книги из ГПНТБ / Чугаев Р.Р. Подземный контур гидротехнических сооружений (проектирование подземных частей плотин на нескальном основании)

\іГВБ

Обратный фильтр

Дренаж

Рис. 7

Рис. 9

20

вьш и низовым зубьями плотины; подземный контур представляет собой линию 1—2—3—4—5. В случае, когда дренирование напорной грани производится на небольшую высоту, понур плотины может ока­ заться горизонтальным, причем избыточное гидростатическое давле­ ние будет снято только с напорной грани верхового зуба плотины.

Схема 5 (рис. 10) — п л о т и н а с в е р т и к а л ь н ы м д р е ­ н а ж о м . В этом случае одна из поясненных выше схем усложняется дополнительным устройством одного или нескольких рядов глубоких дренажных колодцев; ряды дренажных колодцев могут располагаться или в области нижнего бьефа, или под плотиной, или под понуром.

Ф^ГВб_Р

tsl^ Р

~—

Ш/////////////А

/

/

Рис. 11

Выходное живое сечение здесь увеличивается за счет устройства ко­ лодцев, причем напор в определенных зонах основания (на боковой поверхности колодцев и их дне) доводится практически до величины

к о н т у р а . В этом случае водопроницаемое основание на всю его глубину до водоупора пересекается противофильтрационной пре'градой (диафрагмой), выполненной в виде глубокого бетонного зуба, (рис. 11, а), шпунтового свайного ряда (рис. 11,6) или инъекционной завесы. Водопроницаемое основание может пересекать одна диафрагма, как показано на рис. 11, или несколько. Под плотиной, выполненной

21

по схеме 6, может быть устроен горизонтальный дренаж, защищен­ ный обратным фильтром и соединенный с нижним бьефом.

При проектировании подземного контура прежде всего следует выбрать применительно к данным конкретным условиям принципиаль­ ную схему подземного контура. При этом необходимо руководство­ ваться общими характеристиками схем подземного контура, приве­ денными в § 6. В некоторых случаях приходится в первом приближе­ нии намечать не одну принципиальную схему, а две или несколько.

Выбрав ту или иную принципиальную схему подземного контура, далее применительно к этой схеме следует при помощи расчетов на­ метить ряд вариантов подземного контура, р а в н о п р . о ч н ы х как в отношении устойчивости и прочности самой плотины, так и в отношении фильтрационной прочности ее основания.

Устойчивость и прочность самой плотины, как говорилось выше, должна оцениваться при помощи статических расчетов.

Расчеты фильтрационной прочности, при помощи которых опреде­ ляются размеры подземного контура, выполняются на основе филь­ трационных расчетов (см. гл. 3 и 4). Получив ряд равнопрочных ва­ риантов плотины, характеризуемых приемлемым запасом прочности, рациональный подземный контур следует устанавливать методом срав­ нения намеченных равнопрочных вариантов с учетом условий, пояс­ ненных в гл. 1. Для сокращения числа сравниваемых вариантов сле­ дует пользоваться различными правилами, позволяющими отбрасы­ вать варианты, явно нерациональные с точки зрения производства работ и явно неэкономичные. *

Дополнительно при проектировании и устройстве подземного кон­ тура необходимо пользоваться правилами, .обеспечивающими полу­ чение в натуре тех условий работы сооружения, которые имелись в виду при статическом расчете плотины и расчете фильтрационной прочности ее основания. Некоторые главнейшие из указанных правил излагаются ниже, вместе с общей характеристикой принципиальных схем плотины.

6.Области применения принципиальных схем подземного нонтура

иих общая характеристика

Наиболее часто применяются в настоящее время схемы 1, 2 и 6 (см. § 5).

Схема 1 (бездренажная, рис. 6) должна применяться из числа пер­

вых пяти схем в том случае, если нет уверенности, что обратный фильтр, устроенный под сооружением, будет работать нормально (с течением времени не закольматируется), а также в тех относительно редко встречающихся случаях, когда плотина, запроектированная по схеме 1, оказывается более экономичной, чем плотина, запроекти­ рованная по одной из схем 2—5. В остальных случаях следует обра­

щаться к одной из схем, имеющих в своем составе дренаж под телом плотины’и л и под понуром.

Засорения (кольматирования) правильно построенного обратного фильтра надо опасаться только в случае несвязных мелкозернистых.

22

ности благодаря устройству вертикального дренажа, в соответствую­ щей области основания могут быть ликвидированы фильтрационные силы, направленные снизу вверх. Вертикальный дренаж следует уст­ раивать только в тех случаях, когда фильтрационные силы являются опасными с точки зрения устойчивости основания. Такие случаи мо­ гут иметь место: а) когда в области нижнего бьефа имеется сравни­ тельно тонкий маловодопроницаемый поверхностный слой грунта основания, который при отсутствии вертикального дренажа в нижнем бьефе будет подвергаться выпору фильтрационным потоком; б) когда грунт основания является анизотропным с относительно малыми ко­ эффициентами фильтрации в вертикальном направлении; в) когда при расчете устойчивости плотины оказывается, что возможная поверх­ ность сдвига в связи, например, с неоднородностью грунта основания проходит не по подошве плотины, а на некоторой глубине. В этом по­ следнем случае, изменяя при помощи вертикального дренажа характер распределения фильтрационных сил в области грунта, расположен­ ной выше возможной поверхности сдвига, можем добиться повышения устойчивости сооружения.

Таким образом, если грунт основания изотропный, причем в ниж­ нем бьефе отсутствует маловодопроницаемый поверхностный слой, и если имеется уверенность в том, что поверхность возможного сдвига плотины проходит по ее подошве, вертикальный дренаж устраивать не следует. Исключение здесь может составить только случай с ж и ­ м а е м о г о основания, когда устройство вертикального дренажа может ускорить консолидацию грунта основания.

Необходимо учитывать, однако, что при заилении обратных фильт­ ров вертикального подплотинного дренажа эти обратные фильтры, в отличие от обратных фильтров горизонтального подплотинного дре­ нажа, могут быть восстановлены в процессе эксплуатации плотины (если в теле плотины предусмотрены соответствующие смотровые га­ лереи).

Схема 6 (глубинная схема, рис. 11), применяемая при сравнительно неглубоком залегании водоупора (обычно до 15—20 м), должна сопо­ ставляться в экономическом и прочих отношениях (см. § 1) с другими схемами плотины. В общем случае только методом сравнения вариан­ тов можно установить рентабельность данной схемы.

При пересечении водопроницаемой части основания бетонным глу­ боким зубом (рис. 11, а) движение грунтовой воды под плотиной лик; видируется, причем в области грунта перед зубом напор получается равным напору в верхнем бьефе; в области же грунта за зубом напор получается равным напору в нижнем бьефе (см. пьезометрическую ли­ нию РР на рис. 11, а).

В случае пересечения водопроницаемой части основания свайным шпунтовым рядом (рис. 11,6) благодаря имеющейся щелеватости шпунтовых рядов (образующейся в связи с наличием зазоров между отдельными сваями) под плотиной наблюдается движение грунтовой воды, причем напор в области перед шпунтом несколько падает, а в об­ ласти за шпунтом несколько возрастает (по сравнению со случаем устройства бетонного зуба).

7. Проектирование элементов подземного контура. Устройство выхода фильтрационного потока в нижний бьеф

(свайные шпунтовые ряды, бетонные зубья глубокие и мелкие, инъек­ ционные завесы); 3) подошву плотины или флютбета.

Подземный контур сооружения, как правило, не следует развивать за счет водобойной плиты, устраиваемой за плотиной и отрезанной от нее деформационным швом. Под такой плитой следует устраивать дренаж, защищенный снизу обратным фильтром. Включение контура упомянутой водобойной плиты в подземный контур сооружения будет способствовать увеличению противодавления на плотину, что нежела­ тельно. Развитие подземного контура до необходимой его длины (уста­ навливаемой с учетом фильтрационной прочности основания — гл. 4) обычно осуществляют за счет увёличения длины понура и глубины противофильтрационных преград, устраиваемых перед плотиной.

Если основание плотины образовано мелкозернистым несвязным илистым или пылеватым грунтом, т. е. является таким, когда' не ис­ ключается возможность заиления дренажа упомянутой выше водо­ бойной плиты, то в водобойной плите необходимо устраивать филь­ трационные отверстия с тем, чтобы в случае заиления дренажа проти­ водавление, действующее на плотину, не увеличивалось.

Фильтрационные отверстия в водобойной плите могут устраиваться также для отвода воды из дренажа в нижний бьеф,-

1°. Понур

Различают: 1) жесткие понуры (бетонные, железобетонные) и 2) «гибкие» понуры (из грунта, синтетических материалов и т. п.), деформирующиеся в соответствии с деформациями основания. В слу­ чае гибких понуров образование горизонтальной «щели» между пону­ ром и основанием невозможно. Поясненные выше анкерные понуры всегда являются жесткими.

Кроме того, следует различать: а) практически непроницаемые понуры специальной конструкции, например понуры с асфальтовой изоляцией и т. п.; эти понуры могут быть жесткими или гибкими; б) маловодопроницаемые понуры, выполняемые из глинистых грунтов; эти понуры являются всегда гибкими.

В случае глинистого основания устройство маловодопроницаемых понуров нерационально. Эти понуры следует устраивать только при наличии песчаного, основания. Можно считать, что коэффициент филь­ трации маловодопроцицаемого понура должен быть менее коэффици­ ента фильтрации основания в 50 и более раз. Если такого соотношения достичь не удается, то следует переходить к понурам практически во­ донепроницаемым.

При проектировании понуров особое внимание следует обращать на водонепроницаемость шва сопряжения понура с плотиной. Надо учитывать, что понур (если он не анкерный) подвергается только вер-

25

тикальному давлению сверху; плотина же подвержена действию го­ ризонтальной силы, направленной в сторону нижнего бьефа; под дейст­ вием этой силы будут происходить некоторые (хотя и малые) дефор-

Iмации сдвига плотины в сторону нижнего бьефа, причем указанный шов будет иметь тенденцию раскрыться.

Толщину t маловодопроницаемого понура из глинистого грунта (в данном вертикальном сечении) следует выбирать в случае доста­ точно мелкозернистого основания согласно зависимости

где Ігп — потеря напора от начала подземного контура (от верхнего бьефа) до рассматриваемого вертикального сечения понура; / доп —• допускаемый пьезометрический уклон для глинистых грунтов понура, принимаемый не более 10— 15. Минимальная допускаемая толщина грунтового понура по конструктивным соображениям принимается равной 0,75 — 1,00 м.

Как видно, принимая зависимость (12), мы получаем пьезометри­ ческий уклон в теле понура (в вертикальном направлении) равным Іг„ : t < / доп. Именно под действием такого уклона (при вертикаль­ ной фильтрации сверху вниз) будет находиться шов сопряжения гли­ нистого грунта понура и песчаного грунта основания. Важно, разу­ меется, чтобы при таких условиях глинистые частицы понура (тщательно уплотненного) не проникали в поры грунта основания.

Длина понура должна устанавливаться на основании расчета филь­ трационной прочности основания (см. гл. 4). Все типы понуров, за исключением бетонных, должны быть покрыты защитным слоем грунта, толщиной не менее 0,5 м (выбираемой с учетом возможной глубины промерзания); этот защитный слой, как правило, в свою очередь дол­ жен покрываться креплением, предохраняющим его от размыва по­ верхностным потоком.

2°. Свайные шпунтовые ряды (шпунты)

Шпунты являются гасителями напора: при устройстве шпунта ве­ личина напора на участках подземного контура за шпунтом умень­ шается; равным образом уменьшаются и пьезометрические уклоны вдоль этих участков подземного контура. Кроме того, шпунты: а) пре­ пятствуют иногда развитию внутренней суффозии в области основания; б) защищают основание плотины от подмыва ее поверхностным пото­ ком (низовой шпунт); в) препятствуют выпору грунта из-под плотины под действием ее веса (что можно ожидать только в случае слабого неоднородного строения основания); г) позволяют осуществить сопря-

'жение тела плотины с водоупором и в результате получить глубинную схему подземного контура (рис. 11).

Устройство низового шпунта вызывает увеличение противодавле­ ния на подошву плотины. Чтобы избавиться от этого недостатка, ни­ зовой шпунт можно делать перфорированным. Перфорированные шпунты не учитывают при фильтрационных расчетах.

26

В песчаных грунтах, допускающих погружение свай, следует, как правило, предусматривать в схемах 1 и 2 (рис. 6 и 7) верховой подплотинный шпунт.

Верховой понурный шпунт (или зуб) всегда надо устраивать в слу­ чае жесткого понура. Здесь надо учитывать следующее. Под жестким понуром благодаря возможным осадкам основания может открыться горизонтальная щель, отделяющая понур от основания. При отсутст­ вии верхового понурного шпунта вода будет проникать в эту щель непосредственно из верхнего бьефа, причем противофильтрационная роль понура аннулируется. При наличии же упомянутого шпунта, закрывающего вход в данную щель, противофильтрационная роль понура практически остается той же, что и в случае отсутствия щели (см. § 30)'.

При маловодопроницаемом гибком понуре открытие упомянутой выше щели (между понуром и основанием) невозможно. Поэтому при таком понуре верховой понурный шпунт (или зуб) в большинстве случаев не может -быть оправдан, поскольку стоимость 1 м длины (глубины) зуба или шпунта обычно бывает больше, чем стоимость 2 м длины начальной части понура [см. пояснения, связанные с формулой

(14)1.

В случае схемы 1 (рис. 6) низовой (не перфорированный) подпло­ тинный шпунт (или зуб) следует устраивать (см. § 27), как правило, на глубину

В случае схемы 2 (рис. 7) минимальное допустимое заглубление шпунта (или зуба) желательно устанавливать в соответствии с форму­ лами (13') и (13").

При уменьшении sBbIX, полученного по формулам (13), максималь­ ный выходной пьезометрический уклон на поверхности дна нижнего бьефа (в точке 6) резко увеличивается, стремясь к бесконечности.

При увеличении sBblx, полученного по формулам (13), максималь­ ный выходной пьезометрический уклон на поверхности дна нижнего бьефа уменьшается относительно незначительно, вместе с тем противо­ давление, действующее на плотину (в случае схемы 1), возрастает.

Прибегая к устройству того или другого шпунта, не следует наме- • чать шпунты слишком малой длины (например, короче 2—3 м). При коротких шпунтах стоимость организации свайных работ должна ока­ заться относительно высокой.

Длину металлических шпунтовых свай следует назначать в соот­ ветствии с имеющимся сортаментом. Например, при длине изготовляе­ мых шпунтовых свай, равной 18 м, конструктивная длина отдельных шпунтовых свай, намечаемая в проекте поперечного профиля плотины, должна приниматься равной 6, 9 или 18 м и т. п. Надо учитывать, что в некоторых случаях осуществляют сварку отдельных шпунтовых свай по длине, в связи с чем длина (глубина) металлических шпунтовых преград может достигать, например, 40 м и т. п. При неоднородном

27

основании с водопроницаемыми прослойками шпунты по возможности должны пересекать эти прослойки.

Не следует допускать положения, когда между концом (острием) шпунта и поверхностью водоупора остается относительно малое рас­ стояние (менее, например, 0,05 -н 0,10 Т). В этом случае во избежание появления больших скоростей фильтрации между острием шпунта и водоупором шпунт по возможности надо доводить до водоупора и пе­ реходить к глубинной схеме (рис. 11,6).

Применяя глубинную схему (рис. 11,6) при нескальном (глини­ стом) водоупоре, необходимо стремиться к тому, чтобы шпунтовый ряд был заглублен в водоу.пор на некоторую глубину б. Величину б в этом случае можно определить расчетом, исходя из величины напо­ ров выше и ниже шпунта. При таком расчете рассматривается чистый шпунт глубиной б, работающий под напором Z.1 Для этого шпунта согласно данным гл. -3 устанавливается максимальный выходной гра­ диент (градиент в точке а, см. рис. 11, 6); согласно же данным гл. 4 проверяется фильтрационная прочность глинистого грунта в районе его контакта с песчаным грунтом.

Когда водоупор образован скальным грунтом, надежное сопряже­ ние шпунта со скалой осуществить затруднительно. Во избежание появления больших скоростей фильтрации в месте примыкания шпунта к трещиноватой скале иногда надо переходить к схеме (рис. 11, а), когда под зубом может быть применена цементация скалы на соответст­ вующую глубину; в некоторых же случаях вообще следует отказы­ ваться от глубинной схемы и переходить к «висячим» шпунтам.

При расположении под плотиной висячих шпунтов стремятся к тому, чтобы расстояние между ними было не менее 2s, где s — глубина погружения шпунта. Здесь надо учитывать следующее. Если на оди­ ночном шпунте длиной, равной s, теряется напор, равный hf, то на двух шпунтах (той же длины), расположенных друг от друга на рас­ стоянии более 2s, будет тратиться напор (при том же расходе q), рав­ ный 2hf. Если же расстояние между двумя намеченными шпунтами менее (1,5 -г- 2,0) s, то общая потеря напора на двух рассматриваемых шпунтах будет (как это можно показать) менее 2hf, т. е. в этом случае шпунты в фильтрационном отношении не будут использоваться пол­ ностью.21

При устройстве в основании плотины шпунтов необходимо учиты­ вать их водопроницаемость, обусловленную неплотностью замков шпунтовых соединений. При производстве работ по погружению свай в грунт надо принимать меры- к тому, чтобы щелеватость шпунтовых соединений получалась минимальной. Недопустимо погружать сваи пакетами без предварительного уплотнения щелей между сваями в приготовленном пакете. При погружений свай в песчаный грунт при помощи вибрирования 'замки шпунтов в верхней их части могут ока­

2 Ясно, что если расстояние между двумя шпунтами зададим равным нулю, то потеря напора в этом случае на двух рядом расположенных шпунтах будет равна только /г/.

28

шпунтов водопроницаемость щелей между шпунтами резко увеличи­ вается, в связи с чем противофильтрационная эффективность шпунтов сильно снижается; поэтому пустые замки шпунтовых соединений сле­ дует специально уплотнять.

При проектировании сопряжений верха шпунтов с бетонными ча­ стями плотины надо предусматривать такую конструкцию этих со­ пряжений, при которой вертикальные усилия со стороны тела пло­ тины не передавались бы на шпунты. Что касается возможности пере­ дачи горизонтальных усилий на верх шпунта (со стороны сооружения), то здесь можно высказать следующие соображения:

а) горизонтальная сила, передаваемая на верх шпунта, в процессе эксплуатации сооружения может иметь переменную величину (в связи с. колебанием напора на сооружении);

б) наличие этой силы, направленной в сторону нижнего бьефа, может заставить верх шпунта несколько отклониться в сторону ниж­ него бьефа, причем с верховой стороны шпунта в верхней его части могут возникнуть облегченные пути фильтрации воды;

в) ясно, что при сравнительно длинных (глубоких) шпунтовых ря­ дах с хорошо уплотненными замками передача горизонтальной силы

подплотинного шпунта, этот шпунт приходится непосредственно со­ прягать не с верховым зубом плотины, а с концевой частью понура, примыкающей к упомянутому зубу плотины.

Длины (глубины погружения) понурного и верхового подплотин­ ного шпунтов в общем случае, когда эти шпунты являются висячими, должны устанавливаться на основании расчета фильтрационной проч­ ности основания (см. гл. 4). При таком расчете приходится сравнивать между собой различные равнопрочные варианты контура, характери­ зуемые различными длинами понура и шпунтов (например, варианты с относительно длинным понуром и короткими шпунтами и варианты с относительно коротким понуром и длинными шпунтами).

Легко показать (см. § 27), что для подземного контура обычного * распластанного вида в случае однородного изотропного грунта осно­ вания, когда выполняется одно из условий:

в области за верховым подплотинным шпунтом) 0,5 м длины (глубины) верхового подплотинного или понурного шпунта.

Отсюда заключаем, что если .1 м длины (глубины) шпунта имеет большую стоимость, чем 2 м понура, то при наличии соотношений (14) вариант контура с развитыми горизонтальными элементами будет экономичнее варианта контура с развитыми вертикальными элемен­ тами.

Очень часто в практике можно получить указанное соотношение стоимостей, в силу чего распластанные схемы контура в экономиче-

29