2. Классификация гидротехнических сооружений по капитальности

Плотина являются одной из важнейших и ответственейших частей гидротехнического сооружении. Поэтому их расчет производится в комплексе с другими элементами гидротехнического сооружения: водохранилищем, водосбросом и другими элементами. Поэтому при проектировании плотин учитываются все требования, предъявляемые к гидротехническому сооружению, одним из важнейших является их классификация по капитальности или безопасности [Л. 2.].

Таблица 1 [2].

В целях обеспечения надежности в соответствии с их важностью и ответственностью все гидросооружения разбиваются на пять классов в зависимости от капитальности:

I – особо капитальные, II – повышенной капитальности, III – обычной капитальности,

IV – облегченные, V – особо облегченные. Классы сооружений устанавливаются по производственной эффективности, значению сооружения и сроку их службы.

По производственной эффективности сооружения делятся на пять разрядов (подробнее см. ГОСТ 3315—46). Определение класса и разряда сооружения необходимо для назначения коэффициентов запаса в расчетах с учетом всех факторов, влияющих на эксплуатацию сооружений, включая объем работ при изысканиях и состава проекта.

3. Типы земляных плотин

Поперечное сечение земляной плотины представляет собою обычно трапецию (рис. 3.1.), или близкую к ней фигуру с ломаным очертанием боковых сторон, называемые откосами – верховой со стороны водохранилища и низовой откос за гребнем плотины. Откосы могут нести горизонтальные площадки – бермы необходимые для производства крепления верхового откоса камнем или бетоном от волнового воздействия и упора крепления на откосе.

Рис.3.1. Основные типы земляных плотин [2]

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:

I а – плотины из одного материала, например, из песка, супеси, суглинка;

II – плотины из нескольких разных грунтов: из суглинка и супеси, или из глины, супеси и песка и т.п., располагаемых в известном порядке; тип II, а – с водонепроницаемым грунтом на верховом откосе и II б – c водонепроницаемым грунтом в центральной части. Тип II применяется я тех случаях, когда в распоряжении строителей не имеется одного вполне удовлетворительного материала в достаточном количестве;

III – плотины с водонепроницаемым покрытием – экраном; тип III а – с пластичным экраном из слоя глины, суглинка или торфа; тип III б – с жестким экраном – из бетона и железобетона, дерева, металла; применяются в тех случаях, когда основной материал плотины сильно водопроницаемый;

IV – плотины с водонепроницаемой внутренней преградой; тип IVа – с ядром, выполняемым из пластичного материала (глины, жирный суглинок); тип IVб – с жесткой диафрагмой, выполняемой из бетона, металла, дерева и т.п.; этот тип применяется в тех же условиях наличия сильно фильтрующего грунта;

V – тип – плотины каменно-земляные – из земли и камня, в которых преобладает земля, и лишь меньшая, низовая часть выполнена из камня.

Эта классификация предполагает надежное водонепроницаемое основание. Но земляные плотины можно строить практически почти на любых основаниях, кроме сильно разжиженных илистых грунтов или глубоких торфяниках, 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 принятия 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) должна быть соединена со скалой зубом или бетонной шпонкой (рис. 3.2 а – б). При наличии сильной трещиноватости в скале под зубом или диафрагмой устраивается цементационная или битумная завеса.

При наличии нескального основания, если водонепроницаемый грунт (глина, скала и т.п.) расположен на приемлемой глубине, плотину сопрягают с водоупорном зубом (глиняным, бетонным) или шпунтовой стенкой, идущей соответственно от экрана, ядра или диафрагмы плотины (рис. 3.2 в, г, д, е). При глубоком залегании водонепроницаемого пласта или его отсутствии устраивают понур, являющийся продолжением экрана или другой водонепроницаемой части плотины (рис. 3.2 ж) и удлиняющий пути фильтрации в основании. Вместо понура при устройстве в теле плотины ядра или диафрагмы под последним опускается «висячий» зуб или шпунтовая стенка (рис. 3.2 з). В настоящее время как противофильтрационное мероприятие через основание плотины используют технологию «Стена в грунте».

Заложение откосов плотины зависит от её материала и определяется расчетом устойчивости и может быть от 1: 3 до 1: 5.

Рис.3.2. Типы сопряжений плотин с основанием [2].

С 1970 г. г. получили распространение при строительстве ограждающих дамб с ограниченным волновым воздействием и высотой (водоемы – охладители тепловых и атомных электростанций, так называемые пляжные динамически волноустойчивые верховые откосы из песчаных и песчано -гравийных грунтов с заложением откоса 1: 20 – 1: 30 при намыве дамб способом гидромеханизации. Несмотря на значительное увеличение объема дамбы, это решение часто бывает более экономичным, чем крепление откоса бетонными плитами или камнем.

Такие инженерные решения были использованы при строительстве ограждающих дамб прудов-охладителей Курской и Печорской АЭС. Это решение перенесено от природных пляжей на Рижском взморье (Паланга) и побережий Дании. Существуют относительные расчеты заложения пляжных откосов в зависимости от крупности песка и высоты волны. Эти дамбы с намывными пляжными откосами введены в нормативы проектирования [1].

По способу их постройки плотины делятся на: а) насыпные, возводимые путем сухой отсыпки грунта и последующего его уплотнения (укатки); б) плотины намывные, возводимые способом гидромеханизации; в) плотины полунамывные, когда грунт разрабатывается экскавацией и отсыпается в боковые призмы или бункер, из которого грунт размывается водяной струей и подается в тело плотины (плотина Мингечаурской ГЭС, Плявиньской ГЭС).

В плотинах намывных, выполняемых из неоднородного грунта, последний сортируется при намыве по крупности, при этом с помощью воды, крупность частиц грунта к откосам плотины постепенно увеличивается, создавая центральную часть из мелких частиц с меньшим коэффициентом фильтрации.

4. Условия работы земляной плотины

Материал тела земляной плотины всегда проницаем для воды. Поэтому в теле плотины создается поток воды, фильтрующийся из верхнего бьефа в нижний. Свободная поверхность этого фильтрационного потока (рис. 4.1), постепенно понижающийся 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.

Рис. 4.1. Схема фильтрации и насыщения плотины водой [2].

Ниже депрессионной поверхности 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 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 АБС (рис. 4.1) 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.

Линия депрессии устанавливается в положениях, указанных на рис. 4.1., лишь с течением времени при длительном стоянии определенных горизонтов верхнего и нижнего бьефов; в остальное время она занимает промежуточные положения.

Эти изменения положения линии депрессии необходимо учитывать особенно при расчете плотин ГАЭС, где уровни верхнего и нижнего бассейнов изменяются на большие величины дважды в сутки. 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, самый 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).

Волнения 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 0⁰ откосы плотины выше горизонта воды и гребень ее 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, водонепроницаемость грунта и фильтрация воды в теле земляной плотины играют весьма важную роль. Статистика показывает, что большинство аварий и разрушений земляных плотин произошло вследствие недостаточности мер по борьбе с фильтрацией воды.

Кроме фильтрации через тело плотины, на её устойчивость и безопасность влияет фильтрация воды под плотиной и в её примыкании к берегам и бетонным сооружениям.

Уменьшение фильтрации в примыкании к берегам при фильтрующих или трещиноватых грунтах достигается путем их цементации или устройством шпунтовой стенки, а также уширением плотины по гребню.

Сокращение фильтрации в основании плотины (если это необходимо) достигается устройством диафрагмы: шпунтовой завесой, зуба из глины или бетона, цементацией (рис. 2,3).

Превышение гребня плотины над форсированным максимальном горизонтом воды водохранилища и расчетным накатом волны назначается в соответствии c [1] и классом ответственности сооружения. На гребне плотины со стороны водохранилища по соображениям безопасности для транспорта и пешеходов часто сооружают железобетонный банкет.

5. Дренаж плотин и расчет фильтрации земляных плотин и основания

В целях уменьшения водонасыщенной зоны в плотинах и повышения устойчивости откосов, получения более обжатых и экономичных профилей плотин, применяется дренаж плотин. Дренаж достигается введением в тело плотин зон или полостей, заполненных крупнозернистым материалом (гравием, щебнем, камнем) с ничтожным сопротивлением фильтрации, а на больших плотинах труб с фильтрующим не тканым материалом, перехватывающим фильтрационный поток. Дренаж приводит к снижению депрессионной кривой.