4-11

Лекция 4 Устройство бетонной водосливной плотины гравитационного типа на нескальном основании

Конструкция плотины на нескальном основании (рис. 3.1) определяется только при совместном учете следующих основных требований:

1. Обеспечение устойчивости сооружения на сдвиг;

2. Сохранение прочности элементов плотины и основания;

3. Получение наименьшего значения фильтрационного противодавления на флютбет плотины;

4. Обеспечение фильтрационной прочности основания;

5. Обеспечение достаточной пропускной способности сооружения для сброса паводковых вод;

6. Гашение избыточной энергии сбрасываемого через плотину водного потока.

Рис. 3.1. Общая схема плотины на нескальном основании

Для выполнения указанных требований конструкция плотины включает себя следующие основные элементы (см. рис. 3.1):

• Понур и свайные шпунтовые ряды (шпунты) — элементы подземного контура сооружения, служащие для увеличения пути фильтрации, а следовательно, для уменьшения фильтрационного расхода, противодавления на основание плотины и градиентов напора. Шпунтовый ряд свай, расположенный ближе к нижнему бьефу сооружения, выполняется перфорированным и устраивается лишь для увеличения устойчивости сооружения.

• Тело плотины — массивная водоподпорная часть плотины, служащая для пропуска необходимых расходов и поддержания уровня воды в верхнем бьефе, для чего водопропускные отверстия в теле плотины оборудуются затворами.

• Водобой — часть водосливной плотины, служащая для крепления дна от размыва под воздействием падающей струи и создания благоприятных гидравлических условий гашения энергии воды с целью недопущения потери устойчивости тела плотины.

• Рисберма — часть бетонной водосливной плотины, расположенная в послепрыжковом участке нижнего бьефа и служащая для крепления дна от размыва до начала естественного дна.

Тело плотины

Водосливные плотины должны иметь профиль, отметку гребня и специальные устройства, обеспечивающие безопасные условия для пропуска воды, льда, наносов и плавающих тел.

В теле плотины различают напорную и водосливную грани, оголовок, флютбет (фундаментную плиту — нижнюю часть тела плотины), смотровые потерны и дренажные устройства.

Форма тела плотины формируется прежде всего, исходя из необходимости обеспечения ее прочности, устойчивости и необходимой пропускной способности. В виду массивности сооружения, необходимо стремиться к уменьшению объема бетона и железобетона. Это может быть достигнуто следующими путями:

• Реализация конструкций с максимальным использованием давления воды в качестве пригрузки (например, верховой плиты плотины или анкерных понуров), рис. 3.2, 3.3.

Рис. 3.2. Конструкция бетонной плотины на песчаном основании: 1 — металлический шпунт; 2 — обратный фильтр; 3 — дренажная галерея; 4 — дренажные отверстия; 5 — ячеистая стенка (металлический шпунт); 6 — плиты; 7 — часть тела водослива, возводимая способом гребенки; 8 — водослив; 9 — рабочий эксплуатационный затвор; 10 паз для балок ремонтных заграждений; 11 — паз для заграждений на период строительства; 12 — портальный кран; 13 — двухпутный железнодорожный мост; 14 — автомобильный мост; 15 — плиты; 16 — бык

Рис. 3.3. Конструкция бетонной гравитационной плотины с анкерным понуром: 1 — анкерный понур; 2 — дренаж; 3 — дренажные галереи

• Использование противофильтрационных и дренажных устройств, снижающих или полностью снимающих фильтрационное давление на подошву сооружения.

• Внедрение бетонных и железобетонных конструкций с заполнением из местных материалов (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Плотина с глубинными донными отверстиями и с загрузкой из местных материалов: 1 — ось плотины; 2 — металлический шпунт; 3 — дренажные скважины; 4 — пьезометры; 5 — загрузка; 6 — дренаж; 7 — понур

Оголовок плотины определяет форму и характер дальнейшего протекания струи, а также коэффициент расхода водослива. Существует два основных вида оголовков (рис. 3.5): безвакуумный (на всем протяжении водосливной грани сохраняется положительное, больше атмосферного, давление) и вакуумный, когда в некоторых местах под струей образуется давление ниже атмосферного — вакуум.

Наилучшим безвакуумным профилем у нас в стране считается профиль, очерченный по координатам Кригера-Офицерова, которые приведены гидравлических в справочниках для единичного напора на гребне плотины. Вакуумные профили, обеспечивающие максимальный коэффициент расхода, получаются описыванием оголовка вокруг круга с соотношением или эллипса при отношениях его осей 2 : 3.

а	б	в	г

Рис. 3.5. Водосливные профили плотин: а, б, в — безвакуумные; г — вакуумный

Вакуумное очертание водослива отличается большей пропускной способностью (примерно на 7 ÷ 15 %), однако при прорыве воздуха под струю или при неправильных очертаниях водосливной грани сооружение подвергается толчкам, ударам и несколько большим вибрациям по сравнению с безвакуумным профилем. Кроме того, если вакуум достигает предела 6 ÷ 6,5 м вод. ст., то возникает явление кавитации и связанные с ним последствия: разъедание бетона, вырывание камней облицовки, закладных частей затворов и т. п.

Учитывая сказанное, в практике, как правило, применяют безвакуумное очертание и лишь при небольших напорах до 5 ÷ 6 м — вакуумное.

Быки

Быки разбивают водосливной фронт плотины на отдельные отверстия и могут выполнять тройную роль:

• служат опорами для затворов, перекрывающих водосливные отверстия;

• служат опорами для транзитных и служебных мостов;

• на них располагаются стационарные подъемные механизмы затворов.

Высота быков обычно назначается, исходя из условия подъема затворов на полную высоту, и может быть различной на участках с мостами и с подъемными механизмами.

Толщина и длина быков в общем случае зависит от конструкций затворов, размеров перекрываемых водосливных отверстий, размеров и конструкций расположенных мостов и подъемных механизмов.

Очертание быков в плане делается легкообтекаемой формы, а при наличии ледохода — заостренной (рис. 3.6).

а	б

Рис. 3.6. Очертание быков в плане: а — формы очертаний быков; б — общая схема быка в плане; 1 — паз ремонтного или аварийно-ремонтного затвора 2; 3 — паз рабочего затвора 4

Как правило, для опирания затворов в быках устраивают пазы. В общем случае в быке устраивают паз рабочего затвора и два паза ремонтных затворов, расположенных выше и ниже рабочего. При выполнении ремонта основного рабочего затвора ремонтные затворы закрывают и, откачав воду из пространства между ними, производят необходимые работы. В частном случае, когда нижний бьеф располагается ниже гребня плотины, необходимость в нижнем ремонтном затворе отсутствует. Необходимость пазов затворов может тоже отсутствовать, например, при использовании сегментных или секторных затворов, которые не требуют их устройства.

Размеры пазов в плане определяются размерами опорных частей затворов и предварительно назначаются: ;;(где — ширина пролета между быками в свету). Существенным размером является толщина быка в самом суженном месте , которую принято считать.

По виду сбоку различают следующие типы быков: бык без уступа, с одним уступом, с двумя и с тремя уступами. Эти уступы располагают таким образом, чтобы объем бетона распределялся в теле плотины наивыгоднейшим образом с точки зрения равномерности распределения нагрузок на основание быка.

Рис. 3.7. Схема быка с двумя уступами: 1 — паз ремонтного затвора; 2 — служебный мост; 3 — рабочий затвор; 4 — верхнее колесо затвора; 5 — транзитный мост; 6 — временный порог; 7 — ригель; 8 — паз строительного ограждения; 9 — стойки; 10 — заграждения во время строительства; H — напор на водосливе; h — толщина струи, переливающейся через плотину (h = 0,75H)