ЗЕМЛЯНЫЕ НАСЫПНЫЕ ПЛОТИНЫ

Земляные плотины наиболее распространенный и наиболее древний тип плотин. Обычно их строят небольшой высоты и значительно реже средней высоты. В настоящее время к этому типу относят плотины, у которых объем тела на 50% и более выполнен из мелкозернистых грунтов. По способу производства работ земляные плотины делят на два типа: насыпные и намывные. Чаще всего земляные насыпные плотины строят однородными, но иногда встречаются и разнородные с экраном, ядром и диафрагмой (см. классификацию грунтовых плотин).

Намывные земляные плотины могут быть однородными, с ядром (очень редко с экраном) или со шпунтовой диафрагмой. В однородной плотине грунтовая призма тела плотины выполняет двоякую роль поддерживает напор и обеспечивает устойчивость. Кроме грунтовой призмы, в теле плотины имеется другой важнейший конструктивный элемент дренажное устройство.

Для обеспечения местной прочности грунта на откосе устраивают крепление. На верховом откосе крепление выполняют для защиты грунта от воздействия волн и льда со стороны водохранилища; на низовом для защиты его от воздействия атмосферных осадков и воды в нижнем бьефе.

Конструкция гребня плотины чаще всего определяется требованиями транспорта (автодорожного или железнодорожного).

Крепление откосов. Верховые (напорные) откосы. Для защиты откосов от волнового воздействия применяют защитные покрытия или же их уполажи вают. В качестве временной меры для гашения волн в низконапорных плотинах при малой волне иногда используют плавучие плотики перед откосом.

Обычно верхней границей крепления откоса является гребень, но в случае, когда превышение гребня превосходит высоту наката волны, верхней границей основного крепления является граница наката волны (см. п. 2.2), при этом выше до гребня располагают облегченное крепление.

Расчетный уровень, при котором определяют кн, является наихудшим из случаев:

Таким образом, верхняя граница основного крепления

Нижняя граница основного крепления располагается на глубине (п. 2.7) от уровня сработки водохранилища. Ниже этой границы устраивается облегченное крепление.

Каменное крепление в виде наброски или мощения выполняется обязательно по слою подготовки в виде обратного фильтра. Толщина обратного фильтра составляет не менее 15 см (каждого слоя) и иногда достигает общей толщины 60 см, как, например, на Каховском водохранилище. Каменное крепление обычно устраивается при высоте волны до 2,0 м, достаточных прочности и морозостойкости (более 50 циклов), удельного веса (24 кН/м3), а также требуемой крупности камня.

При заложении откоса т= 1 +3 расчетный вес камня, устойчивого против разрушающего действия волн, согласно нормам можно определять по формуле

Переход от веса камня к его размеру, приведенному к шару Dm можно осуществить по формуле

В наброске рекомендуется применять несортированный камень, при этом максимальный размер камня не ограничивается, но количество камней расчетного и большего размеров не должно быть менее 50% общего количества камней. Получающаяся в результате учета волнового воздействия толщина наброски камня 5 должна быть достаточна и для защиты от размыва фильтра и тела плотины, т. е. при несортированном камне.

На рис. 13.1 показана возможная конструкция крепления верхового откоса каменной наброской. Каменная наброска является надежным гибким креплением, выполняемым механизированными способами в любое время года.

Каменное мощение по слою гравийной или щебенистой подготовки требу ет значительно меньше камня; его толщина определяется формулой

При этом необходимы подобранные штучные камни, крепление менее гибко, чаще разрушается и требует большой затраты ручного труда. Это крепление применяют при малой высоте волны и наличии дешевого камня. Особенно часто мощение используется при дешевой рабочей силе.

Обратные фильтры следует рассчитывать из условия невымывания волной нижнего слоя через поры лежащего выше слоя, при этом можно пользоваться рекомендациями п. 122.

Бетонные и железобетонные крепления выполняют в виде монолитных плит, бетонируемых на месте (рис. 13.2), или сборных плит (рис. 13.3).

Монолитные плиты толщиной 15450 см имеют размеры от 5x5 до 20x20 м и более, швы между ними бывают открытые и закрытые. Сборные плиты делают толщиной от 8410 до 15420 см и размерами от 1,5x1,5 до 5x5 м в зависимости от имеющегося подъемного оборудования. Их укладывают на сплошном обратном фильтре с шарнирным соединением между ними. Небольшие плиты на месте можно объединять в более крупные (от 10x10 до 20x20 м и более), образуя сборномонолитные плиты путем замоноличивания (бетонирования) швов (рис. 13.3, г). Швы между большими плитами уплотняют асфальтобетоном или фасонной резиной, что сообщает креплению известную гибкость, необходимую для сохранения его работоспособности при возможных деформациях откосов в результате осадки сооружений.

Размеры плит и их армирование назначают по расчету. Железобетонное покрытие испытывает динамическое давление волн (см. п. 2.7), а при откате волны фильтрационное противодавление со стороны откоса, стремящееся приподнять крепление (рис. 13.4). Максимальное значение IFq, приложено приблизительно на глубине от уровня покоя z=0,9h/m (более точно по СНиП 2.06.0482) и равно

Прочность плиты (как балки на упругом основании) рассчитывают по значению наибольшего изгибающего момента от динамического давления волны, по которому подбирается арматура (обычно 0,40,6% армирования).

Толщину монолитной плиты 5 проверяют расчетом против всплывания всей плиты целиком под действием противодавления

Исследования устойчивости покрытия из сборных плит показали, что наибольшему взвешивающему давлению подвержены плиты, расположенные по линии уреза воды; расчетная нагрузка в ряде случаев обусловливается действием волн, не обладающих предельным запасом энергии; существенное влияние на взвешивающее давление оказывает аэрация потока с удельным весом воды =2,53,0 кН/м3 (0,250,3 г/см3). B.C. Шайтан предложил зависимость для определения толщины плиты на откосе с учетом аэрации потока:

Необходимо отметить, что из бетонных покрытий наибольшее распространение получили монолитные плиты. Выбор типа бетонного или железобетонного покрытия зависит от многих факторов. Если не ожидается значительных деформаций откоса, то лучше применять крупные монолитные плиты; если ожидаются деформации откоса, предпочтительнее покрывать его плитами меньших размеров, сборными или сборномонолитными. На выбор типа крепления влияют также сроки выполнения и производственные возможности строительной организации; при выборе следует учитывать техникоэкономическое сопоставление вариантов.

Прочие типы крепления. Для крепления верхового откоса в некоторых случаях применяют асфальтовое покрытие с металлической сеткой. Это гибкое, водонепроницаемое и достаточно прочное покрытие для плотин малой и средней высоты (при отсутствии мощного ледяного покрова в верхнем бьефе) представляет собой покрытие из асфальта или асфальтобетона общей толщиной 68 см, укладываемое в дватри слоя. При быстрых колебаниях уровня воды в водохранилище необходима укладка дренажа для снятия противодавления на покрытие.

Волногасящие пологие откосы. С увеличением пологости откоса (величины т) разрушительное воздействие волны уменьшается и откос может оказаться устойчивым без всякого крепления или потребуется лишь легкое крепление, например, слоем гравия. Данные натурных наблюдений Е.Г. Качугина [86] за переработкой берегов волнами позволили Б.А. Пышкину составить график (рис. 13.5) для предварительного определения заложения откосов при разной высоте волн Л и в разных грунтах, слагающих откос. Давая некоторый запас 1,21,4, можно использовать этот график при проектировании плотин малой и средней высоты с неукрепленным верховым откосом или облегченным креплением. Такой откос простирается вверх от НПУ на высоту наката волны, а вниз от УСВ на глубину Нкр, далее откосы проектируют по условиям их статической устойчивости. Поскольку каменные и бетонные крепления дороги, в ряде случаев экономичным решением может оказаться пологий откос.

Низовой откос, не подвергающийся действию волн, обычно укрепляют, высеивая травы или устраивая одер новку по предварительно уложенному слою растительного грунта в 2030 см; реже низовой откос укрепляют слоем гравия толщиной 10 см (с обязательным организованным отводом поверхностных вод) или одиночной мосто Рис. 13.5. График для определения в ой. Если возможно волнение, то воды на откосе выше уровня нижнего бьефа устраивают крепление в виде слоя гравия или щебня.

Защитные или отепляющие слои из песка и супеси толщиной 23 м отсыпают для защиты глинистого грунта экрана или тела плотины от промерзания в случае, если грунт пучинистый, а кривая депрессии заглублена от поверхности откоса менее чем на 2,5 м.

Гребень и откосы плотины. Возвышение гребня плотины над расчетным статическим уровнем воды определяют по формуле

Запас по высоте сооружения независимо от его класса следует учитывать для всех плотин. Минимальный запас должен приниматься обычно не менее 0.5м.

Иногда для снижения отметки гребня плотины (что может дать большой экономический эффект, так как одновременно облегчается весь профиль плотины) на гребне или на откосе устраивается волноотбойная стенка парапет. При этом превышение гребня плотины над НПУ должно быть не менее 0,3 м. Естественно, что превышение гребня плотины над НПУ должно быть AS+0,3 м. Если предусматривается форсированный уровень воды в водохранилище, то отметку гребня назначают не ниже этого уровня, с учетом возможной эксплуатационной осадки AS. Если в плотине имеется противофильтрационное ядро, то всё сказанное относительно гребня плотины относится к гребню ядра.

Уменьшить объем плотины и получить существенный экономический эффект можно путем устройства на гребне надстройки в виде коробчатой или уголковой конструкции (см. рис. 31.8, г), а также снижения отметки гребня и допущения наката волны на гребень. Это потребует закрепления гребня плотины от воздействия волновых нагрузок, придания гребню противофильтрационного устройства наклона в сторону нижнего бьефа и покрытия его обратным фильтром. Это решение может быть применено на плотинах III—rv классов при отсутствии на гребне дорог. Гребень плотины обычно используется для прокладки автомобильных и железных дорог. В этом случае его конструкция должна удовлетворять требованиям нормативных документов на проектирование дорог, но с учетом нужд эксплуатации плотины. Ширина гребня, если на нем не прокладывается дорога, устанавливается из условия производства работ, но не менее 4+5 м.

При сопряжении земляной плотины с другими сооружениями гидроузла гребень обычно уширяется до значений, определяемых конструкцией сопряжения и назначением создаваемых площадок. Например, при сопряжении водосливной бетонной плотины с земляной плотиной гребень последней расширяется для образования площадки, на которой возможно устройство шандоро и затворохранилищ или того и другого одновременно (см. гл. 7). Эта же площадка может использоваться для ремонта крана, обслуживающего водосливные отверстия и т. п.

Если плотина сложена из глинистого грунта, гребень ее покрывают защитными слоями из песчаного или гравийного ipytrra. Толщину защитного слоя, включая толщину покрытия, назначают не менее глубины промерзания грунта в данном районе.

Заложение откосов плотины зависит от грунтов тела и основания плотины и проверяется расчетом устойчивости (см. п. 12.5). Обычно заложение откосов находится в пределах 2,54. Более пологие верховые откосы часто получаются при необходимости пригрузки длинных понуров или устройства экрана из слабого по прочности фунта. Пологий низовой откос получается при необходимости пригрузки основания для обеспечения общей устойчивости плотины.

На низовом откосе через каждые 15-20 м устраивают бермы, на которых оборудуются кюветы для отвода атмосферных вод. Бермы на низовом откосе могут также устраивать для служебных проездов, прокладки шоссейных идя железных дорог, иногда даже канала или трубопровода. На верховом откосе бермы устраивают для создания упора в конце крепления. Обычно бермы уст раивают в месте сопряжения основного тела плотины с дренажным банкетом или перемычкой, входящей в тело плотины.

Некоторые особенности возведения земляных насыпных плотин. Наиболее надежным, испытанным и распространенным способом постройки земляных плотин является отсыпка грунта с последующим его механическим уплотнением.

Механическое уплотнение грунта производят для уменьшения фильтрации воды из водохранилища, создания более прочного материала тела плотины, обеспечивающего экономичное заложение откосов, и уменьшения деформаций плотины под действием собственного веса и давления воды со стороны верхнего бьефа.

Уплотнение фунта производят самоходными или прицепными катками: гладкими, ребристыми, шиповыми, на пневмоходу, виброкатками, трамбующими катками или плитами, а иногда фуженными автосамосвалами, гусеничными тракторами или самоходными скреперами.

Достаточно эффективны шиповые катки, у которых давление на 1 см поверхности фунта составляет до 4,0 МПа. Масса современных катков достигает 100 т и более. Число проходов катка по одному и тому же месту, зависящее от типа катка, заданной плотности фунта и его влажности, обычно находится в пределах 58. Толщина укладываемого слоя обычно составляет 1520 см (после укатки), но использование очень тяжелых катков позволяет увеличить ее до 60 см.

Трамбующие катки или плиты малопроизводительны и обычно используются для уплотнения фунта в примыканиях к другим нефунтовым сооружениям или на крутых склонах основания, где катки не могут обеспечить качественное уплотнение фунта. Виброкатки наиболее эффективны при уплотнении несвязных фунтов, хотя часто используют и для скелетных фунтов. Для этого применяются виброкатки шипованные или на пневмоходу весом 8+12 т.

Наибольший эффект при уплотнении глинистого фунта достигается, если фунт обладает так называемой оптимальной влажностью (см. п. 11.2).

Для уменьшения порового давления необходимо стремиться к тому, чтобы влажность фунта при укладке его в тело плотины была минимальной. Иногда даются рекомендации по снижению влажности фунта по сравнению с оптимальной на 1%.

Выше (п. 11.2) уже отмечалось, что в теле плотины могут использоваться мореные фунты и фунты конуса выноса. Использование этих фунтов для укладки в тело плотины осложняется наличием фракций с/>10СМ200 мм, так как размер фракций, укладываемых в тело плотины, должен составлять не более 0,75 Лео. Поэтому часто необходимо отсеивать крупные фракции в зависимости от принятой толщины слоя или увеличивать толщину слоя, что приводит к снижению плотности укладки грунта. Отсев крупных фракций усложняет работы и вызывает удорожание строительства. На строительстве плотины Слот тморбергет в Норвегии толщина слоя укладываемого грунта составила 90 см, что позволило использовать включения размером до 0,6 м.

При укладке такого рода грунтов в водонепроницаемые элементы плотины надо предотвращать возможное расслоение грунтов при их отсыпке в тело плотины (см. п. 12.1). Расслоение обычно отсутствует, если в гранулометрическом составе грунта мелкозернистых фракций (d< 1 мм) более 3335 %.

Существующие механизмы уплотнения грунта в зависимости от его типа позволяют получать плотности грунта 1623 кН/м3: меньшее значение соответствует жирным глинам, а максимальное грунтам с крупнозернистыми включениями.

Создать плотность, равномерную по толщине слоя, обычно не удается: верхняя часть слоя более плотная, чем нижняя, и тело плотины получается как бы слоистым и анизотропным в фильтрационном отношении в горизонтальном направлении коэффициент фильтрации может оказаться больше, чем в вертикальном. Поэтому стремятся к снижению толщины слоя, которую устанавливают опытной укаткой. При укладке суглинков в зависимости от массы катков обычно принимают толщину слоя 2040 см. Тяжелым каткам соответствует большая толщина слоя.

Влажность глинистого грунта перед укладкой его в тело плотины должна быть оптимальной. Если влажность грунта в карьере меньше оптимальной, то увлажнение может быть произведено в карьере (что наиболее удобно), на карте отсыпки, в самосвале, при транспортировке грунта из карьера в тело плотины или на промежуточном складе грунта (кавальере), если таковой имеется в технологическом цикле. Если влажность грунта в карьере выше оптимальной, то снижение влажности может вызвать значительные трудности. Основной метод снижения влажности дренирование карьера. Подсушка грунта возможна только в сухих и жарких климатических условиях; этот технологический цикл сопряжен с большими трудностями. Чаще всего в этом случае укладывают переувлажненные грунты. Иногда для подсушки используют сушильные барабаны (см. п. 11.2).

Песчаные грунты укладывают обычно слоями 2540 см. Лучший эффект уплотнения достигается при использовании пневмокатков или вибрационных катков. При использовании катков вибрационного действия необходимо стремиться к минимальной влажности. Степень уплотнения грунта назначают, исходя из плотности его в карьере или относительной плотности 1D.

Возведение земляных плотин отсыпкой грунта в воду. Этот метод возведения плотин иногда принимают при укладке лессовых (главным образом в Средней Азии) и мореных грунтов. Метод отсыпки лессовых грунтов заключается в том, что плотину разбивают на карты отсыпки площадью 400800 м2. Карты ограждают валиками из сухого грунта высотой 0,250,7 м и заполняют водой на 25Ю% толщины отсыпаемого слоя грунта. Спустя 12 ч после заливки грунт отсыпают скреперами или бульдозерами вровень с валиками.

Плотность лессового грунта, отсыпанного таким образом, достигала 1,3-1,4 т/м3, но по мере отжатая воды (консолидации) плотность повышалась до 1,4—1,6 т/м3. Механизм уплотнения заключается в размокании отдельных комков грунта; под действием собственного веса, веса лежащих выше слоев, транспорта, падающего грунта и т. д. грунт постепенно равномерно уплотняется.

При использовании этого способа возведения плотин отпадает необходимость подсушивать грунт и увеличивается длительность строительного сезона, так как возведение возможно и в неблагоприятных для «сухого» способа условиях: дождливый период, морозы до 10° С. Эти несомненные достоинства сопровождаются и крупными недостатками: грунт становится практически полностью водонасыщен, несколько недоуплотнен, что приводит к возникновению большого порового давления снижению несущей способности грунта, а это в свою очередь требует уположения откосов сооружения. Лессовые грунты имеют малый коэффициент фильтрации, и поровое давление долго не рассеивается. В силу этих недостатков «мокрый» способ возведения из лессовых грунтов используется для возведения невысоких земляных плотин. Использование этого метода возведения при отсыпке нижней части ядра Чар вакской каменноземляной плотины(#=168 м) положительных результатов не дало.

Моренные грунты характеризуются незначительным диапазоном влажности (58%), при которой их удобно уплотнять укаткой, а это вызывает определенные трудности работы с ними при возведении плотин, особенно в дождливый и морозный периоды. При «мокром» способе возведения высота дамб ограждения достигает 4 м, а глубина воды на карте 23 м. Это позволяет избавиться от необходимой сортировки морены для укладки обычным «сухим» способом. Моренные грунты обладают более высоким коэффициентом фильтрации, чем лессовые суглинки, и, следовательно, процесс консолидации протекает значительно быстрее. Кроме того, наличие крупнозернистых включений значительно снижает деформируемость морены. Все это создает предпосылки для использования этого метода укладки моренного грунта в тело плотины.

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