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

мые через первый ярус уложенного бетона мощностью 2—2,5 м. Эта цементация ведется в дополнение к созданию противофильтрационной завесы и площадной цементации основания.

В целях увеличения устойчивости плотины на сдвиг подошве плотины придают «пилообразную» форму или создают верховой и низовой зубья.

Конструкция тела массивных бетонных плотин является функцией прочности основания, а протяженность контакта с осно­ ванием (в поперечном разрезе) зависит прежде всего от требова­ ний устойчивости на сдвиг. Поэтому при опирании на прочные породы даже высокие плотины могут иметь весьма обжатый про­ филь.

Глухие гравитационные плотины на скальном основании (см. рис. 67) имеют треугольный профиль, и верховая грань делается вертикальной.

Водосливные плотины строят также с вертикальной напорной гранью (см. рис. 67), но с криволинейным очертанием водослив­ ной грани и устройством специального «носка», отбрасывающего струю падающей воды в направлении, близком к горизонтально­ му. Это делается для снижения в нижнем бьефе за плотиной раз­ мывающего действия воды, переливающейся через водослив.

При слабых скальных или нескальных породах, слагающих дно долины, в нижнем бьефе предусматриваются устройства для гашения энергии воды, переливающейся через плотину, и креп­ ление дна.

Впродольном профиле водосливная плотина представляет со­ бой чередование водосливных отверстий и промежуточных быч­ ков-устоев. Последние в своей верхней части имеют уширения для размещения на них мостовых конструкций для кранов, обслужи­ вающих плотину или служащих для пропуска транспорта.

Всвязи с тем что скальные породы всегда в той или иной степени трещиноваты, основание, сложенное ими, водопроницае­ мо. Поэтому под всякой бетонной плотиной, опираемой на скаль­ ное основание, должно предусматриваться противофильтрационное устройство.

Основным видом противофильтрационного устройства являет­ ся цементационная завеса. Ее глубина устанавливается специаль­ ными фильтрационными расчетами, обычно сопровождающимися моделированием фильтрационного потока методом ЭГДА.

Цементационная завеса выполняется путем нагнетания це­ ментного раствора (соотношение цемента к воде 1 : 4—7 в зави­ симости от проницаемости скалы) в скважины, пробуренные в основании. При глубоких завесах и сильнопроницаемых породах цементационная завеса устраивается переменного профиля — бо­ лее тонкая на большой глубине и более мощная вблизи от кон­ такта с сооружением (рис. 69). Для этого вначале бурят наиболее глубокие скважины центрального ряда и в них нагнетают цемент­ ный раствор. После твердения раствора производится бурение и

120

нагнетание в более мелкие скважины, располагаемые в парал­ лельных рядах. Для обеспечения наиболее плотного и надежного сочленения завесы с телом плотины предусматриваются специаль­ ные сопрягающие элементы (например, зубья или цементация че­ рез первый ярус уложенного бетона). Шаг скважин цементацион­ ных завес определяется водопроницаемостью пород, но обычно он

в них проводится опытная цементация. Завеса признается выполненной достаточно хорошо, если при давлении,

равном полуторному напору на плотине, расход цементного ра­ створа на 1 пог. м скважины не будет превышать в течение 15 мин 1 л/мин.

При сильнотрещиноватых породах основания с очень высоким поглощением цементного раствора иногда применяют битумизацию (нагнетание битумных эмульсий или разогретого битума).

Для перехвата вод, фильтрующихся под плотиной, и уменьше­ ния взвешивающего противодавления под телом плотины и в ос­ новании устраивается дренаж, состоящий обычно из системы вер­ тикальных скважин, располагаемых за цементационной завесой и выводимых в смотровую галерею — потерну, из которой вода от­ водится в нижний бьеф плотины. Дренажные скважины обычно располагаются на расстоянии 1,5—3,0 м друг от друга (в зависи­ мости от водопроницаемости пород) и в некотором удалении от завесы. Вывод скважин в потерну позволяет контролировать их работу, если нужно прочищать и ремонтировать, а в крайнем слу-

121

чае и заменять их вновь пробуриваемыми из потерны. Для лучше­ го контроля за величиной фильтрационного давления в основа­ нии плотины закладываются пьезометры, также выводимые в по­ терну.

Хорошо запроектированный и работающий дренаж основания существенно снижает вредное влияние взвешивающего противо­ давления фильтрационного потока и может сэкономить до 10—

15% объема тела плотины.

При прочном и малодеформируемом скальном основании осадки плотины бывают незначительными по величине и обычно достаточно однородными. Тем не менее, исходя из наличия тем­ пературных деформаций, тело плотины разрезается конструктив­ ными и строительными швами на отдельные секции и блоки. В частности, между бычками и водосливными пролетами всегда устраивают конструктивные швы, допускающие независимое де­ формирование отдельных секций плотин. Все эти швы имеют спе­ циальное противофильтрационное заполнение.

Тело плотины по качеству бетона, укладываемого в него, не­ однородно. Так, центральная часть, не воспринимающая непосред­ ственного воздействия воды верхнего бьефа и не испытывающая больших изменений температуры, так же как часть, прилегающая к низовой грани плотины, может создаваться из наименее проч­ ного и стойкого бетона. В эту часть тела часто укладывают «то­ щие» бетоны с маркой не выше 100. Напорная грань и прилегаю­ щая к ней часть тела плотины возводятся из самого плотного и наименее проницаемого бетона, содержащего повышенное коли­ чество цемента (до 250—300 кг на 1 м3). Часть тела, примыкаю­ щая к низовой грани плотины, возводится из наиболее морозостойкого бетона.

Это требование к дифференцированной укладке бетона в тело массивных плотин имеет наибольшее значение при строительстве крупных сооружений в суровых климатических условиях, близких к тем, в которых ведутся крупнейшие стройки нашего времени в Сибири (Саяно-Шушенская, Усть-Илимская и др.).

Конструкции массивных плотин на нескальном основании. Гид­ роузлы на нескальном основании обычно располагаются в предгор­ ных или равнинных частях речных долин и, как правило, имеют большую протяженность напорного фронта, создаваемую сочета­ нием глухих и водосливных плотин и других сооружений. Из ус­ ловий экономичности в большинстве случаев оказывается целесо­ образным глухие плотины возводить в виде земляных или камен­ нонабросных сооружений. Поэтому глухие бетонные гравитацион­ ные плотины на нескальном основании возводят редко, а водо­ сливные, как правило, являются обязательным элементом всех гидроузлов, построенных на реках в пределах их предгорных и равнинных участков.

Условия работы водосливной плотины на нескальном основа­ нии зависят от особенностей инженерно-геологической обстановки,

122

обусловленных четырьмя основными свойствами нескальных по­ род: пониженным сопротивлением сдвигу, повышенной деформи­ руемостью, водопроницаемостью и размываемостью грунтов. Эти свойства для разных пород весьма различны; так, для супесчано­ песчаных разностей сопротивление сдвигу будет существенно вы­ ше, чем для глинистых и иловатых, а водопроницаемость наобо­ рот. Но все эти свойства существенно отличны от подобных свойств

скальных (и полускальных) пород и поэтому создают совершенно иные условия работы сооружения во взаимодействии с основанием. Кроме того, для нескального основания обычно весьма характерна изменчивость свойств грунтов по глубине и по простиранию, что создает неоднородность всего основания, которая должна учиты­ ваться при проектировании и возведении сооружения. Поэтому водосливные гравитационные плотины на нескальном основании проектируются, как правило, распластанного профиля (для повы­ шения их устойчивости на сдвиг), способными выдерживать не­ равномерные и большие по величине осадки, с весьма удлиненным

скальном основании, приведен на рис. 70. Здесь уширение профиля тела плотины достигнуто наклоном верховой грани в сторону ниж­ него бьефа. Этим одновременно увеличивается устойчивость соору­ жения, так как вода в верхнем бьефе будет прижимать плотину к основанию. Могут быть применены и другие решения, но удли­ нение подземного контура в этом типе сооружений обычно достигается введением двух элементов: понура и водобоя. Этой же задаче может служить и часто применяемый шпунто-

вый ряд.

Основным назначением понура является удлинение пути филь­ трации, поэтому он делается водонепроницаемым и плотно сочле­

123

няется с телом плотины. С поверхности его обычно покрывают бе­ тонными плитами, укладываемыми на песчаную подготовку, а основным противофильтрационным элементом служит слой уплот­ ненного (укатанного) суглинистого грунта. Длина понура опре­ деляется соответствующим фильтрационным расчетом.

Вслучае, когда на небольшой глубине от подошвы тела пло­ тины залегают мощные водонепроницаемые пласты, под верховой гранью плотины забивается шпунтовый ряд, уменьшающий водо­ проницаемость основания. В отдельных случаях преграждение фильтрации может быть осуществлено глубоким зубом, цемента­ ционной завесой и т. п.

Водобой служит для гашения энергии воды, переливающейся через водослив. Поэтому он представляет собой мощную бетонную плиту, обычно усиленную арматурой, несущую специальные устрой­ ства для гашения энергии воды.

Для увеличения устойчивости водобоя и тела плотины в его низовой части под ними располагают дренажи, выводимые в ниж­ ний бьеф и служащие для уменьшения вредного влияния взвеши­ вающего противодавления фильтрационного потока.

За водобоем располагается рисберма — устройство для креп­ ления нижнего бьефа от размыва водой, переливающейся через плотину. Это относительно мощная бетонная плита, лежащая на слое дренирующего песка.

Вотдельных случаях, главным образом при очень легко раз­ мываемых породах, развитых в нижнем бьефе плотины, за рис­ бермой образуется котел размыва, который укрепляют каменной

наброской, производимой уже в период эксплуатации сооружения. Ввиду того что грунты нескального основания сжимаемы, а нагрузка в основании отдельных элементов плотины не одинако­ ва, сооружение будет испытывать неравномерную осадку. Это мо­ жет еще сильнее проявиться при неоднородном основании, сложен­ ном грунтами разной сжимаемости. Поэтому такие элементы плотины, как понур, водобои, рисберма и другие, должны иметь между собой подвижные контакты. Это достигается устройством вертикальных конструктивных швов, заполняемых пластичным и водонепроницаемым материалом (например, в сочленении понура с телом плотины часто применяют битумные плиты). Такая же

разрезка на блоки производится и для самого тела плотины.

В связи с тем что обеспечение устойчивости бетонных грави­ тационных плотин на нескальном основании исключительно важно

иответственно, в сооружениях этого типа при их проектировании

ипостройке предусматриваются специальные устройства, позво­ ляющие вести наблюдение за деформацией сооружения и фильт­ рационным потоком под ним. Для этого в сооружение заклады­ ваются постоянно действующие пьезометры, маятниковые накло­ номеры, а также марки, по которым определяют относительные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Кроме того, в ряде точек сооружения закладываются приборы (обычно

124

это струнно-акустические динамометры) для наблюдения за нап­ ряженным состоянием конструкции. По всем этим приборам ве­ дутся систематические наблюдения и проводится их анализ, а при обнаружении неполадок производится соответствующий ремонт.

Подземный контур бетонных гравитационных плотин на нескалыюм основании в значительной степени зависит от геологиче­ ского строения и свойств грунтов основания. Поэтому проектиро­ вание его должно вестись на основе результатов весьма подробного и тщательного инженерно-геологического изучения. В каждом конкретном случае, базируясь на результатах исследо­ ваний, принимаются свои решения.

Практика отечественного плотиностроения знает примеры

плотина, построенная на девонских глинах, Волжская ГЭС им. Ле­ нина — на неокомских глинах, плотины Рыбинской и Горьковской ГЭС — на пермских глинах, Каунасской и Плявиньской ГЭС — на моренных отложениях и многие другие. При сооружении этих плотин были разработаны и применены многие новые весьма про­ грессивные конструкции. Так, на Каунасской и Саратовской ГЭС была применена частичная сборность плотины из готовых элемен­ тов. В ряде других случаев применялись облегченные конструкции с заменой части бетона грунтом и т. п.

А р о ч н ы е п л о т и н ы

Вслучаях, если плотина проектируется на реке, протекающей

вузком ущелье, берега и дно которого сложены прочными и слабодеформируемыми скальными породами, может оказаться целе­ сообразным не строить массивное гравитационное сооружение, а перекрыть это ущелье бетонной аркой. Такая плотина, называемая арочной, обычно представляет собой круговую арку, имеющую вертикальную или слабо наклоненную образующую, опирающуюся своими пятами в берега (рис. 71). На сооружение плотины такого типа расходуется примерно в 2—5 раз меньше бетона, чем на гра­

витационную той же высоты.

Верхние пояса арки испытывают наименьшее давление воды, поднятой в водохранилище, а нижние — наибольшее, поэтому толщина поясов арки к низу плотины возрастает (рис. 72). Тол­ щина арочных плотин по верху составляет 1,5—4,0 м, а по низу может достигать даже первых десятков метров (в зависимости от высоты). Но известны плотины, выстроенные в виде весьма тонких

125

рением его в верхней части, арку упирают не только в борта до­ лины, но и в массивные гравитационные устои, перекрывающие расширенную часть долины.

В первых, построенных еще в прошлом веке арочных плоти­ нах арка представляла собой цилиндрическую поверхность одного

циях возникает необходимость в устройстве специальных опор пят

Рис. 72. Поперечные профили плотин:

а , б — гравитационно-арочные; в , г , д — арочные

В связи с тем что материал арки работает только на сжатие, арочные плотины строят преимущественно бетонными, с весьма малым использованием железобетона. Для придания большой во­ донепроницаемости тонкой конструкции сооружения напорную грань плотины торкретируют цементным раствором, покрывают битумной пленкой или одевают специальным тонким металличе­ ским экраном.

126

Напряжения в теле арки и соответственно в ее пятах, опи­ рающихся на борта долины (или на вспомогательные устои), дос­ тигают 50—70, а для наиболее высоких плотин даже ПО кг/см2 (последнее в плотине Гаж во Франции). Такие напряжения зна­ чительно превышают нагрузки, создаваемые гравитационными плотинами, поэтому при строительстве арочных плотин к породам, слагающим борта и дно ущелья, предъявляются весьма высокие требования по прочности (несущей способности) и деформируе­ мости. Это вызывает необходимость еще более углубленного изу­ чения прочностных и деформационных свойств пород в массиве, а также специального изучения естественного напряженного сос­ тояния пород.

Подготовка скального основания (мы понимаем под этим не только основание в дне долины, но и опирания арки в бортах) пе­ ред возведением сооружения исключительно ответственна и обыч­ но состоит из полного удаления всего выветрелого слоя скалы, расчистки и заделки цементным раствором крупных трещин и т. п. Кроме того, так же как и при строительстве гравитационных плотин, в скальном основании закладывают глубокие и надежные цементационные завесы. В ряде случаев глубина завесы бывает близка к высоте плотины (например, для одной из высочайших в мире арочных плотин, Мовуазен в Швейцарии, при ее высоте 237 м глубина завесы достигала 200 м при общей длине цемента­ ционных скважин около 40 км), а обычно колеблется в пределах от 0,5 до 0,75 от этой высоты.

В связи с тем, что тело арочной плотины представляет собой тонкую бетонную стенку, взвешивающее противодавление фильт­ рационного потока не сказывается существенно на общей устой­ чивости плотины. Поэтому дренажи в основании таких плотин, особенно при строительстве их в условиях мягкого климата, обыч­ но не устраивают.

Возводят арочные плотины чаще всего в долинах горных рек в районах с мягким климатом, поэтому наибольшее число подоб­ ных сооружений возведено в Италии, Швейцарии и Франции. В нашей стране высоких арочных плотин мало — в настоящее вре­ мя строятся на Кавказе плотины Ладжанури и Ингури. В районах с суровым климатом, при продолжительных и сильных морозах, в эксплуатации арочных плотин возникают большие трудности и в этих условиях подобные сооружения обычно не возводят.

Расчет арочных плотин ведется двумя основными способами: методом чистой арки или комплексным. При первом из них арка рассматривается как свод или купол, состоящий из системы от­ дельных арок, работающих независимо друг от друга. Для опре­ деления толщины арки производится расчет в предположении свободного опирания пят арки на опоры или в борта. При втором методе, который применяется при наличии береговых устоев, ис­ пользуемых для опирания арок, расчет ведется раздельно: устои рассчитываются как гравитационные элементы, опирающиеся на

127

основание, а арки — как самостоятельные арочные элементы. Распределение нагрузок между арками и устоями при втором ме­ тоде расчета должно быть таким, чтобы прогибы арки во всех точках плотины были одинаковыми.

Кроме этих основных статических расчетов для арочных пло­ тин ведется расчет напряжений от температурно-усадочных явле­ ний, от влияния разности температур на низовой и верховой гра­ нях арки и некоторые другие.

Для арочных плотин, так же как и для гравитационных, ве­ дутся постоянные наблюдения за деформациями и фильтрацион­ ным потоком под сооружением и в обход него, для чего и в соо­ ружении и в массивах пород вокруг него устанавливают системы наблюдательных точек и пьезометров.

К о н т р ф о р с н ы е п л о т и н ы

Контрфорсными называются плотины, в которых давление воды воспринимается плоскими или арочными и купольными пере­ крытиями, опирающимися на отдельные опоры (контрфорсы). Последние передают давление от сооружения на основание.

Плотины этого типа строят преимущественно из железобе­ тона, поэтому эти конструкции обычно обладают легкостью и по сравнению с массивными гравитационными сооружениями требу­ ют гораздо меньшего объема бетона. Благодаря этому контрфорс­ ные плотины приобретают все большее распространение в практи­ ке плотиностроения (уже построено более 500 плотин этого типа).

лятся на плотины с плоским перекрытием (рис. 73, а) и с много­ арочным или купольным (рис. 73,6). Плоские перекрытия выпол­ няются в виде плит, бетонируемых на месте строительства, или в виде сборных готовых деталей. Такими перекрытиями обычно перекрывают расстояния между опорами в 5—15 м, что приме­ няется при плотинах относительно небольшой высоты, возводимых на нескальном основании. Арочные перекрытия выполняются в виде цилиндрических арок или арок двойной кривизны. Такие ар­ ки могут перекрывать пролеты до 30—50 м и более, и плотины такой конструкции возводят обычно на скальном основании. При малой высоте плотин пролеты арок обычно принимают также в

10—15 м.

Устойчивость контрфорсных плотин на сдвиг обеспечивается сопротивлением сдвигу опор — контрфорсов. Поэтому при не­ скальных грунтах основания, обладающих относительно невысоким сопротивлением сдвигу, контрфорсы создают в виде тяжелых мас­

128

Рис. 73. Схемы контрфорсных железобетонных плотин:

а — с плоской напорной гранью; б — многоарочные

ния напорная грань перекрытии делается наклоненной в сторону нижнего бьефа, благодаря чему сооружение оказывается прижа­ тым к основанию давлением воды. Основной расчет устойчивости такого сооружения проводится путем определения устойчивости на сдвиг контрфорсов, пригруженных напорными перекрытиями.

Ввиду того что напор воды в контрфорсной плотине воспри­ нимается тонким железобетонным перекрытием, к качеству бето­