Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


СХЕМЫ БЕТОННЫХ ПЛОТИН НА НЕСКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ. ПОДЗЕМНЫЙ КОНТУР ПЛОТИНЫ

При проектировании плотины любого типа наиболее приемлемым решением будет такое, которое соответствует нормативным требованиям прочности н устойчивости сооружения и основания, отвечает целесообразному в данных условиях способу возведения сооружения, требованиям эксплуатации и является наиболее экономичным (см. также гл. 19).

Условно все элементы плотины можно разделить на две части (рис. 7.3) нижняя, заглубленная в основание, фундаментная плита, а также понур, водобой, рисберма и ее концевое крепление, шпунты, и верхняя, расположенная выше фундаментной плиты, водослив, быки, служебные и транспортные мосты [152].


Плотины на нескальном основании имеют, как правило, развитый в горизонтальном направлении подземный контур, и обязательно конструкции в нижнем бьефе, предназначенные для гашения избыточной кинетической энергии воды (сбрасываемой в НБ) и защищающие русло от опасных для устойчивости сооружений размывов. Существенное значение имеет выбор удельного расхода воды (п. 4.5), пропускаемой через плотину: чем больше удельный расход, тем короче водосбросной фронт плотины, но тем больше длина крепленив нижнего бьефа, массивней устройство для гашения энергии, больше глубина водобойного колодца, а, следовательно, и глубже заложение ее подошвы, длиннее и выше подпорные стенки, защищающие берега и примыкающую к бетонной плотине грунтовую плотину.

Массивная плотина проще для возведения, ее масса принимается из условия устойчивости против сдвига. Для облегченной плотины требуется меньший объем бетона, но она более насыщена арматурой. Для обеспечения устойчивости облегченной плотины применяют ряд конструктивных мер, усложняющих ее возведение. Оптимальное решение находится в результате экономического сопоставления вариантов.

На рис. 7.4 показаны профили водосливных плотин СССР на нескальном основании, построенных в различные годы. При одинаковом возвышении уровня верхнего бьефа над рисбермой 25 м в массивных плотинах постройки 1929 1935 гг. потребовалось на 1 м длины плотины бетона на 4550% больше (1,5— 1.6 тыс. м3 на 1 м), чем в плотинах постройки 1954 г. (1,01,2 тыс. м3 на 1 м); при этом расход арматуры на 1 м3 бетона составил в 1929-1935 гг. около 35 кг, а в 1951-1954 гг. 5565 кг. Такой прогресс в конструировании плотин за 25 лет (уменьшение объёма бетона до 50%) объясняются развитием дренажных устройств в основании плотин, более широким использованием анкерных понуров и выдвинутых в верхний бьеф бетонных консолей. Эти мероприятия привели с одной стороны к снижению фильтрационного противодавления и, к увеличению пригрузки воды на бетонную консоль и анкерный понур с другой стороны. Одновременно с этим сами бетонные конструкции стали более изящными, что потребовало увеличение арматуры на 1 м3 бетона до 50%, но общее количество арматуры, используемой в бетонных плотинах, сохранилось.

Кроме того, исследования показали целесообразность повышения удельного расхода воды на рисберме.

Фундаментная часть обычно выполняется в виде сплошной плиты, плоской или с зубьями (верховым, низовым). Зубья (см. рис. 7.4) устраивают для лучшего сопряжения фундаментной плиты с основанием, для предотвращения опасной контактной фильтрации, для увеличения устойчивости плотины против сдвига. Глубина зубьев 23 м, ширина по низу из условий производства работ обычно не менее 3 м. Между низовым зубом и примыкающим к нему водобоем иногда устраивают гидроизоляционную шпонку (рис. 7.5).

Элементы верхней части плотины размещают так, чтобы нагрузка от верхнего строения в сочетании с другими силами обусловливала приемлемое распределение напряжений на подошве плотины, которое характеризуется коэффициентом неравномерности напряжений


Для глинистых оснований принимают 1,3, для песчаных 1,5 (см. п. 7.6).

Профили водосливов описаны в гл. 4. Основные затворы размещают на фебне водослива, аварийноремонтный затвор располагают перед основным на расстоянии не менее 1,5 2 м, что позволяет в случае необходимости осуществлять ремонтные работы между затворами.

В определенных условиях находят применение двухъярусные плотины (рис. 7.5), которые отличаются лучшей маневренностью затворами при пропуске паводков и, что особенно важно, возможностью промыва наносов, отложившихся перед плотиной. Такие плотины позволяют пропускать строительные расходы без устройства временных отверстий, осложняющих производство работ.


В некоторых случаях используют плотины только с донными водосбросными отверстиями. Это возможно, если емкость водохранилища большая, как на Рыбинском гидроузле, и имеется время для осуществления ремонтных работ в случае появления трудностей при подъеме затвора, да и количество отверстий достаточно большое (рис. 7.6).


Экономичность водосливной плотины определяется вместе с креплением нижнего бьефа и понуром.

Найти наиболее дешевое сочетание плотина с понуром и крепление нижнего бьефа можно, варьируя удельный расход за водосливной плотиной и, есте лвенно, на гребне водосливной плотины. Обычно говорят; .. .«удельный расход на рисберме»..., который равен м3/(с • пог. м), но не м2/с, хотя такое сокращение юзможно, и надо хорошо помнить физический смысл. На рис. 4.18. показаны [рафики поиска оптимального расхода на рисберме. По оси ординат отложена лоимость С, по оси абсцисс удельный расход на рисберме q. Стоимость водо швной плотины (кривая 2) падает с ростом удельного расхода на рисберме, но шет стоимость крепления нижнего бьефа (кривая 1) от размыва и подмыва истины. Следовательно удельный расход на рисберме соответствует минимуму стоимости суммы затрат (кривая 3), дает оптимальное решение (зона а). Такой подход дает возможность выбрать удельный расход на рисберме, но он трудоемок, и его используют проектные организации на заключительной стадии проектирования. На ранних стадиях проектирования удельный расход обычно выбирают по упрощенным методикам. Эти методы изложены в §§4.4 и 4,5.

Формирование подземного контура плотины. Схема подземного контура формируется в зависимости от геологического строения, типа основания и требований, предъявляемых к подземному контуру: обеспечение фильтрационной прочности основания, снижение фильтрационного давления на подошву плотины.

В главе 3 уже рассказывалось о различных методах решения фильтрационных задач. Здесь же рассматриваются результаты гидромеханических решений задач по определению фильтрационного противодавления на плоские заглубленный и незаглубленный флютбеты, а также плоский флютбет со шпунтом, расположенным в различных точках флютбета (рис. 7.7).


Как видно из рис. 7.7, а, при глубине проницаемой части основания, стремящейся к нулю, эпюра противодавления на незаглубленный флютбет получается в виде треугольника.Чем больше глубина проницаемой части основания, тем больше отклонение от этой эпюры; максимум отклонений достигается при отсутствии водоупора-. Если флютбет будет заглублен (как это имеет место на практике), то появятся ощутимые потери напора на входе и выходе (рис. 7.7, б). В зависимости от заглубления эти потери могут достигать 25% напора Я.

Наконец, наличие шпунта резко меняет характер эпюры противодавления (рис. 7.7, в): если шпунт находится в начале флютбета, то максимальная ордината давления 0,42 Я (верхняя кривая нижнего семейства кривых). Если шпунт сдвигав в сторону НБ, то за шпунтом давление будет падать, но появится зона резко увеличенного давления перед шпунтом. Так, если сместить шпунт на 0,1 в сторону НБ, то минимальное давление перед шпунтом будет 0,95 Н. Если расположить шпунт в конце флютбета, то за шпунтом, естественно, давление будет отсутствовать, а перед шпунтом минимальное давление составит 0,58 Я, т.е. суммарное давление резко возрастет. Этот сравнительно простой анализ позволяет сформулировать некоторые принципы проектирования подземного контура плотины:

флютбет необходимо заглублять, так как сила фильтрационного противодавления при этом будет уменьшаться (уменьшается площадь эпюры противодавления); шпунт следует располагать в самом начале водонепроницаемой части флютбета, так как при этом эффективность его резко возрастает. Располагать его перед выходом в НБ нежелательно, поскольку при этом растет противодавление.

Шпунт представляет собой металлический профиль (рис. 7.8) шириной до 0,5 м. Масса 1 м шпунта около 6080 кг, длина шпунта — 12 или 25 м. При его забивке (или вибропогружении) в основание замок между отдельными шпун тинами не герметичен.


Шпунты делают и из железобетона и даже деревянные (на Иваньковском гидроузле использовался дубовый шпунт). Железобетонные шпунтовые завесы различных размеров могут применяться даже при щебенистогалечных грунтах основания. Одно из их преимуществ по сравнению со стальными возможность изготовления на строительной площадке. Толщина таких шпунтин 1050 см, ширина до 5060 см. Между шпунтинами устраивают специальный замок.

Забивка основного королевого шпунта обычно производится на глубину до 0,5Н, а при низких плотинах до 1,5. Если шпунты висячие, т.е. не забиты до водоупора, то расстояние между ними в случае двухшпунтового флютбета должно быть не менее суммарной длины этих шпунтов и в исключительных случаях не менее 0,75 этой величины (см. табл. 3.3). В противном случае эффективность шпунтов в гашении фильтрационного потока резко уменьшается [152].

Исследования водопроницаемости песчаного грунта с забитым в него шпунтом показали, что А105 см/с. Таким образом, шпунт имеет смысл забивать в песчаные сильноводопроницаемые основания. Забивка шпунта в крупнообломочные грунты обычно технически затруднена. В этом случае целесообразнее использовать инъекционную завесу, стену в грунте или буробетонную стенку. В глинистый грунт забивка шпунта не целесообразна, так как вследствие образования зазоров между связным грунтом и шпунтом от вибрации или ударной нагрузки при забивке водопроницаемость грунта может даже повыситься.

Имея это в виду, рассмотрим некоторые схемы конструкций подземного контура бетонных плотин на нескальном основании. В случае основания, сложенного из несвязных грунтов, желательно, помимо горизонтальных частей водонепроницаемого подземного контура, иметь также вертикальные (рис. 7.9, схемы V, VI). При равной длине горизонтальных и вертикальных частей контура последние обычно гидравлически эффективней. Кроме того, вертикальные преграды пересекают встречающиеся в основании пласты с повышенной водопроницаемостью. Иногда вертикальные преграды представляют собой двухшпунтовую систему (схема II). Эту систему организации подземного контура применяют в тех случаях, когда устройство шпунта в начале понура дешевле, чем увеличение длины понура (что в свою очередь требует увеличения длины строительного котлована).

Вертикальные элементы водонепроницаемого фильтрационного контура располагают в верховой части фундаментной плиты, за узлом примыкания к плотине понура. Согласно сформулированному выше принципу проектирования желательно расположить шпунт в самом начале понура (что часто делают в случае двух или многошпунтового флютбета), но в случае одношпунтового флютбета так обычно не поступают вследствие возможности снижения надежности. Если произойдет нарушение шва между понуром и плотиной, вода при движении в основании из ВБ в НБ не встретит на своем пути вертикальную преграду и резко возрастет противодавление, что может привести к потере устойчивости плотины или развитию фильтрационных деформаций из-за значительного роста выходных градиентов. Поэтому основной шпунт (королевый) располагают в самом начале водонепроницаемой части плотины, а вторую линию защиты: шпунт в начале понура. Перед дренажом иногда располагают короткий (до 2,5 м) шпунт (и это несмотря на рост противодавления на подошву флютбета) для снижения выходных градиентов фильтрации и облегчения работы дренажа.

Если водоупор расположен на большой глубине, то смыкание с ним вертикальных противофильтрационных элементов подземного контура часто становится экономически нецелесообразным (схемы IШ на рис. 7.9) или даже технически неосуществимым. Шпунт, завеса или другое устройство, не доходящие до водоупора, называются висячими.


Вертикальные шпунтовые стенки в грунтах с малым коэффициентом фильтрации (глины) неэффективны, как это показано выше. Шпунт в этом случае исключают, удлиняя горизонтальный путь фильтрации (понур) на такую величину, при которой потери напора на шпунте и на участке удлинения понура одинаковы. Такое решение обычно оказывается более экономичным (схема IV). При любых грунтах основания шпунт не требуется (схема IV), если масса плотины обеспечивает ее устойчивость против сдвига без уменьшения фильтрационного давления на подошву, а потери воды на фильтрацию не имеют водохозяйственного значения.

При доступном залегании водоупора шпунт заглубляют в водоупор. Поскольку шпунт водопроницаем, одновременно предусматривают устройство понура (схема V на рис. 7.9).

Если шпунт доведен до глинистого водоупора, то фильтрационная расчетная схема сводится к замене шпунтовой диафрагмы горизонтальной вставкой длиной, м,


Если металлический шпунт забит в песчаное основание.

Задачу фильтрации при этом решают без вертикальных преград, а область фильтрации принимают однородной (см. гл. 3). После решения задачи горизонтальную вставку отбрасывают, а оставшиеся участки гидродинамической сетки стыкуют. Таким образом, на стыке получают потери напора на шпунте. В этом случае следует предусматривать заглубление шпунта в глинистый водоупор на 0,51 м.

Если проницаемый грунт подстилается скальным или полускапьным водо упором, то расчетная схема меняется. Задача сводится к расчету фильтрации в однородной области при залегании водоупора на бесконечной глубине и приведенной глубине шпунтовой стенки 5


Появление подобных расчетных схем вызвано ненадежным в фильтрационном отношении контактом при забивке шпунта в жесткое скальное или даже полускальное основание.

Расчетная приведенная толщина инъекционной завесы из цементного раствора равна


Таким образом, как и в случае шпунта, забитого в глинистый водоупор, имеем схему замены завесы горизонтальной вставкой, т.е. задача приведена к однородной области.

Вертикальная водонепроницаемая противофильтрационная конструкция (буробетонная стенка, опускной колодец, «стена в грунте»), опущенная до водоупора, полностью преграждает путь фильтрационному потоку. В этом случае устройство понура не требуется (схема VI на рис. 7.9), но для надежности его часто устраивают, хотя эффективность его мала по сравнению с эффективностью вертикальной преграды.

При устройстве дренажа следует учитывать следующее;

1) дренаж является действенной мерой уменьшения фильтрационного дав лёния на подошву плотины и потому, как правило, применяется дренирование подошвы плотины и крепления нижнего бьефа (схемы 1111, Vна рис. 7.9);

2) анкерный понур может быть не дренирован (схема I) или дренирован на некоторой части его длины (схема II);
3) от дренажа основания плотины отказываются в случае, когда не требуется уменьшения противодавления на подошву плотины или когда в основании залегают илистые или пылеватые фунты, при которых возможен выход дренажа из строя вследствие его кольматажа (см. гл. 3). Отказ от дренажа может оказаться целесообразным при глубинной схеме подземного контура (схема VI);
4) вертикальный дренаж одновременно с горизонтальным применяют, когда в основании под слабоводопроницаемыми фунтами залегают более водопроницаемые фунты (схема III на рис. 7.9). В результате нафузки на подошву маловодопроницаемых фунтов, создаваемые фильтрационным потоком в нижнем слое, уменьшают устойчивость плотины совместно с основанием. Возможен выпор фунта в нижнем бьефе. Вертикальный дренаж может быть эффективен и в случае маловодопроницаемого глинистого основания, которое часто обладает слабой фильтрационной анизотропией.


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

Экспертиза

на главную