ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИНАХ

Применение земляных плотин. Простота конструкции, широкое использование местных строительных материалов, возможность постройки почти на любых основаниях обусловили широкое распространение земляных плотин во всех странах мира. За последние 20—30 лет в СССР построены десятки крупных гидроузлов, одной из главных составных частей которых являются земляные плотины. Широкое развитие механики грунтов, инженерной геологии и гидрогеологии, широкое применение механизации земляных работ позволяют в настоящее время осуществлять плотины, весьма значительные по высоте и объему работ. Мингечаурская плотина (СССР), построенная в 1954 г. на р. Куре намывным способом, имеет высоту 80 м, объем тела плотины 15,6 млн, мг. Строится Сионская (СССР) насыпная плртина высотой 84,8 м с глиняным ядром, объем тела плотины 6,38 млн. м³. Объем Цимлянской намывной плотины составляет 29,5 млн. м³. Земляная плотина Свифт на р. Льюис (США), построенная в 1959 г., имеет высоту 153 м, объем тела плотины 12,2 млн. м³ и др.

Основные требования, предъявляемые к земляным плотинам. Подпор воды перед земляной плотиной вызывает фильтрацию через тело плотины, ее основание и в берегах. Перелив воды через гребень земляной плотины почти всегда влечет за собой ее разрушение, поэтому паводковые воды следует пропускать через специальные водосбросные сооружения.

При проектировании и постройке земляных плотин необходимо соблюдать следующие основные требования:

а) поперечнрму профилю необходимо придать такое очертание и такие размеры, которые обеспечили бы устойчивость тела плотины и ее основания при всех возможных условиях работы сооружения;

б) фильтрационная вода, просачивающаяся через тело плотины, ее основание и в местах примыкания к берегам, должна быть перехвачена и отведена системой дренажных устройств;

в) пропускная способность водосбросных сооружений должна обеспечивать пропуск максимального паводка во избежание перелива воды через гребень плотины;

г) откосы плотины должны быть защищены соответствующим креплением от действия ветровых волн, а также от вредного воздействия климатических факторов.

Типы и классификация земляных плотин. Земляные плотины подразделяются по различным признакам: по способу возведения, по высоте, конструкции попередшого профиля и конструкции противофильтрационных устройств.

По способу возведения различают плотины насыпные, намывные и полунамывные.

Насыпные плотины возводят путем отсыпки грунта с искусственным уплотнением и без искусственного уплотнения (с отсыпкой пионерным способом насухо, с отсыпкой в воду, с отсыпкой при помощи взрыва на выброс).

Намывными плотинами называются такие, в которых весь процесс возведения плотины — разработка грунта в карьере, транспортировка и укладка его в тело плотины — выполняется методом гидромеханизации, то есть гидравлическим способом.

В полунамывных плотинах разработку грунта в карьерах, его доставку к плотине и отсыпку в ее боковых частях ведут теми же способами, что и в насыпных, а сортировку и укладку грунта во внутреннюю часть выполняют методом гидромеханизации.

По высоте различают земляные плотины: низкие — с напором до 15 м; средней высоты - с напором 15—50 м и высокие — с напором более 50 м.

По конструкции поперечного профиля земляные насыпные плотины подразделяются на следующие основные виды:

а) из однородного грунта;

б) с вертикальным ядром или диафрагмой;

в) с экраном (из грунтового или из негрунтоврго материала);

г) из разнородных грунтов (с водонепроницаемой верховой призмой).

Для возведения земляных насыпных плотин можно применять самые различные грунты, которые имеются на месте постройки плотины.

Лучшими грунтами для однородной земляной плотины считаются суглинки и супеси. Вподве пригодны песчаные и песчано-гравелистые грунты, однако ввиду их проницаемости необходимо предусматривать противофильтрационные устройства: экраны, ядра, зубья и понуры.

Для противофильтрационных элементов плотины применяют связные, пластичные малопроницаемые грунты: глины, суглинки, а также торфы при степени разложения не менее 50%.

Глинистые грунты с содержанием водорастворимых солей до 6% по весу допускается применять в тело однородных плотин и водоупорных элементов. Однако они должны быть защищены от промерзания и иссушения защитным слоем, обладающим прочностью и водостойкостью (крупнозернистые пески, галька, щебень).

Для невысоких плотин и в верхней части низового откоса средних плотин можно применять гумусированные грунты с содержанием гумуса до 7—8%. Гумусированные грунты обладают малой водопроницаемостью, но трудно поддаются уплотнению. Непригодны для укладки в тело плотины илистые грунты легкоподвижные при насыщений их водой, и грунты, содержащие водорастворимых солей более 6%.

Выбор грунта для тела плотины должен быть обоснован технико-экономическими расчетами. Важное качество грунта для тела насыпной плотины — легкая уплотняемость его при укатывании.

Плотины из однородного грунта. При наличии в районе строительства достаточного количества относительно водонепроницаемых грунтов, особенно суглинков, лессов, строят плотину из однородного грунта. Преимущества однородных плотин — простота и быстрота возведения, возможность применения комплексной механизации, что значительно снижает стоимость работ по сравнению с другими типами земляных плотин.

Плотины с ядром. При недостаточном количестве малопроницаемых грунтов (суглинков) плотину можно насыпать из имеющихся на месте песчаных грунтов, супесей или других проницаемых материалов. В этом случае будет происходить сильная фильтрация воды через тело плотины. Для предупреждения этого явления применяют противофильтрационные устройства в виде ядра, экрана, диафрагмы.
Пластичное ядро устраивают из глины или тяжелого суглинка и располагают вертикально под гребнем плотины, желательно ближе к верховому откосу, для того чтобы уменьшить объем насыщенного водой грунта верховой призмы и сделать более устойчивой низовую часть плотины. Минимальную толщину пластичного ядра поверху принимают не менее 0,8 м.

Верх ядра должен возвышаться над нормальным подпорным статическим уровнем воды не менее чем на 0,3 м для плотин III и IV классов и не менее чем на 0,5 м для плотин I и II классов.

При скальном основании вместо пластичного ядра устраивают жесткую диафрагму (бетонную, железобетонную, металлическую) для лучшего сопряжения тела плотины с основанием. Диафрагму следует располагать под верхней бровкой гребня плотины. Вследствие неравномерной осадки тела плотины и разности гидростатического давления на гранях жесткой диафрагмы могут появляться трещины, поэтому предпочтение следует отдавать пластичному ядру.

Экранные плотины. Преимущество экранных плотин перед ядровыми состоит в том, что в таких плотинах вода насыщает значительно меньшую часть объема тела плотины. Кроме того, экраны более доступны для осмотра и ремонта. Однако для экрана требуется больше материала, и он более подвержен деформациям при осадке основания или тела плотины. Экраны устраивают пластичные и жесткие.

Для пластичных экранов применяют суглинки, супеси, глины, а также торф при степени разложения не менее 50%. Толщину пластичного экрана поверху (нормально к откосу) назначают не менее 0,8 м. С внешней стороны экран должен быть покрыт защитным слоем из песка или песчано-гравелистого грунта толщиной не менее глубины промерзания в районе строительства. Экран обычно сопрягается с основанием зубом. Торфяные, экраны чаще всего устраивают из двух-трех слоев торфа, между которыми укладывают слои из песка. Экран должен быть надежно защищен от промерзания, так как промороженный торф теряет противофильтрационные свойства.

При глубоком залегании водонепроницаемой толщи основания устраивают плотины с экраном и понуром. Длину понура назначают в зависимости от допустимых фильтрационных расходов, а также по условию недопущения деформаций при выходе фильтрационного потока в нижний бьеф. Толщину понура принимают исходя из того, что градиенты фильтрационного потока должны быть в пределах, допустимых для грунта понура, но не менее 0,5 ж. Для предохранения понура от повреждения в период строительства его покрывают по всей поверхности слоем грунта толщиной не менее 1 м (с учетом глубины промерзания).

Плотины из разнородных материалов. При недостаточном количестве суглинков и при наличии на месте песчано-гравелистых грунтов и камня устраивают плотину из разнородных материалов. Малопроницаемый грунт укладывают в верховой откос плотины, а проницаемый материал (песок, гравий, камень) — в низовой откос. Для предотвращения вымыва грунта через каменную призму между суглинком и каменной наброской укладывают промежуточный слой в виде обратного фильтра из песка и мелкого гравия.

Сопряжение тела плотины с основанием и берегами. При небольшой глубине проницаемого слоя (2—3 м) в основании однородной плотины закладывают зуб, который заполняют глиной или суглинком. Зуб следует закладывать примерно под серединой верхового откоса и заглублять его на 0,5—0,75 м в водоупор.

Если толщина водопроницаемого слоя 4—6 м, то тело плотины сопрягают с водоупором путем закладки зуба глубиной 1—1,5 м и забивки в нем шпунта, который опускают в водоупор. Плотины с экраном и ядром при небольшой глубине проницаемого слоя также сопрягают с водоупором закладкой зуба. При глубоком залегании водоупора устраивают понур или «висячий зуб» и шпунтовую стенку. Понур является продолжением экрана; его делают из того же материала, что и экран. Сопряжение тела плотины с берегами следует делать в виде наклонных плоскостей с короткими уступами для удобства работ. Обработка склонов вертикальными уступами не допускается, так как вследствие резких изменений высоты насыпи вдоль уступов образуются опасные поперечные трещины.

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