4-2. КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
Каменно-земляные плотины с ядром в последние годы получили наибольшее распространение.
Плотины с ядром.
Основные данные по наиболее крупным каменно-земляным плотинам с ядром приведены в конце книги в приложении I.
В зависимости от грунтов, используемых для отсыпки ядра, соотношения цен на отсыпку и наброску, а также климатических условий строительства плотины ширина подошвы ядра может изменяться от 0,1 Н до 2 Н. На плотине Гепач (см. рис. 2-5) —ядро из сортированных грунтов — ширина подошвы ядра 0,25 H, на плотине Лин Брайан (см. рис. 2-3) — ядро из валунной глины — ширина подошвы 0,5 Н. На плотине Блу-Меза высотой 91,0 м, построенной в США, ширина подошвы ядра .достигает 1,2Н, а на плотине Тума — 1,4 Н. В плотинах Уатауга высотой 97,0 м и Ноттели высотой 56,0 м, построенных в США, ширина подошвы водоупорной призмы достигает (1,7-2,4) Н.
По положению в профиле плотины ядро может быть центральным (вертикальным) на оси плотины и слабонаклонным. Положение ядра в профиле плотины определяется технико-экономическими расчетами.
На XI Международном конгрессе по большим плотинам, состоявшемся в Мадриде в 1973 г., в ряде докладов было уделено внимание положению и форме ядра каменно-земляных плотин. На основании проведенных в Швеции модельных исследований распределение напряжений в основании плотины с вертикальным ядром отличается значительно большей неравномерностью, чем в плотинах с наклонным положением ядра. По мере увеличения наклона ядра распределение напряжений в основании становится более равномерным. Деформации тела плотины, параллельные ядру, также достигают наибольших значений при вертикальном ядре, а наименьших— при наклонном ядре 1:0,5. По югославским расчетным данным, полученным методом конечных элементов, рекомендуются оптимальные углы наклона верховой грани ядра в пределах от 1 : 0,6 до 1 : 0,5.
Натурными наблюдениями за плотиной Скемоден высотой 70,0 м с наклонным ядром и плотиной Лин Брайан высотой 90,0 м с вертикальным ядром установлено, что характер вертикальных деформаций обеих плотин весьма сходен, так как профили плотин геометрически подобны, а горизонтальные деформации существенно отличаются в зависимости от положения ядра. На ряде плотин, построенных в Норвегии, ядро имеет вертикальный низовой откос (рис. 4-3).
Вертикальное ядро по условиям сопряжения с основанием может быть по высоте изломанным (рис. 4-4), а его подошва для уменьшения градиента по контакту ядро — скала иметь местные уширения (плотина Шпиле).
1 — ядро из моренного грунта; 2 — двухслойный фильтр; 3 — наброска камня; 4 — отборный крупный камень; 5 — перемычки; 6 — противофильтрационная завеса; 7 — скала; 8 — аллювий.
Рис. 4-4. Плотины с изломанным ядром.
а — плотина Греу: 1 — ядро из суглинка; 2 — песчано-гравийные фильтры; 3 — отсыпка из песчано-гравелистого грунта; 4 — наброска из карьерного камня; 5 — то же из отборного камня; 6 — цементационная галерея; 7 — аллювий; 8 — скала; 9 — дренаж; б — плотина Руджин: 1 — ядро из суглинка; 2 — двухслойная переходная зона; 3 — отсыпка из гравелисто-галечного грунта; 4 — наброска камня; 5 — верховая перемычка; 6 — цементационная галерея; 7 — противофильтрационная завеса; в — аллювий; 9 — скала.
В плотине с ядром давление воды передается через ядро низовой призмы, этим определяются ее конструктивные решения и уклон низового откоса. Осадки призм и ядра развиваются практически независимо, поэтому осадка наброски в плотине с ядром практически не оказывает влияния на ядро. У плотин с тонким вертикальным ядром возможно его зависание на боковых призмах, которое может привести к образованию в ядре горизонтальных трещин. Чтобы исключить это, такому ядру придают слабый наклон в сторону низовой призмы.
Одним из конструктивных элементов каменно-земляных плотин являются фильтры и переходные зоны между экраном или ядром и каменной наброской. Они выполняются в виде многослойных фильтров или отсыпки разнородных, соответственно подобранных грунтов (отсортированных или карьерных). Обратные фильтры выполняются из мелкого камня, щебня (гравия) и песка и обычно подбираются с межслойным коэффициентом фильтрации А·10-2 см/с.
Рис. 4-5. Плотина Глобочица.
1 — ядро из суглинка; 2, 3 — щебенистая глина и глинистая щебенка; 4 — дресва сланца; 5 — мелкий камень; 6 — каменная наброска; 7 — пригрузка гравелисто-песчаным грунтом; 8 — противофильтрационная стенка; 9 — цементационные галереи; 10 — противофильтрационные завесы; 11 — аллювий; 12 — скала.
При отсыпке боковых призм допускается камень различной крупности; на наружных откосах отсыпается более крупный камень. Частично это достигается за счет сегрегации камня по крупности, а в ряде случаев, особенно для крепления верхового откоса, применяется подобранный крупный камень.
В приведенных выше примерах каменноземляных плотин с ядром наброска в боковых призмах отсыпалась ярусами с гидравлическим уплотнением. На плотинах Гепач, Инфернильо боковые призмы выполнены из камня, отсыпанного тонкими слоями и уплотненного виброкатками.
Конструкция плотины с ядром определяется имеющимися на месте грунтами и камнем. Это особенно хорошо видно на плотинах Кокин Брод, Глобочица и Турия, построенных в Югославии (рис. 4-5—4-7).
Рис. 4-6. Плотина Кокин Брод.
1 — слой жирной глины; 2 — глина с гравием; 3 — мелкий щебень сланца; 4 — то же крупный; 5 — песчано-гравелистый грунт; 6 — каменная наброска; 7 — мелкий камень; 8 — каменная облицовка; 9 — пригрузка гравелисто-песчаным грунтом; 10 — противофильтрационная завеса; 11 — скала.
Плотина Глобочица высотой 90,0 м и объемом 998 тыс. м3 построена в 1965 г. (рис. 4-5). Плотина Кокин Брод высотой 79,5 м и объемом 2,480 млн. м3 построена в 1962 г. (рис. 4-6). Плотина Турия высотой 77,5 м и объемом 182 тыс. м3 построена в 1970 г. Особенностями этих плотин являются: обжатые профили с шириной подошвы плотины от 3,2Н (Глобочица) до 3,45 Н (Кокин Брод); тонкие наклонные ядра с относительной шириной подошвы ядра от 0,10Н (Кокин Брод) до 0,26Н (Турин); использование для отсыпки ядра слабопроницаемых и полупроницаемых грунтов— дресвы сланцев и имеющегося на месте камня для наброски боковых призм.
Многие югославские плотины построены в сложных геологических условиях, в закарствованных районах, что потребовало устройства больших противофильтрационных завес.
Гальская плотина (см. рис. 1-9) построена в 1970 г. в субтропическом районе Грузии с количеством годовых осадков до 1530 мм. Наклонная водоупорная призма выполнена из местных конгломератов, содержащих 30% песчано-глинистых заполнителей, которые без рыхления разрабатывались экскаватором ЭГ-4,6. Грунт независимо от погодных условий отсыпался в воду слоями по 2 м. Гальская плотина может служить примером учета в проекте климатических условий строительства и наличия на месте материалов.
Плотина Белмекен (рис. 4-8) высотой 94,0 м и объемом 3,33 млн. м3 построена в высокогорном районе Болгарии в неблагоприятных климатических условиях; продолжительность строительного сезона 5—6 мес, укладка суглинка производилась в течение 2—3 мес в году. Карьер переувлажненного суглинка находился в 30 км от строительства. На месте работ имелись неограниченные запасы дресвы выветрелого гранита и на расстоянии 2 км карьер прочного гранита.
Основанием плотины являются амфибол-биотитовые граниты, разрушенные на склонах выветриванием до состояния дресвы, которые убиралась бульдозерами как песчано-щебенистый грунт. В пределах подошвы поверхностная дресва была удалена, котлован ядра углублен до трещиноватой скалы, которая прорезана траншеей цементационной галереи 2,4х3,0 м. Сопряжение ядра с трещиноватой скалой достигается бетонной подготовкой, поверхностной цементацией и противофильтрационной завесой.
Рис. 4-7. Плотина Турин.
1 — пригрузка карьерным аллювием; 2 — каменная наброска; 3 — гравийная отсыпка; 4 — фильтры; 5 — ядро из глиняного грунта; 8 — глинобетон; 7 — аллювий; 8 — цементационная галерея; 9 — слюдистые сланцы и гнейсы.
С учетом сейсмических условий был принят достаточно обжатый профиль плотины с шириной подошвы 3,0 77 и боковыми призмами из каменной отсыпки. Ядро плотины состоит из: центральной части с откосами 1:0,1 и шириной около 11,0 м, увеличенной до 53,0 м по подошве для обеспечения приконтактной зоны из суглинка, уплотненного до 1750 кг/см3, с kф=А(10-6-10-8) см/с и периферийной части из дресвы гранита с kф=Α-10-4 см/с.
Рис. 4-8. Плотина Белмекен.
1 — центральная часть ядра из суглинка; 2 — периферийная часть ядра из дресвы гранита; 3 — переходная зона из щебня крупностью 30 мм; 4 — отсыпка мелкого камня; 5 — каменная отсыпка; 8 — каменное крепление откосов; 7 — верховая перемычка; 8 — бетонная плита; 9 — цементационная галерея; 10 — поверхностная цементация; 11 — противофильтрационная завеса; 12 — граниты.
Такая конструкция ядра хотя и позволила сократить объем привозного суглинка до 235 тыс. м3 и упростить переходные зоны, но создала в данных климатических условиях и много трудностей для возведения ядра из переувлажненного грунта.
Плотины с грунтовым экраном.
Эти плотины характеризуются тем, что упорный массив состоит из наброски или отсыпки камня, на верховой откос которого отсыпается экран, пригруженный камнем или имеющимся на месте дренирующим грунтом. Поэтому низовой откос плотин крутой, а верховой — более пологий. Заложение верхового откоса определяется условиями устойчивости грунтового экрана и его пригрузки.
Основные данные по наиболее крупным каменно-земляным плотинам с грунтовым экраном приведены в конце книги в приложении II.
Верховой откос таких плотин принимается около 1:2,5, а низовой обычно равен углу естественного откоса каменной наброски. Верховой откос упорного массива по условиям укладки подэкранового фильтра должен быть не круче 1:1,3. При более крутых откосах (плотина Миборо) экран и подэкрановый фильтр отсыпаются одновременно с наброской.
В зависимости от характера используемого для отсыпки грунта и его водопроницаемости экран плотины может быть тонким (плотина Бинга) и толстым (плотина Трангслет).
На рис. 4-9 приведена плотина Аренос, построенная в 1974 г. в Испании, высотой 105,0 м, или 130,0 м над основанием, длиной 428 м, объемом 3450 тыс. м3, в том числе экрана 1100, фильтров 370 и камня (известняк) 1980 тыс. м3.
Экран плотины выполнен из суглинка, уложенного слоями по 0,25 м и укатанного до минимальной плотности 1700 кг/м3 и =10-7 см/с. Камень отсыпался слоями по 2,0 м и укатывался 8-тонным катком за четыре прохода до плотности 1800 кг/м3 и пустотности 33%.
Рис. 4-9. Плотина Аренос.
1 — фильтры; 2 — укатанная каменная отсыпка; 3 — каменная наброска; 4 — экран из суглинка; 5 —пригрузка; 6 — скала (известняк).
