3. Плотины из грунтовых материалов, их типы. Требования к материалам для возведения земляных плотин. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин.

Грунтовые плотины — наиболее распространенный тип плотин, что объясняется возможностью полной механизации технологического процесса по возведению плотины — от разработки грунта в карьере до укладки его в тело плотины, широким разнообразием конструкций плотин, которые позволяют использовать для тела плотины практически любые грунты, находящиеся вблизи створа. При возведении грунтовых плотин предъявляются меньшие требования к деформированию основания, чем плотин других типов.

Грунтовые плотины по используемым материалам классифицируют на

1) земляные, в которых основной объем тела плотины (более 50 %) выполняется из мелкозернистых глинистых, песчаных или песчано-гравелистых грунтов; 2) каменно-земляные, в которых основной объем тела плотины выполняется из крупнозернистых гравийно-галечниковых грунтов или горной массы скального (иногда полускального) грунта, а противофильтрационное устройство — из мелкозернистого грунта; 3) каменные, в которых основное тело плотины, выполняется из крупнозернистого материала, а противофильтрационное устройство — из негрунтовых материалов.

Все эти плотины имеют трапециевидное поперечное сечение с прямолинейным или ломаным очертанием верхового и низового откосов. Тангенс угла наклона откоса к горизонту называется уклоном откоса tgα=l:m, a m=ctgα — коэффициент заложения откоса.

Самая верхняя кромка откоса называется его бровкой, а нижняя — подошвой откоса. Горизонтальные или слабонаклонные участки поверхности откосов называют бермами.

По конструкции плотины делят на однородные, возводимые без специальных противофильтрационных элементов, и неоднородные, тело которых состоит из грунтов двух или нескольких видов.

Неоднородные плотины по расположению противофильтрационного грунтового устройства в свою очередь делятся на плотины: с центральным ядром, когда противофильтрационное устройство из мелкозернистого грунта располагается строго по оси плотины; с наклонным ядром, когда низовая грань противофильтрационного устройства наклонена к горизонту под острым углом β, но угол наклона β больше угла естественного откоса крупнозернистого грунта; с экраном, когда угол β меньше или равен углу естественного откоса крупнозернистого грунта.

Если противофильтрационное устройство выполняется из негрунтового материала (бетон, асфальтобетон, сталь, дерево и т. д.), то по его положению в теле плотины различают экран, расположенный со стороны верхового откоса, и диафрагму, расположенную по оси плотины.

По методам производства работ плотины бывают насыпные, намывные, набросные, взрывонабросные, из сухой кладки камня.

Насыпные плотины бывают: с механическим уплотнением грунта, возводимые послойной отсыпкой с укаткой или тромбованием слоев; возводимые отсыпкой грунта в воду без механического уплотнения; возводимые отсыпкой большими слоями (10 — 50 м) насухо или с уплотнением струей воды из гидромонитора.

По высоте плотины иногда подразделяют на низкие — высотой менее 30 м; средние (30≤Н≤75 м); высокие (75<H≤125 м) и сверхвысокие (H>125м).

По условиям пропуска строительных и эксплуатационных расходов воды грунтовые плотины подразделяют на глухие, фильтрующие и переливные. Глухие — это плотины, фильтрационный расход через которые мал по сравнению со строительными и эксплуата­ционными водосбросными расходами. Водосбросные сооружения при этом могут быть береговыми или пересекать тело плотины в виде галерей. Фильтрующие — это плотины, фильтрационный расход через которые соизмерим с расходами воды, подлежащими сбросу через водосбросные сооружения. Эти плотины могут выполняться из камня (горной массы) без специальных противофильтрационных устройств. Переливные — это плотины, на гребне и откосах которых располагают безнапорные водосбросные сооружения для пропуска строительных и эксплуатационных расходов.

Требования к грунтам для земляных плотин. К грунту как к строительному материалу для земляных плотин предъявляют требования прочности (характеризуемой сдвиговыми характеристиками – углом внутреннего трения и сцеплением), водоустойчивости (характеризуемой степенью растворимости грунта в воде) и водопроницаемости (характеризуемой коэффициентом фильтрации).

По условиям размещения грунтов можно выделить три характерные части поперечного профиля плотины: 1) основная часть, которая выполняет роль массива, обеспечивающего устойчивость всего водоподпорного сооружения и поддерживающего заданные уровни верхнего бьефа; 2) часть, занятая противофильтрационными устройствами – ядрами, экранами, понурами, замками, зубьями и пр.; 3) часть, занятая дренажем. Грунты каждой из этих частей поперечного профиля плотины должны отвечать различным требованиям исходя из выполняемых ими задач. В основной части практически можно использовать все виды нескальных грунтов, а также отходы металлургической промышленности и тепловых электростанций. Для противофильтрационных устройств применимы маловодопроницаемые грунты (суглинки, глины, торф) и искусственные грунтовые смеси (глинобетон), для дренажей – несвязанные грунты с повышенным коэффициентом фильтрации (пески различной крупности, гравий, галька, щебень, песчано-гравелистые смеси и крупные камни).

Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин. Метод расчета устойчивости по круглоцилиндрической поверхности обрушения. Расчет выполняется в предположении плоской деформации на участке плотины толщиной 1 м. Разделим массив обрушения на столбики шириной b и выразим коэффициент запаса устойчивости массива обрушения как отношение момента реактивных сил к моменту активных сил.

где предельно возможная величина реактивного касательного напряжения; активные касательные напряжения; дуга обрушения. Возьмем n-ый отсек и приложим действующие силы к отсеку: собственный вес отсека G_n, T_n и T_n+1 – силы трения по боковым граням отсека; E_n и E_n+1 – давление грунта от рядом расположенных отсеков на боковые грани рассматриваемого отсека; W_n и W_n+1 – фильтрационное давление по боковым граням отсека; соответственно нормальные и касательные напряжения по поверхности обрушения. С учетом всех сил получим:

где и c_n – угол внутреннего трения и сцепления грунта в n - ом столбике массива обрушения.

Для определения коэффициента запаса устойчивости откоса необходимо выполнить цикл расчетов, задаваясь различными положением кривой обрушения и отыскивая такую кривую, которая даст минимальное значение Поиск наиболее опасной кривой выполняют последовательно, задаваясь центрами дуги обрушения. Из каждого центра проводят несколько поверхностей и за основу сравнения выбирают такую поверхность, которая дает минимальный коэффициент запаса.

Все расчеты устойчивости низового откоса обычно выполняют при уровне воды в ВБ на отметке НПУ, ФПУ и мин и макс уровнях воды в НБ.

Расчет устойчивости верхового откоса выполняют при различных положениях воды в ВБ на отметке НПУ, УМО, на 1/3Н от основания.