15. Конструкция бетонной водосливной плотины на нескальном основании

Бетонные плотины в составе речных гидроузлов на равнинных реках по их социально-экономической ответственности и условиям эксплуатации на сверхмагистральных водных путях относят ко II-му классу капитальности и к III-му – на магистральных водных путях и путях местного назначения. В связи с этим они должны удовлетворять необходимым требованиям по обеспечению устойчивости на сдвиг, прочности грунта основания, не допускать размыва грунтов в нижнем бьефе при пропуске паводков и выноса грунта фильтрационным потоком из-под плотины.

В конструктивном отношении плотина условно разделена на три характерные части: водослив на широкой фундаментной плите; устройства, регулирующие фильтрацию воды в основании (подземный противофильтрационный контур); устройства по гашению энергии потока в нижнем бьефе. Схема бетонной водосливной плотины на нескальном основании в разрезе по оси потока приведена на рис. 17.

Тело плотины с водосливом располагается на фундаментной плите, длина которой была определена при построении сливной части плотины (см. п. 13) и должна находиться в пределах рекомендуемых значений : не менее 1,5H для плотин на песчаных грунтах и 2,2H – для глинистых. В теле плотины предусматривается устройство по высоте смотровых галерей (патерн), предназначенных для организации наблюдений за состоянием бетона, приема фильтрующей через бетон воды и других целей. Галереи размером (2×3) м или (3×4) м располагают в пределах высоты, равной (обычно одна или две), на расстоянии 1/5H от напорной грани плотины (не менее 2,0 м). Профильтровавшуюся воду из галерей отводят по дренажным трубам в нижний бьеф.

Затворы плотин в зависимости от их конструкции располагают на гребне плотины или в пазах быков. Размеры и очертания плоского затвора (рис. 18) принимаются в зависимости от ширины пролета водопропускного отверстия и напора на гребне водослива .

Толщину затвора (ригеля) принимают в пределах

, м

а расположение ригелей из условия равнонагруженности. Для двухригельных затворов равенство нагрузки обеспечивается при их расположении по высоте на расстоянии “a” от равнодействующей гидростатического давления . Это расстояние рекомендуется принимать равным

, м.

Рис. 18. Очертание и основные размеры плоского затвора на гребне плотины

Размеры пазов в быках зависят от конструкции опор затвора и их предварительно можно принять: ширину паза , м; глубину – . Расстояние между пазами рабочего и ремонтного затворов должно быть не менее 2,0 м.

Быки плотины являются монолитными бетонными (железо-бетонными) конструкциями, их высота и толщина определены в п. 12, а флютбеты имеют те же размеры, что и тело плотины (см. п. 13).

Для обслуживания затворов по верхнему строению быков прокладываются подкрановые балки на расстоянии не менее 2,0 м от пазов. Транспортные переходы по быкам (автомобильный и железнодорожный) могут располагаться как со стороны верхнего, так и со стороны нижнего бьефов. Иногда транспортные переходы устраивают раздельными. Верх быков со стороны нижнего бьефа, на котором располагают мост для проезда транспорта, принимают из условия его незатопления при сбросе паводковых расходов: по данным практики не менее 3,0 м от максимального уровня нижнего бьефа. Ширину мостов принимают в зависимости от класса капитальности сооружения и типа транспортного перехода. Для сооружений II и III классов при совместном двухпутном проезде автомобильного и железнодорожного транспорта ширина равна (22,5–23,0) м, а при устройстве раздельных проездов: для автомобильного – (7,0–7,5) м и 7,5 м – для железнодорожного.

Основными элементами устройств, регулирующих фильтрацию воды в основании плотин (подземный противофильтрационный контур), являются понуры, шпунты и не дренированные участки фундаментной плиты (флютбет).

Роль подземного противофильтрационного контура плотины состоит в снижении давления воды на сооружение и обеспечение фильтрационной устойчивости грунтов основания. При расположении плотин на несвязных (песок, супесь) водопроницаемых грунтах ограниченной мощности целесообразно применять двухшпунтовую схему подземного контура (см. рис. 17), располагая первый шпунт в начале понура и второй – под фундаментной плитой в зоне примыкания понура к плотине. При расположении плотин на связных (глина, суглинок) малопроницаемых основаниях большой мощности длинного подземного контура по условию фильтрационной прочности грунтов не требуется, поэтому здесь ограничиваются рассмотрением бесшпунтовой схемы подземного контура, устраивая только понур или преграду в виде зуба.

Основное назначение понура и шпунтов – увеличение путей фильтрации потока с целью снижения противофильтрационного давления в основании плотины.

По конструкции понуры могут быть гибкими (из глинистых грунтов, полимерных материалов, асфальтовыми и др.) и жесткими (обычно железобетонными). Тип понура выбирают в зависимости от водопроницаемости грунтов основания: на глинистых грунтах устраивают водонепроницаемый понур, а на песчаных – маловодопроницаемый.

Для плотин средних напоров на песчаных грунтах эффективно использовать двухшпунтовую схему подземного контура (см. рис. 17), позволяющую снизить фильтрационное давление на подошву плотины и градиент потока под сооружением. Толщина железобетонного понура принимается равной (0,4–0,75) м, а длина – предварительно в пределах

, м.

Для увеличения устойчивости плотины на сдвиг понур может соединяться с флютбетом арматурой (анкерами) и работать совместно. Шпунтовые стенки чаще всего выполняются из стального листа толщиной (8–10) мм. Длину понурного шпунта плотины , возводимой на водопроницаемом основании ограниченной мощности, принимают равной толщине фильтрующего слоя: при выполнении курсового проекта можно предварительно взять

, м

и в дальнейшем она уточняется при выполнении проверки достаточности длины подземного контура. Длину флютбетного шпунта принимают равной

, м.

Иногда при большой толщине несвязного водопроницаемого слоя грунта, подверженного механической и химической суффозии, возникает необходимость в устройстве третьего шпунта в конце флютбета (под носком плотины) длиной (3–5) м, который выполняется перфорированным (с отверстиями) для возможного выхода фильтрующейся воды и стабилизации грунта с целью недопущения выпора грунта.

Если шпунты и не опираются в водоупор (являются висячими), то в этом случае расстояние между ними должно быть в пределах (0,75–1,0)( ). В противном случае эффективность шпунтов в гашении фильтрационного напора уменьшается. Конструкция соединения шпунтов с бетоном понура и фундаментной плиты должна обеспечить возможность их осадок без опирания на шпунты. Это достигается устрой-ством в бетоне над верхом шпунтов ниш, заполненных битумной мастикой.

Анкерные железобетонные понуры защищаются гидроизоляцион-ными материалами (битумными или полимерными) и прикрываются сверху защитными слоями из глинистых и песчаных грунтов толщиной не менее (0,4–0,5) м каждый. Песчаный слой во избежание размыва закрывается железобетонными плитами толщиной (0,2–0,4) м. Продольная арматура понура одним концом заделывается к флютбету, а другим к анкерной стенке шириной (0,5–1,0) м и высотой (1–1,5) м. Водонепроницаемость в месте сопряжения понура с флютбетом обеспечивается уплотнением с использованием шпонок.

Для плотин малых напоров (до 10 м) на песчаных грунтах используют бесшпунтовую схему подземного контура с устройством гибких понуров (обычно из глины). По конструктивным соображениям толщина глиняного понура со стороны верхнего бьефа должна быть не менее 0,75 м, а в месте примыкания к флютбету плотины – не менее (1,0–1,5) м (рис. 19). Сверху понур защищается слоем песчаного грунта ( 0,5 м) и железобетонными плитами толщиной (0,2–0,3) м. Длину понура предварительно принимают в пределах (1,0–1,5)H.

Рис. 19. Схема глиняного понура

Бесшпунтовую схему подземного контура целесообразно использовать также при устройстве плотин на глинистых грунтах как для малых, так и для средних напоров. По устройству анкерные железобетонные понуры аналогичны ранее рассмотренным понурам для плотин средних напоров на песчаных грунтах, но при отсутствии шпунтов. Различие лишь в размерах: толщина должна быть не менее 1,0 м, а длину понура предварительно принимают в пределах

, м.

В конце со стороны верхнего бьефа очень часто устраивают зуб с целью увеличения устойчивости плотины на сдвиг. При проверке устойчивости плотин на глинистых грунтах кроме сил веса плотины фильтрационного давления учитывают и вес воды, расположенной над понуром. Схема понура плотин на глинистых грунтах приведена на рис. 20.

Рис. 20. Схема понура на глинистых грунтах

Основными элементами устройств по гашению энергии сбрасываемого с водослива потока в нижний бьеф являются водобой с гасителями и рисберма.

Водобой устраивают в виде горизонтальной бетонной плиты, предназначенной для восприятия динамического воздействия сбрасываемого потока и интенсивного гашения избыточной энергии. Длина водобоя приближенно определяется длиной прыжка при донном режиме сопряжения бьефов (34) и в зависимости от наличия или отсутствия гасителей может быть принята равной:

при отсутствии гасителей энергии

, м,

при наличии гасителей энергии

, м.

Типы гасителей и их устройство на водобое ранее рассматривалось в п. 14.

Толщина водобойной плиты приближенно определяется по формуле В. Д. Домбровского

, м (37)

Здесь высоту и скорость в сжатом сечении находят по зависимостям, соответственно (32) и (33).

Для успокоения потока и рассеивания его за пределами водобоя предназначается рисберма, которая по устройству может быть горизонтальной, наклонной или горизонтальной с наклонным участком. Она состоит из двух частей: первый участок, примыкающий к водобою, предназначен для приема фильтрующей воды из-под основания плотины (считается более массивным), а второй (гибкий) – для сопряжения с естественным дном русла реки.

В конструктивном отношении рисберма должна быть гибкой, достаточно проницаемой для отвода фильтрационных вод и воспринимать возможные деформации дна без нарушения ее прочности. Полная длина рисбермы принимается равной

, м.

Первый участок длиной выполняется из массивных плит толщиной (0,5–1,0) м, в которых устраиваются дренажные колодцы с размерами в плане от (0,25×0,25) м до (1,0×1,0) м заполненные камнем. Колодцы располагают в шахматном порядке через (5–10) м.

В исключительных случаях дренажные отверстия могут устраиваться в водобое, но из-за наличия значительных скоростей течения и больших пульсаций давления в них трудно обеспечить сохранность дренажного материала.

Второй участок рисбермы длиной выполняется из бетонных плит толщиной (0,2–0,4) м, концевой участок которого может сопрягаться с естественным основанием дна реки устройством стенки или успокоительного ковша.

Стенки из бетона (железобетона), шпунта или ряжей устраивают при наличии в конце рисбермы неразмываемых грунтов основания, расположенных на незначительной глубине. В этом случае рисберма (ее массивная и гибкая части) выполняется горизонтальной.

При размываемых грунтах основания в конце рисбермы предусматривают успокоительный участок в виде ковша. Тогда рисберму чаще всего выполняют горизонтальной с наклонным участком к ковшу или полностью наклонной, требующей значительных объемов дноуглубительных работ. Необходимость в использовании указанных схем рисберм определяется по условию

Если глубина воды в конце рисбермы окажется больше глубины воды на рисберме в паводок , то в этом случае требуется устройство ковша.

Глубину ковша по условиям размыва находят по зависимости

, м (38)

Здесь – коэффициент, зависящий от условий размыва, принимаемый при успокоенном потоке в пределах крепления равным (1,05–1,0);

– неразмывающая скорость течения для грунта при глубине потока 1,0 м.

Для песчаных грунтов при среднем диаметре частиц (0,25–2,0) м =(0,40–0,70) м/с, а для глинистых грунтов с удельным сцеплением (5–25) кН/м² =(0,8–1,5) м/с. Удельный расход воды на рисберме определяется по формуле (36).

При наличии ковша в плотине с горизонтальной рисбермой и наклонным участком (см. рис. 17) гибкая ее часть сопрягается с успокоительным участком заложением в пределах , а низовой откос ковша (с креплением или без крепления) с естественным дном реки заложением .Длина ковша принимается в пределах (10–30) м и его дно обычно покрывают слоем мелкого камня на толщину (1–3) м для образования отмостки в случае размыва за рисбермой.

При ковш не требуется, гибкую часть рисбермы устраивают горизонтальной, сохраняя при этом отмостку дна реки.

После предварительного установления основных размеров продольного профиля водосливной плотины производится проверка достаточности длины пути фильтрации под плотиной из условия недопущения выноса грунта при соблюдении требования

,

где – приведенная длина пути подземного контура, определяемая по зависимости

, м (39)

Здесь – коэффициент, учитывающий большие потери фильтрационного напора на вертикальных путях по сравнению с горизонтальными (рекомендуется принять для песчаных грунтов и – для глинистых);

и – длины путей фильтрации, соответственно вертикаль-ных и горизонтальных;

– допустимая длина пути фильтрации, определяемая по формуле

, м (40)

где – коэффициент, принимаемый для песка в пределах (10–12), для глины (7–9).

Превышение принятой длины подземного контура над расчетной допускается в пределах 10%. При больших значениях рекомендуется уменьшить длину шпунтов и в двухшпунтовой схеме подземного контура или длину понура в бесшпунтовой схеме. При несоблюдении условия поступают наоборот: увеличивают длину шпунтов или длину понура.

По окончательно принятым размерам вычерчивается схема водосливной плотины в разрезе по оси потока (см. рис. 17, 19 и 20) в масштабе 1:100 или 1:200.

В схеме плотины под всеми горизонтальными участками подземного контура (понуром, флютбетом, водобоем и рисбермой) предусматривается устройство обратного фильтра, препятствующего выносу частиц грунта фильтрационным потоком из-под плотины. Обратный фильтр выполняется в два или три слоя грунтов разной крупности толщиной (0,6–1,0) м.