КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛОТИН НА НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ И СХЕМЫ ИХ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА

Конструктивные особенности. На нескальных основаниях бетонные гравитационные плотины являются, как правило, водосливными. Глухую часть плотин возводят из местных материалов. Очертание водослива определяется условиями устойчивости плотины на сдвиг (видом грунтов основания) и типом затворов. Экономичный профиль получается при вертикальной стенке и развитой в сторону верхнего бьефа фундаментной плите, что обеспечивает пригрузку этой плиты весом воды и снижает объем бетона.

Вопросы выбора марок бетона и их распределения по профилю плотины, устройства галерей внутри плотины, очертания и облицовки водосливных граней, сбора и отвода фильтрующейся через бетон воды и т. п. решают так же, как и для плотин на скальных основаниях.

Разрезку плотины поперечными осадочно-температурными швами обычно делают по быкам. Для уменьшения расхода бетона и числа осадочных швов с противофильтрационными уплотнениями в них применяют разрезку на двух- и трехпролетные секции.

Конструкция противофильтрационных уплотнений межсекционных швов плотины на нескальных основаниях должна обеспечить их надежную работу при возможных смещениях смежных секций.

Примыкание водосливных плотин к берегам и земляным плотинам выполняют с помощью сопрягающих устройств.

Береговой устой защищает берег или земляную плотину от действия сбрасываемого потока воды; снижает до безопасных пределов фильтрацию воды в обход водосброса; служит опорой затворов и мостов плотины. Продольная стена может составлять одно целое с соседним пролетом водослива (при нескальных основаниях) или отделяться от водослива швом (при скальных или плотных основаниях). Лицевую грань продольных стен устоев, примыкающих к водопропускному отверстию плотины, выполняют аналогично граням быков. Во избежание обходной фильтрации по контакту внутренней поверхности устоя с грунтом земляной плотины следует тщательно уплотнять грунт в месте примыкания; задней грани устоя придавать уклон в сторону засыпки; в необходимых случаях устраивать поперечные ребра к диафрагмы в верховой части устоя, заходящие в тело земляных плотин или смыкающиеся с их диафрагмами.

Раздельный устой между водосливной плотиной и смежным бетонным сооружением устраивают аналогично полубыку с плавным оголовком и удлиненной низовой частью для защиты основания примыкающего сооружения и по гидравлическим соображениям.

Верховая сопрягающая подпорная стенка обеспечивает плавный подход потока воды к водосливу и защищает соответствующий участок берега или земляной плотины от размыва. Подпорные стенки применяют при малых напорах или незначительных скоростях подхода воды к водосливу. Для крупных сооружений применяют подпорные стенки. Тип и размеры верховой подпорной стенки для крупных сооружений окончательно выбирают на основе лабораторных исследований и технико-экономического сравнения вариантов.

Верховые подпорные стенки могут быть затопляемыми или незатопляемыми. Незатопляемые стенки лучше по гидравлическим условиям и более распространены в практике строительства, чем затопляемые.
Низовая сопрягающая подпорная стенка обеспечивает плавное растекание потока в нижнем бьефе для снижения скорости потока на сходе с рисбермы. Продольную часть низовой стенки располагают обычно в пределах водобоя под углом. При большей величине угла на водобое необходимо устраивать пирсы-растекатели. Низовые стенки обычно устраивают незатопляемого типа, очертание их гребня подобно профилю визового откоса плотины.

Массивные бетонные стенки устраивают на нескальном основании высотой до 10—15 м и на скальном основании высотой до 40—50 м. Размеры поперечного сечения определяются условиями устойчивости на сдвиг и отсутствия растягивающих напряжений в любой точке профиля стенки и основания. Консольные (уголковые) стенки возводят из железобетона или армированного бетона. Контрфорсные стенки устраивают из железобетона. Конструктивными элементами являются: фундаментная плита, плоская вертикальная стенка и треугольные контрфорсы, расположенные на расстоянии 2,5—5,5 м друг от друга. Выступ с лицевой стороны подпорной стенки устраивают для того, чтобы обеспечить более равномерное распределение напряжений в основании. Ячеистые подпорные стенки состоят из ряда прямоугольных колодцев, заполняемых местным грунтом. Размеры ячеек от 3X3 до 5Х5 м. Фундаментную плиту или свайный ростверк устраивают при слабых грунтах основания. Высота ячеистых подпорных стен 15—20 м.

Сопрягающие подпорные стенки делятся температурно-усадочными швами на секции длиной 15—40 м. Швы между секциями уплотняют шпонками во избежание фильтрации и выпора грунта.

Быки воспринимают давление воды от затворов и служат опорами для служебных и проезжих мостов. Размеры быков определяются типом и размерами затворов, водосливных отверстий и пролетных строений мостов. Толщина быков определяется глубиной пазов для затворов, а также расчетом прочности. Минимальная толщина шейки быка в зоне пазов затворов принимается не менее 0,8 м. Быки работают в условиях сложного сопротивления на изгиб в двух плоскостях от вертикальных и горизонтальных сил (давление воды, льда, затворов, тормозные усилия кранов и транспорта). Наибольшие напряжения возникают от сил, действующих вдоль оси плотины, то есть в направлении меньшего момента инерции. Временные быки, сооружаемые при возведении плотины методом гребенки, рассчитывают как консоли, заделанные в плиту основания, на собственный вес и одностороннее боковое давление воды при закрытом затворе одного пролета и пропуске воды через соседний пролет. Выше водосливного оголовка быки армируют по расчету прочности. Облицовка водосливных поверхностей плотины и водобойной плиты защищает бетон при пропуске через плотину песчано-гравелистых наносов или тяжелого ледохода. Поверхность бетона защищается каменной облицовкой из твердых, прочных пород или чугунными плитами. Весьма стойки облицовки, выполненные из пластобетона на фурфурольно-ацетоновом мономере, что подтверждается опытом эксплуатации облицовки на плотине Сары-Курган (УзССР) при следующих условиях: максимальные скорости на водоскате плотины 8—9 м/сек, среднегодовой сток донных наносов свыше 120 тыс. м³ при средней крупности донных наносов 70 мм (размеры отдельных глыб до 300 мм и более). Известны случаи использования дерева в качестве облицовочного материала водосливных поверхностей, например на Пальманском гидроузле (Ферганская область, УзССР).

Схемы и элементы подземного контура. Под термином «подземный контур плотины» будем понимать водонепроницаемую часть контура сооружения.

Бездренажная схема применяется при опасности заиления дренажа в случае несвязных мелкозернистых илистых и пылеватых грунтов.

Горизонтальный дренаж, укладываемый под плотиной или под понуром, должен быть снизу снабжен обратным фильтром и прижат к грунту весом вышележащих частей сооружений. Вода из дренажей под плотиной отводится в нижний бьеф через галереи в устоях и быках, а из дренажей под водобоем — через отверстия в последнем или по самому дренажу.

Вдоль линии, а также под подошвой низового зуба напор может быть принят постоянным, отвечающим горизонту воды нижнего бьефа, что позволяет уменьшить вес плотины.

Обратные фильтры защищают грунт основания от разрушения вследствие суффозии, контактного размыва или выпора. Они состоят из 2—3 слоев толщиной от 10—15 до 20—50 см.

Схему плотины с анкерным понуром применяют для повышения устойчивости плотины на сдвиг. Так, для Цимлянской плотины применением анкерного понура оказалось возможным увеличить коэффициент устойчивости против сдвига с 0,9 до 1,3.

Усилие, прижимающее понур к основанию, равно разности гидростатического давления на понур сверху и фильтрационного давления снизу (значительно уменьшаемого дренажем).

Верховая часть плотины, находящаяся под воздействием растягивающего усилия, должна быть армирована.

Вертикальный дренаж основания устраивают в случае анизотропного грунта с относительно малыми коэффициентами фильтрации в вертикальном направлении.

Глубинная схема применяется при сравнительно неглубоком залегании водонепроницаемого слоя. При пересечении водопроницаемой части основания бетонным зубом движение грунтовой воды под плотиной прекращается полностью, причем в области грунта перед зубом напор соответствует уровню воды верхнего бьефа, а за зубом уровню воды нижнего бьефа.

При проектировании подземного контура водоподпорных сооружений на глинистых основаниях необходимо иметь в виду, что коэффициент фильтрации глины меньше, чем бетона, в связи с чем бетон и будет играть роль дренажа, отводя воду из глинистого основания. Поэтому при слабопроницаемых грунтах в оснований нецелесообразно проектировать развитые плоские понуры, не обеспечив низкую проницаемость бетонных массивов в частях, подвергающихся воздействию фильтрационного потока.

При проектировании необходимо рассматривать ряд схем подземного контур. В результате расчетов прочности и устойчивости самой плотины и фильтрационной прочности ее основания определяется наиболее экономичный вариант.

Понуры, предназначенные только для удлинения путей фильтрации, выполняют из глинистых или суглинистых грунтов. Во избежание промерзания во время строительства понуры пригружают слоем песка толщиной 1,0-2,0 м.

Применяют также понуры, в которых водонепроницаемая часть выполняется из асфальтовых материалов (асфальтовых матов, асфальтобетона), укладываемых на бетонную или асфальтобетонную подготовку.
Для предохранения понуров от размыва устраивают каменное или бетонное покрытие. Для предохранения понура от подмыва в месте сопряжения с руслом устраивают зуб с засыпкой его пазухи галечниково-гравелистым грунтом; при бетонном креплении понура устраивают бетонный зуб.

Наиболее ответственным является узел сопряжения понура с телом плотины.

Шпунт — важный элемент противофильтрационного контура. В зависимости от напора и грунта основания применяют деревянные шпунты глубиной до 5—7 м и стальные глубиной до 15—20 м, а при сварке или склейке и до 40 м. Железобетонный шпунт имеет толщину 50—60 см, его изготовляют с трапецеидальным пазом и гребнем. Во избежание контактной фильтрации не допускается опускать шпунты в песчаный грунт методом подмыва.

Верховой шпунт удлиняет пути фильтрации и служит гасителем напора. Понурный шпунт длиной устраивают только при анкерном (дренированном) понуре. При неоднородном основании, имеющем водонепроницаемые прослойки, шпунтовые ряды по возможности должны пересекать их.

Низовой шпунт (длиной 2—4 м) препятствует фильтрационному выпору грунта из-под плотины. Устройство низового шпунта вызывает увеличение противодавления, для предотвращения чего шпунт делают перфорированным. При размещении шпунтов в основании расстояние между ними должно быть не менее 0,75 суммарной их длины, в противном случае эффективность шпунтов резко снижается.

Бетонные зубья. Неглубокие зубья устраивают для предотвращения опасной контактной фильтрации и лучшего сопряжения бетона с основанием. Глубокие бетонные зубья устраивают вместо шпунтовых рядов, если грунт не допускает забивку шпунта.

Низовой подплотинный зуб устраивают при наличии в схеме низового шпунта в связи с наличием щелей между отдельными сваями. В схемах плотин с горизонтальным дренажем низовой бетонный зуб устраивают, чтобы изолировать подплотинный дренаж от нижнего бьефа и получить возможность откачивать воду из этого дренажа, например для контроля его работы.

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