Глава 17
Гравитационные плотины
§ 17-1. ПЛОТИНЫ НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
Гравитационные бетонные или каменные плотины представляют собой крупные водоподпорные сооружения, устраиваемые поперек русла реки с целью регулирования ее стока и поднятия уровня верхнего бьефа; они используются в орошении, гидроэнергетике, водном транспорте, водоснабжении и в других отраслях народного хозяйства.
В Советском Союзе построен ряд крупных массивных плотин; на Днепре у Днепрогэса им. В. И. Ленина, на Волхове, Свири, Волге, Сыр-Дарье, Иртыше, Оби и др.
Большие сдвигающие усилия от давления воды массивные плотины воспринимают всей своей массой и сопротивляются сдвигу развивающимися по подошве плотины силами трения и сцепления со скальным основанием. Этим плотинам придают такие размеры, при которых их большой вес обеспечивает устойчивость, поэтому такие плотины называют гравитационными.
Вследствие большого объема кладки гравитационных плотин стоимость их высока, поэтому они входят в состав гидроузлов преимущественно в качестве водопропускных участков, т. е. в виде водосливных или водосбросных плотин. В таких условиях устройство их может оказаться экономически более целесообразным, чем иное решение пропуска воды реки в нижний бьеф (главным образом в паводковый период).
На рисунках 17—1 и 17—2 показаны поперечные профили водосливной и глухой гравитационных плотин. Глухне гравитационные плотины (в которых не допускается перелив через них воды) применяют преимущественно на участках примыкания водопропускных частей плотины к берегам, к зданию ГЭС и т. п.; как самостоятельные глухие гравитационные плотины с боковыми (по берегам) водосбросами или туннельными водовыпусками устраивают значительно реже, чем водосливные или плотины с затворами.
1 Гидравлика в производстве работ, Госстройиздат, 1949; Б. Т. Емцев. Гидравлический расчет процесса перекрытия русла наброской камня в поток. «Гидротехническое строительство» № 5, 1956.
Рис. 17 — 1. Гравитационная плотина: 1 — смотровая галереи; 2 — цементационная завеса; 3 — цементационные скважины завесы; 4 — дренажные скважины; 5 — цементационные скважины основании; 6 — сливная трубка; 7 — облицовка плотины; 8 — сборные железобетонные балки (или арки).
Гравитационные плотины позволят из бетона и реже из каменной кладки, что объясняется более совершенной механизацией бетонных работ и большим совершенством конструкций бетонных плотин (например, возможностью использования железобетонных оболочек — облицовок и применения небольшого армирования).
Бетонные плотины могут быть возведены любой высоты; высота их определяется главным образом экономической стороной строительства. Самая большая в мире плотина Гранд-Диксанс имеет высоту 284 м.
В плане гравитационным плотинам придают прямолинейное очертание и только при узости водопропускного фронта, различии в геологическом строении основания, в случае русловых или эксплуатационных особенностей сброса воды в нижний бьеф придают криволинейное очертание с выпуклостью в сторону верхнего бьефа с большим радиусом кривизны (например, бетонная плотина Днепрогэса им. В. И. Ленина выполнена в плане по дуге окружности с радиусом в 600 м). Влияние криволинейности такой плотины на напряжения в ней и в ее основании незначительно и в расчете на устойчивость и прочность не принимается во внимание. Криволинейность планового очертания плотин учитывают в гидравлическом расчете (увеличением длины водопропускного участка), в расчете режима и конструкций нижнего бьефа и в эксплуатации плотины (очередность работы отверстий плотины во время пропуска паводковых расходов реки).
Таким образом, устойчивость и прочность гравитационных плотин определяется их большим весом; в этом отношении они аналогичны подпорным степам, поэтому для гравитационных плотин характерны сравнительно небольшие напряжения па сжатие в бетоне, отсутствие напряжений на растяжение (или очень малые), но зато в основании плотин развиваются большие (для грунтов) напряжения, для безопасного восприятия которых необходимо иметь в основании прочные грунты, преимущественно скальные.
Опыт советской гидротехники показал, что и в случае сыпучих грунтов (песчаные) возможно возведение гравитационных плотин высотой свыше 35 м; в этом случае надо придать поперечному профилю плотины такие распластанные формы, которые снижали бы и выравнивали напряжения грунта основания.
Конечно, лучшим основанием под гравитационной плотиной будет прочная, монолитная, слабо- и мелкотрещиноватая, без сбросовых трещин, водостойкая и морозоустойчивая скала, благоприятно расположенная против сдвигающих усилий. Однако скальные породы таких хороших качеств и так удачно расположенные встречаются очень редко; обычно скальные породы пронизаны системой трещин различных размеров.
Цементация скального основания плотины укрепляет его и ослабляет фильтрацию через пего, а устроенная в виде цементационных завес,
значительно снижает противодавление фильтрационного потока на подошву плотины, следовательно, позволяет придать плотине более обжатые формы поперечного сечения.
Цементация основания — не единственное мероприятие для его усиления; в скальных трещиноватых породах могут применяться: горячая битумизация, глинизация, силикатизация, замораживание.
Рис. 17—2. Гравитационная водосливная плотина:
1 — смотровая галерея; 2 — скважины цементационной завесы; 3 — цементационные скважины основания; 4 — дренажные скважины; 5 — плоский затвор; 6 — строительно-ремонтный затвор; 7 — подкрановые мосты; 8 — носок, трамплин.
В рыхлых несвязных породах могут применяться: силикатизация, холодная битумизация, замораживание, а в крупнозернистом песке и галечнике — цементация.
Цементация скальных пород получила наибольшее распространение в практике; технология ее хорошо разработана, и эффект ее действия весьма значителен. Иногда целесообразно применение нескольких способов укрепления грунтов; например, при наличии в породах карста или крупных каверн при больших скоростях фильтрации возможно применение сначала горячей битумизации с последующей цементацией более тонких трещин.
Цементация применима, когда ширина трещин или диаметр пор грунта не менее 0,15 мм, когда фильтрационные воды не агрессивны и когда они движутся со скоростью не больше 600 м/сутки; при больших скоростях применимость цементации должна быть доказана опытными работами, с возможным использованием ускорителей схватывания цемента.
Цементация скального основания под всей подошвой гравитационной плотины производится тогда, когда порода обладает сильной трещиноватостью (естественной или полученной от вскрыши котлована взрывным
Рис. 17—3. Инъектор нажимного типа:
1 — нагнетательная труба; 2 — цементная пробка; 3 — скважина.
способом), когда подошву плотины необходимо защитить от химического воздействия со стороны фильтрационного потока, когда необходимо предупредить суффозию заполнителя трещин.
Скважины для цементации основания плотины устраивают неглубокие, 6—8 м. размещают их в шахматном порядке примерно через 3—5 м друг от друга; цементацию ведут после укладки 3—5-метрового слоя бетона (рис. 17—2).
Наибольший эффект снижения фильтрационного противодавления на подошву плотины достигается устройством глубинных цементационных завес под плотиной и в берегах, примыкающих к плотине, расположенных в начале подошвы. Глубина скважин цементационной завесы назначается в зависимости от качества скальной породы; примерные их глубины от 0,3 до 0,7 от напора перед плотиной и при значительной трещиноватости — до полного напора.
При глубоких завесах разница в напорах фильтрационного потока по обе стороны завесы весьма значительна; поэтому в целях предупреждения выщелачивания цемента завесы рекомендуется уширение ее по мере приближения к подошве плотины. С этой целью параллельно по сторонам основного ряда (пли рядов) скважин устраивают менее глубокие скважины (0,4—0,5 от глубины скважин основного ряда), а в случае высоких плотин — параллельно этим скважинам по обеим сторонам завесы еще по ряду мелких скважин (глубиной 6—8 м).
Нагнетание цементного раствора через такую систему скважин обеспечит образование цементной завесы, широкой в примыкании с подошвой плотины и узкой внизу. Повышение эффективности цементации достигается применением пластифицирующих добавок (сульфитноспиртовая барда) в количестве около их сухого вещества к весу цемента.
Нагнетание ведется сначала в основном ряду глубинных скважин, потом в первых параллельных рядах и затем во вторых параллельных рядах скважин. Нагнетание цементного молока производится гидравлическим способом — нажимным для скважин глубиной до 12 м (рис. 17—3) и циркуляционным — для более глубоких скважин. При тонкой трещиноватости скальных пород нажимной метод малоэффективен вследствие быстрой закупорки трещин осаждающимся цементом; циркуляционный способ по обладает этим недостатком и обеспечивает качественную цементацию 1.
Скважины перед цементацией промывают до получения осветленной промывной воды, осматривают через перископ для выяснения трещиноватости; глубокие скважины испытывают на водопоглощение по отдельным вертикальным зонам (но 6—10 м), что позволяет уточнять в проекте расстановку рабочих и контрольных скважин. Диаметр скважин выбирается равным 56—76 мм, в зависимости от глубины бурения; расстановка скважин друг от друга в основном ряду (рядах) 1,5—2,0 в боковых параллельных 2—3 м. Расстановка уточняется наблюдением за нагнетанием в рабочие и контрольные скважины (должна быть обеспечена непрерывность завесы).
Чтобы равномерно заполнить цементом узкие и широкие трещины, нагнетание начинают вести со слабой консистенцией цементного раствора (1:8) и заканчивают более высоком (1:1); при таком порядке нагнетания предупреждается заполнение цементом ближайших трещин сразу же в начале нагнетания. Широкие трещины лучше заполнять нагнетанием густого раствора (1:0,5).
Расчетные величины давлений нагнетания должны быть не менее веса вышележащей толщи породы и возведенной части сооружения; наибольшие допускаемые давления не должны быть больше 0,5 атм на 1 м глубины основной скважины и не больше 0,6—0,9 атм на 1 м глубины контрольной скважины.
В цементационной завесе удельная водопоглощаемость должна быть не больше 0,05 л/мин при действующем напоре Н < 25 м и не больше 0,03 л/мин при Н=25—75 м 1. Удельной водопоглощаемостью q называется водопоглощение, отнесенное к 1 м напора нагнетания и к 1 м глубины скважины; она определяется по формуле:
Битумизация основания выполняется преимущественно нагнетанием в скважины расплавленного битума; ею достигается уплотнение и заполнение трещин, карстовых пустот, предупреждение или уменьшение фильтрации, защита гидросооружения от действия агрессивных фильтрационных вод и укрепление породы основания.
Битумизация применима в скальных породах с трещинами шире 0,2 мм, в щебенистых и гравелистых грунтах и при скорости фильтрации свыше 100 м/сутки, песчаные, глинистые и тонкопористые породы трудно поддаются как горячей, так и холодной битумизации 2.
1 НнТУ. Проектирование бетонных гравитационных плотин на скальных основаниях. СП 123 — 60. М., 1961.
2 ВНИИГ. Гидроизоляция подземных сооружений способом битумизации. Л., 1951.
