§ 23-3. ФЛЮТБЕТЫ НИЗКОНАПОРНЫХ ПЛОТИН
Основные размеры.
В зависимости от грунта основания и напора перед плотиной устраивают флютбета:
а) свайные при напоре до 3—3,5 м и грунтах, допускающих забивку свай: при пороге, поднятом над дном реки до 1 напор на плотине не должен превышать 2,0—2,5 м (рис. 23—2, 23—5);
б) свайно-ряжевые при грунтах, допускающих забивку свай, и напорах до 5—6 м или возвышении порога плотины свыше 1 м (рис. 23—4);
в) ряжевые при грунтах, в которые нельзя забивать сваи (рис. 23— 6; 23-7 и 23-8).
Флютбет плотины состоит из трех частей: понурной (до линии затворов), водобойной и сливной (рис. 23—9).
Для уменьшения давления воды на затворы иногда флютбет плотины приподнимают над дном реки, делая понурную и сливную части наклонными.
Поверхности понурной части придают уклон от 1/6 до 1/10. Недостаток такого флютбета состоит в трудности устройства плотного водонепроницаемого стыка между наклонным понурным полом и лицевыми стенами устоев, а также в усложнении производства работ. Поэтому, по возможности, следует избегать устройства наклонных полов к понуре.
Рис. 23—7. Продольный разрез по плотине на ряжевом основании:
1 — обшивка врубок листовой сталью; 2 — битумный мат; 3 — шпунтованная стенка; 4 — сжимы; 5 — шпонки; 6 — сквозные ряжи; 7 — ручной передвижной реечный подъемник; 8 — направляющий треугольник.
Рис. 23—8. Плотина на ряжевом основании (разрез по проезжему мосту): 1 — проезжий мост; 2 — ручной передвижной реечный подъемник; 3 — шпонки; 4 — сжимы.
Понурную часть делают водонепроницаемой. Толщина понура из глины должна быть не менее 0,6—0,7 м при напорах до 2—2,5 м и не менее 1 м при 1>2,5 м. Понур из суглинка примерно на 20% толще глиняного, устройством перед понуром предпонурной подушки из глины или суглинка толщиной 0,5—1,0 м; сверху подушку укрепляют мостовой или фашинами.
С целью уменьшения боковой фильтрации в обход устоя по стыку примыкания деревянной конструкции к грунту берега или засыпки желательно подушку из глины или суглинка укладывать по откосу подводящего русла или примыкающего к устою конуса земляной плотины до подпорного уровня. Подушка по откосу должна быть защищена от промерзания соответствующей пригрузкой, укрепленной от размыва мостовой.
Рис. 23—9. Схема флютбета деревянной плотины.
Водобойную часть плотин с напором 2,0—2,5 и при достаточно развитом понуро и шпунте, забитом до водоупора, делают водопроницаемой; в плотинах с большим напором — водонепроницаемой. В первом случае под полом водобоя для устойчивости сооружения укладывают камень на слое гравелисто-песчаной подготовки, во втором — глинобетон, состоящий из глины (20—25%), песка (35—40%) и гравия (35—40%). Для предупреждения вымыва поверхностным потоком глинобетона через щели пола, а также отвода просочившейся воды между загрузкой и полом устраивают обратный фильтр из слоев (сверху вниз) щебня, гравия и крупного веска общей толщиной 0,3—0,5 м (чем толще глинобетонная подушка водобоя, тем больше толщина слоя фильтра). Шпунтовые линии в деревянных плотинах забивают в следующем порядке; в начале понура — понурная линия; между понуром и водобоем под линией затворов — королевая и в конце водобойной части — водобойная.
Гидротехнический расчет деревянных плотин выполняется по способам, изложенным в главе 3. Для предварительных расчетов длины частей флютбета назначают в следующих пределах: понурная часть от 1,5 до 3Н, водобойная часть — от 2 до 4Н, сливная часть и рисберма — от 3 до 8Н, где Н — расчетный напор плотины. Размеры понурной и водобойной частей следует брать кратными принятому расстоянию между поперечными свайными рядами или ряжевыми клетками.
На основе опыта многолетней эксплуатации большого числа деревянных плотин при проектировании подземного контура флютбета применяют следующие положения.
- Общая глубина забивки шпунтовых линий должна составлять примерно половину горизонтальной длины флютбета.
- Королевый шпунт следует забивать возможно глубже, без ущерба для плотности шпунтового ряда, но не менее чем на величину напора перед плотиной.
- Глубина забивки понурного шпунта принимается на 0,5—1,0 м меньше глубины забивки королевого шпунта.
- Водобойный шпунт, если он нужен по расчету, следует забивать на глубину, меньшую, чем королевый шпунт. Если водобойный шпунт по расчету не нужен, то вместо него делают деревянную заборную стенку из пластин, заложенных на глубину не менее 0,5—1 м, мл и забивают щелистый шпунт или свайный частокол на глубину 2—4 м (в глинистых грунтах глубже, чем в песчаных).
- Устройство глиняной предпонурной подушки целесообразно на длине от 2,5 до 3,5// при тщательном сопряжении се с понурным шпунтом.
Предельная глубина забивки шпунтов и свай указана в таблице 23—2 *.
Таблица 23—2
Практически глубина забивки во избежание расстройства шпунтовых рядов не доводится до предельной и ограничивается для дощатых (толщиной 7—10 см) глубиной 3—3,5 а для брусчатых (толщиной 15—18 см) глубиной 4,5—5 м.
Основание флютбета воспринимает передающееся через флютбет горизонтальное давление воды и передает его грунту, на котором возводится плотина.
Размещение шпунтовых рядов и круглых свай при устройстве флютбетов на свайном основании показано на рисунке 23 — 10. Круглые сваи при свайно-ряжевом флютбете забивают под каждым пересечением ряжевых стен устоев, быков и флютбета. Поперечные ряды свай пролетной части являются продолжением линии свай, забитых под устоями, пли свайных опор (при обшивной конструкции степ плотины). Расстояние между поперечными рядами — 1,2—2,5 м (чаще 2 м).
Продольные ряды свай в пролетной части, как правило, забивают по линии промежуточных стоек, и расстояние между ними обычно определяется расстоянием между осями. Сваи, в зависимости от передающейся нагрузки на них, делают из бревен диаметром 20—26 см. В понурной части, где результирующее давление направлено вниз, сваи забивают комлями вверх, а в водобойной части, где сваи подвержены вырывающему давлению фильтрационного потока, — комлями вниз.
* Взято с некоторыми дополнениями из книги И. В. Петрашень. Деревянные плотины и шлюзы. ОНТИ, 1936.
На поперечные ряды свай укладывают насадки из бревен d = 20-22 см. Для этого на верхних концах круглых свай нарубают прямоугольные шипы размером в среднем 8 X 14 см, на которые надевают насадки с выдолбленными гнездами. Каждая насадка прикрепляется к свае одной или двумя скобами. Дощатые шпунтовые ряды применяют в плотинах с напором до 1,5—2 м (главным образом в понурной части) и во временных плотинах. Брусчатые шпунты плотнее и надежнее дощатых; их забивают преимущественно в королевой шпунтовой линии. При напорах более 2,5—2,0 и следует забивать брусчатый шпунт в понурной и водобойной шпунтовых линиях. Для лучшей водонепроницаемости возвышающаяся над дном котлована часть шпунта должна быть хорошо проконопачена и просмолена с напорной стороны. Чем менее водопроницаемы шпунты, тем больше срок службы плотины. Шпунтовые ряды забивают между направляющими насадками, которые укладывают на забитые в шахматном порядке, на расстоянии 2 м друг от друга, круглые сваи. Насадки скрепляют между собой болтами. При дощатых шпунтовых рядах иногда забивают один ряд маячных свай (что вообще не следует рекомендовать), к которым и укрепляют насадки. В этом случае маячные сваи входят в состав шпунтового ряда.
Рис. 23—11. Присоединение глиняной подушки к шпунтовому ряду.
Для увеличения пути фильтрации потока, обтекающего шпунтовый ряд, и лучшего сопряжения глиняной подушки со шпунтом можно рекомендовать устройство у шпунта козырька в виде, например, горизонтальных бревен, плотно приболченных к шпунтинам между маячными сваями выше дна котлована и с запуском в глину просмоленной мешковины (рис.23—11).
Понурную и королевую шпунтовые линии продолжают за пределы пролетной части в устои: понурную — вдоль фасадной лицевой стены, а королевую — вдоль шпунтового простенка устоев.
При возвышении порога плотины больше 1 м над дном котлована свайное основание заменяют свайно-ряжевым, т. е. на спаях и шпунтах делают ряжевую нарубку. Такое основание плотины может быть сделано и без повышенного порога при напорах 3,5—4.5 м. В плотинах с металлическими поворотными формами флютбет основывают на козловых вертикальных и наклонных сваях, сопротивление сдвигу которых значительно больше, чем вертикальных свай.
Ряжевые флютбеты устраивают на грунтах, не допускающих забивку свай. Величина заглубления флютбета в основание зависит от напора и определяется гидротехническим расчетом. Эта глубина должна быть около 1 м при плотинах с напором до 1,5—2,0 м; при необходимости снятия верхнего ненадежного грунта, а также в плотинах с большим напором глубина врезки флютбета в основание увеличивается. Переднюю поперечную стенку флютбета и стенку под линией затворов делают водонепроницаемыми и рубят из шпунтованных брусьев, укладываемых на войлоке и скрепляемых металлическими заершенными гвоздями или (что значительно сложнее) с помощью вставных реек. С напорной стороны понурый и королевый простенки осмаливают.
В проекте плотины Института Гипросельэлектро (рис. 23—12) предусмотрена наклейка просмоленного войлока по битуму королевой стенки, а во избежание повреждения последнего при заполнении грунтом ряжевых клеток войлок обшивают досками. Остальные стены рубят так же. как и внутренние стены ряжевых устоев.
В эксплуатации деревянных плотин часто наблюдается расстройство стыка между ряжевой стенкой флютбета и глиняной предпонурной подушкой, поэтому необходимо устраивать перед стенкой козырек из нескольких бревен, приболченных к стенке (рис. 23—13), или же из досок с фартуком из просмоленной мешковины, также соединенных с ряжевой стенкой и запущенных в глиняную подушку.
Под продольными и поперечными рядами ряжей вырубают в скале, а в песчано-гравелистом грунте выкапывают канавки глубиной 0,5—0,75 м, шириной 0,3—0,5 м, в которые и укладывают нижние венцы флютбета (рис. 23—14), залипая их бетоном. В скалу венцы заанкеривают (рис. 23—15).
Полы, шапочные и упорные брусья. В плотинах со свайным флютбетом на гребень шпунтовых линий укладывают понурный, Королевым и иногда водобойный шапочные брусья. Предварительно па гребень шпунтовых линий и насадки кладут смоленый войлок. Понурный шапочный брус, если он надевается на дощатый шпунт, делают из одного бревна d = 28 4- 30 см, при брусчатом шпунте — из двух. В шапочном брусе выбирают лаз, в который входит гребень шпунтового ряда, и четверти для примыкания понурного пола (рис. 23—16). Сверху край понурного пола прикрывают пластиной из бревна d — 24 см, закрепляемой глухарями к шапочному брусу. Иногда четверти для пола вырезают в насадке, тогда шапочный брус, надетый на гребень шпунта, одновременно прижимает концы досок понурного иола (рис. 23—17).
Для водонепроницаемости понурный пол делают двойным: из оструганных по бокам досок толщиной 6—10 см с тщательной припазовкой, конопаткой и перекрытием швов. Между рядами досок прокладывают просмоленные войлок пли мешковину. Нижний ряд досок прибивают гвоздями к насадкам поперечных свайных рядов. Нередко верхний половой пастил вместо досок делают из пластин.
Для придания необходимой плотности между досками полов понура расстояние между насадками свайных рядов в зависимости от напора должно быть от 1,0 до 1,5 м. При большом давлении воды сверху на пол между поперечными ряжевыми стенками флютбета пропускают промежуточные (1—2) бревна d — 20-22 см (рис. 23—12 и 23—13). Понурный пол рассчитывают как балку на двух опорах, загруженную равномерной нагрузкой — слоем воды.
Наиболее часто применяют королевую колоду, состоящую из двух брусьев, укладываемых па направляющие насадки королевого шпунтового ряда (рис. 23—16). Для постановки брусьев на гребень шпунта в них вырезают паз. В брусьях вынимают четверти: в переднем для примыкания понурного пола, а в заднем для укладки водобойного. Между собой брусья
связывают болтами d — 20 мм и прибалчивают такими же болтами к направляющим насадкам.
В свайно-ряжевом флютбете, если порог плотины возвышается над дном котлована более 1 м и глубина забивки шпунта более 4,0—4,5 м, над шпунтом, забитым до верха котлована, делают стенку из горизонтальных шпунтин сечением 24 X 20 см. К шпунтованной стенке с двух сторон примыкают бревна, обтесанные на три канта, уложенные на войлоке и запущенные в ряжевые устои плотины. В эти бревна врубают вертикальные коротыши, соединенные для придания большей жесткости всей конструкции болтами, пропущенными сквозь шпунт. Можно вместо горизонтальной шпунтовой стенки продолжить вертикальный шпунт до королевой шапки, поставив с двух сторон брусчатые стенки (рис. 23—4).
Перед настилкой водобойного пола по линии стоек на насадки свай водобойной части укладывают продольные упорные брусья, поддерживающие королевый брус, подвергающийся изгибу вследствие передачи на пего давления от нижних концов стоек. Продольный упорный брус состоит из двух бревен, соединенных между собой зубом и болтами (рис. 23—18). Нижний брус врубается в насадки поперечных свайных рядов. Если на королевую колоду кладется поперечный упорный брус (иногда с врезкой в колоду на 3—5 см), прижимающий верхний ряд понурного пола, то этот брус также опирается на продольные упорные брусья.
Рис. 23—18. Продольный составной упорный брус из двух бревен.
Водобойный пол, если его устраивают водонепроницаемым, делают так же, как и понурный; водопроницаемый пол настилают из двух рядов досок (иногда нижний ряд — из досок, а верхний — из пластин) с перекрытием швов, но без конопатки и без укладки уплотнителя (войлока и т. и.).
Полы примыкают к ряжевым стенам непосредственно (к венцу, лежащему на уровне пола) или с помощью комплектного бруса, врубаемого в насадки рядом с венцами ряжевых стен (рис. 23—19). В брусе вынимают четверть, в которую входит верхний ряд пола.
В плотинах со съемными стойками, для постановки их на место после прохода паводка, в пролетах между стойками делают направляющие треугольники, возвышающиеся над понурным полом на 8—10 cм и состоящие из контурной брусчатой рамы, обшитой сверху досками (рис. 23—6 и 23—7). Эти треугольники придают направление нижнему концу стойки при заведении ее в гнездо. На реках, несущих наносы, во избежание занесения гнезд песком и галькой, следует устраивать в направляющих треугольниках прорези.
Продольные крепления флютбетов. Наблюдения за работой деревянных плотиц показали, что одним из наиболее частых повреждений их является расстройство королевой колоды. Давление воды передается затворами последовательно через промежуточные стойки и продольные упорные брусья на сваи и шпунт водобойной части. Нод влиянием давления воды происходит изгиб свай в сторону нижнего бьефа, который может повлечь за собой отход водобойного пола от понурного и образование щелей между торцами досок понурного пола в месте их примыкания к королевой колоде, а также между брусьями последней. Вследствие этого длина пути фильтрации укорачивается, скорости фильтрационного потока под водобойной частью увеличиваются, что ведет к вымыву загрузки.
Для того чтобы попурная и водобойная части не могли иметь самостоятельных деформаций и работали как одно целое, предложен ряд конструкций флютбетов деревянных плотин. Так, например, для связи между понурной и водобойной частями применяют продольные брусья, укладываемые под стойками, контрфорсами и лицевыми продольными стенами устоев и быков. Продольный брус связывает с помощью врубки понурную, королевую и водобойную колоды и насадки всех свай (рис. 23—20)*. Он врубается в шапки на глубину 8—12 см заподлицо с верхней гранью шапочных брусьев, так что нижней частью своего сечения он обхватывает шапочные брусья. В остальные насадки продольный брус не врубается, а только обхватывает их нижней частью сечения, возвышаясь на 10—12 см над верхней постелью насадок. Это делается для того, чтобы в водобойной части на связывающий брус уложить продольный упорный брус, а сбоку примкнуть половой пастил.
Недостаток этой конструкции состоит в том. что в разрезной королевой колоде создается прямой путь для фильтрации воды под полом.
Чтобы избежать фильтрации воды вдоль продольного связывающего бруса, необходимо положить под ним просмоленный войлок, а вертикальные щели тщательно законопатить.
На рисунке 23—12 показана деталь флютбета, в котором верхний ряд полового пастила заведен из понурной в водобойную часть. Недостатком конструкции флютбета с неразрезным на короле полом является усложнение ремонта водобойной части; последняя при уровне воды в нижнем бьефе, стоящем ниже пола, подвергается изменяющемуся режиму влажности, что ведет к скорому гниению древесины. При ремонте водобойной части такой конструкции приходится разбирать и понурный пол, для чего требуется ограждение плотины со стороны верхнего бьефа перемычками.
Расчет свай флютбета. На практике приближенно предполагают, что все сваи и шпунты свайного флютбета жестко связаны по рядам между собой с помощью продольных упорных или связывающих брусьев. В расчете опор такого флютбета принимается, что горизонтальная сила (давление воды), передаваемая стойкой флютбету, должна распределяться между сваями и шпунтовыми рядами так, чтобы эти опоры получали одинаковый прогиб.
Рис. 23—21. Схема секции основания флютбета.
Это возможно тогда, когда величина горизонтальной силы q, действующей на каждую опору (сваю и шпунт), будет пропорциональна площади f поперечного сечения ее (рис. 23—21).
Величины сил q будут равны:
Здесь Q — горизонтальная сила, передающаяся па продольный свайный ряд и участок шпунта, суммарное поперечное сечение которых равно F.
По известной величине площади сечения сваи, глубине забивки и условиям заделки ее вычисляют предельное горизонтальное усилие qмах, которое должно быть больше силы q. Предельные значения qмах определяют, исходя из условия прочности па изгиб поперечного сечения сваи и прочности грунта вокруг сваи при ее выворачивании горизонтальной силой.
