книги из ГПНТБ / Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие

сооружении (рис. 53), входящих в напорный фронт сооружений. Строят такие гидроузлы на равнинных реках с плотинами высотой обычно не выше 25 м. По этой схеме построены многие волжские гидроузлы, Волховский, Цимлянский, Усть-Каменогорский и др.

Рис. 53. Речной низконапорный гидроузел:

входят те же сооружения, что и по схеме 1, но машинное здание вынесено в нижний бьеф за пределы напорного фронта, и вода

100

к турбинам подводится с помощью турбинного трубопровода (рис. 54). Такие гидроузлы тоже строятся на равнинных реках или в предгорных районах, с глубоким врезом долины и возмож-

Рис. 55. Схема гидроузла с безнапорной деривацией:

25 м). По этой схеме построено много крупных гидроэлектростан­ ций, среди которых Братская, Красноярская, Мингечаурская,

Днепровская им. Ленина и многие другие.

Характерной особенностью первых двух схем компоновок гид­ роузлов является близкое расположение сооружений друг от дру­

101

га и сосредоточение всех их в одном узле, а также создание напо­

ным образом в горных областях, отличаются от первых двух схем тем, что в них напор создается путем направления воды в дери­ вационные сооружения (каналы, тоннели и т. п.) с уклонами мень­ шими, чем естественное русло, и подведением ее напорными тур­

другие. В ряде случаев эта схема использовалась и для выигрыша напора при переброске стока из одной речной долины в другую: например Белореченская ГЭС, плотина которой построена на р. Белой, подает воду машинному зданию, расположенному в до­ лине р. Пшиш (примерно на 50 м ниже). Ряд гидростанций в Швейцарии, Северной Италии и Австрии построен с переброской стока одних рек в долины других, более низко расположенных.

Ирригационные гидроузлы, когда они не имеют комплексного назначения, состоят из водонапорных (плотин) и крупных водо­ заборных сооружений. Ввиду того, что при этом особую проблему представляет собой занесение водохранилища и сооружений гид­ роузла наносами, в составе головных сооружений предусматри­ вают специальные промывные и другие устройства. Ниже, в раз­ деле «Сооружения на ирригационных системах», они будут кратко

102

его масштабы и назначение, а также особенности природной об­ становки. Обычно, особенно на ранних стадиях проектирования, составляют несколько вариантов возможного решения и выбира­ ют наиболее рациональный и экономически целесообразный.

§ 4. ПЛОТИНЫ

Общие условия работы и классификация плотин

граждающее русло водного потока и удерживающее с напорной стороны (рис. 57) воду на более высоком уровне (НПУ), чем с

низовой стороны. Разность уровней, создаваемых плотиной верхнего и нижнего бьефов, называется напором плотины. Грань, обращенная к верхнему бьефу, называется напорной или верхо­ вой, а к нижнему — низовой; верх плотины называют г р е б н е м , а сопряжения с основанием — п о д о шв о й .

Существующие плотины можно классифицировать по несколь­ ким признакам; по водохозяйственному назначению, высоте, гид­ равлическому признаку, условиям работы, материалам, из кото­ рых они возведены, и т. п.

По первому из этих признаков все плотины можно разделить на водоподъемные и водохранилищные. Первые служат для отно­ сительно небольшого поднятия уровня воды в реке для улучшения условий водозабора, судоходства и т. п. Их широко применяют в ирригационном строительстве и для целей водного транспорта, но они не создают больших водохранилищ и не могут существенно регулировать и перераспределять сток. Вторые возводят для со­ здания водохранилищ и накопления воды для последующего расхо­ дования ее по мере надобности. Это обычно достаточно высокие плотины, образующие крупные водохранилища, искусственно ре­

103

гулирующие и перераспределяющие расход реки по сезонам года (сезонное регулирование) или даже в течение ряда лет (многолет­ нее регулирование). Однако такое деление в значительной мере условно, так как многие водоподъемные плотины, особенно при ирригационном строительстве, все же создают довольно крупные водохранилища и одновременно улучшают условия забора воды в оросительные системы.

Рис. 59. Схемы плотин:

до 10 м. Средненапорные плотины имеют напоры: бетонные ■— от 25 до 50 м, а земляные от 10 до 25 м. Высоконапорными счи­ таются плотины, напоры которых превышают 50 м для бетонных и 25 м для земляных.

По гидравлическому признаку, т. е. по условиям пропуска во­ ды, плотины делятся на в о д о с л и в н ы е (рис. 57), позволяющие перелив воды через гребень или имеющие специальные водослив­ ные отверстия, и г л у х и е (рис. 58), через которые невозможен пропуск воды. Когда строят глухие плотины, то в составе напор­ ного фронта гидроузла всегда предусматривают специальные соо­ ружения (быстротоки, перепады, донные трубы и т. п.), позволяю­ щие произвести сброс излишних вод или опорожнить водохрани­ лище.

По условиям работы или по конструктивным признакам раз­

плотин обеспечивается развитием сил сопротивления сдвигу в их подошве (или в основании), достаточных для удержания плотины против воздействия сдвигающего давления воды водохранилища. Для этого гравитационная плотина должна быть достаточно тя­ желой. Арочные плотины, криволинейные по форме, работают как свод, опирающийся на жесткие берега (или специальные устои). Контрфорсные плотины представляют собой систему тяжелых ус­ тоев — контрфорсов, работающих часто как гравитационный эле­ мент сооружения, пролеты между которыми перекрываются либо плоскими плитами, либо арками (такие плотины иногда называют арочно-гравитационными или многоарочными). Анкерные плотины

104

удерживаются против сдвигающего давления воды специальными устройствами, связывающими сооружение с прочными породами основания. Последний тип плотин не находит пока большого рас­ пространения в практике плотиностроения.

По материалу, из которого возводят сооружение, плотины можно разделить на: з е м л я н ы е — сооружаемые из дисперсных грунтов, к а м е н н о н а б р о с н ы е — тело которых состоит из ка­ менной наброски, к а м е н н ы е — возводимые из каменной клад­ ки на растворе, б е т о н н ы е - — выполняемые из массивного бетона

дения комбинированных плотин, сооружаемых с применением не­ скольких материалов.

В настоящее время деревянные и каменные плотины возво­ дят только при строительстве небольших гидроузлов. Это связано с тем, что деревянные плотины относительно недолговечны, а ка­ менные требуют применения ручного труда. При создании не­ больших прудов и водоемов, так же как и временных водозаборов для орошения и водоснабжения, применяют плотины из таких местных материалов, как елани, фашины, плетни из хвороста и т. п. Применяют их в комбинации с земляными массами и деревянными конструкциями.

Последующее рассмотрение плотин проводится нами раздель­ но— по материалу, из которого они сооружаются, с дальнейшей детализацией по конструктивным особенностям, по сопряжению с основанием и т. д. Прежде чем перейти к нему, остановимся на некоторых общих вопросах взаимодействия сооружения с окру­ жающей средой.

Плотина, как всякое гидротехническое сооружение, находит­ ся под постоянным воздействием воды. Она в свою очередь суще­ ственно изменяет естественный режим того потока, который она

медленно и практического значения не имеет; для горных и пред­ горных условий, в которых реки обычно несут очень большое ко­ личество наносов, — имеет первостепенное значение, так как вы­ зывает быстрое сокращение полезного объема водохранилища и требует периодического проведения специальных работ по очистке.

Наличие разности уровней в верхнем и нижнем бьефах вы­ зывает развитие горизонтального давления воды на верховую грань плотины, стремящегося сдвинуть и опрокинуть сооружение.

105

ся от погружения сооружения ниже горизонта нижнего бьефа, создает п р о т и в о д а в л е н и е (рис. 61), облегчающее вес соору­ жения. Если этот вес недостаточно большой, то сооружение мо­ жет «всплыть».

Рис. 60. Схема плотины на фильтрующем основании:

шпунтовых или иных завес, зубьев или другими мероприятиями. Следует отметить, что создание шпунтовых и инъекционных за­ вес — мощное средство борьбы с вредными последствиями филь­ трационного потока и широко применяется в практике плотиностроения.

106

Фильтрационный поток возникает не только в основании пло­ тины, но и в бортах долины, в обход сооружения. Для борьбы с ним в берегах закладываются противофильтрационные устрой­ ства.

Борьба с вредным воздействием противодавления ведется также путем закладки в подошве сооружения дренажей.

Через водосливные плотины с помощью специальных сливных и водосбросных отверстий происходит сбрасывание излишков во­ ды из водохранилища, что оказывает динамическое воздействие на само сооружение и подстилающие его породы основания. Для снижения скоростей движения воды и уменьшения кинетической энергии потока в нижнем бьефе устраивают специальные водобой­ ные колодцы, устанавливают гасители (шашки, шпоры, пирсы и т. и.), располагаемые на плите водобоя. Кроме того, водобой за­ щищает грунты нижнего бьефа от размыва. Для улучшения этого

также надежно защищающим породы нижнего бьефа от размыва. При оценке устойчивости всех типов плотин принимается в расчет действие сил и нагрузок, имеющих разную физическую сущность, а также различный характер и продолжительность действия. Так, кроме собственного веса сооружения учитывается давление воды (гидростатическое, гидродинамическое, волновое и фильтрационное), давление льда (статическое и динамическое), давление грунта (включая и давления наносов, отложившихся в

водохранилище), ветровую нагрузку, сейсмические силы и т. и. По характеру и условиям действия на сооружения силы и на­

грузки делятся на следующие группы:

Гр у п п а А — основные силы и нагрузки, длительно и посто­ янно действующие на сооружение в условиях его нормальной ра­ боты: собственный вес, давление воды и грунтов, реактивные силы, нагрузки от транспортных средств и др.

Гр у п п а Б — дополнительные силы и нагрузки, действую­

щие кратковременно и случайно: давление воды при пропуске па­ водков значительной силы и редкой повторяемости, давление грун­ тов и фильтрационного потока при нарушении нормальной рабо­ ты дренажных устройств и противофильтрационных завес, а так­ же во время строительства и ремонта.

Г р у п п а В — особые силы и нагрузки, действующие в ис­ ключительных случаях: землетрясения, давления воды при ката­ строфических паводках, при разрушении вышерасположенных со­

оружений и др.

Основной расчет устойчивости и прочности сооружения ве­ дется для случая действия основных сил и нагрузок (группа А) с проверкой для случаев действия суммы всех сил. Очевидно, что запас устойчивости (коэффициент запаса) для случая действия только основных сил должен быть выше, чем для суммарного дей­ ствия их.и дополнительных и особых сил. Все эти расчеты ведутся

107

в строгом соответствии с требованиями СНиП, и в частности его разделов, посвященных гидротехническим сооружениям.

Особенности геологического строения района существенно влияют на формирование общих инженерно-геологических усло­ вий работы сооружения. Особенно сильно это сказывается на формировании условий, определяющих возможность выпора по­ род в основании плотины, сдвига самого сооружения и т. п. Не

меньше сказывается геологическое строение на развитии фильтра­ ции под плотиной и в обход нее. В ряде работ приводятся схема­ тизированные случаи геологического строения участка расположе­ ния плотин и рассматриваются возможные формы нарушения устойчивости сооружения и возникновения фильтрационных пото­ ков под плотиной. Так, А. Л. Филахтов (1961) дает схемы геоло­ гического строения основания плотин (рис. 62) и указывает, что наиболее благоприятным для устойчивости сооружения является горизонтальное залегание пластов пород, так как в этом случае создаются условия относительной однородности основания по не­ сущей способности. Однако наличие в основании даже тонких прослоев пород с низким сопротивлением сдвигу может вызвать аварию сооружения, как это имело место в 1929 г. с плотиной Аустин в США. Кроме того, при наличии в толще пород сильнофильтрующего горизонтально залегающего пласта создаются бла­ гоприятные условия для возникновения повышенного фильтра­ ционного давления в нижнем бьефе и больших потерь воды на фильтрацию. В этом же руководстве указывается, что при паде­ нии пластов в сторону нижнего бьефа труднее обеспечить устой­

108

чивость сооружения, чем при обратном направлении; что для уча­ стков, близких к ядрам антиклиналей, характерна повышенная трещиноватость пород и т. п. В целом такое рассмотрение влия­ ния общего геологического строения на формирование инженерно­ геологических условий расположения плотин правильно и полез­ но, хотя не со всеми положениями его можно согласиться. Так, еще в 1941 г. Н. Н. Маслов справедливо отмечал, что падение пластов в сторону верхнего бьефа с точки зрения устойчивости сооружения является менее благоприятным, так как в этом слу­ чае кривые скольжения, направленные в сторону нижнего бьефа, будут совпадать с напластованием пород.

Однако при реальном проектировании, особенно в пределах горно-складчатых областей с интенсивной неотектоникой (и в част­ ности, при высокой сейсмичности районов), обычно оказываются гораздо более сложные условия, значительно отличающиеся от указанных схем. Примерами районов со сложным геологическим строением и очень высокой расчлененностью и трещиноватостью массивов пород, на которые будут опираться высоконапорные со­ оружения, являются участки строительства Токтогульской и Ингурской плотин, а также весь каскад сооружений на р. Пяндж (Таджикистан) и ряд других. Поэтому оценка природных условий по упрощенным схемам геологического строения, приводимая в некоторых руководствах по гидротехнике, имеет главным образом иллюстративное значение. На практике необходимо глубокое и комплексное изучение всей природной обстановки с учетом осо­ бенностей геологического строения, с изучением тектоники и нео­ тектоники территории и проявлений современных и древних гео­ логических процессов, а также гидрогеологических условий. Долж­ ны быть специально изучены условия устойчивости и деформируе­ мости массивов пород во взаимодействии с сооружением, для чего наряду с определением в лаборатории и в поле свойств пород, слагающих изучаемые массивы, должно быть определено естест­ венное напряженное состояние этих массивов и дан прогноз изменения его в будущем под влиянием воздействия сооружения.

Вопросы методики исследования массивов пород и прогноза их поведения при взаимодействии с сооружением рассматривают­ ся в курсах «Инженерная геология», «Методы инженерно-геологи­ ческих исследований» и «Инженерно-геологические расчеты и мо­ делирование», поэтому в настоящем пособии не рассматриваются.

Земляные плотины

Земляная плотина представляет собой насыпь трапецеидаль­ ного поперечного сечения (рис. 63) из однородных или разнород­ ных грунтов.

Земляные плотины — исключительно широко распространен­ ные гидротехнические сооружения, применяемые при подпорных

109