Глава вторая
ПОПЕРЕЧНЫЙ ПРОФИЛЬ И РАСЧЕТЫ ПЛОТИН
2-1. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОФИЛЯ ПЛОТИНЫ
Элементы профиля плотины назначают в проекте на основании расчетов и опыта эксплуатации аналогично построенных сооружений в соответствии с высотой, типом и геологическими условиями основания плотины, руководствуясь СНиП 11-53-73.
Ширину гребня плотины назначают в зависимости от требований, предъявляемых к гребню плотины: устройства по гребню плотины автомобильных дорог и железнодорожных путей соответствующих классов; производства работ, обеспечивающих пропуск транспортных средств и механизмов.
Ширина гребня определяется также типом плотины, ее высотой и специальными требованиями, которые могут быть предъявлены к плотине. При назначении ширины гребня по условиям устройства дорог надлежит руководствоваться СНиП на проектирование автомобильных и железных дорог. Ширина гребня в соответствии с этими требованиями должна быть не менее 12,0 м для дорог второго и третьего класса и 10,0 м для дорог четвертого и пятого класса. При устройстве железной дороги ширину гребня устанавливают в зависимости от ширины одно- или двухпутного полотна дороги. В соответствии с этим ширина железнодорожного полотна однопутного должна быть не менее 5,0 м и двухпутного — 7,5 м. С учетом инспекционных проездов с обеих сторон железнодорожных путей ширина гребня должна быть не менее 13,0—15,5 м.
Специальные требования к плотине (сейсмостойкость и пр.) могут вызвать необходимость увеличения ширины гребня.
В местах сопряжения гребня плотины с водопропускными и иными сооружениями ширину гребня принимают в соответствии с конструкцией сопряжения и назначением создаваемых площадок.
Если по гребню плотины не требуется устройства автомобильной или железной дороги, то на нем должна быть предусмотрена инспекторская автодорога шириной 3,0—4,0 м.
Гребень плотины укрепляют одеждой в соответствии с типом устраиваемой по нему дороги. Гребень должен иметь обочины или тротуары для пешеходного движения. Для устранения выплесков воды из водохранилища на гребне плотины устраивают парапет. При отсутствии парапета со стороны верхнего бьефа устраивают надолбы или другие ограждающие устройства в соответствии с нормами проектирования автомобильных дорог.
Отметку гребня плотины устанавливают, исходя из нормального подпорного уровня водохранилища с учетом его форсирования при пропуске паводковых расходов, ветровой волны и необходимого запаса над ее расчетной отметкой. При этом необходимо учитывать после строительную осадку плотины. Возвышение гребня над подпорным уровнем в зависимости от класса плотины определяется в соответствии с «Указаниями по проектированию гидротехнических сооружений, подверженных волновым воздействиям» СН-288-64. Запас по высоте плотины па осадку тела и основания плотины определяется расчетами.
Уклон откосов плотин назначают на основе расчетов их устойчивости с учетом физико-механических характеристик грунтов, из которых сложены откосы плотины, и грунтов основания; действующих на откосы сил; высоты плотины; условий производства работ по возведению плотины и ее эксплуатации.
Откосы каменнонабросных плотин принимают обычно равными углу естественного откоса камня, отсыпаемого в наброску. Значение этого угла зависит от состава и крупности камня и тщательности уплотнения. Наблюдения за откосами обрушенной при взрывах скалы в карьерах показывают, что угол естественного откоса разнородного по крупности прочного камня достигает в среднем 37°30', чему соответствует уклон откоса 1 : 1,30.
Назначение уклона откоса плотины большего, чем угол естественного откоса каменной наброски, приводило к оползневым явлениям во время строительства (плотина Свифт) или необходимости уположения (плотина Уэд Кебир). Для высоких плотин угол естественного откоса камня проверяют опытным путем.
Если верховому откосу плотины придан уклон, близкий к углу естественного откоса каменной наброски, то при недостаточной толще слоя подэкрановой кладки вертикальная составляющая гидростатического давления на плотину может вызвать оползание откоса· Действующее по нормали к откосу гидростатическое давление при заполнении водохранилища вместе с силой от собственного веса каменной наброски создает в теле плотины усилия, направленные параллельно равнодействующей всех активных сил. Распределение этих сил в теле каменнонабросной плотины неравномерно, а потому из-за свойств материалов наброски в теле такой плотины могут появиться и неравномерные напряжения.
Необходимо считаться с трудностью отсыпки камня под уклон более пологий, чем угол естественного откоса. Наиболее просто низовой откос создается отсыпкой камня пионерным способом под откос, которая и образует низовую грань плотины с уклоном, равным углу естественного откоса камня. Придание низовому откосу более пологого уклона достигается бермами.
Уклон верхового откоса плотины обычно принимают более крутым, чем низового, и равным углу естественного откоса камня или же немного круче в зависимости от высоты плотины, толщины подэкрановой кладки и времени ее укладки по отношению к наброске. В плотинах с подэкрановой подготовкой из щебня верховой откос положе низового. В соответствии с конструкцией экрана верховому откосу придают обычно уклон переменный по высоте.
На рис. 2-1 дан профиль плотины Караун, наиболее характерный для каменнонабросных плотин. Ширина подошвы таких плотин в среднем равна 2,85Н, а для плотин, возводимых в сейсмических районах (плотина Коготи), она возрастает до (3,0-3,5)Н. Переход от подэкрановой кладки к подготовке из щебня для плотин с асфальтобетонным экраном (плотина Монтгомери) увеличивает ширину плотины по основанию до 3,377.
В каменнонабросных плотинах с массивной стенкой в пределах верхового откоса принимается крутой уклон верхового откоса и пологий — низового. Это предопределяется конструкцией плотины, предусматривающей устройство подпорной стенки по верховому откосу из сухой кладки (плотина Мальпасо), бутобетона (плотина Г. Димитрова) или бетона (плотина Шинг Мун). Верховому откосу придается уклон в пределах 1:0,5-1: 0,3. Так как такой тип плотины допускает применение в наброску камня пониженного качества, то низовому откосу придается более пологий уклон. Уполаживание низового откоса требуется и по условиям расчета плотины. Ширина подошвы таких плотин в среднем равна 2,0Н.
Низовому откосу стенки обычно придается вертикальный или небольшой обратный уклон 1:0,05 (Малоульбинская плотина), чтобы обеспечить независимую осадку наброски и стенки. Этим и определяются размеры стенки.
Откосы каменно-земляных плотин с экраном в силу конструктивных особенностей имеют профиль с более пологим верховым и крутым низовым откосами. Уклон верхового откоса определяется физико-механическими характеристиками грунта, используемого для отсыпки в экран и его пригрузки. Уклон низового откоса принимают равным углу естественного откоса отсыпаемого камня. Обычно ширина подошвы таких плотин (3,8-4,5)Н.
На рис· 2-2 дан профиль плотины Мэнджиренджи, построенной в 1966 г. в ЮАР. Упорная призма плотины отсыпана из гранитогнейсов ярусами с гидравлическим уплотнением. Экран отсыпан слоями из дресвы гнейсов, которые уплотнялись укаткой кулачковыми и пневмоколесными катками.
Для каменно-земляных плотин с экраном при прочих равных условиях требуется большая длина строительных туннелей, чем для плотин с ядром или каменнонабросных.
Откосы каменно-земляных плотин с ядром принимаются обычно одинаковыми; в некоторых случаях верховой откос бывает положе низового. Уклоны откосов принимают по расчету, а ширина подошвы таких плотин находится в пределах (3,5-4,0)Н. Как пример на рис. 2-3 дана плотина Лин Брайан высотой 90,0 м.
Рис. 2-3. Плотина Лин Брайан.
1 — ядро из валунной глины; 2 — переходная зона; 3 — верховая перемычка; 4 — упорная призма из каменной отсыпки; 5 — крепление крупным камнем; 6 — дренаж; 7 — поверхностная цементация; 8 — противофильтрационная завеса; 9 — сланцевые аргиллиты.
Чтобы максимально механизировать, удешевить и упростить работы по каменной наброске, отдельные ярусы отсыпаются под углом естественного откоса, т. е. в пределах 1:1,2-1:1,35. В зависимости от слоев отсыпаемых ярусов камня определяются размеры берм, которые для плотин с ядром принимаются шириной 8,0—12,0 м. При назначении их ширины обычно учитывают не только требования статической устойчивости откосов плотины и производственные условия, но и требования безопасности.
Рис. 2-1. Плотина Караун.
1 — упорная призма из каменной наброски; 2 — подэкрановая кладка; 3 — железобетонный экран толщиной 0,4—0,5 м; 4 — цементационная галерея; 5 — противофильтрационная завеса и поверхностная цементация; 6 — известняки.
Рис. 2-2. Плотина Мэнджиренджи.
1 — экран из дресвы гнейсов; 2 — надэкрановый двухслойный фильтр; 3 — подэкрановый трехслойный фильтр; 4 — упорная призма из наброски гранитогнейсов; 5 — пригрузка; 6 — перемычка; 7 — скала.
Приведенные выше размеры подошвы плотины относятся к плотинам из камня. Если плотина отсыпается из крупнообломочных грунтов, то ширина ее подошвы будет больше.
