КОНСТРУИРОВАНИЕ БЕТОННЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛОТИН НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ

Выбор типа гравитационной плотины. Тип плотины выбирают на основании технико-экономического сравнения вариантов компоновки узла сооружений в целом с учетом назначения плотины, инженерно-геологических, климатических и других условий.

В массивном типе гравитационных плотин прочность бетона используется не полностью. Поэтому целесообразно применять облегченные типы гравитационных плотин: с расширенными швами, с продольными полостями в основании, с анкеровкой к основанию и обжатием верховой границе заменой бетона внутренних зон местными материалами.

Тип плотин с анкеровкой к основанию и обжатием верховой грани целесообразен при малой и средней их высоте. Скальные основания в этом случае должны обеспечить надежную заделку тяжей. Анкеровка к основанию повышает устойчивость плотин, улучшает распределение напряжений, что приводит к уменьшению объема кладки.

Для плотин с расширенными поперечными швами и продольными полостями в основании благоприятны скальные водостойкие основания, не подверженные механической или химической суффозии. При этом типе плотин уменьшается противодавление по подошве сооружения; улучшается дренаж тела плотины и ее основания; уменьшается объем бетона.

Общие вопросы конструирования. Температурные швы и их уплотнения. Для уменьшения усилий, вызываемых температурными и усадочными напряжениями, а также осадками, до значений, безопасных для бетонных сооружений, эти сооружения разрезают температурными швами — постоянными и временными. Постоянные температурные швы устраивают для предупреждения трещинообразования в связи с воздействием температурных колебаний окружающего воздуха и воды в бьефах в эксплуатационный период. Временные температурные (строительные; блочные) швы устраивают для той же цели в связи с явлением экзотермии и рассеиванием тепла свежеуложенным бетоном в строительный период.

Расположение постоянных швов увязывают со схемой пропуска строительных расходов и расположения донных отверстий. Расстояния между постоянными швами составляют от 9 до 20 м. Расстояние между временными температурными швами определяется системой разрезки бетонной кладки на блоки бетонирования и размерами блоков.

Конструкции постоянных поперечных швов, помимо заполнения, должны иметь уплотняющие, дренажные и контрольные устройства, обеспечивающие водонепроницаемость швов и свободу перемещений секций плотины по отношению друг к другу.

Ширину постоянных температурных швов назначают в пределах 1-10 мм. В зависимости от ширины швов применяют окрасочное, штукатурное или оклеечное заполнение.

Разрезка на блоки бетонирования бывает:

а) с перевязкой вертикальных продольных швов;

б) столбчатая;

в) секционная (длинными блоками), при которой блоки имеют в плане те же размеры, что и секция между температурными швами. Иногда применяют разрезку наклонными швами, примерно совпадающими с направлением главных напряжений.

Первый вид разрезки применен у нас на многих плотинах: Днепровской, Усть-Каменогорской и др. Столбчатый тип разрезки с плотными цементируемыми швами применен на плотине Братской ГЭС. Разрезка на длинные блоки имеет ряд существенных преимуществ: отпадает необходимость в цементации продольных швов, сокращается расход опалубки и т.д. Однако применение длинных блоков усложняет регулирование температуры в нижней части плотины.

Смешанная разрезка, при которой столбчатые блоки в нижней части сменяются длинными в верхней части плотины, сопрягаясь с помощью мощного арматурного пояса, применена на Красноярской плотине. Метод расчета гравитационных плотин со столбчатой разрезкой с учетом раскрытия вертикальных межстолбчатых швов предложен В. В. Казанковым.

Сопряжение с основанием. Для обеспечения устойчивости плотины на слабых скальных основаниях можно предусматривать общий подъем средней отметки основания в сторону нижнего бьефа. При прочном, практически нетрещиноватом или слаботрещиноватом скальном основании верховой зуб плотины устраивать не рекомендуется. В условиях трещиноватой скалы верховой зуб или небольшое и плавное заглубление подошвы в ее верхней части можно применять для сопряжения тела плотины с противофильтрационной цементационной завесой в основании.

Дренаж плотины. Для перехвата и отвода воды, профильтровавшей через бетон тела плотины и строительные швы, вдоль верховой грани устраивают, дренаж в виде вертикальных скважин (дрен) диаметром 15—20 см, выходящих в продольные галереи. Расстояния между осями дрен 2—3 м.

Продольные галереи используют для осмотра и цементации бетонной кладки плотины, контроля и очистки дренажных скважин, сообщения внутри плотины, закладки контрольно-измерительной аппаратуры (пьезометров, щелемеров, термометров, вибрографов и т. д.). Противофильтрационная завеса устраивается в верховой части основания для уменьшения величины противодавления фильтрационного потока на подошву плотины, ослабления и предотвращения механической и химической суффозии грунтов. На участке сопряжения завесы с подошвой плотины, в зоне наибольших градиентов фильтрационного потока, рекомендуется предусматривать местное усиление завесы («сопрягающая цементация») дополнительными рядами неглубоких скважин.

Дренаж основания устраивают для снятия или уменьшения фильтрационного противодавления на подошву плотины. В случае пород, подверженных химической или механической суффозии, дренаж не устраивают. Диаметр скважин принимают не менее 25 см при расстоянии между ними 2—5 м. Глубина скважин составляет 0,5—0,75 глубины противофильтрационной завесы. Ось дренажной линии располагают возможно ближе к низовой грани (цементационной завесы, но не ближе 4 м.

Глухие плотины. Для глухих участков напорного фронта следует строить плотины из местных материалов при наличии на месте необходимых грунтов и камня. Глухие бетонные гравитационные плотины возводят только при специальном технико-экономическом обосновании.

Основной формой поперечного профиля глухой плотины является треугольник с вершиной на отметке НПУ. Верховая грань плотины вертикальна или слабо наклонена в сторону верхнего бьефа. Низовая грань принимается также в виде плоскости, иногда с переломами.

Конструктивные особенности водосбросных плотин. Согласно СНиП П-И.1-62 для водосбросных участков напорного фронта рекомендуется принимать преимущественно бетонные и железобетонные плотины облегченных конструкций.

К специальным элементам и конструкциям водосбросных плотин относятся: водосливной оголовок; водосливная низовая грань; уступ, сопрягающий водосливную грань с нижним бьефом; водобойные устройства и крепления в нижнем бьефе; глубинные отверстия; затворы и их подъемные устройства; площадки для монтажа и крепления затворов; служебные и проезжие мосты.

Водоспускные отверстия, работающие по типу донных отверстий, служат для сброса воды при прохождении больших паводков, промыва наносов и т. д. Водосливные устройства, работающие с переливом воды через гребень плотины, служат для пропуска паводковых и других расходов, сброса плавающих тел, льда, бревен, требуют менее сложных конструкций затворов и механизмов для маневрирования ими.

Длину водосливного фронта устанавливают с учетом допустимых для данных геологических условий удельных расходов воды, например при здоровых скальных основаниях 120 м³/сек и более. Размеры водосливных отверстий определяются величиной удельного сбросного расхода, типом затворов и схемой маневрирования.

Оголовки водосливных плотин разделяются на безвакуумные и вакуумные, у которых на водосливной поверхности возникает вакуум, повышающий коэффициент расхода. Выбор типа оголовка водосливной плотины следует обосновывать технико-экономическими сопоставлениями вариантов.

Безвакуумный профиль очерчивается по форме свободно падающей струи с консольным смещением начальной части водосливного оголовка в сторону верхнего бьефа. При проектировании вакуумного профиля для предотвращения срыва вакуума следует: а) пазы затворов в устоях и быках располагать за пределами зоны вакуума; б) режущие грани устоев и быков выносить в сторону верхнего бьефа за напорную грань на величину не менее 0,4 максимального напора над гребнем водослива; в) устои и быки выносить в сторону нижнего бьефа за пределы зоны вакуума.

Водосливная грань плотины, служащая продолжением водосливного оголовка, имеет обычно прямолинейное очертание и сопрягается с оголовком по касательной.

Водосливная грань имеет наклон, определяемый аналогично наклону низовой грани глухих плотин, в нижней части она сопрягается круговой поверхностью с водосливным носком или дном водобоя.

Применение носка-трамплина обеспечивает трамплинный тип сопряжения бьефов, рекомендуемый для высоких плотин на скальных основаниях. При отбросе струи на безопасное расстояние водобойные устройства в нижнем бьефе не предусматриваются. Носки-трамплины имеют обычно круговое очертание при угле схода 25-35°. Чтобы был обеспечен доступ воздуха под струю, отметку носка-трамплина назначают выше максимального уровня нижнего бьефа.

Низовые водосливные носки-уступы плотины по очертанию подобны носкам-трамплинам, но располагаются ниже расчетного уровня нижнего бьефа н имеют небольшие углы схода струи порядка 5—10°. Носки-уступы обеспечивают незатопленный поверхностный режим, который рекомендуется только при необходимости пропуска льда и других плавающих тел. Плавное сопряжение водосливной поверхности с дном водобоя обеспечивает донный режим, который по сравнению с незатопленным поверхностным режимом допускает более высокое расположение пола водобоя.

Водобойные устройства в нижнем бьефе водосливных плотин служат для предотвращения опасных размывов русла в непосредственной близости от плотины.

При донном или поверхностном типе сопряжения при слабой или трещиноватой скале плотина снабжается водобоем с низовым зубом. Для облегчения затопления прыжка при донном сопряжении бьефов, а также для борьбы со сбойностью потока рекомендуется располагать на водобое гасители энергии, выполняющие также роль растекателей. При назначении их высоты следует учитывать условия пропуска плавающих тел (льда, бревен).

Отметку поверхности водобоя при донном режиме назначают из условия затопления прыжка, а также подтопления водобоя со стороны нижнего бьефа в зимний холодный период для предохранения от промерзания. От тела плотины водобой отделяется швом.

При воздействии наносов, ударов льда предусматривается облицовка водобойных устройств армированным торкретным слоем и т. п.

В водосливных плотинах устраиваются: быки, располагаемые между отдельными водосливными пролетами; раздельные устои, отделяющие плотину от соседних бетонных сооружений; устои, сопрягающие водосливную плотину с земляной плотиной или с берегами. Назначение их, конструирование и расчет аналогичны соответствующим элементам водосливных плотин на нескальных основаниях.

Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968