Глава первая
ЗЕМЛЯНЫЕ НАСЫПНЫЕ ПЛОТИНЫ
1.1. ТИПЫ ПЛОТИН
Земляные плотины можно возводить почти при любых геологических условиях местности. Они просты по конструкции, устойчивы, долговечны, и стоимость возведения их небольшая. Земляные плотины строятся из местного материала — грунта, который не требует предварительной обработки и разработка которого в карьерах не вызывает больших затруднений. При строительстве земляных плотин можно применять различные землеройные машины и механизмы. Земляные плотины можно возводить большой высоты.
Для возведения земляных плотин можно применять все виды нескальных грунтов. Исключением являются грунты, содержащие примеси неразложившихся органических включений, использование которых допускается при надлежащем обосновании. Применение в земляных плотинах илистых грунтов и плотных трудно разрабатываемых глин допускается при наличии технико-экономического обоснования.
Для низовых частей профиля земляных плотин всех типов допускается применять песчаные, гравийные и галечниковые грунты.
При проектировании тип земляной плотины принимается в зависимости от наличия на месте строительства грунта для возведения плотины и рода грунта в ее основании. При наличии в основании иловатых и переувлажненных глинистых грунтов предусматривается дренирование основания. Торф допускается оставлять в основании при степени его разложения не менее 50 %, давая надлежащее обоснование. Грунты, содержащие неразложившиеся растения и корни, а также ходы землеройных животных, как правило, удаляются из основания или прорезаются зубом. Грунты, содержащие водорастворимые соли (более 5% по массе), удаляются из основания или принимаются специальные меры для предотвращения их выщелачивания или снижения их количества до практически безопасных пределов. Наличие в основании галечниковых, гравелистых и крупнопесчаных грунтов требует устройства понура перед плотиной или пересечения этих грунтов зубом, инъекционной завесой и т. п.
По высоте различают земляные плотины: высокие — с максимальным напором более 40 м; средние — с напором 10—40 м; низкие — с напором менее 10 м.
По способу производства работ различают насыпные и намывные земляные плотины. Земляные плотины можно строить из водонепроницаемых и водопроницаемых грунтов на водонепроницаемом и водопроницаемом основании.
Насыпные плотины бывают с искусственным уплотнением и без него: отсыпка в воду, отсыпка при помощи взрыва на выброс и др.
Уплотненность грунта, укладываемого в тело плотины, устанавливают, пользуясь следующими указаниями.
Для глинистых грунтов, при расположении плотины на малосжимаемом основании, уплотненность определяется по зависимости
(1.1)
где γс — удельный вес сухого грунта; γч — удельный вес частиц грунта; γ — удельный вес воды; V — 0,04...0,06 — объем защемленного воздуха; W0 — оптимальная влажность, принимаемая на 2— 3 % ниже границы раскатывания, но не менее максимальной молекулярной влагоемкости Wл.
Если грунты основания сильно сжимаемы, плотность их принимается на 5—8 % ниже определяемой по формуле (1.1) с учетом плотности грунта основания.
Для плотин I и II классов степень уплотнения назначается на основании опытной отсыпки и укатки грунта тела плотины.
На водонепроницаемом основании можно возводить следующие типы земляных плотин: однородные, с пластичным или жестким экраном, с ядром, с диафрагмой, из разнородных грунтов (с водонепроницаемой верховой призмой).
Однородные земляные плотины (рис. 1.1, а) строятся при наличии на месте строительства в достаточном объеме относительно водонепроницаемых грунтов: суглинков, лессов, а также тяжелых глин, насыщенных водой до нижнего предела пластичности, т. е. из всех относительно водонепроницаемых грунтов. Земляные плотины из легких и средних суглинков возводятся без защитного слоя. При возведении плотин из тяжелых суглинков и глин с содержанием глинистых частиц 20 % и более в районах с суровыми зимами целесообразно устраивать защитный слой из гравийно-песчаного или песчаного грунта по откосам и гребню плотины. Толщина защитного слоя должна быть не меньше глубины промерзания грунта. Для однородных земляных плотин допускается использовать песчаные грунты при значении фильтрационного расхода воды, допустимом по водохозяйственным расчетам. Можно также использовать суглинистые и супесчаные грунты с содержанием водорастворимых солей до 5 % включительно по массе. При надлежащем обосновании допускается использовать грунты с содержанием водорастворимых солей более 5 % по массе.
Рис. 1.1. Типы земляных плотин:
а — однородная; б — с пластичным экраном; в — с жестким экраном; г — с ядром; д — с диафрагмой; е — из разнородных грунтов; 1 — верховой откос; 2 — гребень плотины; 3 — низовой откос; 4 — тело плотины; 5 — пластичный экран; 6 — защитный слой; 7 — жесткий экран; 8 — ядро; 9 — диафрагма; 10 — суглинок; 11 — супесь; 12 — песок
В однородных земляных плотинах рекомендуется устраивать дренажи со стороны низового откоса.
Земляные плотины с пластичным экраном (рис. 1.1, б) устраиваются в том случае, если тело плотины возводится из водопроницаемых грунтов (песков, супесей). Экран уменьшает фильтрацию воды через тело плотины. Его можно устраивать из суглинка, смеси глины (не больше 40 %) и песка, глинобетона (смесь: глины — 24, песка — 36, гравия — 40 % по объему) и торфа.
Торфяные экраны бывают сплошные и слоистые. Слоистые торфяные экраны состоят из 2—3 слоев торфа, между которыми укладывается слой песка. Толщина каждого отдельного слоя должна быть не менее 0,5 м. Для экранов нужно брать хорошо разложившийся торф, не промороженный и не высохший до воздушно-сухого состояния, со степенью разложения не менее 50 %.
Торфяные экраны допускается применять только для низких и средних по высоте плотин.
Для защиты от промерзания с верховой стороны экран покрывается защитным слоем из гравийно-песчаного грунта, песка, супеси, гравия или щебня. Толщина защитного слоя не менее 1—1,5 м у основания плотины и не менее глубины промерзания выше максимального уровня воды в водохранилище. Толщина пластичного экрана не менее 0,8 м вверху и не менее 0,1Ζ (напора) внизу.
Превышения верха экрана или ядра над нормальным статическим уровнем воды а могут приниматься по табл. 1.1. При этом верх противофильтрационных устройств не должен быть ниже форсированного статического уровня воды с учетом ветрового нагона.
Пластичные экраны более удобны для осмотра и ремонта, чем ядро, поэтому при возведении земляных плотин из водопроницаемых грунтов их устраивают чаще.
Таблица 1.1. Превышение верха противофильтрационных устройств а, м, над нормальным подпорным статическим уровнем воды
Земляные плотины с жестким экраном (рис. 1.1,в) возводят при отсутствии соответствующих грунтов для пластичного экрана. Жесткие экраны бывают бетонные или железобетонные. Такие экраны имеют сложную конструкцию и стоимость их по сравнению с пластичными большая. Кроме того, при осадке тела плотины в жестких экранах могут появляться трещины. Поэтому они применяются редко.
Земляные плотины с ядром (рис. 1.1, г), как и плотины с экраном, возводятся из водопроницаемых грунтов. Ядро уменьшает фильтрацию воды через тело плотины и устраивается из таких же материалов, как и пластичный экран. Толщина ядра принимается не менее 0,8 м вверху и не менее 0,1H1 внизу. Превышение верха ядра над статическим уровнем воды принимается по табл. 1.1. Плотины с ядром, а также однородные земляные плотины рекомендуется возводить на сильно деформируемых основаниях.
. Земляные плотины с диафрагмой (рис. 1.1, д), как и плотины с жестким экраном, возводятся при отсутствии соответствующих грунтов для ядра. Диафрагмы выполняются из бетона, железобетона, металла и битумных материалов. Толщина диафрагмы из бетона и железобетона должна быть не менее 0,3 м вверху. Превышение верха диафрагмы над статическим уровнем воды принимается по табл. 1.1. Диафрагмы плотин недоступны для осмотра. В них, как и в жестких экранах, из-за разности гидростатического давления на гранях могут появляться трещины, поэтому их устраивают редко.
В земляных гидротехнических сооружениях — плотинах, перемычках, шламонакопителях и др. — успешно применяются полимерные пленочные противофильтрационные устройства в виде диафрагм и экранов. Такие устройства работают в любых климатических и геологических условиях, например, пленочные экраны применены в сооружениях Якутской АССР, Магаданской и Ленинградской областей, Средней Азии, Армянской ССР и других районов страны; пленочная диафрагма применена в плотине Атбашинской гидроэлектростанции.
Для экранов применяется полиэтилен, поливинилхлорид, бутилкаучук, полиамид и т. п. толщиной 0,2 мм и выше. Экраны из тонких пленок защищаются устройством специальных подстилающих и защитных слоев, а в случае необходимости — и дополнительных прокладок, которые, не являясь водонепроницаемыми, защищают экран от среза и прокалывания.
Рис. 1.2. Типы плотин и их сопряжение с основанием:
а — однородная плотина с замком; б — однородная с инъекционной завесой; в — с экраном и замком; г — с ядром и замком; д — с диафрагмой и замком; е — с экраном и понуром; 1 — тело плотины; 2 — замок; 3 — инъекционная завеса; 4 — экран; 5 — ядро; 6 — диафрагма; 7 — понур
Пленочные противофильтрационные конструкции допускается применять для плотин III и IV классов, а при соответствующем обосновании и для плотин I и II классов высотой до 60 м.
Земляные плотины из разнородных грунтов (рис. 1.1,в) возводятся при отсутствии однородного грунта в необходимом количестве. В таких плотинах водонепроницаемый грунт (глина или суглинок) располагается на верховой, напорной стороне плотины.
Можно строить земляные плотины и на водопроницаемых грунтах основания. Обычно водонепроницаемая часть плотины при помощи замка или зуба соединяется с водонепроницаемым грунтом основания. При значительной толщине водопроницаемого слоя устраивается инъекционная завеса (например, цементационная), доходящая до водонепроницаемого грунта, или висячая инъекционная завеса.
Однородные земляные плотины при толщине водопроницаемого слоя 2—3 м выполняются с замком из водонепроницаемого грунта (рис. 1.2, а). Замок врезается в водонепроницаемый грунт на глубину не менее 0,5 м. Ширина нижнего основания замка 2—3 м. Коэффициент откосов замка mз = 0,5...1.
Если толщина водопроницаемого слоя 5—7 м, то однородная земляная плотина строится с инъекционной завесой, доходящей до водопроницаемого грунта (рис. 1.2, б).
Земляные плотины с экраном при толщине водопроницаемого слоя 2—3 м выполняются с замком (рис. 1.2,в), 5—7 м — с инъекционной завесой, доходящей до водопроницаемого грунта, а при большей толщине водопроницаемого слоя — с висячей инъекционной завесой. Земляные плотины с ядром на водопроницаемом основании могут быть с замком (рис. 1.2,г) или с инъекционной завесой. Земляные плотины с диафрагмой на водопроницаемом основании обычно строятся с замком (рис. 1.2, д).
Если в основании плотины толщина водопроницаемого грунта большая, устраиваются однородные плотины с понуром или с экраном и понуром (рис. 1.2, е). Понур является продолжением экрана и делается из того же материала, что и экран. Толщина его в верховом конце должна быть не менее 0,5 м, а в месте соединения с экраном—1—2 м с таким расчетом, чтобы градиенты напора фильтрационного потока, возникающие в понуре, не превышали 12. Длина понура обычно принимается (3—5) H1 и больше, где Hi — максимальная глубина перед плотиной.
Максимальную длину понура можно определить по формуле
(1.2)
где Тв — толщина водопроницаемого основания, м;
— отношение коэффициента фильтрации основания к коэффициенту фильтрации понура; δ — толщина понура, м, которой обычно задаются.
Если по местным условиям длина понура ограничена, то, задаваясь длиной, можно определить толщину понура по формуле
(1.3)
Сверху понур, как и экран, покрывается защитным слоем толщиной 1—1,2 м.
