10.6. Каменные и каменно-земляные плотины

Каменные и каменно-земляные плотины применяют там, где имеются достаточные запасы камня необходимого качества. Пло­тины первого типа возводят, как правило, на скальных основаниях, а каменно-земляные — как на скальных, так и на нескальных, но

* При намыве торцевым способом русловой плотины Волжской ГЭС имени В. И. Ленина средняя производительность составила 201 тыс. м³/сут, а макси­мальная — 227 тыс. м³/сут.

322

малоподатливых грунтах. Для возведения каменно-земляных пло­тин требуется наличие достаточного количества грунтов, пригодных для создания противофильтрационных устройств. При отсутствии таких грунтов сооружают каменно-набросные плотины.

В рассматриваемых типах плотин применяют различные по кон­струкции противофильтрационные устройства: в каменно-земляных плотинах (см. рис. 9.3, а...д) —грунтовые экраны, ядра, верховые грунтовые призмы, центральные грунтовые призмы; в каменно-на-бросных плотинах (рис. 9.3, е, ж]—экраны из негрунтовых мате­риалов, диафрагмы.

Выбор конструкции земляных плотин зависит от наличия ма­териалов на месте строительства, геологических условий и произ­водственных возможностей. Выбор той или иной конструкции пло­тины должен быть обоснован технико-экономическим сравнением вариантов.

Рассматриваемые типы плотин возводят либо наброской круп­ного камня пионерным способом ярусами высотой до 10 м и более, либо отсыпкой сравнительно мелкого камня тем же способом слоя­ми толщиной до 2,5 м. В последнее время второй метод возведе­ния плотин получает преимущественное применение.

Наброску и отсыпку камня ведут с искусственным уплотнени­ем или без него. При отсыпке мелкого камня тонкими слоями (0,5 ...2,5 м) уплотнение производят виброкатками, гружеными са­мосвалами и другими механизмами с поливом или без полива во­дой. Наброску камня осуществляют с высоты 6... 8 м до 45 м с эс­такад. Уплотнение наброски производят гидромонитором под дав­лением до 1 МПа с расходом воды 2...4 м³ на 1 м³ наброски в теле плотины. Плотины без искусственного уплотнения возводят намы­вом, взрывом на выброс, отсыпкой в воду, а также отсыпкой и на­броской без уплотнения.

При оценке пригодности скальных пород для возведения пло­тины учитывают запасы породы, физико-механические и химиче­ские свойства камня, условия его разработки и транспортировки. Характеристики скальных пород устанавливают на основе иссле­дований в лаборатории и натурных условиях.

Для наброски используют достаточно прочный материал. Луч­шим считается рваный камень с отношением максимального его размера к минимальному не более 3:4. Иногда используют и ока­танный материал — валуны и булыги. Зерновой состав материала должен быть достаточно однороден, с тем чтобы при сбрасывании не происходило его расслоения. В то же время для уменьшения пористости наброски и осадки сооружения зерновой состав дол­жен включать и небольшое количество мелочи (менее 5%). Сле­дует использовать камень без его сортировки.

При отсыпке камня тонкими слоями с искусственным уплотне­нием можно использовать крупнообломочные грунты самого раз­нообразного состава и качества. Имеются примеры использования для строительства плотин слабых песчаников, сланцев, алевроли-

323

тов и др. Необходимо лишь зонировать крупнообломочные грунты различного качества в пределах поперечного сечения плотины. Бо­лее мелкий и менее прочный материал следует размещать во внут­ренних частях призм, а более прочный и крупный — ближе к внеш­ним их граням.

Для возведения подэкрановой кладки каменно-набросных пло­тин обычно используют крупный постелистый камень правильной формы с толщиной не менее 20 см.

Для противофильтрационных элементов каменно-земляных пло­тин возможно применение практически всех маловодопроницаемых грунтов от глин до песка. Однако наибольшее распространение на­ходят супеси и суглинки. Пески применяют реже из-за их относи­тельно большой водопроницаемости, а глины — из-за сложности достижения необходимой плотности укладки. В последнее время для возведения ядер и экранов этих плотин получают распростра­нение связные грунты с крупнообломочными включениями. К ним относят щебенисто-дресвяные и гравийно-галечниковые грунты с со­держанием мелкозернистой фракции (d_par<i2 мм) более 50%. Это объясняется их меньшей деформируемостью по сравнению с «чис­тыми» мелкозернистыми грунтами.

При проектировании каменно-земляных и каменно-набросных плотин решаются в основном те же вопросы, что были освещены при рассмотрении земляных плотин. Заложение верхового и низо­вого откосов каменно-земляных плотин с ядром колеблется в пре­делах 1,5 ...3, у плотин с экраном — соответственно 2...3 и 1,5 ...2.

Очертание откосов каменно-земляных плотин обычно ровное, без берм. Последние устраивают лишь в местах сопряжения пере­мычек с телом плотин. Крепление откосов каменно-земляных пло­тин зависит от материала упорных призм или защитного слоя. Ни­зовой откос обычно крепления не требует. Со стороны же верхнего бьефа откос укрепляют наброской более крупного камня, чем ма­териал, слагающий упорную призму. Размер этого камня опреде­ляют расчетом и отбирают его из материала упорных призм. Под­готовки под такое крепление не требуется.

Ширину плотины по гребню, так же и возвышение гребня над расчетным уровнем, назначают из тех же условий, что и для зем­ляных плотин.

Экраны из грунта конструируют, как и для земляных плотин. Разница заключается лишь в том, что с целью уменьшения филь­трационных потерь экраны следует делать толще и утрамбовывать плотнее. Толщину экрана поверху назначают равной 1 ... 1,5 м, по­низу принимают толщину экрана по нормали к откосу Ъ= (0,1 ... 0,2)Л, где h — высота плотины. Между земляным экраном и наброс­кой укладывают переходный слой 4 из галечника, щебня или карь­ерной мелочи (рис. 9.3, а).

Ядра каменно-земляных плотин подразделяют на тонкие с от­ношением b/h^.1, но не менее b/h = 0,2, и массивные с отношением Ь//г>-1. Минимальное отношение b/h обычно имеет место на гра-

324

нице ядра с основанием. Наибольшее распространение в настоя­щее время получили ядра с (й/Л)_т._п = 0,3... 0,7. Как правило, ядра плотин имеют постоянный уклон откосов без изломов.

Заложения откосов каменно-набросных плотин примерно такие же, как и каменно-земляных плотин. Если же под экраны выпол­няют сухую кладку, то откосы могут быть круче и заложение для плотин низких и средней высоты может быть уменьшено до 1 : 0,5... 1:1. Однако в настоящее время экраны часто укладывают на под­готовку из щебня или гравия с выравнивающим слоем из тощего бетона. Заложение верхового откоса в этом случае несколько уве­личивается, но зато уменьшается и степень использования ручного труда.

Рис 10.11 Схема расположения осадочных / и температурных 2 швов железобетонного экра­на

Типы экранов из негрунтовых материалов, применяемые в ка­менно-набросных плотинах, весьма разнообразны и могут быть вы­полнены из дерева, бетона, железобетона, синтетических пленок, стали, асфальта и др. Экраны из бето­на и железобетона чаще всего выпол­няют однослойными, разделенными на секции температурно-деформационны-ми вертикальными и горизонтальными швами через 4...15 м (рис. 10.11). Де­ревянные, асфальтобетонные и пле­ночные экраны применяют в основном для низких и средней высоты плотин, причем пленочные в основном для плотин временных. Для пленочных экранов обычно используют полихлор­виниловые пленки, укладываемые в 2.. .3 слоя с общей толщиной 2.. .5 мм. Металлические экраны вы­полняют из стальных листов толщиной 6. ..12 мм; листы соединя­ют сваркой. Эти экраны работают вполне удовлетворительно, но являются весьма дорогостоящими.

Для устройства негрунтовых диафрагм в каменно-набросных плотинах возможно применение тех же материалов, что и для эк­ранов. Однако бетонные и железобетонные диафрагмы в настоящее время, как правило, не применяют, так как опыт их эксплуатации показал, что очень трудно исключить в период эксплуатации воз­можность появления в них деформационных трещин. Редко приме­няют и стальные диафрагмы в связи с их дороговизной и трудно­стями их установки при наличии сильного ветра. В настоящее время при строительстве низких и средней высоты плотин стали полу­чать распространение диафрагмы из асфальтобетона. В отличие от железобетонных такие диафрагмы могут воспринимать неравно­мерные осадки без нарушения их водопроницаемости. Есть случаи использования и пленочных диафрагм (Атобашинская плотина, СССР).

С целью удешевления строительства каменно-земляных плотин при небольших напорах на них пропуск паводковых расходов иног-

325

Рис. 10.12. Каменно-земляная водосливная плоти­на:

/ — защитный слой; 2 — бетонные плиты; 3 — каменная наброска; 4 — обратный фильтр; 5 — экран и понур

Рис. 10.13. Переливная земляная плотина: 1 — горная масса; 2 — глухая земляная плотина; 3 — рваный камень; 4 — железобетонные плиты; 5 — наброс­ка камня; 6 — суглинок

да осуществляют фильтрацией через тело плотины или переливом воды через ее гребень. Одной из первых плотин такого типа была плотина, построенная на Алтае. Низовая часть выполнена из ка­менной наброски. Паводковый расход пропускается как по поверх­ности низового откоса, укрепленного ряжевым каркасом, обшитым досками, так и через каменную наброску.

Допускаемый удельный расход по каменной наброске таких плотин зависит от размеров камня, уклона низового откоса и глу­бины воды в нижнем бьефе. Обычно он не превышает 2... 3 м³/с. Н. Н. Беляшевским был предложен улучшенный тип таких плотин, в которых гребень и низовой откос укреплены бетонными плитами. Максимальные удельные расходы для таких плотин составляют 15...20 м³/с. Несколько таких плотин с напорами от 3 до 6 м в на­стоящее время эксплуатируется на Украине. Поперечный разрез одной из них приведен на рис. 10.12.

В настоящее время предложены и осуществлены в опытном по­рядке и несколько переливных земляных плотин с переливом через гребень. Водосливную часть таких плотин выполняют в виде быстротоков с уклоном дна в зависимости от грунта плотины t = = 0,12...0,2. Так как уклон быстротока положе уклона низового от­коса плотины, то быстротоки размещают в местах примыкания пло­тин к одному из берегов. Одна из таких конструкций приведена на рис. 10.13. Плотина высотой около 20 м рассчитана на пропуск расхода 2500 м³/с при длине водосливной части 110 м. Как видно из чертежа плотины, входная часть водосброса, а также дно и бор­та быстротока трапецеидального профиля выполнены из железо­бетонных плит. Плиты быстротока имеют клиновидное очертание. Уложены они на обратный фильтр обычной конструкции имеют от­верстия для уменьшения фильтрационного давления на плиты.

Что касается пропуска расходов за счет фильтрации воды че­рез тело плотины, то опыт эксплуатации показал, что такая идея не оправдала себя, так как тело плотины быстро засоряется и за-иляется, вследствие чего теряет свою фильтрационную способность.

ГЛАВА И

БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ВОДОСЛИВНЫЕ НИЗКОНАПОРНЫЕ ПЛОТИНЫ