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

сооружениях всех назначений. Широкому распространению их способствуют простота возведения, надежность и долговечность в

Рис. 63. Поперечные профили земляных плотин:

эксплуатации, возможность возведения из очень большого разно­

Водопроницаемость материала тела плотины, так же как и грунтов основания, создает условия

для развития фильтрационного потока в основании и через само сооружение (рис. 64). При этом в теле плотины ниже депрессионной поверхности фильтрационного потока грунты, слагающие

эту часть сооружения, оказываются во взвешенном состоянии что ухудшает устойчивость сооружения.

ПО

Во время фильтрации при проникновении воды в тело плоти­ ны происходит уплотнение грунта, что увеличивает устойчивость верхового откоса, тогда как при быстром опорожнении водохра­ нилища вода будет вытекать из тела плотины, что приводит к раз­ уплотнению грунта и ухудшению устойчивости этого откоса.

Если кривая депрессии фильтрационного потока выходит на поверхность низового откоса, то в нижней его части в зоне высачивания создаются неблагоприятные условия устойчивости откоса и возможен его размыв. Кроме того, в зимнее время происходит замерзание воды в приповерхностной части откоса и образование наледей, сопровождающееся еще большим повышением депрессиониой кривой потока. Чтобы избежать этих неблагоприятных яв­ лений, в теле плотины под низовым откосом вблизи от ее подошвы или в основании откоса устраивают дренажи, понижающие депрессионную кривую фильтрационного потока и не допускающие выхода ее на поверхность откоса.

Земляные плотины всегда являются глухими и во избежание размыва и разрушения через них не должно происходить перелива воды. Поэтому их строят всегда с гребнем, расположенным выше максимально допустимого уровня воды. В составе гидроузла, у которого значительная часть напорного фронта создается земля­ ными плотинами, должны быть предусмотрены специальные водо­ сбросные сооружения.

Как верховой, так и низовой откосы земляных плотин в пре­ делах колебания горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефах сооружения должны крепиться, защищая плотину от разрушаю­ щего действия ветровых и судовых волн, а также льда. Кроме того, низовой откос плотин, возведенных из глинистых грунтов, должен быть прикрыт пористым материалом, предохраняющим от промерзания и связанного с ним пучения.

Многовековой опыт возведения земляных плотин привел к разработке очень большого количества различных их конструкций, зависящих от размеров и назначения плотин, наличия естествен­ ных строительных материалов, а также от особенностей геологиче­ ского строения основания. Однако все это разнообразие может

средней части слабопроницаемым материалом при остальной ча­

имеющие в пределах тела стенку или диафрагму из каменной кладки, бетона, металла и т. п.; с м е ш а н н ы е , у которых часть тела, расположенная ближе к напорной грани, сложена малопро­

111

укатываемых слоями также механическими катками или другими машинами. При сооружении намывных плотин используют гидрав­ лическую разработку, транспорт и укладку грунтов.

центральной части плотины из мелкозернистого материала или укладка в тело сооружения грунта, привезенного на железнодо­ рожном или другом транспорте) производится с помощью гид­ ромеханизации, а часть — сухим способом.

Кроме этих существует еще так называемый «узбекский», или мокрый, способ укладки грунта в сооружение, когда отсыпка грунта ведется в искусственно огороженные валиками «прудки», где глубина воды составляет 0,5—0,7 м. Этим способом обычно возводят плотины из лессовых грунтов, легко размокающих в воде. В последние годы нашел применение метод, близкий к «уз­ бекскому», с укладкой комьев глинистых грунтов отсыпкой их в воду. Для этого тоже создаются прудки, куда ведется отсыпка. Подобный метод был применен и для укладки комьев мерзлого грунта, что производилось со льда через специально прорубленные полыньи. В последнем случае уплотнение грунта в теле сооруже­ ния происходило чрезвычайно медленно и только после того, как грунт полностью оттаял.

В последние годы были произведены опыты по перегоражи­ ванию русла реки методом направленного взрыва. При этом об­ разуется земляная плотина за счет падения взорванных и подня­ тых взрывом земляных масс.

Всякая земляная плотина представляет собой сооружение, в той или иной степени водопроницаемое. Поэтому одним из основ­ ных расчетов, которые производятся при проектировании земля­ ных плотин, являются фильтрационные расчеты. При их проведе­ нии принимается во внимание водопроницаемость не только тела сооружения, но и толщи пород основания сооружения. Представ­ ления об этих расчетах даются в курсе «Динамика подземных вод» и в специальных курсах по гидротехнике.

Кроме специальных противофильтрационных элементов тела плотины для уменьшения потерь воды на фильтрацию в основании устраивают зубья, сопрягающие ядро с непроницаемыми слоями основания, закладывают завесы, шпунтовые стенки и т. п.

Выбор того или иного типа противофильтрационных устройств производится в зависимости от геологического строения основа­

породы (рис. 65, а), то в качестве противофильтрационного меро­ приятия применяют такое сочленение сооружения с основанием, чтобы не допустить возникновения фильтрации по контакту между подошвой сооружения и основанием.

112

с водонепроницаемой частью основания. При нескальных грун­ тах оно осуществляется устройством врезки в толщу водонепро­ ницаемых грунтов и заполнением этой врезки грунтом, укладывае­ мым в ядро, а при скальных грунтах — с устройством сопрягаю­ щей бетонной подушки.

Не менее ответственно сопряжение земляной плотины с во­ досливными сооружениями, а также судоходными и другими ус­ тройствами гидроузла. Осуществляется это с помощью сопрягаю­ щих устоев, представляющих собой подпорные стенки. Во избе­ жание возникновения суффозии на контакте между телом земляной плотины и сопрягающим устоем в этом месте предусматриваются шпоры, ребра и другие конструкции, удлиняющие путь фильтра­ ции и обеспечивающие более плотное и водонепроницаемое причленение.

Для обеспечения надежного соединения тела плотины с грун­ товым основанием по всей площади последнего производится за­ чистка, заключающаяся в полном удалении грунтов, содержащих растительные остатки или сильновыветрелых.

В процессе подготовки основания для земляных плотин, так же как и во время возведения самого тела сооружения, ведется тщательный контроль за качеством грунта (плотностью, водопро­ ницаемостью и другими свойствами). Группы контроля, часто на­

вблизи строительной площадки. Укладка камня в тело таких пло­ тин производится без применения вяжущих материалов. Плотины этого типа обычно строят глухими, и пропуск паводковых вод обес­ печивается специальными водосбросными сооружениями, входя­ щими в состав гидроузла.

Основную, несущую часть тела плотин этого типа составляет каменная наброска, представляющая собой сильноводопроницае­ мую среду. Для удержания таким сооружением напора воды в

В качестве материала для каменной наброски используют из­ верженные или осадочные породы любого петрографического со­ става, но достаточно морозостойкие, слабовыветривающиеся и вод­ но-нерастворимые. Размер отдельных камней, укладываемых в тело наброски, обычно не лимитируется, хотя предпочтительно, что­

114

бы наряду с крупными глыбами были и более мелкие составляю­ щие, обеспечивающие достаточную плотность укладки.

В настоящее время возведение каменнонабросных плотин, яв­ ляющихся весьма устойчивыми при высокой сейсмичности терри­ тории, приобретает все большее распространение. Так, одна из высочайших плотин, сооружаемых в СССР, — плотина Нурекской ГЭС с напором около 300 м будет каменнонабросной плотиной

с суглинистым ядром. Возможность высокой механизации строи­ тельных работ по возведению таких плотин делает их весьма пер­ спективными, о чем свидетельствует, в частности, возведение более

Плотины из каменной кладки, отнесенные в рассматриваемую группу сооружений, требуют для своего возведения большого ко­ личества ручного труда, поэтому такие плотины в настоящее вре­ мя практически не сооружаются.

Каменнонабросные плотины по своему профилю являются бо­ лее обжатыми, чем земляные, и устойчивость самого тела у них также выше, чем у земляных. Но при возведении их на нескальном основании их устойчивость на сдвиг и несущая способность грун­ тов основания должны быть проверены расчетом. Специальному расчету подвергается также противофильтрационный элемент со­ оружения.

Сочленение противофильтрационного элемента сооружения с каменнонабросным телом, во избежание возникновения суффозии, должно осуществляться с помощью достаточно развитого обрат­ ного фильтра.

Строительные работы по возведению каменнонабросной части плотины можно вести круглый год, не останавливая зимой и не применяя тепляков и других устройств. Также не требуется спе­ циальных ограждений при перекрытии русла реки, так как со­ здание низового банкета может быть осуществлено путем отсыпки в текущую воду наброски, которая в дальнейшем войдет в тело основной плотины.

Однако значительные трудности возникают при создании противофильтрационных элементов, особенно для высоконапорных плотин. Связано это с развитием высокого порового давления в грунтовом материале, укладываемом в ядро, с возможностью хруп­

115

кого разрушения и растрескивания ядра, находящегося под высо­ ким давлением от веса сооружения и от воды в водохранилище, и ряд других трудностей.

Бетонные плотины

Бетонные плотины являются одними из самых распространен­ ных в настоящее время водоподпорных сооружений, особенно сре­ ди плотин средней и большой высоты. Из бетона можно возводить как водосливные, так и глухие плотины (рис. 67), причем мате-

Рис. 67. Бетонные плотины:

а — глухая; б — водосливная

риалом для них может служить массивный бетон, бутобетон и железобетон разной степени насыщенности арматурой.

Бетонные плотины по основным типам конструкций делятся на тяжелые массивные гравитационные сооружения и легкие ароч­ ные. Первые устойчивы за счет своего большого веса и развиваю­ щегося в результате этого высокого сопротивления сдвигу по по­ дошве сооружения, а вторые — за счет распора арки в борта долины. Кроме этих двух основных типов существует еще смешан­ ный — арочно-гравитационный, к которому относятся многоароч­ ные и контрфорсные плотины.

Г р а в и т а ц и о н н ы е п л о т и н ы

Основные положения расчета устойчивости. Гравитационная плотина по форме поперечного профиля близка к треугольной, с расширением к основанию и сужением к гребню (рис. 68). Основ­ ные размеры профиля плотины определяются из общих условий

116

устойчивости на сдвиг по подошве сооружения АВ и на опроки­ дывание вокруг низовой грани (точка В). Кроме того, для таких легких конструкций, как крепление нижнего бьефа, и других, при­

класса, капитальности соору­ жения и стадии проектирования). Этот коэффициент определяется

к величине сопротивления сдвигу наиболее слабых грунтов, зале­ гающих вблизи от подошвы сооружения); Р — давление от веса плотины; №ф — взвешивающее противодавление от фильтрацион­ ного потока в основании сооружения; Qz — дополнительная при­ грузка сооружения весом воды, давящим на верховую грань пло­ тины, если она наклонена в сторону нижнего бьефа; Qx — сдви­ гающая сила, равная давлению воды в водохранилище на плотину.

Для повышения устойчивости плотины на сдвиг, особенно при опирании ее на основание, сложенное скальными породами, часто применяют устройство наклонного сопряжения с основанием (рис. 68, б), заглубление верхового края фундамента и устройство зуба (рис. 68, в) или даже двух зубьев (рис. 68, г), а также ряд других мероприятий.

Расчет устойчивости плотины на опрокидывание ведется путем определения коэффициента устойчивости Ко как отношения момен­ тов сил удерживающих к моменту сил опрокидывающих:

117

°Л1опр Q x - q - r W ^ ’ W

где р — расстояние приложения равнодействующих сил веса пло­ тины Р от точки В; q—высота приложения равнодействующей сил давления воды водохранилища на плотину (Qx)\ w — расстояние приложения равнодействующей сил взвешивающего противодав­ ления.

Проверка устойчивости плотины на всплывание проводится путем определения коэффициента устойчивости Кв-

1Гф

Кроме статических расчетов устойчивости очень важным эле­ ментом проектирования всяких бетонных плотин являются фильт­ рационные расчеты, в результате проведения которых определяют безопасный подземный контур сооружения, обеспечивающий на­ дежную работу всего сооружения. Основными задачами фильтра­ ционного расчета водонапорного сооружения являются: 1) опреде­ ление величины фильтрационного расхода; 2) определение вели­ чины взвешивающего фильтрационного давления в любой точке основания; 3) проверка фильтрационной устойчивости грунтов по контакту сооружения с основанием и в зоне выхода фильтра­ ционных вод в нижнем бьефе за сооружением.

Движение фильтрационного потока под водонапорным соору­ жением в нескальных (дисперсных) грунтах происходит, как в пористой среде, что позволяет его отождествить с ламинарным движением по всему сечению породы. Такое движение подчиняет­ ся закону Дарси, предусматривающему пропорциональность ско­ рости фильтрации v градиенту фильтрационного потока I и водо­ проницаемости грунта К (коэффициент фильтрации, определяе­ мый опытным путем) и выражаемому известным уравнением

v = К ■/•

Целый ряд методов расчета фильтрации под сооружением и в обход него при нескальных породах основания базируется на законе Дарси. При этих расчетах всегда предполагается определен­ ная схематизация как природной обстановки, так и работы самого сооружения. Так обычно решается плоская задача по отдельным сечениям, и естественное основание принимается состоящим из от­ дельных слоев, условно однородных по водопроницаемости. Не­ которые слои и горизонты основания принимаются практически водоупорными. Для таких условий определяют основные гидроди­ намические элементы фильтрационного потока. Это можно делать расчетными и экспериментальными методами. К числу первых относятся аналитические (точный, приближенный и упрощенный) и графический методы построения сеток движения фильтрационного потока. Ко вторым относятся методы электрогидродинамических

1 1 8

аналогий (ЭГДА) и моделирования фильтрационного потока в грунтовых лотках.

Врезультате таких расчетов проектируется подземный контур плотины на проницаемом основании (см. рис. 60), в котором необ­ ходимое развитие длины пути фильтрации достигается устрой­ ством понура, шпунтовых преград и т. п.

Вскальных породах движение воды происходит по трещинам и, как правило, не подчиняется закону Дарси. Поэтому хорошо разработанные теоретические положения движения фильтрацион­ ных вод в толще нескальных пород приложимы к скальному осно­ ванию условно.

При рассмотрении устойчивости скального основания надо иметь в виду, что выпор грунта в нижнем бьефе, так же как и ме­ ханическая суффозия в данных условиях, не является актуальным. Наряду с этим растворение и выщелачивание карбонатных, а так­ же других более растворимых пород могут иметь первостепенное значение. Для удлинения путей фильтрации в скальном основании чаще всего применяют инъекцированные завесы (чаще всего це­ ментационные), так как забивка шпунта в скальные породы не­ возможна. Кроме того, при сильнотрещиноватых породах для со­ здания более монолитного сложения основания и лучшего сопря­ жения его с сооружением проводится неглубокая площадная це­ ментация.

Конструкции массивных плотин на скальном основании. Мас­ сивные гравитационные плотины на скальном основании строят глухими и водосливными, обычно прямолинейными в плане. Со­ временное плотиностроение знает много высоких бетонных плотин гравитационного типа, к числу которых относятся Братская, Крас­ ноярская и другие, имеющие высоту более 100 м. Известны плоти­ ны этого типа высотой свыше 200 м. В основании таких плотин развиваются напряжения, превышающие 50 кг/см2, что позволяет возводить их только на весьма прочных скальных породах. По­ этому все выветрелые или другие слабые разности пород из осно­ вания таких плотин подлежат удалению, и плотина должна опи­ раться на «здоровую» (невыветрелую) скалу. Все трещины, ви­ димые во вскрытом основании, заделываются цементным раство­ ром, а горизонтальные трещины перерезаются бетонными зубьями.

Очень важно осторожное ведение работ по вскрытию котлова­ на. Оно должно обеспечивать сохранение естественной монолитно­ сти скалы, для чего взрывные работы крупными зарядами кате­ горически запрещены.

Врезка плотины в основание ведется уступами, обеспечивая создание горизонтальных площадок для укладки бетона. Делается это потому, что на наклонной поверхности незатвердевший бетон не будет лежать.

Для достижения хорошего контакта между телом плотины и основанием производится цементация этого контакта путем нагне­ тания цементного раствора в неглубокие скважины, пробуривае­

119