КОНСТРУКЦИИ ПЛОТИН И УСТРОЙСТВ НИЖНЕГО БЬЕФА
В зависимости от грунтов основания ширина подошвы плотины иногда достигает 1,3 при песчаном основании и 2,2 при глинистом. Водослив, как правило, выполняется практического профиля; на гребне водослива часто делается горизонтальная вставка для удобства размещения затворов. Гашение энергии сбрасываемой воды осуществляется на водобойной плите устройством колодца, водобойной стенки или комбинации из колодца и водобойной стенки. Практически всегда на водобойной плите располагаются гасители. На небольших реках при малых напорах водосливные плотины устраиваются в виде широкого порога.
Примеры конструкций построенных плотин. На рис. 7.14 показан профиль водосбросной плотины Жигулевского гидроузла на р. Волга. Профиль плотины выполнен по координатам КригераОфицерова. Несмотря на песчаное основание устойчивость облегченной плотины обеспечивается анкерным понуром и пригрузкой воды со стороны ВБ. Дренаж удален от напорной грани и практически расположен под водобойной плитой. В основании расположены четыре ряда шпунтов. Короткие шпунтовые ряды под водобойной плитой имеют вспомогательное значение, обеспечивая механическую устойчивость песчаного грунта основания перед выходом фильтрационного потока в дренаж (шпунт перфорированный, что обеспечивает его фильтрационную проницаемость). Основной висячий шпунт располагается с верховой стороны плотины, имеется также шпунтовый ряд с верховой стороны понура. Он перерезает сильно проницаемый песчаный слой в основании.
Шпунт, расположенный в начале фундаментной части плотины, часто называют Королевым. Это название пришло из деревянных плотин русского типа.
На рис. 7.15 показан профиль Цимлянского гидроузла. Так же, как и в предыдущем случае, устроен двухшпунтовый флютбет с анкерным понуром, но здесь шпунты забиты до водоупора (полускальный грунт мергель). Дренаж расположен под всем основанием плотины, что оказалось возможным из-за применения двух шпунтовых радов, забитых до водоупора. Гашение энергии осуществляется с помощью водобойной стенки и гасителей.
Низконапорная плотина гидроузла АльБаас создана с помощью советских специалистов на р. Евфрат в САР (рис. 7.16). Плотина построена на гравийнопесчаном основании. Наличие валунов в основании, сделавших невозможным забивку шпунта, и низкий напор позволили построить плотину без шпунтовых рядов, развив водонепроницаемый профиль за счет понура (3,5 Ятах). Дренаж устроен под плотиной. Сброс воды осуществляется через водослив с широким порогом. Верховой открылок высокий.
Разрезка плотины швами. Во избежание недопустимо больших напряжений в различных частях бетонной плотины на нескальном основании, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, плотину делят на секции постоянными сквозными температурно осадочными швами. Разрезку плотины сквозными поперечными швами производят чаще по быкам (рис. 7.17), чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков, что может привести к заклиниванию затворов.
При строительстве на глинистом основании в силу длительности деформации под нагрузкой и большой вероятности неравномерности осадок во времени разрезается каждый бык, т.е. каждый водосливной пролет имеет возможность независимых деформаций (рис. 7.17, d). На песчаных, песчаногравийных и га лечниковых основаниях нет необходимости делать разрезку каждого быка (рис. 7.17, а), так как основные осадки проходят быстро (в период строительства) и их абсолютные значения сравнительно малы. Однако швы необходимы для уменьшения температурных напряжений. Разрезки чаще делают через два или три пролета (рис. 7.17, б и в). Расстояние между швами достигает 4050 м и более. В этом случае для избежания значительных температурных напряжений в теле плотины иногда устраивают швынадрезы (рис. 7.17, б, в), обычно у быков, которые доходят лишь до фундаментной плиты.
Во время строительства сооружение, кроме того, разрезают строительными швами на блоки бетонирования.
Ширина постоянных швов должна быть такой, при которой исключен навал одной секции на другую при неравномерных осадках и перекосах секций. Обычно швы по ширине делают ступенчатыми; у фундаментной плиты принимают ширину шва 12 см в нижней части и 34 см в верхней, выше фундаментной плиты 1015 см. Ширина швовнадрезов 12 см.
Ширина деформационного шва определяется расчетом и зависит от геологических характеристик основания и колебания температур среды.
В шпонках малого и среднего сечения обязательно устраивают верховые и низовые защитные диафрагмы на расстоянии 0,31,5 м с каждой стороны для предотвращения утечки мастики при сжатии шва. Диафрагмы выполняют из металлических листов, резины, полимерных материалов.
В шпонках большого сечения (см. рис. 7.1Д в) защитными устройствами являются железобетонные плиты, расположенные внутри полости шпонки. Для заполнения шпонок применяют специальные мастики или брикеты, выполненные из этих мастик, погружаемые вперемешку с горячей массой.
Шпонки оборудуют трубками для пополнения мастики в период эксплуатации, а также изолированными кабелями для электропрогрева мастики.
Дополнительные (дублирующие) шпонки для плотин высотой 3050 м устанавливают в 1,52 м за основными, они вступают в работу в случае течи в основных шпонках. Иногда устраивают несколько шпонок из металлических, резиновых и полимерных материалов.
В высоких плотинах часто выполняют смотровые колодцы, которые размещают за шпонками и имеют размеры, достаточные для осмотра их человеком (80x120, 100x150 см). Из них определяют место течи шпонок. При необходимости их можно переоборудовать в противофильтрационную шпонку. Смотровые колодцы одновременно играют роль дренажных устройств для организованного отвода воды, профильтровавшейся через шов и бетон сооружения.
Горизонтальные шпонки выполняют из листов нержавеющего металла, изогнутых по форме шва, уложенных на битумных матах и залитых мастикой (рис. 7.20, а). На рис. 7.20, б показана горизонтальная шпонка на участке перехода от широкого шва к узкому.
Контурные шпонки могут быть наружные и внутренние. Конструкции контурных шпонок описаны в гл. 8 (п. 8.3).
Водобой. Русло за водосливными плотинами на нескальном основании защищают от размыва водобой, рисберма и концевое крепление (ковш, глубокий зуб) (см. рис. 7.14—7.16). Водобойную плиту выполняют в виде массивной армированной бетонной плиты.
Длину водобойной плиты при отсутствии на ней гасителей принимают равной 11,25 длины гидравлического прыжка, при наличии гасителей и колодца 0,81 длины прыжка.
Отметку поверхности водобоя определяют из условия затопления гидравлического прыжка. Глубина воды за гидравлическим прыжком на водобое без гасителей должна быть больше глубины h , сопряженной с глубиной в сжатом сечении (см. гл. 4), и обычно принимается h = (1,051,1) Л". Из этого же требования исходят при устройстве водобойного колодца или водобойной стенки.
Устройство водобойного колодца для затопления гидравлического прыжка приводит к понижению отметки водобоя и заглублению подошвы водобоя и плотины, что увеличивает объемы выемки грунта и бетона. Водобойная стенка часто является нежелательной в связи с тем, что она препятствует пропуску расхода воды через сооружение во время строительства, так как создает подпор. Поэтому целесообразным является установка на водобое гасителей, за счет которых вторую сопряженную глубину удается уменьшить на 1520% (см. гл. 4).
Водобой выполняется в виде массивной бетонной плиты, обычно разрезной по длине швами, хотя встречаются и разрезанные по длине на две плиты. Толщина плиты достигает 6 м, а длина всего водобоя (две плиты) 95 м (Жигулевская плотина).
Против истирания поверхности бетона наносами, разрушения плавающими телами и кавитацией применяются особо прочные бетоны, железобетон и пла стбетон (бетон с добавкой синтетических смол). Толщина этого высокопрочного материала до 0,5 м, а толщина защитного слоя арматуры не менее 20 см.
В шве между плотиной и водобойной плитой иногда устраивается гидроизоляционная шпонка (рис. 7.5), которая предохраняет от выноса грунта из основания.
При строительстве водобойную плиту располагают несколько ниже на ожидаемое превышение в строительноэксплуатационный период осадки плотины (над осадкой водобойной плиты) концевой части плотиныноска для исключения образования обратного уступа.
В конце водобоя устраивают неглубокий зуб на случай оседания начального участка рисбермы.
Под водобоем укладывается обратный фильтрдренаж, а профильтровавшая вода из дренажа отводится колодцами. Колодцы очень полезны, так как уменьшают величину дефицита давления и снижают фильтрационное противодавление.
Толщину водобоя и его армирование определяют расчетом, но часть сил для расчета определяется приближенно, поэтому для крупных сооружений эти силы определяются моделированием в лабораторных условиях. Плита водобоя под действующими на нее силами может всплыть, опрокинуться в сторону нижнего бьефа или сдвинуться. Из условий устойчивости плиты водобоя против опрокидывания и сдвига определяют ее толщину.
При расчете толщины водобоя учитывают нагрузку от собственного веса плиты (взвешенной в воде), фильтрационное давление на ее подошву, пульсационную нагрузку на поверхность и подошву плиты, гидродинамическую и пульсационную нагрузки на гасители и нагрузку от дефицита давления. Дефицит давления образуется в результате того, что при пропуске через сооружение воды свободная поверхность в пределах водобоя устанавливается ниже, чем за водобоем.
Нагрузку от дефицита давления определяют согласно рис. 7.21. На подошву плиты водобоя действует сила гидростатического давления, представленного эпюрой abcdd, где dd = h глубина воды за водобоем; dc его толщина. Сверху на водобой действует сила (вес воды), отвечающая эгаоре aacdd. Разность сил, действующих сверху и снизу, выражается эпюрами bbcd и аЪс. Первая отвечает взвешивающей силе, а вторая силе дефицита давления. Сторона аЬ эпюры дефицита давления принимается равной 0,7 (A"Ac, где А» = А), сторона Ьс при отсутствии на водобое дренажных колодцев принимается равной длине водобоя, при их наличии расстоянию от сжатого сечения до второго ряда дренажных колодцев.
Нагрузка от фильтрационного давления определяется по треугольной эпюре высотой 0,05 (Т А), где Т и А соответственно превышение уровня верхнего и нижнего бьефов над поверхностью водобоя и основанием, равным или длине водобоя (при отсутствии дренажных колодцев) или расстоянию от сжатого сечения до второго ряда колодцев.
Гидродинамическая нагрузка на гасители и их число определяют по формулам (2.7) и (4.25), где коэффициент С величина, зависящая от формы гасителей, их положения на водобое и степени затопления. Например, при расположении ряда призматических гасителей высотой 1,2 на расстоянии от сжатого сечения 0,25, на расстоянии 0,6 (при расчете нагрузки на гасители по скорости в сжатом сечении).
Пулъсационная нагрузка может быть выражена в долях скоростного напора в сжатом сечении или в долях критической глубины.
В зависимости от пространственности нижнего бьефа, степени затопления прыжка, наличия или отсутствия дренажных отверстий в плите водобоя осредненное пульсационное давление р может достигать значенийт дренажных колодцев увеличивает пульсационную нагрузку на плиту водобоя примерно на 20%. Горизонтальная составляющая пульсационной нагрузки на гасители примерно оценивается в 30-50% гидродинамической осредненной нагрузки.
Необходимо отметить, что гасители подвержены кавитационной эрозии, поэтому их слишком близкое расположение к началу водобойной плиты нежелательно. Видимо, расположение гасителей на расстоянии от начала водобоя наиболее оптимально. Часто гасители располагают на расстоянии (33,5)АСЖ от начала водобойной плиты.
Если водобой по длине состоит из двухтрех плит, то их следует рассчитать на устойчивость против всплытия под действием нагрузки от дефицита давления и пульсации давления. Условия устойчивости плиты водобоя против опрокидывания и сдвига выражаются формулами:
Плита водобоя может сдвинуться или по материалу обратного фильтра или по грунту основания. В первом случае удерживающей силой будет сила трения бетона по материалу фильтра (коэффициент трения 0,5), во втором сила внутреннего трения в грунте и сила сцепления; QCMB сумма горизонтальных сил (гидродинамическая осредненная и пульсационная нагрузки на гасители или водобойную стенку). Разностью сил давления на верховую и низовую вертикальные грани плиты водобоя пренебрегают.
Дренажные отверстия (колодцы) в плите водобоя располагают от начала плиты не ближе % ее длины (чаще более ее длины), в дватри ряда и более (см. рис. 7.3 и 7.14). Не помещают дренажные отверстия перед гасителями во избежание передачи через отверстия значительной пульсационной нагрузки на подошву водобоя.
На предварительной стадии проектирования можно толщину водобойной плиты определять по эмпирической формуле В.Д. Домбровского
Рисберма. Расположенный за водобоем участок крепления русла называется рисбермой. На рисберме происходит дальнейшее уменьшение осреднении скоростей и пульсации скоростей (п. 2.4). Рисберму выполняют в виде крепления, постепенно облегчающегося по течению. Обычно крепление устраивают из бетонных плит, иногда армированных. Толщину плит в начале рисбермы принимают равной или несколько меньшей толщины водобоя, в конце рисбермы толщина плит снижается до 1,50,5 м. Плиты бетонируют на месте, в плане они прямоугольные или квадратные со стороной от 2 до 20 м. Крепление из плит меньшего размера может быть сборным. Плиты рисбермы имеют дренажные отверстия, под плитами предусматривают обратный фильтр. Если плиты в плане сравнительно невелики, то дренажные отверстия заменяют зазорами между плитами. Иногда рисберму выполняют из ряжей, габионов, заполненных камнем; при небольших напорах применяют каменную наброску, тяжелые фашины.
Концевой участок рисбермы заглубляют с уклоном 1:41 :б, в результате чего образуется ковш, предназначенный для защиты рисбермы от подмыва. Глубина ковша может быть рассчитана по формулам. За счет отсыпки в ковш камня или гравия его глубина может быть уменьшена. Объем материала отсыпки принимают с учетом того, чтобы при глубине ковша меньше возможной глубины размыва материал отсыпки, сползая в зоны размыва, прекратил дальнейший размыв.
Сопрягающие устройства это конструкции, с помощью которых сопрягаются различные смежные сооружения: бетонная плотина со зданием гидроэлектростанции, с фунтовой плотиной или с берегом; здание гидроэлектростанции с фунтовой плотиной и пр.
Сопряжение бетонной плотины со зданием гидроэлектростанции осуществляется с помощью раздельной стенки (рис. 7.23), которая в сторону нижнего бьефа продлевается за водобой.
Сопряжение водосливной плотины с земляной или с берегом осуществляется с помощью устоев, состоящих из крайнего быка плотины, сопрягающих открылков, шпоры, дренажных усфойств и пр.
Устои и открылки одновременно регулируют обходную фильтрацию. Устои и открылки имеют форму подпорной стенки. В устое располагаются пазы для затворов, поэтому он воспринимает нагрузку, действующую в двух направлениях : поперек потока от действия грунта засыпки и обходного фильтрационного потока, проходящего за устоем и вдоль потока от гидростатического и волнового давлении воды.
Крайний бык плотины, являющийся элементом устоя, обычно объединяется в единую конструкцию с водосливов (рис. 7.24).
Гребень грунтовой плотины у примыкания к водосливной плотине делается в виде уширенной площадки, чтобы обеспечить выезд крана с плотины, производство ремонтных работ по затворам и размещения шандорохранн лищ. Длина этой площадки равна 1,5 2,5 длинам водосливных пролетов (рис. 7.23).
При пропуске воды через плотину в нижнем бьефе за фунтовой плотиной наблюдается образование водоворотных областей с большими скоростями течения вдоль откоса плотины. Для уменьшения скоростей течения вдоль низового откоса за фунтовой плотиной устраивают раздельную дамбу (направляющую). При отсутствии раздельной дамбы требуется соответствующее крепление откоса. Раздельная дамба защищает от размыва не только низовой откос фунтовой плотины, но н берег Фильтрация воды в обход сопрягающих сооружений регулируется шпорой и шпунтовыми противофильтрационными стенками, которые устраиваются под фундаментами верховых сопрягающих открылков на длину понура и являются продолжением шпунтового ряда, расположенного под плотиной. Для удлинения пути фильтрации требуется устройство шпоры (водонепроницаемой стенки за быком устоя рис. 7.23 и 7.25). Шпора часто выполняется из шпунта, может быть и из других материалов.
Плотину со шпорой соединяют гибкой шпонкой (рис. 7.26).
Под низовым сопрягающим открылком шпунтовые противофильтрацион ные завесы устраивают при наличии в береговых склонах или основании земляной примыкающей плотины сильно фильтрующих пластов и прослоек. При отсутствии инъекционных завес под верховыми сопрягающими открылками понур следует заводить за стены открылка и устоя на ширину (вдоль потока) понура.
Для снятия фильтрационного напора на сопрягающие сооружения обычно за низовыми открылками устраивают дренажи с отводом воды под возможный минимальный уровень нижнего бьефа.
Сопрягающие сооружения представляют собой подпорные стенки. В продольном направлении стены через 2040 м разрезают температурноосадочными швами, в которых устраивают гидроизоляционные шпонки. Высота стен может быть малой до 5 м, средней до 20 м и высокой более 20 м. Есть примеры, когда на построенных гидроузлах строительная высота стен составляла 50 и более метров (гидроузел Хуабинь, СРВ).
Наиболее распространенными являются массивные бетонные сопрягающие сооружения, как наиболее простые в изготовлении, затем железобетонные.
Для решения задачи о статической устойчивости сопрягающих сооружений необходимо знать фильтрационное давление на стенки и открылки устоя. Расчетные схемы устоев для решения задач обходной фильтрации даны на рис. 7.27.
Задача фильтрации за устоем (глава 3) пример типичной пространственной задачи фильтрации. В современных условиях можно (лучше нужно) решать пространственную задачу фильтрации. Если такой возможности нет, то задача упрощается за счет приведения ее к плоской задаче, используя уравнения ДюпюиФорхгеймера (3.60). Гидромеханические решения этого уравнения для случаев обходной фильтрации разрабатывались в трудах Н.Н. Павловского, В.И. Аравина, В.Н. Недриги, Н.Н. Веригина и др. Достаточно большой комплекс задач обходной фильтрации изложен в работе [128]. Вода из ВБ в НБ фильтрует в грунте засыпки за устоем, встречая на своем пути преграды, аналогичные вертикальным преградам в подземном контуре плотин. Из рис. 121 видно, что контур обтекания фильтрационным потоком устоя очень напоминает подземный контур плотин, что и использовалось при решении задач. За устоем вода создает депрессионную поверхность, отметки которой на входе н выходе соответствуют отметкам ВБ и НБ (рис. 7.27, ж).
Грунт ниже депрессионной поверхности насыщен водой, поэтому на стенку, кроме давления грунта, действует гидростатическое давление, которое необходимо определить в различных точках открылка для расчета устойчивости и прочности стенки по аналогии с расчетом эпюры противодавления на подошву флютбета. Регулировать фильтрационный поток, а, следовательно, и давление, можно изменением конфигурации устоя и дренажем.
Если не учитывать влияние напорного фильтрационного потока под плотиной или зданием ГЭС, то характер обходной безнапорной фильтрации можно изобразить линиями тока (см. рис. 3.4, б) и гидроизогипсами, представляющими свободную поверхность фильтрационного потока.
Ранее в гл. 3 было показано, что задача о движении грунтовых вод при обтекании устоя в случае слабого изменения ординат свободной поверхности при наличии горизонтального водоупора приводится к уравнению Лапласа для функции h (x, у) уравнение ДюшоиФорхгеймера (3.60). При этом А(х, у) напор, соответствующий по высоте осредненной скорости и совпадающий с ординатой точки свободной поверхности. С другой стороны, в плоском напорном движении напорная функция А(х, у) удовлетворяет уравнению Лапласа (3.19).
Если граничные условия для двух задач одинаковы, то между А2 и А должна существовать линейная зависимость. Теперь можно привести в соответствие два движения безнапорное и напорное, тогда в левой части уравнения (7.23), отвечающего напорному движению, нужно заменить соответственно получим соотношение Форхгеймера для безнапорного движения, каковой и является обходная фильтрация [см. (3.60)]:
Этот прием позволяет решать задачи обходной безнапорной фильтрации на основе известных решений соответствующей напорной фильтрации.
Переход от Аг к отметкам гидроизогипс (отсчитываемым от плоскости водоупора) возможен по формуле, полученной из выражения (7.24). После подстановки hri= 0 и hri Ай=1 получим
Для определения hr в соответствии с различными конструкциями устоев н расположением водоупоров имеются формулы и графики [40]. Для примера на рис. 7.28, а показана расчетная схема обходной фильтрации, а на рис. 7.28.6 даны графики для определения приведенного напора hr в точке С (по предложению В.П. Недриги).
Тогда глубина фильтрационного потока вдоль стенки устоя) определяется по формулам:
Значение hn берут на рис. 7.27,6. При расположении шпоры в начале устоя надо принимать.
После определения фильтрационного давления секции устоя рассчитывают на статическую устойчивость. Если имеются сейсмические нагрузки, т.е. сейсмичность 7 баллов и более, то учитывают и сейсмические силы (см. гл. 17). Статические нагрузки (основное сочетание нагрузок) от давления засыпки на секции устоя определяют как давление на подпорные стенки. Обычно используют метод Кулона.
Распределение контактных нормальных напряжений в основании стенки должны отвечать тем же требованиям (см. п. 7.5), что и в основании плотины. Устойчивость можно оценивать из условия равновесия всех горизонталь
Быки. Толщина быка зависит от конструкции затворов и размеров перекрываемых водосливных отверстий, размеров и конструкций расположенных на них мостов и грузоподъемных механизмов. Ориентировочно толщину неразрезного быка можно назначить по рис. 7.30, где Я напор на гребне водослива.
Неразрезной бык тоньше на 1 1,5 м, чем суммарная толщина двух смежных полубыков при разрезке быка швом, за счет того, что суженная пазами часть полубыка обычно не может быть тоньше 11,5 м (рис. 7.31). Минимальная конструктивная толщина неразрезного быка равна 22,5 м н при отсутствии пазов 1 м при небольших (до 5 м) напорах на гребне водослива. Обычно неразрезные быки делают бетонными с конструктивной арматурой. Это позволяет выполнять быки в плитахоболочках или сборномонолитными.
Головная часть быка имеет обтекаемую в плане форму. В зависимости от конструкции затвора часть быка поднимают в виде выступа для подвески затвора. На рис. 7.32 приведены схемы верха быка для плоского затвора при постоянных и подвижных подъем
