Для защиты от разрушительного действия волн, льда производится крепление верхового откоса, которое разделяется на основное, располагаемое в зоне максимальных волновых воздействий в период эксплуатации, и облегченное — ниже и выше основного крепления. Основное крепление обычно производится, начиная от гребня плотины до глубины
— глубина нижней границы основного крепления, считая от минимального уровня сработки водохранилища, м; h1% — высота волны 1 %-й обеспеченности, м.
Рис. 1.8. Схема крепления верхового откоса: 1 — основное крепление; 2 — облегченное крепление
При этом нижняя граница основного крепления должна быть ниже подводной кромки ледового покрова (при его расчетной толщине и минимальном уровне сработки водохранилища) на половину толщины ледового покрова (рис. 1.8).
Если гребень плотины значительно возвышается над расчетным уровнем воды, то основное крепление производится, начиная от отметки высоты наката волны, а на части откоса от этой отметки до гребня устраивается облегченное крепление.
Нижняя граница облегченного крепления определяется глубиной водохранилища, на которой волновые скорости не превышают скоростей трогания частиц грунта откоса при любых сочетаниях отметок воды и соответствующих им элементов волн.
Неразмывающая скорость частиц грунта определяется по графику на рис. 1.9 в зависимости от диаметра зерен, мельче которых в грунте по кривой механического состава содержится 10 % зерен (по массе).
Рис. 1.9. График допустимых значений донных скоростей
Отметка нижней границы облегченного крепления.
где ↓УВ — расчетный уровень воды.
Отметка нижней границы облегченного крепления определяется при форсированном, нормальном и минимальном уровнях воды в верхнем бьефе с введением в расчет элементов волн, соответствующих этим уровням воды. Из полученных значений принимается наименьшая отметка. Если она оказывается меньше отметки дна, то облегченное крепление доводится до уровня дна.
Основное крепление верхового откоса может быть из бетонных и железобетонных плит, каменной наброски, асфальтобетона, из некоторых других материалов и биологическое. Вид крепления в каждом конкретном случае устанавливается в результате техникоэкономического сравнения вариантов с учетом максимальной механизации работ, использования местных материалов, характера грунта тела плотины, агрессивности вод и долговечности крепления в процессе эксплуатации.
Рис. 1.10. Конструкция крепления откоса из сборных или сборных омоноличиваемых железобетонных плит:
1 — облегченное крепление; 2 — упор основного железобетонного крепления 4; 3 — подготовка; 5 — парапет; 6 — засыпка щебнем
Рис. 1.11. Конструкция сборного сквозного крепления из железобетонных плит: 1 — облегченное крепление; 2 — упор основного крепления; 3 — подготовка слоистая или однослойная; 4 — основное покрытие из плит с открытыми швами
Бетонные и железобетонные крепления выполняются в виде монолитных плит, бетонируемых на месте, или сборных омоноличиваемых (рис. 1.10) и сквозных плит (рис. 1.11).
Монолитные плиты толщиной от 15 до 50 см имеют прямоугольную в плане форму с соотношением сторон от 1 до 2, причем меньшая сторона располагается перпендикулярно к урезу воды, а ее размер принимается равным
, но не более 20 м. Швы между ними могут быть открытые или закрытые. Расстояние между температурно-осадочными швами монолитных железобетонных покрытий, как правило, следует принимать не более 45 м, а сборных омоноличиваемых — не более 30 м.
Монолитные или сборные омоноличиваемые плиты укладываются обычно на однослойную подготовку толщиной 15—20 см из рядового щебня или разнозернистого крупнообломочного грунта. Под температурно-осадочными швами устраивается ленточная подготовка трапецеидального поперечного сечения из специально подобранного материала, уложенного в два-три слоя, или из одного слоя разнозернистого материала заданного зернового состава. Толщина отдельных слоев ленточных подготовок 15—20 см (рис. 1.12).
Для предотвращения сползания покрытия по откосу и сопряжения основного крепления с облегченным на берме, дне или на откосе устраивается упор. Упоры креплений из бетонных и железобетонных плит выполняются в виде заглубленных в грунт железобетонных плит или блоков, каменных призм или ряда свай. При этом высота упора не должна быть меньше суммарной толщины плиты покрытия и подготовки (рис. 1.12). При устройстве упора в виде плиты ширина ее назначается не менее 1,5—2 м.
Толщина монолитных и сборно-омоноличенных железобетонных покрытий устанавливается из условия их общей устойчивости против всплывания [46]. При этом она должна быть не менее большей из определяемых по зависимостям:
Рис. 1.12. Пример конструкции крепления откоса бетонными плитами:
1 — парапет; 2 — отверстия шириной 0,2 м через 10 м; 3 — слой утрамбованного щебня толщиной 0,1 м; 4 — ленточный дренаж подо швом; 5 — мелкий камень; 6 — слой гравия или щебня толщиной 0,2 м; 7 — плиты; 8 — доски (просмоленные) толщиной 2,5 см
Примечания. Рр — ордината эпюры взвешивающего волнового давления; l1 и l2 — линейные размеры эпюры взвешивающего волнового давления по откосу.
где
—высота расчетной волны 1 %-й обеспеченности при шторме; ξ, φ, k — параметры, характеризующие линейные размеры эпюры взвешивающего волнового давления (табл. 1.6); п1 = 1,1 — коэффициент перегрузки; Β1 — расстояние от линии уреза воды на откосе при расчетном статическом уровне до верхней границы покрытия, м; В — расстояние между верхней и нижней границами рассчитываемого крепления, м; В2— расстояние от линии уреза воды на откосе при расчетном статическом уровне до нижней границы покрытия, м; γ — удельный вес воды, кН/3; γп — удельный вес материала плиты, кН/м3, α — угол наклона откоса к горизонту, град.
Толщина монолитного железобетонного покрытия принимается не менее 0,lh1% по условиям армирования плит, надежности уплотнения швов и обеспечения долговечности крепления. Прочность плиты как конструкции на упругом основании проверяется по значениям наибольшего изгибающего момента и поперечной силы.
Сквозные сборные покрытия обычно выполняются из железобетонных плит толщиной от 8 до 20 см и с плановыми размерами от 1,5X1,5 до 5Х5 м, в зависимости от условий эксплуатации и имеющегося подъемного оборудования.
На месте укладки плиты шарнирно соединяются друг с другом. Варианты возможных шарнирных соединений плит показаны на рис. 1.13. При крутизне откоса 1 : 3,5 и более плиты в смежных горизонтальных рядах смещаются на 1/2 длины их ребра, чтобы открытые швы не были сквозными по всей высоте откоса.
Плиты сборных покрытий укладываются на уплотненную однослойную или многослойную подготовку.
При заложении откоса в пределах 2—5, при суммарной площади сквозных отверстий в покрытии в пределах 2,5—6 % общей площади покрытия и действии взвешивающей волновой нагрузки с учетом гидростатического взвешивания и коэффициента перегрузки n1=1,2...1,3 толщина плит сквозного сборного железобетонного покрытия определяется по условиям ее устойчивости по формуле
Рис. 1.13. Примеры конструкций соединения сборных железобетонных плит:
а — разрез крепления (размеры в метрах); б — шарнирное соединение плит; в — соединение плит с помощью особых стержней, служащих для захвата их стропами; г — замоноличенный шов; 1 — плита; 2 — заполнение шва асфальтобетоном; 3 — сварка; 4 — арматура; 5 — упорная призма
где п2 — 1,1—дополнительный коэффициент перегрузки для гидротехнических сооружений I—III классов; hd — средняя высота волны в расчетном шторме, м; Вотн— относительная длина ребра плиты (Bотн= B[hd); В — длина ребра плиты, расположенного по нормали к линии уреза воды, м; kв — коэффициент относительного погружения расчетной плиты в аэрированную водную среду при действии расчетной взвешивающей нагрузки:
Крепление откосов плотин в виде каменной наброски выполняется преимущественно из несортированного камня, что связано с техническими трудностями сортировки камня, особенно при значительных его размерах. Наброска располагается на однослойной или многослойной подготовке при общей ее толщине, достигающей иногда 60 см (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Конструкция крепления откоса плотины каменной наброской:
1—зуб; 2 — облегченное крепление; 3 — подготовка однослойная; 4 — основное крепление
Наименьший расчетный размер приведенного к шару камня DM, м, необходимого для наброски из несортированного материала при откосах с заложением в пределах 2—5, определяется по формуле:
где с — гидравлический коэффициент сопротивления, принимаемый равным 0,2 при диаметре камня более 15 см и высоте волны более 1 М; γа = 10 кН/м3 — удельный вес аэрированной воды, стекающей с наброски в конце отката волны.
Несортированный материал для наброски должен содержать не менее 50 % по объему камня наибольшего расчетного размера Dб, не менее 25 % по объему камня размерами в пределах наибольшего и наименьшего расчетных диаметров и не более 25 % по объему камня размерами, выходящими за пределы расчетных.
Толщина покрытия из несортированного камня при волновом воздействии принимается δн= (2...2,1)Dб.
Облегченные крепления обычно выполняются из одного слоя разнозернистого щебня, гравия, галечника или наброски из мелкого камня и лишь иногда из железобетонных плит. Сопряжение основного и нижнего облегченного крепления обычно осуществляется на берме. С земляным откосом нижнее облегченное крепление сопрягается зубом (рис. 1.14).
Крупность материала облегченного крепления определяется из условия его устойчивости под воздействием придонных скоростей,
Толщина облегченного крепления δоб= 10d.
Волнозащитные свойства верховых откосов земляных плотин обеспечиваются, если их устраивать пологими в виде так называемых пляжных откосов. Крепление верхового откоса в этом случае можно вообще не устраивать. Большой опыт проектирования, строительства и эксплуатации плотин с такими откосами из несвязных грунтов накоплен при возведении крупных гидроузлов и водооградительных дамб на р. Днепр [16], где они позволили получить значительный экономический эффект. Так, внедрение их только на гидроузлах Киевской и Каневской ГЭС позволило уменьшить прямые строительные затраты примерно на 4,13 млн. руб.
Опыт эксплуатации днепровских гидроузлов свидетельствует о том, что при фронтальном воздействии волн высотой до 1,5 м на прямолинейный в плане откос неразмываемости его обеспечивается при уклоне от 1 : 30 до 1 : 50. Однако для уменьшения объемов работ в нижней части откоса и выше зоны активного волнового воздействия его рекомендуется делать более крутым. В нижней части откоса воздействие волн незначительно, а выше отметки НПУ оно периодическое и переработка откоса здесь затруднена ввиду биологического крепления, обычно устраиваемого на этом участке откоса.
Рис. 1.15. Схема к расчету неукрепленного верхового откоса
Заложение mп.o пляжных откосов (рис. 1.15) по методике Института гидромеханики АН УССР с учетом требований СНиП 2.06-82 определяется из условия обеспечения динамического равновесия частиц грунта откоса при фронтальных воздействиях волн:
Исходя из имеющегося опыта возведение земляных плотин с неукрепленными пляжными верховыми откосами может оказаться экономически целесообразным при их высоте до 10 м, что устанавливается технико-экономическим сравнением различных вариантов плотин. Крепление низового откоса производится сплошной одерновкой (рис. 1.16, а), одерновкой в клетку (рис. 1.16, б) или посевом трав на слое растительного грунта толщиной 0,2—0,3 м.
При сплошной одерновке для лучшего прорастания дерна по откосу сначала укладывается слой растительного грунта толщиной 0,1—0,15 м. Размеры клеток при одерновке в клетку 1X1 м. Клетки заполняются растительным грунтом, в который высеваются семена трав. К откосу дерн прикрепляется деревянными колышками-спицами длиной 0,25—0,3 м.
В том случае, если нет благоприятных условий для произрастания трав, низовой откос можно крепить слоем щебня или гравия
толщиной 0,2 м.
Рис. 1.16. Крепление низового откоса дерном:
а — сплошной одерновкой; б — одерновкой в клетку; 1 — растительный грунт; 2 — дерн; 3 — спицы для прикрепления дерна
Низовой откос не крепится, когда он сложен из гравия, щебня, песчано-гравелистого грунта. При наличии воды в нижнем бьефе нижняя часть откоса крепится по типу наслонного дренажа.
Выбор типа крепления низового откоса зависит от наличия местных материалов, высоты волны, режима работы водохранилища и пр.
1.2.4. Подготовка под крепление откосов
Подготовка сопрягает покрытие с грунтом откоса и служит для дренирования фильтрационных вод, гашения энергии волновых потоков, для перераспределения нагрузки на грунт откоса и защиты его от промерзания. Она может состоять из одного или нескольких слоев разнозернистого материала, в зависимости от вида грунта откоса, типа крепления, наличия и состава местного материала и результатов технико-экономического сравнения вариантов [46].
Монолитные или сборные омоноличиваемые плиты укладываются обычно на однослойную подготовку из рядового щебня или разнозернистого крупнообломочного грунта. Под температурно-осадочными швами устраивается ленточная подготовка трапецеидального поперечного сечения по типу обратного фильтра из двух-трех слоев разнозернистого материала (рис. 1.12). Плиты сборных покрытий и крепления в виде каменной наброски из несортированного камня укладываются на однослойную или многослойную подготовку из разнозернистого материала (рис. 1.13 и 1.14).
Толщина однослойных фильтровых ПОДГОТОВОК бф под покрытиями из плит с открытыми швами или сквозными отверстиями принимается в пределах 
под каменной наброской из несортированного камня — в пределах
Толщина отдельных слоев двух- или трехслойных подготовок при механизированной укладке на откос принимается не менее 20 см для крупнообломочного грунта и щебня и не менее 15 см для крупного песка.
Неоднородность материала однослойной подготовки должна находится в пределах
