Из примеров перелива воды через каменно-земляные плотины и перемычки можно сделать выводы:
а) перелив допустим только во время строительства плотин;
б) защита возведенной части плотины или низового откоса перемычки от размыва должна быть решена в проекте в соответствии с гидравлическими условиями пропуска паводка;
в) обязательно устройство водоотводных сооружений, рассчитанных на пропуск части паводковых расходов во время строительства плотин.
В эксплуатационных условиях перелив воды через гребень каменнонабросной, а тем более каменно-земляной плотины недопустим. Во всех нормах на проектирование и строительство таких плотин содержатся требования — не допускать перелива воды через гребень плотины. Правда, практика плотиностроения знает случаи аварийного затопления каменно- кабросных плотин, не принесших существенных повреждений плотинам. Наиболее характерным случаем является затопление каменнонабросной плотины Ринкон-дель-Бонэт в Уругвае (см. рис. 9-11) во время проходившего в 1959 г. экстраординарного паводка на р. Рио-Негро. Этот паводок достиг 17 000м3/с, повторяемостью один раз в миллион лет, а водослив плотины был рассчитан на расход 9000 м3/с—повторяемостью паводка один раз в 10 000 лет. Плотина была затоплена с переливом через гребень слоя воды 2,0 м. Плотина не пострадала от такого затопления, но объяснение этому следует искать в высоком ее подтоплении со стороны нижнего бьефа, когда начался перелив воды.
Статистика аварий плотин показывает, что основной причиной их разрушений и повреждений являлась недостаточная пропускная способность водосбросных сооружений. Таким образом, опыт строительства и практика эксплуатации каменно-земляных и каменнонабросных плотин показывают, что если плотины специально не приспособлены, то они не могут сопротивляться воде, переливающейся через гребень.
Разрушение плотины Лоуэр-Отэй в США (см. § 7-6) вызвало широкую дискуссию о допустимости перелива воды через гребень каменнонабросных плотин. Высказывалось мнение, что если пологий низовой откос плотины покрыть крупным камнем, а наброску выполнить из качественного камня, то для такой плотины можно допустить перелив. При переливе воды происходят затопление тела плотины, уменьшение веса камня, а также вибрация откоса от переливающегося слоя воды. Все это вместе с осадкой плотины уменьшает сопротивляемость камня массе воды, протекающей по откосу с большими скоростями. При переливе воды появляется ряд дополнительных сил, изменяющих силовые воздействия на плотину. В зоне низового откоса возникает гидродинамическое давление, которое может вызвать оползание откоса раньше, чем он будет размыт потоком воды. Подобные явления и наблюдались при разрушении плотины Лоуэр-Отэй.
Если для каменнонабросной плотины предусмотреть мероприятия, исключающие подобные явления, то для невысоких плотин на скальном основании с высоким подтоплением со стороны нижнего бьефа можно допустить перелив воды через гребень. Для этого необходимо увеличить ширину гребня плотины, придать низовому откосу более пологий уклон и применить усиленное и гибкое крепление откоса, уложить в наброску только крупный и не разрушающийся, и не засоряющийся со временем слой камня.
Основываясь на принципе поглощения воды каменной наброской при переливе через плотину и гашения энергии потока, проходящего через массив наброски, Η. П. Пузыревский в результате лабораторных исследований еще в 1932 г. предложил конструкцию водосливной Тишинской плотины высотой 8,0 м, низовой откос которой укреплен ряжами, заполненными камнем. Произведенная в 1939 г. частичная разборка камня в ряжах показала, что в верхней части пустоты сплошь забиты ветками, щепой, листьями и другим мусором. Нижележащие слои камня засорены меньше, и на глубине 0,5 м мусор встречается лишь в виде отдельных скоплений.
Засорение пустот каменной наброски может привести к потере поглощающей ее способности как гасителя энергии переливающегося потока. Поэтому необходимо предохранять от засорения каменную наброску плотин, как это сделано при эксплуатации Тишинской плотины, где для этой цели установлена мусороудерживающая запань.
На том же принципе поглощения каменной наброской переливающегося по гребню слоя воды спроектирована и в 1957 г. построена на o. Тасмания водосливная каменно-земляная плотина Лафин-Джек высотой 17,1 м, рассчитанная на расход 113 м3/с. Наброска этой плотины выполнена из однородного по крупности камня — долерита, а низовой откос покрыт крупным камнем, уложенным с подбором.
При строительстве плотины Мареж на p. Дордонь во Франции была возведена водосливная перемычка высотой 18,4 м. Основанием перемычки была толща аллювия 13,3 м. Для уменьшения приточности воды в котлован перед перемычкой был забит стальной шпунт, а промежуток между ним и верховой гранью перемычки заполнен бетоном. Для защиты перемычки от размыва построили низовую бетонную стенку — зуб в виде арки, прорезающей всю толщу аллювия. Тело перемычки состояло из наброски камня, а водослив — из габионов, покрытых железобетонной плитой толщиной 15—40 см, заанкерованной с габионами. Перемычка, рассчитанная на расход 1600 м3/с, благополучно пропустила паводок 1200 м3/с. Следует отметить, что такая конструкция перемычки слишком многодельна.
Рис. 6-25. Плотина Орд.
1 — наклонное ядро; 2 — переходные двухслойные зоны; 3 — каменная наброска; 4 — каменная кладка; 5 — армосетки на анкерах; 6 — армосетка на откосе; 7 — поверхностная цементация; 8 — противофильтрационная завеса; 9 — крепление откоса крупным камнем.
В Австралии в 1971 г. построена каменноземляная плотина Орд высотой 99,0 м (рис. 6-25) для борьбы с паводками за счет их частичной аккумуляции в резервной емкости водохранилища 34 100 млн. м3, создаваемого плотиной. Проектом предусмотрено затопление плотины во время ее постройки при уровне воды в нижнем бьефе 51,8 м, для чего плотина покрыта крупным камнем, а низовой откос закреплен армированной каменной отсыпью. Низовой откос на всю высоту плотины покрыт арматурной сеткой, чтобы в экстраординарных условиях плотина могла устоять при ее затоплении. Однако при наличии двух водосливов большой пропускной способности затопление плотины Орд во время эксплуатации маловероятно.
В истоке р. Кемь из озера того же названия в Финляндии построена каменно-земляная плотина высотой 15,0 м. Плотина водосливная длиной 470 м рассчитана на сброс паводков до 480 м3/с со льдом и пропуск через плотину леса, сплавляемого в плотах и молем [Л. 92а]. Модельными исследованиями и расчетами были установлены проектный профиль плотины с шириной гребня 32,0 м и изменения скорости на низовом откосе плотины для всех режимов ее работы — при пропуске расходов от 2200 до 4800 м3/с от 6,2 до 8,8 м/с.
Плотина из моренного грунта и крупного камня объемом 350 тыс. м3, отсыпанных в воду, построена за один зимний сезон 1965/66 г. Водонепроницаемость плотины достигается стальным шпунтом, положение которого на гребне плотины определено из условий неразмываемости водослива.
Паводок 1966 г. был пропущен через плотину, а ее эксплуатация не потребовала проведения ремонта.
Для отвода р. Замбези, расходы которой достигают 14 500 м3/с, на строительстве арочной плотины Кабора Басса в Мозамбике построены два строительных туннеля 16X16 м и перемычки, ограждающие котлован, высотой 37,0 и 32,0 м (рис. 6-27). Перемычки возведены наброской камня массой кусков от 10 до 1200 кг; водонепроницаемость перемычек обеспечивается стальным шпунтом, забитым в аллювий русла.
При расходах в реке 4500 м3/с перемычки начинают затопляться, а при пропуске расчетного паводка через перемычки переливается слой воды 10,5 м на верховой и 12,7 м на низовой.
Рис. 6-26. Водосливная перемычка первой очереди Токтогульской плотины.
1 — насыпь из песчано-щебенистого грунта; 2 — бетонный быстроток; 3 — водобойный колодец; 4 — рисберма из наброски камня; 5 — крепление бетонными тетраэдрами; 6 — дренажная призма из сортированного гравия; 7 — трехслойный фильтр; 8 —полиэтиленовый экран; 9 — банкет перекрытия русла; 10 — пригрузка экрана; 11 — контур перемычки второй очереди.
Модельными исследованиями были установлены наиболее рациональное очертание водосливных поверхностей и конструкция их крепления тяжелыми габионами. Крепления из таких габионов лучше сопротивляются большим скоростям, чем бетонные блоки или каменные глыбы, которые за счет их взвешивания и вибрации разрушаются при меньших скоростях [Л. 127].
Водосливная перемычка первой очереди на строительстве Токтогульской плотины высотой 28,0 м (рис. 6-26) была выполнена из тщательно уплотненного щебенистого грунта. Перемычка имела железобетонное крепление низового откоса, уложенное по подготовке в виде трехслойного фильтра. Паводок 1966 г. пропускался через перемычку и строительный туннель. Удельные расходы на перемычке достигали 12 мэ/с при толщине переливающегося слоя 3,5 м. Продолжительность перелива 14 сут, а пик паводка продолжался 2 сут.
На строительстве Нурекской плотины к пропуску паводка 1966 г. была построена перемычка для кольматажа аллювия русла р. Вахша и камня, сброшенного туда при проходке первого строительного туннеля. Перемычка высотой около 20,0 м была выполнена из наброски камня и отсыпки песчано-гравелистого и галечно-валунного грунта с его уплотнением только за счет проходящих 27- тонных автосамосвалов.
Низовой откос перемычки с уклоном 1:10 был покрыт сборномонолитными плитами 1,5x1,5x0,8 м. Для уменьшения высоты перепада на перемычке был сделан завал русла путем обрушения склонов каньона ниже перемычки. Перемычка с перепадом от 2,0 до 9,0 м работала как затопленный водослив в течение четырех месяцев. При толщине переливающегося слоя до 5,0 м удельные расходы на перемычке достигали 40 м3/с. Перемычка после затопления дала осадку около 1,0 м; это привело к выносу некоторых плит, что указывает на предельное состояние ее устойчивости.
Из приведенных примеров водосливных каменно-земляных плотин и перемычек можно сделать следующие выводы:
а) водосливные плотины с армированной каменной насыпью начинают применяться в южных районах, т. е. в условиях отсутствия сброса льда, но пока ограниченной высоты;
б) водосливные каменно-земляные плотины с креплением гребня и низового откоса крупным камнем начинают строиться и в северных районах;
в) водосливные перемычки в качестве временных сооружений находят более широкое применение;
г) водосливные каменно-земляные низкие и средние плотины, работающие в режиме затопленного водослива, по мере совершенствования конструкций смогут найти применение.
Однако для средних и особенно высоких плотин наиболее надежными являются береговые водосливы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию плотин.
Поскольку современные строительные машины позволяют при зональной разделке плотины использовать практически все грунты и камень из полезных выемок, выполнение больших выемок под водосливы не является проблемой.
Рис. 6-27. Верховая водосливная перемычка плотины Кабора Басса.
1 — щебень; 2 — наброска камня; 3 — габионное крепление; 4 — аллювий; 5 — скала; 6 — стальной шпунт. Уровни воды отвечают расходу 10 000 м3/с.
Использование грунтов и камня из полезных выемок при непосредственной подаче на плотину составляет всего 10—15% стоимости карьерных материалов. Поэтому использование грунтов из полезных выемок в насыпь, независимо от разновременности выполнения этих работ, является экономически обоснованным.
