методичка_ГЭС

ВВЕДЕНИЕ
Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии, а особенно малая гидроэнергетика, за последние десятилетия заняли устойчивое положение в качестве важной составляющей электроэнергетики многих стран мира. Объекты малой гидроэнергетики могут сооружаться практически на любых водных объектах, имеющих гидроэнергетический потенциал: на малых реках и ручьях, водосбросных сооружениях мелиоративных систем, водосбросах тепловых электростанций, питьевых водоводах, продуктопроводах предприятий, канализационных коллекторах и др. В связи с этим остро встает вопрос о корректности в расчетах и проектировании гидротехнических сооружений, играющих важную роль среди других объектов малой гидроэнергетики.
Строительство гидроузлов комплексного назначения ведется в самых различных климатических, геологических и топографических условиях нашей страны. Возводятся и намечаются к строительству гидроузлы, в состав которых входят плотины из грунтовых материалов и оптимальные водосбросные сооружения. Прогресс в развитии исследований, проектирования и строительства плотин из грунтов и камня позволил существенно увеличить высоту и объем насыпи плотин, использовать для строительства плотин створы, ранее считавшиеся для этого непригодными; более экономично использовать на месте грунты и камень.
Возросший интерес к малой гидроэнергетике в настоящее время связан с рядом факторов. В промышленно развитых районах, в основном исчерпаны возможности крупного гидроэнергетического строительства. Кроме того, создание крупных ГЭС связано с преодолением негативной реакции на экологические последствия такого строительства. В то же время малое гидроэнергетическое строительство, ведущееся, как правило, в границах естественного колебания уровней водотока, практически не приносит экологического ущерба.
Наиболее эффективным направлением является реконструкция и восстановление ранее существовавших, но впоследствии выведенных из эксплуатации малых ГЭС. Это направление может быть особенно эффективным в той части Украины, где ранее работали сотни малых ГЭС. Теперь они могут быть реконструированы и восстановлены на новом техническом уровне. На ряде малых ГЭС сохранились гидротехнические сооружения и подпертые бьефы, которые используются в рекреационных, водохозяйственных, мелиоративных целях, что упрощает задачу восстановления объектов и снимает ряд задач, связанных с экологией.
Данное пособие будет полезно студентам старших курсов и аспирантам. 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ И ГИДРОУЗЛАХ
1.1 Виды водоподпорных сооружений
Водоподпорным называется сооружение, удерживающее с одной своей стороны воду на более высоком уровне, чем с другой.
Часть водоема, реки или канала по ту сторону водоподпорного сооружения, где имеется более высокий уровень воды, называется верхним бьефом (сокращенно ВБ), или подпертым бьефом, а по другую сторону, где уровень более низок, называется нижним бьефом (НБ.). Разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов называется напором или подпором; в некоторых случаях вода в нижнем бьефе может отсутствовать [1-4].
Водоподпорные сооружения, перегораживающие речное русло или речную долину (или др. водоток) для подъёма уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища, носят название плотин. Плотины небольшой высоты, в частности, устраиваемые в речном русле для регулирования речной эрозии, носят название порогов и запруд.
Водоподпорные земляные сооружения, устраиваемые по берегам рек для защиты береговых земель от временного затопления паводками, носят название дамб, или валов.
Водоподпорные сооружения, обычно земляные, устраиваемые для защиты морских или озерных побережий от затоплений морем или озером при подъемах воды в них в результате приливов или ветровых нагонов, называются морскими или озерными дамбами.
К числу водоподпорных сооружений относится также ряд специальных сооружений, как, например, некоторые типы зданий гидроэлектростанций, стены напорных бассейнов, судоходные шлюзы, плотоходы, шлюзы на мелиоративных (оросительных, осушительных) системах и некоторые другие.
1.2 Назначение гидроузлов
Комплексы гидротехнических сооружений, в которых создается подпор воды, называются подпорными или напорными гидроузлами.
В соответствии с водохозяйственными целями, для которых напорные узлы сооружений возводятся, они могут быть, согласно СНиП 2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основы проектирования»:
а) гидроэнергетическими, если цель гидроузла - получение гидроэнергии и в состав гидроузла входит гидроэлектростанция, которая непосредственно использует энергию создаваемого перепада воды;
б) воднотранспортными, или транспортными, если основное назначение узла - обслуживание водного транспорта и в составе сооружений имеются транспортные сооружения; воднотранспортные гидроузлы могут подразделяться на судоходные, если река судоходна, и лесосплавные, если на реке имеет место только лесосплав и нет судоходства; создаваемое этими узлами повышение уровня воды в реке увеличивает глубины ее, уменьшает скорость течения и вообще улучшает условия судоходства;
в) водозаборными, если назначение узла - только обеспечение забора воды из реки для отвода ее каналом, трубопроводом, туннелем;
г) водохранилищными или регулирующими сток, если назначение узла - перераспределение расходов воды на нижележащем участке реки, например, для борьбы с паводками, наводнениями, для целей благоустройства; эти цели достигаются образованием водохранилища, в котором в период паводков на реке задерживается часть воды, а в период маловодья или в соответствии с потребностями она выпускается из водохранилища.
В соответствии с комплексностью водохозяйственных мероприятий гидроузлы в большинстве случаев бывают также комплексными и в зависимости от составляющих их элементов называются: транспортно-энергетическими, транспортно-водозаборными, водозаборно-энергетическими, транспортно-водозаборно-энергетическим и т.д.
В современных условиях комплексного использования водных ресурсов плотина почти всегда является составной частью гидроузла и обычно главной его частью.
В некоторых простейших случаях подпорное сооружение может быть представлено одной плотиной, например, если имеется в виду поднять подпор для регулирования эрозии речного русла (уменьшение размываемости русла и прочих неблагоприятных условий) или, например, если плотина служит для закрытия одного из рукавов реки или для образования водоема в спортивных целях, в целях благоустройства и т. п.
1.3 Классификация гидроузлов по величине напора
По величине напора, создаваемого узлом на реке, гидроузлы делятся:
а) на узлы низконапорные, или русловые, в которых нормальный подпертый уровень, как правило, не выходит за пределы меженного русла и при этом пойма не затопляется; величина напора в наших условиях - примерно до 20 м;
б) узлы среднего напора или средненапорные, для равнинных рек характерны напоры в пределах 20-100 м;
в) узлы высокого напора, или высоконапорные, величина напора которых превышает 100 м.
Следует отметить, что границы между отдельными видами напорных узлов условны и даны применительно к природным условиям нашей страны. Однако величина напора имеет значение не только для выбора типов сооружений и компоновки их, но нередко определяет и назначение узла. Так, низконапорные узлы строятся обычно в целях водозабора или для судоходства и реже бывают энергетическими (исключение - узлы малых гидроэлектростанций).
Средненапорные гидроузлы чаще всего бывают энергетическими и транспортно-энергетическими, на малых реках - также регулирующими сток.
Высоконапорные узлы в основном строятся для нужд энергетики и регулирования стока в разных водохозяйственных целях.
1.4 Состав сооружений в гидроузлах
В состав гидроузла входят постоянные и временные сооружения.
Постоянные сооружения делятся на основные, вспомогательные и прочие.
Основные сооружения обеспечивают нормальную работу гидроузла и делятся на общие, создающие необходимые напор, емкость верхнего бьефа и гидравлические условия, соответствующие измененному узлом гидрологическому режиму, и специальные, осуществляющие специальные водохозяйственные функции, для которых построен узел, т. е. воднотранспортные, энергетические и прочие сооружения.
Общими сооружениями являются:
плотины, создающие напор и емкость верхнего бьефа (водохранилище);
водосбросы - водосливы и водоспуски, обеспечивающие сброс излишков воды и опорожнение водохранилища; нередко водосбросом является плотина или часть ее;
ледо- и шугосбросные и ледозадерживающие сооружения, позволяющие удалять из верхнего бьефа лед и шугу или защищать от них сооружения (ледо-защитные стенки, запани и пр.);
наносоудаляющие (промывные) устройства, позволяющие сбрасывать в нижний бьеф скапливающиеся в нежелательных для сооружений местах донные наносы;
регуляционные (выправительные) сооружения - продольные и поперечные дамбы, ограждающие дамбы, берегоукрепительные одежды и пр., направляющие поток к отверстиям сооружений наиболее целесообразно с гидравлической точки зрения и защищающие земляные части сооружений и берега от размывов;
сопрягающие сооружения, задачей которых является правильное конструктивное и гидравлическое сопряжение различных по назначению и конструкции сооружений узла, например, сопрягающие устои, дамбы, раздельные быки и т. п.
Вспомогательные сооружения необходимы для осуществления эксплуатации основных и специальных сооружений; к ним относятся: жилые и административно-хозяйственные здания (эксплуатационный поселок, водоснабжение, канализация, связь, освещение и пр.), дороги на территории узла и подъездные к нему, мастерские и пр.
К временным сооружениям относятся перемычки, временные мосты, дороги, силовые станции, бетонные заводы, мастерские деревообделочные и механические, рабочий поселок и прочие сооружения, необходимые для постройки постоянных сооружений.
Часть временных сооружений иногда остается и на период эксплуатации и, так сказать, совмещается с постоянными (например, дороги, мастерские, часть зданий рабочего поселка, иногда часть перемычек, временные водосбросы и т.д.). Совмещение временных сооружений с постоянными удешевляет строительство гидроузла и потому всюду, где это возможно, стремятся к такому совмещению.
2. ПЛОТИНЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Из вышеизложенного следует, что в напорных гидроузлах плотина является главнейшим и наиболее ответственным сооружением и что чем выше напор, тем относительное относительное значение плотины больше.
2.1 Классификация плотин по целям их устройства
Эта классификация наименее четка, так как чаще всего назначение плотин бывает комплексным. Правильнее будет делить плотины и гидроузлы по степени регулирования стока. Если плотина создает лишь подъем воды и не может сколько-нибудь существенно регулировать сток, она называется водоподъемной.
Плотина называется водохранилищной, если она и гидроузел в целом обеспечивают регулирование стока реки. Однако особой четкости и в таком делении плотин нет, так как водохранилищная плотина создает обязательно подъем воды перед собой, т.е. выполняет функции и водоподъемной; водоподъемная же может в некоторой мере выполнять задачи частичного, например, суточного, регулирования стока, для которого не требуется накопления значительных объемов воды в верхнем бьефе.
2.2 Классификация плотин по основному материалу, из которого они выполняются
По этому признаку плотины могут быть подразделены на следующие типы.
Земляные плотины, основным материалом которых является земля, т.е. песчано-глинистый, песчаный и тому подобные грунты. Это самый древний вид плотин, получивший в последнее время новое развитие; наибольшая достигнутая высота таких плотин - около 140 м.
Плотины из каменной наброски и из сухой каменной кладки, в основном выполняемые из камня без применения вяжущих веществ. Наибольшая достигнутая высота таких плотин - около 125 м.
Плотины каменно-земляные, в которых применены земля и каменная наброска; наибольшая осуществленная высота таких плотин - 115м.
Каменные плотины, выполняемые из каменной (бутовой) кладки на растворе, широко распространенные в 19 и начале 20 в., в настоящее время из-за невозможности широкой механизации процесса кладки строятся редко. Наибольшая высота их - 95 м.
Бетонные плотины, являющиеся в настоящее время наиболее распространенными во всех странах. Наибольшая достигнутая высота их - 222 м, в постройке - плотина высотой 278 м.
Железобетонные плотины, в которых в основном применен железобетон, хотя имеются и бетонные элементы, а иногда даже и каменная кладка. Эти плотины достигают высоты до 92 м.
Деревянные плотины, имеющие обычно каменную или земляную загрузку (в частности ряжевые плотины); имеют обычно небольшую высоту, но есть примеры плотин до 22 м.
Стальные плотины двух типов:
а) с неподвижными металлическими частями (имеется лишь несколько примеров, наибольшая высота до 22 м);
б) с металлическими подвижными частями или затворами, которые фактически несут всю нагрузку от воды (например плотины с поворотными фермами, с поворотными рамами, мостовые и др.); плотины эти широко распространены и обычно имеют небольшой напор.
- Плотины комбинированные из различных материалов.
2.3 Классификация плотин по конструктивным признакам
По условиям конструктивным, характеру восприятия ими силовых воздействий и сопротивления их сдвигу от напора воды плотины могут быть разбиты на три основные группы (рисунок 1):

Рисунок 1 - Схемы основных конструктивных типов плотин:
а - гравитационная; б - арочная; в - контрфорсная (ребристая) железобетонная
(с плоской напорной плитой); г - заанкеренная (со сваями)
1) гравитационные, обладающие значительным весом для создания сил трения по основанию, сопротивляющихся сдвигающим усилиям от воды, действующим на плотину. Сюда относятся земляные, каменно-набросные, бетонные, ряжевые деревянные и другие плотины; в более глубоком смысле, под на званием гравитационных понимают массивные бетонные и каменные плотины (рисунок 1а);
арочные, криволинейные в плане, работающие как свод с вертикальной осью, передающий давление от воды через свои пяты скалистым берегам речной долины; строятся из бетона, железобетона, камня и редко - из дерева (рисунок 16);
контрфорсные, или ребристые, в которых давление воды передается через напорные перекрытия в виде плит, арок и т.п. вертикальным контрфорсам (ребрам), откуда и название данного типа плотины; эти плотины выполняются из бетона, железобетона, металла, дерева (рисунок 1в);
заанкеренные, или консольные (рисунок 1г), в которых сопротивление сдвигу обеспечивается в значительной мере благодаря заделке конструкции в грунт основания (например, свайные или шпунтовые плотины, плотины с анкерным глубоким зубом и т. п.).
2.4 Деление плотин по условиям пропуска ими воды
Вода из верхнего бьефа может выпускаться в нижний или через плотину или через другие сооружения гидроузла.
Плотины, не допускающие пропуска через них воды, называются глухими, а допускающие - водопропускными, или водосбросными. Пропуск воды через плотину может производиться при помощи отверстий в ее теле: поверхностных, или водосливных, работающих по принципу водослива (рисунок 2а) и глубинных, или водоспускных, работающих по принципу напорных труб (рисунок 26, в).
Часть плотины, занятая водосливными отверстиями, называется водосливной, или водосливом; если перелив воды допускается по всей длине плотины, то вся плотина называется водосливной.
Глубинные отверстия располагаются на некоторой глубине от уровня верхнего бьефа, положение порога их характеризует предел опускания уровня водохранилища; если порог устроен у дна реки, то отверстие называется донным (рисунок 2в) и фактически позволяет опорожнить весь верхний бьеф (водохранилище).
Для того чтобы можно было регулировать пропуск расходов воды через плотину по желаемому графику, отверстия плотины должны иметь затворы, позволяющие закрыть или открыть отверстия полностью или частично.
Водоспуски и глубинные отверстия снабжаются затворами всегда, водосливы же могут не иметь затворов. В последнем случае уровень воды верхнего бьефа будет зависеть от проходящего через водослив расхода воды (рисунок 2а), если только нет других отверстий в узле: наивысший уровень будет соответствовать максимальному расходу Qмакс,, наинизший - минимальному Qмин следовательно, водосливная плотина без затворов не может регулировать ни расходов, ни горизонта воды ВБ.


ВУВБ- Высокий уровень верхнего бьефа; НУВБ - Низкий уровень верхнего бьефа
ВУНБ - Высокий уровень нижнего бьефа; НУНБ - Низкий уровень нижнего бьефа
РасчУВБ - Расчетный уровень верхнего бьефа; НПУ - Нормальный подпорный уровень
РасчУНБ - Расчетный уровень нижнего бьефа

Рисунок 2 - Типы водосбросных отверстий в плотинах:
а - водосливное; б - глубинное; в - донное

Рисунок 3 - Водосливная плотина
Плотины с затворами (рисунок 3), закрывающими водосливные или водоспускные отверстия, наоборот, могут удерживать уровень воды ВБ на желаемой отметке. Это достигается тем, что при уменьшении расхода в реке, уровень воды в ВБ удерживается на нужной высоте путем полного или частичного закрытия отверстий затворами, что уменьшает их пропускную способность в соответствии с изменившимся расходом; при возрастании же расхода площадь отверстий увеличивается путем открытия затворов. Таким образом, плотина с затворами позволяет регулировать уровень воды в верхнем бьефе, что весьма важно для практических целей.
2.5 Действие плотины (узла) на верхний и нижний бьефы
Водоподпорное сооружение, возведенное в реке, создает подъем уровня воды в верхнем бьефе, что влечет за собой ряд последствий: уменьшение скоростей течения, отложение наносов, подъем уровня грунтовых вод по берегам и пр.. При регулировании плотиной (гидроузлом) речного стока изменяется гидрограф (ход расходов воды) в нижнем бьефе, а при задержании в ВБ наносов русло в НБ постепенно понижается, а с ним понижаются меженные уровни реки и уровни грунтовых вод.
2.6 Действие речного потока на водоподпорные сооружения, имеющие водосбросные отверстия, и прилегающий участок русла
В верхнем бьефе у плотины поток имеет обычно скорости течения, меньшие, чем они были до создания подпора. Однако на подходе к водосбросным отверстиям местные скорости возрастают, и при известном их значении возможны размывы русла.
При наличии водосливного отверстия (рисунок 4а) увеличение скоростей от v0 в русле до v1 на водосливе приведет к тому, что наносы непосредственно у плотины отложатся более рыхло, вследствие водоворотных движений. При наличии водоспуска (рисунок 46) увеличенная до v1 скорость течения может вызвать размыв дна, а иногда и берегов.
В пределах тела плотины (рисунок 4) скорости течения от v1 возрастают до v2 и v3 (пропорционально корню квадратному из величины напора), достигая 10-25 м/с (в плотинах с напорами 5-50 м) и более. Движущаяся с такими скоростями вода производит динамическое воздействие на сооружение, ввиду возникающих пульсаций потока, его изгиба соответственно форме слива, местных сопротивлений, вакуумов и пр.
В нижнем бьефе за плотиной значительная кинетическая энергия потока, пропорциональная расходу воды и квадрату скорости v3, неизбежно разрушает русло, вызывает глубокие размывы даже скального грунта дна реки, что будет угрожать целости плотины.

Рисунок 4 - Воздействие потока на подпорное сооружение и русло
Описанная обстановка требует при устройстве плотины принятия следующих мер для обеспечения прочности и устойчивости сооружения.
В верхнем бьефе - покрытие размываемых участков русла защитными одеждами;
В нижнем бьефе - гашение избыточной кинетической энергии искусственными мерами и защита русла от разрушения специальными покрытиями.
Для этого непосредственно за водосливом укладывают массивную плиту, называемую водобоем (рисунок 5), предназначенным для восприятия ударов струй и гашения энергии переливающегося через водослив потока, а также для защиты русла реки от опасных размывов. Для интенсификации гашения избыточной кинетической энергии потока в пределах водобоя часто располагают водобойный колодец, водобойную стенку, гасители энергии потока. Более эффективно и экономично устраивать водобойный колодец в комплексе с водобойной стенкой и гасителями. На водобое в основном теряется большая часть кинетической энергии (путем образования вальцов при сопряжении потока с водой НБ благодаря устройству выступов, порогов, стенок, о которые ударяется, расщепляется поток, и пр.); за водобоем следует рисберма (голл. rijsberm, от rijs - прут, ветка и berm - вал, насыпь), водопроницаемая часть крепления русла в нижнем бьефе водосбросного гидротехнического сооружения, предназначенная обычно для сопряжения водобоя с руслом и предохранения русла от размыва, а иногда и для гашения пульсаций, выравнивания и снижения скоростей водного потока и т.д., на рисберме скорости потока доводятся до величин, не опасных для грунта русла. Часть рисбермы, примыкающую к водобою, устраивают в виде мощного покрытия из отдельных бетонных плит и массивов, бетонных и железобетонных тюфяков (плит, соединённых гибкой арматурой), а концевую часть выполняют из более податливых элементов (каменной наброски и др.).


Рисунок 5 - Схема противофильтрационных устройств в плотине на нескальном основании
- Придание поверхностям сооружения, по которым движется поток, плавной формы, которая должна быть так подобрана, чтобы местные сопротивления потоку, удары и прочие причины вибрации сооружения были доведены до минимума.
2.7 Фильтрация воды под сооружениями
Основание плотины - различные горные породы - обычно в той или иной мере проницаемо для воды. Как известно, наиболее проницаемы для воды грунты галечные, гравелистые, затем песчаные, супесчаные, менее всего проницаемы суглинки и глины. Скальные породы тоже пропускают через себя воду, если они трещиноваты, что, как правило, всегда имеет место в их верхних слоях.
Естественно поэтому, что после поднятия плотиной подпора, основание сооружения насыщается водой, которая движется по порам и трещинам из верхнего бьефа в нижний, из зоны большего давления в зону меньшего давления (на рисунках 4 и 5 - пути движения показаны пунктиром). Это движение называется фильтрационным, или фильтрацией воды.
Фильтрация воды под гидротехническим сооружением влечет за собой такие последствия.
Происходит потеря (утечка) воды из верхнего бьефа в нижний.
Фильтрующаяся вода оказывает гидростатическое давление на подошву сооружения, направленное снизу вверх и постепенно уменьшающееся от верхнего бьефа к нижнему. Это давление называется фильтрационным (иногда его называют противодавлением, ввиду направления его противоположно направлению сил веса). Фильтрационное давление как бы облегчает сооружение, уменьшает его вес и сопротивление сдвигающим сооружение горизонтальным силам.
Фильтрующаяся вода может действовать на породы основания химически, растворяя соли, имеющиеся в породах, вынося их в нижний бьеф и создавая пути для дальнейшего роста фильтрации; образующиеся в породе полости постепенно ослабляют ее и уменьшают несущую способность основания. Это явление называется химической суффозией грунта.
В несвязных грунтах (песок и т. п.) фильтрующаяся вода может увлекать за собой мелкие и мельчайшие частицы грунта, вынося их в нижний бьеф, что также приводит к ослаблению основания и осадкам его и сооружения. Этот процесс носит название механической суффозии или часто называется просто суффозией грунта. Вынос мелких частиц из грунта основания делает его более проницаемым для воды, скорости фильтрации возрастают, фильтрационный поток оказывается способным выносить частицы большего размера, и при дальнейшем своем развитии явление может закончиться разрушением основания и аварией сооружения.
При выходе фильтрационного потока в нижний бьеф струйки воды движутся почти вертикально вверх, производя давление на частицы грунта, они могут при известных условиях привести его как бы во взвешенное состояние и приподнять разрыхленную массу грунта вверх, вследствие чего произойдет недопустимая деформация сооружения, что может привести к аварии. Это явление называется выпором грунта.
Таким образом, фильтрация воды под гидротехническим сооружением может привести к катастрофическим последствиям. Для надежности сооружения необходимо предотвратить эту опасность, что достигается главным образом удлинением путей фильтрации, в результате чего при том же напоре на сооружении уменьшаются скорости и градиенты фильтрации, а с ними и опасность суффозии или выпора.
Удлинение путей фильтрации создается так, чтобы большая часть напора была израсходована на сопротивления по пути из верхнего бьефа до подошвы сооружения. Для этого впереди плотины устраивают водонепроницаемое покрытие, называемое понуром (рисунок 5). Устройством понура достигается уменьшение скорости и расхода профильтровавшейся воды и, следовательно, опасности разрушения основания сооружения фильтрационным потоком. Для устройства понура применяют глину, глинобетон, битумные материалы, торф, бетон, железобетон. Понур из железобетонных плит (с арматурой, вводимой в тело плотины) может воспринимать часть горизонтальных усилий, действующих на сооружение, и тем самым увеличивать его устойчивость на сдвиг. Так же под понуром и сооружением устанавливаются вертикальные преграды в виде шпунтов (рисунок 5), в нескальных грунтах либо в виде цементационных, битумных и других завес в скальных породах.
3. ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ
Местными материалами, не требующими дальних перевозок и пригодными для постройки плотин, являются различные рыхлые грунты (песок, супесь, суглинок, глина) и каменные материалы (гравий, галька, камень). Плотины и дамбы, возводимые из этих материалов, отличаются простотой конструкции и относительной дешевизной их возведения.
В зависимости от основного применяемого материала плотины из местных материалов, согласно СНиП 2.06.05-84 «Плотины из грунтовых материалов», делятся на плотины из местных материалов (грунтовые плотины):
плотины земляные (насыпные и намывные);
плотины из каменной наброски и из сухой кладки камня;
плотины из земли и камня или каменно-земляные.
3.1 Общие сведения
Земляные плотины являются древнейшим типом плотин. Эти плотины известны издавна, строились они для образования прудов и приведения в движение мельниц, а с 17 - 18 вв. - для обслуживания заводов, рудников. Искусство постройки земляных плотин достигло высокого уровня еще в 18 в., когда были построены плотины значительной высоты, смелые по форме и размерам (Змеиногорская плотина высотой 18 м). В настоящее время земляные плотины имеют самое широкое распространение во всех странах. Развитие механики грунтов и гидравлики грунтовых вод, инженерной геологии, широкое применение механизации земляных работ позволяют в настоящее время осуществлять плотины значительной высоты.
3.2 Типы земляных плотин
Поперечное сечение земляной плотины представляет собой обычно трапецию (рисунок 6) или близкую к ней фигуру с ломаным очертанием боковых сторон, называемых откосами. В зависимости от применяемых для тела плотины материалов и их размещения в сооружении, а также способов обеспечения водонепроницаемости, земляные плотины делятся на следующие основные типы:

Рисунок 6 - Основные типы земляных плотин
- плотины из одного, более или менее однородного, вполне удовлетворительного материала, например, из песка, супеси, суглинка (рисунок 6а);
- плотины из нескольких и разных грунтов: из суглинка и супеси, или из глины, супеси и песка и т. п., располагаемых в известном порядке; тип Па - с водонепроницаемым грунтом на верховой, напорной стороне (рисунок 66) и Пб - с водонепроницаемым грунтом в центральной части (рисунок 6в). Тип II применяется в тех случаях, когда в распоряжении строителей не имеется одного вполне удовлетворительного материала в достаточном количестве;
- плотины с водонепроницаемым покрытием - экраном; тип Ша - с пластичным экраном, представляющим собой слой глины, суглинка или торфа (рисунок 6г); тип Шб - с жестким экраном - из бетона и железобетона, дерева, металла (рисунок 6д); применяются в тех случаях, когда основной материал плотины сильно водопроницаем;
- плотины с водонепроницаемой внутренней преградой; тип IVa – с ядром (рисунок 6е), выполняемым из пластичного материала (глина, жирный суглинок); тип IVб - с жесткой диафрагмой, выполняемой из бетона, железобетона, металла, дерева и т. п. (рисунок 6ж); этот тип применяется в тех же условиях наличия грунта, что и тип III;
V - плотины каменно-земляные - из земли и камня, в которых, однако, преобладает земля, и лишь меньшая, низовая часть выполнена из камня (рисунок 6з).
Эта классификация предполагает надежное водонепроницаемое основание. Но земляные плотины можно строить практически почти на любых основаниях, кроме разве сильно разжиженных илистых грунтов или глубоких торфяников, или пород, характеризующихся крайней неравномерностью механических свойств. Это обстоятельство является одним из крупнейших преимуществ земляных плотин.
Однако в случае водопроницаемого основания, простирающегося на ту или иную глубину до водоупора, необходимо надежное сопряжение водонепроницаемых частей плотины с водонепроницаемыми слоями основания или во всяком случае принятие мер по защите от вредных явлений фильтрации в основании. В соответствии с этим описанные выше типы плотин получают дополнительные отличия.
При наличии скального основания водонепроницаемая часть плотины (экран, диафрагма и пр.) должна быть соединена со скалой зубом или бетонной шпонкой (рисунок 7а, б). При наличии сильной трещиноватости в скале под зубом или диафрагмой устраивается цементационная или битумная завеса.
В плотинах, строящихся на водопроницаемых грунтах (песчано-гравийная смесь, галечник, крупнозернистые пески, трещиноватые полускальные породы), предусматривают дополнительные противофильтрационные устройства в основании.
При наличии нескального основания, если водонепроницаемый грунт (глина, скала и т. п.) расположен на приемлемой глубине, плотину сопрягают с водоупором зубом (глиняным, бетонным) или шпунтовой стенкой, идущими соответственно от экрана, ядра или диафрагмы плотины (рисунок 7в, г, д, е). При глубоком залегании водонепроницаемого пласта или его отсутствии устраивается понур, являющийся продолжением экрана или другой водонепроницаемой части плотины (рисунок 7ж) и удлиняющий пути фильтрации в основании. Вместо понура при устройстве в теле плотины ядра или диафрагмы под последними опускается «висячий» зуб или шпунтовая стенка (рисунок 7з).
Плотины с зубом глубиной до 3-3,5 м (рисунок 7д) применяют в тех случаях, когда водопроницаемый слой грунта в основании имеет небольшую мощность. Этот слой грунта прорезают зубом, заглубляя его в водоупор не менее чем на 0,5 м. Ширину зуба понизу задают с учетом удобства производства работ по подготовке траншеи с устойчивыми откосами.
Плотины с диафрагмой (рисунок 7е) применяют при небольшой и средней мощности водопроницаемого основания. В последнем случае диафрагмы можно выполнять висячими, т. е. не доходящими до водоупора. Диафрагмы могут быть жесткими и гибкими. Глубину заложения и размеры диафрагм устанавливают фильтрационными и статическими расчетами.

Рисунок 7 - Типы сопряжений плотин с основанием

Плотины с экраном и понуром (рисунок 7ж). Горизонтальный понур является продолжением наклонного экрана, и выполняют его из таких же грунтов, что и экран. Длину понура определяют фильтрационными расчетами по допустимым расходам и скоростям фильтрационного потока при выходе его в нижний бьеф, однако её принимают равной не более пяти-шести напоров на плотину.
3.3 Деление земляных плотин по способам их возведения
По способам постройки плотины делятся на следующие типы:
а) плотины насыпные, возводимые путем сухой отсыпки грунта и после дующего его уплотнения (укатки);
б) плотины намывные, строительство которых производится при помощи гидромеханизации, или гидравлическим способом, когда грунт разрабатывается в карьерах, доставляется к месту постройки и, главное, укладывается (намывается) в тело плотины при помощи воды;
в) плотины полунамывные, при возведении которых грунт разрабатывается в карьерах, доставляется к плотине и отсыпается в боковые части (внешние призмы) ее тем же методом, что и в насыпных плотинах, но укладка грунта во внутреннюю часть (ядро плотины) совершается при помощи воды путем отмыва глинистых фракций из отсыпанного грунта; в настоящее время этот тип плотин применяется редко.
В плотинах намывных и полунамывных, выполняемых из неоднородного грунта, последний сортируется при помощи воды по крупности так, что профиль плотины близок к типу Па или Пб (рисунок 6), причем в последнем случае крупность частиц грунта к откосам плотины постепенно увеличивается. В полунамывных плотинах тип Пб видоизменяется тем, что по откосам плотина оказывается прикрытой насыпным грунтом, содержащим довольно большое количество мелких частиц.
При намыве плотины из однородного грунта (песка) такого фракционирования частиц грунта не получается, и плотина выполняется по типу I, III, IV6 или V (рисунок 6).
Кроме указанных основных способов строительства плотин в последнее время применялись еще в отдельных случаях:
а) способ сухой отсыпки плотин без последующей укатки;
б) мокрый способ, при котором сухой лёссовый или моренный грунт отсыпается на участки тела плотины, огражденные валиками и залитые водой на глубину 0,5-0,7 м;
в) способ направленных взрывов, когда плотина образуется путем массового выброса грунта с берегов после взрыва заложенных в него зарядов взрывчатого вещества.
3.4 Условия работы земляной плотины
Материал тела земляной плотины, вообще говоря, всегда в той или иной мере проницаем для воды. Поэтому в теле плотины создается поток воды, фильтрующейся из верхнего бьефа в нижний.

Рисунок 8 - Схема фильтрации и насыщения плотины водой
Свободная поверхность этого фильтрационного потока (рисунок 8), постепенно понижающаяся к нижнему бьефу, называется поверхностью насыщения, или депрессионной поверхностью, а линия пересечения ее с вертикальной плоскостью, проводимой поперек оси плотины, называется линией насыщения или депрессии, или депрессионной линией.
Ниже депрессионной поверхности (линии) грунт плотины насыщен водой, взвешивается ею; выше депрессионной линии находится зона капиллярного поднятия воды, высота которой зависит от свойства капиллярности грунта: в песчаных грунтах она достигает 5-15 см, в суглинистых и глинистых - 0,5-1,5 м и более.
Выше капиллярной зоны грунт обладает небольшой влажностью, так называемой естественной влажностью, зависящей от климатических условий (влажность воздуха, количество осадков, температура и пр.) и состава самого грунта.
Границы описанных зон изменяют свое положение в зависимости от колебаний горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах.
Например, при сработке водохранилища линия депрессии АВ или ABC (рисунок 8) понижается до линии А1В1 или А1В1С1. Положение депрессионной линии зависит также от высоты уровня нижнего бьефа, а при проницаемом основании и отсутствии воды в нижнем бьефе - и от уровня грунтовых вод (рисунок 86).
Линия депрессии устанавливается в положениях, указанных на рисунке 8, лишь с течением времени, при длительном стоянии определенных горизонтов верхнего и нижнего бьефов (стационарный режим); в остальное время она занимает промежуточные положения.
Фильтрация, воздействие воды верхнего и нижнего бьефов, климатические условия создают сложный режим земляного тела плотины.
В зоне насыщения водой грунт взвешивается гидростатическим давлением и подвержен действию фильтрационных сил (гидродинамическое давление), стремящихся сдвинуть частицы грунта в направлении к низовому откосу; мельчайшие частицы грунта могут при этом выноситься в нижний бьеф (явление суффозии), сам же откос может оползать, обрушаться. Прочность грунта, насыщенного водой, несколько падает вообще по сравнению с сухим. В плотинах из проницаемых грунтов могут иметь значение потери воды из верхнего бьефа (фильтрационный расход).
Волнение воды в верхнем и нижнем бьефах может размывать грунт откосов в пределах колебания уровней воды, это вызывает необходимость крепления откосов. Ледяной покров, образующийся в верхнем бьефе, может также повреждать откосы.
При температурах ниже 0° откосы плотины выше горизонта воды и гребень её могут промерзать, а суглинистые и глинистые грунты их при этом будут пучиться, а при оттаивании оползать и образовывать трещины; трещины могут появляться в тех же грунтах и при высыхании откосов в жаркое время года. Поперечные трещины опасны ввиду возможности развития по ним разрушительной фильтрации.
Атмосферные осадки, выпадающие на плотину, частью просачиваются внутрь и смачивают тело плотины, частью стекают по откосам. Смачивание тела плотины водой понижает прочность ее грунта, что нежелательно, поэтому принимаются меры к ускорению и упорядочению стока дождевых вод с гребня и откосов путем поверхностного дренажа и крепления откосов.
Таким образом, водопроницаемость грунта и фильтрация воды в теле земляной плотины играют весьма важную роль. Статистика показывает, что около 45% аварий и разрушений земляных плотин произошло вследствие недостаточности мер по борьбе с фильтрацией воды; около 15% аварий являются результатом оползания откосов, вызванного большей частью также действием фильтрационных вод.
3.5 Дренаж плотин
В целях уменьшения водонасыщенной зоны в плотинах и повышения устойчивости откосов, получения более обжатых и экономичных профилей плотин применяется дренаж плотин, т.е. введение в тело плотин зон или полостей, заполненных крупнозернистым материалом (гравием, щебнем, камнем) с ничтожным сопротивлением фильтрации, а иногда даже труб, перехватывающихфильтрационный поток. Дренаж приводит к снижению депрессионной кривой. Существуют следующие основные виды дренажа:
дренажная призма (рисунок 9а). Дренажная призма выполняется, как правило, трапецеидального сечения. Берма (верх призмы) - шириной от 2 до 3 м. Заложение внутреннего откоса т'} = 1,0-1,5, наружного т 2 = 1,5-2,5. Высота должна быть на 0,5-1 м выше выхода депрессионной кривой на внутренний откос призмы, в первом приближении на 1-1,5 м выше расчетного уровня воды в нижнем бьефе (рисунок 10);

Рисунок 9 - Схемы дренажа плотин: а - дренажная призма; б - дренажный тюфяк; в - трубчатый дренаж
дренажный тюфяк (рисунок 96). Толщина каменной отсыпки определяется по расчетам, но должна быть не менее глубины промерзания плюс 0,2 м;
трубчатый дренаж (рисунок 9в). Трубчатый дренаж выполняется из труб диаметром не менее 0,2 м или каменной отсыпки в железобетонном или бетонном лотке, окруженном обратными фильтрами (рисунок 11). Трубчатый дренаж располагается от нижнего бьефа на расстоянии 1д, принимаемом от 1/6 до 1/4 ширины плотины по основанию.
Возможны также комбинированные типы. В зависимости от наличия или отсутствия дренажа земляные плотины делятся на дренированные и недрени-рованные.

Рисунок 11 - Конструкция трубчатого дренажа
3.6 Пропуск воды через земляные плотины
Пропуск воды через земляную плотину нежелателен, а перелив через ее гребень без специальных устройств вообще недопустим, так как ведет к быстрому ее разрушению.
Поэтому земляные плотины устраиваются, как правило, глухими.
Водоспуски в теле земляной плотины устраиваются при соблюдении ряда предосторожностей.
3.7 Выбор типа земляной плотины. Роль имеющихся для плотины материалов
Многочисленные типы земляных плотин в основном определяются наличием того или иного местного материала.
Наиболее простым, дешевым и удобным в производственном отношении является ил плотины из однородного материала (тип I, рисунок 6а). Однако он требует нужного количества доброкачественного материала, удовлетворяющего требованиям водонепроницаемости, прочности и экономичности. Однородные плотины строятся из суглинков, супесей, песков, песчано-гравелистых и даже галечных грунтов.
Чем выше плотина, тем обычно труднее получить хороший грунт в нужном количестве. Тогда переходят к плотинам типа II (рисунок 6) с, ограниченным количеством достаточно водонепроницаемого грунта, выполняя из него или внутреннюю центральную часть, обсыпая ее пористым грунтом (тип Пб, рисунок 6в), или напорную часть, располагая в остальной прочие грунты (тип Па, рисунок 66). Следует учитывать, что при строительстве гидроузла, в который входит земляная плотина, в распоряжении строителей имеются, прежде всего, грунты из выемок под водослив и под другие сооружения узла (шлюз, гидростанцию, подходные каналы и пр.), которые желательно использовать в полезную насыпь, т.е. в земляные сооружения узла - плотину, дамбы, перемычки и пр. В общем балансе грунты полезных выемок могут играть большую роль, а специальные карьеры для земляной плотины иногда даже меньшую. Этим обстоятельством объясняется факт распространения высоких плотин из разных грунтов, именно типа Пб (рисунок 6в) с центральной водонепроницаемой частью, обсыпанной разными грунтами в порядке возрастания крупности зерен их и пористости к откосам. Тип Па (рисунок 66) менее распространен, хотя он более целесообразен в фильтрационном отношении, но верховой откос в таких глубинах должен быть более пологим, чем в типе Пб (рисунок 6в).
При крайне ограниченном количестве хорошего водонепроницаемого грунта переходят к типам плотин III и IV (рисунок 6г, д, е, ж), которые можно выполнять вообще из всяких грунтов; причем если имеется пластичный водонепроницаемый грунт, то осуществляют тип Ша или IVa (пластичный экран или ядро), а если и его нет, то Шб или IV6 (жесткий экран или диафрагма).
Что касается типа V (рисунок 6), то он целесообразен, когда из полезных выемок гидроузла получается много камня, не используемого для других сооружений. Наброска этого камня в низовую часть плотины создает весьма рациональный тип плотины. Геологические условия определяют, прежде всего, материал для плотины, но, кроме того, они могут влиять на выбор типа плотины сами по себе. Если водонепроницаемый связный грунт лежит близко от поверхности, целесообразны все типы плотины без жестких экранов или диафрагм; последние лучше сопрягаются со скальным основанием, однако есть случаи применения диафрагм и при глинистых основаниях с установкой диафрагмы на надежный шпунт.
При глубоком залегании водонепроницаемого грунта можно применять плотины с понурами, если нецелесообразно смыкаться с водонепроницаемой слишком глубоко залегающей толщей, а в противном случае - плотины с экранами и диафрагмами, сопрягающимися глубокими зубьями с водонепроницаемыми основаниями.
Климатические условия в известной мере также влияют на выбор типа плотины. Суровые зимние условия заставляют применять мощный защитный слой по откосам, приближая однородную плотину к типу плотины с центральной водонепроницаемой частью (тип Пб, рисунок 6в). В этих условиях вообще предпочтительнее плотины из несвязных или малосвязных грунтов с диафрагмами или жесткими экранами, тем более, что в северных местностях сезон для постройки земляных плотин очень короток, плотины же из несвязных и малосвязных грунтов можно строить и при небольших морозах.
Обилие атмосферных осадков делает невозможной укатку глинистых грунтов в период дождей, поэтому при подобных условиях надо стремиться к уменьшению объема глинистых грунтов в плотине или полному их исключению, т.е. с этой точки зрения целесообразнее плотины типа III и IV (рисунок 6), причем даже лучше Шб и IV6 с жесткими диафрагмами и экранами.
Производственно-экономические условия. Наличие того или иного оборудования для постройки плотины (экскаваторы, скреперы, вид транспорта, катки и пр.) определяет темпы возведения земляной плотины, которые в современных условиях для больших плотин характеризуются суточной производительностью земляных работ по насыпи плотин до 30 000 м3. Сроки возведения зависят от имеющейся механизации для работ и типа плотины: проще всего выполнять однородную плотину и затем плотину с экраном, плотины с ядрами, диафрагмами, плотины из нескольких грунтов сложнее, так как темпы возведения отдельных частей между собой связаны, и чаще всего наличие «многодельности» тормозит работу.
Большую роль играют общий план работ по гидроузлу, часть которого составляет земляная плотина, очередность их, а также экономические показатели плотины: стоимость ее, сроки возведения, условия эксплуатации. Окончательный выбор типа плотины может быть сделан после суммарного учета влияния всех перечисленных выше факторов.
4 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
4.1 Общие требования к материалам для земляных плотин
Основными качествами, которыми должен обладать грунт для тела однородной земляной плотины, являются водонепроницаемость, прочность, характеризуемая в основном внутренним трением и сцеплением, и водоустойчивость.
В плотине, выполняемой из нескольких грунтов, каждая часть ее требует грунта, обладающего специфическими для этой именно части качествами. Так, защитный слой должен обладать только прочностью и водоустойчивостью, для ядра и понура особенно важна водонепроницаемость, для экранов - пластичность, водонепроницаемость и прочность. Грунты, укладываемые у верхового (напорного) откоса, должны быть вообще возможно более водонепроницаемы; наоборот, зону низового откоса целесообразно устраивать из грунта более водопроницаемого, так как это ведет к снижению кривой депрессии близ этого откоса и к увеличению его устойчивости. Наконец материал дренажных призм и обратных фильтров должен быть пористым, а для фильтров, кроме того, подобранным по определенному закону. Материал для намывных плотин должен удовлетворять некоторым дополнительным требованиям, указываемым ниже.
4.2 Гранулометрический состав грунта
Основной характеристикой грунта, по которой можно судить о его важнейших свойствах, является гранулометрический состав.
Насыпные плотины. Наилучшим грунтом для однородной, земляной плотины была бы такая естественная смесь частиц разной крупности, в которой мельчайшие пылеватые и глинистые частицы (d < 0,01-Ю,005 мм) заполняли бы поры между более крупными (песчаными, гравелистыми), образующими скелет, обеспечивая вместе с тем непосредственное соприкосновение между собой крупных частиц. Подобный грунт обладает большим углом внутреннего трения и вместе с тем благодаря заполнению пор тонким глинистым материалом - ничтожным коэффициентом фильтрации. Содержание глинистых частиц в грунте характеризует и водонепроницаемость и прочность грунта. При содержании этих частиц 6-25% всего объема грунта он пригоден для однородного тела плотины, при большем - только для ядер, экранов, понуров. Песчаные грунты могут быть применены для однородных плотин, если коэффициент фильтрации их достаточно мал, в противном случае они идут в проницаемые части тела плотин (низовые), если же из них выполняется все тело плотины, требуются противофильтрационные устройства - ядра, диафрагмы, экраны и т.п.
Одной из основных характеристик грунта является его зерновой состав. Нижние границы зерновых составов и названия отдельных фракций по их размерам приведены на рисунке 12.
Большое значение имеет степень неоднородности грунта, характеризуемая коэффициентом 13 EMBED Equation.3 1415, где d60 и dl0 - размеры зерен, мельче которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % по весу. При 13 EMBED Equation.3 1415грунты обладают малой порозностью и хорошо уплотняются, при 13 EMBED Equation.3 1415грунты уплотняются плохо, обычно они более водопроницаемы.
Если поблизости не имеется грунтов для однородной плотины, то переходят к другим типам - из нескольких грунтов, с водонепроницаемыми экранами, ядрами и пр. При наличии специальных противофильтрационных устройств тело плотины может быть выполнено из водопроницаемых грунтов. Вообще земляные плотины строят только из грунтов, находящихся на месте или поблизости от места их постройки. Карьеры грунтов, расположенные далеко от створа плотины, нецелесообразно использовать, так как дороговизна перевозки грунта сделает плотину неэкономичной.
4.3 Водоустойчивость и примеси
Грунты, укладываемые в частях плотины, насыщаемых водой, должны обладать водоустойчивостью, т.е. не должны разжижаться и растворяться в воде; водорастворимых примесей допускается не более 3%. Однако в некоторых районах приходится возводить плотины ив грунтов с большим содержанием солей за отсутствием лучшего материала. Вопрос этот не является еще окончательно выясненным.
Грунты также не должны заключать в себе органических примесей более чем 1%, так как большое количество таких примесей может вызвать при разложении их в период эксплуатации неравномерные осадки и неравномерную (сосредоточенную) фильтрацию.
Не допускаются в тело плотины растительные грунты, хотя имеется удовлетворительный опыт постройки и эксплуатации плотин высотой до 10-12 м с применением в низовом откосе смеси суглинка с черноземом и вообще с растительным грунтом, снимаемым при рытье котлованов, карьеров и т. п.
По-видимому, для плотин II и III классов капитальности и для временных сооружений это допустить можно.

Рисунок 12 – Зерновые составы различных грунтов

4.4 Основные характеристики грунтов тела плотины, необходимые
для проектирования
Основные характеристики грунтов тела плотины, которые необходимо определять и использовать при проектировании:
гранулометрический состав;
объемный и удельный веса;
пористость и влажность грунта с ненарушенной структурой (в карьере);
компрессионные свойства, характеризующие сжимаемость грунта (необходимо для насыпных укатываемых плотин);
угол внутреннего трения и сцепление;
коэффициент фильтрации (целесообразно определять коэффициент фильтрации в условиях грунта, уплотненного или преобразованного намывом до состояния, которое он будет иметь в будущей плотине);
пределы консистенции для связных грунтов;
высота капиллярного поднятия воды (в грунте, уплотненном до заданной степени);
содержание водорастворимых и органических примесей в грунте. Последние три характеристики необходимы для плотин среднего и большого напора, в остальных случаях они необязательны.
5 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
5.1 Общие положения
Земляная плотина, правильно сконструированная и построенная, должна удовлетворять следующим условиям:
плотина и ее основание должны быть устойчивы при всех возможных условиях их работы;
фильтрация воды через тело плотины и ее основание не должна вести к значительным потерям воды из подпертого бьефа (водохранилища) и не должна вызывать внутренний размыв грунта плотины (суффозию) или разрушение грунта при выходе фильтрационного потока в нижний бьеф;
водопропускные устройства в гидроузле и высота гребня плотины над самым высоким горизонтом воды в подпертом бьефе должны при всех условиях гарантировать плотину от перелива воды через ее гребень;
тело плотины должно быть защищено от вредного на него воздействия климатических и иных факторов;
сооружение должно быть максимально экономичным. Устойчивость плотины достигается правильным выбором материалов и
рациональным распределением их в теле плотины, а также назначением соответствующих размеров профиля (ширина, откосы) с учетом качества основания. При выполнении тела плотины из различных материалов надо стремиться укладывать наиболее прочный и устойчивый грунт к откосам. С этой точки зрения тип плотины, в котором откосы выполнены из пористого крупнозернистого грунта с большим углом трения, один из лучших (рисунок 6в).
Во избежание нежелательных и опасных проявлений фильтрации необходимо:
обеспечить достаточную водонепроницаемость плотины;
избегать всего, что может облегчить фильтрацию в отдельных местах и увеличить ее скорость: неравномерной плотности тела плотины и образования водопроницаемых прослоек, устройства в теле плотины водосбросных труб, галерей и пр.; особо тщательно следует уплотнять грунт в примыкании плотины к стенкам водосбросов и других сооружений гидроузла; в некоторых случаях необходимо предусматривать меры борьбы с землеройными животными (каменные крепления, диафрагмы);
не допускать выхода (высачивания) фильтрационных вод на откос, для чего применять в соответствующих случаях дренажные устройства;
принимать все меры к снижению депрессионной поверхности фильтрационных вод в плотине для увеличения устойчивости откосов плотины (располагать водонепроницаемые грунты или устройства ближе к напорному откосу, применять дренаж тела плотины и пр.).
5.2 Назначение основных размеров профиля плотины
Форма профиля плотины - обычно неравнобокая трапеция, стороны которой, т.е. откосы, прямолинейны или представляют собой ломаные линии, уполаживающиеся книзу (рисунок 13).
Уклоны и форма откосов плотины назначаются в зависимости от высоты ее и рода грунта, из которого они выполнены, от свойств основания и фильтрационных условий. В современной практике откосы подвергаются статическому расчету, обязательному для проектов плотин высотой более 25-30м при всех видах оснований, а при основаниях слабых - для плотин высотой более 10 м. Для предварительной ориентировки можно пользоваться заимствованными из практики плотиностроения данными табл.1 в примерных величинах откосов однородных плотин из песчано-глинистого грунта при плотных грунтах оснований.
Таблица 1 - Примерные откосы земляных плотин
Высота плотины, м
Верховой откос
13 EMBED Equation.3 1415

Низовой откос
т2





без дренажа
с дренажом

5-10
2,5
2,0
1,5-2,0

11-15
2,75-3,0
2,5
2,0-2,25

15-20
3,0-3,25
2,5-2,75
2,25-2,5

20-30
3,25-3,5
2,75-3,0
2,5-2,75

Верховой откос делается обычно более пологим, что объясняется тем, что он насыщен водой почти на всю высоту и устраивается обычно из водонепроницаемого суглинистого или глинистого грунта. Пологость откосов вообще должна возрастать с увеличением высоты плотины, но в этом случае переходят к ломаному очертанию откосов, увеличивая пологость их книзу. В производственном отношении такое очертание усложняет работы, но дает экономию в объеме тела плотины.

Рисунок 13 - Схема профиля плотины с переменной крутизной откосов

Нередко на откосах плотин высотой более 20 м (в частности в местах перелома уклона откосов) устраивают горизонтальные площадки - бермы (нем. Berme), имеющие назначение уменьшить средний уклон откоса, служить упором для вышележащей части откоса или одежды последнего, безопасно отводить поступающие сверху ливневые и дождевые воды и, наконец, облегчать производство ремонта одежды откосов и осмотр ее в период эксплуатации плотины. Обычно бермы располагают не чаще чем через 9-15 м по высоте, а в невысоких плотинах вообще не устраивают.
Ширина берм обычно 1,5-2 м, но достигает и 6 м; наружный край бермы делается выше внутреннего во избежание перелива дождевой воды на нижележащую часть откоса. Для отвода воды у внутреннего края бермы устраивают кювет, по которому собранная бермой вода отводится или в систему дренажа плотины или к сборным лоткам на откосах берегов (рисунок 14).

Рисунок 14 - Схема устройства бермы на низовом откосе
Гребень плотины предназначается для сообщения по плотине. В зависимости от этого назначают и ширину его, руководствуясь нормами для проектирования дорог и мостов и ожидаемым характером движения по плотине. Минимальная ширина гребня обычно 3-4 м, при двустороннем движении по плотине - 6-8 м и более. В крупных современных плотинах ширина гребня достигает 10-12 м и более.
Возвышение гребня над горизонтом воды верхнего бьефа принимается в зависимости от высоты ожидаемой волны и высоты ее вкатывания по откосу; определяется согласно п.4 настоящего раздела. Обычно возвышение гребня принимается равным не менее 2-2,5 м, а в ответственных больших плотинах до 3-5 м и более.
5.3 Отметка гребня плотины
Отметку гребня плотины в соответствии со СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)» следует назначать на основе расчета возвышения его над расчетным статическим уровнем воды в водохранилище. Возвышение гребня плотины определяем по формуле
13 EMBED Equation.3 1415, (1)
где 13 EMBED Equation.3 1415 - ветровой нагон воды в верхнем бьефе;
13 EMBED Equation.3 1415- высота наката ветровых волн обеспеченностью 1 %;
а - запас возвышения гребня плотины.
При определении первых двух слагаемых формулы (1) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при нормальном подпорном уровне (НГТУ)) по СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)» при особом сочетании нагрузок и воздействий (при форсированном подпорном уровне (ФПУ)) эти обеспеченности следует принимать для сооружений I - II классов 20 %, для III класса - 30 %, для IV класса - 50%. Запас а для всех классов плотин следует принимать не менее 0,5 м (рисунок 15).

Рисунок 15 - Возвышение гребня над расчетным уровнем
При возведении плотины в сейсмических районах отметку гребня следует назначать с учетом высоты гравитационной волны, возникающей в водохранилище в случае образования в нем сейсмотектонических деформаций при землетрясении, определяемой в соответствии с требованиями СНиП П-7-81
·.
При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем верхнего бьефа надлежит принимать не ниже значений, полученных по формуле (1). Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают высшую из них.
В случае расположении автодороги на гребне плотины, ограждения и направляющие устройства следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 23457-86.
Если гребень плотины или ее откосы сложены из глинистых грунтов, следует предусматривать их защиту от сезонного промерзания слоем песчаного, гравийного или щебенистого грунта. Толщину защитного слоя следует назначать в соответствии с теплотехническими расчетами. При соответствующем обосновании допускается не предусматривать устройство защитного слоя.
Возвышение гребня плотины надлежит определять для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе:
а) при НПУ или при более высоком уровне, соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий;
б) при ФПУ при пропуске максимального паводка, относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий.
13 EMBED Equation.3 1415 (2)
Отметку гребня плотины следует назначать по менее благоприятному расчетному случаю, т.е. назначить более высокую отметку гребня.
Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (13 EMBED Equation.3 1415) для фронтально подходящих волн (13 EMBED Equation.3 1415) при глубине перед сооружением 13 EMBED Equation.3 1415, согласно СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)» надлежит определять по формуле
13 EMBED Equation.3 1415 (3)
где kr и kp - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по таблице 2;
ksp - коэффициент, принимаемый по таблице 3;
krun - коэффициент, принимаемый по графикам (рисунок 16), в зависимости от пологости волны 13 EMBED Equation.3 1415на глубокой воде.
При глубине перед сооружением d < 213 EMBED Equation.3 1415коэффициент krun необходимо принимать для значений пологости волны, указанной на рисунке 15 в скобках и определяемой при глубине d = 213 EMBED Equation.3 1415.
Высоту наката на откос волн обеспеченностью i, %, по накату необходимо определять умножением полученного по формуле (3) значения 13 EMBED Equation.3 1415, м на коэффициент ki , принимаемый по таблице 4.
13 EMBED Equation.3 1415 (4)
Таблица 2

Конструкция крепления откоса
Относительная шероховатость 13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент, kr
Коэффициент, kp

Бетонными (железобетонными) плитами
-
1
0,9

Гравийно-галечниковое, каменное
Менее 0.002
1
0,9

или крепление бетонными
0,005-0,01
0,95
0,85

(железобетонными) блоками
0,02
0,9
0,8



0,05
0,8
0,7



0,1
0,75
0,6



Более 0,2
0,7
0,5

Примечание. Характерный размер шероховатости r, м, следует принимать равным среднему диаметру зерен материала крепления откоса или среднему размеру бетонных (железобетонных) блоков.
Таблица 3
Значение 13 EMBED Equation.3 1415
1 -2
3-5
Более 5

Коэффициент ksp при скорости ветра Vw, м/с:




20 и более
1,4
1,5
1,6

10
1,1
1.1
1,2

5 и менее
1
0,8
0,6

Примечание. 13 EMBED Equation.3 1415- угол наклона откоса к горизонту

Таблица 4
Обеспеченность по накату i, %
0,1
1
2
5
10
30
50

Коэффициент kj
1,1
1
0,96
0,91
0.86
0,76
0.68


Рисунок 16 - Графики значений коэффициента krun
При подходе фронта волны к сооружению под углом
·, град. со стороны открытой акватории величину наката волн на откос следует уменьшать умножением на коэффициент k
·, принимаемый по таблице 5.
Таблица 5
Значение угла
·, град
0
10
20
30
40
50
60

Коэффициент ка
1
0,98
0,96
0,92
0,87
0,82
0,76

Высоту ветрового нагона
·hset, м, следует, как правило, принимать по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии (без учета конфигурации береговой линии и при постоянной глубине дна d) методом последовательных приближений по формулам

где а»- угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град; Vw - расчетная скорость ветра, определяемая по формуле (6), м/с; L - разгон, м. Kw - коэффициент, принимаемый по табл. 6
Таблица 6
Vw, м/с
20
30
40
50

Kw106
2,1
3
3,9
4,8

Расчетную скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема Vw, м/с, следует определять по формуле
Vw = Kfl kj V1, (6)
где Vl - скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (водоема), соответствующая 10-минутному интервалу осреднения и обеспеченности; kj - коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеренным по флюгеру, принимаемый по формуле K fl=0.675+(4.5/Vl) , но не более 1; kl - коэффициент приведения скорости ветра к условиям водной поверхности для водоемов (в том числе проектируемых) с характерной протяженностью до 20 км, принимаемый равным единице при измерении скорости ветра Vl над водной поверхностью, над ровной песчаной (пляжи, дюны и прочее) или в покрытой снегом местностью.
Элементы волн в глубоководной зоне. При определении элементов волн на открытых и огражденных акваториях необходимо учитывать следующие волнообразующие факторы: скорость ветра (её величину и направление Vw, м/с), продолжительность непрерывного действия ветра над водой (t, с), размеры и конфигурацию охваченной ветром акватории (L, км); рельеф дна и глубину водоема (d, м) с учетом колебаний водной поверхности.

1. Среднюю высоту hd, м и средний период волн в глубоководной зоне (d>0,5 Aj) необходимо определить по верхней огибающей кривой (рисунок 17).
По значениям безразмерных величин 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415 и верхней огибающей кривой
необходимо определить значение 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415 и по меньшим их величинам принять среднюю высоту и средний период волн.
2. Среднюю длину волн Xd , м при известном значении Т следует определять по формуле


3. Высоту волны i%-ной обеспеченности в системе hd.i, м, следует определять умножением средней высоты волн на коэффициент кi принимаемый по
2 графикам рис. 18 для безразмерной величины
hi% = ki hd. (8)

Рисунок 18 - Графики значений коэффициента к,i
Элементы волн с обеспеченностью по режиму 1; 2; 4% необходимо принимать по функциям распределения, определяемым по натурным данным, а

·Примечание. При переменных скоростях ветра вдоль разгона волн допускается принимать hd по результатам последовательного определения высоты волны для участков с постоянными значениями скорости ветра.
при их отсутствии или недостаточности - по результатам обработки синоптических карт.
ПРИМЕР
Определить отметку гребня плотины при следующих исходных данных:
-НПУ= 100 м, ФПУ = 101 м;
глубина воды перед сооружением d= 30 м;
заложение верхового откоса плотины т=3;
расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды Vw = 20 м/с;
продолжительность непрерывного действия ветра / = 6 час в сутки;
длина разгона волны L = 22 км;
откос с креплением бетонными плитами;
угол между продольной осью водоема и действием ветра aw = 0.
Определяем элементы волн в глубоководной зоне. Безразмерные величины







По значениям и верхней огибающей кривой (рисунок 17)

определяем значения







Принимаем среднюю высоту и средний период волн по меньшим их величинам.






Средняя длина волны


Гидротехнические сооружения
Расчетная обеспеченность


высот волн в системе, %

Сооружения вертикального профиля Сквозные сооружения и обтекаемые прегра-
1

ды класса:
I
1

II
5

III, IV
13

Берегоукрепительные сооружения класса:
1Д1 III, IV
1 5

Оградительные сооружения откосного про-


филя с креплением:


бетонными плитами
1

каменной наброской, обыкновенными или
2

фасонными массивами


3. Определяем высоту волн заданной обеспеченности по формулам (8) согласно таблице 7 для сооружений откосного профиля с креплением бетонными плитами Р=1%.
Таблица 7
















Тогда при

h1%=1,5
·2,22=3,33м.

4. Определяем высоту наката на откос волн при hпо 1% формуле (4), предварительно определив все коэффициенты по графику (рисунок 16) при ctg
·=m=3.


Определяем hrun50% по формуле(6)


13 EMBED Equation.3 14155.Высота ветрового нагона определяется по формуле (5)
13 EMBED Equation.3 1415

Отметка гребня плотины
VГр.пл=100+6,294+0,063+0,5=106,86 м;
VГр.пл=101+4,28+0,063=105,34 м.
Принимаем наиболее высокую отметку гребня плотины VГр.пл=106,34м.

5.4 Конструкции гребня и крепления откосов
Гребень плотины укрепляют одеждой в соответствии с типом устраиваемой на нем дороги (шоссе, мостовая, асфальтированная), он имеет обочины для пешеходного движения. С напорной стороны устраивают парапет в виде перил или сплошной стенки для защиты от всплесков воды (рисунок 20в). В некоторых случаях применяли стенку специального вогнутого профиля, отбрасывающую волну.
Ширину гребня плотины, если по нему не предусмотрен проезд, назначают не менее 3 м для плотин низких и средних и не менее 6м- для плотин высоких. Если же по плотине предусмотрен проезд автомобильного транспорта, гребень выполняют как дорогу в насыпи, и ширину его принимают в зависимости от категории дороги. Ориентировочно ширину гребня можно принимать по таблице 8.
Таблица 8 - Ширина гребня плотины
Класс дорог
Высота плотины



до 15 м
свыше 15 м

1. Дорога в две ленты движения, хозяйственная с обочинами
6
7

2. Дорога в две ленты движения с тротуарами
9
11

3. Дорога в две ленты движения, магистральная
12
15

Гребень плотины конструктивно оформляют в соответствии с типом дороги, прокладываемой по плотине.
На рисунке 19 приведена схема конструктивного оформления гребня.

Рисунок 19 - Конструкция гребня плотины (размеры в м): 1 - проезжая часть; 2 - обочины, покрытые щебнем

С низовой стороны в целях безопасности гребень плотины ограждают перилами или просто надолбами, т.е. отдельными столбами, закопанными в грунт.
Крепления откосов. Согласно СНиП 2.06.05-84 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)» для защиты верхового откоса допускается предусматривать следующие виды креплений:
каменные (насыпные);
бетонные монолитные, железобетонные сборные и монолитные с обычной и предварительно напряженной арматурой;
асфальтобетонные;
биологические.
Крепление верхового откоса плотины делится на основное, располагаемое в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и на облегченное, ниже и выше основного крепления, вплоть до гребня плотины.

Рисунок 20 - Крепления откосов и гребня
Верховой откос укрепляют от действия волн в пределах сработки верхнего бьефа и на 2-5 м выше и ниже крайних горизонтов воды верхнего бьефа в малых плотинах посредством двойной мостовой (0,4-0,5 м) из крупных камней (в невысоких плотинах небольших водохранилищ может быть одиночная мостовая) на слое щебня толщиной 0,15-0,2 м (рисунки 20а, 21), или наброской нескольких рядов камня, так же на щебенистой или гравелистой подготовке (рисунок 206). При отсутствии камня, и в крупных сооружениях, где особенно необходимо применять механизацию работ, крепление следует выполнять либо из готовых бетонных плит, укладываемых на слое щебня или гравия (рисунок 20), либо из крупных железобетонных плит, бетонируемых на месте; применяют также железобетонные плиты иногда с волнобойными гребнями (рисунок 20в).

Рисунок 21 - Пример крепления откоса каменной наброски (размеры в м):
1 - обратный фильтр, 2 - гравий или щебень (толщина слоя 0,3 м);
D - диаметр камня крепления
Низовой откос обычно крепится путем посева трав или покрытия дерном с предварительной укладкой слоя растительной земли в 20-30 см; в более редких случаях низовой откос укрепляют одиночной мостовой. В случае возможности волнения в нижнем бьефе, низовой откос приходится крепить до высоты подъема (вкатывания) волн с некоторым запасом, аналогично верховому.
Защитные, или отепляющие, слои на откосах для защиты глинистого грунта экрана или тела плотины от промерзания, если грунт пучинистый, устраивают из песчаного или песчано-гравелистого грунта, толщина слоя 2-3 м.
Нижнюю границу основного крепления следует назначать ниже УМО (уровня мертвого объема) на величину 2Ив (где Ив - высота волны 1 % обеспеченности).
Каменные материалы для крепления откосов следует применять из плотных изверженных и метаморфических пород. Каменную наброску следует применять во всех случаях, когда на месте строительства или вблизи имеется камень, пригодный для крепления, так как каменная наброска позволяет механизировать работы и получить достаточно гибкое крепление.
Каменное крепление устраивается при высоте волны до 2,5 м. При заложении откоса т=1н-3 расчетный вес камня, согласно СНиП 2.06.04-82 можно определять по формуле

где кф - коэффициент, равный для бетонных массивов 0,021 и каменной наброски 0,025;

Yk - объемный вес отдельных камней или массивов;
Yo - объемный вес воды;
т - заложение откоса;
h, A - соответственно расчетные значения высоты и длины волны.
Толщина слоя камня в наброске из несортированного камня / ^ 3Ј>ш, где Dw - диаметр камня весом Q , приведенного к шару (условно)



В сортированной наброске допускается 25% камней, неполномерных по весу, в несортированной наброске - камней расчетного размера и крупнее - не менее 50% от общего количества. Покрытия из наброски камня укладывают на однослойную подготовку из щебенистого материала с коэффициентом неоднородности
·=5ч20 и максимальным размером фракций 100 мм и более. Толщину подготовки принимают в зависимости от высоты волны не менее 35 см и не менее 10 D50.
Каменное мощение по слою гравийной или щебенистой подготовки требует значительно меньше камня, его толщина определятся по формуле

13 EMBED Equation.3 1415
Это крепление менее гибко, требует большей затраты ручного труда, толщина дверного мощения t=0,2-0,5 м. Это крепление применяют при малой высоте волны и наличии дешевого камня.
Бетонные и железобетонные покрытия выполняют в виде монолитных плит или сборных плит. Целесообразно применять бетонное покрытие при крупности камня Dш > 0,4-0,5 м.
Монолитные плиты толщиной 15-50 см имеют размеры от 5Х5 до 20х20 и более, швы между ними бывают открытые и закрытые. Сборные плиты делают толщиной от 8-10 до 15-20 см и размерами 1,5х1,5 до 5Х5 м. Плиты укладываются на сплошном обратном фильтре. Плиты соединяются друг с другом шар-нирно (рисунок 22).

Рисунок 22 - Пример конструкции крепления откоса бетонными плитами (размеры в м): 1 - доски (просмоленные); 2 - втрамбованный щебень толщиной 0,1 м; 3 - ленточный дренаж под швом; 4 - мелкий камень; 5 - гравий или щебень толщиной 0,2 м; 6 – плиты

Толщина железобетонных плит определяется по формуле



где tn - толщина плиты;
В - длина плиты по нормали к урезу воды;
к3 - коэффициент запаса, равный 1,25-1,51;
у6 - объемный вес бетона (обычно 2,4 т/м3).

Под температурно-осадочными швами железобетонных покрытий устраивают многослойные подготовки типа обратных фильтров. В этом случае под покрытие укладывают слой однородного материала, с tj<2 и коэффициентом межслойности со следующим слоем подготовки D5o/^5o=3-^4. Размер наименьшей фракции верхнего слоя подготовки должен удовлетворять условию 0,6 Dmm>b, где Ъ - размер поперечного сечения отверстий в покрытии. Для нижнего слоя, как и при однослойной подготовке, используют материал с 7<20. Толщина слоев фильтра принимается 20-30 см и не менее 8\D50 соответствующего слоя.
6 УСТРОЙСТВА, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ФИЛЬТРАЦИЮ В ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИНАХ
Наиболее часто применяемыми противофильтрационными устройствами в теле плотины являются экраны, понуры и ядра, диафрагмы. Противофильтра-ционные устройства выполняются из суглинков, супесей, глин и пылевых мелкозернистых песков с коэффициентом фильтрации kф<А-103 см/с.
Минимальный размер экрана или ядра поверху назначается из условий производства работ, но не менее 0,8 м (обычно 2-4 м), а понизу из того, что градиенты фильтрационного потока для глинобетона, глины и суглинка не более J=12 м и не менее 2, обычно
·ян„=(0,2 - 0,5) Нпл (рисунок 23), определяется из условия



где
·Н - падение напора в противофильтрационном устройстве. В первом приближении
·Н=Н.

Рисунок 23 - Схемы устройства ядра (а) и экрана (б)
Уклон низовой поверхности экрана по условиям устойчивости назначается не круче 1:3. Сверху экран обязательно прикрывается защитным слоем (рисунок 23).
Возвышение экрана и ядра С, м над расчетным уровнем воды в водохранилище в зависимости от класса капитальности плотины и должно быть не менее величин, указанных в таблице 9.
Таблица 9 - Возвышение противофильтрационных устройств над расчетным уровнем воды
Тип противофильтра-ционного устройства
Величина С при классе плотин, м



1,2 класс
3,4 класс

Экран
0.7
0.5

Ядро
0.5
0.3



6.1 Экраны и понуры
Пластичные экраны и понуры устраивают из глины, глинобетона, суглинка, торфа и асфальта. Материал и толщина экрана должны удовлетворять тем же требованиям, которые предъявляются и к материалам понуров плотин на нескальных основаниях. В верхней части глинистый экран должен быть толщиной не менее 0,75-1 м, книзу он утолщается, достигая максимума толщины на высоте начала кривой депрессии за экраном (1/4-4/8)/
·, где h - высота плотины. Уклон низовой поверхности экрана для придания ему устойчивости против оползания делается обычно не круче 1:3 и поверяется расчетом. Сверху экран обязательно покрывают защитным слоем во избежание размыва и размо-кания, а также промерзания в период зимней сработки водохранилища (рисунок 24).
Битумные экраны обладают нужной водонепроницаемостью и гибкостью на случай деформаций откоса, легко ремонтируются и по стоимости дешевле бетонных. В осуществленных конструкциях они представляют собой асфальтобетонные покрытия толщиной 7-10 см, с арматурной сеткой, на слое гравийной подготовки. Состав покрытия - 8-9% асфальта, остальное - заполнитель из песка и щебня.

Рисунок 24 – Плотина с экраном и понуром на канале имени Москвы Жесткие экраны (бетонные и пр.) в земляных плотинах применяют редко, так как условия их работы здесь неблагоприятны вследствие неизбежных деформаций тела плотины и образования трещин в сплошном бетонном экране. Железобетонные экраны (рисунок 25) несколько лучше. Область возможного применения этих плотин из несвязных грунтов, (песок, гравий) на несжимаемых основаниях.

Рисунок 25 - Железобетонный и стальной экраны
В аналогичных случаях иногда применяют стальные экраны (рисунок 25), обладающие простотой, прочностью и гибкостью, однако они дороги.
6.2 Ядра и диафрагмы
Ядра, устраиваемые из пластичного материала, представляют собой одно из самых распространенных водонепроницаемых устройств в земляных плотинах. Материалом для ядра могут служить глина, суглинок, глинобетон, плотно трамбуемые или укатываемые тонкими слоями.

Рисунок 26 - Плотина с ядром, опущенным до водоупора
Толщина ядра зависит от желаемого снижения кривой депрессии, но поверху она делается минимально 1-1,5 м, внизу же увеличивается в соответствии с высотой плотины h до (1/4ч1/7)h. Ядро располагается в центральной части плотины и доводится, как и экран, до водонепроницаемого слоя в основании (рисунок 26), иногда сопряжение со скалой делается при помощи диафрагмы (рисунок 27а), если скала находится на известной глубине от подошвы плотины или бетонной подушки (зуба) (рисунок 27б) при непосредственном контакте плотины со скалой. Материал ядра должен удовлетворять тем же условиям, что и материал экранов и понуров. Преимущества ядра по сравнению с пластичным экраном заключаются в лучшей защищенности от действия мороза, меньшей опасности вредных деформаций, а также в меньшем объеме материала при том же напоре. Что же касается режима фильтрации, то в плотине с экраном вода насыщает меньшую часть объема тела плотины, чем в плотине с ядром, и потому экран эффективнее.

Рисунок 27 - Сопряжения ядра со скалой: а - при помощи диафрагмы; б - посредством бетонной подушки
Затем при необходимости выполнения перехода экрана или ядра в понур экран выгоднее, так как требует меньше материала. Наконец, он доступнее в отношении ремонта и в период строительства может выполняться после отсыпки тела плотины, что упрощает производство работ по сравнению с плотиной, имеющей внутреннее ядро.
Диафрагмы применяются в тех случаях, когда ядро не может быть устроено из-за отсутствия поблизости от сооружения необходимых материалов (глины или суглинка) или из-за краткости строительного сезона (на севере). Диафрагмы более целесообразны при наличии скального основания, при котором они не получают деформаций от осадок последнего. Диафрагмы выполняются из бетона, железобетона, металла и дерева.

Рисунок 28 - Диафрагмы а и б - бетонные; в - железобетонная
Бетонные диафрагмы имеют большое распространение. Толщина их поверху не менее 0,5-1 м, внизу (1/6ч1/10)/? и даже меньше.
Примеры бетонных диафрагм приведены на рисунке 28. С напорной стороны диафрагмы, покрываемой торкретом или битумом, иногда располагают водонепроницаемый слой грунта (глины, суглинка) на случай появления трещин в диафрагме; с низовой же стороны желателен пористый грунт с отводом дрен от него в нижний бьеф.
Во избежание появления температурных трещин в диафрагмах делают вертикальные температурные швы (через 25-30 м), закладывая в них в особых колодцах, заполненных битумом, водонепроницаемые прокладки, как вообще в швах бетонных стен. Сопряжение со скальным основанием делается при помощи шарнирного или скользящего горизонтального шва (рисунок 28а). Жесткое закрепление допускается в плотинах небольшой высоты.


Рисунок 29 - Гравийная плотина с железобетонной диафрагмой
Железобетонные диафрагмы менее распространены, чем бетонные, ввиду их дороговизны. Толщина их меньше: от 0,3-0,4 м поверху и до (1/10ч1/15)/? понизу; армирование достигает 0,3-0,6% (рисунок 28в).
В шведской гравийной плотине Хеллефорсен железобетонная диафрагма имеет толщину всего 0,25-0,5 м (рисунок 29). Диафрагма опирается на основание в виде бетонной стенки, устроенной в аллювии до скалы между двумя шпунтовыми рядами. Скользящий шов в основании диафрагмы доступен осмотру через особую штольню и шахты.
Деревянные диафрагмы применяют редко, вследствие их недолговечности (допускаются в плотинах III класса). Они устраиваются в виде нескольких рядов шпунтовых стенок с прокладкой толя или битумных матов между рядами; для увеличения долговечности дерево пропитывают антисептиками.
Стальные диафрагмы выполняют или в виде шпунтовой стенки или из листового металла с гибкими швами.
6.3 Дренаж земляных плотин
Дренаж земляных плотин является чрезвычайно важным и в большинстве случаев обязательным мероприятием и применяется в следующих видах: а) дренаж тела плотины; б) дренаж основания; в) дренаж откосов.
Дренаж тела плотины имеет целью понижение линии депрессии, недопущение выхода фильтрационной воды непосредственно на низовой откос плотины и организованный отвод фильтрационных вод в нижний бьеф. Так как дренаж сокращает путь фильтрации, увеличивает скорости и градиенты, то возможен вынос в него мелких частиц грунта, поэтому дренажи обязательно снабжают по поверхности обратными фильтрами.
Дренаж плотины осуществляется разными способами.

Рисунок 30 - Типы дренажей: а - дренажная призма; б - плоский дренаж (дренажный тюфяк); в - каменный трубчатый дренаж; г -дренаж откоса

Дренажная призма из камня (рисунок 30а) представляет собой один из весьма распространенных и простых типов дренажа, служащего одновременно и хорошим упором для низового откоса (при надежном основании). Высота призмы определяется наивысшим положением уровня воды нижнего бьефа с обеспечением запаса 0,5-1 м на волнение; но она может быть и увеличена, если это диктуется экономическими соображениями (например, использование камня выемок), особенно в каменно-земляных плотинах. При недостатке камня верхняя часть затопляемого паводком низового откоса выше дренажной призмы может быть покрыта наслонным дренажем с обратным фильтром (рисунок 30а). При нехватке камня дренажная призма может быть выполнена из коротких бетонных дренажных трубок круглого или многогранного сечения.
Недостатком дренажа в виде каменных призм являются трудность ремонта в случае забивки (засорения) обратных фильтров, потребность в довольно значительном количестве камня, если требуется более глубокий дренаж, возможность деформации призмы и основания, если последнее сложено из слабых мелкозернистых грунтов.
Дренажные тюфяки (или плоский тюфячный дренаж) представляют собой слои камня или щебня, окруженные обратными фильтрами и выдвинутые вглубь тела плотины для более эффективного понижения линии депрессии (рисунок 306). В соединении с дренажной призмой в основании откоса тюфяки являются одним из лучших и наиболее простых решений глубокого дренажа плотины и основания. Наибольшее заглубление тюфяка внутрь тела плотины может быть до 1/3 ширины подошвы плотины и даже более.
Трубчатый дренаж из каменных дрен (рисунок ЗОв) или дренажных труб, укладываемых по основанию плотины на желаемом расстоянии от низового откоса, является более экономичным, чем плоский дренаж или дренажные призмы.
Собираемая трубчатыми дренами вода отводится в нижний бьеф поперечными дренами. Недостаток этого типа дренажа - возможность забивки, а при деформирующемся основании - возможность расстройства дренажа из-за неравномерной осадки дрен.
Центральный дренаж осуществляется при устройстве диафрагм, о чем упоминалось выше, непосредственно за ними, для сбора и отвода профильтровавшихся вод.
Наслонный дренаж, или дренажное покрытие откоса (рисунок 30а, в), требует материала меньше, легко ремонтируется, но понижение кривой депрессии не дает, цель его - лишь защита откоса от фильтрационного вымыва грунта. Зимой его бесперебойная работа находится под угрозой из-за промерзания, во избежание чего его покрывают иногда пористым защитным слоем.
Дренаж: откосов имеет назначением быстрый отвод атмосферных вод с поверхности откосов; он выполняется либо в виде дренажных канав или полос по откосу (рисунок 30г), заполненных гравием, щебнем, камнем с собирательными канавами у подножия откоса по берегам, либо иногда, при суглинистых откосах, в виде дренажных труб, заложенных близ поверхности откоса.
Дренаж основания неизбежно осуществляется в известной степени при дренаже тела плотины дренажными призмами, тюфяками и т. п. Более интенсивный дренаж основания может потребоваться, например, в случае постройки плотины сравнительно быстрыми темпами на глинистом или суглинистом основании, когда появляется опасность выпирания грунта под действием избыточного гидростатического давления грунтовых вод основания. Дренаж основания устраивается так же, если малопроницаемый слой основания подстилается проницаемым и необходимо уменьшить гидростатическое давление на верхний слой, угрожающее выпором последнего за плотиной. Дренаж основания в этом случае устраивается из ряда дрен и буровых скважин с фильтрами (рисунок 31) или трубами из пористого бетона.

Рисунок 31 - Дренаж основания и сборный кювет
Отвод дренажных вод. Фильтрационные воды дренажной системы плотины собираются обычно в кюветы у подножия низового откоса, в которое направляются и воды дренажных скважин основания (рисунок 31). Кюветами вода отводится в русло реки, являющееся коллектором дренажных вод.
6.4 Противофильтрационные устройства в основании плотины
Конструкция противофильтрационных устройств в основании плотины зависит от характеристики проницаемых грунтов.
1. Мощность проницаемых (коэффициент фильтрации грунтов основания ко больше коэффициента фильтрации тела плотины или ее противофильтрационного элемента к0>кт или к0>кя) грунтов (алювий, деллювий, эллювий) велика, и практически водоупор находится на недосягаемой для шпунтовой стенки, грунтовой стенки или даже инъекционной завесы глубине.
В этом случае в основании может устраиваться «висячая» инъекционная завеса или завеса, доведенная до водоупора, если плотина имеет ядро или диафрагму. Глубина завесы (0,5-1)Н, где H- напор на сооружение (рисунок 32).
Если плотина однородная или с экраном может устраиваться понур (рисунок 33), то длина понура определяется на основе фильтрационных расчетов. В первом приближении Lnoн=(1,5-2,5)H. Толщина глиняного понура 0,5-1 м, по мере приближения к экрану увеличивается до 1-2 м. Толщина понура проверяется по допустимому градиенту Jdon=3-10.



где АН - разность давлений на понур сверху и снизу. Устанавливается по эпюре противодавления.

Рисунок 32 - Плотина с иньекционной завесой: 1 - бетонный зуб; 2 - ядро; 3 - горизонтальный дренаж; 4 - инъекционная завеса
2. Мощность проницаемых аллювиальных отложений такова, что их можно пересечь шпунтовой стенкой (до 40 м), грунтовой стенкой (до 80 м) или инъекционной завесой (до 100-200). В этом случае устройство этих противофильтрационных конструкций возможно при строительстве плотины с грунтовым ядром или экраном, а также с негрунтовым экраном или диафрагмой (рисунок 33).
3. Мощность проницаемых отложений мала (до 10-20 м). Возможно применение разнообразных устройств в основании плотины.

Рисунок 33 - Плотина с грунтовым ядром и стенкой:
1 - глиняное ядро; 2 - фильтр; 3 - аллювий; 4 - зона бетонитового раствора;
5 - армобетонная стенка 0,6 м; 6 - понур

Рисунок 34 - Плотина с ядром и зубом:
1 - ядро; 2 - каменная наброска; 3 - переходные зоны; 4 - цементационная галерея;
5 - цементационная завеса; 6 - бетонная стенка-диафрагма
При проектировании плотины с ядром возможна выемка проницаемого аллювия и сопряжения ядра непосредственно с водоупором в виде замка из материала ядра или бетона (рисунок 34).
При подготовке основания во всех случаях следует предусматривать удаление растительного слоя на глубину от 0,3 до 1 м.
6.5 Сопряжение упорных призм грунтовых плотин с основанием
Возводить упорные призмы из значительно более прочного (со значениями
· и C) материала, чем основание, не всегда целесообразно, идти на это следует только при отсутствии менее прочного и более дешевого материала. В
этом случае необходимо предусмотреть мероприятия повышения прочности и снижения деформируемости основания созданием дренажа.
Если в основании залегают равнопрочные телу упорных призм грунты, в этом случае следует убрать только растительный слой.
В случае скального основания, прикрытого рыхлыми небольшой мощности отложениями, должны быть определены прочностные показатели отложений. Если эти показатели (<р и С) ниже, чем у грунта упорных призм, то рыхлые отложения должны быть убраны.
6.6 Обратные фильтры
Увеличение градиентов и скоростей фильтрации в случае устройства дренажа усиливает опасность суффозии грунта. Защитным мероприятием против последней являются обратные фильтры, которые играют вообще очень важную роль в гидротехнических сооружениях, подверженных фильтрации.

Рисунок 35 - Схемы обратных фильтров
Обратный фильтр устраивается обычно из нескольких слоев несвязных грунтов различной крупности, уложенных нормально направлению фильтрационных токов и в порядке возрастания крупности частиц по ходу фильтрации (рисунок 35). Такое расположение слоев при правильном подборе их состава препятствует суффозии грунта даже при весьма значительных градиентах фильтрации J в опытах до 7-20 и более. Поэтому обратные фильтры следует укладывать при выходе фильтрационных вод в дренажи, в нижний бьеф и в наброску камня, гальки, и т. п.
Фильтр должен удовлетворять следующим условиям:
частицы одного слоя его не должны проходить через поры другого, более крупного;
не должно происходить перемещения частиц внутри каждого слоя;
частицы защищаемого грунта не должны выноситься через фильтр, за исключением мельчайших, вынос которых считается допустимым;
фильтр не должен заиляться.
Легче всего удовлетворить эти требования, устраивая слои фильтра из однородного грунта, специально подобранного или отсеянного. В таком случае надо только обеспечить непроходимость частиц диаметром d одного слоя через поры следующего слоя с частицами размером D, для чего нужно, чтобы

13 EMBED Equation.3 1415
Здесь цифра 7 характеризует геометрическую непроходимость шаров диаметром d через поры между шарами диаметром D, цифра 20 - то же для реальных частиц песка и гравия при фильтрации воды в них (максимальное значение).
Но так как такой фильтр из отсеянного грунта был бы очень дорог, то практически фильтр подбирают из грунтов лишь относительно однородных. Для устройства обратных фильтров используют песчаные, гравелистые и щебенистые материалы с коэффициентом неоднородности т] = D60/D/o ^ 10.
При подборе состава обратных фильтров при нисходящем фильтрационном потоке можно воспользоваться графиком В. С. Истоминой (рисунок 36).
В соответствии с этим графиком пригодность материала для первого слоя фильтра определяется соотношением его коэффициента неоднородности Jl=d6o/dw и отношения D50, d50 (размеры соответственно: d50 для предыдущего слоя, D50 для последующего слоя).
Однако в таких грунтах количество мелких, легко вымываемых фракций с d меньше 0,1 мм не должно превышать 5%, вымыв такого количества мелких фракций не нарушает структуры остающегося грунта. Для уменьшения процента фракций d<0,\ мм может быть применен отсев и промывка песка.
Обратный фильтр состоит из отдельных слоев грунта. Крупность частиц, образующих слои фильтра, возрастает по направлению течения грунтовой воды.
Число слоев фильтра обычно принимают 2-3 слоя. Толщина отдельных слоев при ручной укладке слоя 5 > 10 см, при механизированной 5> 20 см, при отсыпке в воду д> 50-75 см.

Рисунок 36 - Графики для подбора состава обратных фильтров дренажей в песчаных грунтах: а - в восходящем потоке; б - в нисходящем потоке при толщине фильтра 1 м и 20 мм; в - в нисходящем потоке при 20 см для гравия и гальки; г - то же для щебня.
Ниже кривых - область допустимых характеристик
Если точка, отвечающая некоторым значениям
· и 13 EMBED Equation.3 1415располагается на графике ниже соответствующей прямой, то фильтр считается пригодным.
Кроме того, необходимо, чтобы kф первого слоя фильтра не менее чем в 4 раза превышал kф защищаемого материала, т.е.
13 EMBED Equation.3 1415 Это условие выполняется, если Dl0/ d10 > 2ч3.
ПРИМЕР
Определить среднюю крупность и число слоев обратного фильтра однородной земляной плотины со средней крупностью частиц d50 = 0,015 мм.
Имеется крупнопесчаногравелистый грунт
·= 8 и DI 50= 0,3 мм. По


графику (рисунок 36) определяем, что этот грунт (D50/ d50=0.3/0.015=20) может быть использован для фильтра.
Второй слой из грунта с коэффициентом неоднородности
·
·10. Для
·=10и DI50/DII50>18 определяемDII50 =18
·0.3=5.4 мм.
Третий слой необходим в связи с тем, что имеется дренаж из камня крупностью Dд=8 см. При коэффициенте неоднородности
·=З требуется слой фильтра (рисунок 37).
DII50/DI50 > 10, т.е. DIII50> 5,4 мм

Рисунок 37 - Схема устройства обратного фильтра
Во всех случаях применения дренажа основания плотин на нескальных грунтах должны быть уложены обратные фильтры под дренажными отверстиями (рисунок 35); самые отверстия в бетоне закладываются на некоторую высоту слоями щебня и камня тоже в порядке возрастающей крупности по ходу фильтрации во избежание выпора фильтра в отверстие или вымыва его при больших скоростях надземного потока.
Толщина слоев фильтра бывает от 20 до 50 см; меньшие значения - для слоев фильтра из подобранного однородного материала, большие - для менее однородных смесей; производственные соображения (условия укладки) могут заставить иногда еще более утолстить слои фильтра. Число слоев фильтра обычно три, реже - два. Фильтры обладают иногда свойством заиляться, или «забиваться» мельчайшими коллоидными частицами и отложениями солей, образующими как бы водонепроницаемую пленку между грунтом и первым слоем фильтра. В песчаных грунтах этот процесс маловероятен и не опасен, если слои фильтра правильно подобраны (хотя и в них возможно частичное заиление фильтра), но в глинистых грунтах такая пленка может иногда совершенно закупорить фильтр. Возобновление работы последнего может последовать только после уничтожения пленки, что может быть сделано разборкой фильтра и удалением пленки, заменой материала фильтра или промывкой фильтра обратным током воды под напором. Так как практически еще не найдено целесообразной конструкции, обеспечивающей смену материала фильтра или промывку его, то приходится в ответственных случаях считаться с возможностью полной или частичной забивки фильтра и дренажа и увеличения фильтрационного давления почти до полного, которое имело бы место при отсутствии дренажа.
6.7 Фильтрационные расчеты
Фильтрационными расчетами следует определять: положение фильтрационной поверхности потока (депрессионной кривой) в теле плотины и берегах; фильтрационный расход воды через тело плотины, основания и берега, напоры (или градиенты) фильтрационного потока в теле плотины и основания, а также в местах выхода в дренаж.
Однородные плотины на водонепроницаемом основании
1. Плотина без дренажа


Расход на 1 п.м её длины
где
km-коэффициент фильтрации тела плотины;
Lp-расчетная длина пути фильтрации;
a-превышение точки выклинивания депрессии на низовой откос над уровнем воды в нижнем бьефе.
Н2-глубина воды в нижнем бьефе.
13 EMBED Equation.3 1415
где S=
·H+m1
·H+b+m2Hпл;

·H-превышение гребня плотины над НПУ:



Ординаты кривой депрессии вычисляют по уравнению:

13 EMBED Equation.3 1415
Плотина с трубчатым дренажом
13 EMBED Equation.3 1415

Фильтрационный расход на 1 п.м её длины
13 EMBED Equation.3 1415
Где Lp=L+
·H1

Ординаты кривой депрессии вычисляются по уравнению
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 1415
Кривая депрессии исправляется визуально в зоне откоса.
3. Плотина с дренажной призмой






При Lp=L+
·H1+mnH2/3;
тп - коэффициент внутреннего откоса дренажной призмы. Превышение точки выклинивания кривой депрессии над уровнем воды в нижнем бьефе на внутренний откос дренажной призмы определяется


где/C/nJ принимается в зависимости от тп.
т„
0
0,5
1
1,5
2
2,5

f(m,J
0,74
0,51
0,36
0,28
0,22
0,18



Ординаты кривой депрессии вычисляются по уравнению

13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415

Кривая депрессии исправляется визуально в зоне верхнего откоса.
4. Плотина с наклонным дренажом при отсутствии воды в нижнем бьефе

13 EMBED Equation.3 1415
Где Lp=L+
·H1
13 EMBED Equation.3 1415
при т2 > 1 значение f(m2) = 0,51 + т2, при т2 < 1 значение f(m2) = 0,7 + 0,8 т2.
Кривая депрессии строится по уравнению
13 EMBED Equation.3 1415

Кривая депрессии исправляется визуально в зоне, где hx
·H}-q/km .
5. Плотина с наклонным дренажом при наличии воды в нижнем бьефе

13 EMBED Equation.3 1415
Где Lp=
·H1+
·Hm1+b+m2(Hпл-H2)
Выклинивание кривой депрессии выше уровня воды в нижнем бьефе а
13 EMBED Equation.3 1415
где
Ординаты кривой депрессии вычисляются по уравнению

13 EMBED Equation.3 1415
Кривая депрессии исправляется визуально в зоне верхового откоса.
Однородные плотины на водонепроницаемом основании конечной мощности Т.
6. I Глотана без дренажа (к,„ = кос)
Расход через плотину на 1 п.м её длины вычисляется
13 EMBED Equation.3 1415
7. Плотина с трубчатым дренажом (кт = кос)

8. Плотина с дренажным банкетом



-75-
9. Плотина с трубчатым дренажом на водопроницаемом основании.
к < к
"-т ^ "-ос


Кривая депрессии исправляется в зоне верхового откоса.
Плотины неоднородные на малопроницаемом основании
10. Плотина с ядром (кт/ кя < 100).
По способу виртуальных длин плотину приводят к однородной, причем




13 EMBED Equation.3 1415

В первом приближении принимают Нв - Я/, HH = Н2, затем их уточняют расчетом.

Величина обратная гиперболическая функция ко

синуса, определяется через логарифмическую функцию
13 EMBED Equation.3 1415
Если кя = кос, тогда


13 EMBED Equation.3 1415


Величины q и hx определяются после приведения плотины к однородной по формулам (17), (21), (33), (34).
11. Плотина с экраном.
По способу виртуальных длин плотину приводят к однородной, причем


13 EMBED Equation.3 1415



В первом приближении Нн=Н2

Если kэ=koc
, тогда


Расчет q и hx производится по формулам (17), (21).
Плотины неоднородные на водонепроницаемом основании конечной мощности (кос = кт).
12. Плотина с экраном, понуром, трубчатым дренажом или дренажным банкетом.
13 EMBED Equation.3 1415
где
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Для схемы (а)
13 EMBED Equation.3 1415
th(X)- тангенс гиперболический

13 EMBED Equation.3 1415
Ординаты кривой депрессии вычисляются по уравнениям :
а) с трубчатым дренажом - уравнения (61), (62), (63);
б) с дренажным банкетом - уравнения (51), (52), (53).

Для схемы (б)

(83) 7.УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
На земляную плотину действуют следующие силы: гидростатическое давление воды, вес плотины и различные второстепенные нагрузки, как давление льда, волн и пр.
Минимально возможный профиль земляной плотины представляет собой трапецию с откосами, обычно не круче 1:1,5. Вес плотины такого профиля настолько значителен, что о сдвиге ее под действием горизонтальных сил не может быть и речи, в этом можно убедиться из элементарного расчета. Поэтому нет необходимости делать поверку земляной плотины на сдвиг.
Неустойчивыми могут оказаться откосы плотины как сами по себе, так и в связи с недостаточной устойчивостью основания.
7.1 Устойчивость земляных откосов
Вопрос об устойчивости земляных откосов изучался многими исследователями. Накоплен большой материал по изучению аварий откосов.
В настоящее время можно считать, что в насыпях из сыпучих (несвяз ных) грунтов, лишенных сцепления и обладающих лишь внутренним трением, если отсутствуют фильтрационные силы, устойчивый откос представляет со бой плоскость, наклоненную к горизонту под углом
·, где
· - угол внутреннего трения или естественного откоса. Всякий откос с углом наклона
·>
· является неустойчивым и наоборот.
В связных грунтах устойчивость откосов зависит от сопротивления сдвигу, создаваемого внутри грунта, по принятому представлению, трением и сцеплением между частицами, причем роль последнего бывает нередко весьма значительной, особенно при наличии хорошего искусственного уплотнения грунта, производимого катками.
7.2 Расчет устойчивости земляных откосов
Как правило, откосы земляной плотины не являются однородными по составу; даже в плотине из однородного грунта часть последнего, лежащая ниже кривой депрессии, имеет иные физические свойства, чем вышележащей сухой грунт: иной объемный вес, иное сцепление, наличие фильтрационных сил. Кроме того, в большинстве случаев основание плотины может деформироваться вместе с откосами.
Целью расчета является определение коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины заданного поперечного профиля.
При проверке устойчивости низового откоса основным расчетным случаем является схема с установившимся фильтрационным потоком в теле плотины, уровень верхнего бьефа на отметке НПУ, а уровень нижнего бьефа -максимальный.
Минимальные допускаемые коэффициенты запаса устойчивости откосов при основном и особом сочетании нагрузок, установленные СНиП в зависимости от классов капитальности сооружения приведены в таблице 10.

Таблица 10






Сочетание нагрузок
Допускаемые коэффициенты запаса устойчивости откосов плотины



I
II
III
IV

Основное
1,3-1,25
1,2-1,15
1,15-1,1
1,1-1,05

Особое
1,1-1,05
1,1-1,05
1,05
1,05

Предполагается, что в грунте плотины и основания может образоваться поверхность обрушения, принимаемая за круглоцилиндрическую, по которой под действием сил веса грунта откоса произойдет сползание его и выпучивание основания. Оползание будет иметь место, если момент веса G грунта в пределах, отсекаемых круговой поверхностью, относительно центра вращения О M=Gg будет больше момента сил трения и сцепления по поверхности скольжения.
1) Выбор радиусов и положения центров кривых скольжения
Обычно расчет производится для ряда точек центров кривых скольжения, выбираемых в области центров наиболее опасных кривых.
По В.В.Фандсеву, эта область расположена между двумя прямыми, восстановленными из центра откоса (рисунок 38) под углом 85° и перпендикулярно к основанию плотины.
Между этими прямыми из центра откоса проводятся две дуги окружности радиусами, зависящими от заложения откоса и высоты плотины Нпл (таблица 11).

Таблица 11







Относительные радиусы
Заложение откосов



1:1
1:2
1:3
1:4
1:5
1:6

r1/Нпл
0,75
0,75
1.0
1,5
2.2
3,0

r2/Нпл
1,5
1,75
2,3
3,75
4,8
5,5



Рисунок 38 - Области центров наиболее опасных поверхностей скольжения
При промежуточных значениях заложения откосов величины r1/Нпл и r2/Нпл принимаются по интерполяции. В этой области и принимаются ряд точек центров, последовательно приближаясь к наиболее опасной области. Лучше всего в начале принимать первым центром точку OI на расстоянии 0,5(r1 + r2) по прямой, проведенной под углом 85° к откосу. Затем точку 02 (рисунок 20) и точку 03 между ними. Если при этом величина kс растет, то переходят за область точки O1 во внешнюю сторону. После нахождения минимума на этой прямой от центра с минимальным значением kс выбирают ряд точек в направлении прямой 2-2 до тех пор, пока не отыщется центр с минимальным значением kс.
Для каждой точки значение предельных радиусов кривых скольжения, больше которых принимать не следует, определяется по таблице 12.
Таблица 12
Т/Нпл Т-глубина залегания водоупора зазазалегания водоупора

Значение R/Hпл, при
заложении откосов




1:1
1:2
1:3
1:4
1:5
1:6

0,25
1,5-2,0
1,6-2,2
2,3-3,0
3-4,5
4-5,5
5-6,5

0,5
1,5-2,3
1,8-2,6
2,4-3,2
3-4,5
4-5,5
5-6,5

7.3 Метод определения коэффициента устойчивости откоса
После выбора начальной точки центра кривой скольжения принимается один из методов расчета коэффициента устойчивости.
Метод ВОДГЕО. В пределах кривой скольжения откос и основание плотины разбиваются на ряд столбиков одинаковой ширины, равной b=0,1R, где R - радиус кривой скольжения. На вертикали, опущенной из центра кривой скольжения, находится центр начального столбика. Нумерация расчетных столбиков вверх по откосу положительная, вниз по откосу - отрицательная. Начальный столбик имеет номер 0.
Для каждого столбика устанавливается объемный вес каждого слоя (приложение) грунта, угол внутреннего трения (по заданию) и высота каждого слоя грунта. При указанных выше размерах по ширине столбика, равных 0,1R, угол а между вертикалью, опущенной из центра кривой скольжения, и линией, проведенной из этого центра к центру основания каждого столбика, будет определяться синусом угла

13 EMBED Equation.3 1415 (84)
где n – порядковые номер столбика (рисунок 39). Тогда

13 EMBED Equation.3 1415 (85)

Коэффициент устойчивости для всей массы грунта выше кривой скольжения запишется в виде

13 EMBED Equation.3 1415 (86)

где Gn – общий вес n-го столбика, определяемый как

13 EMBED Equation.3 1415 (87)

Значения h`n, h``n, hn``` определяются графически по масштабу (рисунок 39),
с - коэффициент сцепления грунта (по заданию), ln - длина дуги в пределах n -го столбика, по которой происходит сдвиг.
В расчетах при одинаковом коэффициенте сцепления вдоль кривой скольжения можно длину дуги (рисунок 39) определить
13 EMBED Equation.3 1415 (88)
W
· =
·
·
·y
·J произведение площади фильтрационного потока выше кривой
скольжения (cd^) на объемный вес воды и средний уклон J фильтрационного потока выше уровня воды в нижнем бьефе; а
· - расстояние от центра тяжести
·
· до центра кривой скольжения (рисунок 21).

13 678 15 c
·l

l,м

с,т/м2


·hi
·
·i
·sin
·


·hi
·
·i
·cos
·
·tg
·


·hi
·
·i
·cos
·


·hi
·
·i

h``
·
·3

h``
·
·2

h`
·
·1

h```,м

h``,м

h`,м

cos
·

sin
·

Номер отс.


При вычислении кс по формуле (36) объемный вес грунта в зоне насыщения водой должен приниматься с учетом взвешивания водой, т.е.

·взв =
·ест -(1 -П)
·, (89)
где уест - объемный вес грунта в естественном состоянии (приложение А);
у- объемный вес воды, 1 т/м3;
п - пористость грунта (приложение А).
Расчет удобно сводить в таблицу (форма таблицы на рисунок 39). Полученный по расчету кс должен удовлетворять условию
кс>[кдоп]. (90)
Если кс превышает значение коэффициента запаса кдоп по таблице 5 более чем на 15%, то предварительно назначенный профиль плотины надо полагать неэкономичным и необходимо его обжать (уменьшить).
7.4 Расчет устойчивости экрана и защитного слоя
Расчет устойчивости экрана рассматривают для 1 м длины плотины, он сводится к определению коэффициента запаса на устойчивость экрана.
13 EMBED Equation.3 1415 (91)
где F- сила трения от веса экрана на 1 п.м,
Т - сдвигающая сила от веса экрана (рисунок 40).
[к3] = 1,15 -1,25.
Пренебрегая отпором грунта призмы ABC величины Т и F определятся по формулам
T=Gsin
·; (92)
F=G cos
· tg
·, (93)

Рисунок 40 - Схема к расчету устойчивости экрана
где <р - угол внутреннего трения грунта экрана, в- угол наклона экрана к горизонту; G=
·
·
·ср
·l - вес l п.м экрана или защитного слоя.
Коэффициент запаса на устойчивость экрана

8 КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫЕ И КАМЕННО-НАБРОСНЫЕ ПЛОТИНЫ
Плотины из каменных материалов без применения вяжущего являются одним из весьма экономичных типов водонапорных сооружений в районах, удаленных от существующей дорожной сети и богатых камнем.
Плотины этого типа известны были еще в 16 и 17 вв., когда для прудового хозяйства и других целей строились невысокие плотины из речного галечника. Применение камня, получаемого из карьеров, началось значительно позже - в 70-х годах прошлого столетия, с начала 20 в. строительство плотин из камня без применения вяжущего стало распространяться во всех странах, особенно богатых камнем.
8.1 Виды плотин из камня
Тело таких плотин может быть образовано:
наброской камня или мелких каменных материалов - щебня, галечника и пр. (рисунок 41а);
правильной сухой кладкой (рисунок 416), когда камни подбираются так, чтобы получить более или менее плотное каменное тело с перевязкой швов в рядах камня;
тем и другим способом. В соответствии с этим различают: а) плотины из каменной наброски, или каменнонабросные, или просто набросные; б) плотины из каменной сухой кладки, или из кладки камня насухо; в) плотины, тело которых образовано и тем и другим видом каменной кладки, называются набросными со стенкой из сухой кладки (рисунок 41 в), или полунабросными.
Поперечное сечение каменнонабросных плотин и плотин из сухой кладки представляет собой обычно трапецию, откосы которой зависят от характера укладки камня и бывают в пределах от 1:0,5 до 1:2.

Рисунок 41 - Типы набросных, из сухой кладки, полунабросных и смешанных плотин
Наброска и сухая кладка камня имеют крупные пустоты и, естественно, проницаемы для воды. Водонепроницаемость плотин обеспечивается поэтому специальными устройствами: экранами по напорному откосу плотины (рисунок 41а, б, в, г), диафрагмами или ядрами внутри тела плотины (рисунок 41д,
е).
Экраны выполняются или из жестких материалов (бетона, железобетона, дерева, металла) или из пластичных (глины, суглинка, торфа, асфальта) (рисунок 41 г). Обычно экраны из жестких материалов укладывают не непосредственно на наброску, а на слой подэкрановой сухой кладки, располагаемый на
наброске (Рисунок 41а) Пластичные экраны можно, как показали новейшие
лучше - обратный фильтр.
8.2 Плотины набросные смешанные - и, каменной наброски и других
Помимо типов плотин, указанных выше, в практике встречаются плотины смешанного типа: из каменной наброски и земли, играющей важную роль расширенного экрана (рисунок 41ж), из каменной наброске бетонной ли бетонной кладки (рисунок 41 з), возможны плотины из каменной наброски и ряжей и др. Во всех типах каменная наброска занимает большую часть сечения плотины.
8.3 Возможность пропуска воды набросными плотинами
Каменнонабросные плотины строятся, как правило, глухими, недпускающими перелива воды через гребень; водосборные устройства в теле плотины так же нежелателmы, как и земляных плотинах. Плотины небольших напоров уже давно строились водосливными (рисунок 42а), а последние данные указывают на возможность строить и более высокие набросные плотины водосливными (рисунок 42б) с соответственным укреплением водосливной грани.


Рисунок 42 - Переливные и фильтрующие набросные плотины
8.4 Материал для набросных плотин и его укладка. Общие требования
к камню для наброски в плотины
Как всякие материал в плотиностроении, камень в данном случае должен обладать достаточной прочностью, водоустойчивостью и стойкостью против
выветривания (морозоупорностью).
Прочность скальных пород, пригодных для набросных плотин, необходима для приятия нагрузок от собственного веса плотины и давления воды; вместе с тем, как правило, высокая прочность обеспечивает и более высокую водоустойчивость и стойкость против выветривания. Технические условия требуют, чтобы камень после 24-кратного замораживания обладал пределом прочности при сжатии для плотин высотой до 15 м-500-600 кг/см2, а для более высоких плотин - 700-800 кг/см ; твердость по шкале Мооса должна быть не менее 3.
Дополнительной характеристикой камня является его вязкость, придающая ему способность сопротивляться динамическим нагрузкам - ударам при сбрасывании его в тело набросной плотины и ударам обрабатывающих инструментов при теске, расклинцовке его (для сухой кладки) без раскалывания на мелкие куски и отдельности.
При выполнении указанных выше требований прочности, камень обладает обычно и достаточным объемным весом и сопротивлением физическому выветриванию, морозоупорен.
Для плотин менее ответственных можно допустить камень и с меньшим пределом прочности на раздавливание, например, до 400 кг/см2, при условии достаточного сопротивления выветриванию.
Водоустойчивость камня характеризуется сопротивляемостью его химическим разрушениям (выщелачиванию, распаду под влиянием фильтрационных и атмосферных вод) и потерей прочности под влиянием насыщения водой (размокание, размягчение); необходимость водоустойчивости для постоянных сооружений из камня очевидна.
8.5 Размеры и форма камня
Кроме приведенных общих характеристик для набросных плотин важны еще размеры и форма камня, получаемого в карьере. Эти оба свойства влияют на пористость или, как говорят, пустотность наброски, величину осадки тела плотины и крутизну устойчивого откоса. Чем ближе по форме камни к шару, тем лучше они будут опираться друг на друга в наброске, тем меньше будет опасность смятия и окалывания острых выступов, раскалывания на части и, тем, стало быть, меньше будут деформации кладки, в результате которых происходит осадка тела плотины. Чем крупнее камень, тем меньше (числом) по высоте плотины точек соприкосновения камней, в которых происходят местные смятия, и пр., тем меньше общая осадка сооружения. Наконец, чем крупнее камень, тем более крутым откосом он ложится в наброске.
Поэтому следует требовать, чтобы соотношения размеров камня - наименьшего и наибольшего, применяемого в наброску, отличались друг от друга не более чем в 3-3,5 раза. Минимальный вес отдельных камней должен быть не ниже 80 кг; для высоких плотин камни такого веса должны быть лишь в известном проценте (20-30%), а остальные должны быть крупнее. В современные плотины укладывают камни весом 0,5-1 т, а на низовом откосе (для создания упора) в несколько тонн. Конечно, можно построить плотину и из мелкого камня, щебня, гальки и гравия, но эта плотина потребует более пологих отко-
сов, т.е. потребует большего объема материала и даст более значительную осадку, с которой надо считаться.
Заполнение пустот наброски каменной мелочью, т.е. обычными при разработке карьеров отходами камня, весьма полезно, так как увеличивает вес наброски и уменьшает ее осадку, поскольку заполнители пустот препятствуют в известной мере деформациям крупных камней. Но, вместе с тем, чрезмерное количество каменной мелочи может привести к тому, что нагрузка в плотине будет передаваться не крупным камням, а мелочи, что поведет к увеличению осадки плотины и уменьшению устойчивости ее откосов. Поэтому объем каменной мелочи в плотине ограничивается обычно 3-5, реже 7%, хотя при тщательном распределении мелочи и хорошем надзоре можно без вреда уложить иногда и больший процент мелкого материала.
Для плотины из сухой кладки, в частности для подэкрановой кладки, камни по форме должны быть постелистыми, по возможности правильной формы, с соотношением ширины к толщине не менее 2 и длины к толщине не более 3-4; минимальная толщина камня - 0,2 м.
8.6 Породы камня, пригодные для наброски и сухой кладки
Исходя из требований, изложенных выше, можно считать вполне пригодными для набросных плотин:
а) изверженные породы - гранит, сиенигг, габбро, диоригг, порфир, пор фирит (если нет следов выветривания), диабаз и базальт (последний - в зависи мости от степени выветренности, зернистости, характера отдельностей) и др.;
б) осадочные - песчаники кремнистые (не глинистые и не мергелистые), кварциты, плотные известняки и плотные доломиты (для плотин ограниченной высоты).
Некоторые из этих пород иногда обладают не совсем благоприятными качествами, например, гранит иногда содержит пирит в большом количестве, что недопустимо, порфирит иногда сильно разрушен выветриванием, базальт обладает часто столбчатой отдельностью и вообще непостоянством своих технических качеств. Поэтому качества породы должны быть хорошо изучены в лаборатории и путем полевого обследования, а также путем опытной разработки в карьере для выяснения вязкости, характера дробления при взрыве и количества отходов, которое оказывает значительное влияние на экономичность сооружения.
Непригодными для наброски являются сланцевые породы, раскалывающиеся тонкими слоями, мергели, опоки и другие полускальные породы; гнейсы, кварцитовые и другие более прочные сланцы в отдельных случаях можно использовать в неответственных плотинах. Непригодны также различные лавы, туфы, брекчии, вследствие малого объемного веса и слабой сцемен-тированности, трахиты - из-за легкой выветриваемое™.
8.7 Виды наброски камня
Наброска камня выполняется обычно путем сбрасывания камня с эстакад; высота сбрасывания колеблется от 6-8 до 25-45 м. Допустимая по прочности породы высота сбрасывания камня устанавливается опытом, причем следует стремиться к наибольшей возможной высоте, так как это ведет к лучшему уплотнению наброски и меньшей последующей ее осадке.
Обычная наброска дает значительную осадку, иногда до 5% и более, так как камни ложатся совершенно случайно и неплотно. Для уменьшения осадки и вообще деформаций следует разравнивать сброшенный камень и производить некоторый подбор его так, чтобы камень ложился возможно плотнее, причем более крупные камни следует укладывать у откосов.
Еще большее уплотнение наброски достигается засыпкой мелкого камня и карьерной мелочи в пустоты кладки. Карьерную мелочь сбрасывают иногда одновременно с камнем; ее загоняют в мелкие пустоты вручную и струей воды под давлением. Крупные пустоты заполняют камнями, подобранными по размерам пустот так, чтобы они плотно прилегали друг к другу под некоторым давлением. Весьма важно не допускать местных скоплений мелкого камня. Применение поливки каменной наброски струей воды под давлением до 5-7 ат. вообще очень полезно для уплотнения кладки.
Тело плотины следует выполнять вообще из камня разных размеров, это позволяет его сделать более плотным. Отдельные части плотин имеют иногда разный состав, причем крупные фракции укладывают у откосов, особенно у низового, а наиболее крупные - в основании низового откоса для создания упорной приемы и получения большей устойчивости откоса.
Общая пустотность наброски для высоких плотин не должна превышать 30-35%, для невысоких плотин - 35-40%.
8.8 Сухая кладка
Сухую кладку выполняют из хорошо подобранных камней (иногда с обработкой их) и с перевязкой швов; кладку производят и вручную (мелкие камни) и при помощи кранов (крупные камни). Лучшая кладка получается из по-стелистого камня, но возможна кладка и из рваного камня неправильной формы (циклопическая кладка). Пустоты следует заполнять щебнем, общий объем пустот не должен превышать 20-30%.
В плотинах, выполняемых целиком из сухой кладки, внутренняя часть может быть выполнена из более мелкого камня, на откосах укладываются самые крупные и тяжелые камни.
При устройстве из сухой кладки подэкранового слоя следует обеспечить хорошую связь этой кладки с прилегающей наброской путем подбора камней последней и вообще более тщательной работы. Слои подэкрановой кладки делаются или горизонтальными, или нормальными к откосу.
9 ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ, ФОРМА ПЛОТИН И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ
9.1 Классификация и конструктивные особенности каменнонабросных и каменно-земляных плотин
Для каменнонабросных и каменно-земляных плотин вопросы устойчивости откосов, грунтовых экранов и защитного слоя фильтрационные расчеты являются общими с аналогичными вопросами при расчетах земляных плотин. Ниже рассматриваются только основные специфические вопросы проектирования.
Основное тело плотин возводят из крупнообломочных грунтов (содержанием частиц крупнее 2 мм более 50 % по массе).
Характеристикой профиля каменных плотин служит отношение ширины плотины понизу к ее высоте В/Нт.
Крутизна откосов каменнонабросных плотин больше, чем земляных, так как угол внутреннего трения каменной наброски принимается в пределах от 36 до 42° (tg ф = 0,75 - 0,9).
Заложение верхового mi и низового т2 откосов следует назначать согласно таблице 13.
Таблица 13 - Некоторые характеристики каменных и каменно-земляных плотин

Плотины
т,
т2
ВДи

Каменнонабросные
1,2-1,3
1,3-1,4
2,5-2,8

Каменно-земляные с ядром
1,5-2,0
1,3-2
3-4

Каменно-земляные с экраном
2-3
1,3-2
4-6

Гравийно-(щебенисто) земляные:


с ядром
2-2,5
2-2,5
4-5

с экраном
2,5-3,5
2-3
5-7

9.2 Противофильтрационные устройства
Экран каменнонабросной плотины должен быть водонепроницаемым, прочным и гибкими. По виду используемого материала экраны разделяются на грунтовые (до 300 и более м), бетонные и железобетонные (до 100 м), асфальтобетонные и металлические (до 60м), деревянные и полимерные (до 40 м). В каждом конкретном случае тип экрана выбирают, исходя из назначения сооружения, условий его строительства, эксплуатации и технико-экономического сопоставления вариантов.
Ядро в каменнонабросных плотинах выполняют из глинистого грунта. Указания, относящиеся к ядру земляной плотины, в равной степени относятся к ядру каменнонабросных плотин. Такое соответствие справедливо и для плотин с диафрагмами.
Минимальная толщина экрана и ядра принимается не менее 0,2 Нт понизу, поверху - не менее 3 м. Величину градиента следует принимать J=2-6 для ядер и экранов из глинистого грунта.
9.3 Фильтрационные расчеты
Фильтрационные расчеты выполняются аналогично таким расчетам земляных плотин.
Для плотин с относительно узким ядром (bян1/Нпл<0,5) и Кфл = Кфт /100 фильтрационные расчеты выполняются по следующей расчетной схеме (рисунок 43).
Градиенты фильтрационного потока при его выходе на низовую поверхность ядра определяются
J = sin
·/cos
·?, (95)
где
· - угол принимается по гидродинамической сетке, построенной графическим методом.
Расход через ядро
q=Кфя
·
·, (96)

Рисунок 43 - Расчетная схема фильтрации через глинистое ядро
где
·- площадь эпюры градиента J.




Расчет фильтрации через каменнонабросную плотину с пластическим экраном выполняют по уравнению Н.Н. Павловского а для турбулентной фильтрации через каменную наброску - по формуле Н.П. Пузыревского



где q - удельный фильтрационный расход плотины; кт - коэффициент фильтрации каменной наброски; кэ -коэффициент фильтрации экрана;
h, - глубина воды в каменной наброске за экраном; n=km/kэ
H1 - глубина воды в верхнем бьефе; Н2 - глубина воды в нижнем бьефе;
L - расстояние между сечениями с глубинами h, и Н2, м (рисунок 44); L/ - ширина плотины понизу, м.
5Cp-sin а- проекция средней толщины экрана на вертикаль. Расчет ведется методом приближения. Задаются величиной ///, подставляют значение в формулы (97) и (98). При равенстве отношения , вычисленным по формулам (97) и (98), величина h1 принимается за искомую, в противном случае расчет повторяется.
9.4 Основания плотин и их устойчивость
Плотины набросные и из сухой кладки вообще менее требовательны к основаниям, чем массивные гравитационные, но более требовательны, чем земляные. Для набросных плотин пригодны все виды оснований, а из нескальных - гравелисто-галечные и при ограниченной высоте - основания из крупнозернистого песка, глины и плотных суглинков. Мелкий песок, слабые глины и суглинки, илистые, торфяные грунты непригодны в качестве оснований для набросных плотин, так как дают большую осадку под нагрузкой, что приводит к расстройству каменной кладки и особенно водонепроницаемого экрана. Основания из мелкозернистого песка могут быть легко размыты случайными сосредоточенными фильтрационными токами через трещины в экране и вызвать неравномерную осадку плотины, а с нею и новые трещины в экране.
В случае нескального основания необходимо перед началом наброски уложить на основание достаточный переходный слой из щебня, гальки или мелкого камня, защищающий основание от повреждений сбрасываемым камнем и от возможной эрозии турбулентной фильтрацией воды, проникающей через экран и движущейся вдоль основания в наброске.
На фильтрующих основаниях в переходном слое материал должен быть уложен по принципу обратного фильтра, по крайней мере, на 30% ширины основания, считая от зуба. При глинистых грунтах, как показывают последние исследования, обратный фильтр не обязателен.
Нескальное основание обязательно надо проверить на прочность, т.е. на возможность деформации его у низового откоса плотины, следствием чего явится недопустимая осадка и даже авария низовой части плотины. Проверка устойчивости основания может быть сделана аналогично тому, как это рекомендовано для земляных плотин.
Устойчивость основания может быть повышена: 1) устройством более пологого низового откоса, что снизит интенсивность давления от плотины на основание у низового откоса; 2) пригрузкой отвального грунта за низовым откосом; в последнем случае в отсыпи должны быть предусмотрены дрены для выпуска фильтрационной воды из наброски.
Водонепроницаемая часть плотины (экран, диафрагма) должна быть соединена зубом, шпунтом или другими способами с водонепроницаемой зоной основания. В скале под зубом должна быть проведена цементация трещин.
Для плотины с пластичным экраном коэффициент устойчивости на сдвиг определяется по формуле




где кс - коэффициент запаса устойчивости на сдвиг, согласно СНиП 2.06.05-84 в зависимости от класса плотины;
Yi - объемный вес каменной наброски, в среднем 1,8 т/м3;
/- объемный вес воды, т/м3;
/ - коэффициент трения наброски по основанию, принимается по
таблице 14;
Ъ - ширина плотины по гребню;
а - угол заложения верхового и низового откосов плотины (для удобства
принимается одинаковыми).
Расчет устойчивости на сдвиг плотин с диафрагмой определяется по формуле





Таблица 14 - Значения коэффициента трения наброски по основанию
Грунты
Коэффициент трения
Грунты
Коэффициент трения

Глинистые Суглинистые
0,20-0,30 0,25-0,35
Полускальные Известняки и песчаники
0,30-0,50 0,50-0,60

Супесчаные Галечно-гравелистые
0,35-0,40 0,50-0,60
Скальные изверженные породы
0,65-0,70

Расчет устойчивости откосов производится по методам, приведенным для расчета откосов земляных плотин. Для плотин на скальном основании надо принимать положения кривых скольжения таким образом, чтобы они были касательными к основанию.
Расчет устойчивости пригрузки и наклонного грунтового экрана ведется методом, изложенным в п. 3.9.

Рисунок 44 - Расчетная схема фильтрации через каменноземляную плотину с экраном
9.5 Расчет обратных фильтров, дренажей и переходных зон
При расчете надлежит устанавливать зерновой состав, количество слоев из природных фильтровых материалов.
При проектировании обратных фильтров, дренажей и переходных зон допускаемый коэффициент разнородности (неоднородности) должен удовлетворить условиям:
а) если защищаемый грунт является несуффозионным сыпучим

· = ^<(20 + 25);
б) если защищаемый грунт является суффозионным сыпучим

·<15;
в) если защищаемый грунт является глинистым с числом пластичности Wn>7

·<50.
При толщине переходных зон плотин до 3 м
· < 50 допускается принимать независимо от того, является ли защищаемый грунт глинистым или песчаным.
При толщине переходной зоны более 3 м, может быть принят
·> 50.
Зерновой состав обратного фильтра должен обеспечивать:
непросыпаемость защищаемого материала в первый слой фильтра и каждого предыдущего слоя материала в последующий;
предотвращение отслаивания и контактного выпора глинистого грунта в поры фильтра;
кольматируемость и залечиваемость сквозных трещин в противофильт-рационном устройстве;
неразмываемость по контакту. По рекомендациям К.Терпаги
Dl5/d15>4 ч5; D15/d85где d]5, d85 - диаметры частиц, процентное содержание по весу которых соответственно 15 % и 85 % для защищаемого более мелкого материала. D15 - то же для слоя фильтра более крупного материала.
При значениях
·< 10 расчет ведется по вышеизложенной методике.
Приложение А

Грунт
Ф,град.
f=tg(p

Объемный вес, т/м3 в






сухом состоянии

Глина
11-17

0,2-0,3

1,8-1,95

Суглинок
14-19

0,25-0,35

1,6-1,75

Супесь
19-22

0,35-0,4

1,6-1,8

Крупнообло-
30-35

0,58-0,7

1,7-1,9

мочный грунт






Песок:






мелкий
32-38

0,62-0,78

1,45-1,55

средний
35-40

0,7-0,83

1,5-1,6

крупный
38-40

0,78-0,83

1,55-1,65

гравелист.
38-40

0,78-0,83

1,6-1,75


Грунт
Пористость, п
Коэф-т фильтрации, м/сут



Глина
0,4-0,55
0,001



Суглинок
0,35-0,5
0,05-0,1



Супесь
0,35-0,45
0,1-0,5



Крупнообло-
0,3-0,4
100-500 и более



мочный грунт





Песок:





мелкий
0,45-0,65
1-5



средний
0,45-0,65
5-20



крупный
0,45-0,55
20-50



гравелист.
0,45-0,55
20-150


Приложение Б
Таблица 1 - Допускаемые неразмывающие средние скорости потока V,m/c

Материал
Для каналов с расходом О




10-50
2-10
0,2-2

Глина
1,0-1,2
0,9-1,1
0,7-1,0

Суглинок тяжелый
0,9-1,1
0,8-1,0
0,7-0,9

Суглинок легкий
0,8-0,9
0,7-0,8
0,6-0,7

Супесь
0,7-0,8
0,6-0,7
0,5-0,6

Песок
0,5-0,7
0,4-0,5
0,3-0,5

Скальные породы
2,5-4,5



Таблица 2 - Значения средней неразмывающей скорости потока V для закрепленных русел

Вид крепления
Значение V, м/с при глубине потока h, м



<0,5
1
3

Бетонная облицовка при классе бе-




тона по прочности на сжатие:




М100
12,5
13,8
16,0

М150
14,0
15,6
18,0

М200
15,6
17,3
20,0

мзоо
19,2
21,2
24,6

Каменная кладка
6,3
7,4
9,1

Таблица 3 - Допустимая скорость в железобетонных и металлических трубах

Напор Н, м
5
10
20
30
40
50
60
70
80

Ж/бетон V, м/с
2,3
3,0
3,8
4,6
5,3
5,9
6,4
7,0
7,5

Напор Н,м
40
50
100
150
200
250
300
350
400

Сталь V, м/с
5,0
6,1
9,4
11,0
12,0
12,5
12,8
12,9
13,0

Список литературы
СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов. Нормы проектирования / Госстрой СССР [Текст]. - М. : Стройиздат, 1986. - 62 с.
СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения речные. Основные положения проектирования / Госстрой СССР [Текст]. - М. : Стройиздат, 1975.-70 с
СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) / Госстрой СССР [Текст]. - М. : Стройиздат, 1983.-63 с.
Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика [Текст] / Под ред. В. П. Недриги. - М, 1983. - 365 с.
Волков, И. М. Проектирование гидротехнических сооружений [Текст] / И. М. Волков. - М: Колос, 1977. - 400 с
Гидротехнические сооружения [Текст] / Под ред. Н. П. Розанова. - М. : Стройиздат, 1978. - 568 с.
Гидротехнические сооружения. [Текст] / Под ред. М. М. Гришина. -М.: Высшая школа, 1979. -425 с.
Чугаев, Р. Р. Гидравлика [Текст] / Р. Р. Чугаев. - Л. : Энергоиздат. Ле-нингр. отделение, 1982. - 672 с.
Справочник по гидравлическим расчетам [Текст] / Под ред. П. Г. Киселева. - М.: Энергия, 1974. - 620 с.

Иванов, В. М. Совершенствование теории и методов расчета гидродинамических воздействий за водосбросными сооружениями [Текст]: автореферат дис. ... д-ра техн. наук / Иванова Владимира Михайловича. - СПб, 2005. -34 с.
Иванов, В. М. Совершенствование теории и методов расчета гидродинамических воздействий за водосбросными сооружениями [Текст]: дис. ... д-ра техн. наук / Иванова Владимира Михайловича. - СПб, 2005. - 398 с.
Иванов В.М. Методы расчета крепления нижнего бьефа в виде переменного по ширине наклонного водобоя за водосбросными сооружениями малых гидроузлов [Текст] / В. М. Иванов // Вестник алтайской науки. - 2004. -№1.-С. 173-185.

Гидравлические исследования водосливной плотины Нижне-Бурейского гидроузла [Текст]. Отчет о НИР. - Л., 1990.
Гидравлические исследования водосливной плотины Нижне-Бурейского гидроузла [Текст]. Отчет о НИР. - Л., 1991.

Гидравлические исследования в нижнем бьефе Нижне-Бурейского гидроузла [Текст]. Отчет о НИР. - Л., 1992.
Гидравлические лабораторные исследования Нижне-Бурейского гидроузла [Текст]. Отчет НИР/ВНИИГ. - Л., 1981.
17. Исследования пропуска расходов через сооружения Нижне- Бурейской ГЭС [Текст]. Отчет о НИР /ВНИИГ - Л., 1983.
-101-
18. Леви, И. И. Моделирование гидравлических явлений [Текст] / И. И. Леви. - Л., Энергия, 1967. - 235 с.
Беляшевский, Н. Н. Расчеты нижнего бьефа за водосливными сооружениями на нескальных основаниях [Текст] / Н. Н. Беляшевский, И. Г. Пивоваров, И. И. Калантыренко. - Киев: Наукова думка, 1973. - 192 с.
Корн, Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров [Текст] / Т. Корн., Т. Корн. - М. : Наука, 1984 г. - 832 с.
Михалев М.А. Гидравлический расчет потоков с водоворотом [Текст]/ М. А. Михалев - Л.: Энергоиздат, 1971. - 184 с.
Илчев, Г. К. Хидравлически скок в легло с голями на дъното [Текст] / Г. К. Илчев // Известия. Инжинерно-сторительны институт. София. Техника, кн.Ш, 1961.-289 с.
Снегирёв И. А. Гидравлический прыжок в русле с обратным уклоном дна [Текст] / И. А. Снегирёв // Гидротехническое строительство. - 1960. - №4. -С. 49-50.

13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
 Величины т1 и т2 в таблице 1 при суглинистых грунтах требуется увеличить на 0,5 м.









13PAGE 15




13PAGE 15


13PAGE 142915



Опора сталевого екрану

Зал.-бет. екран

Рисунок 17 – Графики для определения элементов ветровых волн в глубоководной и мелководной зонах

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415




Приложенные файлы

  • doc 8876594
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий