Типы бетонных плотин.
Конструктивные особенности и типы бетонных гравитационных плотин зависят от величины воспринимаемого ими напора, инженерно-геологических условий (физико-механических свойств горных пород) и топографических особенностей места и строительства. При напорах выше 25— 30 м эти плотины возводят преимущественно только на скальных основаниях, при меньших напорах—на мягких грунтах (глина, суглинок, песок и др.).
Выше уже творилось, что гравитационные плотины выполняют глухими (см. рис. 2.1) и водосливными с затворами (рис. 2.9) и без затворов на гребне (см. рис. 2.2). Плотины с затворами в зависимости от высоты бетонной части имеют несколько разновидностей: плотины с высоким порогом (рис. 2.9 а), если напор образуется (поддерживается) бетонной частью и затворами; плотины с низким порогом (рис. 2.9,б), если напор создается преимущественно затворами.
Гравитационные плотины выполняют массивными и облегченными, в том числе с расширенными швами, с полостями у основания, с анкеровкой к основанию (при прочных скальных грунтах) с заменой внутренних зон их тела бетоном более низких марок (меньшей прочности) или бутовой кладкой.
В зависимости от качества основания подземная часть плотины (ее фундаментная часть) может возводиться без противофильтрационной завесы, с завесой и дренажем, с анкерным понуром.
Но форме поперечного профиля различают плотины высоких профилей, с шириной подошвы, меньшей высоты плотины (при прочных скальных основаниях), и плотины распластанных профилей (возводят на слабых основаниях), у которых ширина подошвы превосходит высоту плотины.
Все типы гравитационных плотин выполняют прямолинейными в плане. Высота их на скальных основаниях достигает 200 м и более при объемах бетонной кладки 2,5 млн. м3 и выше.
По экономическим соображениям глухие гравитационные плотины строят только на участках примыкания их к берегам, к силовым зданиям ГЭС, к земляным плотинам и дамбам.
Водосливные гравитационные плотины обычно входят в состав гидроузлов в качестве водосбросных сооружений.
Требования, предъявляемые к бетонным плотинам в отношении устойчивости и прочности.
Бетонная плотина, как и любое водонапорное сооружение, должна быть устойчивом, прочной и достаточно водонепроницаемой.
Под устойчивостью плотины понимается ее способность противостоять всем действующим на нее внешним силам в их самом неблагоприятном сочетании, оставаясь неподвижной, т. е. в состоянии покоя, уравновешивая с достаточным запасом все действующие на нес сдвигающие и опрокидывающие силы.
Под прочностью плотины, как и любого сооружения, понимается ее способность противостоять всем действующим на нее внешним силам, не разрушаясь как в целом, так и в отдельных элементах.
Устойчивость тела бетонной плотины проверяют на скольжение. опрокидывание и всплывание. Равновесие тела высоких бетонных плотни рассматривают без участия понура, так как он не бывает с ними связан, а низких плотин —с участием понура. Все силы, действующие на плотину, можно путем их сложения по правилам механики привести к трем силам (рис. 2.10):
горизонтальной стремящейся сдвинуть ее по основанию в сторону и. б.; вертикальной Р. направленной сверху вниз (масса тела плотины, всех ее элементов и пригрузки воды на ее горизонтальные элементы); вертикальной N, направленной снизу вверх (фильтрационное противодавление и архимедовы силы).
Проверка устойчивости плотины на скольжение состоит в сопоставлении действующей на плотину сдвигающей силы W с силой, сопротивляющейся сдвигу. Последней является сила трении между подошвой плотины и грунтом основания Т = (Р — — N)f, где f коэффициент трения бетона по грунту. Условие устойчивости на скольжение (сдвиг) записывается так:
(1)
где кс — коэффициент устойчивости на сдвиг по плоскости основания, представляющий отношение сил удерживающих к силам сдвигающим и характеризующий меру запаса устойчивости плотины на сдвиг; обычно kc принимают равным 1,2:1.3.
Расчет на сдвиг бетонных плотин на мягких грунтах выполняют с учетом части основания по криволинейной, обычно цилиндрической поверхности скольжения. Проверка устойчивости плотины на опрокидывание состоит в сопоставлении суммы моментов Рр удерживающих сил относительно точки А с суммой моментов (Ww+Nn) опрокидывающих сил относительно этой же точки. Условие равновесия па опрокидывание записывается так:
(2)
где р, w и п — плечи сил Р, W и V относительно точки А: k — коэффициент устойчивости на опрокидывание, характеризующий меру запаса устойчивости плотины на опрокидывание; он должен быть всегда больше единицы.
Проверка на опрокидывание производится только для высоких плотин на скальных основаниях.
На всплывание проверяют только плотины с низким порогом, сопоставляя силы Р. препятствующие всплыванию, с силами N, вызывающими всплывание. Условие устойчивости на всплывание записывается так:
(3)
где kа — коэффициент устойчивости на всплывание, принимаемый равным 1,25+ 1,30.
Расчет прочности бетонной плотины сводится к определению величины напряжений в ее теле и в основании (по подошве), которые не должны превосходить их значений, рекомендуемых
СНиП. Расчет выполняют для нескольких случаев при различном сочетании действия внешних сил. Прочность бетонных плотин рассчитывают по формулам сопротивления материалов и теории упругости в соответствии со СМ 123-60.
Для плотин на нескальных грунтах выполняют расчет осадок оснований в соответствии со СНиП II-Б. 3-62 «Основания гидротехнических сооружений».
Прочность тела бетонных плотин во многом зависит от качества бетона, способов его укладки и ухода за ним в период схватывания. Гидротехнический бетон должен быть прочным, морозостойким, водонепроницаемым и не подверженным воздействию агрессивных вод (антикоррозийным). Для его приготовления применяют цементы высоких марок и специальных видов, а заполнители —из прочных и морозостойких горных пород, строго руководствуясь правилами подбора всех составляющих бетонной смеси и технологии ее укладки в тело плотины. Марки бетона1 и его характеристики принимают в соответствии со СH 55-59 и ГОСТ 4795-68.
Основные конструктивные особенности бетонных плотин.
Водосливная плотина с низким порогом состоит из флютбета, береговых устоев, сопрягающих плотину с берегами (с земляной плотиной или дамбами), бычков, разбивающих водосливной фронт плотины на отдельные водопропускные отверстия, и затворов, перекрывающих последние.
Флютбет, как и у деревянной плотины, состоит из ряда элементов, назначение которых то же, т. е.: воспринять давление воды, действующей на плотину, и передать его на грунт основания; уменьшить величину фильтрационного противодавления на подошву плотины; снизить фильтрационный расход и скорости фильтрации под плотиной; предохранить ее основание, если оно сложено мягкими грунтами, от механической суффозии; укрепить русло реки в нижнем бьефе за плотиной от размыва водным потоком, проходящим через ее водосбросные отверстия.
Основные элементы флютбета бетонной плотины (рис. 2.11): понур, тело плотины, примыкающее к понуру и несущее на себе бычки, затворы, служебный мост, с которого производят управление затворами, водобой и рисберма.
Понур представляет собой горизонтальную и водонепроницаемую преграду. Помимо понура в состав флютбета вводят вертикальные водонепроницаемые преграды в виде металлических или деревянных шпунтовых стенок. Их размешают по всей длине плотины от одного берегового устоя до другого и под устоями, в начале понура (верховой шпунтовый ряд), на стыке понура с телом плотины (низовой шпунтовый ряд).
Они характеризуют прочность бетона: чем выше марка, тем выше прочность.
При слабых основаниях шпунтовые линии неглубокого заложения устраивают на стыке тела плотины с водобоем. Шпунтовые стенки надежно сопрягают с понуром и телом плотины, выполняя сопряжения обязательно водонепроницаемыми. Вертикальные пути фильтрации — шпунтовые стенки и бетонные зубья — являются более эффективным техническим средством борьбы с фильтрацией и ее последствиями, чем горизонтальные. Их применение позволяет сокращать длину понура.
Понур выполняют бетонным, армобетонным, из битумных материалов или глиняным (из слоя плотной мятой глины)
. 
Армобетонный понур может связываться с телом плотины, что повышает устойчивость последней на сдвиг за счет пригрузки понура водой в в. б. В этом случае понур называется анкерным. Анкерные понуры предпочтительнее выполнять гибкими во избежание появлении в них трещин.
Понур у всех плотин размещают в в. б. перед линией затворов.
Суммарная развернутая (вытянутая в линию) длина контура всех подземных водонепроницаемых частей флютбета называется подземным контуром плотины и определяется специальным гидротехническим расчетом.
При наличии в основании плотины скальных грунтов понур обычно не делают. Вместо шпунтовых рядов устраивают цементационную завесу (см. рис. 2.1. 2.9). для чего по всему напорному фронту плотины под передним краем ее тела бурят скважины, через которые нагнетают цементный раствор, заполняющий все трещины горной породы и повышающий ее водонепроницаемость. Этим уменьшается фильтрация под плотину и снижается фильтрационное противодавление на ее подошву.
Собственно тело плотины является напорно-водосливной частью, через которую протекает водный поток. Верхней огибающей поперечного профиля плотины придают криволинейную форму. В гидравлическом отношении она представляет собой так называемый водослив практического профиля. В зависимости от очертания водосливной части профили бетонных плотни разделяют на вакуумные и безвакуумные. В вакуумном профиле давление под переливающейся струей меньше атмосферного, в безвакуумном профиле равно или больше атмосферного. Безвакуумные профили имеют несколько меньшие коэффициенты расхода, чем вакуумные и очерчиваются но координатам, приводимым в гидравлических справочниках. Оголовки вакуумных профилей плотин очерчивают по окружности или эллипсу; передняя грань их обычно вертикальная. Отверстия водосливных плотин используются при учете стока на гидроузлах, поэтому особенно важно знать гидравлические характеристики отверстий (коэффициенты расхода, величина бокового сжатия, скорость подхода водного потока).
Для уменьшения величины фильтрационного противодавления на подошву на всем протяжении тела плотины устраивают смотровую галерею-потерну. Из потерны до подошвы закладывают вертикальный дренаж (систему вертикально заделанных в тело плотины дренажных груб), который принимает воду, профильтровавшуюся вдоль понура, шпунтовых рядов и через толщу грунта основания. В потерне устраивают дренажные насосы для откачки из нее воды. От места входа в вертикальный дренаж под подошвой тела плотины на всей ее ширине укладывают обратный фильтр.
Для предохранения русла реки от размыва к телу плотины со стороны и. б. приминается водобой с рисбермой, размеры которых определяют гидравлическим расчетом и лабораторными исследованиями. Водобои обычно представляет собой массивную бетонную плиту достаточно большой длины со специальными устройствами для гашения кинетической энергии потока, переливающегося через водосливную часть плотины. Рисберма — менее массивное крепление из бетонных плит, ряжей, загруженных камнем, или каменной наброски. Длина рисбермы должна быть такой, чтобы водный поток, перелившийся через тело плотины и прошедший через водобои, мог приобрести ту же скорость, что и у потока в и. б.
Бетонная водосливная плотина обычно занимает не всю ширину русла реки. Она может располагаться и на пойме, если русло реки перекрывается земляной или смешанной плотиной. Водосливная плотина сопрягается с берегами речной долины с помощью земляных плотин. Если береговые глухие участки плотины имеют незначительную длину, их выполняют бетонными.
Для предотвращения значительной фильтрации через берега в обход плотины, в местах ее примыкания к берегам делают противофильтрационные устройства: бетонные и глиняные шпоры, шпунтовые стенки, цементационные завесы.
Высокие бетонные гравитационные плотины имеют те же конструктивные элементы, что и низконапорные плотины.
Поперечное сечение высокой массивной бетонной плотины равномерно расширяется книзу и имеет вид треугольника с вершиной на уровне в. б. (см. рис. 2.1). Такая форма его обусловлена тем. что но мере заглубления тела плотины под уровень в. б. давление воды на верховую грань возрастает, поэтому и масса более глубоких частей (слоев) плотины должна быть соответствен но больше, чем верхних.
Треугольный профиль плотины завершается небольшим прямоугольником, возвышающимся над водой, позволяющим осуществлять по гребню плотины служебный проход или транспортную связь между берегами реки.
Ширина плотины по основанию принимается такой, чтобы при наполненном водохранилище у низовой грани нс возникало чрезмерно большого давления, а у верховой грани не получалось бы излишнего облегчения, вызывающего растяжение бетона и возможность появления в нем трещин.
Для уменьшения фильтрационного противодавления на подошву плотины у ее тела устраивают зуб-траншею, заполняемую бетоном одновременно с возведением тела плотины, а по линии зуба противофильтрационную завесу. На остальной части подошвы делают дренаж, позволяющий профильтровавшейся воде свободно вытекать в и. б., нс вызывая давления на подошву плотины.
Большое давление воды, оказываемое на высокие плотины, способствует ее проникновению в их тело (в поры бетона, в швы бетонной кладки), что приводит со временем к снижению прочности бетона. Часть тела высоких бетонных плотин, расположенную у напорной грани, для уменьшения проникновения воды выполняют из плотного, маловодопроницаемого бетона, а поверхность напорной грани покрывают гидроизоляцией -водонепроницаемыми покрытиями из битумных и асфальтовых материалов. Чтобы ограничить фильтрацию в тело плотины только ее частью, расположенной у напорной грани, к иметь возможность контролировать это явление, на пути фильтрации по всей высоте плотины, ближе к напорной грани, устраивают вертикальный трубчатый дренаж. Он перехватывает профильтровавшуюся воду и выводит в потерны, откуда она отводится самотеком или откачивается в и. б. У высоких плотин создают несколько потерн, располагаемых на разной высоте.
Для предотвращения появления в телах низконапорных и высоконапорных плотин трещин под влиянием температурных деформаций, являющихся следствием колебания температуры, их в процессе строительства разрезают сквозными температурными швами на секции (блоки) определенной длины. Чтобы через швы нс было утечек воды из в. б., их пересекают специальными уплотнениями шпонками.
Во избежание появлении температурных трещин в телах бетонных плотин в процессе схватывания бетона, которое сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермия), плотины бетонируют отдельными блоками, располагаемыми вразбежку с перекрытием швов между ними. Небольшие по объему блоки, сравнительно с полным объемом тела плотины, довольно быстро отдают в атмосферу тепло, выделяющееся в процессе экзотермии, в связи с чем возникающие в них температурные деформации малы и трещины не возникают.
Описанными типами бетонных гравитационных плотин далеко не исчерпывается все их многообразие. В СССР бетонные гравитационные плотины с напорами около 100 м построены в составе Братской. Усть-Илимской и Красноярской ГЭС. арочно-гравитационные плотины с напорами до 200 м на Токтогульской и Саяно-Шушенской ГЭС, арочная с напором 300 м на Ингури ГЭС.
