43).
Понур примыкает к верховой грани водосливной плотины и вследствие своей водонепроницаемости удлиняет путь подземного потока, погашая часть действующего фильтрационного напора. Обычно понур выполняют из глины толщиной 0,5—1 м и укрепляют каменным мощением или бетонными плитами на песчаной или щебеночной подготовке.
Водобой воспринимает удары падающей воды из верхнего бьефа в нижний и гасит избыточную кинетическую энергию потока. Толщину водобоя надо рассчитать; она, главным образом, зависит от величины фильтрационного противодавления, которое давит снизу вверх и стремится поднять водобойный пол. На водобое для уменьшения скорости течения устраивают так называемые гасители различных конструкций.
Чаще всего гасители имеют вид шашек, пирсов, зубьев, балок и трамплинов, при помощи которых поток расщепляется на отдельные струи. На рис. 45 изображены зубчатые гасители в виде невысоких треугольных призм, у которых вертикальные грани, являющиеся барьером для гашения энергии воды, обращены против течения потока. Зубчатые гасители устанавливают в конце водобоя.
За водобоем следует проницаемая часть флютбета — рисберма, создающая условия для плавного перехода от повышенных скоростей в конце водобоя к бытовым в конце рисбермы. Участок рисбермы, примыкающий к водобою, обычно имеет дренаж с обратным фильтром для предупреждения выпирания грунта фильтрационным потоком, который в этой части флютбета выходит на дно реки.
Устои водосливной плотины, которые сопрягают водосливные части гидроузла с прилегающими глухими частями плотины или другими сооружениями гидроузла, обеспечивают надежную защиту ее глухой части или берега от воздействия сбрасываемой через водослив воды и льда, плавный подвод воды к водосливному отверстию со стороны верхнего бьефа и служат опорой для затворов и мостов. Быки, разделяющие отверстия в плотине, воспринимают давление затворов и служат опорами для моста и для размещения на них подъемных механизмов и затворов. В быках устраивают пазы для затворов.
Устойчивость и прочность водосливных бетонных плотин на скальном основании рассчитывают так же, как и глухих бетонных плотинах, а на нескальном (мягком) основании — по методу, предложенному проф. Μ. М. Гришиным [4].
Рис. 45. Зубчатые гасители энергии.
Гидравлический расчет бетонной водосливной плотины производят для определения ширины водосбросного отверстия. Без учета бокового сжатия ширину водосбросного отверстия определяют по формуле
(61)
где т — коэффициент расхода;
δ — коэффициент подтопления;
Н0 — полный напор на водосливной плотине с учетом скорости подхода воды, м.
Ширину отверстия водосливной плотины с учетом сжатия находят по формуле
(62) где п — число боковых сжатий, равное удвоенному числу пролетов;
ε — коэффициент формы боковых кромок водослива и оголовков промежуточных быков.
Таблица 10
Коэффициент подтопления δп зависит от отношения глубины воды нижнего бьефа над гребнем плотины ha к полному напору Н0 и может быть определен по табл. 10.
Если за водосливной плотиной устанавливается гидравлический режим с отогнанным прыжком, то водослив является незатопленным и δп=1,00.
Если отверстие водосливной плотины разделено на отдельные пролеты быками, то полную ширину водосливной плотины определяют по формуле
(63)
где B1 — общая ширина водосливной плотины, м;
δ — ширина с учетом бокового сжатия, м;
d — толщина быка, м.
Водосливные плотины, через которые предусматривается пропуск льда, должны иметь ширину пролета не менее 12 м.
Бетонные гравитационные плотины требуют большого расхода бетона, что увеличивает их стоимость и ухудшает экономические показатели гидроузла. При этом материал тела плотины в значительной степени используется только для создания веса плотины. Значительной экономии бетона (до 35—50%) можно достигнуть при замене гравитационных плотин железобетонными контрфорсными.
Железобетонные контрфорсные плотины состоят из плоских, арочных или купольных напорных перекрытий, воспринимающих давление воды и передающих его через отдельные опоры — контрфорсы на основание. Они могут быть глухими и водосливными с опорными стенками (контрфорсами), между которыми размещены напорная, верхняя и фундаментная (при нескальном грунте) плиты. Кроме того, между контрфорсами проходят специальные балки жесткости. Контрфорсные плотины сооружают как на скальном, так и на мягком основаниях с применением сборных п сборно-монолитных конструкций.
В плотине с плоскими перекрытиями между контрфорсами располагают плоскую плиту, и контрфорсы ставят ближе друг к другу (5—8 м). В многоарочной плотине пространство между контрфорсами, допускаемое до 30 м, перекрыто сводами.
Рис. 46. Схемы контрфорсных плотин:
На рис. 46 изображены схемы контрфорсных и железобетонных плотин. Для обеспечения устойчивости на сдвиг плотины с фундаментной плитой на нескальном основании ее сверху загружают крупным песком, гравием, камнем, обеспечивающими надежную работу отверстий (дрен). Профильтровавшаяся вода отводится в нижний бьеф по трубам, заложенным между водосливной и фундаментной плитами.
Плотина с плоским перекрытием обычно состоит из 5—7 сборных элементов. Угол наклона верховой напорной грани к горизонту обычно принимают равным 30—45°. Размеры всех конструктивных элементов железобетонной контрфорсной плотины определяют статическими расчетами на прочность и устойчивость сооружения. Гидравлические расчеты аналогичны расчетам бетонных водосливных плотин.
На рис. 47 показана контрфорсная железобетонная водосливная плотина на проницаемом основании.
По расходу материалов (экономия бетона 30—40%) экономичны водосливные плотины системы А. М. Сенкова (рис. 48), рассчитанные на напор 3—8 м, которые строят, главным образом, на мягких (песчаных) основаниях.
Рис. 47. Водосливная железобетонная плотина на проницаемом основании: 1 — глинистый контур; 2 — плиты; 3 — отверстие для устранения возможности сжатия воздуха во внутренней полости плотины; 4 — отверстие для сообщения между отсеками контрфорсов; 5 — отверстие для сообщения внутренней полости плотин с горизонтом нижнего бьефа; 6 — песок с гравием; 7 — водобой; 8 — рисберма; 9 — обратный фильтр; 10 — дренажные отверстия (15X15 см).
Рис. 48. Плотина системы проф. А. М. Сенкова:
1 — бетонные плиты; 2 — суглинок; 3 — затвор; 4 — щебень; 5 — зубья водобоя; 6 — обратный фильтр.
Водосливной порог этой плотины представляет собой ячеистую конструкцию из продольных и поперечных бетонных или железобетонных стен, перекрытых сверху бетонной плитой. Образуемые вертикальными стенками ячейки заполняют местным грунтом.
На рис. 49 показана сборно-монолитная плотина ячеистого типа, представляющая собой систему поперечных и продольных стоек, заполняемых балластом (камень, грунт), за счет чего на 50—70% снижается общий объем укладываемого в тело плотины бетона. Вес бетонного каркаса ячеистой плотины составляет 1/3, а вес гравийно-песчаного заполнителя 2/3 общего веса плотины.
Ячеистые плотины выполняют из сборных железобетонных плит или пустотелых блоков с последующим заполнением образовавшихся колодцев местным грунтом.
Рис. 49. Сборная конструкция ячеистой плотины:
1 — крестообразный блок; 2 — плоский затвор.
