10.3. Проектирование земляных плотин

Правильно запроектированная земляная плотина должна удов­летворять следующим требованиям: плотина и ее основание долж­ны быть устойчивы при всех условиях их работы; водосбросные устройства при плотине и возвышение ее гребня над самым высо­ким уровнем воды в верхнем бьефе должны быть рассчитаны так, чтобы ни при каких условиях не произошел перелив воды через гребень плотины; фильтрация воды через тело плотины и ее осно­вание не должна быть значительной и вести к большим потерям воды из подпертого бьефа, а также вызывать вымыв грунта при выходе фильтрационного потока в нижнем бьефе; верховой откос плотины должен быть защищен от разрушения его льдом и волна­ми, а низовой — выпадающими осадками; сооружение должно быть экономично.

При проектировании плотины и ее элементов вначале на осно­вании анализа местных условий, опыта строительства аналогичных плотин и существующих рекомендаций назначают основные габа­ритные размеры плотины — заложение верхового т\ и низового т_г откосов, ширину плотины по гребню Ь, определяют необходи­мое возвышение гребня плотины над максимальным расчетным-уровнем h₀, намечают противофильтрационные устройства (экран, ядро и т. д.) и методы защиты откосов плотины от разрушения, разрабатывают конструкции сопряжения тела плотины с основа­нием, берегами или другими сооружениями. Одновременно с этим определяют метод возведения плотины и способы пропуска ме­женных и паводочных расходов в период строительства. Далее предварительно назначенные размеры отдельных элементов пло­тины проверяют расчетами. Для этого определяют устойчивость откосов плотины, ее осадки, размеры и массу элементов защитных одежд откосов, а также рассчитывают плотину и фильтрацию через ее основание. Огкосы плотин могут быть ломаные, более пологие внизу и крутые вверху. При большой высоте плотин не­редко на их низовых откосах устраивают бермы шириной 1,5...

308

и м, а иногда и более (рис. 10.2), располагаемые через 10...20 м 1ю высоте и имеющие уклон в сторону вышерасположенного от­коса, что обеспечивает возможность организации перехвата и от­вода вод, стекающих по откосам при выпадении атмосферных осадков.

Уклоны откосов насыпных плотин назначают, руководствуясь ориентировочными данными, приведенными в табл. 10.1.

Ширину гребня плотины назначают либо из условия обеспечения проезда по плотине автомобильного или железнодорожного транс­порта или того и другого, либо из условия производства работ.

Таблица 10.1. Ориентировочные значения заложений откосов земляных насыпных плотин

	Заложение откоса
Высота плотины, м
	верхового		низо	зого
До 5	2,0 .	. 2,5	1.5 . .	. 1,75
5 ... 10	2.5 .	. 2,75	1,75 . .	. 2,25
10 ... 15	2,5 .	. 3,0	2,0 . .	. 2,5
15 ... 50	3,0 .	. 4,0	2,5 . .	. 4,0
50	4,0 .	. 5,0	4,0 . .	. 4,5

В первом случае конструкция гребня плотины должна удовлетво­рять требованиям нормативных документов на проектирование дорог и мостов. Минимальную же ширину гребня принимают не менее 3 м.

Возвышение гребня плотины над расчетным уровнем (м) опре­деляют по формуле

(Ю.2)

где h_run — высота наката волн на откос плотины, м; h_set — высота ветрового нагона воды, м (определяют по [3]); A/i^ 0,5 — конст­руктивный запас по высоте плотины, м.

В качестве расчетного уровня при определении h_v принимают либо нормальный подпорный уровень, либо форсированный уро­вень верхнего бьефа. В первом случае учитывают высоту наката 1%-ной обеспеченности, во втором — 50% -ной. За проектную от­метку гребня принимают наибольшую.

Крепление верховых откосов плотин для защиты их от разру­шения волнами выполняют из бетонных или железобетонных плит, камня и асфальтобетона. По высоте крепление подразделяют на основное и облегченное. Основное крепление располагают в зоне наиболее интенсивного воздействия на откос волн и льда, облег­ченное — ниже и выше основного. Верхнюю границу основного крепления, как правило, назначают на отметке гребня плотины. При значительном возвышении гребня плотины над расчетным уровнем воды основное крепление заканчивают на отметке высоты

309

наката волн h_run, а выше укладывают облегченное крепление Нижнюю границу основного крепления принимают на глубине, равной 2/Zio_/o, считая от минимального уровня сработки водохра­нилища (здесь /iio/_o —высота волны 1%-ной обеспеченности в си­стеме, соответствующая расчетному уровню воды в водохранили ще) Облегченное крепление заканчивают на глубине, где значе ния донных волновых скоростей не превышают допускаемой неразмывающей скорости для данного грунта откоса

Крепление из бетонных и железобетонных плит можно осу ществлять при любых параметрах волн, возникающих на наших внутренних водоемах Выполняют эти крепления из монолитных или сборных плит Монолитные плиты, бетонируемые непосредст­венно на откосах, имеют размеры от 5x5 до 20x20 м и более при их толщине от 15 до 50 см Иногда плиты объединяют в секции размером до 45x45 м, разделяя их температурно-осадочными швами В пределах секции армирование плиг выполняют непре рывным Укладывают плиты либо на сплошном обратном фильтре (при относительно малом их размере), либо на песчаном основа нии с устройством обратных фильтров лишь в местах стыка плит в виде ленточных фильтров (рис 10 2) Швы между плитами уплотняют асфальтобетоном или фасонной резиной

Сборные плиты, изготовляемые на полигонах, имеют размеры от 1,5х 1,5 до 5x5 м при толщине 8 20 см Максимальные разме ры плит выбирают с учетом грузоподъемности имеющихся механиз­мов, условий транспортирования и укладки их на откосе Плиты располагают на сплошном обратном фильтре с шарнирным соеди­нением их друг с другом, иногда швы между плитами замоноли-чивают Окончательно размеры плит и их армирование (обычно в пределах 0,4 0,6%) назначают по расчету Толщину плиты t (м) определяют из условия ее устойчивости на откосе при воз­действии взвешивающего давления воды при откате волны и пр веряют на прочность при обрушении волны на откос Предвари тельно толщина монолитных плит может быть определена п формуле

(Ю

где /г, Я — соответственно высота и длина волны, м, / — длина реб ра плиты или карты в направлении, нормальном урезу воды, м, pc, p_w — соответственно плотность материала плиты и воды, кг/м³, т — заложение откоса Для сборных плит толщину принимают на 10 15% больше

При расчете плиты на прочность в качестве нагрузки принима­ют эпюру волнового давления на откос, определяемую по рекомен дации нормативного документа [13]

Для крепления откосов применяют несортированный или сор­тированный камень Несортированный камень более предпочтите-

310

Рис 102 Вариант крепления откоса железобетонными плитами

/ — отверстия через 10 ч, 2 — плиты 3 — втрамбованный щебень толщиной слоя 01м 4 — ленточный дренаж под швом 5 — мелкий камень 6 — гравий или щебень толщиной слоя 02м 7 — просмоленная доска t=2 5 см

Рис 103 Вариант крепления откоса камнем

/ — обратный фильтр, 2 — гравий или ще­бень слоем 0,3 м, 3 — камень

лен, так как крепление из него выполнять и ремонтировать легче. Его разрушение при местных повреждениях менее интенсивно, чем сортированного камня. Наброску или укладку камня осуще­ствляют по подготовке в виде однослойного или многослойного обратного фильтра с толщиной каждого слоя не менее 15 см. Вы­бор материала подготовки, количества слоев (обычно не более 3) и их толщины производят в зависимости от грунта откоса, наличия и состава местного материала и технико-экономического сравне­ния вариантов.

Необходимые массу и размеры отдельных камней в наброске крепления откосов, содержание камней размерами менее расчет­ного, а также толщину наброски определяют в соответствии с ре­комендациями нормативных документов по проектированию гид­ротехнических сооружений, подверженных волновым воздейст­виям. На рис. 10.3 показана одна из конструкций такого крепле­ния.

Крепление откосов камнем используют при высоте расчетных волн до 2.. .2,5 м и наличии камня необходимой крупности, проч­ности и морозостойкости.

Крепления в виде покрытий из асфальта и асфальтобетона, укладываемых в 2.. .3 слоя общей толщиной примерно 6.. .8 см, иногда с армированием металлической сеткой, применяют для за­щиты откосов плотин малой высоты в условиях отсутствия в верх­нем бьефе ледяного покрова значительной толщины и больших колебаний уровня воды в водохранилище в зимнее время. При возможности возникновения быстрых понижений уровня воды в водохранилищах под такое покрытие укладывают дренаж для сня­тия взвешивающего давления на него, возникающего в этом слу­чае.

Для защиты откосов от разрушения их волнами иногда исполь­зуют и другие типы креплений. Так, при небольшом волнении вы­полняют крепления в виде наброски гравия или щебня, укладкиi одиночной или двойной мостовой, растительного крепления. В ря-я де случаев неразрушаемость сооружения обеспечивают устройст-1 вом пологих откосов с заложением 1:20. ..1:50 и т. д. Вопросы! их расчета и проектирования изложены в специальной литера-' туре.

Низовые откосы плотины, если они подвержены волновым воз­действиям, обычно закрепляют дерном, посевом трав и посадкой кустарников полосами параллельно оси плотины. В результате перепада уровней воды между верхним и нижним бьефами ч£рез поры грунта как самой плотины и ее основания, так и в обход сооружения по берегам возникает фильтрация воды, происходя­щая под влиянием силы тяжести. Фильтрующая через тело плоти­ны вода насыщает его до так называемой депрессионной поверх­ности (рис. 10.4). В поперечном разрезе линию пересечения де­прессионной поверхности с вертикальной плоскостью называют кривой депрессии. Фильтрация воды через сооружение вызывает 312

неблагоприятные явления. В зоне насыщения водой грунт взвешен и подвержен действию фильтрационных сил, стремящихся сдви­нуть частицы грунта в сторону движения потока, малые частицы грунта при этом могут быть вынесены из тела плотины (явление суффозии, см. гл. 11), откосы плотины могут оползти. Прочность грунта, насыщенного водой, по сравнению с сухим снижается вследствие частичного исчезновения сил сцепления, обусловливае­мых капиллярным давлением. Через плотину из проницаемых

Рис. 104. Гидродинамическая сетка фильтрационного по­тока в теле плотины из однородного материала: abc — кривая депрессии; / — линии равных напоров; 2 — линии тока

грунтов может проходить фильтрационный расход, имеющий зна­чение для учета потерь воды из водохранилища. Для уменьшения фильтрации через плотины в них устраивают водонепроницаемые зоны — экраны, ядра, диафрагмы (водонепроницаемые стены вме­сто ядра), которые выполняют из глины, суглинка, металла, же­лезобетона и других материалов. Их сопрягают с водонепроницае­мым основанием плотин или, если его нет, погружают в основание на глубину, определяемую расчетом.

Для уменьшения фильтрации через основание впереди плоти­ны укладывают понур из глины или суглинка, а в последнее время и пленочных материалов, сопрягая его с экраном (см. гл. 9).

Для оценки воздействия фильтрационного потока на работу плотины и ее основание производят поверочные расчеты. При этом обычно определяют положение депрессионной поверхности филь­трационного потока; его расход, градиенты напора и скорость фильтрационного потока в теле и основании плотины.

Положение депрессионной поверхности в теле плотины наряду с другими факторами (см. ниже) позволяет оценить устойчивость откосов плотины. Данные о скоростях фильтрационного потока и его градиентах на выходе в нижний бьеф позволяют оценить прочность грунта на выпор и возможность суффозии. В случае не­обходимости для противодействия выносу частиц грунта фильтра­ционным потоком в нижний бьеф на низовом откосе устраивают дренаж по типу обратного фильтра в виде дренажной призмы (рис. 10.5, а) или насланного дренажа (рис. 10.5, б). В этом слу­чае дренаж выполняют из нескольких слоев грунта (обычно 2.. .3) толщиной не менее 25 см. При этом слои располагают так, чтобы

313

каждый последующий по направлению движения фильтрационно­го потока слои дренажа имел коэффициент фильтрации больше чем предыдущий, а отношение средних диаметров зерен грунУа соседних слоев было равно D_m/d_m = 8 ..10. Это обеспечивает не проходимость частиц защищаемого грунта диаметром d_m через поры защищающего его слоя с частицами диаметром £>" Отве­чающий этим требованиям дренаж называют обратным фильтром Возвышение верха дренажа назначают на 1...2 м выше ожидаемо-

го выхода на откос депрес-сионной поверхности и не менее 0,5 м над максималь­ным уровнем воды в ниж­нем бьефе (рис. 10.5).

Для решения фильтра­ционных задач, указанных выше, в настоящее время имеется ряд гидромеханиче­ских, гидравлических и экс­периментальных методов

Рис 105 Типы дренажей в низовом клине

плотины

а-дренажная призма, б - наелонный дренаж /-кривая депрессии, 2 - обратный фильтр, з банкет

Гидромеханические ме­тоды расчета дают возмож­ность теоретически по­строить так называемую гидродинамическую сетку фильтрации, состоящую из линий равных напоров 1 (эквипогенциалей) и линий тока 2 (см рис. 10.4) Одна­ко получены такие решения

Ге^е_ш±г„Тд^а„^е„^в;Гк^{чем обычио с} у-™ ™^"™»ss

решения предпосылок: движение воды происходит в однородном ды раТмГоиГт"^{6 И ПОДЧИНяется зако}»У Дарси, двиГние во как^РГтГнДвше^ее^Тс^Ся^{Я В} 1™™' ^н°Р™ьной к оси сооружения, С помощью гидравлических методов можно с достаточной лля вдПоиГ¹" ^{Ц6ЛеЙ ТОЧНОСТЬ}'о определить положение депресси^н нои поверхности, градиенты напора и средние скорости (Ьильто-з Ционного потока, фильтрационный расход скорости фильтра-

^^^^^^^sssr.yss,

лотки и меюд ЭГДА. Последний получил наибольшее распросгра-

пол^=у-г=;^к"_Р\_дГсГ; г„г;„_дГсТ v,s ™

^С;-⁰е™Т_е™^ЭФП^Ф„™™"^{Га ФМИраЩ1}" " *>> «^Р. пр°"™к_е^ГРГвсегд⁰_а

им_еюг место. Поэтому получаемые результаты не следует пепе оценивать и в каждом конкретном'случае надо учитывать ве'сь 314

комплекс геотехнических и гидрологических условий объекта, вно­ся необходимые коррективы в расчеты.

Для проектирования земляной плотины необходимо определить наивысшее и наинизшее положения кривой депрессии и величину фильтрационного расхода, оценить опасность суффозии Положе­ние кривой депрессии следует определять не только в предполо­жении установившегося режима для наивысших уровней воды, но и с учетом изменения ее положения в пространстве и во времени, оценив, в частности, возможность или невозможность достижения ею наивысшего положения за период паводка

Осадки плотины и ее основания происходят в период строитель­ства и эксплуатации. Осадка плотины в период строительства при хорошем уплотнении грунта бывает незначительной и в расчетах обычно не учитывается. Осадка же основания может быть доста­точно большой.

(Ю.4)

где S — осадка за рассматриваемый период времени по расчетной вертикали, м; АЛ, — мощность сжимаемых элементарных слоев грунта, на которые делится сжимаемая толща, м; k — количество расчетных элементарных слоев грунта; /Z|_,, л₂_< — коэффициенты пористости грунта, определяемые по компрессионной кривой в за­висимости от сжимающих напряжений at-i и at-2 в скелете грунта на уровне слоя i в соответствующие моменты времени t\ и t%.

Увеличение напряжения в скелете рассматриваемого слоя грун-га будет равно давлению столба грунта pd над рассматриваемым слоем в соответствующий момент времени

Осадку основания S учитывают при исчислении объема земля­ных работ, прибавляя эту величину к высоте плотины По зависи­мости (10.4) могут быть определены и осадки плотины в период ее эксплуатации. Для предварительного определения эксплуата­ционной осадки плотины S_Ser (м) можно воспользоваться эмпири­ческой формулой Лаутона

(10.5)

где h — высота плотины, м. Формула дает хорошее совпадение с натурой для плотин высотой до 150 м.