Часть первая
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛОТИН
Глава первая
ОБЩИЕ ДАННЫЕ О КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ И КАМЕННОНАБРОСНЫХ ПЛОТИНАХ
1-1. РАЗВИТИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА КАМЕННОЗЕМЛЯНЫХ И КАМЕННОНАБРОСНЫХ ПЛОТИН В СОВЕТСКОМ СОЮЗЕ
Каменнонабросные плотины выполняются из наброски или отсыпки камня, отсыпаемого пионерным способом ярусами (или слоями), а их водонепроницаемость достигается экраном или диафрагмой из негрунтовых материалов (бетон, железобетон, асфальтобетон). Для наброски используется более или менее прочный и крупный камень, отсыпаемый ярусами и уплотняемый гидравлически под действием струи гидромонитора или без уплотнения; для каменной отсыпки используется и посредственный по качеству, главным образом мелкий, камень, отсыпаемый пионерным способом тонкими слоями и уплотняемый укаткой.
Первой каменнонабросной плотиной была Маткожненская плотина высотой 18,1 м, построенная в 1933 г. на Беломорско-Балтийском канале. Эта плотина возводилась наброской рваного камня со стенкой из сухой кладки в пределах верхового откоса и деревянным экраном. Такая же плотина высотой 34,5 м с более совершенной конструкцией экрана была построена для Малоульбинского водохранилища на Алтае. Основанием плотины (рис. 1-1) являются трещиноватые граниты. Наброска выполнена из достаточно крупного и прочного камня (гранита) при зональной укладке в профиль плотины. По своему конструктивному решению эта плотина с крутым верховым откосом, выполненным в виде стенки из сухой кладки, отражает стремление снизить влияние осадки наброски на деформацию экрана. Многослойный деревобитумный экран оказался маловодопроницаемым и работает около 40 лет практически без ремонта, хотя водохранилище ежегодно срабатывается. Плотина построена безупречно, ее осадка и фильтрация через экран были ничтожными и быстро стабилизировались.
Стремление уменьшить трудоемкость работ на строительстве каменнонабросных плотин за счет сокращения объема сухой кладки, как мало поддающейся механизации, применения более современной конструкции экранов нашло свое отражение в Храмской плотине высотой 32,0 м (рис. 1-2), построенной в 1947 г. в Грузинской ССР в сложных геологических условиях, которые потребовали специальных мероприятий по подготовке основания и сопряжения экрана плотины с пластом глин на береговых склонах. Экран плотины выполнен из нержавеющей стали.
В 1948 г. была построена Широковская плотина высотой 40,0 м на р. Косьве. Плотина (рис. 1-3) с обжатым профилем шириной по подошве 2Н (две высоты) имеет деревобитумный экран, построена в основном на нескальном основании, наброска отсыпана без уплотнения.
Рис. 1-1. Малоульбинская плотина.
1 — наброска из рядового камня; 2 — то же из крупного камня; 3 — сухая кладка; 4 — трехслойный деревобитумный экран; 5 — бетонный зуб; 6 — противофильтрационная завеса; 7 — аллювий; 8 — гранит.
Рис. 1-3. Широковская плотина.
1 — каменная наброска; 2 — то же из крупного камня, уложенного с подбором; 3 — сухая кладка; 4 — бетонные блоки; 5 — железобетонный понур, 6 — фильтр 0,6 м; 7 — низовая перемычка; 8 — отсыпка из песчано-гравелистового грунта; 9 — крепление камнем; 10 — аллювий; 11 — аргиллиты, песчаники; 12 — деревобитумный экран.
Рис. 1-4. Гизельдонская плотина.
1 — каменная наброска; 2 — глинобетонный экран и понур; 3 — обратный фильтр; 4 — покрытие из песчано-гравелистого грунта; 5 — крепление мощеным камнем; 6 — ленточные глины; 7 — порода завала.
Рис. 1-5. Ириклинская плотина.
1 — перемычка; 2 — каменный банкет; 3 — понур из суглинка: 4 — каменная мелочь; 5 — песчано-гравийный грунт; 6 — каменная кладка; 7 — экран из суглинка; 8 — каменная наброска; 9 — фильтр; 10 — аллювий; 11 — малафиры.
Еще до Великой Отечественной войны было начато строительство двух каменнонабросных плотин: Карачуновской высотой 22,3 м в Украинской ССР и Урто-Токойской высотой 59,0 м в Узбекской ССР. Обе плотины имеют железобетонные экраны: первая — однослойный по подэкрановой кладке, вторая — двухслойный с битумной прослойкой по подготовке из гравия. Карачуновская плотина с использованием в наброску мелкого камня (гранита) была закончена в 1950 г., Урто-Токойская плотина (из порфирита) — в 1954 г. Она неоднократно подвергалась сейсмическим воздействиям интенсивностями до 8 баллов. В табл. 1-1 приведены основные данные по каменнонабросным плотинам, построенным в Советском Союзе. За последние 20 лет в СССР не было построено ни одной каменнонабросной плотины. Это отвечает и современным тенденциям плотиностроения за рубежом, где эти плотины теперь строятся редко. Они уступили место более прогрессивным каменно-земляным плотинам.
Каменнонабросные плотины, построенные в СССР
Каменно-земляные плотины выполняются из наброски или отсыпки камня, а также крупнообломочных грунтов. Их водонепроницаемость достигается экраном или ядром отсыпанных из маловодопроницаемых грунтов. Такие плотины, как это видно из табл. 1-2, нашли более широкое применение. Первая каменно-земляная плотина — Гизельдонская (рис. 1-4) высотой 19,5 м была построена в 1934г. в Северо-Осетинской АССР. Упорная призма плотины выполнена из наброски рваного камня (известняка), а экран коротким понуром сопрягается с толщей ленточных глин. Гизельдонская плотина по высоте и объему насыпи является скромным сооружением, но она была запроектирована 40 лет назад, т. е. на заре внедрения инженерно - геологических изысканий и геотехнических исследований в практику гидротехнического строительства. Эта плотина может служить хорошим примером конструктивного решения каменно-земляной плотины, построенной в сложных геологических условиях.
В 1955 г. была построена Ириклинская плотина с экраном высотой 43,0 м (рис. 1-5). Она построена на аллювии с использованием в упорную призму мелкого камня (порфирита), а ее сопряжение с основанием достигается понуром длиной 120 м. Впервые в практике плотиностроения экран и понур Ириклинской плотины выполнены из пылеватого суглинка, отсыпанного в воду.
В дальнейшем каменно-земляные плотины больше строились с ядром, чем с экраном. Примером таких плотин являются Верхнетуломская и Серебрянская I, построенные соответственно в 1964 и 1970 гг. на Кольском полуострове. Особенностью этих плотин являются центральные ядра, выполненные из моренных грунтов. На Верхнетуломской плотине два нижних яруса высотой 12 и 14 м отсыпаны в воду. Ядро Серебрянской плотины отсыпалось круглогодично, зимой в подогретую воду.
Рис. 1-6. Ортотокойская плотина.
1 — отсыпка из щебенистого грунта; 2 — перемычка; 3 — дренажная призма; 4 — фильтр; 5 крепление камнем; 6 — цементно-глинистая диафрагма; 7 — кривая депрессии до и после ремонта.
Рис. 1-7. Сионская плотина.
1 — перемычка; 2 — противофильтрационный зуб; 3 — ядро из суглинка; 4 — призмы из галечно-валунного грунта; 5 — дренаж; 6 — бетонные плиты по гравийной подготовке; 7 — одерновка откоса; 8 — аллювий; 9 — конгломераты.
На строительстве плотин Медео в Казахской ССР и Байпазинской в Таджикской ССР впервые в практике плотиностроения использована энергия направленного взрыва для получения и укладки камня в тело плотины.
В практике строительства каменно-земляных плотин для боковых призм используется не только камень, который отсыпается в виде наброски или отсыпки, но и крупнообломочные грунты из современного аллювия и пролювиальных отложений (материалы осыпей). Из таких грунтов возведены Ортотокойская в Киргизской ССР и Сионская в Грузинской ССР плотины. Ортотокойская плотина высотой 54,0 м выполнена из материалов осыпей, ее водонепроницаемость достигается противофильтрационной диафрагмой (рис. 1-6).
Рис. 1-8. Береговая дамба плотины Братской ГЭС.
1 — ядро из суглинка; 2 — бетонная плита; 3 — бетонный зуб; 4 — призма из аллювия; 5 — переходная зона из аллювия; 6 — призма из наброски камня-диабаза; 7 — фильтр; 8 — крепление железобетонными плитами; 9 — гравийное покрытие; 10 — противофильтрационная завеса; 11 — дренажные скважины.
Рис. 1-9. Каменно-земляные плотины с вертикальным и наклонным ядрами.
а — плотина Аракс: 1 — ядро из суглинка; 2 — насыпь из гравелисто-щебенистого грунта; 3 — перемычки; 4 — железобетонное покрытие по гравийно-песчаной подготовке; 5 — одерновка откоса; 6 — бетонная плита; 7 — противофильтрационная завеса; 8 — пригрузка перемычек; 9 — аллювий; 10 — туфоконгломераты и туфопесчаники; б — Гальская плотина: 1 — наброска камня (известняка); 2 — переходная зона; 3 —водоупорная призма из конгломератов, отсыпанных в воду; 4 — каменная пригрузка; 5 — крепление крупным камнем; 6 — отвалы; 7 — переслаивающиеся песчаники, конгломераты и глины.
Сионская плотина высотой 84,8 м возведена из песчано-гравийного и галечно-булыжного грунта, ее водонепроницаемость достигается центральным ядром из суглинка (рис. 1-7). Основанием Ортотокойской плотины в русле является аллю вий, прорезанный противофильтрационной завесой, а на береговых склонах — трещиноватые граниты. Эта плотина построена в сейсмическом районе оз. Иссык-Куль. Основани ем Сионской плотины являются конгломераты и глинистые сланцы. На левобережном склоне сопряжение ядра с основанием достигается бетонной стенкой, образованной из соединяющихся между собой бетонных свай.
На рис. 1-8 дана левобережная дамба Братской плотины высотой 28,5 м. Дамба возведена отсыпкой из аллювия и наброски камня, ее водонепроницаемость достигается центральным ядром из суглинка.
Каменно-земляные плотины, построенные в СССР
1 Водосливная плотина.
3 Образована взрывом на выброс.
- Во время эксплуатации плотины во время ее ремонта в 1959 г.
- В будущем наращивается на 35 м.
Для водонепроницаемости каменно-земляных плотин применяются как вертикально, так и наклонно расположенные обычно на оси плотины ядра (рис. 1-9).
Большинство проектов построенных и строящихся в Советском Союзе плотин выполнены институтом Гидропроект на современном техническом уровне с использованием имеющихся на месте различных грунтов и камня. При строительстве каменно-земляных плотин применены впервые в мировой практике плотиностроения новые методы производства работ: отсыпка грунта в воду, использование энергии направленного взрыва для образования упорной призмы плотины, а также круглогодичное строительство плотин вне зависимости от климатических условий.
В Советском Союзе построено много грунтовых плотин. Основные данные по построенным плотинам объемом насыпи 51,4 млн. м3 и 9 строящимся плотинам объемом насыпи 105,1 млн. м3 приведены в табл. 1-1 и 1-2.
Проекты плотин, высоких й особенно сверхвысоких, обоснованы научно-исследовательскими и опытными работами, поэтому профили плотин достаточно обжаты и оправданы необходимыми расчетами.
В настоящее время наибольшее распространение, особенно среди высоких и сверхвысоких, нашли каменно-земляные плотины, насыпь которых выполняется из камня или крупнообломочных грунтов.
