Глава 18
Бетонные плотины на нескальном основании
§ 18-1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Наличие в основании бетонных плотин грунтов — песка, глины, галечника, гравия и т. д. — приводит к уменьшению устойчивости плотин по сравнению с плотинами такого же профиля на скальном основании, потому что коэффициент трения бетона по грунтам в 1,5—4 раза меньше коэффициента трения бетона по скале. Следовательно, в этом случае для обеспечения устойчивости плотины на сдвиг требуется увеличить вертикальные силы, что поведет к значительному увеличению силы трения но основанию, сопротивляющейся сдвигающей силе. Но увеличение нагрузки, передающейся через подошву плотины на основание, может вызвать недопустимые напряжения в грунте, при которых произойдет деформация грунта с выпором его из-под фундамента плотины. Чтобы избежать такой деформации для уменьшения удельного давления па грунт, профиль плотины приходится делать распластанным, увеличенным в направлении течения потока. Это достигается приданием верховой грани плотины наклона под углом 45—60 градусов к горизонту или удлинением (в виде консоли) фундаментной плиты плотины в сторону верхнего бьефа. Устройство наклонной верховой грани или консоли целесообразно еще потому, что слой воды, находящийся над консолью или верховой гранью, увеличивает вертикальные силы, тем самым позволяя несколько сократить объем бетонной кладки, который потребовался бы в случае плотины с вертикальной гранью.
В построенных за последнее время у нас плотинах на больших равнинных реках отдается предпочтение устройству консольной фундаментной плиты с сохранением вертикальной верховой грани плотины (рис. 18—1)2 .
1 А. З. Басевич. Железобетонные п армокаменные гидросооружения с предварительным обжатием кладки. «Известия ВНИИГ», т. 41. Энергоиздат, 1949.
2 Б. С. Успенский. Гидроэлектрические станции большой мощности.
Бетонные плотины на нескальном основании строят меньшей высоты, чем плотины па скальном основании, т. е. такие плотины возводят для низких и средних напоров (до 50—40 м).
Для предварительных расчетов ширину плотины понизу Ъ назначают в зависимости от грунта в следующих пределах (по Л. В. Олешкевичу) *.
Здесь II — действующий напор на плотине.
Бетонные плотины на нескальном основании обычно сооружают водосливными, т. е. с переливом воды через гребень или порог плотины. Удельные расходы, пропускаемые через водослив, достигают 25—40 м/сек при песчаных основаниях и до 50—60 м/сек в случае глинистых оснований. Для того чтобы не увеличивать размеры и объем дорогостоящего крепления за водосливом (т. е. водобойной и сливной частей), зависящих от качества грунта основания, удельного расхода и, следовательно, от скоростей потока, оттекающего от водослива плотины, перелив воды через водослив не допускают слоем, большим 8—10 м. Поэтому напор, создаваемый плотиной, поддерживается в нижней части бетонным телом плотины, а в верхней — затворами, устанавливаемыми на гребце водослива (с капором на затворах не более Юл) (рис. 18—1). Ширина русла реки всегда бывает больше длины водосливного фронта плотины. Поэтому большое значение имеет обеспечение плавного подвода потока к плотине и отвода его от нее с тем, чтобы не допустить сбой кости потока, блуждания русла и т. д. В созданном плотиной широком и глубоком верхнем бьефе никаких выправительных сооружений не делают, за исключением устройства в отдельных случаях плавучих бон для направления льда и плавающих тел от водоприемных отверстий гидроэлектростанции к отверстию плотины. В нижнем бьефе при небольших глубинах воды целесообразно возводить струенаправляющие дамбы для сосредоточения потока в одном русле, предупреждения растекания, способствующего образованию побочных русел и блужданию потока по пойме.
18—2. КОНСТРУКЦИИ ЧАСТЕЙ ПЛОТИНЫ
Понурная часть плотины должна быть водонепроницаемой и надежно связанной с телом плотины. Ее делают из бетона, глины, суглинка и асфальта. Толщину глиняного понура назначают в зависимости от величины напора: в низконапорных плотинах 1—2 м; в плотинах с напором в 15—25 м — 3—5 м. Суглинистый понур делают на 20—30% толще глиняного. Зуб в начале понура устраивают при коротком понуре (длиной 1,5-2,0 Н).
В длинном понуре (более 2—2,5 Н) толщину понура постепенно увеличивают по направлению к плотине и зуба не делают. В месте примыкания к телу плотины понур заканчивают зубом, закладывая глиной до подошвы фундамента, не заполненную бетоном со стороны верхнего бьефа часть котлована у тела плотины (рис. 18—3), или укладывая понур на вынесенную в сторону верхнего бьефа в виде консоли плиту фундамента плотины (рис. 18—1). Прочность консольной фундаментной плиты в плотинах с затворами на гребне обеспечивается тем, что эта плита заделывается с трех сторон в бычки и тело водослива. Толщина сечения консоли увеличивается от начала к месту присоединения к водосливу и примерно равна 0,20—0,25 высоты водослива (от подошвы зуба до гребня). Большое значение для предохранения от вымыва грунта из-под основания плотины имеет водонепроницаемость стыка между глиняным понуром и бетонным телом водослива. Для достижения водонепроницаемости в этом шве запускают в глину битумный мат, состоящий из мешковины или брезентовой ткани, на которую нанесена смесь битума с заполнителем (песком). Битумный мат прикрепляют к бетону тела плотины анкерными болтами (рис. 18—2, а). Поверхность понура защищают от повреждения и размыва каменным мощением, бетонными или железобетонными плитами. Более усиленное крепление устраивают против пониженных водосливных и донных отверстий в плотине, через которые пропускаются паводковые расходы.
В плотинах на глинистых грунтах для увеличения силы трения по основанию, а также удлинения пути фильтрации с целью уменьшения фильтрационного давления на подошву сооружения понур присоединяют к телу плотины. Для этого в понуре укладывают железобетонные или бетонные плиты толщиной 0,5 м, соединяемые между собой продольной арматурой (или анкером), запускаемой в тело плотины. Связь анкерных понурой с телом плотины в случае возможных неравномерных осадок этих частей должна быть гибкой. На плиты укладывают грунт слоем до 2—3 м (рис. 18—2, б). Вес этой пригрузки и слоя воды над пей вводят в расчет при определении устойчивости тела плотины па сдвиг. Длину понура в этом случае доводят до (4-4,5) Н. Основной шпунт в плотинах забивают в начале фундаментной плиты водослива или под ней. Деревянные брусчатые шпунты применимы для низконапорных плотин и при грунтах, допускающих забивку свай. В таких плотинах глубина забивки шпунтов составляет до 6—6,5 м. В плотинах высотой более 10—15 м применяют металлические шпунты. Их забивают также при наличии в основании плотины гравелистых и галечниковых грунтов. Глубина забивки 10—20 м.
Соединение шпунтов с фундаментом тела плотины осуществляется двумя способами: верхняя часть шпунтов прислоняется к фундаменту (рис. 18—3, а и б) или входит в него (рис. 18—3, в). Первый способ употребляется для деревянных шпунтов в низконапорных плотинах при значительной толщине понурной подушки, увеличенной в месте стыка до 3—4 .ч. В начале и конце фундамента водослива для большего сопротивления плотины сдвигу делают зубья шириной 3—5 м и глубиной 2—5 м.
1 Гидротехнический расчет плотни см. ТУ и НП гидротехнических сооружении. Подземный контур плотин на нескальных основаниях. Госэнергоиздат, 1958. Второй способ соединения применяется в средненапорных плотинах; в этом случае шпунт (металлический), входящий в тело плотины, принимает участие в сопротивлении плотины сдвигу. Чтобы обеспечить возможную осадку тела плотины, между верхом шпунта и бетоном оставляется пазуха, заполняемая асфальтовой мастикой.
Глубокие зубья из бетонных или железобетонных колодцев или кессонов устраивают в случаях, когда забивка шпунтов из-за грунтов основания (галечниковых, щебеночных или прослоек слабой скалы) невозможна или затруднена, а также при необходимости создания в основании противофильтрационной завесы, доходящей до водонепроницаемого слоя.
В плотинах па песчано-гравелистых и галечниковых грунтах в последнее время устраивают завесы путем нагнетания цементно-глинистых растворов. Наиболее часто глубокие зубья шириной 3—5 м устраивают под верховой гранью водослива плотины для уменьшения фильтрационного давления на его подошву.
Водослив плотины в зависимости от высоты его над дном реки выполняют в виде криволинейного профиля вакуумного или безвакуумного очертания или трапецеидальной формы с криволинейной сливном гранью (рис. 18—14, 18—12). Ширина гребня плотины зависит от размещения на гребне рабочих затворов (позиция 9 па рис. 18—1), ремонтных шандор и служебных мостов между ними. Водосливную грань плотины обычно облицовывают камнем (рис. 28—8) при переливе воды, насыщенной наносами, или в теле плотины у этой грани укладывают морозостойкий бетон повышенной марки.
Рис. 18—3. Схемы соединения шпунтов с верховым зубом плотины.
Рис. 18—4. Дренажная галерея в конце понурной части: 1 — бетонные плиты понура; 2 — глина; 3 — плита водослива; 4 — дренажная скважина; 5 — металлический шпунт; 6 — асфальтобетон.
Для восприятия напряжений, вызываемых давлением льда, в растянутой зоне верховой части у гребня водослива закладывают арматуру.
Дренаж в основании плотины предназначен для уменьшения фильтрационного давления на фундамент тела плотины. Его устраивают под подошвой фундамента между зубьями в виде сплошного обратного фильтра, состоящего из трех слоев толщиной по 0,3—0,7 м каждый (подробности см. в гл. 3). Собранная обратным фильтром вода по вертикальным дренажным колодкам поступает в устраиваемые в теле водослива специальные сборные галереи, из которых вода откачивается насосами или вытекает самотеком по водоотводящим трубам в нижний бьеф.
На рисунке 18—4 изображена дренажная галерея бетонной плотины с напором в 18 м 1. Особенность этой конструкции состоит в том, что галерея устроена перед водосливом в понуре. Галерея выполнена из бетона и не связана с основным сооружением. В нее выведены горизонтальный дренаж из-под понура и вертикальный дренаж. Последний состоит из скважин диаметром 25 см, глубиной 8 м, засыпанных мелким носком. Пол галереи на 8,5 м ниже отметки нормального горизонта воды нижнего бьефа. Как показали наблюдения, под понуром этой плотины гасится 84—95% напора.
Рис. 18—5. Сопряженно водобоя с рисбермой:
1 — плиты сливной части; 2 — прокладка толя в два слоя; 3 — дренажные скважины;
4 — дренажная труба сечением 20 х 30 см.
отсутствии гасителей энергии ΖΒ = (1,0 -·- 1.25) lt, где длина прыжка — = б (Л2 — Л,); (А2 и Л, — сопряженные глубины); при постановке гасителей на водобое2 1В — (0,75 ч- 0,80) Z,. Толщина плиты определяется гидротехническим расчетом. С целью уменьшения толщины плиты, доходящей в средненапорных плотинах до 5 необходимо снизить давление фильтрационного напорного потока на подошву плиты, что достигается устройством отверстий или скважин в плите для выпуска профильтровавшейся воды из-под плиты (позиция 4 на рисунке 18—1). Для защиты грунта основания от вымыва через эти отверстия под плитой укладывают обратный фильтр. Часть фильтрационной воды, не вытекшей через отверстия в плите, отводят в нижний бьеф по трубе, пропущенной в низовом зубе плиты (рис. 18—5). Плиты водобоя делают цельными длиной до 50 Продольные швы устраивают через 15— 25 м. Общая длина крепления (водобоя и рисбермы), по данным построенных крупных плотиц на равнинных реках, равна 14,1—46,5 величины критической глубины 3. Толщина плит, в конце крепления 0,5—2,5 м.
Сопряжение водобойной плиты с телом водослива осуществляется с помощью эластичных швов, допускающих самостоятельную осадку этих Водобойная часть состоит из бетонной или армированной плиты, закапчивающейся во избежание подмыва ее зубом. Длина водобойной части определяется гидравлическим расчетом. Это достигается устройством в швах шпонок, заполненных битумом (рис. 18—6).
Для гашения энергии воды, сливающейся с водослива или вытекающей из отверстия плотины, в водобойной части применяют различные устройства в виде колодцев или специальных гасителей, создающих препятствия протеканию потока (пирсы, шашки, водобойные стенки, зубчатые пороги и т. д.). Конструкция и расчет этих гасителей рассмотрены в главе 6. На рисунке 18—14 показаны гасители в виде двух рядов зубчатого порога. Повреждения водобойной и сливной частей происходят главным образом вследствие сдвига, опрокидывания, всплывания отдельных участков или всего крепления, вымывания грунта из-под него, расстройства крепления из-за неравномерной осадки, а также от разрушения вследствие истирания бетона наносами, камнями и плавающими предметами.
Рис. 18—6. Схемы сопряжения тела водослива с водобойной плитой:
1 — прокладка битумного мата; 2 — просмоленный канат 3—5—7 см; 3 — битумная шпонка; 4 — доски.
Сливная часть (рисберма) предназначается для того, чтобы предохранять грунт основания за водобоем плотины от размыва поверхностным потоком, а также защищать грунт у водобоя от вымыва фильтрационным потоком, текущим в основании плотины. Ориентировочную длину рисбермы принимают равном 1,5 ls. Конструкция ее должна быть прочной и гибкой, приспособленной к деформациям дна русла и обеспечивающей беспрепятственный выход фильтрационного потока без выноса грунта. Поверхность рисбермы делают шероховатой для гашения энергии потока при переходе его к течению с бытовыми скоростями в неукрепленном русле нижнего бьефа. В средненапорных плотинах (примеры которых описаны в § 18—14) обычно сливную часть делают из бетонных или железобетонных плит. Толщина бетонных плит 1—2 м. Для увеличения шероховатости плит при отсутствии наносов в реке или очень небольшом их количестве плиты выполняют в виде выступающих или скошенных блоков (рпс. 18—5). Для уменьшения фильтрационного давления на плиты в них делают вертикальные отверстия, защищенные со стороны основания обратным фильтром (рис. 18—1).
Концевую часть рисбермы закрепляют несколькими способами: заканчивают зубом, запускают конец крепления в виде фартука в грунт, создают так называемый ковш или предохранительный откос с заложенном, равным около 4. или устраивают гребенчатый трамплин (§ 6—4). Подошву зуба пли запуск фартука закладывают на глубину, большую возможной глубины размыва грунта. Зуб устраивают из бетона или из деревянных ряжей. Крепление предохранительного откоса делают из материалов, обеспечивающих гибкость конструкции, так как такое крепление не должно разрушаться при опускании его в вымоину, которая может образоваться вследствие размыва грунта за ним. Это крепление можно также заканчивать зубом глубиной, по предложению О. В. Вяземского, равной половине максимальной глубины размыва. Устройство ковша, увеличивающего в 2—2,5 раза глубину потока, уменьшает способность потока расшириться в плане. Для увеличения угла расширения потока возможно установление на водобое специальных пирсов-растекателей, положение и форму которых определяют опытами на модели сооружения.
Для придания креплению сливной части гибкости в конце рисбермы плиты связывают выпущенной продольной и поперечной арматурой (крючками d = 30 мм). Железобетонные плиты толщиной 20—40 см связывают друг с другом так, что они образуют гибкий тюфяк, конец которого в виде фартука запускают в грунт и пригружают камнем. При наличии в потоке крупных наносов толщину плит увеличивают, имея в виду их истирание. Сливную часть устраивают также из ряжевых клеток, загруженных камнем и заглубленных в основание на 1—5 м (рис. 18—7). Под ряжевыми клетками укладывают обратный фильтр. Чтобы в каменной наброске ряжей не застревал мусор, хворост, иногда ряжи покрывают сверху настилом из пластин. За ряжевой частью рисбермы забивают сваи с заполнением промежутков между ними камнем. В низконапорных плотинах иногда применяют крепление рисбермы габионами — проволочными ящиками, заполненными камнями.
Рис. 18—7. Сливная часть из ряжевых клеток:
1 — зуб водобойной части; 2 — ряжи, заполненные камнем; 3 — каменная наброска; 4 — сваи; 5 — фашинный тюфяк, запущенный фартуком.
Габионное крепление должно заканчиваться, как и прочие виды креплений, заглублением последних рядов габионов в грунт на глубину, большую глубины возможного размыва. Недостаток этого крепления состоит в том, что под действием ударов камней и трения их и песка но сетке происходит истирание проволоки. Толщина габионного крепления 0,5—2 м при допускаемом скорости течения потока 4—5 м/сек (см. § 24—2). Длину крепления определяют из условия, что скорости в его конце должны быть неразмывающими для грунтов русла плотины за креплением. Эти скорости, поданным построенных плотин па крупных роках, изменяются*:
при мелких и среднезернистых песках (при наличии ковша) — от 1,1 до 1,25 м/сек;
при мелких и среднезернистых песках (горизонтальное крепление) — от 2,15 до 3,0 м/сек;
при гравелисто-галечниковых, полускальных грунтах — от 3 до 3,8 м/сек.
Устои возводят для сопряжения отверстий плотин с берегами реки или глухой частью плотины (например с земляной плотиной). Они предназначены для защиты берегов или сопрягающих плотину с берегами земляных дамб от действия поверхностного потока, протекающего через отверстие плотины. Устой является опорой служебных и проезжих мостов плотины, а также затворов. Форма устоя в плане должна обеспечить плавное направление потока к отверстию с целью достижения возможно наибольшей пропускной способности сооружения. Устой состоит из лицевой стенки, параллельной течению воды в отверстии, и двух открылок, предохраняющих лицевую стенку от подмыва се со стороны засыпки и соединяющих ее с берегом или дамбой. Как в плане, так и в поперечном сечении, устои делают различной формы. Наиболее часто применяется устой в виде обратных стенок, нормальных к лицевой стенке, при котором достигается хорошее сопряжение с берегом (рис. 18—8, а) и земляной плотиной (рис. 18—8, б). В последнем случае откосы плотины сопрягают конусом со стенками устоя, запущенными в грунт. Недостаток этого типа состоит в относительно больших по сравнению с другими типами потерях напора вследствие отжима потока при обтекании им устоя. Длина запуска обратных стенок в земляную дамбу или берег зависит от высоты и уклона откосов дамбы или берега и должна быть больше на 0,5— 2 м длины заложения откоса или конуса. Толщина стенки поверху в конце запуска 0,5—1,0 м.
* И. И. Тараймович. Удельные расходы на водосливе и рисберме. «Гидротехническое строительство» № 5, 1958.
Устой по типу ныряющих стенок (рис. 18—8, в) удобен при сопряжении с земляной плотиной, так как верх ныряющих стен может быть сделан убывающим в соответствии с наклоном откосов плотины до высоты 0,5—1 м у подошвы откоса. В этом типе устоев достигается плавное втекание потока в отверстие и оттекание от него. Длина пути боковой фильтрации, при прочих равных условиях, в этом типе короче, чем в других.
Рис. 18—8. Типы устоев:
а и б — с обратными стенками; в — с ныряющими стенками; г — с косыми плоскостями; д — со шпорой.
Устой с косыми плоскостями наиболее сложен в производстве, по зато обеспечивает плавный вход потока в сооружение (рис. 18—8, г). Для уменьшения выходных пьезометрических уклонов фильтрационных вод, протекающих в грунте за устоем, устраивают в устое, ближе к верхнему бьефу, противофильтрационную завесу в виде бетонном или железобетонной шпоры диафрагмы (рис. 18—8, д). Во избежание вымыва грунта из-за устоя у низового открылка его под креплением откоса укладывается дренаж. Расчет фильтрации за устоями, сопрягающими бетонную и земляную плотину (дамбу), может быть выполнен по способу В. П. Педрига. Для уменьшения напряжений в грунте основания под устоями забивают сваи или развивают фундаментную подушку в сторону берега с консольным выступом в сторону водослива. Длина лицевой стенки устоя определяется размещением в ней пазов шандор и рабочего затвора и на ней — проезжих и служебных мостов. В устоях устраивают шахты для спуска в смотровые галереи, заложенные в водосливе или флютбете плотины.
Поперечное сечение устоя представляет собой подпорную стенку трапецеидального профиля или со стороны засыпки — ступенчатого профиля. Устои отделяют от водослива плотины водонепроницаемыми швами. Под устои продолжают зубья и шпунтовые ряды понурной и водобойных частей, с тем чтобы путь фильтрации под устоями не был короче фильтрационного пути под флютбетом.
Быки.
Быком называют вертикальную стенку, разделяющую два соседних отверстия сооружения и обтекаемую потоком. Быки воспринимают давление воды, передаваемое им затворами, поддерживают последние в закрытом и открытом положении, служат опорами проезжего и служебного мостов (рис. 18—12). В быках устраивают пазы для шандор и затворов. Расстояние между этими пазами должно быть не менее 1,5—2 Толщина быков зависит от конструкции затвора, величины давления воды и нагрузки, передаваемой быкам от проезжих и служебных мостов, подъемных механизмов и вр. Опа колеблется от 1/6 (в широких пролетах) до3/4 (в узких пролетах) от ширины пролета в свету.
Минимальная толщина быков в сечении между пазами не менее 1,0— 1.2 общая толщина обычно составляет 2—6 м. При беспазовых затворах (например, сегментных) толщину бетонных быков принимают меньше, чем при колесных. Площадь опирания затворов на водослив должна проходить по наивысшей площадке гребня водослива, для чего переднюю часть быка выдвигают в сторон) верхнего бьефа (рис. 18—1). Такой выступ быка требуется для устройства проезжих и служебных мостов, а также для направления льдин в отверстие плотины. Для экономии объема бетона передняя грань быка скашивается.
Разрезка швами плотины на отдельные части обеспечит возможность независимой осадки частей плотины, при этом должна быть соблюдена водонепроницаемость швов.
Па сжимаемых грунтах (глинистых и суглинистых), а также в средненапорных плотинах и на песчаном основании конструктивные швы делают по середине (по продольной оси) каждого быка или через один, что создает неразрезную конструкцию пролета водослива с двумя полубыками или из двух пролетов водослива с быком между ними и двумя полубычками по краям (рис. 18—9, а, б). Эта конструкция обеспечивает взаимную неизменяемость опор затвора и способствует лучшему распределению давления па грунт основания.
Разрезка водослива швами (рис. 18—9, 6) более экономична и применима при однородном грунте основания.
В низконапорных плотинах, возводимых на крупнопесчаных или галечниковых грунтах, дающих незначительную осадку, быки отделяют швами от водослива (рис. 18—9, в).
Железобетонные быки толщиной 0,8—1,2 м устраивают в низконапорных плотинах. В быках армируется топкая часть и углы пазов. В плотинах на реках, несущих наносы, грани быков, так же как и устоев, соприкасающихся с водой, облицовывают тесовым камнем, металлическими листами толщиной 10—20 мм или чугунными плитами (см. главу 22).
Статический расчет быка в случае отделения его швами от тела водослива состоит в определении коэффициента устойчивости на сдвиг и напряжений в горизонтальных сечениях быка и по подошве его фундамента. Выполняют три расчета: 1) для периода строительства, когда действуют только вертикальные силы (вес быка, мостов, подъемных механизмов и т. д.); 2) для периода эксплуатации — действие вертикальных и горизонтальных сил (давление воды) и 3) для периода ремонта, когда пролет перекрыт шандорами. вода откачана и бык подвержен, помимо действия вертикальных сил, еще давлению воды со стороны верхнего бьефа и со стороны соседнего пролета, т. е. давлению в двух плоскостях.
