Γлава 16
Каменнонабросные плотины
§ 16-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Каменнонабросными называют плотины, большая часть тела которых состоит из каменной наброски. Они отличаются от массивных каменных плотин тем, что их возводят без применения вяжущих веществ, насухо. Строительство этих плотин наиболее распространено на горных участках рек в районах, богатых камнем и удаленных от путей сообщения.
Плотины из каменной наброски или кладки насухо высотой больше 8—10 м возводят обычно глухими, т. е. исключающими возможность перелива воды через гребень. Паводковые расходы воды при таких сооружениях пропускают через водосбросные сооружения, располагаемые вне тела плотины. Перелив воды допускается через низконапорные плотины из каменной наброски со специально укрепленным и уположенным водосливным (низовым) откосом.
Поперечный профиль каменнонабросных плотин — трапеция с заложением откосов от 1 : 0,5 до 1 : 2, в зависимости от типа и способа кладки. Более крутые откосы придают плотинам из сухой кладки. Ширина профиля понизу назначается в 2—3 раза больше высоты плотины.
Для уменьшения фильтрации через тело плотины из каменном наброски или кладки насухо применяют противофильтрационные устройства в виде экранов, ядер или диафрагм.
Типы плотин. В зависимости от способа выполнения тела плотины и основных составляющих его материалов эти плотины можно подразделять на типы, приведенные в таблице 16—1.
Таблица 16—1.
Набросные плотины состоят из двух основных частей: 1) тела плотины, возводимого из каменной наброски, и 2) противофильтрационного устройства — экрана, диафрагмы или ядра.
Экраны устраивают по напорному откосу из жестких материалов (бетона, железобетона, дерева, металла) пли пластичных (глины, суглинка, торфа). Плотины с экраном на верховом откосе являются самыми дешевыми по сравнению с другими типами каменнонабросных плотин. Экраны укладывают на специальную подэкрановую подготовку, располагаемую на каменной наброске тела плотины. Такую подготовку делают или из каменной кладки насухо — для жестких экранов (рис. 16—1, а и 16—6), или в виде обратного фильтра — для экранов из пластичных материалов (рис. 16—1, б и 16—11).
В последнее время стали часто применяться противофильтрационные устройства в виде ядра. По данным С. Н. Моисеева, среди построенных за последние 10—12 лет набросных плотин высотой около 100 м и выше находится 10% плотин с железобетонным экраном, 23% с грунтовым экраном и 67% плотиц с ядром 1.
На VIII конгрессе по большим плотинам в 1964 г. сообщалось, что за последние годы число высоких каменнонабросных плотин значительно возросло. В 1950—1963 гг. построено 27 плотин высотой 75—150 м, в 1963 г. строилось и проектировалось 23 плотины высотой до 150 м и 15 плотин выше 150 м.
Полунабросные плотины отличаются от набросных тем, что их верховую часть выполняют в виде подпорной стенки из сухой кладки, а низовую — из каменной наброски. По верховому откосу из сухой кладки укладывают противофильтрационное устройство — экран (рис. 16—2, а и 16—15).
Плотины из сухой кладки возводят из камней, укладываемых с тщательной перевязкой швов и расщебенкой, что позволяет создавать более крутые откосы и тем самым уменьшать объем тела плотины (до 40%) по сравнению с набросными плотинами (рис. 16—2,б и 16—17).
Водонепроницаемость тела плотины достигается обычно устройством жесткого экрана по напорному откосу.
Смешанные плотины наиболее часто возводят из каменной наброски и грунта. К каменно-земляным относят плотины, объем наброски которых составляет половину или более половины объема всего сооружения. В таких плотинах грунт кладется с верховой стороны, выполняя роль экрана (рис. 16—2, в). Этот тип по конструкции является переходным к земляным плотинам с большой упорной призмой из наброски. Сюда можно отнести также плотины, возводимые наброской камня в воду и прикрытые с верховой стороны песчаным и супесчаным экраном. Кроме того, к смешанным относят плотины из наброски и бетонной кладки (рис. 16—2, г и 16—18).
1 С. Π. Моисеев. Плотины каменно-земляные, набросные и из сухой кладки. 1962.
1 — экран по верховому откосу; 2 — сухая кладка; 3 — каменная наброска; 4 — обратный фильтр; 5 — пригрузка грунтом; 6 —бетонная стенка.
Рис. 16—2. Схемы плотин из кладки насухо, полунабросной и смешанной:
К достоинствам плотин из каменном наброски по сравнению с другими конструкциями следует отнести: использование местного материала (камни); сейсмостойкость, проверенную применением этих плотин во многих сейсмических районах; простоту конструкции; возможность возведения плотин в течение всего года при широкой механизации производства работ; несложность последующего увеличения высоты плотины путем наращивания ее поперечного профиля; менее строгие требования, предъявляемые к качеству основания плотин из каменной наброски, чем для гравитационных бетонных плотин.
Основные недостатки каменнонабросных плотин состоят в большой трудоемкости работ, а также в последующей осадке тела плотины, в силу чего (во избежание расстройства противофильтрационных устройств — экрана, диафрагмы и нарушения водонепроницаемости) иногда приходится придавать этим устройствам сложную конструкцию. Для облегчения возведения набросных плотин необходимо в возможно большей степени механизировать разработку, транспортировку и укладку камня.
На рисунке 16—3 изображена каменнонабросная плотина высотой 55 м с бетонным экраном, построенная в Узбекской ССР. Длина плотины по гребню 230 м. К левому плечу плотины примыкает паводковый водосброс.
Рис. 16—3. Каменнонабросная плотина в Узбекской ССР.
Материал наброски. Камень, идущий в наброску, должен быть прочным, стойким против химического выветривания и действия мороза, а также устойчивым против разрушения фильтрационным потоком. Поэтому для наброски считают пригодными камни изверженных пород (гранита, сиенита, диорита и т. д.) и частично осадочных (плотных известняков и кварцитов).
Камень для возведения набросных плотин должен удовлетворять требованиям СП и II П-И. 6-621 и СН и II 1-В. 8—62 "Материалы и изделия из природного камня". Чем крупнее камень, тем круче откос, получающийся при наброске. Крупность камней в теле плотины должна возрастать от середины к откосам и основанию. Наиболее крупные камни, весом иногда в несколько тонн, кладут у низового откоса и на его поверхности. Чем плотнее ложатся камни, тем меньше между ними пустот и тем меньше будет последующая осадка плотины. Согласно СН и Н И-Д. 2-55, содержанке мелких камней весом до 10 кг должно составлять не более 5%, а весом 10— 30 кг — не более 25%. Размеры постол истых камней для сухой кладки должны быть не менее 5 см по высоте и не менее 30 cм по длине и ширине.
Пористость тонкослойной каменной наброски (при толщине слоя до 2,5 м) с механическим уплотнением допускается до 25% общего объема наброски, а при отсылке мощными слоями с применением гидромониторного уплотнения — до 35%.
Для лучшего уплотнения наброски камень обычно сбрасывают с эстакад высотой от 6—8 до 25—30 м. При возведении нескольких плотин высота сбрасывания достигает 50—75 м2. Укладку камня осуществляют кабель- кранами, дерриками и т. п. Применяют также обрушение скалистых склонов ущелий взрывным способом. Пустоты заполняют каменной мелочью под действием струй гидромониторов с давлением у сопла от 3 до 10 атм. Расход воды при этом рекомендуется доводить до 3 м3 на 1 м3 камня в теле плотины. За рубежом для более плотной укладки каменной наброски стали применять вибраторы весом до 20 т, уплотняющие камни диаметром до 0,6 м.
Основание плотины. Высокие набросные плотины (Н>50 м) возводят на скальном основании; плотины средней высоты и низкие можно строить и на аллювиальных отложениях — гравелисто-галечных и крупнопесчаных грунтах. Известны плотины, построенные на глине и плотных суглинках. Для защиты нескального грунта основания от повреждения сбрасываемыми камнями, а после постройки плотины —от вымыва профильтровавшимся в тело плотины потоком, текущим вдоль основания, до начала наброски укладывают но основанию обратный фильтр из мелкого камня и гальки. Этот фильтр следует защищать от ударов слоем сухой кладки в 1—1,5 м. Сопряжение плотины с основанием определяется геологическими условиями. При неглубоком залегании скалы аллювиальный слой прорезается обычно бетонным зубом, заглубляемым в скалу (рис. 16—6). Для плотин, возводимых на нескальном основании, обязательна проверка его устойчивости на выпирание за низовым откосом. При большой толще проницаемого основания фильтрацию можно уменьшить, устроив понур. Понур наиболее рационален в набросных плотинах с пластичным экраном (рис. 16—11) и в каменно-земляных, которые менее требовательны к основанию.
Для уменьшения фильтрации в проницаемых основаниях плотин применяют: цементацию (в гравелистых грунтах), холодную битумизацию (в песчаных и мелкотрещиноватых породах), силикатизацию (в песчаных грунтах), замораживание (в водонасыщенных грунтах и породах) и т. д.
Деформация набросных плотин. Плотины из каменной наброски испытывают вертикальные, горизонтальные (в сторону нижнего бьефа) и боковые (в направлении к местам наибольших осадок) напряжения. Вертикальное смещение (осадка) вызывается как деформацией основания, так и осадкой тела плотины под действием собственного веса и давления воды, передающегося через экран на каменную наброску. Во время строительства плотины происходит уплотнение отсыпаемого камня, поэтому осадки в этот период достигают больших величин. В первые два года эксплуатации уже под действием давления воды происходят относительно наибольшие деформации плотины, доходящие 60—70% общей величины осадки. В последующие годы деформации затухают. Размер осадки пропорционален высоте плотины, и поэтому осадка уменьшается от середины плотины к ее краям у склонов ущелья. Резкие изломы профиля ущелья с крутыми склонами приводят к резким местным осадкам, которые могут вызвать разрывы в кладке и экране. Поэтому для выравнивания осадки профилю ущелья придают параболическую форму. Величину осадки' можно уменьшить тщательностью выполнения наброски и уменьшением пустот в ней. На одной плотине из каменной наброски высотой 40 м деформации на втором году ее эксплуатации были в 9 раз меньше, чем на первом 1. За двенадцать лет эксплуатации Широковской плотины осадка составила 1,25% высоты плотины 2. В среднем эта величина принимается до 1—2% высоты плотины. Под действием давления воды набросные плотины имеют горизонтальные в сторону нижнего бьефа смещения, достигающие у гребня 0,5—1,0% высоты плотины. Кроме того, в теле плотины происходят боковые смещения вследствие осадки наброски и сторону сечения плотины с наибольшими осадками. Поэтому при строительстве каменноземляных плотин, проектируемых с центральным глинистым или суглинистым ядром и упорными призмами из крупнообломочного материала, важно заранее оцепить деформации и устойчивость этих сооружений3 .
1 И. В. Разин. Наблюдения за деформациями каменнонабросной плотины. «Гидротехническое строительство» № 9, 1950.
2 С. Н. Моисеев. Плотины каменно-земляные, набросные и из сухой кладки. Госэнергоиздат. 1962.
3 А. А. Ничипорович. О деформациях и устойчивости плотин из местных материалов. «Гидротехническое строительство» № 9, 1964.
