14.3. Конструкция бетонной водосливной плотины на нескальном основании

Бетонные плотины на нескальном основании (песок, глина, суглинок) требуют особых технических решений для предотвращения фильтрации через основание. Фильтрация через основания наиболее опасное явление, которое приводит к суффозии грунта (выносу частиц грунта) и потере устойчивости плотин. Кроме того, снижает устойчивость плотины повышенное давление фильтрационного потока в основании. Для снижения фильтрации в основании выполняются технические решения, которые удлиняют путь фильтрующей воды.

В качестве таких решений применяются вертикальные завесы из шпунта в виде свайного ряда из металлических, железобетонных или деревянных свай, а также бетонные стенки, сооружаемые методом “стена в грунте”, а также методом “струйной цементации”.

Кроме того, со стороны верхнего бьефа устраивается противофильтрационный понур из глины или бетона (рис. 14.2).

Бетонные понуры могут выполняться со стальной арматурой, которая укладывается вдоль понура и пропускается в тело плотины, такой армированный анкерный понур повышает устойчивость плотины за счет вертикального давления воды в верхнем бьефе, которая создает нагрузку на понур и повышает трение в основании.

Все водосливные плотины в нижнем бьефе имеют устройства, предотвращающие размыв основания. У плотин на мягком основании (пески, супеси) такими устройствами являются бетонные плиты водобоя, на которых иногда встраиваются гасители в виде бетонных кубов. За водобоем участок основания, называемый рисбермой, имеет также крепления, выполненные обычно из каменной наброски или плит.

Как водобой, так и рисберма укладывается на обратный фильтр (щебень, гравий, песок), что исключает воздействие на водобой и рисберму фильтрационного давления.

Гашение энергии потока, стекающего с гребня плотины, происходит за счет “подтопленного прыжка”, для чего в нижнем бьефе над водобоем должна быть необходимая глубина. Если глубина на водобое недостаточна, то плиты водобоя заглубляются, образуя водобойный колодец.

14.4. Бетонные плотины на скальном основании

Бетонные плотины имеют в поперечном разрезе обычно треугольный профиль. Такие плотины называются гравитационными, так как сдвигу плотины препятствуют силы трения, образующиеся в ее основании и зависящие от ее веса (рис. 14.3, а).

В теле плотины проложены галереи. Нижняя галерея служит для контроля за работой противофильтрационных завес в основании плотины. Расположенные выше галереи позволяют контролировать фильтрацию через тело плотины, собирать фильтрующую воду не допуская ее движения на наклонную грань плотины.

Рис. 14.3. Профили бетонных плотин на скальном основании:

а – гравитационная; б – контрфорсная; в – арочная; 1 – тело плотины; 2 – гребень; 3 – галерея; 4 – цементационная завеса; 5 – плита; 6 – контрфорс

Из галерей выполняются работы (цементация) по ликвидации очагов фильтрации.

Кроме гравитационных, из бетона стоятся контрфорные и арочныеплотины. Контрфорные плотины удерживают напор воды, опираясь на прочные скальные основания через наклонные ребра (контрфоры). Арочные плотины выполняются в виде арок или свода и основную часть горизонтальной нагрузки передают на крутые скальные берега.

Арочные плотины строятся в основном в узких скальных каньонах.

Рис. 14.4. Водосливная плотина на скальном основании:

1 – водослив; 2 – затвор; 3 – кран; 4 – смотровые галереи; 5 – цементная галерея; 6 – дренажная полость; 7 – носок водослива; 8 – воронка размыва; 9 – цементационная завеса; 10 – контур струи

Бетонные водосливные плотины (рис. 14.4) имеют отверстия для сброса воды при регулировании уровня водохранилища. Эти отверстия перекрываются затворами. Если водосбросы работают редко, например, один раз в год или раз в несколько лет, при сбросе наиболее крупных паводков, то затворы на плотинах выполняются плоскими. При более частой работе водосбросов затворы выполняются сегментными, вальцовыми и др. Если затворы плоские, то подъем всех затворов плотины производится одним и тем же механизмом. Таким механизмом может быть козловый кран, установленный на гребне плотины. При необходимости открытия отверстий в водосливной плотине кран перемещается по рельсовым путям, уложенным по гребню плотины, останавливается и автоматически берет один из затворов, поднимает его в вертикальных пазах на необходимую высоту, после чего фиксирует его подхватами. Затем, при необходимости, поочередно поднимаются другие затворы водосливной плотины.

Этим же краном может обслуживаться станционная плотина, где необходимо при ремонте рабочих затворов опускать и поднимать ремонтные затворы, а также заменять устанавливаемые перед водоводами сороудерживающие решетки. Козловые краны, перемещаемые по гребню плотины, имеют консоль, снабженную захватным механизмом в виде многочелюстного грейфера. Это устройство необходимо для подъема мусора, приплывающего к сороудерживающим решеткам водоводов.

При размещении водосливной плотины на скальном основании для предотвращения размыва в нижнем бьефе используется эффект отброса струи, для чего нижняя часть водослива заканчивается носком- трамплином. При работе водослива вода отрывается от трамплина и, попадая в воздушную среду, насыщается воздухом (аэрируется), при этом теряя часть кинетической энергии. Дальнейшее гашение энергии происходит за счет удара струи о поверхность воды.

Несмотря на предварительное гашение энергии потока в месте падения струи происходит значительный размыв скального дна, при этом глубина воронки размыва составляет 30 м (Красноярская ГЭС). Однако, так как воронка размыва удалена от подошвы плотины, то такой размыв на устойчивости плотины не сказывается.

Кроме поверхностных водосливов в бетонных плотинах устраиваются глубинные (трубчатые) водосбросы. Эксплуатация таких водосбросов достаточно сложна из-за значительной величины гидростатической нагрузки на затворы водосбросов.

Для предотвращения фильтрации через трещиноватые скальные основания под плотиной устраивается глубокая цементационная завеса. Устройство такой завесы обеспечивается бурением ряда скважин и закачкой в них под давлением раствора, заполняющего трещины в основании.