КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ

Каменноземляные и каменные плотины занимают ведущее место среди высоких и сверхвысоких сооружений в мировом плотиностроении. Особенно заметный прогресс наметился в 5060е годы, когда было начато и осуществлено строительство таких плотин, как Оровилл (Канада) высотой 220 м, Нурек ская (Таджикистан) 300 м, Чарвакская (Узбекистан) 168 м, Гепач (Австрия) 150 м, Инфернильо 140 м (Мексика) и др. Столь значительный прогресс в строительстве каменноземляных плотин объясняется бурным развитием землеройной техники, созданием самосвалов грузоподъемностью до 180 т и, как следствие этого, снижением стоимости земельноскальных работ; полной механизацией всего технологического цикла по возведению плотины; использованием грунтов из полезных выемок и развитием некоторых разделов механики грунтов, главным образом, нарушенной структуры [122]. Каменноземляные плотины самые надежные и простые в эксплуатации плотины. Их строят в тяжелейших сейсмических (до 9 баллов) и климатических условиях.

Крутизна откосов, а, следовательно, объем плотины, определяется на основании расчета устойчивости откосов плотины и зависит от прочностных свойств материалов, слагающих тело плотины и основание, конструкции плотины, условий эксплуатации, метода производства работ и даже очередности возведения отдельных частей плотины. Не все эти факторы находят отражение в изложенных выше (см. гл. 11 и 12) методах расчетов, что объясняется несовершенством имеющегося расчетного аппарата. Во многих случаях проектировщикам приходится обращаться к аналогам строящегося сооружения, поэтому выбор аналога ответственная и очень нужная часть комплекса работ при проектировании. Следует стремиться выбирать аналог не более 20летней давности строительства. Обычно выбирают не одно, а несколько аналогичных сооружений.

Как уже отмечалось в гл. 11, каменноземляные плотины по конструкции классифицируют на плотины с центральным ядром, плотины с экраном и плотины с наклонным ядром (промежуточная конструкция). Типичным примером плотины с центральным ядром являются Нурекская (рис. 12.23) и Инфернильо (рис. 12.6) и др; с экраном Нантахала (рис. 13.15), Даллес (рис. 13.16), Вилюй ская и др.; с наклонным ядром Оровилл, Фурнас (рис. 13.17), Кугар (рис. 13.18), Майка (рис. 13.19) и др.


Выбор типа каменноземляной плотины определяется наличием грунтов для упорных призм, ядра и переходных зон, климатом в районе строительства, геологическими условиями створа, компоновкой гидроузла в целом, гидрологическими условиями в створе и т. д.


Каждая из перечисленных плотин имеет свои достоинства и недостатки. Главная задача при проектировании найти место в профиле плотины наиболее дешевым грунтовым материалам с учетом специфики их свойств, чтобы стоимость плотины была минимальной без снижения надежности сооружения [122].



Для этого необходимо иметь подробную информацию о свойствах грунтов и знать работу грунтового сооружения.

Плотина с центральным ядром имеет минимальный объем тела по сравнению с плотинами с экраном или наклонным ядром, так как самый слабый по прочности материал ядра наиболее удален от поверхности откосов. Именно этот факт и обусловил широкое распространение этого типа каменноземляной шотины. Ядра плотин по своей толщине подразделяют на тонкие и массивные. Тонкими называют ядра, у которых наибольшее отношение ширины В к высоте Н меньше или равно 0,5 (В/Н<0,5); массивными ядра с В/Н>0,5 .


Наиболее тонкие ядра имеют [28] плотины Зильвенштейн (рис. 12.31) и Инфернильо (рис. 12.4), а массивное плотина Тринити. Обычно ядра плотин имеют постоянное заложение откосов без изломов. Минимум отношения В/Н будет на границе ядра с основанием, но иногда в примыкании к основанию ядро несколько расширяют (рис. 12.6, 12.38 и 13.21) для обеспечения лучшего контакта ядра с основанием.


Чем меньше деформируем материал ядра, тем более тонким можно выполнить ядро (см. п. 12.4). Часто толщину ядра не принимают минимальной по чисто экономическим соображениям, например в случае, когда стоимость материала ядра в теле плотины ниже стоимости материала упорных призм. Толщина ядра определяется из минимальной стоимости тела плотины в целом, ее работоспособности из условия трещинообразования и общей устойчивости.

Чем тоньше ядро, тем большее внимание уделяется качеству и размерам переходных зон. По мнению Рейниуса (материалы IX когресса по большим плотинам), при проектировании плотин с тонкими наклонными ядрами нижнюю часть ядра следует искривлять для снижения выходных градиентов (рис. 13.21).

Наибольшее распространение в настоящее время получили плотины с ядрами, у которых. Величину HIB часто называют средним градиентом. Таким образом, отношение, соответствует среднему градиенту фильтрационного потока ср=2.

Плотина с экраном имеет (В толщина экрана по нормали к верховой плоскости). Экран более чувствителен к деформациям упорной призмы, поэтому при проектировании и строительстве плотины с экраном больше внимания следует уделять качеству уплотнения грунта упорной призмы. С напорной стороны экран прикрывается защитным слоем обычно из того же материала, что и упорная призма, или бетоном. Между защитным слоем и экраном, экраном и упорной призмой укладывается фильтр.

Наклонное ядро в зависимости от его наклона имеет толщину, промежуточную между толщиной экрана и центрального ядра. Выбор угла наклона ядра определяется деформируемостью грунта: чем более деформируем грунт, тем больше угол наклона оси ядра к вертикали. Это условие вызвано необходимостью борьбы с возможностью гидравлического разрыва (см. п. 12.4).

Заложение верхового и низового откосов у плотины с центральным ядром (в интервале 1:31:1,5) зависит от типа материала, конструкции и других факторов, перечисленных выше. Наиболее распространенное заложение низовых откосов для плотин с упорными призмами из галечника 1:2, плотин из отсыпки горной массы 1:1,5. У плотин с экраном верховой откос более пологий, чем у плотин с центральным ядром из аналогичных материалов, и имеет уклон 1:3—1:2; низовой откос обычно более крут 1:1,31:2.

Заложения откосов плотин с наклонными ядрами находятся в промежутке между заложениями откосов двух названных выше типов плотин.

Очертание откосов каменноземляных плотин таково, что исключается необходимость устраивать на них бермы. Однако иногда бермы устраивают в месте сопряжения перемычек с телом плотины (рис. 12.6), при необходимости уположить откосы по сравнению с их углом естественного заложения, если отсыпка материала упорных призм ведется большими слоями 10 м и более (рис. 13.22).

Крепление откосов каменноземляных плотин зависит от материала упорных призм или защитного слоя. Со стороны нижнего бьефа обычно специального крепления не требуется, так как сам материал упорной призмы (горная масса, щебенистый или гравийногалечниковый материал) достаточно устойчив против размыва ливневыми водами. Со стороны верхнего бьефа крепление бывает обычно из более крупных фракций (согласно расчету), отобранных из материала упорных призм. Требования к ним такие же, как и к каменным креплениям земляных плотин. Специальной подготовки под такое крепление, как для земляных плотин, не требуется.

Специальные конструктивные элементы в плотине выполняют при наличии сейсмической нагрузки высокой балльности (8 баллов и выше). К ним относится дренирование верховой упорной призмы укладкой в виде лент грунта с повышенным коэффициентом фильтрации, создание более устойчивого к осыпанию защитного слоя вдоль откосов, армирование гребня плотины н т. д. (см. п. 17.4).


Виды материалов и их укладка в тело плотины. Для тела каменноземляных плотин используют самые разнообразные материалы. Ядра и экраны можно выполнять из любых маловодопроницаемых грунтов (от песка до глин). Наибольшее распространение получили суглинки и супеси. Пески так же, как и глины, используют редко (рис. 13.16). Если пески редко используют из-за сравнительно высокой водопроницаемости, то глины из-за сложности достижения требуемой плотности, их вязкости и комковатости. Методы укладки материала в тело плотины такие же, как и в тело земляных плотин (см. пп. 11.2 и 13.1). Обычно материал ядра укладывают при послойном уплотнении. Толщина слоев (2040 см) зависит от свойств материала и используемого при укатке оборудования.

В последнее время, как уже отмечалось в гл. 11, широкое распространение для возведения ядер и экранов получили связные грунты с крупнозернистыми включениями. К этой категории относятся щебенистодресвяные и гравийно галечниковые грунты с содержанием мелкозернистой фракции (d<5 мм) более 42%. При возведении противофильтрационных устройств каменноземляных плотин (особенно ядра) отдают предпочтение этим грунтам в силу их меньшей деформируемости по сравнению с «чистыми» мелокозернистыми грунтами. Сжимаемость таких материалов обычно меньше на число процентов крупнозернистых включений. Требования к укладке такого грунта изложены в п. 13.1. При всех положительных качествах такой грунт имеет недостаток: в его составе могут быть фракции недопустимых размеров. В этом случае для получения грунта требуемого гранулометрического состава грунт потребуется переработать. Такая переработка удорожает и удлиняет срок строительства, но ее часто применяют для удобства укатки и снижения деформируемости ядра.

Горная масса, получаемая разработкой скального грунта взрывным способом. может укладываться в тело плотины различно:

а) отсыпкой слоями 13 м с уплотнением;
б) отсыпкой большими слоями (10-70 м) без уплотнения катками, но с промывкой гидромонитором из расчета 2—4м3 воды на 1 м3 камня (технология 40-50-х годов).

Уплотнение камня при послойной отсыпке осуществляется виброкатками массой 515 т, иногда гружеными самосвалами, тракторами. При уплотнении укаткой обычно производят увлажение из расчета 100300 л/м3. Использование виброкатков наиболее целесообразно. Их действие распространяется на глубину до 6 м [122].

Абсолютное значение достигаемой плотности во многом зависит от гранулометрического состава горной массы, поэтому используют понятие коэффициента относительной плотности, который обычно принимают /о>0,9.

На Чарвакской плотине было установлено (по данным А.А. Ничипорови ча), что при отсыпке грунта пионерным способом слоем 10 м усух=17,5 кН/м3, а при отсыпке слоем 1,5 м с уплотнением шестью проходками самосвала МАЗ25 с увлажнением водой 150 л/м3 усух= 18,05-19,0 кН/м3.

Смачивание камня В период укладки целесообразно производить с целью получения эффекта просадки камня от увлажнения уже в строительный период. Свойства просадки характерны для крупнозернистого материала и особенно для горной массы.

Просадку гравийногалечникового грунта или горной массы от замочки не следует путать с просадкой лессовых грунтов или других просадочных мелкозернистых грунтов в силу различия физических процессов протекающих в крупнообломочных и мелкозернистых грунтах.

В крупнообломочных грунтах при замочке происходит дополнительное смятие контактов и, как следствие этого, быстрое увеличение осадки сооружения. Причем в горной массе этот процесс протекает существенно энергетичней, чем в гравийногалечниковом грунте из-за более острых контактов и меньшей прочности материала в контактах.

Отсыпку горной массы большими слоями пионерным способом имеет смысл производить даже без смачивания при невозможности или нецелесообразности его уплотнения из-за климатических условий (например, в суровых зимних условиях) или других обстоятельств, связанных с условиями возведения. Следует иметь в виду сильное расслоение горной массы при таком способе отсыпки.

Наброска камня сравнительно однородного состава (без мелочи) с эстакад, как это выполнялось до 60-х годов, в настоящее время практически не применяется. Такой метод отсыпки, видимо, будет использоваться в будущем в связи с развитием конвейерного транспорта, но уже без сортировки горной массы или галечника. В этом случае потребуются специальные конструкции плотин. Наиболее целесообразной конструкцией из существующих для этого вида производства работ, видимо, следует считать плотину с экраном.

Уплотнение гравийногалечникового грунта обычно производят аналогично уплотнению горной массы, но толщина слоев при этом состасвляет 0,11 м. Для уплотнения этого материала хорошо зарекомендовали себя пневмокатки массой до 100 т и виброкатки массой до 1012т. Удельный вес сухого грунта в зависимости от гранулометрического состава и степени уплотнения достигает 2224 кН/м3 (2,2 2,4 тДг). На Нурекской плотине удельный вес гравелистогалечникового грунта (до 40 % фракций размером менее 5 мм) при уплотнении 8 и 12тонными виброкатками достигал 23,5 кН/м3 (плотность 2,35 т/м3). Толщину слоев следует назначать 0,75 Дяд и не более 1 м (по рекомендациям А. А. Ничипоровича).

Полускальные породы (аргиллиты, алевролиты и т.д.) также используют для укладки в тело плотины. Часто горную массу из полускальной породы применяют для создания противофильтрационных элементов плотины, так как при уплотнении с замочкой она хорошо дробиться. Уплотнение такого материала производят кулачковыми катками массой до 60 т.

Полускальные породы, особенно такие, которые в качестве окончательного продукта не имеют глинистого грунта, используют и в призмах. Поскольку полускальные грунты меняют свои свойства во времени, то прежде чем их использовать в теле упорной призмы плотины, необходимо исследовать их свойства, Укладывают полускальные грунты во внутренние зоны призмы, где колебание внешних факторов (например, температуры) минимально. Уже в процессе разработки таких грунтов (обычно взрывным способом) стремятся получить максимально раздробленный грунт, чтобы изменение свойств тела плотины в результате выветривания было минимальным.

Порядок возведения плотины. В гл. 11 отмечалось, что на деформатив ность (см. п. 11.3) и прочность (см. п. 11.4) грунта в большой степени влияет путь нагружения. Порядок возведения определяет путь нагружения в неявном виде. Обычно каменноземляные плотины возводят горизонтальными слоями на полный профиль плотины или несколько наклонными в сторону ядра (экрана) слоями, что создает благоприятное распределение напряжений, в основном касательных (рис. 13.23, а). Но рост объемов плотин и их высоты создает возможность поэтапного (очередями) ввода гидроузла в эксплуатацию. Для ввода каждой очереди плотин в эксплуатацию экономически целесообразно выполнить минимум работ. В этом случае возникает необходимость возводить плотину не горизонтальными слоями, а наклонными (рис. 13.23, б). Этот порядок производства работ может иметь неблагоприятные последствия, так как в наклонном слое имеется составляющая собственного веса слоя, вызывающая развитие неблагоприятных касательных напряжений. Кроме того, требуется обеспечить равнопрочность зоны сопряжения контактирующих наклонных слоев. Как показали исследования, при возведении высоких и сверхвысоких плотин наклонными слоями в верхней части низовой упорной призмы появляется зона предельного состояния грунта (см. рис. 12.18, д), которая может вызвать нарушение местной устойчивости низовой упорной призмы и стать источником трещинообразования. Это следует иметь в виду при проектировании, проводя расчеты, учитывающие технологию возведения. Если напряженное состояние оказывается неблагоприятным, то в технологическом цикле возведения или в конструкции следует предусматривать соответствующие мероприятия: увеличение плотности укладки слоев, уположение откосов и т.п.


Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.

на главную