158

Глава 5. Подземный контур бетонных плотин на

нескальном основании

5.1. Общие сведения

Подземным контуром плотины называют линию, которая огра-

ничивает снизу водонепроницаемые и маловодопроницаемые эле-

менты плотины, соприкасающиеся с грунтом основания (линии 1-

2-3-а-4-5-б-6 на рис. 5.1).

Под рациональным подземным контуром плотины понимают

подземный контур, при котором обеспечивается устойчивость и

прочность плотины и ее основания, а также: а) экономичность

плотины; б) простота и технологичность ее строительства; в) мак-

симальное применение местных строительных материалов; г)

удобство эксплуатации плотины.

Рис. 5.1. Бездренажный понур и фундамент плотины (схема 1): А-1 и 6-В - входное и выходное сечения; I - понур; II - шпунт; III - фильтр

Фильтрационный поток воды в порах грунта основания, обтека-

ет подземный контур плотины и вытекает в НБ. При этом этот по-

ток оказывает давление снизу на подошву плотину (противодавле-

ние), которое следует учитывать при расчете устойчивости плоти-

ны. Кроме того, фильтрационный поток может нарушить фильтра-

ционную прочность грунта основания, что приведет: а) к внешней

суффозии (выносу) грунта по линии дна НБ 6-В (рис. 5.1); б)

внутренней суффозии грунта в основании, например на контактах

мелких и крупных песков и вследствие раскрытия в грунте сосре-

доточенных ходов фильтрации; в) местному фильтрационному

159

выпору грунта в НБ на участке б-6 подземного контура (рис. 5.1).

Различают местную и общую фильтрационную прочность грун-

та основания (по аналогии с местной и общей прочностью бетон-

ной плотины).

Местная фильтрационная прочность грунта (и некотрые виды

общей фильтрационной прочности) может оцениваться скоростью

фильтрации v=k, или (что удобнее) градиентом напора i=Δh/Δl.

Подземную часть фундамента плотины и водобоя проектируют

так, чтобы, с одной стороны, нагрузки, действующие на них снизу

в виде противодавления (фильтрационного и взвешивающего дав-

лений), были минимальными, а с другой - размеры и очертания

подземной части плотины обеспечивали требуемую общую и

местную фильтрационную прочность грунтов основания (разделы

5.6 и 5.7). Для этой цели в подошве плотины устраивают зубья, ко-

торые улучшают сопряжение плотины с основанием и препят-

ствуют контактной фильтрации. Из условий производства работ их

ширину понизу принимают ≥ 3 м и глубину 2-3 м и более.

Схема подземного контура зависит от геологии основания, ко-

торое может быть относительно однородным и неоднородным, с

водоупором, расположенным на большой глубине, на достижимой

глубине, непосредственно под фундаментом плотины и т.д.

При проектировании подземной части плотины вначале следует

выбрать принципиальную схему ее подземного контура с учетом

грунтов основания. Далее с помощью расчетов намечают согласно

принципиальной схеме 2-3 варианта подземного контура, равно-

прочных и приемлемых в части устойчивости плотины и фильтра-

ционной прочности грунтов основания. Устойчивость плотины и

фильтрационную прочность грунта основания оценивают расчета-

ми (разделы 5.6, 5.7). Из этих равнопрочных вариантов подземного

контура на основе их технико-экономического сравнения с учетом

перечисленных факторов выбирают самый рациональный контур.

5.2. Принципиальные схемы подземного контура плотин

Подземный контур бетонных плотин на нескальных основаниях

в зависимости от геологии основания и физико-механических ха-

рактеристик грунтов следует принимать из следующих элементов:

1) понура; 2) вертикальной преграды в виде шпунта, зуба или

траншейной стенки-завесы; 3) горизонтального или вертикального

дренажа.

160

При проектировании подземного контура плотины согласно

СНиП 2.06.06-85 следует рассматривать 5 принципиальных схем

этого контура:

1 - бездренажные фундаментная плита плотины и понур;

2 - горизонтальный дренаж под фундаментной плитой плотины;

3 - горизонтальный дренаж под фундаментной плитой и понуром;

4 - глубокий зуб, шпунт, стенка-завеса, доведенные до водоупора;

5 - сочетание понура, зуба, шпунта или стенки-завесы, не дове-

денных до водоупора («висячих»), и вертикального дренажа за

стенкой-завесой.

При наличии в основании плотины перемежающихся слоев

песчаных и глинистых грунтов, а также напорных грунтовых вод в

подземном контуре плотины следует устраивать глубинные дре-

нажные скважины.

1. Бездренажные понур и фундамент плотины (см. рис. 5.1).

Здесь под плотиной и понуром нет дренажа, входным сечением

фильтрационного потока является поверхность дна ВБ А-1, выход-

ным - поверхность дна НБ 6-В, как правило, прикрытая сверху

креплением с обратным фильтром.

Схему 1 следует применять при расположении плотины на пес-

чаных грунтах и глубоком (более 20 м) залегании водоупора в слу-

чаях, когда устойчивость плотины обеспечивается без специаль-

ных мер по снижению фильтрационного давления, а по условию

фильтрационной прочности грунтов основания требуется прини-

мать удлиненный подземный контур. В остальных случаях при

этих грунтовых условиях применяют схему 2.

Схема 1 имеет два стальных шпунта: основной (глубокий) пе-

ред фундаментом плотины и короткий (перфорированный) перед

водобоем для борьбы с выпором грунта в зоне выхода потока в НБ.

Углублять второй шпунт опасно, так как возрастет противодавле-

ние на подошву плотины.

Схему 1 (см. рис. 5.1) следует использовать, когда нет уверен-

ности, что обратный фильтр будет работать нормально (постепен-

но не заилится), и когда плотина, запроектированная по схеме 1,

более экономична, чем та же плотина, запроектированная по дру-

гим схемам (что маловероятно). В остальных случаях следует рас-

смотреть одну схем с дренажом (2 и 5) под подошвой плотины или

понуром. Заиления правильно подобранного обратного фильтра

161

следует опасаться в несвязных илистых грунтах, защищаемых об-

ратным фильтром. При этих грунтах следует применять схему 1, в

основании из связного грунта схему 1 не применяют.

2. Плотина с горизонтальным дренажем (рис. 5.2). Здесь под

плотиной устроен горизонтальный дренаж, защищенный снизу об-

ратным фильтром. Выходным сечением является линия б-В, пре-

небрегая при фильтрационных расчетах низовым зубом плотины,

подземным контуром плотины является линия 1-2-3-а-4-5- 6. Схе-

му 2 применяют в тех же грунтовых условиях, что схему 1, но в

тех случаях, когда не применяют схему 1. Схема 2 (рис. 5.2) харак-

терна тем, что по линии 6-В и под подошвой низового зуба напор

может быть принят равным уровню НБ. Благодаря устройству под

плотиной дренажа с большой части ее подошвы снимается филь-

трационное давление и поэтому вес плотины может быть снижен.

Рис. 5.2. Плотина с горизонтальным дренажом (схема 2): А-1 и 6-В – соответственно входное и выходное сечения; I – понур; II

– шпунт; III – дренажная галерея; IV – дренажный колодец высотой 1-2 м;

V – обратный фильтр; VI – горизонтальный дренаж

3. Плотина с горизонтальным дренажем анкерного понура

(см. рис. 5.3). Линия 5-6-В является выходным сечением, линия 1-

2-3-4-5 - подземным контуром. Схему 3 следует применять при

глинистых грунтах основания, требующих для обеспечения устой-

чивости плотины на сдвиг применения анкерного понура с вход-

ным бетонным зубом или стальным шпунтом.

Схема 3 (рис. 5.3) обычно применяется при условии, если пло-

тина будет привязана арматурой к понуру, т. е. понур будет анкер-

162

ным. В этом случае пригрузка воды над понуром прижимает его к

основанию, а фильтрационное давление снизу на понур сильно

снижается по его длине, особенно если на входе в понур установ-

лен зуб и под понуром устроен плоской дренаж. В этих условиях

при надежной заделке мощной арматуры понура в бетон фунда-

мента плотины устойчивость плотины на сдвиг существенно по-

высится, несмотря на низкую прочность на сдвиг илистого или

глинистого основания. Однако в конструктивном отношении пло-

тина с анкерным понуром является более сложным сооружением,

чем плотина, запроектированная по схеме 2: вся верховая часть

фундамента плотины с анкерным понуром должна быть достаточ-

но армирована, так как эта часть работает на внецентренное рас-

тяжение, что невыгодно для бетона.

Рис. 5.3. Плотина с горизонтальным дренажем анкерного

понура (схема 3): 1 - бетонный зуб; I - фильтр; II - дренаж; III - железобетонный анкерный

понур; IV - шарнирное соединение понура и плотины; V - арматура

Конструкция анкерного понура, условия его работы в случае

схемы 3 значительно более сложны, чем гибкого понура в плотине

по схеме 2 или 5. Схема плотины с анкерным понуром может ока-

заться рациональной только при достаточно низком коэффициенте

угла внутреннего трения трения (tgφ<0,25), когда устойчивость

плотины повышается за счет роста объема бетона. Поэтому эко-

номичность варианта плотины с анкерным понуром должна быть

сопоставлена с другими вариантами плотины, запроектированной

по другим схемам (2, 5 или др.).

4. Глубокий подземный контур с вертикальной преградой,

доведенной до водоупора (см. рис. 5.4). В этом случае водопро-

163

ницаемое основание на всю его глубину до водоупора пересекает-

ся вертикальной преградой, выполненной в виде бетонного зуба

(рис. 5.4, а), шпунтовой стальной или траншейной глино-цемент-

ной или глино-бетонной стенки (рис.5.4, б).

Рис. 5.4. Глубокий подземный контур со стенкой-завесой до

водоупора (схема 4): I – зуб; I-I – водоупор; III – шпунтовая (траншейная) стенка;

P-P – пьезометрическая линия

Схему 4 с бетонным зубом следует применять при залегании

водоупора на глубине до 5-6 м, с траншейной стенкой – до 40 м, с

шпунтовой стенкой – до 10-15 м. В первых двух случаях понур

можно не применять. Верхняя часть шпунта или траншейной стен-

ки должна свободно входить в верховой зуб плотины при ее осад-

ках, для чего устраивают скользящий шов с верхней шпонкой, за-

литой мастикой с возможностью ее разогрева.

Схему 4 (рис. 5.4) применяют при неглубоком залегании водо-

упора (до 15-20 м. При пересечении водопроницаемого слоя осно-

вания траншейной стенкой-завесой или реже бетонным глубоким

зубом (рис. 7.4, а) движение воды под плотиной не происходит,

при этом перед зубом напор соответствует уровню ВБ, а за зубом -

уровню НБ (пьезометрическая линия Р-Р-Р). При пересечении

проницаемого слоя с коэффициентом фильтрации свыше 10-4

см/с

шпунтовой стенкой из-за ее щелеватости (зазорами между шпун-

тами) под плотиной происходит движение воды и поэтому давле-

ние перед шпунтом падает, а за ним растет.

5. Плотина с понуром, стенкой-завесой (не доведенной до

водоупора) и вертикальным дренажем (см. рис.5.5). В этом слу-

чае одна из схем 1,2,3 дополняется 1-2 рядами глубоких дренаж-

ных колодцев, располагаемых под плотиной или водобоем. Здесь

выходное сечение развивается за счет устройства колодцев, напор

164

в которых снижается до напора НБ. Схему 5 следует применять

для плотин с напором более 10 м на среднепроницаемых грунтах.

Рис. 5.5. Плотина с вертикальным дренажом за стенкой-завесой

(схема 5): I – ряд дренажных колодцев; II – обратный фильтр

Схема 5 (рис. 5.5) почти полностью снимает фильтрационное

давление в грунте вокруг вертикального дренажа. Такие случаи

часто имеют место:

а) когда в верхней части основания НБ залегает тонкий мало-

проницаемый слой грунта, который при отсутствии вертикального

дренажа подвергнется выпору фильтрационным потоком в НБ;

б) когда имеем анизотропный грунт с более низким коэффициен-

том фильтрации в вертикальном направлении по сравнению с го-

ризонтальным; в) когда возможная поверхность сдвига в связи,

например, с неоднородностью грунта основания проходит не по

подошве плотины, а на некоторой глубине основания, что необхо-

димо учитывать в расчетах устойчивости плотины.

В последнем случае, снижая с помощью вертикального дренажа

фильтрационное давление в грунте выше поверхности сдвига,

можно повысить устойчивость плотины. Таким образом, если

грунт основания изотропный, причем в основании НБ не залегает

малопроницаемый слой, и если поверхность сдвига плотины про-

ходит по ее подошве, вертикальный дренаж устраивать не следует.

В настоящее время наиболее рациональными из 5 схем, реко-

мендованных СНиП 2.06.06-85 [3], можно считать схемы 1, 2 и 4.

Рекомендованные действующим с 1986 г. СНиП 2.06.06-85 пять

принципиальных схем подземного контура бетонных водосливных

плотин на нескальном основании не могут охватить все возмож-

ные и часто неблагоприятные геологические и физико-механичес-

кие характеристики грунтов. В СНиП 2.06.06-85 не учтен в доста-

165

точной степени 30-70-летний опыт эксплуатации этих плотин на

Волге и Каме, представленный в кратком виде в приложении 1. В

этом СНиП также не могли быть учтены новые технологии по

устройству траншейных стенок-завес методом «стена в грунте» в

проницаемых несвязных грунтах на большую глубину, глубоких

дренажных колодцев и ударного виброуплотнения слабых грунтов.

Учитывая это, можно рекомендовать еще 4 принципиальные

схемы подземного контура бетонных плотин на нескальном осно-

вании, которые следует рассматривать при их проектировании.

Схема 6 - одношпунтовый подземный контур при глубоком за-

легании водоупора с гибким малопроницаемым (глинистым, ас-

фальтобетонным) понуром и стальным шпунтом, расположенным

в начале фундамента плотины (рис. 5.6, а).

а) схема 6 б) схема 7

в) схема 8 г) схема 9

Рис. 5.6. Схемы 6-9 подземного контура бетонных водосбросных

плотин на нескальных основаниях: а, б, в - при глубоком залегании водоупора; г - при неглубоком залегании;

1 – плотина; 2 – водобой; 3 – рисберма; 4 – горизонтальный дренаж;

5 – гибкий понур; 6 и 7 – нет; 8 – вертикальные дренажные скважины;

9 – шпунтовая стенка; 10 – водоупор; 11 – траншейная стенка-завеса

Фильтрационное давление почти полностью снимается гори-

зонтальным дренажем под фундаментом плотины и водобоем, а

также вертикальным дренажем, разгружающим основание в зоне

166

глинистых прослоек под основанием. Благодаря такому эффектив-

ному дренажу вес (объем) плотины можно заметно снизить.

Однако эту схему 6 , как и схемы 1, 2 и 5, можно сильно упро-

стить и улучшить, если вместо «висячих» малоэффективных и до-

рогостоящих стальных шпунтов в начале верхового зуба плотины

принять «висячие» (возможно доведенные до водоупора) почти

водонепроницаемые глино-цементные или глино-бетонные тран-

шейные стенки-завесы, что также позволит отказаться от гибкого

маловодопроницаемого понура.

Схема 7 - двухшпунтовый подземный контур с гибким понуром

(см. рис. 5.6, б). Плоский дренаж устраивают под фундаментом

плотины и водобоем. Эта схема имеет короткий понурный шпунт

и более глубокий основной шпунт у фундамента плотины. При

этом общая глубина обоих шпунтов не должна превышать рассто-

яния между ними, с тем чтобы не снизилась эффективность рабо-

ты шпунтов и всей схемы. Как и схему 6, схему 7 рекомендуется

применять при глубоком залегании водоупора.

Схема 8 - одношпунтовый подземный контур с гибким понуром

и дренажем под фундаментом плотины и водобоем (рис. 5.6, в).

Применяется при глубоком залегании водоупора в тех случаях, ко-

гда следует сократить фильтрацию в основании до плотины,

например для защиты бетона от агрессивных фильтрационных вод.

Схема 9 является улучшенным вариантом схемы 4 за счет более

удобного расположения стенки-завесы перед верховым зубом пло-

тины (рис. 5.6, г). Шов между стенкой и зубом перекрывают свер-

ху геомембраной и ее концы заделывают в зуб и стенку. Эта схема

позволяет перекрыть стенкой-завесой любые проницаемые аллю-

виальные отложения мощностью до 60 м и надежно заделать стен-

ку-завесу в водоупор, включая коренную скалу. Она позволяет по-

чти полностью перекрыть фильтрацию и предотвратить все отри-

цательные последствия фильтрации воды под плотиной.

Вертикальные преграды в виде шпунтовых стенок под бетон-

ными плотинами или любыми понурами следует устраивать толь-

ко в песчаных грунтах (с водопроницаемостью свыше 10-4

см/с),

исключая гравийно-галечниковые грунты, в которых их забивка

затруднена. В связных грунтах шпунтовые стенки бесполезны, так

как их водопроницаемость (около 10-5

см/с) примерно равна водо-

проницаемости супеси. Вместо шпунтовых стенок в связных грун-

167

тах лучше устраивать неглубокие (до 5-10 м) стенки-завесы из ко-

мовой глины или бетонные зубья для предотвращения опасной

контактной фильтрации связных грунтов на контакте с фильтрами.

Поэтому не рекомендуется применять плоский (почти без за-

глубления) подземный контур плотины с гибким понуром без

устройства в начале его короткого зуба или короткого шпунта в

верховом зубе плотины на любом нескальном основании (в том

числе связном), даже если вес плотины обеспечивает ее устойчи-

вость на плоский сдвиг без снижения фильтрационного давления.

В этом случае выгоднее уменьшить объем бетона в плотине путем

устройства в ней полостей и отказаться от плоского контура в

пользу одного из возможных заглубленных контуров.

5.3. Конструкции главных элементов подземного контура

Как уже отмечалось в разделе 5.2, подземный контур бетонных

плотин на нескальных основаниях в зависимости от геологии ос-

нования и физико-механических характеристик грунтов состоит из

следующих элементов: 1) понура; 2) вертикальной преграды в виде

зуба, шпунтовой или траншейной стенки-завесы; 3) горизонталь-

ного или вертикального дренажа; 4) подошвы плотины или флют-

бета (фундаментной плиты).

В подземный контур этих плотин нельзя включать водобойную

плиту, отрезанную от плотины деформационным швом. Под этой

плитой следует устраивать горизонтальный дренаж, защищенный

снизу обратным фильтром. Включение этой плиты в подземный

контур плотины вызвало бы рост противодавления на плотину и

водобой, что недопустимо. Развитие подземного контура плотины

до требуемой его длины, определяемой с учетом фильтрационной

прочности грунтов основания (раздел 5.6) и противодавления на

подошву плотины, следует производить за счет заглубления (до

40-60 м вплоть до водоупора) траншейных стенок-завес у верхово-

го зуба плотины или устройства гибких понуров требуемой длины

с заглубленными (до 10-15 м) шпунтовыми стенками или корот-

кими (до 5 м) бетонными зубьями в начале понура.

1. Понуры. Понур устраивают для увеличения длины подзем-

ного контура, уменьшения фильтрационного расхода, градиентов

напора в основании и противодавления на подошву плотины. В

ряде случаев понур играет как противофильтрационную, так и за-

168

щитную роль, предохраняя дно ВБ от размыва его потоком, про-

пускаемым через донные отверстия плотины.

Коэффициент фильтрации понура должен быть в 50 и более раз

меньше коэффициента фильтрации грунтов основания.

Понуры по конструкции подразделяются следующим образом:

жесткие - в виде плит из железобетона с уплотнением швов и с

гидроизоляцией (в глинистых основаниях при напорах более 15 м);

гибкие - из глинистых грунтов, асфальтовых, асфальтобетон-

ных, полимерных материалов, отвечающих требованиям деформа-

тивности, водонепроницаемости, прочности и долговечности;

смешанные - из гибкого и жесткого участков (анкерные понуры).

Гибкие понуры следуют за деформациями основания и поэтому

образование щели между понуром и основанием невозможно.

Водонепроницаемые понуры (асфальтовые, асфальтобетонные,

железобетонные, полимерные) устраивают на связных основаниях.

Маловодопроницаемые понуры (из глинистых грунтов с коэф-

фициентом фильтрации k 10-5

м/с) используют в песчаных грун-

тах и супесях и напорах до 15 м. В плотинах IV класса понур сле-

дует устраивать из суглинков и глин.

Водонепроницаемые понуры могут быть жесткими и гибкими,

маловодопроницаемые (глинистые) понуры - всегда гибкие.

Устройство маловодопроницаемого понура на основаниях из

суглинков и глин часто оказывается нерациональным. Поэтому эти

понуры устраивают на основаниях из супеси и песков.

Проектируя понуры, следует учитывать следующие обстоятель-

ства: а) поверхность глинистого понура следует защищать от про-

мерзания бетонными плитами толщиной 0,2-0,4 м или каменной

мостовой с подстилающим слоем песчано-гравийной подготовки

толщиной 20 см; б) асфальтовое покрытие в составе водонепрони-

цаемых понуров следует укладывать по сухому грунту; в) гли-

нистое основание понура после вскрытия основания следует до-

статочно быстро покрывать материалом понура; г) во время работ

понур может размываться потоком воды и повреждаться транс-

портом; д) на понур (кроме анкерного) действует вертикальная

пригрузка воды ВБ, а на плотину - горизонтальная сила, направ-

ленная в НБ, под действием которой будут происходить деформа-

ции сдвига плотины в НБ, причем шов между понуром и плоти-

ной может раскрыться, что недопустимо.

169

Маловодопроницаемые (глинистые) понуры даны на рис. 5.7.

Минимальную толщину этого понура в его начале принимают

tmin=0,5 м (рис. 5.7, а), заложения откосов m1 и m2 равны 1,5.

Толщину глинистого понура, tп (в любом сечении) принимают

по зависимости: tп Ниа п /Iсr,т ≥ 0,5 м, где Ниа - потеря напора от начала подземного контура (от ВБ) до

рассматриваемого сечения понура; Iсr,т - критический средний градиент

напора для материала понура: для глины - 15, суглинка - 10 (по СНиП

2.06.05-84); п - коэффициент надежности, равный для класса сооруже-

ний: I - 1,25; II - 1,20; III - 1,15; IV - 1,10.

Рис. 5.7. Примеры гибких глинистых понуров (размеры в м): 1 - одиночная мостовая на слое песчано-гравийной подготовки 15 см;

2 - двойная мостовая (на цементном растворе) на слое подготовки;

3 - глинистый понур; 4 - бетонные плиты 3,0х3,0х0,5м на слое гравийной

подготовки 15 см; 5 - битумный мат

Шов между глинистым понуром и верховым зубом плотины

делают часто наклонным так, чтобы при большей осадке подошвы

плотины по сравнению с осадкой глинистого грунта понур при-

жимался бы к зубу плотины (рис. 5.7, а), обычно этот шов уплот-

няют (рис. 5.7, в). Длина глинистого понура lп принимается равной

lп=(1-1,5)H, где H – максимальный напор на плотину, но не более:

lп ≤lпмакс

= 2(kоtTп /kп)0,5

, (5.1)

где kо и kп – коэффициенты фильтрации основания и понура; t – сред-

няя толщина понура; Тп - заглубление водоупора под понуром.

Увеличение lп>lпмакс

не имеет смысла, так как расход фильтра-

ции под плотиной и через понур обычно уменьшится. Длину гли-

нистого понура lп следует уточнить по данным расчетов фильтра-

ционной прочности грунта основания и устойчивости плотины.

170

Водонепроницаемые понуры выполняют чаще гибкими, чем

жесткими. Имеется много разных их конструкций (рис.5.8).

Рис. 5.8. Примеры водонепроницаемых понуров (размеры в см): а - понур гибкий асфальтовый на гравийно-галечниковом грунте; б -

понур жесткий из армобетона (арматура не показана) на суглинке; 1 -

одиночная мостовая или бетонные плиты; 2 - слой гравия 10 см; 3 - слой

песка 60 см; 4 - слой глины 20 см; 5 - слой песка 5 см; 6 - асфальтовые

маты; 7 - асфальтовая подготовка; 8- 1-2 слоя клебемассы; 9 - доска; 10 -

брус; 11- войлок; 12 - анкерный болт; 13 - доска с обмазкой битумом; 14 -

2 слоя битумных матов; 15 - арматура d=6 мм; 16 -армобетонная подго-

товка; 17 - армобетонная плита 40 см; 18 - бетонная подготовка 5 см; 19 -

уплотнение швов; 20 - береговая стенка; 21 - асфальтовая мастика; 22 -

стальной лист; 23 - асфальт; 24 - цементный раствор

171

Гибкие водонепроницаемые понуры следует проектировать:

- литыми - из ряда наносимых слоев литого гидроизоляционно-

го материала с прокладкой, армирующей рулонной стеклотканью;

- оклеечными - из ряда слоев рулонных гидроизоляционных ма-

териалов, перекрывая каждым последующим слоем стык нижерас-

положенного слоя.

Жесткие (бетонные) понуры проектируют в виде плит толщи-

ной 0,4-0,6 м с гидроизоляцией из армированных битумных матов

по напорной грани и уплотнением швов между плитами и между

понуром и зубом плотины.

Для плотин IV класса при слабодеформируемых грунтах осно-

вания можно применять бетонные понуры без гидроизоляционно-

го покрытия. В этом случае толщину понура следует определять

по критическому среднему градиенту напора для бетона Iсr,т = 30.

Для понуров всех видов, за исключением бетонных, следует

предусматривать пригрузку их грунтом, предохраняемым от раз-

мыва креплением в виде бетонных плит или каменной наброски.

Анкерный железобетонный понур следует принимать для

плотин, расположенных, как правило, на глинистых грунтах при

напорах более 15 м.

Анкерный понур состоит из жесткого и гибкого участков.

Жесткий участок понура представляет собой железобетонную

плиту толщиной 0,4-0,7 м, соединенную своей арматурой с арма-

турой нижней сетки фундаментной плиты плотины (см. рис. 5.9).

Водонепроницаемость плит обеспечивается оклеечной или литой

гидроизоляцией. Гибкий участок понура должен воспринимать не-

равномерность осадок, возникающие в контакте с анкеруемым

фундаментом плотины, сохраняя полную непроницаемость.

Подготовку основания под понур необходимо предусматривать:

для понуров из местных материалов при песчаных и супесча-

ных грунтах основания - уплотнением поверхности основания; в

случае крупнообломочных грунтов основания - в виде переходно-

го слоя песка не менее 10 см;

для бетонного или анкерного понуров - уплотнением поверхно-

сти основания и укладкой слоя бетона толщиной 5-10 см;

для понуров из асфальтовых и полимерных материалов - путем

укладки слоя гравия, пропитанного битумом, или бетона 5-10 см.

172

Рис. 5.9. Схема к расчету на устойчивость секции плотины с ан-

керным понуром (а) и конструктивная схема понура (б):

1- собственный вес плотины; 2 - пригрузка воды с ВБ и НБ; 3 - пас-

сивное давление грунта с НБ; 4 и 10 - гидростатическое давление соот-

ветственно с НБ и ВБ; 5 - собственный вес грунта, перемещающегося с

плотиной: 6 и 7 - фильтрационное и взвешивающее противодавление по

плоскости сдвигу; 8 и 9 - поверочная и основная плоскости сдвига; 11 -

активное давление грунта; 12 - усилие на анкерный понур; 13 - надшпун-

товая балка; 14 - битумные маты; 15 - три слоя досок на гидроизоляции;

16 - битум; 17 - битумная мастика; 18, 19 - штрабной бетон тела плотины;

20 - анкер; 21 - глина; 22 - железобетонная плита; 23 - шпунт

В сопряжениях понура с плотиной, подпорными стенами, раз-

дельным устоем, понурным шпунтом и отдельными секциями по-

нура между собой следует предусматривать уплотнения деформа-

ционных швов согласно указаниям пп. 3.21-3.25 СНиП 2.06.06-85.

2. Шпунты. Вид шпунта (стального, редко железобетонного)

выбирают с учетом геологии основания (во всех песках и при глу-

бине погружения до 15-20 м для стального шпунта и 6-7 м - желе-

зобетонного). Глубину погружения шпунта принимают не менее 3

м, глубину погружения шпунта в водоупор - не менее 1 м.

Фильтрационный напор на участке подземного контура за

173

шпунтом уменьшается, соответственно снижаются и пьезометри-

ческие уклоны вдоль контура. Шпунты также: а) препятствуют

развитию внутренней суффозии в основания; б) защищают осно-

вание плотины от подмыва ее поверхностным фильтрационным

потоком (низовой шпунт); в) препятствуют выпору грунта из-под

плотины под действием ее веса; г) позволяют при глубине залега-

ния водоупора до 15 м получить рациональную глубинную схему

подземного контура (см. схему 4 на рис, 5.4, б).

Низовой шпунт (5 - б - 6, рис. 5.1) вызывает рост противодав-

ления на подошву плотины, и чтобы избежать этого, низовой

шпунт делают перфорированным, который в фильтрационных

расчетах не учитывается.

Применение бесшпунтовых схем подземного контура допуска-

ется в несвязных грунтах основания только при наличии понура

или заглублении подошвы верхового зуба плотины в водонепро-

ницаемый грунт и при обеспечении низовым зубом плотины филь-

трационной прочности основания.

В схемах 1 и 2 (см. рис. 5.1 и 5.2) в песчаных основаниях обыч-

но применяют верховой подплотинный шпунт. Верховой понур-

ный шпунт (или зуб) следует устраивать в случае жесткого (осо-

бенно анкерного) понура. При маловодопроницаемом понуре

(включая глинистый) вместо верхового понурного шпунта устраи-

вают короткий глинистый зуб.

В схемах 1 и 2 низовой (перфорированный) подплотинный

(см. рис. 5.1) и верховой подплотинный (см. рис. 5.2) шпунты вы-

полняют, как правило, на глубину sвых=(0,05-0,1)T, но не более

sвых=(0,05-0,1)l0, где Т - заглубление водоупора; l0 - длина горизон-

тальной проекции подземного контура.

Если sвых задавать меньше, чем по приведенным формулам, то

выходной пьезометрический уклон i (в точке 6 на рис. 5.1 и 5.2)

возрастет (i →∞ при sвых=0), что ухудшит работу обратного филь-

тра под водобоем (схема 1) и подошвой плотины (схема 2).

При неоднородном основании с непроницаемыми горизонталь-

ными слоями шпунты по возможности должны пересекать их.

При расположении «висячих» шпунтов под плотиной следует

стремиться к тому, чтобы расстояние между ними было не менее

2s, где s - глубина погружения шпунта (как исключение, до 1,5s).

Для однородного изотропного грунта основания, когда s≤(0,4-

174

0,5)Т и s≤ (0,20-0,25)l0, можно считать, что 1 м длины верхового

подплотинного или понурного шпунта эквивалентен по гашению

напора 2 м длины понура (за верховым подплотинным шпунтом).

При проектировании сопряжений стальных шпунтов с бетонной

плотиной, устоями и подпорными стенками следует принимать

конструкцию сопряжений, при которой вес плотины не передавал-

ся бы на шпунты. На рис. 5.10 даны примеры таких конструкций

сопряжения шпунтов с подошвой плотины, в которых приняты

шпонки-компенсаторы из битумной мастики (рис. 5.10, а, б, в, е).

Рис. 5.10. Примеры сопряжения шпунта с бетонной плотиной

(размеры в см): 1 - труба для подогрева битумной мастики; 2 - битумные маты опалубки;

3 - битумная мастика; 4 - опалубка; 5 - бетонная подготовка; 6 - стальной

шпунт; 7 - труба для наполнения шпонки; 8 - битумные маты в шве; 9 -

металлические стяжки опалубки; 10 - просмоленный войлок; 11 - гибкий

понур; 12 - жесткий понур; 13 - бетон плотины; 14 - уплотнение шва; 15 –

колья; 16 – доски; 17 – стойки через 1 м; 18 – доски; 19 – пакля; 20 - ре-

зервные колодцы через 4 м; 21 – уровень битумной смеси в колодце

Устраивая в основании плотины шпунтовые стенки, следует

учитывать их водопроницаемость вследствие неплотности замков

(щелеватости) шпунтовых соединений. При погружении шпунта в

175

грунт необходимо сводить эту щелеватость к минимуму, вслед-

ствие чего недопустимо погружать шпунты пакетами без предва-

рительного уплотнения щелей между шпунтами. Отсутствие грун-

та в неуплотненных замках шпунтов резко снижает их эффектив-

ность.

При осадке плотины битумная мастика вытесняется из шпонки

шпунтом в резервные колодцы (см. рис. 5.10, е). Для уплотнения и

заливки мастики после ее старения и образования в ней трещин

предусмотрен ее разогрев. На короткий (до 5-6 м) верховой под-

плотинный шпунт не следует передавать горизонтальные усилия

от плотины, и такой шпунт можно сопрягать не с плотиной, а с

гибким или жестким понуром (см. рис. 5.10, г, д).

3. Бетонные зубья. Бетонные зубья следует предусматривать в

верховой и низовой части подошвы плотины в случаях, когда при-

менение шпунта невозможно по инженерно-геологическим усло-

виям (наличие валунов и камня в русловых отложениях и др.). Как

правило, устраивают неглубокий (до 5 м) верховой подплотинный

зуб. Низовой подплотинный зуб в схемах 2, 3, 5 (см. рис. 5.2; 5.3;

5.5) делают для изоляции подплотинного дренажа от НБ и откачки

из дренажа воды для контроля его работы. В случае глубинной

схемы 4 (см. рис. 5.4, а), создаваемой верховым глубоким зубом, в

низовом глубоком зубе или флютбете следует предусмотреть

фильтрационные отверстия, с тем чтобы иметь напор под плоти-

ной, равный уровню воды НБ. Для устройства коротких бетонных

зубьев (до 5 м) используют открытый способ возведения в кот-

ловане с откачкой грунтовых вод и обратной засыпкой пазух кот-

лована грунтом и его укаткой. По условиям производства работ

ширина зуба понизу должна быть не менее 3 м (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Сооружение бетонного зуба плотины в котловане:

1 - бетонный зуб; 2 - обратная засыпка глиной с укаткой; 3 - горизонталь-

ный дренаж подошвы плотины; 4 - фильтр; 5 - обратная засыпка песком

176

Глубокие бетонные зубья (5-10 м) выполняются способом под-

водного бетонирования и с помощью опускных колодцев. Во из-

бежание опасной контактной фильтрации второй способ приме-

няют только при глубинной схеме (см. рис. 5.4, а), причем следует

качественно уплотнять зазоры между опускными колодцами. Под-

водное бетонирование зубьев производится так, чтобы получить

надежное сопряжение бетона с грунтом основания.

При устройстве зуба по схеме рис. 5.11 надо иметь в виду, что

при недоуплотнении песка 5 в пазухе котлована произойдет осадка

этого грунта, что вызовет опасную деформацию горизонтального

подплотинного дренажа 3, или при отсутствии этого дренажа

вдоль подземного контура раскроется опасный фильтрационный

ход. Так как осадка зуба под весом плотины намного больше, чем

осадка грунта в пазухах, то боковым граням зуба придают уклон

(5:1), чтобы ширина зуба книзу уменьшалась.

Глубину висячих зубьев, выполненных по одной из трех приве-

денных схем, устанавливают так же, как и глубину шпунтов, на

основе расчетов фильтрационной прочности основания.

4. Подошва плотины. Заглубление фундамента плотины в

грунт следует определять с учетом фильтрационных и статических

расчетов плотины. Для повышения устойчивости плотины ее по-

дошву располагают на нескальном грунте по возможности с

наибольшим углом внутреннего трения. В случае бездренажной

схемы плотины (рис. 5.12) при d=sвых, установленной по вышепри-

веденным формулам, очертание дна котлована плотины принима-

ют по одному из двух вариантов: плотина с неглубокими зубьями

(рис. 5.12, а) и плотина без зубьев (рис. 5.12, 6).

Рис. 5. 12. Схемы конфигурации подошвы плотины:

а – плотина с неглубокими зубьями; б – плотина без зубьев: 1 – фильтр

По условиям устойчивости плотины предпочтительна плотина с

177

зубьями в ее подошве (рис. 5.12, а). Глубину зуба d назначают так,

чтобы верхняя часть подошвы (участок MN) располагалась на бо-

лее прочном и маловодопроницаемом грунте. Вариант подошвы

плотины без зубьев (рис. 5.12, б) можно принять только в водона-

сыщенных илистых и глинистых грунтах, в которых разработка

траншеи под зубья очень затруднена. При устройстве котлована

следует избегать попадания глинистых грунтов основания, склон-

ных к пучению, в зону промерзания, их следует заменить песком.

5. Устройство выхода фильтрационного потока в НБ. В об-

ласти выходного сечения фильтрационного потока следует устро-

ить дренаж, защищенный снизу обратным фильтром. Горизон-

тальный дренаж, устраиваемый под водобоем, плотиной и пону-

ром, следует выполнять из слоя гравия толщиной 0,2-0,3 м. Отвод

воды из дренажа и его пропускную способность надо проектиро-

вать так, чтобы потерями напора при движении воды вдоль дре-

нажа можно было пренебречь. Дренаж вместе с обратным филь-

тром должен быть плотно прижат к глинистому грунту основания

(например, аргиллитов) весом бетонируемой плотины как можно

раньше, так как эти грунты, оставаясь долго открытыми атмосфер-

ным воздействиям, заметно теряют свою прочность.

Наиболее безопасным выходом фильтрационного потока в дре-

наж является выход на рис.5.13, а, когда sвых достаточно заглубле-

но. Нельзя допускать расположения дренажа по схеме рис. 5.13, б

(sвых=0), так как в точке А теоретически выходной градиент филь-

трации Iвых→∞ и условия работы обратного фильтра будут опас-

ными. Схему расположения дренажа на рис. 5.13, в при толщине

t=sвых можно считать приемлемой.

Рис.5.13. Выход фильтрационного потока в НБ: а – нормальный выход в НБ; б – опасный выход; в – допустимый выход

В отдельных случаях отвод воды из подплотинного дренажа в

НБ осуществляют через специальную дренажную галерею III, рас-

положенную иногда ниже уровня НБ (см. рис. 5.2). В этих услови-

178

ях подплотинный горизонтальный дренаж соединяют с дренажной

галереей специальными дренажными колодцами IV, заполненными

камнем требуемой крупности. Сечение колодцев прямоугольное

размером 0,8х0,8 м, высота колодца 2 м и более.

6. Стенки-завесы. При проектировании бетонных плотин на

нескальных основаниях следует применять траншейные стенки-

завесы (см. схемы 4 и 9 на рис.5.4, б и рис. 5.6) из глиноцементно-

го раствора или пластичного бетона для полного или частичного

перекрытия проницаемого основания мощностью до 60 м из или-

стых, песчаных и песчано-гравелистых грунтов.

Для устройства траншейных глиноцементных и бетонных сте-

нок-завес в слабо и сильнопроницаемых основаниях (водопрони-

цаемостью свыше 10-5

см/с) используют безкотлованный метод

«стена в грунте». Эти стенки-завесы выполняют в зависимости от

глубины траншей экскаваторами обратная лопата (до 5-10 м),

грейферами типа «Казагранде» (до 15-20 м), гидрофрезой фирмы

«Солетанш» (до 60 м) и др. Глубокие (до 150-200 м) инъекционные

противофильтрационные завесы для нагнетания цементных и це-

ментно-глинистых растворов в песчаные и песчано-гравелистые

грунты применяют в сильно проницаемых основаниях каменно-

земляных плотин (раздел 3) и не используют в проницаемых ал-

лювиальных основаниях бетонных плотин вследствие высокой

сложности и стоимости работ по сравнению с экономичной и эф-

фективной технологией строительства траншейных стенок-завес.

Глубину стенки-завесы, ее водонепроницаемость назначают в

зависимости от напора на плотину, фильтрационно-суффозионных

свойств грунта основания, требуемого снижения противодавления

на плотину. Толщина стенки-завесы зависит от применяемого обо-

рудования и материала и составляет 0,9 м (комовая глина) и 0,6 м

(глино-цемент и пластичный бетон).

7. Дренажные устройства в основании и теле плотины. Устройство горизонтального дренажа, выполняемого из щебня или

гравия и защищенного от заиления обратным фильтром, следует

предусматривать: для бетонных плотин на глинистых грунтах ос-

нования, а также на песчаных грунтах в случаях, когда для обеспе-

чения устойчивости плотины недостаточно устройства понура или

стенки-завесы под водобоем, рисбермой, плитами крепления отко-

сов, особенно в зонах пульсационного и волнового воздействий,

179

при наличии в основании размываемых грунтов.

Число слоев обратного фильтра и зерновой состав следует

определять в соответствии со СНиП 2.06.05-84 [4].

Толщину слоя горизонтального дренажа назначают с учетом

конструкции плотины и условий строительства, но не менее 20 см.

Отвод воды из горизонтального дренажа следует предусматри-

вать в дренаж водобоя или с помощью дренажной системы, прохо-

дящей через тело плотины, сопрягающий устой, в НБ. Выходные

отверстия дренажной системы предусматривают в местах со спо-

койным режимом потока и располагают ниже минимального УНБ.

Дренаж напорной грани бетонной плотины - система верти-

кальных дренажных скважин диаметром 15-20 см с шагом 2-3 м на

расстоянии 2-4 м от напорной грани. Дренажные скважины выво-

дят в дренажные галереи. В эти нижние галереи выводят трубы

дренажей, расположенных под фундаментом плотины, оснащен-

ные задвижками для управления работой дренажей и расходомер-

ных устройств. В галереях, расположенных ниже уровня НБ, при-

меняют принудительную откачку воды эжекторами, питаемыми

водой из ВБ (производительность эжектора с 2-3 л/с).

5.4. Фильтрационные расчеты подземного контура плотины

5.4.1. Общие положения гидравлических методов расчета

Для решения подобных задач напорной фильтрации можно ис-

пользовать все методы, но наибольшее применение получили гид-

равлические, численные и гидромеханические методы.

Ниже рассмотрены два гидравлических метода расчета филь-

трации подземного контура: коэффициентов сопротивления и

удлиненной контурной линии.

Для расчета напорной фильтрации подземного контура выби-

рают поперечное сечение плотины, наиболее опасное с точки зре-

ния устойчивости плотины и фильтрационной прочности ее осно-

вания. Для выбранного поперечника плотины принимают соответ-

ствующую расчетную схему подземного контура, получающуюся

исключением разных деталей, которые сильно не влияют на ре-

зультаты расчета. При составлении расчетной схемы тонкие бе-

тонные зубья можно заменить непроницаемыми шпунтами такой

же длины, мелкие зубья можно не учитывать и т.п.

Заменяя неоднородное основание однородной изотропной сре-

180

дой с одним коэффициентом фильтрации, надо иметь в виду, что

распределение напоров и пьезометрических уклонов (градиентов

фильтрации) в разных точках основания не зависит от коэффици-

ента фильтрации. От него зависит только расход фильтрации, ко-

торый прямо пропорционален коэффициенту фильтрации.

Следует учитывать также, что градиенты фильтрации в основа-

нии не зависят от уровней ВБ и НБ, а зависят от расчетного напора

на плотину. Напор в отдельных точках основания зависит от уров-

ней ВБ и НБ, поэтому и противодавление на подошву плотины за-

висит от глубины воды в НБ.

Фильтрационный расчет проводят на 1 пог. м длины плотины

для определения: 1) противодавления на подошву плотины и в ря-

де случаев на подошву понура; 2) напора на конце низового шпун-

та (зуба) для проверки местной прочности грунта на выпор в низо-

вом фрагменте основания; 3) градиентов фильтрации, определяю-

щих общую прочность основания; 4) максимального выходного

градиента фильтрации на дне НБ; 5) расхода фильтрации; 6) гра-

диентов фильтрации на контакте мелких и крупных песков осно-

вания, где возможен вынос мелкого песка в поры крупного.

В расчетах устойчивости плотины на сдвиг по поверхности,

проходящей на некоторой глубине под подошвой плотины, с по-

мощью фильтрационного расчета вычисляют распределение напо-

ров по этой поверхности сдвига.

5.4.2. Расчет по методу коэффициентов сопротивления

Согласно методу коэффициентов сопротивлении пьезометри-

ческую кривую Р-Р для подземного контура (см. рис. 5.14) прини-

мают в виде ломаной линии, состоящей из ряда наклонных прямо-

линейных участков и вертикальных уступов, отвечающих тем зо-

нам подземного контура, где фильтрационный поток встречает

местные препятствия.

Гидромеханическое давление в любой точке подземного конту-

ра, например, в точке m определяется заглублением h’p этой точки

относительно пьезометрической линии Р-Р, по которой можно

также находить приближенно гидромеханическое давление в ос-

новании (точку п и ее пьезометрическую высоту hp).

С помощью метода коэффициентов сопротивления можно ре-

шить следующие задачи: 1) построение эпюры противодавления

на горизонтальные элементы подземного контура, определение

181

напора на нижнем конце низового шпунта (зуба) и градиента

фильтрации ik, контролирующего общую фильтрационную проч-

ность грунта основания; 2) определение максимального выходного

градиента фильтрации на дне НБ; 3) определение фильтрационно-

го расхода. При решении этих задач следует задаться заглублени-

ем поверхности расчетного водоупора, которая может не совпа-

дать с поверхностью фактического водоупора. Глубина Tрасч, даю-

щая расчетное заглубление водоупора по методу коэффициентов

сопротивления, должна быть разной для перечисленных трех

фильтрационных задач. Обозначим через T’расч, T

’’расч и T

’’’расч за-

глубления расчетного водоупора, принимаемые соответственно

при решении 1, 2 и 3-й задач. Обозначим через Тд заглубление

фактического водоупора, причем Tрасч и Тд измеряют по вертикали

от водоупора до самой высокой точки подземного контура.

Рис. 5.14. Расчетная схема гидравлического расчета подземного

контура плотины по методу коэффициентов сопротивления: I - понур; II - дренаж; III - расчетная поверхность водонепроницаемого

слоя; Р-Р - пьезометрическая линия для подземного контура

При решении задач следует: 1) определить заглубление расчет-

ного водоупора Tрасч; 2) по Tрасч вычислить величины коэффициен-

тов сопротивления для всех элементов подземного контура, как

указано выше.

1. Определение заглубления поверхности расчетного водо-

упора. При определении T’расч используют понятие активной зоны

фильтрации по напору. Такт - глубина этой зоны, измеряемая от

182

наивысшей точки контура.

Приняв за l0 длину горизонтальной проекции подземного кон-

тура и за S0 длину вертикальной проекции подземного контура,

можно определить активную глубину фильтрации по напору, Т’акт,

по следующим формулам:

а) для распластанного подземного контура, когда l0/S0 ≥5

Т’акт = 0,5l0 ; (5.2)

б) для обычного подземного контура, когда 3,4 ≤ l0/S0 ≤ 5

Т’акт = 2,5S0 ; (5.3)

в) для заглубленного подземного контура, когда 1,0 ≤ l0/S0 ≤3,4

Т’акт = 0,8S0 + 0,5l0 . (5.4)

Если фактическое заглубление водоупора Tф≤Т’акт, то следует

принимать Т’акт=Tф, если Tф >Т

’акт, то T

’расч =Т

’акт.

Величины T’’

расч определяют используя понятие активной зоны

фильтрации по выходному пьезометрическому уклону или гради-

енту фильтрации (аналогично понятию активной зоны фильтрации

по напору). Если Т’’

акт - глубина активной зоны по выходному

уклону, то Т’’

акт ≈2Т’акт, где Т

’акт определяют по приведенным

формулам. Если заглубление фактического водоупора Tф≤Т’’

акт, то

следует принимать T’’

расч =Tф , если Tф >Т’’

акт, то Tф =Т’’

акт.

Значение T’’’

расч в расчетах расхода фильтрации всегда следует

принимать равным T’’’

расч= Tф, т.е. в этом случае в качестве расчет-

ного водоупора всегда принимают фактический водоупор.

2. Общая идея метода коэффициентов сопротивления. При

решении фильтрационной задачи, определив расчетное заглубле-

ние водоупора, подземный контур разбивают на следующие от-

дельные элементы:

1) входной и выходной элементы в виде выходного и входного

шпунтов (см. рис. 5.14, элементы 1–a–2 и 5–в–6) или при отсут-

ствии этих шпунтов в виде входного и выходного уступов (эле-

менты 1–2 и 5–6), или при отсутствии шпунтов и уступов в виде

плоского выхода и входа, в этом случае входной и выходной эле-

менты контура обращаются в точки 1 и 6;

2) внутренние шпунты: на рис. 5.14 показан один внутренний

шпунт 3–6–4, однако в общем случае таких шпунтов может быть

несколько, если S=0, то вместо внутреннего шпунта получают

183

внутренний уступ 5–4;

3) горизонтальные элементы контура (элементы 2–3 и 4–5).

При такой разбивке контура получают только 3 типовых элемента.

Потеря напора контура h по линии каждого выделенного эле-

мента равна:

h = H′0 – H″0 , (5.5) где H′0 – напор в начальной точке элемента и H″0 – напор в конечной

точке элемента. Например, для внутреннего шпунта 3–б–4 значение h

представляет собой разность напоров в точках 3 и 4.

В случае ламинарной фильтрации потеря напора h для каждого

выделенного элемента контура можно представить зависимостью:

h = ζ q/k , (5.6)

где ζ – коэффициент сопротивления, зависящий от формы и размеров

рассматриваемого элемента контура, а также Tрасч; q – удельный филь-

трационный расход; k – коэффициент фильтрации.

Для подземного контура на рис. 5.14 определяем суммарный

коэффициент сопротивления контура:

∑ζ = ζ вх + ζ′г + ζш + ζ″г + ζвых (5.7)

где ζвх и ζвых – коэффициенты сопротивления входного и выходного

элементов контура; ζ′г и ζ″г – коэффициенты сопротивления для 1 и 2-го

горизонтальных элементов; ζш – коэффициент сопротивления внут-

реннего шпунта; при S=0 вместо ζш получаем коэффициент соп-

ротивления внутреннего уступа ζуст.

Вычисленные значения коэффициентов сопротивления не зави-

сят от направления фильтрации, в связи с чем при одинаковой

форме и размерах входного и выходного элементов контура полу-

чим ζвх=ζвых. Зная значения ζ , можно с помощью простых формул

решить любые задачи фильтрации с учетом того, что напор на

плотину Z распределяется между отдельными элементами прямо

пропорционально их величинам ζ и др. Таким образом, главным

является вопрос об определении величин ζ.

3. Определение значений коэффициентов сопротивления. В

результате анализа точных гидромеханических решений фильтра-

ции под плотинами были получены следующие зависимости для

коэффициентов ζ.

Коэффициент сопротивления внутреннего шпунта или уступа:

ζш = a/T1 + 1,5S/T2 + (0,5S/T2)/(1 – 0,75S/T2) , (5.8)

184

где а и S показаны на рис. 5.14; T1 и T2 – заглубления расчетного водо-

упора под подошвой плотины слева и справа от шпунта, причем всегда

(Т1>Т2). Формула (5.8) относится к случаю 0,5≤ T2/T1≤1,0 и 0≤S/T2≤0,8.

Когда S = 0, вместо формулы (5.8) получаем:

ζуст = а/Т1 . (5.9)

Коэффициент сопротивления входного и выходного элементов

контура:

ζвх = ζвых = ζш + 0,44, (5.10)

где ζш определяют по формуле (5.8) в предположении, что данный

входной или выходной шпунт является внутренним шпунтом.

В частном случае, когда S = 0,

ζвх = ζвых = ζуст + 0,44. (5.11)

В частном случае, когда S=0 и а=0, входной или выходной эле-

менты контура обращаются в точку, коэффициент сопротивления

которой равен:

ζвх = ζвых = 0,44. (5.12)

Коэффициент сопротивления горизонтальных элементов конту-

ра (элемент 2–3 на рис. 5.14):

а) в случае l ≥ 0,5(S1 + S2):

ζг=[l – 0,5(S1 + S2)]/T; (5.13)

б) в случае l ≤ 0,5(S1 + S2):

ζг = 0, (5.14) где l – длина горизонтального элемента, S1, S2 – длины шпунтов, огра-

ничивающих данный элемент контура (в частном случае они могут быть

равны 0); Т – заглубление водоупора под плотиной.

4. Эпюра противодавления на подошву плотины и понура. Определив по T

’расч заглубление расчетного водоупора и при его

заглублении величины коэффициентов сопротивления для отдель-

ных элементов контура, строим пьезометрическую линию Р–Р для

горизонтальных элементов контура (см. рис. 5.14), учитывая отме-

ченное выше правило: полный напор на плотину Z распределяется

между отдельными элементами контура прямо пропорционально

величинам их коэффициентов сопротивления.

По этому правилу потеря напора h на длине n-го элемента контура:

hn = Z ζn /∑ζ , (5.15)

где ζn – коэффициент сопротивления n-го элемента контура.

185

Вычислив по формуле (5.15) потери напора на длине каждого

элемента контура (потери напора hI, hII, hIII, hIV, hV на рис. 5.14),

строят пьезометрическую линию Р–Р. Полученная площадь (за-

штрихована на рис. 5.14), лежащая между найденной линией Р–Р и

подземным контуром 1–2–3–4–5–6, и будет представлять собой

искомую эпюру противодавления.

5. Определение напора на нижнем конце выходного шпунта

Напор hостр на острие выходного шпунта (точка b на рис. 5.15,

а) вычисляют по формуле:

hостр = ε hвых , (5.16) где hвых – находят при расчете эпюры противодавления; ε – коэффи-

циент, для случая 0,7≤T2/T1 ≤1,0 и S/T2>0,l определяют по формуле:

ε ≈ 0,8 – 0,3 S/Т1 . (5.17)

Рис. 5.15. Определение напора в конце (b) выходного шпунта

Схема рис. 5.15, б является частным случаем схемы рис. 5.15, а.

Однако hостр в точке b этой схемы следует определять не по фор-

муле (5.16), а по следующей формуле (с учетом поправки δ):

hостр = δ hвых , (5.18)

где δ – поправочный коэффициент, определяемый (при 0,7≤T2/T1 ≤1,0):

δ ≈{sin[0,75π(4S/Т1 + 1 – T2/T1)]}0,5

. (5.19)

6. Максимальный выходной градиент фильтрации на дне

НБ. Максимальный выходной градиент фильтрации (пьезометри-

ческий уклон) iвых будет иметь место в точке 6 (см. рис. 5.14).

Установив по T’’

расч расчетное заглубление водоупора и для него

величины коэффициентов сопротивления для отдельных элемен-

тов контура и значение суммарного коэффициента сопротивления

∑ζ , величину iвых вычисляют по формуле:

iвых = (Z/Т1)(1/α∑ζ) , (5.20)

где α – коэффициент, для случая 0,7≤T2/T1 ≤1,4

α = {sin[0,5π(S/Т1 + 1 – T2/T1)]}0,5

. (5.21)

186

Более точные значения α можно определить по графику рис. 5.16.

Если фактический водоупор расположен на большой глубине, в

формулу (5.20) вводят поправку, умножая правую ее часть на 1,1.

Рис.5.16. График определения коэффициента α при вычислении

максимального градиента фильтрации на дне НБ

7. Определение расхода фильтрации. Зная по Tрасч=Tф коэф-

фициенты сопротивления ζ, удельный расход фильтрации q равен:

q = Zk/ ∑ζ . (5.22)

При глубоком залегании водоупора, когда Tф много больше

Такт, расход по этой формуле определяется только приближенно.

5.4.3. Расчет по методу удлиненной контурной линии

Этот приближенный метод представляет собой графический

вариант метода коэффициентов сопротивления для распластанного

подземного контура.

По этому методу при построении эпюры противодавления вна-

чале определяют расчетное заглубление водоупора T′расч. Далее

определяют значение Tср – заглубление водоупора под дном ВБ и

НБ и отдельными участками контура. Затем разворачивают задан-

ный контур (см. рис. 5.17, а) в горизонтальную прямую АВ, пока-

занную на рис. 5.17, б, длина которой равна длине контура L. По-

сле этого от точек А и В линий влево и вправо откладывают гори-

187

зонтальные отрезки, равные λ0=0,44Tср, и получают удлиненную

контурную линию А′В′, или виртуальную подземного контура

Lвирт:

Lвирт = L + 0,88Tср . (5.23)

Откладывая от точки А' по вертикали отрезок, равный напору на

плотину Z, получают точку С и, соединяя точку С с точкой В' пря-

мой, получают площади, показанные на рис. 5.17, б штриховкой.

Рис. 5.17. Построение пьезометричес- Рис.5.18.Построение линий

кой линии Р–Р по методу удлиненной равного напора при глубо-

контурной линии (Lвирт - виртуальная ко заложенном водоупоре

длина)

Эти площади являются эпюрами напоров для горизонтальных

элементов контура 2–3 и 4–5. При этом плоскость сравнения 00, от

которой отсчитывают напоры, проводят на уровне воды НБ. По-

строив эпюры напоров, строят эпюры противодавления для гори-

зонтальных элементов контура. С этой целью к координатам эпюр

напора прибавляют заглубления точек контура под уровнем НБ.

Пользуясь методом удлиненной контурной линии, можно при-

ближенно определить также максимальный выходной градиент

фильтрации iвых и напор на острие выходного шпунта hостр.

5.4.4. Построение линий равного напора фильтрации под

плотиной при глубоко заложенном водоупоре На рис. 5.18 приведена схема подземного контура 1–2–3–4–5–6

со шпунтами. Построение линий равного напора необходимо,

например, для расчета устойчивости плотины, когда поверхность

сдвига является заглубленной. Строят для данного подземного

188

контура пьезометрическую линию Р–Р, предварительно приняв

плоскость сравнения О'О'. Из точки О, делящей отрезок 1–6 попо-

лам, описывают радиусом R=(1,5–1,0)l0 дугу полуокружности АС,

которую разбивают на 10 равных частей. Далее из центральной

точки О проводят пунктиром 9 лучей в точки разбивки полу-

окружности AC. В соответствии с пьезометрической линией Р–Р и

намеченными лучами проводят, как показано на рисунке, линии

равного напора. Пользуясь линиями равного напора, строят эпюру

изменения напора вдоль любой поверхности основания (например,

поверхность MN).

5.5. Расчет общей фильтрационной прочности нескального

основания бетонной плотины

1. Общие положения. Форму и окончательные размеры под-

земного контура плотины устанавливают в результате проведения

расчетов фильтрационной прочности грунта основания и статиче-

ских расчетов устойчивости плотины. Расчетные поперечные се-

чения плотины следует выбирать согласно предварительно опре-

деленной конструкции плотины с учетом геологии основания. Рас-

чет фильтрационной прочности основания должен проводиться

при максимальном напоре Z на плотину (максимальной разнице

между НПУ и минимальным уровнем НБ), отвечающем нормаль-

ным условиям эксплуатации плотины.

В расчетах, как правило, рассматривают два вида нарушения

фильтрационной прочности грунта основания:

1) нарушение общей фильтрационной прочности грунта ос-

нования, которое может произойти в любом месте его продольного

и поперечного профиля при неизвестных расчетных условиях, вы-

званных образованием ходов сосредоточенной фильтрации вслед-

ствие: а) низкого качества производства работ; б) неучтенной не-

равномерной осадки плотины; в) внутренней суффозии вследствие

неучтенной неоднородности грунта и др. Общая фильтрационная

прочность основания определяется надежностью системы «осно-

вание-плотина» и качеством ее выполнения;

2) нарушение местной фильтрационной прочности, которое

может произойти в известных наиболее слабых местах расчетного

профиля основания при известных расчетных условиях: а) на кон-

такте дна НБ с обратным фильтром, б) на выходном участке осно-

вания, где может произойти выпор грунта, в) на контактах круп-

189

ных и мелких несвязных и связных-несвязных грунтов основания.

Форму и размеры подземного контура следует назначать со-

гласно расчету общей фильтрационной прочности грунтов основа-

ния и затем их дополнительно проверять на местную фильтраци-

онную прочность.

2. Расчет общей фильтрационной прочности нескального

основания. Общую фильтрационную прочность грунтов основа-

ния оценивают по СНиП 2.02.02-85 [5] средним градиентом филь-

трационного напора Iср:

Iср ≤ Iдоп= Iкрит/γn , (5.24 ) где Iдоп – допустимый градиент напора; Iкрит – критический средний

градиент напора, определяемый по данным фильтрационно-суффозион-

ных испытаний грунта; при их отсутствии и в предварительных расчетах

– по грунтам-аналогам или по СНиП 2.02.02-85; γn – коэффициент

надежности, равный для класса плотин: I - 1,25; II - 1,2; III - 1,15; IV - 1,1.

Исходя из (5.24) подбирают размеры и форму подземного кон-

тура плотины, а также типы и материалы элементов этого контура.

Критический средний градиент напора Iкриm в нескальном осно-

вании бетонных плотин принимают согласно СНиП 2.02.02-85:

в мелком песке – 0,32; среднем песке – 0,42; крупном песке –

0,48; супеси – 0,6; суглинке – 0,8; глине – 1,35.

Для несуффозионных песчаных грунтов Iкрит допускается при-

нимать при выходе потока в дренаж 1,0; за дренажем - 0,3. Для

пылевато-глинистых грунтов при наличии дренажа или жесткой

пригрузки при выходе на поверхность грунта Iкрит допускается

принимать 1,5; при деформируемой пригрузке - 2,0.

Определение среднего (контролирующего) градиента Iср:

а) в случае обычной схемы контура, когда l≥ S :

Iср = Z/Lвирт = Z/(T′расч∑ζ ) (5.25)

где S – общая длина шпунтов и l – расстояние между ними; Z – рас-

четный напор на плотину; Lвирт – виртуальная длина контура; T′расч – за-

глубление расчетного водоупора при определении противодавления; ∑ζ –

суммарный коэффициент сопротивления контура, вычисляемый при за-

глублении T′расч расчетного водоупора.

Если l оказывается достаточно большой l ≥(5–10)S,

то Iср можно считать равной Iср ≈ iг.э.

где iг..э. – уклон пьезометрической линии Р–Р ( рис. 5.14) для горизон-

тальных элементов контура.

190

Значение iг..э. , вычисленное по приведенным ниже формулам:

при соблюдении условия l ≥(5–10)S:

Iср= iг.э.= qприв/ T′расч ≈ vприв , (5.26)

где qприв – приведенный расход фильтрации для данной схемы контура:

qприв = q/k = Z/∑ζ , (5.27)

где vприв – приведенная скорость фильтрации для некоторого верти-

кального сечения потока (рис. 5.19);

Рис. 5.19. К расчету среднего градиента напора Iср в расчете общей

фильтрационной прочности основания (распластанный контур): 1 - эпюра приведенных скоростей; 2 - расчетный водоупор; Р–Р - пьезо-

метрическая линия

при соблюдении условия (5-10) S≥ l≥S:

Iср= qприв/ T′расч ≈ v

срприв , (5.28)

где vср

прив – средняя приведенная скорость фильтрации для сечения пото-

ка 1–1 (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Определение средней приведенной скорости

фильтрации vср

прив (1 - эпюра приведенных скоростей)

191

Исходя из этих положений, значение Iср можно находить также

с помощью метода электрогидродинамических аналогий (ЭГДА);

б) в случае подземного контура в виде чистого шпунта Iср равно:

Iср=iвых , (5.29) где iвых - максимальный выходной градиент на дне НБ, при Тф=∞

iвых = 0,318 Z/S ; (5.30)

в) в случае подземного контура, близкого к чистому шпунту,

когда l≤S/2 (рис. 5.21) при оценке общей прочности основания

можно в запас этой прочности исключать горизонтальные элемен-

ты контура и рассчитывать данную схему, как с чистым шпунтом,

т. е. по формуле (5.29);

г) в случае промежуточных схем контура, когда S≥l≥S/2, Iср сле-

дует определять в соответствии с данными, приведенными выше.

Предварительно размеры подземного контура назначают, ис-

ходя из общей фильтрационной прочности грунта основания. При

этом пользуются следующими зависимостями:

а) сильно распластанная схема контура: Iср≈iг.э. В этом случае

минимально допускаемая длина подземного контура Lmin равна:

Lmin = Z/Iдоп – 0,88Tср = Z γn /Iкрит – 0,88Tср , (5.31)

где Tср – средняя глубина залегания расчетного водоупора, положение

которого определяется размером T′расч :

Tрасч = (T1 + Т2 + Т3 + ... + Tm)/m , (5.32)

здесь T1 – заглубление расчетного водоупора под дном ВБ; Т2 – под

подошвой понура и т.д.; m – число значений Т в формуле.

Рис. 5.21. Схемы подземного контура, близкие к чистому шпунту

При использовании формулы (5.31), когда фактический водо-

упор расположен неглубоко: Тф≤0,510

(10 – см. рис. 5.14), расчетный водоупор совпадает с фактиче-

ским водоупором, причем Тср определяется просто.

192

При глубоком залегании водоупора, когда Тф>0,5l0, для Lmin

вместо формулы (5.31) дается зависимость:

Lв + 1,5Lг = Z/Iдоп = Z γn /Iкрит , (5.33)

где Lв + Lг = Lmln, (5.34)

(Lв и Lг – суммарные длины соответственно вертикальных и го-

ризонтальных элементов контура).

Формулы (5.33) и (5.34) в ряде случаях приходится решать под-

бором в связи с отсутствием в начале расчета данных по l0;

б) общий случай схемы подземного контура, отличной от чи-

стого шпунта и не удовлетворяющей условию l ≥(5–10)S:

∑ζ = Z/(T′расч Iдоп) = Z γn/(T

′расч Iкрит) . (5.35)

При относительно неглубоком залегании фактического водо-

упора можно принять T′расч=Тф и переписать формулу (5.35) в виде:

∑ζ = Z/(T′расч Iф) . (5.36)

По этой формуле вычисляют минимально допускаемое значе-

ние ∑ζ и подбирают подземный контур так, чтобы его суммарный

коэффициент сопротивления ∑ζ не был меньше найденного.

При относительно глубоком залегании фактического водоупора

зависимость (5.35) приходится переписать в виде l0/S0≥5 и тогда:

l0 ∑ζ = Z/(0,5Iдоп) = 2Z γn/Iкрит , (5.37)

в случае 5≥l0/S0≥3,4 имеем:

S0 ∑ζ = Z/(2,5Iдоп) = Z γn/(2,5Iкрит) . (5.38)

Определив по формулам (5.37) и (5.38) значение l0∑ζ или S0∑ζ

подбирают контур так, чтобы он характеризовался значением l0∑ζ

или S0∑ζ, равным найденному;

в) случай чистого симметричного шпунта при глубоком залега-

нии фактического водоупора при (S/T)<0,4–0,5 минимально допу-

стимую глубину забивки шпунта согласно зависимостям (5.24) и

(5.30) находят по формуле:

Sмин = Z/(3Iдоп) = Z γn/(3Iкрит) . (5.39)

5.6. Расчет местной фильтрационной прочности основания

1. Проверка подземного контура на местный фильтрацион-

ный выпор на выходе в НБ. На рис. 5.22 показан низовой шпунт

(зуб), причем через hoc обозначен напор в точке а (плоскость срав-

нения О–О на уровне НБ). Если установить пьезометр 2, подклю-

ченный к точке а, то превышение уровня воды в нем над уровнем

НБ составит hoc. Выделим столбик грунта abсd с сечением 1 кв. ед.

193

Рис. 5.22. Расчет местного фильтрационного выпора в НБ:

1 – флютбет; 2 - пьезометр; 3 – низовой шпунт; 4 – пригрузка дна гравием

Условие равновесия столбика при следующих силах:

а) собственный вес столбика грунта: 1 кв. ед. Sвых γвзв, где γвзв –

плотность взвешенного в воде грунта;

б) вес пригрузки столбика слоем t гравелистого грунта (покры-

вающий дно НБ), равный: 1 кв. ед. t γпр, где γпр – плотность взве-

шенного в воде грунта пригрузки (рис. 5.22);

в) фильтрационная сила в 1 кв.ед. hoc ув (ув - плотность воды).

Так как фильтрационная сила направлена вверх, то под ее дей-

ствием может произойти выпор вверх столбика грунта.

Пренебрегая силами трения по боковым граням ad и bс столби-

ка и рассматривая только несвязный грунт основания, получим

уравнение, отвечающее предельному равновесию столбика:

Sвых γвзв + t γпр = hoc ув . (5.40)

Допуская γвзв≈γпр≈ув, получим, что выпора грунта не будет, если:

hoc ≤(Sвых + t) . (5.41)

Вводя коэффициент надежности уn=1,25 (плотина I класса) или

1,2 (плотина II класса), получим, что hoc удовлетворяет условию:

hoc≤ 0,8(Sвых + t) . (5.42)

Если это условие не выполнено, то в НБ может произойти вы-

пор грунта и бетонная плотина может быть повреждена. Проверку

на выпор грунта выполняют только при условии, что iвых>0,5–0,6.

При меньших значениях iвых условие (5.42) всегда выполняется.

Если это условие при данном подземном контуре не выполняется,

то увеличивают толщину пригрузки t или длину низового шпунта

Sвых. Если при пропуске воды через плотину в конце фундамента

плотины уровень воды снижается из-за отгона прыжка, то это сни-

жение следует учесть в расчете.

2. Расчет местной фильтрационной прочности основания на

суффозию. Суффозии грунта следует опасаться на контакте грунта

194

основания и фильтра на дне крепления НБ, на контактах крупных

и мелких несвязных и несвязных-связных грунтов основания.

С этой целью определяют действующие iд и критические Iкрит

значения градиенты напора в этих контактах. Величина критиче-

ского градиента Iкрит зависит от: а) зернового состава грунтов в

контакте и сцепления размываемого грунта; б) угла наклона кон-

такта к горизонту; в) направления фильтрации. В плотинах I и II

классов критическое значение градиентов напора определяют по

лабораторным суффозионно-фильтрационным испытаниям образ-

цов грунтов основания.

Прочный в фильтрационном отношении подземный контур (без

возможности суффозии) должен удовлетворять условию:

iд ≤Iдоп=Iкрит/уn, где уn – коэффициент надежности (уn=1,25 для I

класса, 1,2 для II класса плотин).

3. Оценка возможности химической суффозии. Если основа-

ние плотины содержит растворимые в воде включения (гипсы, ка-

менная соль и др.), следует опасаться химической суффозии, борь-

ба с которой затруднена. Поэтому обычно не строят плотины на

основаниях, содержащих в себе растворимые в воде включения.

Однако если это не удается, то применяют такие меры, как:

а) устраивают длинный гибкий понур так, чтобы фильтру-

ющаяся из ВБ вода насыщалась растворимыми включениями в его

основании, а химическая суффозия в основании плотины будет от-

сутствовать и большие осадки грунта вследствие химической суф-

фозии получаются только в основании понура;

б) под понуром устраивают дренаж (рис. 5.23), перехватываю-

щий основной поток фильтрации, и поэтому под плотиной образу-

ется «застойная» область фильтрации и химическая суффозия в

основании самой плотины будет, практически, отсутствовать.

Рис. 5.23. Дренаж для борьбы с химической суффозией: 1– понур; 2 – дренаж; 3 – шпунт или стенка-завеса

195

Глава 6. Грунтовые плотины

6.1.Требования к грунтовым материалам плотин

Грунтовые плотины (земляные насыпные и намывные, каменно-

земляные и каменно-набросные) - наиболее распространенный тип

плотин, они входят в состав почти всех построенных гидроузлов.

В этом пособии рассмотрены насыпные земляные, каменно-

земляные и каменно-набросные (правильнее, каменно-насыпные)

плотины, за исключением, намывных земляных плотин, которые

сейчас почти не строят ввиду их низких технико-экономических

показателей по сравнению с насыпными плотинами (высокой сто-

имостью потребляемой электроэнергии и низкой сейсмостойко-

стью). Кроме того, в пособии не рассмотрены особые типы малых

земляных и каменно-земляных из талых и мерзлых грунтов, кото-

рые в малом числе построены в зоне вечной мерзлоты РФ.

Для возведения грунтовых насыпных плотин используют местные

грунтовые материалы, требования к которым представлены в

СНиП 2.06.05 - 84* «Плотины из грунтовых материалов» [4].

Требования к материалам земляных насыпных плотин.

Земляные насыпные плотины можно возводить из всех видов

грунтов, за исключением:

а) содержащих водорастворимые хлоридные соли более 5% по

массе, сульфатных, сульфатно-хлоридных более 10%;

б) содержащих не полностью разложившиеся органические веще-

ства более 5% по массе и полностью более 8%.

Для создания грунтовых противофильтрационных устройств в теле

и основании плотины (экранов, ядер, понуров, зубьев) следует

применять слабоводопроницаемые грунты.

При выборе этих грунтов необходимо учитывать следующее:

а) наиболее пригодными грунтами для образования этих устройств

являются глинистые грунты с коэффициентом фильтрации

k<0,1 м/сут. и при числе пластичности Ip 0,05;

Песчаные грунты (мелкие, средние и крупные) следует применять

для однородных плотин и плотин с центральной или верховой во-

доупорной призмой, если обеспечивается фильтрационная проч-

ность грунтов плотины, а величина фильтрационного расхода во-

ды через ее тело допустима по водохозяйственным расчетам.

Песчаные и крупнообломочные грунты при необходимой прочно-

сти, морозостойкости и водостойкости и обеспечении сопряжения

196

с противофильтрационным устройством и основанием допускается

применять без ограничений для призм земляных насыпных пло-

тин. Возможность укладки этих грунтов в тело плотины определя-

ется фильтрационным и напряженным состоянием плотины.

Требования к материалам каменно-земляных и каменно-

набросных плотин.

Пригодность этих грунтовых материалов должна быть обоснована

данными лабораторных и полевых исследований.

Состав крупнообломочного материала (камня) плотин следует

подбирать исходя из следующих требований:

а) обеспечения требуемой плотности укладки;

б) учета сегрегации при отсыпке высокими ярусами;

в) учета местоположения грунтов в теле плотины.

При соответствующем обосновании допускается применение сла-

бых выветрелых пород с учетом изменения их характеристик во

времени. Окончательный состав материала этих плотин необходи-

мо принимать на основе технико-экономических расчетов рас-

сматриваемых вариантов плотин.

Предельную крупность камня, отсыпаемого в тело плотины, и его

зерновой состав следует устанавливать в проекте в зависимости от

качества камня и метода возведения плотины. Крупность материа-

ла, отсыпаемого послойной укаткой, должна быть не более 0,75

толщины отсыпаемого слоя.

Для плотин I и II классов высотой более 50 м лабораторные дан-

ные физико-механических характеристик грунтов следует уточ-

нять исследованиями на опытных насыпях, для плотин высотой

более 100 м эти исследования обязательны.

Укладку различного материала по частям профиля плотины, как

правило, следует предусматривать при высоте плотины 50 м и бо-

лее, при этом прочный материал используют в более напряженных

частях, а материал морозостойких пород - во внешних частях про-

филя.

Для материала, укладываемого в плотину ниже уровня воды или

подверженного ее воздействию, коэффициент размягчаемости

должен быть не ниже 0,9 для изверженных и метаморфических

пород и 0,8 для осадочных. Меньшие значения коэффициента раз-

мягчаемости можно принимать при надлежащем обосновании.

К грунтам противофильтрационных устройств (экранов, понуров,

197

ядер), переходных слоев и обратных фильтров каменно-земляных

плотин предъявляют те же требования, что и к подобным элемен-

там земляных насыпных плотин.

Для переходных слоев и обратных фильтров каменно-земляных

плотин следует использовать, как правило, карьерные разнозерни-

стые грунты. Во всех случаях надлежит отдавать предпочтение

однослойным переходным слоям и обратным фильтрам.

Конструкция плотины должна обеспечивать устойчивость плоти-

ны и ее основания при всех возможных условиях строительства и

эксплуатации и нормальную работу противофильтрационных и

дренажных устройств и всей плотины.

6.2. Выбор створа и типа грунтовой плотины

Выбор створа и типа плотины, методов ее возведения относится к

самым ответственным вопросам проектирования, от решения ко-

торых зависят сроки и стоимость строительства, а также надеж-

ность эксплуатации сооружений. Правильное решение этих вопро-

сов возможно на основе учета всех условий строительства и экс-

плуатации гидроузла.

Створ плотины выбирают путем технико-экономического сравне-

ния возможных вариантов на основе топографических, геологиче-

ских, гидрогеологических, гидрологических, климатических усло-

вий места строительства. При выборе створа учитывают:

а) наличие вблизи створа пригодных для возведения плотины

грунтовых материалов в достаточном количестве и возможность

использования материала из полезных выемок;

б) форму и геологические условия створа, условия подготовки ос-

нования и сопряжения с ним тела плотины;

в) необходимость расположения водопропускных сооружений так,

чтобы исключить возможность опасных размывов берегов, под-

мыва плотины при сбросе воды в НБ и отложения продуктов раз-

мыва, ухудшающих условия эксплуатации;

г) возможность пропуска воды через створ плотины в период ее

строительства и прокладки по плотине и на подходах к ней дорог

различного назначения;

д) возможность включения верховой перемычки, перекрывающей

русло реки в строительный период, в плотину;

е) условия пропуска через створ строительных расходов, а также,

если это необходимо, судов, рыбы и леса.

198

В качестве предварительного сравнения может быть принята дли-

на плотины по гребню, удобство расположения и протяженность

водосбросного тракта. При этом приближенно можно принять от-

метку гребня плотины, равную отметке ФПУ+(2-3) м или НПУ+(4-

5) м. Обычно створ плотины располагают в наиболее узкой части

водотока, нормально к горизонталям, что обеспечивает минималь-

ный объем работ. Трассу открытого берегового водосброса следу-

ет принимать максимально короткой, прямолинейной в плане,

проходящей перпендикулярно к оси плотины.

Грунтовые насыпные плотины по конструкции тела и противо-

фильтрационных (ПФ) устройств в теле и основании подразделяют

на основные виды (табл. 6.1 и рис. 6.1).

Таблица 6.1

Основные типы земляных насыпных плотин

Элементы плотины Вид плотины

Тело плотины Однородная (рис. 6.1, а)

Неоднородная (рис. 6.1, б, в)

С экраном из негрунтовых материалов

(рис. 6.1, г)

С глинистым ядром (вертикальным или

наклонным), рис. 6.1, д

С негрунтовой диафрагмой (рис. 6.1, е)

С глинистым экраном (рис. 6.1, ж)

Противофильтрационное

(ПФ) устройство в

основании плотины

С глинистым зубом (рис. 6.1, г)

С инъекционной завесой (рис. 6.1, д)

Со стенкой-завесой, стальным шпунтом

(рис. 6.1, е)

С глинистым понуром (рис. 6.1, ж)

Примечания. 1. Грунтовые (глинистые) ПФ устройства неоднородной

плотины при большой их толщине bum (h/bum<1,0) называют верховыми

(см. рис. 6.1, б) или центральными (см. рис. 6.1, в) призмами (ПФ) соот-

ветственно их расположению.

2. Конструкции тела плотины могут сочетаться с различными конструк-

циями ПФ устройств в ее основании; выбор зависит от геологии основа-

ния и обосновывается расчетами и технико-экономическим сопоставле-

нием вариантов. Возможно сопряжение плотины III-IV класса с основа-

нием без ПФ устройств.

Тип грунтовой плотины следует выбирать в зависимости от топо-

199

графических и инженерно-геологических условий основания, гид-

рологических и климатических условий района строительства, ве-

личины напора воды, наличия грунтовых строительных материа-

лов, сейсмичности района, особенностей пропуска строительных

расходов реки.

Рис. 6.1. Виды земляных насыпных плотин:

а - ж - см. табл. 6.1;

1 - тело плотины; 2 - поверхность депрессии; 3 - дренаж; 4 - крепление

откосов; 5 - верховая грунтовая противофильтрационная призма; 6 - диа-

фрагма; 7 - верховая призма; 8 - низовая призма; 9 - переходный слой; 10-

экран из негрунтовых материалов; 11 - грунтовое ядро; 12 - центральная

грунтовая противофильтрационная призма; 13 - шпунт или стенка; 14 -

понур; 15 - инъекционная завеса (висячая); 16 - зуб; 17 - грунтовый экран;

h - высота плотины; b - ширина плотины понизу; bum - ширина противо-

фильтрационного устройства понизу; bup - ширина плотины по гребню;

mh - заложение верхового откоса; mt - заложение низового откоса

Тип и конструкцию плотины следует выбирать на основе технико-

экономического сравнения вариантов c учетом технологии их

строительства и компоновки гидроузла. Сравниваемые варианты

должны иметь одинаковую степень надежности. Для возведения

плотины следует использовать грунты из полезных выемок.

Выбор типа земляной плотины, прежде всего, зависит от наличия

тех или иных грунтов в близлежащих карьерах и максимального

использования грунтов из полезных выемок. Суглинки и пластич-

ные супеси (с числом пластичности не менее 5%) - лучшие мате-

200

риалы для противофильтрационных (ПФ) элементов земляной

плотины. При их наличии земляную плотину высотой до 30 м

устраивают чаще всего однородной. Если этих грунтов нет, то

плотину возводят из проницаемых грунтов (пески, песчано-

гравелистые грунты и др.). Для предупреждения фильтрации в

плотине в этом случае предусматривают ПФ-элементы в виде гли-

нистого ядра или экрана или диафрагмы из негрунтовых материа-

лов (асфальтобетона и синтетической пленки) (см. рис. 6.1, г, д).

При этом ПФ-элементы из негрунтовых материалов применяют в

том случае, если на месте строительства нет пригодных для этих

целей грунтов. При большой мощности проницаемого основания

следует устраивать плотины с глинистым экраном и понуром (см.

рис. 6.1, ж).

В случае сильнодеформируемого основания следует отдавать

предпочтение плотинам однородным или с ядром вместо плотин с

негрунтовыми и глинистыми экранами, которые чувствительны к

неравномерным осадкам основания.

При сложных климатических условиях (длительные дожди, моро-

зы) лучше строить однородные плотины из несвязных грунтов.

Таким образом, при нескальном основании следует отдавать пред-

почтение плотинам из однородного грунта, плотинам с глинистым

ядром или экраном. При возведении плотины очередями следует

применять однородные плотины, а также плотины с глинистым

экраном или верховой призмой.

Земляные неоднородные и каменно-земляные плотины можно воз-

водить отсыпкой песчано-гравелистых грунтов в воду (без по-

стройки перемычек и организации водоотлива) с учетом глубины и

скоростей течения. После выхода нижней части плотины из воды в

ней методом «стена в грунте» устраивается стенка-завеса из гли-

нисто-цементных растворов или пластичного бетона. Стенка-

завеса сопрягается с вышерасположенным центральным глини-

стым ядром верхней большей части плотины, возводимой насухо.

По ПФ-устройствам в проницаемом нескальном основании разли-

чают земляные плотины с глинистым зубом (при мощности осно-

вания Т<5 м), стальным шпунтом (T=5-15 м), траншейной стенкой-

завесой (Т=15-60 м), инъекционной завесой (Т=60-100 м), глини-

стым понуром и экраном (Т>60 м) (см. рис. 6. 2). Подробно кон-

струкции этих ПФ-устройств рассмотрены далее.

201

Рис. 6.2. Противофильтрационные устройства в нескальном

проницаемом основании земляных насыпных плотин: а - глинистый зуб; б - стальной шпунт; в, д - инъекционная завеса;

г - стенка-завеса; е - глинистый понур

Скальное основание создает предпосылки для строительства ка-

менно-земляных и каменно-набросных плотин. Последние пред-

почтительны в дождливых районах и районах с суровым клима-

том. В этих условиях глинистые ядро и экраны каменно-земляных

плотин должны иметь минимальный объем. Каменно-земляные

плотины с глинистым ядром менее чувствительны к нерав-

номерным осадкам, более экономичны, чем с экраном, то есть при

одинаковом коэффициенте запаса имеют меньший объем. Грунт

экрана должен иметь достаточно высокую прочность на сдвиг,

иначе предпочтение следует отдавать плотине с ядром.

6.3. Проектирование поперечного профиля земляной плотины

Один из главных вопросов проектирования грунтовой плотины -

определение устойчивого и экономически выгодного поперечного

профиля плотины. Очертание профиля зависит от типа плотины,

ее высоты, характеристик грунта плотины и ее основания, а также

условий строительства и эксплуатации.

Гребень плотины проектируют из условий технологии работ и

эксплуатации плотины. Прежде всего следует обеспечить проезд

транспорта. Поэтому ширину гребня принимают в зависимости от

категории дороги (табл. 6.2), но не менее 4,5 м (СНиП 2.06.05-84*).

В сейсмоактивных районах ширина гребня плотины, особенно вы-

сокой, определяется расчетами ее сейсмостойкости и может при-

202

мерно в 1,5 раза превышать данные табл. 6.2. В поперечном

направлении дороге придают двусторонний уклон (ливнестоки),

принимая его равным 5% при асфальтобетонном покрытии и 3%

при булыжном или грунтовом. В пределах обочин устраивают

ограждения в виде надолб, низких стенок, парапетов (рис. 6.3, б), с

ВБ - иногда парапеты обычные или волноотбойные (рис. 6.3, в-д).

Параметры профиля автомобильных дорог даны в табл. 6.2.

Параметры автодорог на гребне грунтовых плотин Таблица 6.2

Класс дороги В, м Г, м bгр

II

III

IV

V

2,0

1,5

1,5

1,5

7,0

7,0

6,0

5,5

12,0

11,0

9,0

8,5

Рис. 6.3. Основные размеры и конструкция гребня земляной

насыпной плотины: а - конструкция дороги; б - железобетонные надолбы 0,16x0,16 м; в и г –

парапет обычный и с тротуаром; д - волноотбойный парапет; 1 - подго-

товка; 2 - железобетонное крепление; 3 - ливнесток; 4 - парапет; 5 - тро-

туар с каналом для кабеля; 6 - асфальтобетонное покрытие; 7 - подготов-

ка из песчано-гравийного грунта; 8 - надолбы; 9 - обочины, покрытые

щебнем; 10 - проезжая часть; i1 - уклон, при покрытии асфальтобетоном i1

= 1,5%, грунтовом i1 = 3%; i2 = i1+2%; R=0,5h; β =(130+140°) – a

203

Если гребень плотины выполняют из глинистых грунтов, то во из-

бежание его пучения при морозах предусматривают защитный

слой из песка или гравия (щебня). Толщину защитного слоя, вклю-

чая толщину покрытия дороги, следует назначать не менее глуби-

ны сезонного промерзания в данном районе.

Отметку гребня плотины определяют по СНиП [4] из условия не-

допущения перелива воды через гребень (см. далее).

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строи-

тельства и эксплуатации при воздействии статических и динами-

ческих нагрузок, фильтрации и давления волн. Заложения откосов

предварительно назначают по рекомендациям и из опыта строи-

тельства и эксплуатации плотин-аналогов, затем их устойчивость

нужно проверить расчетом (см. раздел 6.9).

Крутизну откосов плотины принимают в зависимости от:

1) механических параметров грунтов откосов и основания;

2) действующих на откосы сил (собственного веса грунта,

взвешивающего и фильтрационного давления воды, сейсмических

воздействий, внешних нагрузок на гребне и откосах);

3) высоты плотины;

4) технологии возведения плотины и ее эксплуатации.

Предварительные заложения откосов земляных насыпных плотин

при прочности грунтов в основании не меньшей, чем в плотине,

даны в табл. 6.3. В сейсмических районах эти заложения низовых

откосов возрастают примерно на 0,2–0,4, а верховых – на 0,3–0,5 в

зависимости от сейсмичности района строительства.

При наличии на верховом откосе плотины глинистого экрана с бо-

лее низкими значениями прочности на сдвиг, чем в грунте плоти-

ны, крутизну верхового откоса следует назначать с учетом не

только возможности обрушения откоса, но и сдвига экрана по кон-

такту с плотиной и сдвига защитного слоя по поверхности экрана.

Предварительные значения заложения низовых откосов каменно-

насыпных плотин принимают равными котангинсу угла есте-

ственного обрушения откоса каменной насыпи (1,4-1,6), а заложе-

ния верховых откосов этих плотин с экранами из железобетона

1,4-1,5 и асфальтобетона 1,8-2,0. Заложения низовых откосов ка-

менно-земляных плотин с глинистыми ядрами и каменно-

насыпных плотин с диафрагмами из асфальтобетона принимают

равными 1,6-2,0; верховых откосов 1,8-2,2.

204

Таблица 6.3

Заложения откосов земляных насыпных плотин

Высота

плотины,

м

Типы земляных

насыпных плотин

Заложение

низового

откоса

Заложение

верхового

откоса

5 - 15 Однородные без дренажа:

- из глинистых грунтов

- из песчаных грунтов

2,2 - 2,4

2,0 - 2,2

2,7 - 2,9

2,5 - 2,7

15 - 30 Однородные без дренажа:

- из глинистых грунтов

- из песчаных грунтов

2,3 - 2,5

2,1 - 2,3

2,8 - 3,0

2,6 - 2,8

5 - 15 Однородные с дренажем:

- из глинистых грунтов

- из песчаных грунтов

2,1 - 2,3

2,0 - 2,2

2,6 - 2,8

2,5 - 2,7

15 - 30 Однородные с дренажем:

- из глинистых грунтов

- из песчаных грунтов

2,3 - 2,5

2,1 - 2,3

2,8 - 3,0

2,6 - 2,8

5 – 15 Неоднородные песчаные:

- с глинистым экраном

- с глинистым ядром

2,0 - 2,2

2,0 - 2,2

2,8 - 3,0

2,4 - 2,6

15 - 30 Неоднородные песчаные:

- с глинистым экраном

- с глинистым ядром

2,2 - 2,4

2,2 - 2,4

3,0 - 3,2

2,6 - 2,8

15 – 30 Неоднородные гравелистые:

- с глинистым экраном

- с глинистым ядром

2,0 - 2,2

2,0 - 2,2

2,8 - 3,0

2,4 - 2,6

30 - 50 Неоднородные гравелистые:

- с глинистым экраном

-с экраном из асфальтобетона

- с глинистым ядром

2,2 - 2,4

2,0 - 2,2

2,2 - 2,4

3,0 - 3,2

1,8 - 1,9

2,6 - 2,8

В сейсмических районах приведенные в табл. 6.3 величины зало-

жений низовых откосов плотин с глинистыми ядрами и диафраг-

мами из асфальтобетона возрастают на 0,2–0,4, а верховых – на

0,3–0,5 в зависимости от сейсмичности района строительства. В

сейсмических районах приведенные величины верховых откосов

205

каменно-насыпных плотин с экранами из железобетона и асфаль-

тобетона не меняются ввиду отсутствия водонасыщения камня и

благоприятной пригрузки откосов давлением ВБ.

Во всех случаях принятые очертания откосов и профиля грунто-

вых плотин должны быть проверены расчетами устойчивости зна-

чения откосов по программе UST, изложенной ниже.

При высоте земляной насыпной плотины более 15 м на ее откосах

устраивают бермы через 8-10 м по высоте, считая от гребня, их

ширина принимают 2-3 м. На верховом откосе бермы нужны для

размещения механизмов при выполнении и ремонте покрытий от-

косов, для создания более устойчивой конструкции упора у ниж-

ней границы крепления. На низовом откосе бермы используют для

служебного прохода и проезда, сбора и отвода атмосферных осад-

ков (для этого на внутренней стороне бермы устраивают кюветы с

выпуском воды из них в лотки), а также для размещения кон-

трольно-измерительной аппаратуры (КИА).

Во всех случаях устройство берм не должно приводить к общему

уполаживанию откоса по сравнению с расчетным. Поэтому в вы-

соких плотинах бермы стремятся вообще не устраивать.

6.3.1. Определение отметки гребня грунтовой плотины

Отметку гребня плотины следует назначать на основе расчета воз-

вышения гребня (hs) над расчетным уровнем воды.

Отметку гребня плотины ( Гр) следует определять для двух слу-

чаев стояния уровня воды в верхнем бьефе (ВБ):

а) при нормальном подпорном уровне (НПУ), соответствующем

пропуску максимального паводка, входящего в основное сочета-

ние нагрузок и воздействий:

Гр = НПУ + hs ; (6.1)

б) при форсированном подпорном уровне (ФПУ), при пропуске

максимального паводка, относимого к особым сочетаниям нагру-

зок и воздействий:

Гр = ФПУ + hs. (6.2)

Из двух полученных результатов расчета выбирают более высо-

кую отметку гребня плотины.

Возвышение гребня плотины hs, в обоих случаях (рис. 6.4) опреде-

ляется по формуле:

hs = hset + hrun 1% + a, (6.3)

206

где hset - ветровой нагон воды в ВБ;

hrun 1% - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1 %;

а - запас возвышения гребня плотины.

Рис. 6.4. Схема определения отметки гребня грунтовой плотины: а) - без парапета; б) - с парапетом; 1 - расчетный уровень при НПУ и

ФПУ; 2 - парапет: 3 - объем экономии грунта.

При определении первых двух слагаемых формулы (6.3) следует

принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов

волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздей-

ствий (при НПУ) по СНиП 2.06.04-82*: для плотин I–II класса - 2%

и III–IV класса - 4%. При особом сочетании нагрузок и воздей-

ствий (при ФПУ) эти обеспеченности следует принимать для со-

оружений I–II класса 20 %, для III класса - 30 %, для IV класса -

50%. Запас а для всех классов плотин принимают не менее 0,5 м.

При определении высоты наката волн на гидросооружения обес-

печенность волн в этой системе принимают равной 1%.

В сейсмических районах к hs прибавляют высоту гравитационной

волны hg=0,4 + 0,76(J-6), где J - интенсивность землетрясения (J =

7-10 баллов), согласно СНиП II-7-81*.

Отметку гребня плотины принимают с учетом строительного

подъема, назначаемого сверх определенного по формуле (6.3) воз-

вышения hs. Величину строительного подъема определяют по рас-

четной строительной осадке гребня.

При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитан-

ного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем ВБ

следует принимать не ниже значений, полученных по формуле

(6.3). Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на

0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают наиболь-

шую из них. Парапет уменьшает объем насыпи (рис. 6.4, б), но по-

являются затраты на железобетон парапета.

Высота ветрового нагона определяется по формуле:

hset= Kw Vw2L cos aw /gH, (6.4)

207

где aw - угол между направлением господствующего (расчетного) ветра и

продольной осью водохранилища, град.; L - длина разгона волны по

направлению господствующих ветров, м; Vw – расчетная скорость ветра

на высоте 10 м над НПУ, м/с; H - условная расчетная глубина воды в во-

дохранилище, м; g = 9,81 м/с2; K - безразмерный коэффициент, завися-

щий от скорости ветра Vw по формуле:

K = 3(1+0,3Vw)10-7

(6.5)

При определении элементов ветровых волн водоемы делят на от-

дельные зоны. В ВБ обычно имеют место глубоководная зона

( глH 5.01 ), где дно не влияет на основные характеристики

волн, или мелководная зона ( кргл HH 15.0 ), в которой дно

оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристи-

ки (H1 - расчетная глубина воды; гл - средняя длина волны в глу-

боководной зоне; Нкр - критическая глубина воды, при которой

происходит первое обрушение волн).

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (hrun

1% , м) для волн 1% обеспеченности (h1%) при глубине воды перед

сооружением H1 2h1% определяют по формуле:

%1%1 hKKKKKh runspprrun , (6.6)

где значения высоты бегущей волны обеспеченностью 1% (h1%) и

коэффициентов Кr, Кp, Ksp и Krun определяются либо по номограм-

мам и таблицам СНиП 2.06.04-82* [2] с погрешностью до 10%, ли-

бо точнее по нижеследующим зависимостям, полученным на ос-

нове обработки этих номограмм и таблиц. Это позволяет избежать

ошибок при интерполяции данных номограмм и таблиц и проана-

лизировать влияние отдельных факторов на высоту наката.

Для нахождения высоты волны обеспеченностью 1% (h1%) следует

знать среднюю высоту dh , средний период Т и среднюю длину

волн d в глубоководной или мелководной зоне.

В глубоководной зоне указанные параметры волн находятся по

следующим новым расчетным зависимостям:

- средняя высота волны. (hd, м)

10

2

g

Vh w

d , (6.7)

208

где находится по зависимости:

ww V

Ag

V

Aglglg05.015.1134.03 ; (6.8)

в которой параметр А равен меньшему значению из величин (L/Vw) и (0,5

t); Vw - расчетная скорость ветра, м/с; g - ускорение свободного падения,

м/с2; L - расчетная длина разгона волн, м; t - продолжительность дей-

ствия ветра, принимаемая для предварительных расчетов t= 21600 с.

- средний период волны (Т, с)

10

g

VT w , (6.9)

где = 625.0290.1 ; (6.10)

- средняя длина волны ( d , м)

2

2Tgd

. (6.11)

В расчетах устойчивости и прочности креплений откосов из бе-

тонных плит и каменной наброски расчетная обеспеченность i %

высоты волн равна соответственно 1 и 2 %, а при определении

наката волн i=1%.

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне равна:

iddi Khh , (6.12)

где Кi - коэффициент, определяемый по следующим формулах:

Кi =a{2.08 + 3∙10-3

(gL/Vw)0.5

}- плавное очертание берега (6.13)

Кi =2.08a{1+0.15 (ghd/Vw)0.5

}- сложное очертание берега (6.14)

где a = 1.2 - 0.2i - при i≤1; a = 1 - lg i0.25

- при i≥1 (6.15)

В формулах (6.13-6.15) i - принятая обеспеченность, %; L -

длина разгона волны, м; Vw - расчетная скорость ветра, м/с; hd -

средняя высота волны, м.

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне (hd 1%)

будет равна:

%1%1 Khh dd , (6.16)

где K1% находится по формулам (6.13 - 6.16) при i = l, т.е.

209

Кi =2.08 + 3∙10-3

(gL/Vw)0.5

при плавном очертании берега (6.17)

Кi =2.08{1+0.15(ghd/Vw)0.5

при сложном очертании берега (6.17)

В формуле (6.6) Кr и Кp - коэффициенты шероховатости и про-

ницаемости откоса, зависящие от типа крепления, могут быть

определены по следующим зависимостям:

012

%1

8,0100

d

rh

rK , (6.18)

где r - средний размер шероховатости, м (средняя крупность материала

крепления или средний размер бетонных блоков).

В формуле (6.18) при значениях r/hd1% 0,002 и r/hd1% 0,2 соот-

ветственно следует принимать Кr = 1 и Кp = 0,7.

Кp = (0,9 - r/hd1%) Кr , (6.19)

в которой при значениях выражения (0,9-r/hd 1% )<0,7 следует принимать

(0,9 - r/hd1%) = 0,7; Кr определяется по (6.18).

Коэффициент Кsp в формуле (3-6), зависящий от расчетной ско-

рости ветра и крутизны верхового откоса, может быть определен

по формуле:

Кsp = 0,11 [0,15Vw(l + 0,4m1) - 0,6m1 + 8,5], (6.20)

в которую при скорости ветра Vw>20 м/с и Vw<10 м/с следует подставлять

соответственно Vw=20 м/с и Vw =10 м/с, а при заложениях верхового отко-

са m1>5 величину Кsp=1,6 для значений Vw >20 м/c и Ksp =1,2 для значений

Vw <10 м/с.

Коэффициент пологости волны Krun в формуле (6.6) зависит от

крутизны (заложения m1) верхового откоса и может быть опреде-

лен при глубине воды перед сооружением H1 2 hd 1% по следую-

щим зависимостям:

- при m1 1,5

Krun = l,25 + lg(l + 65.3

1m ); (6.21)

- при m1>1,5

Кrun = 1lg5.0

3.0

%1

10121.025.1m

d

d

h

. (6.22)

При глубине воды перед сооружением H1<2 hd1% и при значениях

m1>l,5 вместо формулы (6-22) действует формула:

210

1lg5.0

75.0

%1

103.01.0m

d

d

runh

K

. (6.23)

Полученные по формулам (6.22) и (6.23) значения Krun следует

ограничивать величиной Krun 2,6 - 2,7.

Коэффициент Kβ в формуле (3-6), учитывающий угол β подхода

фронта волны к плотине (угол β можно принять равным углу αw

между продольной осью водохранилища и направлением ветра,

β=αw), определяется по зависимости:

148.1 1021 K , (6.24)

где β =90 - угол подхода фронта волны, град.

Высота наката на откос волн, произвольной обеспеченности i, %

по накату определяется по формуле:

нirunrun Khhi

%1% , (6.25)

где Кнi - коэффициент, учитывающий обеспеченность по накату,

значения которого определяют по формуле:

)10(lg645.0 3.1

, iK iн , (6.26)

в которой i - заданная обеспеченность по накату, %.

В случае мелководной зоны (H1 d 5.0 ) для определения высоты

наката волны пользуются формулой (6.6), а высоту и длину волны

корректируют по зависимостям:

dмелк hh 0 (6.27)

dмелк 0 , (6.28)

где dh и d - средние значения высоты и длины волны;

0 и 0 - коэффициенты, определяемые по формулам:

0 = 1,06 {[2-H1/ d ] H1/ d ]}0,38

(6.29)

0 = {[2,15- H1/ d ] H1/ d }0,42

. (6.30)

6.4. Крепления откосов земляных насыпных плотин

Крепление верхового откоса плотины делится на основное, распо-

ложенное в зоне максимальных волновых и ледовых нагрузок, и

облегченное - ниже основного (рис. 6.5, а).

211

Рис. 6.5. Типы креплений из камня верховых откосов: а - границы основного и облегченного креплений; б, в - крепление из ка-

менной наброски при отсутствии и при наличии бермы; г - одиночная мо-

стовая в железобетонных клетках; 1 - расчетный уровень; 2 - облегченное

крепление; 3 - основное крепление; 4- гребень плотины; 5 - тело плотины;

6 - каменная наброска; 7 - подготовка, сделанная по принципу обратного

фильтра (1-2 слоя толщиной по 20 см); 8 - одиночное мощение; 9 - клетки

из армированных блоков или рам (размеры даны в см).

Верхней границей основного крепления, как правило, следует счи-

тать отметку гребня плотины. В случае значительного возвышения

гребня над НПУ или ФПУ основное крепление следует заканчи-

вать ниже гребня на отметке высоты наката hrun; далее до гребня

доводят облегченное крепление.

Нижнюю границу основного крепления назначают, считая от ми-

нимального уровня ВБ (УМО) на глубине h=2h1%. (определение

расчетной высоты волны h1% дано ниже). При этом нижняя граница

основного крепления должна быть ниже УМО не менее чем на 1,5t

(t - расчетная толщина льда).

Сопряжение основного и облегченного креплений осуществляется

с помощью упора из камня или бетона. Размеры упора следует

назначать в зависимости от крутизны откоса и коэффициента тре-

ния крепления и упора по грунту откоса.

Облегченное крепление должно защищать откос от повреждений

при воздействии льда и волн не только при эксплуатации плотины,

но и при наполнении и опорожнении ВБ. Нижнюю границу облег-

ченного крепления располагают на глубине около 4h1% ниже УМО,

212

при длительном заполнении водохранилища ее доводят до подош-

вы плотины. Облегченное крепление сопрягается с основанием

плотины или бермой с помощью упора из камня или бетона.

Задавшись типом крепления, определяют его границы, основные

параметры (размеры камня, плит и др.) и подбирают состав подго-

товки под покрытие. Окончательно параметры крепления прини-

мают после расчета волновых воздействий на откос.

Тип крепления устанавливается на основе технико-эконо-

мического сравнения вариантов при условии максимального ис-

пользования средств механизации и местных материалов, учета

характера грунта тела плотины, агрессивности воды, долговечно-

сти крепления в период эксплуатации.

Для верхового откоса земляных плотин обычно используют про-

тивоволновые крепления следующих видов (см. рис. 6.5 - 6.9):

а) каменные (насыпные);

б) железобетонные монолитные и сборные;

в) асфальтобетонные;

г) биологические.

При наличии натурных данных допускается применять и другие

виды креплений (гравийно-галечниковые, грунтоцементные и др.).

Под каменным и бетонным креплением укладывают подготовку-

соответственно 1 и 2 слоя гравия и крупного песка толщиной по

20-30 см. Подготовка служит также обратным фильтром и дрена-

жем (они необходимы для предотвращения фильтрационных де-

формаций плотины, которые могут возникнуть при фильтрации в

сторону ВБ при его сработке или откате волны, и для уменьшения

фильтрационного давления в этом случае на плиты крепления). В

качестве подготовки применяют и геотекстиль (рулонные поли-

мерные пористые материалы).

Каменные крепления в земляных плотинах выполняют:

- из каменной наброски (несортированного камня); при заложении

откоса m1>2,5 (см. рис. 6.5, б-в, 6.6, а, г и 6.7) - изверженные, оса-

дочные, метаморфические породы с необходимой прочностью,

морозостойкостью и водостойкостью;

- из каменной кладки; применяют при более крутых откосах, при

тяжелых ледовых и волновых условиях;

- в виде каменного мощения - редко (так как велики затраты руч-

ного труда) в клетках (см. рис. 6.5, г) или без них.

213

Рис. 6.6. Типы креплений и упоров откосов земляных плотин: а, б, в - крепление верхового откоса с упором на откосе; г, д, е - с упором

на берме; ж - размещение упоров на откосе; з - крепление низового отко-

са посевом трав; и - крепление низового откоса одерновкой в клетку; 1 -

каменная наброска; 2 - упор; 3 - бетонные плиты; 4 - подготовка под

крепление по типу обратных фильтров; 5 - слой растительного грунта; 6 -

одерновка в клетку с засевом в клетках травы.

214

Рис. 6.7. Крепление верхового откоса земляной плотины

каменной наброской: 1 - обратный фильтр; 2 - гравий или щебень (толщина слоя 0,3 м)

При креплении верховых откосов земляных и каменно-земляных

плотин с заложением m1=1,5-3 каменной наброской массу отдель-

ных камней Q находят из условия устойчивости против размы-

вающего действия волн в зоне их обрушения:

Q =0,025γ03γk h1%

2λd / [(γk -γ0)

3(1 + m1

3)

1/2], (6.31)

где γ0 и γk - плотность воды и отдельных камней, т/м3; h1% и λd – высота

волны 1% обеспеченности и средняя длина волны, м.

Зная массу камня, его диаметр, приведенный к диаметру шара,

можно определить по формуле:

D = [Q / (0,524 γk)]1/3

.

(6.32)

Толщину крепления откоса камнем принимают не менее 3D85, где

D85 - крупность камня (меньше которой содержится 85% по массе),

приведенная по его объему к шару.

При высоте волны до 3 м и заложении верхового откоса земляной

плотины 3≤m1≤5 для проверки возможности крепления откоса ка-

менной наброской из несортированного камня можно исполь-

зовать график на рис. 6.8, предварительно вычислив значение ко-

эффициента зернового состава наброски:

εd=(Qi/Q)1/3

=Di/D, (6.33)

где Q - масса камня, определенная по формуле (6..31); Qi - масса камня,

большая или меньшая расчетной; D и Di - диаметры камня, приведенные

к диаметру шара, имеющие массу Q и Qi.

Крепление каменной наброской является основным типом крепле-

ния верховых откосов каменно-земляных плотин и каменно-

насыпных плотин с диафрагмой из асфальтобетона.

215

Рис. 6.8. График для определения допустимой крупности несорти-

рованного камня для крепления верховых откосов земляных пло-

тин (1 - границы зоны допустимого зернового состава)

Достоинства этого крепления – надежность, долговечность, воз-

можность укладки в любое время года при широкой механизации

и гибкость – способность воспринимать большие неравномерные

деформации земляного откоса.

Железобетонные крепления выполняют:

- из монолитных плит (см. рис. 6.9 и 6.10) – применяют при высо-

те волны более 2 м; их размеры достигают 20х20 м. Плиты прямо-

угольные с отношением сторон 1≥lsl/bsl≥2, где bsl - меньшая сторо-

на, нормальная урезу воды; bsl=0,4λ, но не более 20 м; λ - длина

волны. Толщина плиты δпл=15-50 см. Деформационные швы между

плитами бывают открытые, тогда под ними укладывают 1-2 слоя

ленточного фильтра или отсыпают его под плитой (см. рис. 6.9, г);

вместо фильтра под швом иногда укладывают железобетонные

бруски и закрытые, для их уплотнения применяют просмоленные

доски, железобетонные бруски и резиновые шпонки (рис. 6.9, д).

Плиты армируют одиночной арматурой внизу плиты, пропуская ее

через шов, или двойной - при динамических нагрузках (по всей

площади в верхней части плиты или по ее контуру);

- из сборных плит (рис. 6.11) - при высоте волны до 2,5-3 м; они

бывают квадратными размером от 1,5x1,5 до 5x5 м и прямоуголь-

ными при толщине 10-20 см. Плиты омоноличивают в карты раз-

мером до 20x20 м. В ряде случаев плиты соединяют шарнирными

связями, что повышает их устойчивость при ледовых и волновых

воздействиях. Плиты укладывают на подготовку (рис. 6.11, е), и их

размеры зависят от удобства транспортировки и наличия кранов.

216

Рис. 6.9. Крепление верхового откоса земляных плотин моно-

литными железобетонными плитами: а, б - крупные плотины с бермами; в - небольшие плотины (hпл до 15 м)

при отсутствии бермы; г, д - швы обычный и закрытый; е - поперечное

сечение плиты; 1- парапет; 2 - замыкающий блок; 3 - железобетонные

плиты; 4 - сплошная подготовка (обратный фильтр толщиной 15-30 см);

5 - швы между плитами; 6, 8, 11- различные типы упоров при наличии

бермы и без нее; 7 - перемычка из камня; 9 - облегченное крепление из

камня; 10 - надолба; 12 - железобетонная плита толщиной 8-10 см, шири-

ной 30-40 см, длиной 100-150 см; 13 - арматура; 14 - битумные маты

толщиной 1 см; 15 - просмоленная доска толщиной 3 см; 16 - обмазка би-

тумом; 17 - держатели резинового уплотнения из арматуры; 18 - резино-

вое уплотнение шириной 30 см; 19 - 2 слоя толи; 20 - ленточный фильтр

Рис. 6.10. Крепление верхового откоса земляной плотины больши-

ми монолитными железобетонными плитами: а - план крепления; б - низовая часть крепления; в - обратный фильтр под

швом; 1, 2 - легкое крепление за пределами наката волны; 3 - бетонная

берма; 4 - плита; 5 - железобетонный тюфяк; 6 - обратные фильтры; 7, 8 -

швы; 9 - дренажные отверстия; 10 - арматура; 11 – пригрузка

217

Наиболее широко применяют монолитное железобетонное креп-

ление. Крупные плиты (см. рис. 6.10) применяют, когда не ожида-

ют больших деформаций откоса, иначе лучше использовать не-

большие сборные или сборно-монолитные плиты.

Рис. 6.11. Крепление верхового откоса земляных плотин сборны-

ми железобетонными плитами: а - разрез по плотине; б - конструкция деформационного температурно-

осадочного шва; в-е - виды соединения сборных плит; 1 - парапет; 2 - за-

мыкающий блок; 3 - швы между сборными плитами; 4 - деформационный

температурно-осадочный шов (швы расположены через 10-30 м); 5 -

сборные плиты; 6 - упор; 7 - облегченное крепление; 8 - сплошная подго-

товка в виде обратного фильтра толщиной 15-30 см; 9 - сетка диаметром

8 мм через 0,2 м; 10 - окраска битумом в 2 слоя; 11 - бетон; 12 - битумный

мат толщиной 1 см; 13 - арматура; 14 - асфальтобетон; 15 - брусок, про-

питанный битумом; 16 - сварка; 11 - два полукольца на сварке или кольцо

на болтах, создающее шарнирный стык

Размеры плит и их армирование назначают по расчету. Железобе-

тонное покрытие испытывает динамическое давление волн, а при

откате волны - фильтрационное противодавление Wф со стороны

218

откоса, стремящееся приподнять крепление (рис. 6.12). Мак-

симальное значение Wф приложено примерно на глубине от НПУ

z=0,9h1% /m1 и определяется по формуле:

Wф=0,46γ0 hrun 1% (1+m12)

1/2. (6.34)

Прочность плиты (как балки на упругом основании) рассчитывают

по значению наибольшего изгибающего момента от динамическо-

го давления волны, по которому подбирается арматура (обычно 0,4

- 0,6 % армирования).

Рис. 6.12. Эпюры волнового воздействия на железобетонное креп-

ление верхового откоса земляной плотины: 1 - распределение скоростей; 2 - эпюра волнового давления при обруше-

нии волны; 3 - эпюра волнового (фильтрационного) противодавления; v -

направление скорости струи при обрушении волны

Необходимая толщина плит δп, обеспечивающая их общую ус-

тойчивость или сопротивляемость всплыванию при действии гид-

ростатической и волновой взвешивающих нагрузок, может быть

назначена по формуле:

δп = 0,07 η γп h1% (λd /b)1/3

[(m12+1)

1/2/m1] /(γп – γ0), (6.35)

где η - коэффициент запаса, принимаемый для сборных плит 1,1; для мо-

нолитных - 1,0; h1% и λd - соответственно высота волны 1% обеспеченно-

сти и средняя длина волны, м; b - длина монолитной плиты или размер

карты для сборной плиты в направлении, нормальном к урезу воды, м; γп

- плотность плиты (2,4 т/м3); m1 - заложение верхового откоса.

Бетонные монолитные крепления применяют редко (при высоте

волны до 1,5 м). Бетонные и железобетонные крепления имеют те

219

же достоинства, что и каменные. Их недостатки - меньшая гиб-

кость, большой расход цемента, сложность или невозможность

укладки монолитного бетона зимой.

Асфальтобетонные крепления применяются в крупных земляных

плотинах при высоте волны до 3 м, одновременно они являются

надежным противофильтрационным экраном (см. ниже).

Биологическое крепление (посадки лозы, ивняка) применяют в пло-

тинах высотой до 7 м и при высоте волны до 0,7 м.

Грунтоцементное крепление шириной 1,5-2 м используют в пло-

тинах высотой до 15-20 м и при высоте волны до 1,5-2 м; его изго-

тавливают из смеси песчано-гравелистого грунта и цемента (5-

14%) и укладывают слоями толщиной 15-20 см.

В последние годы вместо грунтоцемента начали применять ука-

танный тощий бетон шириной 2,5-3 м, укатываемый виброкатка-

ми слоями по 30 см, обладающий большей надежностью, эконо-

мичностью и технологичностью [11].

Грунтобитумное крепление изготавливают из смеси песка и

битума (18-23%); толщина крепления 0,6-0,8 м. Трудозатраты при

устройстве этого крепления в 3 раза меньше, чем при устройстве

крепления омоноличиваемых бетонных плит.

Рис. 6.13. Крепление низового откоса одерновкой: 1- дерновые ленты, прикрепленные к откосу деревянными спицами; 2 -

растительный грунт (10 см) с засевом трав; 3 - сборный железобетонный

лоток; 4 - дерновые ленты по бровке откоса

220

Крепление низового откоса защищает откос от дождей, волны и

льда (ниже УНБ) и повреждения животными. Откосы из песка и

суглинка засевают травой по растительному слою толщиной 20 см

или применяют сплошную одерновку или одерновку в клетке

(рис. 6.6 з, и; 6.13). При жарком климате и сильном ветре откосы

защищают слоем гравия 20 см. Роль крепления низового откоса в

пределах колебаний уровня и волновых воздействий с НБ выпол-

няет дренажная призма или верхний слой наслонного дренажа.

6.5. Противофильтрационные устройства из грунтовых и

негрунтовых материалов в грунтовых плотинах и их основа-

нии

Назначение этих устройств - снижение фильтрационного расхода и

депрессионной кривой в плотине, недопущение фильтрационных

деформаций грунта плотины и основания, повышение устойчиво-

сти низового откоса.

Противофильтрационные (ПФ) устройства в теле этих плотин сле-

дует выполнять из маловодопроницаемых грунтов (глинистых и

мелкозернистых песчаных) или негрунтовых материалов (асфаль-

тобетона, железобетона и полимерных материалов) в виде ядра,

диафрагмы, экрана, понура, верховой или центральной глинистой

призмы и стенки-диафрагмы.

При проектировании ПФ-устройств следует обеспечить их сопря-

жение друг с другом, с основанием по подошве и в береговых

примыканиях, т.е. создать сплошную завесу. ПФ-устройства в теле

и основании грунтовых плотин выбирают в зависимости от их ти-

па, характеристик грунтов плотины и основания, наличия подхо-

дящих грунтовых или негрунтовых материалов для ПФ-устройств,

класса плотины, положения водоупора основания, условий произ-

водства работ и технико-экономического сравнения вариантов.

В курсовых и дипломных проектах ПФ-устройства в теле земля-

ной плотины рекомендуется принимать, если коэффициент

фильтрации грунта боковых призм плотины ≥10-2

см/с, что соот-

ветствует крупному песку.

Глинистые ядра и экраны являются наиболее простым и эконо-

мичным типом ПФ-устройства в земляных плотинах при наличии

требуемых глинистых грунтов вблизи плотины.

Схемы земляных плотин с глинистым ядром, экраном и понуром

показаны на рис. 6.14, а, 6 и рис. 6.15, а, б.

221

Рис. 6.14. Схемы земляной плотины с глинистым ядром (а) и

экраном (б) на водоупоре: 1 - проницаемое основание; 2 - подошва плотины; 3 - поверхность грунта; 4 -

крепление верхового откоса; 5 - ядро; 6 - наслонный дренаж; 7 - пригрузка экра-

на; 8 - экран; 9 - трубчатый дренаж; 10 - водоупор

Рис. 6.15. Схемы земляной плотины с глинистым ядром (а),

экраном и понуром (б) на проницаемом основании: 1 - проницаемый слой основания; 2 - подошва плотины; 3 - поверхность грунта до

строительства; 4 - крепление верхового откоса; 5 - ядро; 6 - наслонный дренаж;

7 и 8 - варианты залегания водоупора; 9 и 10 - варианты сопряжения с водоупо-

ром соответственно зуб при t1 до 5 м и зуб со стенкой-завесой (при t1= 5-12 м – со

шпунтовой стенкой, при t1=12-30 м – с траншейной); 11 - понур; 12 и 13 - приг-

рузка понура и экрана; 14 - экран

222

Коэффициент фильтрации ядра и экрана должен быть более чем в

100 раз меньше коэффициента фильтрации грунта тела плотины.

Минимальную толщину глинистого экрана или ядра поверху

назначают из условий производства работ, но не менее 2,5-3,0 м, а

их минимальная толщина понизу, t2 , на минимальном УНБ должна

удовлетворять критерию фильтрационной прочности глинистого

грунта, принятому в виде:

Jest,m = ∆Н / t2 ≤ Jcr,m /n = Jдоп (6.36) где Jest,m - средний градиент напора в ядре; ∆Н - падение напора в расчет-

ном сечении глинистого ядра, экрана, понура или тела плотины (∆Н =

НПУ –УНБmin); n - коэффициент надежности плотины для I класса 1,25;

II - 1,2; III - 1,15; IV - 1,1; Jcr,m - критический средний градиент напора для

ядра, экрана, понура или тела плотины по СНиП 2.06.05-84* (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Критический средний градиент напора для грунтов плотины Jcr,m

Грунт

плотины

Критический средний градиент напора, Jcr,m ,для:

ядра и экрана понура тела и призмы плотины

Глина 12 15 2 - 8

Суглинок 8 10 1,5 - 4

Супесь 2 3 1 - 2

Песок средний

Песок мелкий

-

-

-

-

1

0,75

На основе мирового опыта строительства грунтовых плотин мож-

но принять более обоснованные значения допускаемых критиче-

ских градиентов напора, Jдоп, глинистых ядер и экранов земляных

плотин в зависимости от числа пластичности грунта, ωпл (%):

ωпл = (4-5)%, Jдо п= 2,0-2,2; ωпл = (5-7)%, Jдоп = 2,2-2,5;

ωпл =(7-10)%, Jдоп=2,5-2,8; ωпл =(10-12)%, Jдоп=2,8-3,0;

ωпл =(12-15)%, Jдоп=3,0-3,3; ωпл =(15-17)%, Jдоп=3,3-3,5;

ωпл =(17-20)%, Jдоп=3,5-4,0; ωпл =(20-25)%, Jдоп=4,0-4,5.

Для каменно-земляных плотин с глинистыми ядрами значения до-

пускаемых критических градиентов напора, Jдоп, можно принять

меньше примерно на 10% по сравнению с вышеприведенными:

ωпл = (5-7)%, Jдоп = 2,0-2,2; ωпл =(7-10)%, Jдоп=2,2-2,5;

ωпл =(10-12)%, Jдоп=2,5-2,7; ωпл =(12-15)%, Jдоп=2,7-3,0;

ωпл =(15-17)%, Jдоп=3,0-3,5; ωпл =(20-25)%, Jдоп=3,5-4,0

223

На основе мирового опыта строительства грунтовых плотин мож-

но принять более обоснованные значения допускаемых критиче-

ских градиентов напора, Jдоп, глинистых ядер и экранов земляных

плотин в зависимости от числа пластичности грунта, ωпл (%):

ωпл = (4-5)%, Jдо п= 2,0-2,2; ωпл = (5-7)%, Jдоп = 2,2-2,5;

ωпл =(7-10)%, Jдоп=2,5-2,8; ωпл =(10-12)%, Jдоп=2,8-3,0;

ωпл =(12-15)%, Jдоп=3,0-3,3; ωпл =(15-17)%, Jдоп=3,3-3,5;

ωпл =(17-20)%, Jдоп=3,5-4,0; ωпл =(20-25)%, Jдоп=4,0-4,5.

Для каменно-земляных плотин с глинистыми ядрами значения до-

пускаемых критических градиентов напора, Jдоп, можно принять

меньше примерно на 10% по сравнению с вышеприведенными:

ωпл = (5-7)%, Jдоп = 2,0-2,2; ωпл =(7-10)%, Jдоп=2,2-2,5;

ωпл =(10-12)%, Jдоп=2,5-2,7; ωпл =(12-15)%, Jдоп=2,7-3,0;

ωпл =(15-17)%, Jдоп=3,0-3,5; ωпл =(20-25)%, Jдоп=3,5-4,0

Глинистое центральное ядро (см. рис. 6.14, а; 6.15, а) располага-

ется по оси плотины и обычно является наиболее экономичным

решением. Если ядро сдвинуто в сторону ВБ (наклонное ядро), по-

вышается устойчивость низового откоса, так как увеличивается

объем сухого грунта низовой призмы, в котором прочность на

сдвиг выше, чем в глинистом ядре. Однако при наклонном ядре

снижается устойчивость верхового откоса, особенно при быстрой

и глубокой сработке ВБ. Отметка верха глинистого ядра и экрана

после окончания осадки должна быть выше ФПУ с учетом нагона

волны и без учета наката (п. 6.3.1), но ниже глубины промерзания.

Поверх глинистого экрана отсыпается слой песчано-гравелис-того

грунта толщиной поверху не менее 2 м и понизу не менее 6 м для

защиты экрана от промерзания и пригрузки верхового откоса и по-

вышения его устойчивости.

Заложение нижней поверхности глинистого экрана к горизонту

должно превышать котангенс угла внутреннего трения грунта

экрана для обеспечения устойчивости экрана.

Если грунты плотины на границе с ядром или экраном не отвечают

требованиям, предъявляемым к обратному фильтра, то по грани-

цам укладывают переходные слои.

224

Понур как и экран выполняют из глинистого грунта. Толщину по-

нура определяют по формуле (6.36), наименьшая его толщина 0,5

м. Понуры применяют в сочетании с экраном или ядром. Длину

понура La назначают из условия предотвращения фильтрационных

деформаций грунтов и снижения расхода фильтрации в основании.

Обычно La=(1-2)H, но иногда достигает (5-6)Н (рис. 6.15, б). Свер-

ху понур пригружают слоем несвязных грунтов, защищающим его

от повреждений машинами, высыхания и промерзания.

Основные схемы сопряжения глинистых ядер и экранов с прони-

цаемым основанием даны на рис.6.2, 6.15, 6.20-6.27.

При отсутствии требуемых глинистых грунтов или при тяжелых

климатических условиях (сильные дожди и морозы) следует

предусматривать ПФ-устройства из асфальтобетона, железобетона,

полимерных материалов или стенку-диафрагму из глино-

бентонитовых растворов или пластичного бетона. Последние два

типа ПФ-устройств можно применять в земляных плотинах III и

IV классов при условии их технико-экономического обоснования.

Асфальтобетонные (АФБ) экраны следует выполнять из укаты-

ваемого горячего асфальтобетона (АФБ) с заданными по условиям

строительства и работы экрана физико-механическими параметра-

ми. Свойства АФБ для экранов следует назначать из условия

устойчивости его на откосе, трещиностойкости при отрицательных

температурах воздуха, прочности и жесткости при волновых

нагрузках. Толщину АФБ-экрана и его конструкцию следует уста-

навливать из условия сохранения его сплошности и прочности при

волновых, ледовых и температурных воздействиях. Подготовку

под экран выполняют, как для переходного споя. Его конструкция

должна исключать появление противодавления под экраном.

Достоинства АФБ-экранов: комплексная механизация, быстрота

возведения, гибкость, сочетание водонепроницаемости (коэффи-

циент фильтрации 10-9

-10-12

см/с) с механической прочностью, так

как они служат также креплением верхового откоса земляных пло-

тин, сравнительно небольшая стоимость и простота ремонта.

АФБ-экраны (см. рис. 6. 16 - 6.20) классифицируются на:

- однослойные (рис. 6.16, тип В; 6.20, а, б) - из плотного АФБ,

укладываемого на верховой откос плотин (дамб) высотой до 20 м;

- двухслойные (рис. 6.17 - 6.19, 6.20, б) - из плотного АФБ, уложен-

ного на дренажный слой пористого АФБ; применяют в большин-

225

стве земляных плотин высотой до 60 м, при слабых нескальных

основаниях и быстрой сработке ВБ, тогда пористый АФБ снижает

противодавление, что важно в верхних бассейнах ГАЭС;

- трехслойные (рис. 6.16, тип А; рис. 6.20, б) - из 2 слоев плотного

АФБ и промежуточного слоя пористого АФБ; их применяют в

плотинах высотой более 60 м, при больших колебаниях УВБ и ко-

гда опасаются больших осадок грунта верхового откоса.

Рис. 6.16. Трехслойный (тип A) и однослойный (B) АФБ экран: S - битумная эмульсия; I - слой плотного АФБ; DR - слой пористого АФБ

(дренаж); BN - слой биндера (щебень, пропитанный асфальтом)

Рис. 6.17. Земляная плотина с экраном из асфальтобетона (АФБ)

на нескальном основании (схема): 1 - экран; 2 - асфальтовая мастика; 3 - цементационная галерея; 4 - тран-

шейная стенка-завеса; E - песчано-гравелистый грунт; P - аллювий

Состав АФБ: плотного - битум 7-10%, наполнитель (доломитовый

или известняковый порошок) 15-25%, заполнитель (песок 50-80%

и щебень 10-25%); пористого - битум 3-5%, наполнитель 0-5%, пе-

сок 15-25% и щебень 40-65%.

Подготовка под экраном состоит из дренажного слоя щебня или

гравия. Поверх каменной наброски отсыпают камень крупностью

50-150 мм и слоем 10-50 см, а затем укладывают подготовку из

асфальтового биндера крупностью 0-18 мм.

АФБ укладывают и разравнивают по откосу (заложение не ниже

226

1,8) в горячем состоянии (1400С) с помощью АФБ-укладчиков и

уплотняют виброкатками. Для залечивания микротрещин экраны

окрашивают горячей асфальтовой мастикой и светоотражающей

краской для защиты от солнечной радиации.

Рис. 6.18. Земляная плотина Обернау (Германия) высотой 60 м с

экраном из АФБ на скальном основании

Рис. 6.19. Конструкции АФБ-экранов земляных плотин: а - плотина с АФБ-экраном: 1 - однослойный АФБ экран толщиной 12 см; 2 -

уплотнение из пластичного АФБ; 3 - траншейная стенка из цементно-глинистого

раствора; 4 - гравий; 5 - аллювий; 6 - волноотбойная стенка; 7 - опорная плита;

б - одно-, двух- и трехслойные экраны (толщина слоя в мм): 1 - защитная мастика;

2 - плотный АФБ; 3 - слой дренажа; 4 - основание экрана;

в - д - сопряжение с основанием; 1 - инъекционная галерея; 2 - цемзавеса; 3 -

контрольная дренажная трубка; 4 - асфальтовая мастика; 5 - АФБ облицовка; 6 -

дренажный грунт; 7 - гравий с песком; 8 - фильтр; 9 - каменная наброска; 10 -

дренажная труба; 11 - бетонный зуб; 12 - глинистый грунт; 13 - укрепительная

цементация; 14 - бетонная пригрузка; 15 - сортированный камень; 16 - дренажная

скважина; 17 - слой битумной эмульсии; 18 - слой подготовки и плотного АФБ;

19 - изолирующий слой

227

Рис. 6.20. Контрольно-цементационная галерея в основании

экрана из асфальтобетона: 1 - галерея; 2 - шпонка; 3 - мастика; 4 - коллектор; 5 – контрольные дре-

нажные трубки; 6 - плотный АФБ; 7 - пористый АФБ; 8 - биндер; 9 -

цемзавеса; 10 - скала; 11 - грунт плотины; 12 - дренажная скважина

При залегании водоупора глубже высоты плотины следует рас-

смотреть устройство АФБ понура, сопрягающегося с экраном. Со-

пряжение АФБ экрана с нескальным и скальным основанием пока-

зано на рис. 6.17 - 6.19 и 6.20, в-д.

Асфальтобетонные (АФБ) диафрагмы выполняют из укатывае-

мого горячего АФБ. Тип и состав АФБ для строительства диа-

фрагмы следует выбирать с учетом прочностных свойств АФБ,

технологических и экономических расчетов.

Возведение АФБ-экранов и диафрагм при температуре воздуха

ниже минус 10°С не рекомендуется. Основным требованием к

конструкции диафрагмы является обеспечение ее работы в сжатом

состоянии совместно с грунтом тела плотины. При этом напряже-

ния и деформации в диафрагме не должны превышать расчетных

значений выбранного для данной диафрагмы состава АФБ.

Состав грунта переходных слоев следует проектировать из усло-

вия недопустимости проникания в его поры АФБ-диафрагмы и его

непросыпаемости в поры грунта тела плотины.

Конструкция примыканий АФБ-диафрагмы к основанию и к бе-

тонным сооружениям должна обеспечивать возможность скольже-

ния диафрагмы по поверхности примыканий. АФБ в зоне примы-

кания должен работать в сжатом состоянии. Толщину АФБ-

диафрагмы назначают по расчету из условия сохранения ее

228

сплошности и несущей способности при строительстве и эксплуа-

тации. Предварительно ее толщина задают по формуле t = а +

0,005Н, где Н - напор в данном сечении диафрагмы, а = 0,3 м.

АФБ-диафрагмы, как правило, применяют при большой сжимае-

мости грунтов боковых зон грунтовых плотин.

Железобетонные (ЖБ) экраны в земляных насыпных плотинах

следует применять при их надлежащем технико-экономическом

обосновании. Подробно проектирование и строительство грунто-

вых плотин с диафрагмами из АФБ и экранами из ЖБ рассматри-

ваются в учебном пособии Ю.П. Ляпичева [11].

Экраны и диафрагмы из полимерных пленок – геомембран (рис.

6.21-6.28) обладают рядом достоинств: полной водонепроницаемо-

стью (потери на фильтрацию до 2 %), эластичностью, прочностью,

высокой технологичностью при низкой стоимости (в 2-2,5 раза

ниже стоимости асфальтобетона), устойчивостью к коррозии, лег-

ко свариваются и склеиваются, легко наклеиваются на гладкую

поверхность бетона и др.

Согласно СНиП 2.06.05-84* [4] геомембраны можно применять

для грунтовых плотин III-IV класса и при надлежащем обоснова-

нии для плотин I-II класса высотой до 60 м.

Мировой опыт применения геомембран в грунтовых и бетонных

плотинах, обобщенный в бюллетене СИГБ №78 (1991 г.), показы-

вает, что геомембраны часто используют в качестве ПФ-элементов

этих плотин высотой до 100 м и более.

Геомембраны представляют собой изгибаемые пленочные матери-

алы, изготавливаемые в заводских условиях из синтетических по-

лимеров на основе битумов. Они могут быть армированными и не-

армированными, сохраняют водонепроницаемость во всем диапа-

зоне деформаций, в которых они работают. Из синтетических по-

лимеров в качестве базовых продуктов для изготовления геомем-

бран используют: термопластики (поливинилхлорид - ПВХ); кри-

сталлические термопластики (полиэтилены, пропилены); эласто-

меры, (каучук, изопрен-изобутилен) и др. В качестве добавок при-

меняют: уголь, известь, порошок сланца, стабилизаторы и пр.

Одним из первых примеров использования пленок из ПВХ в ка-

менно-земляных плотинах была плотина Терцаги (Канада) высо-

той 61м (рис. 6.21), в которой для предотвращения фильтрации че-

229

рез трещины в глинистом экране, образующиеся при осадках вер-

ховой призмы из неоднородных некачественных грунтов, на откос

экрана была уложена пленка из ПВХ.

Геомембрана считают армированной, если используемые для это-

го материалы покрывают ее сплошным слоем. Армирующий мате-

риал представляет собой тканый или нетканый геотекстиль (изго-

товленный из полистера, полипропилена и др.), геосетки из поли-

амида или стекловолокна. Толщина неармированных геомембран

0,25-4 мм, армированных - от 3 до 10 мм. Изготавливают и перево-

зят геомембраны в рулонах шириной от 1,5 до 10 м. На строитель-

стве рулоны часто сваривают в крупные полотнища.

Рис. 6.21. Земляная плотина Терцаги (Канада) с экраном из поли-

винилхлоридной пленки: 1 - экран из валунной глины с включением камня ( Kф=5. 10

-5 см/с); 2 -

галечник с супесью (5. 10-4

см/с); 3 - галечник с песком (5. 10-3

см/с); 4 -

галечник (5. 10-2

см/с); 5 - каменная наброска; 6 - грунт отвала; 7 - пере-

ходные зоны; 8 - фильтр; 9 - слой глины; 10 - пленка из ПВХ толщиной

0,76 мм; 11 - защитный слой из глины, песка и гравия; 12 - верховая пе-

ремычка; 13 - низовая перемычка; 14 - инъекционная завеса; 15- аллювий;

16 - линза глины; 17 - скала; 18 - шпунт; 19 - выравнивающая отсыпка

При использовании геомембран (полиэтиленовой, поливинилхло-

ридной, бутилкаучуковой и др.) для создания ПФ-устройств их

конструкция и технология строительства должны обеспечивать

защиту от солнечной радиации и механических повреждений.

Борьба против старения пленок ведется путем добавления напол-

нителей, поглощающих или отражающих солнечные лучи (сажа,

тальк, молотый песок, некоторые краски и др.).

Геомембраны экрана защищают от механических повреждений,

используя подстилающий слой толщиной 0,3-0,4 м из гравелистого

230

песка крупностью до 5 мм. При использовании щебня в подстила-

ющем слое между геомембраной и грунтом устраивают защитные

прокладки из рубероида, стеклоткани, поролона.

Поскольку коэффициент трения геомембран по грунтам подсти-

лающего слоя составляет 0,2-0,5, рекомендуется назначать зало-

жение откоса под экраном не менее 2,5.

В последние 30 лет широкое применение в плотиностроении полу-

чили двухслойные геосинтетические экраны - геокомпозиты, со-

стоящие из верхнего слоя геомембраны (обычно пленки ПВХ) и

нижнего дренируемого слоя геотекстиля.

Наиболее известные двухслойные геомембран - геомембраны

фирмы Carpi (Швейцария) ( рис. 6.22-6.24), преимуществами ко-

торых по сравнению с однослойными геомембранами являются:

Рис. 6.22 (а-е). Экраны и диафрагмы из геомембраны Carpi

1) полная водонепроницаемость при больших осадках подстилаю-

щего грунта и сейсмичности створа до 9 баллов;

2) дренажный слой геотекстиля обеспечивает постоянный кон-

троль водонепроницаемости геомембраны и снижение порового

231

давления воды в ней и подстилающем грунте;

3) заводские изготовление геомембраны с гарантией ее физико-

механических характеристик в течение 50 лет;

4) крутые верховые откосы плотин с заложением до 1,6;

5) минимальные сроки и стоимость строительства.

В земляных плотинах из геомембран Carpi выполняют экраны и

диафрагмы (рис. 6.22, а-г). Если понур укладывают на слабый

грунт, то под геомембраной укладывают слой грунта, армирован-

ный геотекстилем (рис. 6.23, б).

Рис. 6.23 (а-е). Экраны, диафрагмы, понуры из геомембраны Carpi

Короткую стенку-завесу из геомембраны (рис. 6.23, а) строят пу-

тем выемки траншеи под защитой бентонитового раствора с по-

следующим опусканием панелей геомембран.

Вертикальную диафрагму можно возводить и в самой плотине по-

сле завершения строительства насыпи, используя один из вариан-

тов производства, работ, описанных выше (рис. 6.23, в). Диафраг-

мы из геомембран могут иметь зигзагообразное очертание (рис.

6.22, д, е) с использованием послойной отсыпки плотины.

Геомембраны применяют и при наращивании земляных и камен-

232

но-земляных плотин (рис. 6.23, д, е). Узел сопряжения экрана из

геомембраны Carpi с бетонным упором в основании верхового от-

коса земляной плотины показан на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Узел сопряжения экрана из геомембраны Carpi с бе-

тонным упором в основании откоса земляной плотины

Геомембраны Carpi очень часто используют для ремонта старых

грунтовых плотин с металлическими и многослойными железобе-

тонными экранами и бетонных плотин. В последнем случае гео-

мембрану прикрепляют анкерами к напорной грани плотины и

между геомембраной и гранью укладывают слой геотекстиля.

Подробно применение геотекстиля в дренажных устройствах зем-

ляных плотин рассмотрено ниже.

Общая толщина экранов из геомембран, укладываемых в 2-3 слоя,

в зависимости от высоты плотины составляет 2-5 мм.

Толщину экрана или диафрагмы из геомембраны следует назна-

чать расчетом исходя из следующих условий:

- величина максимальных растягивающих напряжений в гео-

мебране не должна превышать допускаемого растягивающего

напряжения, определяемого ее долговечностью;

- зерновой состав подстилающего грунта должен обеспечивать не-

повреждаемость геомембраны.

Допускаемые напряжения в обычной однослойной геомембране

(полиэтиленовой пленке) в зависимости от температуры и при ее

значениях от +30 до -60 °С составляют от 22 до 6,7 МПа соответ-

ственно. Модули упругости в этом же интервале температур изме-

няются от 39 до 517 МПа.

233

Толщина δ однослойной пленки из условия обеспечения ее сплош-

ности (неповреждаемости) определяется по формуле:

δ = 0,1 dмин q / kпр , (6.37)

где dмин – минимальный диаметр самой крупной фракции подстилающего

грунта; q – нагрузка на пленку (механизмов, людей и т.д.); kпр - коэффи-

циент эффективности защитных прокладок (для рубероида kпр = 2-5,

стеклоткани 2-3, поролона толщиной 10 мм - 2, полиэтиленовой пленки

толщиной 0,2 мм - 1,5; при отсутствии прокладок 1,0).

Толщина пленки, определяемая по допускаемым напряжениям на

растяжение при действии давления ВБ:

δ = 0,135 dмин q (E/σ3)

1/2 , (6.38)

где q - гидростатическое давление, МПа; Е - модуль упругости полиэти-

леновой пленки (120 МПа); σ - допускаемые напряжения при растяжении

(1 МПа).

Если по расчету по (3-36) δ >0,33 dмин , то

δ = 0,0586 dмин (q/σ)1/2

. (6.39)

Если δ <0,33 dмин , то принимают δ = 0,33 dмин.

В качестве подготовки и для защиты пленочного экрана иногда

используют сборные железобетонные плиты толщиной 0,15 м,

укладываемые на гравийную или щебенистую подготовку, при

этом одна поверхность у плит может быть плоская, а другая - кри-

волинейная. Пленку защищают от неровностей бетонных плит ас-

фальтированным войлоком или картоном.

Наиболее ответственным является узел сопряжения пленки с бор-

тами и основанием плотины. В целях предотвращения контактной

фильтрации между пленкой и основанием следует предусматри-

вать такие мероприятия, как устройство штрабы или зуба, запол-

ненных мастикой или бетоном. Соединение пленки со штрабой

или зубом при больших деформациях плотины часто устраивают с

компенсирующей складкой.

В конкретном проекте плотины необходимо за тем, чтобы геомем-

брана строго отвечала тем функциям, которые она должна выпол-

нять. Необходимо также контролировать, чтобы геомембрана не

способствовала бы образованию плоскостей скольжения, ходов

сосредоточенной фильтрации и т. д.

В настоящее время имеется обнадеживающий прогноз по долго-

вечности геомембран Carpi, основанный на лабораторных иссле-

234

дованиях, проведенных по методике ускоренного старения. Кроме

того, 40-летний опыт эксплуатации ряда грунтовых плотин пока-

зывает, что их геомембраны находятся в хорошем состоянии и это

позволяет рекомендовать продолжать использовать эти геомем-

браны в земляных плотинах I и II класса.

Пленочные диафрагмы иногда применяли в земляных плотинах

вместе с инъекционной завесой в проницаемой части плотины и ее

основания, как в Атбашинской плотине высотой 76 м (рис. 6.25).

Рис. 6.25. Атбашинская земляная плотина с диафрагмой из пленки

и инъекционной завесой в нижней части плотины и основании: 1 - контрольно-инъекционная галерея; 2 - диафрагма из полиэтиленовой пленки

между двумя слоями песка; 3 - галечник; 4 - переходные зоны с обратным филь-

тром; 5 - каменный банкет; б - известняк; 7 - цемзавеса в известняках; 8 - инъ-

екционная завеса в галечнике; 9 - каменная наброска; 10 - крепление откоса кам-

нем

Рис. 6.26. Узел крепления пленочной диафрагмы Атбашинской

плотины к бетонному своду инъекционной галереи: 1 - прижимной швеллер; 2 - резиновые прокладки; 3 - анкеры; 4 - рабочие борто-

вые полотнища диафрагмы; 5 - бортовые полотнища усиления и защиты; 6 - за-

щитные накладки со смазкой; 7 - бетон; 8 - песчаный грунт защитных слоев диа-

фрагмы; 9 - защитные полотнища диафрагмы; 10 - рабочее полотнище диафрагмы

235

Диафрагма из пленки толщиной 0,6 мм была рассчитана на напор

41м и сопрягалась с инъекционной завесой глубиной 22 и шири-

ной 20 м из 7 рядов скважин с шагом 3,5 м с помощью бетонной

контрольно-инъекционной галереи (см. рис. 6.25).

В месте сопряжения (см. рис. 6.26) пленка, защищенная резиновы-

ми прокладками, зажата между швеллерами, заанкеренными в свод

галереи. В бортах диафрагма прикреплена к бетонным сопрягаю-

щим плитам, по высоте она защищена полотнами уложенной

встык такой же пленки и слоями песка.

6.6. Дренажи в теле и основании земляных плотин

Устройство дренажа тела земляной плотины следует проектиро-

вать с целью:

а) организованного отвода воды, фильтрующейся через тело и ос-

нование плотины в НБ;

б) предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой

откос и в зону, подверженную промерзанию;

в) обоснованного снижения кривой депрессии для повышения

устойчивости низового откоса (внутренний дренаж);

г) повышения устойчивости верхового откоса при быстрой сработ-

ке водохранилища, а также для снятия порового давления, возни-

кающего при сейсмических воздействиях;

д) отвода воды, профильтровавшейся через экран, ядро. В случае

слабоводопроницаемого грунта низовой призмы и наличия низо-

вой переходной зоны отвод воды следует осуществлять специаль-

ным дренажным слоем на поверхности основания, соединенным с

дренажем низовой призмы плотины.

Для ускорения консолидации и снижения влияния порового дав-

ления в плотинах из суглинистого грунта может быть предусмот-

рено устройство горизонтальных или вертикальных дрен в низо-

вой и центральной частях плотины.

При проектировании дренажных устройств необходимо учитывать

физические характеристики грунтов тела и основания плотины, их

суффозионность и условия фильтрации в области дренажа.

Размеры дренажных устройств следует определять для каждого

конкретного случая исходя из фильтрационных условий, исклю-

чающих кольматаж грунта в области дренажа.

Схемы основных видов дренажных устройств в низовой части

земляной плотины показаны на рис. 6.27.

236

Для устройства обратного фильтра дренажа должны применяться

несвязные природные или получаемые дроблением грунты и ис-

кусственные материалы - пористый бетон и др.

Дренажный коллектор применяют из камня, бетонных и асбесто-

цементных труб с учетом агрессивности воды.

Дренажный (каменный) банкет (рис. 6.27, а) следует выполнять

на русловых участках плотины при ее возведении без перемычек и

перекрытии реки отсыпкой камня в воду.

Рис. 6.27. Схемы конструкций основных видов дренажа в зем-

ляных насыпных плотинах: В русле: а - дренажный банкет; б - наслонный дренаж. На берегу: в -

трубчатый дренаж; г - горизонтальный дренаж; д-ж - комбинированные

дренажи; 1- дренажный банкет; 2 - поверхность депрессии; 3 - обратный

фильтр; 4 - наслонный дренаж; 5 - труба; 6 - дренажная лента; 7- отводя-

щая труба; 8 - отводящая канава: df - максимальная глубина промерзания;

mt - коэффициент низового откоса: bb - ширина банкета поверху

Превышение гребня дренажного банкета hs (при отсутствии

наслонного дренажа) над УНБмакс (рис.6.27, а, б) следует опреде-

лять с запасом на волнение, устанавливаемом согласно п. 6.3.1, но

не менее 0,5 м. Ширину банкета поверху назначают из условий

производства работ, но не менее 1 м.

При сопряжении тела плотины с дренажным банкетом должна

быть обеспечена фильтрационная прочность сопряжения за счет

устройства обратного фильтра по внутреннему откосу банкета с

237

углом, равным естественному откосу грунта фильтра. При нали-

чии в основании мелкого песка и больших выходных градиентов

напора под дренажным банкетом следует предусматривать гори-

зонтальный обратный фильтр.

Банкет должен быть запроектирован так, чтобы кривая депрессии

была заглублена под низовой откос на величину df, равную

наибольшей глубине промерзания грунта.

Наслонный дренаж (см. рис. 6.27, б) следует выполнять на участ-

ках плотины, перекрывающих пойму, и при отсутствии на месте

строительства достаточного количества камня.

Толщину наслонного дренажа с обратным фильтром назначают из

условий производства работ, но не менее чем:

t = 5ds,85 + tf , (6.40) где ds,85 - диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мелких

частиц равна 85% массы грунта дренаж; tf - толщина обратного фильтра.

Превышение гребня наслонного дренажа hs над УНБмакс следует

принимать, как для дренажного банкета, с учетом высоты выкли-

нивания кривой депрессии на низовой откос и глубины промерза-

ния, df. Кроме того, отметка гребня дренажа должна быть выше

УНБмакс с учетом нагона и наката волн.

Наслонный дренаж выполняют из однородного камня (крупного

щебня), что обеспечивает высокий коэффициент фильтрации.

Крупность камня Dк определяют из условия устойчивости при

действии волн со стороны НБ. Выше УНБмакс в наслонный дренаж

можно укладывать гравий или щебень.

Толщину наслонного дренажа (вместе с фильтром) в однородных

плотинах из глинистого грунта назначают несколько больше глу-

бины промерзания df, чтобы защитить низовой откос плотины. Ес-

ли защиты откоса от промерзания не требуется, толщину дренажа

без фильтра назначают не менее 3Dк.

Грунт наслонного дренажа должен сопрягаться с грунтом обратно-

го фильтра и защищать низовой откос от волнового воздействия в

НБ, а в некоторых случаях - и от промерзания.

Наслонный дренаж – наружный, он находится за пределами про-

филя плотины, не укорачивает путь фильтрации и не влияет на по-

ложение кривой депрессии. Поэтому самостоятельно его приме-

няют относительно редко, но часто в сочетании с внутренними

дренажами, образуя комбинированные дренажи.

238

При фильтрационных расчетах потерями напора в дренаже следу-

ет пренебрегать, поэтому поверхность воды в дренаже следует

считать горизонтальной (см. рис. 6.27, а, б).

Отвод воды из дренажа в НБ делают в случае дренажного банкета

или наслонного дренажа, причем расход профильтровавшейся во-

ды в этом случае измерить нельзя.

Трубчатый дренаж (см. рис. 6.27, в) следует применять на тех

участках плотины, где в период ее эксплуатации вода в НБ отсут-

ствует или присутствует редко.

Трубчатый дренаж применяют из пористых бетонных или перфо-

рированных асбестоцементных труб с заделанными или незаде-

ланными стыками, с обсыпкой обратным фильтром. Если трубы

выполнены из пористого бетона, то отпадает необходимость в

укладке фильтра. Сечение труб определяется расчетами гидравли-

ки безнапорного потока. Диаметр трубы должен быть ≥200 мм.

Скорость течения воды в трубе принимают в пределах 0,3-0,7 м/с.

По длине трубчатого дренажа необходимо предусматривать смот-

ровые колодцы, располагаемые с шагом 50-200 м с учетом рельефа

местности и требуемых уклонов. Из этих колодцев делают выводы

в виде поперечных труб. Такие выводы объединяют в НБ одним

коллектором (закрытым - во избежание замерзания воды в нем зи-

мой). Из коллектора вода сбрасывается в реку, в зимнее время -

под лед. На некоторых выводах и в устье коллектора следует уста-

навливать измерительные водосливы, чтобы контролировать вели-

чину фильтрационного расхода Qф. Если на том или другом участ-

ке плотины Qф начинает увеличиваться (при постоянном УВБ), то

в этом месте происходит опасная суффозия грунта, с которой сле-

дует бороться. Если не организовать отвод профильтровавшейся

воды, то пойма в НБ будет заболачиваться.

Ширина b дренажа (вместе с обратным фильтром) должна удов-

летворять условию b≥0,5q/Kф, где Kф - коэффициент фильтрации

грунта, q - удельный расход фильтрации в предположении распо-

ложения плотина на водоупоре. Если трубу дренажа заменяют ще-

бенистой отсыпкой, то вместо трубчатого дренажа получается го-

ризонтальная продольная дренажная лента (см. рис. 6.27, г).

Горизонтальный (плоский) дренаж (см. рис. 6.27, г) проектируют в

виде сплошного дренажного слоя (тюфяка) или отдельных гори-

зонтальных продольных (приемных) и поперечных (отводящих)

239

дренажных лент, выполненных из крупного песка и гравия и за-

щищенных обратным фильтром.

Трубчатый и горизонтальный дренажи должны располагаться не-

много выше УНБмакс, так как подтопленный дренаж не работает.

Отводящие устройства этих дренажей в виде труб и лент должны

иметь уклон в сторону НБ, равный 0,04-0,05.

Комбинированный дренаж (рис. 6.27, д - ж) представляет собой

одну из возможных комбинаций дренажей, указанных выше. От-

метку гребня банкета комбинированного дренажа следует назна-

чать с учетом условий перекрытия русла реки.

Все внутренние и комбинированные дренажи создают кратчайший

путь фильтрации. В этом состоит их основное назначение – регу-

лирование положения кривой депрессии. Эти дренажи должны

иметь достаточную пропускную способность и быть доступными

для осмотра и ремонта. С точки зрения повышения устойчивости

низового откоса дренаж желательно приблизить возможно больше

к оси плотины, чтобы достигнуть наибольшего осушения низового

откоса. Однако чем ближе дренаж к оси плотины, тем больше в

нем расходы воды и градиенты фильтрации, что снижает филь-

трационную прочность плотины и ее основания.

Размеры дренажных устройств в виде плоских дренажей или дре-

нажных лент следует определять гидравлическими и фильтраци-

онными расчетами с учетом выполнения дренажа.

В случаях, когда необходимо сильно заглубить кривую депрессии

или ускорить консолидацию глинистых грунтов основания под

действием веса плотины, применяют дренажные тюфяки или

ленты. Такие дренажи заглубляют в низовую призму плотины из

глинистых грунтов не более чем на 30-35 %, а из песчаных - на 25-

30 % ширины плотины по основанию.

Вид дренажных устройств может меняться на разных участках

плотины и их конструкцию выбирают на основе технико-экономи-

ческого сравнения вариантов в зависимости от:

а) вида плотин, инженерно-геологических и гидрогеологических

условий основания и берегов;

б) физико-механических свойств грунтов дренажей;

в) условий производства работ;

г) климатических условий района строительства;

д) условий эксплуатации и температурного режима;

240

е) степени агрессивности воды.

Дренажи тела плотины обычно не устраивают в случаях:

а) возведения плотин на водопроницаемом основании, в которых

кривая депрессии без дренажа оказывается удаленной от низового

откоса и не попадает в зону промерзания;

б) в низовых призмах земляных плотин с экранами, ядрами и диа-

фрагмами, если эти призмы выполнены из песчано-гравелис-того и

гравелистого грунта, коэффициент фильтрации которой не менее

чем в 100 раз превышает коэффициент фильтрации материала яд-

ра, экрана и диафрагмы;

в) в каменно-земляных плотинах, низовая призма которых выпол-

нена из камня или гравийно-галечникового грунта.

В случае, если земляная плотина сопрягается с бетонной, дренажи

их должны быть увязаны между собой.

В примыканиях плотины к берегам, расположенным выше мини-

мального УНБ, должен быть организован отвод воды, профиль-

тровавшейся через плотину (горизонтальный дренаж).

Внутренний дренаж в низовых и верховых зонах земляных плотин

в виде вертикальных, наклонных или горизонтальных лент (см.

рис. 6.28, а-г; 6.29, а) предназначен для:

- повышения устойчивости верхового откоса из глинистого грунта

при быстрой сработке уровня ВБ;

- сокращения зоны воздействия фильтрации на низовой откос с

целью повышения его устойчивости;

- уменьшения порового давления воды и ускорения консолидации

в глинистых грунтах плотины;

- предотвращения фильтрационных деформаций при фильтраци-

онной анизотропности (Кф.гор./Кф.верт.>10) глинистого грунта и в

слабых глинистых грунтах при неэффективности их уплотнения

(здесь эффективен вертикальный дренаж);

- снижения динамического порового давления в песчаных и граве-

листых грунтах плотин при землетрясениях;

- предотвращения оползания откосов при высокой скорости возве-

дения земляных плотин из переувлажненных глинистых грунтов

(выше оптимальной влажности на 2-3%).

Основные виды горизонтального дренажа показаны на рис. 6.28,

а-г; возможны и другие виды, отличающиеся отсутствием глини-

стого ядра или экрана, дренированием только верховой или низо-

241

вой призмы земляной плотины (см. рис. 6.29, а).

Рис. 6.28. Горизонтальные и вертикальные дренажи плотин: а - г - соответственно совершенный, несовершенный, смешанный и несо-

вершенный горизонтальные дренажи; 1 - ядро; 2, 4 - боковые призмы из

глинистого грунта; 3, 6 - горизонтальный дренаж из песка и гравия;

5 - боковые призмы из галечника; д - плотины с вертикальным дренажем

(Вигаро, Санта-Бранка, Граминха (Бразилия): 1 - дренаж; 2 - цемзавеса;

е - плотина Аит Адель (hпл=100 м, Марокко) с комбинированным дре-

нажем: 1 - ядро; 2 - боковые призмы из аллювия; 3 - фильтр; 4 - дренаж;

5 - площадная цементация; 6 - цементационная и дренажная штольни;

7 - цемзавеса; 8 - аллювий; 9 - долериты; 10 - перемычка; (размеры в м).

242

Горизонтальный дренаж называют совершенным, если он доходит

до откосов ядра (см. рис. 6.28, а), несовершенным (рис. 6.28, б)

или смешанным (рис. 6.28, в). Для первого применяют песок или

песок с гравием; толщина слоя 0,3-0,5 м с шагом 5-6 м по высоте.

Рис. 6.29. Дренажи, заглубленные в тело плотины (а), и дренаж

верхнего глинистого слоя основания (б): 1 - крепление откоса; 2 - дренажные ленты; 3 - дренажная призма; 4 - бетонный

замок; 5 - глина; 6 - песок (материал ленты); 7 - фильтрационный поток; 8 –

вертикальные дренажные скважины основания

Горизонтальные дренажи устраивают в земляных плотинах из пла-

стичных глинистых грунтов для снижения порового давления во-

ды во время их строительства (см. рис. 6.28, а, б) и для повышения

устойчивости верхового откоса (рис. 6.28, в, г) при быстрой сра-

ботке ВБ, когда скорость сработки ВБ не менее чем в 5-10 раз

больше средней скорости фильтрации глинистого грунта, т.е.

VВБ≥(5-10)КфJcr,m, где Jcr,m - критический средний градиент напора

для ядра, экрана, понура или тела плотины (см. табл. 6.4). В по-

следнем случае дренажи верхового откоса (см. рис. 6.28, в, г) вы-

полняют из сортированных песчано-гравелистых грунтов; толщи-

на слоя 0,6-1,0 м, расстояние между ярусами 5-15 м.

Вертикальный, или слабонаклонный, дренаж устраивают ниже оси

земляных плотин из глинистых грунтов (см. рис. 6.28, д) для осу-

шения низовых призм и их защиты от суффозии при возник-

243

новении трещин.

Возможно сочетание вертикального и горизонтального дренажей:

вертикальный дренаж на низовом откосе ядра соединяют с гори-

зонтальным в низовой призме из аллювия (см. рис. 6.28, д, е) для

отвода воды, профильтровавшейся через ядро при образовании в

нем трещин, и предотвращения суффозии ядра.

Опыт строительства и эксплуатации подобных плотин в Бразилии

высотой до 60 м на нескальном основании (глинистых сапролитах

- продуктах выветривания базальтовой брекчии), таких, как Ига-

рапава (рис. 6.30) высотой 26 м; Трес Ирмаос (рис. 6.31), 45 м; ле-

во- и правобережная земляные плотины Тукуруи (рис. 6.32 и 6.33),

58 и 62 м, и других плотин (Вигарио, Лимоэйро, Граминха, Санта-

Бранка, рис. 6.28, д) показывает, что вертикальный дренаж с отво-

дящим горизонтальным дренажем является надежной защитой

этих плотин из пластичных глинистых грунтов (латеритов) от

суффозии при возможном появлении в них трещин.

Рис. 6.30. Земляная плотина Игарапава (Бразилия, 26 м) с верти-

кальным дренажем: CS - жирный суглинок; S - песок; T - несортированный переходный слой;

URP - крепление рваным камнем; DRP - защитный слой горной массы

Рис. 6.31. Земляная плотина Трес Ирмаос (Бразилия, 45 м) с вер-

тикальным дренажем: 1 - жирный суглинок; 2 - вертикальный и горизонтальный дренаж

244

Рис. 6.32. Левобережная земляная плотина Тукуруи (Бразилия, 58

м) с вертикальным дренажем: А2 - крепление рваным камнем; А3 - уплотненный камень; GR - сортиро-

ванный камень, d=0,2 м; T1 - щебень; T2 - гравий; F2 - промытый песок;

M - уплотненная жирная супесь; LAT - латеритовый песок

Рис. 6.33. Правобережная земляная плотина Тукуруи (Бразилия, 62

м) с вертикальным дренажем: (позиции А2, А3, Т1, Т2, GR, F2 см. рис. 6.32); ER - камень d=0,3 м;

C - уплотненный тонкий песок; B1, BIM - уплотненный гравий с глиной и

песком; D1 - уплотненный илистый песок; E - глина, отсыпанная в воду

Во время строительства эти дренажи также снижают поровое дав-

ления воды в глинистом грунте плотины и увеличивают ее устой-

чивость. Расчеты вертикальных и горизонтальных дренажей в гли-

нистых грунтах этих плотин приведены в пособии [10].

В земляной плотине, расположенной на водонасыщенном глини-

стом грунте, в котором при возведении плотины возникает поро-

вое давление воды, снижающее прочность основания, поверхность

основания под низовой призмой следует покрывать горизонталь-

ным дренажем, а для снижения порового давления в глинистом

грунте основания следует устраивать вертикальные дрены (см.

рис. 6.34). Размеры и шаг этих дрен обосновываются расчетом

консолидации основания, приведенным в пособии [10].

245

Рис. 6.34. Земляная плотина Дервент (Англия) с глинистым ядром

и понуром, вертикальным и горизонтальным дренажем:

I - глинистый понур; 2 - тощая глина; 3 - бетонные блоки; 4 - дренажные

слои; 5 - дренажный колодец; 6 - вертикальные дренажные скважины; 7 -

дренажные скважины; 8 - мелкий гравий; 9 - илистый песок; 10 - морена;

11 - слоистая глина; 12 - песок и гравий; 13 - ил; 14 - ленточные глины

Вертикальный дренаж в верхнем глинистом слое основания устра-

ивается так же, когда под ним находится слой водопроницаемого

грунта (песка, гравия). Тогда устойчивость верхнего слоя основа-

ния за низовым откосом плотины следует проверить расчетом на

выпор от действия восходящего фильтрационного потока. При не-

достаточной устойчивости этого слоя следует выполнить верти-

кальный дренаж, прорезающий это слой и снимающий противо-

давление в нижнем слое (рис. 6.29, б и 6.34).

6.7. Применение геотекстиля в качестве дренажей, фильтров,

межконтактных и армирующих элементов земляных плотин

Геотекстили представляют собой широкий ассортимент рулон-

ных материалов, предназначенных для разнообразного использо-

вания в строительстве, в том числе гидротехническом. Тканые и

нетканые, а также армированные геотекстили выпускаются из по-

лимерных и синтетических волокон (полиэтилена, полиамида, по-

липропилена, полиэфира, нитрона) в виде рулонов шириной до

5 м, толщиной до 5 мм, массой 150-1500 г/м2, прочностью на рас-

тяжение 30-500 Н/см, с относительным удлинением 10-200%. Тка-

ный геотекстиль получают переплетением двух комплектов раз-

личных нитей или лент. Нетканый геотекстиль изготавливают из

непрерывных или прерывистых нитей со случайной ориентацией,

соединенных расплавленными термопластичными связями.

Кроме геомембран и геотекстилей промышленность изготавливает

геосетки, геодрены, геокомпозиты и пр. Они предназначены для

246

выполнения специальных функций - противо-фильтрационных,

фильтрующих, дренажных, армирующих, анкируюших и т. д. Гео-

композитами называют комбинацию из двух или более видов гео-

синтетики, например, геомембрану на слое геотекстиля (геомем-

брана Carpi, рассмотренная выше).

Использованию геосинтетических материалов при строительстве

плотин уделяется большое внимание. Эти проблемы обсуждались

на 16 и 17-м конгрессах Международной комиссии по большим

плотинам (СИГБ) в Сан-Франциско (1988 г., вопрос 61) и Вене

(1991 г., вопрос 67). В 1986 г. СИГБ выпустил бюллетень № 55

«Применение геотекстилей в качестве фильтров и переходных зон

в земляных плотинах», в котором даны рекомендации по проекти-

рованию дренажей и фильтров из геотекстиля.

Ниже на основе обобщения материалов Международной комиссии

по большим плотинам, публикаций в отечественных и междуна-

родных технических изданиях описываются основные направле-

ния применения геосинтетики при строительстве плотин.

На рис. 6.35 приведены условные обозначения конструктивных

элементов из геосинтетических материалов в земляных плотинах.

Рис. 6.35. Обозначение конструктивных элементов, применяемых

при строительстве плотин, и функций геосинтетики: а - противофильтрационная преграда; б - фильтрующий слой с раздели-

тельной функцией; в - передача силового воздействия; г - переходный

слой; д - макроармирование; е - микроармирование; ж - поверхностное

армирование; з - конструктивный элемент; и - двойное покрытие;

к - дрена; дрена/покрытие из геокомпозита или гравийная дрена с филь-

тром из геотекстиля.

Типовые варианты применения геосинтетики для дренажей и

фильтров даны на рис. 6.36. В однородных земляных плотинах (

рис.6.36, а) эти материалы применяют для устройства:

247

- горизонтальных дрен (позиция 1 на рис. 6.36, а), расположенных

в верховой части плотин для предотвращения возникновения по-

рового давления в случае быстрой сработки уровня ВБ, а также

для ускорения консолидации грунтов в период строительства;

- вертикальных дрен (2), расположенных под верховой и низовой

частями плотин и используемых для ускорения консолидации

грунтов основания при строительстве и снятия противодавления;

- наклонных дрен (3) и дрен по основанию низовой части плотин

(4), используемых для снижения порового давления воды;

- горизонтальных дрен (5), расположенных в низовой части плотин

и используемых для снижения порового давления воды, возника-

ющего в случае плохой работы наклонных дрен, а также для уско-

рения консолидации грунта во время строительства.

Рис. 6.36. Применение геотекстиля в качестве дренажей и филь-

тров земляных плотин

В грунтовых плотинах с диафрагмами разных типов геосинтетика

применяется для устройства: дрен, располагаемых сразу за диа-

фрагмой («стеной в грунте», бетонной стенкой, асфальтобетонной

диафрагмой) и используемых для сбора и отвода в галерею воды,

которая профильтровала через диафрагму (см. рис. 6.36, б; 1); го-

ризонтальных дрен, используемых для предотвращения возникно-

вения порового давления в низовой части плотины в случае сосре-

доточенной фильтрации через диафрагму (см. рис. 6.36, б; 2).

В схемах на рис. 6.36, а, б применяют дрены, состоящие из гео-

композитов с фильтром из геотекстиля и переходного слоя из гео-

сетки или геоматов, обладающих высокой проницаемостью. Ис-

пользуют также песок или подобный материал с фильтром из не-

тканого геотекстиля или утолщенный нетканый геотекстиль, кото-

рый обеспечивает фильтрацию воды и передачу нагрузок.

248

На рис. 6.36, в показана гравийная дрена у подошвы плотины с

фильтром из геотекстиля, а на рис. 6.36, г – дренаж.

Для снятия противодавления при быстрой сработке ВБ используют

гравийный фильтр из геотекстиля или дренаж из геокомпозита

(рис. 6.36, д, е). Примерами использования геотекстиля в фильтре

и дренаже служат плотины Тукуруи (62 м, Бразилия, рис. 6.33),

Аит Чоуарит (144 м, Марокко), Фреунау (75 м, Германия, рис.

6.37, а), Формиц (33 м, Германия, рис. 6.37, б) и др.

Геосинтетический материал, уложенный между разными грунта-

ми, выполняет функции межконтактного элемента, предотвращая

взаимное проникновение грунтов. В плотинах с глинистыми ядра-

ми геосинтетика используется в качестве низовых фильтров гли-

нистых ядер и стенок-диафрагм (позиция 3 на рис. 6.37, а, б), ни-

зовых откосов глубоких зубьев глинистых ядер (5 на рис. 6.37, а),

горизонтальных фильтров между камнем низовой призмы и грун-

том основания (4 на рис. 6.37, а; см. рис. 6.33).

а) б)

Рис. 6.37. Плотины Фреунау (а) и Формиц (б) (Германия) с тран-

шейными стенкам, фильтрами и дренажем из геотекстиля: 1 - супесчаное ядро; 2 - траншейная стенка-диафрагма из глинобетона;

3- низовой фильтр из геотекстиля; 4 - дренаж из геотекстиля; 5 - фильтр

из геотекстиля в зубе ядра; 6 - верховой фильтр или контрольная галерея;

7 - упорные призмы или цемзавеса; 8 - выветрелые гнейсы основания

Геосинтетика, применяемая с целью разделения, представляет со-

бой в основном иглопробивной нетканый геотекстиль. Тканый

геотекстиль используют, если необходима значительная прочность

материала (см. рис. 6. 36, позиции 2 и 3). В случае потенциальной

возможности появления трещин в глинистых ядрах геотекстиль

может удержать большое количество глинистых фракций, чтобы

предотвратить их массовую суффозию. На рис. 6.36 (позиция 4)

249

показан армированный песчаный фильтр, уложенный между яд-

ром и низовой упорной призмой, который не разжижается при

землетрясениях и не получает трещин.

Варианты применения геосинтетики для армирования грунтов при

строительстве плотин приведены на рис. 6.38. Разделяют макро- и

микроармирование. Последнее осуществляется, когда отдельные

волокна, нити или кусочки микросетки перемешиваются с части-

цами грунта, образуя армированную массу. С помощью макроар-

мирования в основном перераспределяется напряженное состояние

в сооружениях. Таким образом, например, может быть упрочнена

земляная плотина на просадочном лессовом основании.

На рис. 6.38, а, д показано многоярусное армирование, при-

меняемое при возведении крутых и вертикальных откосов. По-

следнее представляет интерес для строительства водосливов ма-

лых плотин, где водослив короткий, а стоимость бетонного водо-

слива составляет большую часть от обшей стоимости гидроузла

(рис. 6.38, в). Схемы на рис. 6.38, г, д применяют при наращивании

плотин по высоте. В перечисленных вариантах используют разные

типы геотекстилей и геосеток. В них макроармированный грунт

может быть заменен для малых плотин микроармированным грун-

том с использованием «непрерывной нити».

Рис. 6.38. Применение геотекстиля для армирования земляных

плотин

На рис. 6.38, е, ж, з одиночный слой или группа рядом распо-

ложенных параллельных слоев геосинтетики используются для

250

повышения устойчивости грунтовых плотин или отдельных их ча-

стей. Схема на рис. 6.38, е применима для малых плотин, постро-

енных на слабых основаниях. Схему на рис. 6.38, ж используют

для плотин, имеющих местные нарушения прочности основания.

Армирование по схеме на рис. 6.38, з позволяет предотвратить

возможные трещины в слоях глинистого грунта или асфальтобето-

на, защищающих откосы плотин. Для этих вариантов обычно тре-

буется прочная геосинтетика с высоким модулем деформации.

Чаще это геосетки и многоволоконные тканые геотекстили. Если

используют два или более слоев геосинтетики, их не следует укла-

дывать один на другой, чтобы уменьшить риск оползания. Для

обеспечения передачи усилий всегда должен укладываться между

двумя параллельными армирующими слоями слой грунта, обла-

дающий высоким углом внутреннего трения. На рис. 6.40, и один

слой геосинтетики или несколько параллельных слоев, заанкерен-

ных на гребне, обеспечивают устойчивость наклонного слоя гли-

нистого материала, используемого в качестве водоупорного эле-

мента, например, для малых плотин.

6.8. Противофильтрационные устройства в проницаемых

грунтовых основаниях земляных и каменно-земляных плотин

Отсыпка плотины осуществляется на специально подготовленное

основание, с которого снимаются растительный слой толщиной

0,3-0,5 м и слабые некачественные грунты (илы, засоленные грун-

ты и т.п.). Поверхность основания, сложенного мягкими грунтами,

должна иметь по возможности плавное очертание вдоль оси пло-

тины. Крутые береговые примыкания плотины превращают в си-

стему наклонных площадок, разделенных уступами шириной 3-5

м, уклоны поверхностей этих площадок делаются не круче 1:5.

Характер сопряжения земляной плотины с нескальным основани-

ем зависит от типа плотины и грунтов основания.

При глинистых основаниях (коэффициент фильтрации не более 10-

5 см/с) сопряжение земляной плотины из несвязного или связного

грунта осуществляют с помощью зуба из этого грунта, устраивае-

мого примерно по оси плотины на глубину 1 м, шириной понизу 3

м и заложением откосов 1,5-2,0.

В зависимости от глубины и характеристик несвязных грунтов

проницаемого основания обычно применяют 8 основных типов

251

противофильтрационных (ПФ) устройств. К ним относятся (в по-

рядке роста глубины отложений и сложности ПФ-устройств):

- глинистый зуб (продолжение глинистого ядра и экрана);

- бетонный зуб (продолжение экрана из железобетона или асфаль-

тобетона);

- стальной шпунт;

- глинистый понур (продолжение экрана или ядра);

- траншейные стенки-завесы из глинобентонитовых и цементно-

глинистых растворов;

- траншейные стенки-завесы из пластичного бетона;

- буробетонные свайные стенки;

- инъекционные завесы.

Возможны сочетания двух или более ПФ устройств (бетонная

траншейная или свайная стенка и инъекционная завеса, глинистый

зуб или понур и глинисто-цементная траншейная стенка и т.п.).

Во всех случаях ПФ устройства в проницаемом основании должны

сопрягаться с вышележащими ПФ устройствами в теле земляной

или каменно-земляной плотины.

При толщине проницаемого слоя несвязного грунта под плотиной

до 5-7 м его прорезают глинистым зубом ядра или экрана и за-

глубляют в нижележащий водоупор на 0,5 м. Ширина зуба по дну

должна быть не менее ширины ядра или экрана понизу с целью

обеспечения фильтрационной прочности и трещиностойкости гли-

нистого материала зуба.

Бетонный зуб устраивают обычно при небольшой мощности про-

ницаемых отложений (до 5-7 м) в узком русле реки, который со-

прягается с экраном или диафрагмой из асфальтобетона земляной

плотины или экраном из железобетона каменно-земляной плоти-

ны. При высоте этих плотин свыше 50 м, как правило, в зубе

устраивают галерею для контроля фильтрации через экран или

диафрагму и повторной цементации скального основания.

При толщине проницаемого слоя 7-10 м, когда под ним находится

водоупор, сопряжение с основанием производится с помощью

глинистого зуба глубиной 1 м и стального шпунта, прорезающего

слой и заглубляемого в водоупор на 0,5 м.

При глубоком залегании водоупора в основании (более высоты

плотины) глинистый экран (ядро) сопрягают с глинистым понуром

или стенкой-завесой из глинисто-цементных растворов.

252

Если земляная плотина с глинистой призмой или экраном, то

удобным ПФ-устройством в проницаемом основании мощностью

свыше 50 м может быть глинистый понур (см. рис. 6.15, б), кото-

рый обычно сопрягается с экраном. Отношение коэффициентов

фильтрации понура и грунта основания в горизонтальном направ-

лении должно быть не более 0,01, тогда применение понура стано-

вится эффективным. Если проницаемое основание обладает боль-

шим коэффициентом фильтрации по горизонтали (что встречается

чаще), то эффективность понура резко снижается и тогда следует

переходить на более эффективные вертикальные ПФ-устройства

(шпунтовые стенки, стенки-завесы, инъекционные завесы и т.п.).

Толщина понура определяется прочностью на сдвиг грунта понура

и зерновым составом подстилающего грунта. Минимальная тол-

щина понура в конце 0,5-0,7 м, на начальном участке - 1/10 от вы-

соты плотины (но не менее 2,0 м). Длину понура определяют на

основе расчетов фильтрации в зависимости от допустимых выход-

ных градиентов, с учетом обратных фильтров на выходе в дренаж

основания и может составлять (2-5)Н, где Н - напор на плотину. На

участке, где возможны промерзание понура или его размыв из-за

больших скоростей воды (например, при подходе к донному водо-

спуску), понур покрывают слоем песчано-гравелистого грунта.

Для определения толщины понура используют графики рис. 6.39.

Рис. 6.39. Зависимость критического градиента на контактный

выпор Iкр.к.в. от D90 подстилающего грунта: 1 - глина; 2 - суглинок; 3 - супесь

253

По известному D90 подстилающего слоя и грунта понура находят

критический градиент Iкр.к.в.. Толщина понура t= Н/Iкр.к.в.. Верхняя

граница каждой из областей графика соответствует более пластич-

ному грунту, нижняя - более тощему. Таким образом, в зависимо-

сти от числа пластичности грунта понура и D90 подстилающего

грунта можно найти критический градиент контактного выпора

Iкр.к.в. и затем t. Если площадь понура большая, то вследствие пере-

менности Н и, возможно, D90 принимают переменное значение t.

Кроме сочетания глинистого понура и экрана часто применяют со-

четание глинистого понура и ядра, понура и стенки-завесы или

инъекционной завесы и дренажа в основании.

Глинистый понур с ядром (см. рис. 6.15) снижает устойчивость

верховой призмы, так как в основании призмы с глинистым пону-

ром появляется потециальная плоская поверхность сдвига. Поэто-

му для предотвращения сдвига понур иногда проектируют лома-

ного очертания. Такие сочетания ядер, понуров и завес применяют

для повышения фильтрационной прочности аллювиальных осно-

ваний особо ответственных грунтовых плотин, таких, как Асуан-

ская плотина, Тарбела и др. (рис. 6.34; 6.40-6.43).

Рис. 6.40. Асуанская плотина (H=112 м, Египет) с глинистым яд-

ром, понуром и инъекционной завесой глубиной до 200 м: 1 - мостовая по щебню; 2 - трехслойный фильтр (щебень 40-150 мм, 5-35

мм и ≤1,5 мм); 3 - карьерная мелочь; 4 – дренажные скважины глубиной

70 и 50 м; 5 - дюнный песок; 6 - уплотненный дюнный песок; 7 - камень ≥

150 мм, замытый песком; 8 - кривая депрессии; 9 - щебень 40-150 мм; 10 -

каменная наброска с гидроуплотнением; 11 - средний песок; 12 - уплот-

ненный дюнный песок; 13 - уплотненный средний песок; 14-– инъекци-

онная завеса глубиной 200 м; 15 - цементационно-контрольные галереи;

16 - ядро из глины; 17 - щебень; 18 - понур из глины; 19 - щебень 40-150

мм; 20 - песок разнозернистый; 21 - галька и валуны с песком; 22 - пере-

слаивание супесей, суглинков, песков и песчаников; 23 - магматиты

254

Рис. 6.41. Каменно-земляная плотина Тарбела (H=148 м, Пакистан)

с наклонным глинистым ядром и понуром длиной 1,6 км: 1 - глинистый экран с понуром; 2 - переходная зона из песчано-гравелистых грун-

тов; 3 - гравелистые грунты; 4 - легко дренируемые грунты; 5 - центральная зона

из гравийно-галечных грунтов; 6 - низовая призма из галечника; 7 - наброска

камня; 8 - дренажная зона; 9 - дренажные скважины; 10 - дренажная галерея; 11 -

аллювиальные отложения мощностью 180 м; 12 - перемычка котлована плотины

Рис. 6.42. Защитная земляная дамба (30 м) водохранилища Ла

Гранд-3 (Канада) с глинистым ядром и понуром и стенкой-завесой: 1 - ядро и понур из моренного суглинка; 2 - песок и гравий крупностью до 75 мм;

3 - сортированный камень (до 225 мм); 4 - укатанный камень и горная масса;

5 - крепление камнем; 6 - моренный суглинок, отсыпанный в воду; 7 - подушка из

бентонита; 8 - бетонная стенка-завеса толщиной 0,6 м; 9 - подушка из крупного

песка, отсыпанная в воду и уплотнeнная виброфлотацией; 10 - дно реки; 11 - ал-

лювий с линзами морены; 12 - скала

Рис. 6.43. Каменно-земляная плотина Пенеос (Греция) с глини-

стым ядром и понуром и короткой бетонной стенкой-завесой: 1 - глинистое ядро; 2 - фильтр; 3 - аллювий; 4 - глинистый мергель; 5 - зона бен-

тонитового раствора; 6 - армобетонная стенка толщиной 0,6 м; 7 - пластичная

глина; 8 - глина; 9 - понур; 10 - переходная зона

255

При мощности аллювиальных отложений от 20 до 100 м сейчас

широко применяют различного рода траншейные бетонные и гли-

но-цементные стенки-завесы. Обычно эти стенки возводят тогда,

когда эти отложения состоят из ряда слоев различных грунтов от

гравийно-песчаных до супесчаных и устройство инъекционной за-

весы требует нескольких типов инъекционных растворов.

Стенки-завесы в проницаемых основаниях грунтовых плотин

должны обладать высокой фильтрационной прочностью, обеспе-

чивающей долговечность основания плотины.

Технологию строительства стенки-завесы, подбор состава раство-

ров или бетона обосновывают соответствующими исследования-

ми, а при необходимости - опытными работами.

Стенки-завесы выполняют методом «стена в грунте» (рис. 6.45). В

зависимости от глубины траншеи ее отрывка (проходка) произво-

дится с помощью экскаваторов (драглайн, обратная лопата), грей-

феров с напорной штангой и специальными установками (Ca-

zagrande, Benoto, HydroFrase, HydroMill и др.).

В зависимости от типа стенки и применяемого оборудования фор-

ма выемки может быть в виде непрерывной траншеи, отдельных

секций и пересекающихся скважин (свай).

Вертикальные откосы траншеи во время ее проходки удерживают

от обрушения тиксотропной бентонитовой суспензией, состоящей

из порошка бентонита и воды (1:4), с плотностью 1,1-1,3 г/см3.

Траншею заполняют снизу (вытесняя бентонит) через опускные

наливные трубы пластичным бетоном, глино- или бентонито-

цементными растворами.

Траншейные бетонные стенки имеют толщину 0,6-0,9 м, глинисто-

цементные - до 2-3 м. Бетонные стенки из пересекающихся сква-

жин-свай (буробетонные стенки) имеют толщину, определяемую

диаметром скважин 0,5-1,2 м, в местах их пересечения - 0,3-

0,65 м. Глубина стенок достигает 100-120 м.

В практике проектирования принимают следующие допустимые

градиенты фильтрации: для глинисто-цементных стенок 20-30 и

бетонных стенок 40-80. Из-за высоких градиентов сопряжение

стенок с глинистыми ядрами и экранами выполняют обычно двумя

способами: введением стенки в ядро на 5-10 м и устройством бен-

тонитовой подушки (см. рис. 6.42, 6.46) размером от 2х2 до 5х5 м в

зависимости от высоты плотины с целью предотвращения образо-

256

вания трещин в ядре или дополнительной иньекцией грунта осно-

вания в зоне сопряжения на глубину 10-20 м (см. рис. 6.45).

Рис. 6.44. Каменно-земляная плотина Ванапум (США) с глини-

стым ядром и траншейной глиноцементной стенкой-завесой: 1 - ядро; 2 - переходная зона; 3 - фильтр; 4 - каменная наброска, отсыпан-

ная в воду; 5 - песок, отсыпанный в воду; 6 - гравий и галечник; 7 - креп-

ление откоса камнем; 8 - аллювий; 9 - скала; 10 - траншейная стенка

Основные достоинства стенок-завес: относительная простота и

быстрота строительства, низкая стоимость (по сравнению с иньек-

ционными завесами), возможность их устройства почти во всех

проницаемых грунтах, за исключением гравийно-галечниковых.

Если в проницаемом основании водоупор находится на очень

большой глубине (более 150 м), трудно досягаемой для стенки-

завесы или инъекционной завесы, то если грунтовая плотина имеет

глинистое ядро или экран, целесообразно ограничиться «висячей»

стенкой-завесой или инъекционной завесой глубиной примерно

(0,5-1,0)Н (Н - напор на плотину), не доведенной до водоупора.

Устройство и ремонт таких глубоких завес обычно выполняют из

контрольных галерей, расположенных в основании глинистого яд-

ра (см. рис. 6.40 и 6.46) или в самом основании.

Часто за завесой в основании низового откоса плотины устраивают

глубокий вертикальный или реже горизонтальный дренаж, кото-

рый облегчает работу плотины и контролирует эффективность за-

весы (см. рис. 6.19; 6.26; 6.27). Это справедливо и для слоистого

основания (см. рис. 6.19), когда создают завесу и глубокий дренаж.

Стенки-завесы различного типа построены в нескальных основа-

ниях многих грунтовых плотин мира: в США (плотина Ванапум,

рис. 6.44), Мексике (Вильита, рис. 6.45), Канаде (Маникуган-3,

257

рис. 6.46) и др. Обычно глубина траншейных глинисто-цементных

стенок-завес составляет 20-50 м, траншейных бетонных и свайных

буробетонных - от 50 до 120 м.

Рис. 6.45. Каменно-земляная плотина Вильита (H=60 м, Мексика)

со свайно-траншейной бетонной стенкой (h=90м) и инъекционной

завесой (a) и технология устройства траншейных стенок-завес (б): a) инъекционная завеса: 1 - глинистое ядро; 2, 3 - фильтры; 4 - камень; 5 -

крепление откосов камнем (слой 1,5 м); 6 - гравий с глиной; 7, 9- плотный

гравийно-песчаный грунт; 8 - аллювий; 10 - инъекционная завеса; 11 - бе-

тонная стенка толщиной 0,8 м; 12 - андезитовая брекчия; 13 - каменная

наброска; 14 - (I этап) устройство стенки - бурение 4 скважин диам. 0,6 м

с заполнением их бентонитовым раствором; 15 - (II этап) выемка грунта

грейфером, заполнение бентонитовым раствором, бетонирование стенки;

б) траншейная стенка: I - работа 1 этапа в секциях, чередующихся через

одну; II - работа 2 этапа в промежуточных секциях; 1 - станок для разра-

ботки грунта в траншее; 2 - глинистый раствор; 3 - установка для бетони-

рования; 4 - подача бетона; 5 - трубы для подачи бетона в траншею

Инъекционные завесы. Их широко применяли в 1960-1980 гг. при

возведении земляных и каменно-земляных плотин на аллювиаль-

ных отложениях мощностью свыше 100 м. Эти завесы выполняют

из цементных, глино-цементных, бентонито-цементных (при ко-

эффициенте фильтрации грунта Кф>0,1 см/с), глино-силикатных

258

(при Кф<0,1 см/с), алюминатно-силикатных, полимерных и глино-

полимерных растворов. Скважины завесы диаметром 10-15 см бу-

рят на полную глубину, в них вставляют звенья труб, через кото-

рые в грунт нагнетают раствор под давлением до 6-8 МПа в ниж-

них ярусах и 0,5-1 МПа под подошвой плотины. Инъектирование

ведут снизу вверх под грунтовой или бетонной пригрузкой с по-

верхности или из потерн во избежание подъема основания и выход

раствора на поверхность, как это произошло в Асуанской плотине.

Рис. 6.46. Каменно-земляная плотина Маникуган-3 (Канада, Н=108

м) с глинистым ядром и понуром и буро-бетонной стенкой-завесой

(h=120 м): I - ядро и понур из валунного суглинка; 2 - переходные зоны из отсорти-

рованного аллювия; 3 - песчано-гравелистый грунт; 4 - каменная наброс-

ка; 5 - дренажный слой; 6 - пригрузка валунным суглинком; 7 - крепление

крупным камнем; 8 - двухрядная буробетонная стенка глубиной 120 м из

соприкасающихся свай с цементацией аллювия между рядами; 9 - одно-

рядная траншейная бетонная стенка; 10 - контрольная галерея; 11 - бен-

тонитовая подушка; 12 - аллювий; 13 - скала

Завесы в нескальных основаниях многорядные; в верхних ярусах

обычно 10-15 рядов (до 40 м - в Асуанской плотине, рис. 6.40), в

нижних 1-2 (рис. 6.45, 6.47).

Глубина и площадь завес может быть большой, Первая самая

крупная и глубокая завеса (200 м) была выполнена в многослой-

ном аллювиальном основании мощностью 260 м Асуанской ка-

менно-земляной плотины (см. рис. 6.40), построенной по проекту с

помощью СССР на р. Нил в Египте в 1960-1973 гг.

Инъекционная завеса должна обладать необходимой фильтраци-

онной прочностью, обеспечивающей долговечность основания и

самой плотины.

259

Рис. 6.47. Каменно-земляная плотина Зильверштейн (ФРГ) с гли-

нистым ядром, инъекционной завесой и горизонтальным дренажем

1 - бетонный зуб (для увеличения пути фильтрации); 2 - иглофильтры; 3 -

речной галечник; 4 - горизонтальный дренаж; 5 - инъекционная завеса

Состав и технологию нагнетания рабочих растворов обосновыва-

ют соответствующими исследованиями, а при необходимости -

опытными работами. Шаг между скважинами завес 2-5 м; допус-

каемые градиенты напора 5-10, т.е. толщина завесы в основании

плотины не должна быть менее 1/10 напора на плотину.

Возможность инъекции в грунт проверяют критерием D10/d95>8,

где D10 - размер частиц грунта, мельче которых в его составе со-

держится 10 %; d95 - размер твердых частиц в растворе, мельче ко-

торых в его составе содержится 95 %. Инъектировать можно грун-

ты с коэффициентом фильтрации от 0,1 до 500 м/сут и более (от

супесей до галечников). Коэффициент фильтрации грунтов после

устройства этой завесы обычно снижается в среднем в 100-500 раз.

Основные достоинства завесы: возможность их устройства почти

во всех проницаемых грунтах, высокая надежность.

Основные недостатки: большая сложность и стоимость строитель-

ства (по сравнению со стенками-завесами).

Поэтому сейчас эту завесу применяют в основном в качестве ко-

роткой дополнительной завесы (к основной глубокой стенке-

завесе) в сильно проницаемых основаниях глинистых ядер земля-

ных и каменно-земляных плотин с целью повышения фильтраци-

онной прочности контакта ядра с основанием (см. рис. 6.45).

6.9. Основные положения расчетов (фильтрации, фильтров и

дренажей и устойчивости откосов) грунтовых плотин

При проектировании грунтовых плотин I и II классов согласно

СНиП 2.06.85-84* [4] следует выполнять следующие расчеты:

260

а) фильтрационные;

б) фильтрационной прочности;

в) обратных фильтров, дренажей и переходных слоев;

г) устойчивости откосов, экрана и защитного слоя;

д) напряженно-деформированного состояния (НДС);

е) осадок тела плотины и основания;

ж) горизонтальных смещений;

з) креплений откосов на прочность от действия волн, льда и др.

Кроме того, дополнительно следует выполнять:

- для земляных насыпных и каменно-земляных плотин, у которых

тело, ядро, экран или основание сложены из глинистых грунтов,

расчеты порового давления при их консолидации и трещиностой-

кости (подробно эти расчеты даны в пособии [10]);

- для каменно-земляных плотин с ядром, кроме того, проверку

устойчивости на сдвиг низовой призмы плотины.

Для плотин III и IV классов и в курсовых и дипломных проектах

можно ограничиться расчетами, данными в подпунктах а - г, е, з.

Расчеты производят для всех основных поперечников плотины.

Расчеты плотин следует выполнять для основных и особых соче-

таний нагрузок в период эксплуатации плотины и для сочетаний

нагрузок в период ее возведения (строительный период).

Расчеты плотин, возводимых в сейсмических районах, следует вы-

полнять согласно требованиям СНиП II-7-81*.

Фильтрационные расчеты плотин и их оснований выполняют для:

а) определения фильтрационной прочности плотины и основания;

б) расчета устойчивости откосов плотины и берегов;

в) обоснования наиболее рациональных размеров и конструкций

плотины, ее противофильтрационных и дренажных устройств.

Фильтрационными расчетами и исследованиями определяют сле-

дующие параметры фильтрационного потока:

а) положение поверхности фильтрационного потока (депрессион-

ной поверхности) в теле плотины и берегах:

б) расход фильтрации воды через плотину, основание и берега;

в) напоры (градиенты напора) фильтрационного потока в плотине,

основании и местах выхода потока в дренаж, в НБ за подошвой

низового откоса, в местах контакта грунтов с различными характе-

ристиками и на границах водоупорных устройств (рис. 6.48).

261

Рис 6.48. Виды фильтрационных деформаций в земляных и камен-

но-земляных плотинах и их основаниях: а – земляная однородная плотина на слоистом основании; б – каменно-

земляная плотина на скальном основании; А,Б – сопряжение несвязного и

связного грунтов оснований; В – область местного выпора грунта в слу-

чае выхода потока на откос; Je,max – расчетный (максимальный) градиент

напора в зоне высачивания потока на УНБ; – угол наклона низового от-

коса ядра к горизонту; Jp, Jc, Ju, Ji, Jrun – градиенты напора соответственно

суффозии, контактного размыва, выпора, входа фильтрационного потока

в дренаж, пульсации в обратном фильтре от наката и спада волн

Фильтрационную прочность плотины и ее противофильтрацион-

ных устройств оценивают на основе ее расчетов и эксперимен-

тальных исследований грунтов при действующих в плотине гради-

ентах напора с учетом НДС плотины и ее основания, особенностей

конструкции, методов возведения и условий эксплуатации.

Расчеты фильтрационной прочности следует выполнять с учетом

наибольшего напора на плотину. При оценке фильтрационной

прочности следует выполнять условие (6.36), рекомендации разде-

лов 6.5 и 6.10.4 (см. ниже).

При проектировании обратных фильтров, дренажей и переход-

ных зон необходимо:

а) определить зерновой состав, плотность, пористость, коэффици-

ент фильтрации грунтов, защищаемых обратными фильтрами,

оценивать их суффозионную прочность и определять расчетные

размеры сводообразующих частиц и диаметр пор (da и da,max) за-

щищаемого грунта с учетом его состава и условий фильтрации;

б) выбирать карьерные грунты или дробленные (щебень и др.), ко-

торые можно использовать для устройства обратных фильтров;

в) подбирать зерновой состав первого слоя обратного фильтра и

262

последующих слоев (если это необходимо) из выбранных есте-

ственных карьерных или искусственных (дробленых) материалов;

г) проверять суффозионную прочность и устойчивость грунтов,

защищаемых обратным фильтром, и грунтов обратных фильтров;

д) устанавливать толщину и число слоев обратных фильтров.

Для обратных фильтров, дренажей и переходных зон допускаемый

коэффициент разнозернистости фильтровых материалов k60,10 дол-

жен удовлетворять условиям:

а) если защищаемый грунт несуффозионный сыпучий,

k60,10 = d60 /d10 (20 - 25),

где меньшее значение принимают для укатанных частиц песчаных

и гравийных грунтов, большее - для щебенистых грунтов фильтра;

б) если защищаемый грунт суффозионный сыпучий, k60,10 15;

в) если защищаемый грунт глинистый с числом пластичности Ip

0,07 (допускается при обосновании Ip 0,05), k60,10 50.

Формулу k60,10 50 следует принимать как для обратных фильтров

дренажей, так и для переходных слоев плотин.

При толщине переходного слоя плотин более 3 м величина k60,10

может быть принята более 50 (при обосновании);

г) для фильтров, устраиваемых из пористого бетона, k60,10 12;

д) для фильтров, выполняемых отсыпкой в воду, k60,10 10.

Для фильтров, выполняемых из материалов с k60,10 10, толщину

каждого слоя фильтра должна быть 5 ds,85, но не менее 0,2 м.

Для фильтров, выполняемых из материалов k60,10 > 10, толщину

слоев назначают по результатам опытных отсыпок с учетом сегре-

гации этих материалов при отсыпке и разравнивании их слоев.

Вместо грунтовых обратных фильтров допускается применять при

обосновании фильтры из пористого бетона и геотекстиля.

Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин всех классов

следует выполнять для круглоцилиндрических поверхностей сдви-

га (КЦПС). При наличии в основании или теле плотины ослаблен-

ных зон, прослоек грунта с более низкими прочностными свой-

ствами, оценке устойчивости экрана или защитного слоя следует

выполнять расчеты для произвольных поверхностей сдвига.

При расчетах следует использовать методы, удовлетворяющие

условиям равновесия призмы обрушения и ее элементов в пре-

дельном состоянии и учитывающие НДС плотины и ее основания.

263

Применительно к конкретным геологическим условиям и кон-

струкции плотины могут быть использованы при соответствую-

щем обосновании проверенные практикой упрощенные методы

расчета (см. ниже). При однородных характеристиках грунта и от-

сутствии фильтрационных сил можно использовать методы, пред-

полагающие монолитную призму обрушения. В тех же условиях

при плоской поверхности откоса и несвязном грунте можно оце-

нивать устойчивость малого объема грунта на его поверхности

сравнением коэффициента внутреннего трения материала с кру-

тизной откоса.

При расчетах устойчивости откосов грунтовых плотин всех клас-

сов, возводимых в северной климатической зоне, используя мето-

ды, удовлетворяющие условиям равновесия призмы обрушения в

предельном состоянии, следует учитывать как напряженное, так и

температурное состояние грунтов плотины и ее основания.

Устойчивость откоса плотины должна быть проверена по возмож-

ным поверхностям сдвига с нахождением наиболее опасной приз-

мы обрушения, характеризуемой минимальным отношением

обобщенных предельных реактивных сил сопротивления к актив-

ным сдвигающим силам.

Критерием устойчивости откосов плотины является соблюдение

(для наиболее опасной призмы обрушения) неравенства:

fc f

c

n g

F R( ) ,

1 (6.41)

где F - расчетное значение обобщенного силового воздействия, опреде-

ляемое с учетом коэффициента надежности по нагрузке f (в зависимости

от метода расчета устойчивости откосов F - равнодействующая активных

сил или моментов этих сил относительно оси поверхности сдвига);

R - расчетное значение обобщенной несущей способности системы «пло-

тины - основание», определяемое с учетом коэффициента безопасности

по грунту g, т.е. обобщенное расчетное значение сил предельного сопро-

тивления сдвигу по рассматриваемой поверхности;

f , n, fc - коэффициенты надежности по нагрузке, ответственности со-

оружения, сочетания нагрузок, определяемые по СНиП 33-01-2003 [1];

g - коэффициент надежности по грунту, определяемый по СНиП 2.06.05-

84* и СНиП2.02.02-85 ; c - коэффициент условий работы.

При поиске опасной поверхности сдвига может быть использована

264

зависимость для коэффициента устойчивости ks:

.c

fcn

sF

Rk

(6.42)

Полученные расчетом значения коэффициента устойчивости при

данном сочетании нагрузок не должны превышать величины

γnγfc/γc более чем на 10 %, если это не вызвано проектом плотины.

Числовые величины коэффициентов n , c, fc для гидросооруже-

ний даны в разделе 2.2.4, а для грунтовых плотин приведены ниже:

n – коэффициент надежности для грунтовой плотины, принимае-

мый в расчетах по предельным состояниям первой группы:

для класса плотин: I – 1,25; II – 1,20; III – 1,15; IV – 1,10;

γlc – коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый в расчетах по

первой группе предельных состояний:

– для основного сочетания нагрузок и воздействий в период нор-

мальной эксплуатации – 1,00;

– то же, для периода строительства и ремонта – 0,95;

для особого сочетания нагрузок и воздействий:

– при особой нагрузке, включая сейсмическую при проектном

землетрясении (ПЗ), годовой вероятностью 0,01 и менее – 0,95;

– при особой нагрузке, кроме сейсмической, годовой вероятно-

стью 0,001 и менее – 0,90;

– при сейсмической нагрузке уровня максимального расчетного

землетрясения (МРЗ) – 0,85;

c – коэффициент условий работы грунтовых плотин для их расче-

тов по первому предельному состоянию:

– упрощенные способы расчета (расчеты устойчивости грунтовых

откосов и склонов, осадок без учета НДС и др.) – 0,95;

– расчеты, удовлетворяющие условиям равновесия (НДС) – 1,0.

В расчетах устойчивости откосов грунтовых плотин необходимо

рассматривать следующие случаи.

Для низового откоса:

а) первый расчетный случай (основной): в ВБ – НПУ, в теле пло-

тины – установившаяся фильтрация; при наличии воды в НБ глу-

бину ее принимают максимальной при НПУ, но не более 0,2hi, где

hi – высота откоса;

б) второй расчетный случай (основной) при открытых водосбросах

(без затворов): УВБ и УНБ определяются максимальным расходом

265

при основном сочетании нагрузок и воздействий;

в) третий расчетный случай (особый): в ВБ – форсированный уро-

вень (ФПУ), в НБ глубина воды – максимальная при ФПУ.

Для верхового откоса:

а) первый расчетный случай (основной): максимальное возможное

снижение УВБ от НПУ или ФПУ до УМО при пропуске макси-

мального расхода, относимого к основным сочетаниям воздей-

ствий, с наибольшей возможной скоростью, при этом учитывают

фильтрационные силы неустановившейся фильтрации;

б) второй расчетный случай (строительного периода): УВБ на са-

мой низкой отметке, но не ниже 0,2hi, где hi – высота откоса; уро-

вень грунтовой воды в плотине принимают установившимся;

в) третий расчетный случай (особый): максимальное возможное

снижение УВБ от ФПУ с наибольшей возможной скоростью, с

учетом фильтрационных сил неустановившейся фильтрации. Примечания:

1. При расчете устойчивости откосов плотин в сейсмических районах

сейсмические воздействия следует учитывать по новому СНиП 33-03

«Гидротехнические сооружения в сейсмических районах» (2003 г.).

Устойчивость верхового откоса плотины при сейсмическом воздействии

следует проверять как для случая быстрого снижения УВБ от НПУ до

УМО, так и для случая длительного стояния НПУ.

2. Если консолидация связных грунтов плотины и ее основания не завер-

шается к моменту окончания строительства, в расчетах устойчивости от-

косов следует учитывать поровое давление как для строительного, так и

эксплуатационного случая.

3. Для плотин с грунтовым экраном следует рассчитывать устойчивость

экрана на откосе плотины и устойчивость крепления на экране. Для

участков поверхности сдвига на контакте экрана и плотины или крепле-

ния экрана прочностные характеристики принимают для грунта экрана.

При расчете устойчивости откосов плотин прочностные характе-

ристики грунтов тела плотин III и IV классов следует принимать

постоянными, а плотин I и II классов – переменными в зависимо-

сти от НДС грунта в зоне прохождения поверхности сдвига.

НДС плотины из грунтовых материалов и ее основания следует

учитывать в расчетах устойчивости ее откосов, фильтрационной

прочности на контакте водоупорных элементов с основанием, про-

верки трещиностойкости этих элементов, прочности негрунтовых

водоупорных устройств, анализа поведения плотины при проведе-

266

нии натурных исследований и для подбора материалов плотины.

В расчетах НДС плотин I и II классов следует применять нелиней-

ные модели, учитывающие пластические деформации грунта в

предельном состоянии, при условии определения параметров де-

формирования испытанием образцов грунта в одометрах и стаби-

лометрах. При этом размеры образцов должны отвечать зерновому

составу грунта плотины и основания. В расчетах необходимо учи-

тывать поэтапность возведения плотины, скорость заполнения ВБ.

Для плотин III и IV классов допускается производить расчеты по

модели линейно-деформированного тела.

Расчет осадок плотины и ее основания следует производить для

определения требуемого строительного подъема плотины и для

уточнения объема работ по строительству плотины.

Расчет осадок плотины следует производить в характерном ее по-

перечном сечении по ряду вертикалей, проходящих в элементах

плотины из различных материалов (ядре, экране, призме и т.д.).

При расчете осадок основания и тела плотины следует соблюдать

рекомендации СНиП 2.02.02-85 [5] и пособия [10].

Для плотин I и II класса расчет осадок и их изменения во времени

следует производить на основании результатов эксперименталь-

ных исследований сжимаемости грунтов с учетом их НДС. Поро-

вое давление, ползучесть грунта, его просадочность и набухание

при повышении влажности в период эксплуатации необходимо

учитывать в зависимости от их наличия.

Для плотин III и IV классов допускается производить расчет оса-

док по приближенным зависимостям с использованием значений

модулей деформаций по СНиП 2.02.02-85 [5].

Горизонтальные смещения плотин при наполнении ВБ определя-

ют по расчету НДС с учетом повышения сжимаемости грунтов

верховой призмы при их водонасыщении.

Для плотин II - IV классов допускается оценивать горизонтальные

смещения на основе аналогов плотин, построенных в подобных

условиях и такой же конструкции. Для предварительных оценок

горизонтальных смещений гребня плотины следует принимать их

равными осадке гребня после наполнения ВБ.

В плотинах с негрунтовыми экранами и диафрагмами следует рас-

считывать продольные и поперечные смещения экранов и диа-

фрагм. НДС диафрагмы (экрана) следует рассчитывать с учетом

267

трения грунта по поверхности диафрагмы (экрана), схем опирания

устройства на основание и разрезки деформационными швами.

Плиты крепления откосов плотин следует проверять на прочность

от воздействия давления волн и льда по СНиП 2.06.04-82 [2].

Трещиностойкость глинистых элементов земляных плотин и ка-

менно-земляных плотин следует определять путем расчета их НДС

[10]. При этом следует учитывать поровое давление, а для плотин I

и II классов - изменение сжимаемости и ползучести в соответствии

со свойствами грунтов тела плотины и ее основания.

6.9.1. Условия необходимости расчета порового давления воды

в глинистых элементах грунтовых плотин и основания

Поровое давление воды следует учитывать в расчетах осадок осно-

вания и плотины из глинистых грунтов и расчетах ее устойчиво-

сти, когда максимальное значение коэффициента порового давле-

ния ru,max к концу строительства, равное отношению максимально-

го порового давления u к максимальному вертикальному напряже-

нию , больше нормативной величины коэффициента run = 0,1.

Величину ru,max следует определять по формуле:

ru,max = ruc ruo , (6.43)

где ruc - коэффициент порового давления, определяемый по схеме закры-

той системы (без учета оттока воды из грунта) в конце строительства; ruo

- коэффициент порового давления, определяемый по схеме открытой си-

стемы (с учетом оттока воды из грунта) после наполнения ВБ.

Величину ruc находят по графикам рис. 6.49 в зависимости от вер-

тикального нормального напряжения , равного давлению выше-

лежащего грунта на горизонтальную площадку, и параметра П.

Параметр П определяют по графикам рис. 6.51 для начального

значения степени влажности грунта Sr,in и отношения amax /ein, где

ein - начальный коэффициент пористости; аmax - максимальный ко-

эффициент уплотнения из компрессионных испытаний. Параметр

П можно также определять по формуле: П = amax /ein[1 - 0,78 Sr,in].

Величину ruo определяют по графику рис. 6.50 в зависимости от

коэффициента степени консолидации cvo, равного c

c t

dv

o v

,min

2 ,

где cv,min - наименьшее значение коэффициента консолидации; t - время

роста нагрузки до наибольшего значения max (рис. 6.52, а, б); d = h

(рис. 6.52, a); d=h/2 (рис. 6.52, б); t - время возведения плотины (рис. 6.52,

268

в, г); d = hm1 (рис. 6.52, в); d = bum/2 (рис. 6.52, г).

Рис. 6.49. Hомограмма для определения коэффициента

порового давления ruc к концу строительства плотины

Рис. 6.50. График зависимости коэффициента порового давления

ruo от cvo к концу строительства плотины

269

Рис. 6.51. Номограмма для определения параметра П

Рис. 6.52. Различные случаи определения коэффициента

порового давления ruo: а - слой на водоупоре; б - слой на дренаже; в - однородная плотина; г -

ядро каменно-земляной плотины; 1 - нагрузка; 2 - основание; 3 - дренаж;

4 - ядро; 5 - водоупор

В случае, когда ruc>run,следует определить ruo, затем ru,max=rucruo.

270

Величину cv,min следует определять с помощью трехосных опытов.

В случае неоднородного грунта следует принимать для расчета ха-

рактеристики грунта с наибольшими величинами Sr,in и а.

Подробно расчеты порового давления воды в глинистых элемен-

тах грунтовых плотин и оснований изложены в пособии [10].

6.9.2. Основные положения расчета устойчивости откосов

В расчетах устойчивости откосов грунтовых плотин следует ис-

пользовать как традиционные (упрощенные) методы расчетов,

удовлетворяющие условию равновесия призмы обрушения в пре-

дельном состоянии, так и современные численные методы расче-

тов (метод конечных элементов или МКЭ), использующие нели-

нейные упругопластические модели грунтов и учитывающие НДС

плотины и ее основания, постепенность строительства плотины и

наполнения ВБ и другие факторы, рассмотренные в пособии [5].

Наиболее известными и проверенными мировой практикой упро-

щенными методами расчетов устойчивости откосов грунтовых

плотин являются методы Терцаги и Бишопа. Основные допуще-

ния этих методов: предельное состояние грунта возникает одно-

временно во всех точках круглоцилиндрической поверхности

скольжения, и вертикальные нормальные напряжения на этой по-

верхности принимаются равными весу вышележащего грунта, что

не соответствует реальному НДС этих плотин. При обосновании

применения этих методов устойчивость откосов рассматривалась

как частная задача теории оползневого процесса, оценивалась точ-

ность расчета, учитывались особенности выполнения расчетов в

автоматическом режиме и др.

В этих методах каждое грунтовое сооружение рассчитывается по

круглоцилиндрическим поверхностях скольжения (КЦПС) с поис-

ком наиболее опасной поверхности скольжения. В случае если в

теле или основании сооружения имеются ослабленные зоны или

прослойки, то должен быть также выполнен расчет по методу ло-

маных поверхностей скольжения (ЛПС), причем потенциальная

поверхность скольжения считается заданной - она проходит по

слоям грунта с пониженными параметрами сопротивления сдвигу.

Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин по методам Тер-

цаги (в интерпретации ВНИИГ) и Бишопа рекомендуется прово-

дить с использованием программы UST (НИИЭС-Гидропроект) с

помощью ЭВМ, так как в этом случае можно правильно опреде-

271

лить положение наиболее опасной поверхности скольжения. Осо-

бенно учитывая, что в 1-5 расчетных поперечных сечениях боль-

шинства грунтовых плотин выделяются 5-7, а иногда 10-25 зон с

разными показателями сопротивления сдвигу и плотности грунта.

6.9.3. Основные характеристики программы UST

Программа UST предназначена для нахождения на ЭВМ коэффи-

циента запаса откосов при круглоцилиндрических поверхностях

скольжения (КЦПС). Большим преимуществом UST по сравнению

с другими сопоставимыми программами является то, что она тре-

бует весьма небольшого времени машинного счета. Это обеспечи-

вает возможность эффективно увеличить количество граничных

линий для различных грунтов и вариантов кругов скольжения. Эта

программа, в частности, полезна для тех, кто имеет весьма малый

опыт в части анализа устойчивости. С ее помощью может быть ис-

следована большая зона и получен минимальный коэффициент за-

паса. Основные особенности этой программы кратко формулиру-

ются следующим образом:

1. Могут рассматриваться откосы любой конфигурации при нали-

чии большого числа различных слоев грунта.

2. Фильтрация может быть учтена как введением пьезометриче-

ской поверхности, так и коэффициентом порового давления. При

необходимости экономии времени счета можно одновременно рас-

сматривать несколько различных случаев фильтрации.

3. Могут быть вычислены коэффициенты запаса как статической,

так и сейсмической устойчивости.

4. Число точек, описывающих геометрию области, - до 125.

5. Число отсеков обрушения шириной «b» - до 200.

6. Максимальное число центров вращения - до 400.

7. Для определения коэффициента запаса могут быть использова-

ны как упрощенный метод Бишопа, так и обычный метод Терцаги.

При выборе нормального метода и нахождении наиболее опасного

круга для него также выводится на печать коэффициент запаса по

упрощенному методу Бишопа.

8. Допускается большая гибкость при назначении радиусов. Для

проверяемых зон можно устанавливать один или большее число

радиусов и указывать количество кругов для каждой зоны.

9. Могут быть вычислены коэффициенты запаса для ряда отдель-

ных центров или их групп, которые образуют сетку. Путем выбора

272

одного или большего числа вероятных центров может быть задей-

ствована процедура поиска для локализации минимального коэф-

фициента запаса. Чтобы получить минимальный коэффициент за-

паса при одном счете, автоматический поиск можно выполнять

вне сетки, используя наиболее опасный центр, обнаруженный в ее

пределах, в качестве начального при последующем поиске.

10. Чтобы исключить рассмотрение кругов малого заглубления,

может быть указана минимальная глубина. Любой круг, который

приводит к образованию всех отсеков с высотой, не прерывающей

минимальное заглубление, исключается.

11. Поперечное сечение откоса, включая все слои грунта, пьезо-

метрическую поверхность и наиболее опасный круг, строятся в

программе с помощью графической оболочки BORLANC.

6.9.4. Расчет по методу Терцаги–ВНИИГ в программе UST

Этот метод применяется для расчета устойчивости откосов всех

грунтовых сооружений. При этом расчетная область делится на

элементарные отсеки шириной «b» (рис. 6.53).

Намечаются, согласно приведенным ниже указаниям, центры

окружностей скольжения, и из каждого центра проводится серия

возможных окружностей скольжения. Для каждой окружности

скольжения определяется коэффициент устойчивости по формуле

Терцаги – ВНИИГ:

,sin)(

]cos

1coscos)[(

sin

]cos

cos)[

Bh

CtgPtgh

G

CtgPG

К

ii

wii

w

(6.44)

где G - масса грунта в отдельном отсеке с учетом водонасыщения;

0iww hP - величина полного давления поровой воды, 0,01 МПа, пьезо-

метрический напор, умноженный на плотность водыw , т/м³;

B - ширина элементарного отсека, м;

tg - коэффициент трения; C - расчетное сцепление грунта;

- угол (градусы) между вертикалью и радиусом, проведенным из цен-

тра вращения в точку пересечения оси отсека с окружностью скольже-

ния; i - плотность водонасыщенного грунта (ниже уровня воды),

или грунта природной влажности (выше уровня воды,) т/м³;

273

ih - высота отсека, занятая грунтом или водой.

Рис.6.53. Cхема к определению коэффициента запаса устойчиво-

сти откоса по круглоцилиндрической поверхности скольжения: 1 - поле центров кругов скольжения; 2 - круги, проведенные с шагом ∆R;

3 - круги, касательные к слоям; 4 - ось элементарных отсеков (столби-

ков); 5 - нижняя граница расчетной области (поверхность грунта)

В расчете суммирование производится по всей длине кривой

скольжения до пересечения ее с поверхностью грунта в правой и

левой частях грунтовой плотины.

Расчет можно выполнить при двух вариантах определения давле-

ния в поровой воде wP . В первом основном случае величину

www hP определяют как вертикальное расстояние от любой точ-

ки поверхности скольжения до депрессионной кривой (рис. 6.54).

Рис. 6.54. Схема учета порового давления воды в основании и теле

плотины и давления воды ВБ и НБ в расчете устойчивости откосов

Во втором случае величину wP задают в узлах прямоугольной сет-

ки, что позволяет учитывать влияние на устойчивость откоса цело-

274

го ряда факторов, изменяющих картину распределения пьезомет-

рических напоров в теле и основании плотины. Варьируя величи-

ной полного давления воды wP , значениями сопротивления сдвигу

определяют величину ik для всех расчетных случаев.

Перед расчетом должна быть выполнена схема расчетной области

в прямоугольных координатах. Начало координатных осей в пер-

вом приближении можно определить следующим образом. За ну-

левую отметку (ось абсцисс) принимается самая нижняя точка по-

верхности значительно более прочного грунта. Если такой поверх-

ности нет, то нулевая отметка выбирается на глубине 1-2 высот

плотины от поверхности основания.

Центры кривых скольжения располагаются в пределах поля цен-

тров окружностей скольжения.

Далее следует откорректировать границы поля центов окружно-

стей скольжения так, чтобы рассматриваемые ЭВМ поверхности

скольжения покрывали все участки данного откоса (см. рис. 6.53).

Для смещения или увеличения поля центров окружностей сколь-

жения достаточно изменить координаты поля центров вращения.

Поле центров окружностей скольжения разбивается сеткой с ша-

гом nz и ny . Опыт показал, что величины nz и ny можно

юыло принять равными грz1,0 , где

грz - абсцисса точки на поверх-

ности сооружения. Из каждой точки сетки проводится серия

окружностей скольжения разного радиуса. Одни из них являются

касательными (см. рис. 6.53) к границам слоев основания, что дает

возможность учесть влияние слабого слоя на устойчивость, радиу-

сы других окружностей меняются от максимального до минималь-

ного с шагом R , который может быть произвольным. При этом

максR для каждой точки сетки – это радиус окружности касательной

к нижней границе расчетной области, минR для каждой точки сетки

– это радиус окружности, примерно равный длине перпендикуляра

из рассматриваемого центра на грань откоса плюс R ; не рас-

сматриваются поверхности, содержащие 4 и менее отсеков, а так-

же поверхности, в которых максимальное заглубление менее 1,6 м.

6.9.5. Расчет по методу Бишопа в программе UST

Как уже отмечалось, для расчета коэффициента запаса можно ис-

пользовать метод Терцаги или упрощенный метод Бишопа. Если

275

задана поверхность депрессии и нет влияния ВБ и НБ, то уравне-

ние Терцаги может быть представлено в виде:

. где

sin

]cos)(sec[

1

1

__

iii

n

i

ii

n

i

iiwwiii

bhW

W

tghhbc

F

, (6.45)

Метод, основанный на использовании уравнений (6.44 и 6.45),

называется нормальным или методом Терцаги.

В упрощенном методе Бишопа принимается горизонтальное

направление сил, приложенных к боковым граням отсека, что

означает отсутствует трения между отсеками. Силы, действующие

на элементарный отсек, показаны на рис. 6.55.

Рис. 6.55. Расчетная схема к упрощенному методу Бишопа

Касательные напряжения по поверхности скольжения определяют

делением сдвиговой прочности на коэффициент запаса. Приравни-

вая нулю сумму сил в вертикальном направлении, получим

.

sincos

)(

_

_

F

tg

F

tgbchhb

N

ii

iiwwii

i

(6.46)

Рассматривая совместно уравнения (6.45) и (6.46) выразим:

276

n

i

ii

n

ii

i

iwwiii

W

F

tg

tghhbbc

F

1

1_

__

sin

sincos

])([

. (6.47)

Метод, в котором используется уравнение (6.47), является упро-

щенным методом Бишопа. Отметим, что F присутствует в обеих

частях равенства и поэтому для решения уравнения (6.47) исполь-

зуют метод последовательных приближений.

Используя в качестве первого приближения величину коэффици-

ента запаса, полученную по уравнению (6.45), уравнение (6.47)

будет иметь быструю сходимость, обычно после 2-3 итераций.

6.9.6. Дополнительные рекомендации к расчету устойчивости

откосов каменно-земляных плотин с глинистыми ядрами

Каменно-земляные плотины (КЗП) с глинистыми ядрами нашли

широкое применение в гидротехническом строительстве в мире.

Самые высокие из построенных в мире плотин (Нурекская высо-

той 300 м в Таджикистане, Чиокасен (261 м) в Мексике, Тери (260

м) в Индии, Гуавио (245 м) в Колумбии) являются плотинами это-

го типа. Профиль КЗП назначают из расчетов устойчивости отко-

сов с учетом свойств грунтов основания и тела плотины, порового

давления в ядре плотины, сейсмических и других воздействий.

А. Каменно-земляные плотины на прочном основании

Если КЗП расположена на скальном основании, прочность на

сдвиг которого обычно выше прочности грунта (камня или галеч-

ника) боковых призм, то основание не влияет на устойчивость от-

косов. Не влияет на устойчивость и узкое ядро, если его ширина по

основанию L≤ h/2 (h - высота плотины), т. е. при среднем гра-

диенте напора в ядре Jest,m >2,0 (рис. 6.56, а).

При отсутствии воды в НБ низовой откос назначают из условия:

kу = tgφпр /tgθ , (6.48)

где kу - коэффициент устойчивости откоса; tgφпр - угол внутреннего тре-

ния грунта призмы; tgθ - угол наклона низового откоса к горизонту.

При наличии воды в ВБ и НБ откосы КЗП рассчитывают по методу

Терцаги-ВНИИГ по круглоцилиндрическим поверхностям сколь-

жения (программа UST). При этом глубину воды в НБ принимают

277

максимально возможной, но не более 0,2h. Коэффициент устойчи-

вости определяют по формуле (6.44) или зависимости:

kу = ∑(εH1y) tgφдос

/ ∑(H1x), (6.49)

где ε=tgφд/tgφдос

; φд - действительный угол внутреннего трения грунта;

φдос

- основное значение угла внутреннего трения, выбранное из имею-

щихся величин; х - абсцисса, измеряемая от вертикальной оси 0y до вер-

тикальной оси данного столбика; у - вертикальное расстояние от оси до

центра подошвы данного столбика; H1=∆сух z1 +∆взв z2; ∆сух - относитель-

ная плотность сухого грунта: ∆сух=γсух /γв; ∆взв - относительная плотность

взвешенного грунта: ∆взв= ∆взв/γв; γв - плотность воды; z1 - средняя высота

сухой части данного столбика выше поверхности грунтовых вод; z2 -

средняя высота насыщенной части столбика ниже этой поверхности.

Рис. 6.56. Каменно-земляная плотина на скальном основании: а - с узким глинистым ядром; б - с широким глинистым ядром

Дополнительно проверяют устойчивость верхового откоса при

сработке ВБ от НПУ до ГМО с наибольшей возможной скоростью.

В случае, если, например, по экономическим причинам в плотине

принято широкое ядpо (L>h/2), то профиль плотины назначают из

расчетов устойчивости откосов, выполненных методом круглоци-

линдрических поверхностей скольжения (рис. 6.56, 6). При этом

рассматривают поверхности, проходящие через ядро, и учитывают

278

избыточное поровое давление воды uизб вследствие консолидации

грунта ядра к концу строительства и началу наполнения ВБ, опре-

деляемой по отдельному расчету (см. раздел 6.91 и пособие [10]).

Величина избыточного порового давления uизб может быть выра-

жена в виде избыточного напора: hу = uизб/γв в разных точках по-

верхности скольжения в ядре (на пересечениях поверхности с гра-

нями ядра uизб=0).

В расчет устойчивости откосов плотины вводят наибольшие зна-

чения из hу=uизб/γв и фильтрационного напора hф, определяемого

по кривой депрессии в ядре с учетом высоты ее снижения на низо-

вой грани ядра (h0 ≈ bмин/[1 – tg(90 – α)], где bмин – ширина ядра по

верху; α – угол наклона низовой грани ядра к горизонту.

Основные формулы для расчета коэффициента устойчивости:

kу = tgφдос

[∑(εH1 y)/ ∑(H2 x)] + cдос

[r∑(μ δs)/bγв∑(H2 x)] (6.50)

kу = tgφдос

{∑[(H1 - hу)ε y]/ ∑(H2 x)} + [r∑(μ δs)/bγв∑(H2 x)] (6.51)

где ε, H1, y, x даны в формуле (6.49); величина H2 =H1+ z3 ; z3 - средняя

высота части столбика, лежащей между поверхностью грунтовых вод и

горизонтальной линией W–W (продолжение уровня ВБ); r - радиус дуги

скольжения: μ=cд/cдос

; cд - действительное сцепление; cдос

- основное

значение сцепления, выбранное из имеющихся величин; δs - длина эле-

мента дуги в подошве данного столбика; ∑- знак суммы указывает на

суммирование разных величин, подсчитанных для всех столбиков, со-

ставляющих отсек обрушения; b - ширина столбиков.

В расчетах устойчивости откосов КЗП следует учитывать, что са-

мым опасным случаем для устойчивости является случай наполне-

ния ВБ при незаконченной консолидация ядра. На устойчивость

откосов в это время оказывает влияние не только давление ВБ, но

и избыточное поровое давление воды, обусловленное незавер-

шившейся консолидацией ядра. Поэтому, кроме перечисленных в

п. 6.9 СНиП 2.06.85-84 [4] расчетных случаев, следует рассмотреть

следующие расчетные случаи для КЗП с широким глинистым яд-

ром (см. рис. 6.56, б) и земляных плотин из глинистых грунтов:

а) для низового откоса:

– строительный случай - воды в ВБ нет или есть УВБ при 1 очере-

ди строительства, плотина возведена на всю высоту и в ядре воз-

никло максимальное поровое давление воды;

– эксплуатационный случай – первое наполнение ВБ до НПУ, глу-

279

бина в НБ принимается максимальной, но не более 0,2 h , где h -

превышение гребня плотины над дном НБ, консолидация ядра не

завершилась и в нем сохраняется высокое поровое давление воды;

б) для верхового откоса:

– строительный случай – воды в ВБ нет или есть УВБ при 1 оче-

реди строительства, плотина возведена на всю высоту и в ядре

возникло максимальное поровое давление воды;

– эксплуатационный случай – рассматривается максимально быст-

рая сработка уровня ВБ от НПУ до ГМО, консолидация ядра не за-

вершилась и в нем сохраняется высокое поровое давление воды.

Б. Каменно-земляные плотины на слабом грунтовом основании

Наличие в основании КЗП грунтов с низкой прочностью на сдвиг

(ниже, чем грунтов боковых призм) требует особенно тщательного

выполнения расчетов устойчивости. Существенно влияет на

устойчивость плотины наличие слабого прослойка (даже неболь-

шой мощности), если он залегает на глубине, меньшей половины

высоты плотины. Устойчивость откосов в этом случае должна

быть проверена по методу плоских поверхностей сдвига.

Для расчета коэффициента ky устойчивости массива обрушения,

ограниченного снизу плоской поверхностью сдвига по контакту

слабого грунта с подошвой призмы, можно использовать и способ

наклонных сил взаимодействия, данный в приложении 5 СНиП [4].

Избыточное поровое давление воды в глинистом ядре или основа-

нии КЗП также учитывается при подсчете горизонтальной и вер-

тикальной составляющих суммарной фильтрационной силы. Рас-

четы выполняются для тех же расчетных случаев, что и для КЗП

на скальном основании, рассмотренных выше.

Устойчивость верхового откоса при быстрой сработке уровня ВБ

проверяется по методу круглоцилиндрических поверхностей для

верхней части КЗП на высоту (1,2-1,3)∆h, где ∆h - расстояние от

гребня плотины до ГМО.

Проведенные исследования показали, что снижение угла внутрен-

него трения грунта основания на 10-12% по сравнению с углом

внутреннего трения боковых призм мало влияет на крутизну отко-

сов КЗП, большее же различие в прочностных параметрах призм и

основания потребуeт значительного уполаживания откоса. При

этом наиболее опасные поверхности скольжения проходят обычно

через глинистое ядро и слабое грунтовое основание.

280

Наиболее экономичный профиль КЗП в этом случае можно по-

лучить, уположив нижнюю часть откосов плотины или выполнив в

нижней части откосов пригрузку из грунтов полезных выемок.

Для всех грунтовых плотин 1 и 2 классов, особенно на слабом

грунтовом основании, при обосновании их профилей следует вы-

полнять расчеты устойчивости плотин с учетом ее НДС.

6.10. Фильтрационные расчеты грунтовых плотин

6.10.1. Основные положения фильтрационных расчетов

Под действием напора H, создаваемого плотиной, фильтрация во-

ды из ВБ в НБ происходит как через плотину, так и через основа-

ние, если оно проницаемо. В результате этого часть тела плотины

насыщается фильтрующейся водой, верхнюю свободную поверх-

ность которой называют депрессионной поверхностью. Линию пе-

ресечения этой поверхности с вертикальной плоскостью называют

депрессионной кривой, или кривой депрессии (рис. 6.57). Ниже

кривой депрессии фильтрационный поток движется в порах грунта

с некоторой скоростью, а грунт, насыщенный водой, находится во

взвешенном состоянии, что снижает устойчивость откосов плоти-

ны. Выше депрессионной поверхности находится зона капилляр-

ного подъема воды, высота которой hk равна 0,1-0,4 м для песков и

0,5-3,0 м и более для глинистых грунтов. Выше капиллярной зоны

грунт обладает естественной влажностью.

Рис. 6.57. Схема фильтрации воды через плотину на водонепрони-

цаемом основании: 1 - кривая депрессии; 2 - зона полного насыщения грунта водой; 3 - зона

частичного насыщения грунта водой (капиллярный подъем); 4 - сухой

грунт; 5 - линии токов; 6 - водоупор; hk - высота капиллярного подъема

Если высота капиллярного подъема большая, то кривую депрессии

следует понизить, чтобы не допустить переувлажнения грунтов в

281

зоне промерзания на низовом откосе плотины и повысить его

устойчивость. Понизить кривую депрессии можно с помощью

дренажных и противофильтрационных устройств.

В плотинах, возводимых в широких створах (на равнинных участ-

ках рек) и имеющих относительно малую высоту и большую дли-

ну, фильтрационный поток на русловом и пойменном участках

(рис. 6.58, а) будет плоским, т.е. движущимся нормально к створу

плотины. Решение задач плоской фильтрации обычно выполняют

аналитическими методами, рассматривая 1 м плотины по ее длине.

Рис. 6.58. Характерные участки грунтовой плотины по ее длине:

а - в створе равнинной реки с поймами; б - в створе горной реки; 1 - рус-

ловой участок; 2, 3 - пойменные, береговые участки; 4- гребень плотины

В высоких плотинах, строящихся на предгорных и горных участ-

ках рек, обычно в узких створах (рис. 6.58, б), фильтрационный

поток близок к плоскому только в русловой части плотины, а на

береговых ее участках имеет пространственный характер.

В результате фильтрационных расчетов определяют:

• положение депрессионной кривой в теле плотины и при не-

обходимости в береговых примыканиях;

• градиенты фильтрационного потока в теле и основании пло-

тины и в других наиболее опасных местах;

• фильтрационный расход через тело плотины, основание (ес-

ли оно проницаемо) и при необходимости в обход через берега.

Параметры кривой депрессии в плотине и береговых примыканиях

используют в расчетах устойчивости откосов и берегов: градиенты

- для оценки фильтрационной прочности грунтов, расходы - для

определения фильтрационных потерь воды из водохранилища при

водохозяйственных расчетах.

282

Параметры фильтрационного потока позволяют установить раци-

ональные формы и размеры поперечного профиля плотины и ее

противофильтрационных и дренажных устройств, а также уточ-

нить общую схему дренирования тела и основания плотины.

Допущения при расчетах и расчетные схемы фильтрации

При фильтрационных расчетах грунтовых плотин ввиду слож-

ности учета всех факторов, влияющих на фильтрацию, принимает-

ся упрощенная модель, в которой приняты следующие допущения:

1) фильтрацию рассматривают в одной плоскости, составляю-

щие скорости, перпендикулярные этой плоскости, равны нулю;

2) грунт плотины считают однородно-изотропным, т.е. значе-

ние коэффициента фильтрации во всех направлениях и в любых

точках области фильтрации принимают постоянным;

3) при наличии водоупора последний считают непроницаемым;

4) положение кривой депрессии в однородных плотинах не за-

висит от свойств грунта, а зависит только от размеров плотины.

Проектный профиль плотины приводят к расчетной схеме, исклю-

чая отдельные детали. Для плотин с грунтовым экраном или пону-

ром не учитывают потери напора в их песчаной пригрузке, и экра-

нирующими свойствами крепления откоса пренебрегают.

При составлении расчетной схемы фильтрации учитывают свой-

ства грунтов основания. В зависимости от их водопроницаемости

принимают 2 основные схемы: плотины на водопроницаемом или

непроницаемом основании (водоупоре). Водоупором считают грун-

ты основания, коэффициент фильтрации которых меньше коэффи-

циента фильтрации грунта плотины в 50 раз и более.

Основные расчеты фильтрации плотин выполняют при макси-

мальном расчетном напоре: при НПУ в ВБ и минимальном УНБ.

В расчете общего расхода фильтрации через плотину ее разбивают

по длине на ряд характерных участков l1,l2,,l3,…(рис. 6.59).

Это вызвано тем, что по длине плотины напор изменяется, и на

одних участках плотина может быть расположена на водоупоре, а

на других - на проницаемом основании, на одних участках в НБ

есть вода, а на других ее нет. Затем для каждого участка в зависи-

мости от расчетной схемы вычисляют удельные расходы q1,

q2,,q3,...,qn , принимая напор средним по участку. Общий фильтра-

ционный расход через плотину определяют как:

Q = q1l1 + q2l2 + q3ls +...+ qJn . (6.52)

283

Рис. 6.59. Расчетная схема для определения суммарного фильтра-

ционного расхода: 1 - гребень плотины; 2 - расчетный уровень ВБ

6.10.2. Методы фильтрационных расчетов грунтовых плотин

В современной практике проектирования грунтовых плотин 1 и 2

классов наибольшее применение получили численные методы (с

помощью метода конечных элементов или МКЭ) фильтрационных

расчетов, используемые в современных компьютерных програм-

мах (ModFlow, Plaxis, FlowVision и др.) и позволяющие путем чис-

ленного решения уравнений Лапласа для заданных граничных

условий решать сложные пространственные задачи фильтрации.

Кроме численных методов в практике проектирования грунтовых

плотин 3 и 4 классов и на предварительных стадиях проектирова-

ния плотин 1 и 2 классов продолжают применяться и традицион-

ные экспериментальные и аналитические (гидромеханические и

гидравлические) методы расчетов фильтрации в этих плотинах.

Из экспериментальных обычно используют метод электро-

гидродинамических аналогий (ЭГДА) для решения задач простран-

ственной фильтрации в зоне береговых примыканий плотины и

для решения задач плоской фильтрации в плотинах 3 и 4 классов.

Гидромеханические методы, основанные на решении уравнений

Лапласа, позволяют определить параметры потока фильтрации в

любой точке области фильтрации, но они имеют ограниченное

применение на практике. Наибольший вклад в развитие этих мето-

дов внесла советский академик П.Я. Полубаринова-Кочина.

Фильтрация в грунтовых плотинах в большинстве случаев являет-

ся плавно изменяющейся, что позволяет использовать в фильтра-

ционных расчетах гидравлический метод, основанный на законе

284

Дарси и формулах Дюпюи. Основоположником гидравлических

методов является Н.Н. Павловский. Е.А. Замарин углубил учение

Павловского и предложил упрощенный способ расчета фильтра-

ции неоднородных земляных плотин. Во многих случаях можно

использовать решения плоских задач фильтрации, предложенные

В.П. Недригой, А. Казагранде, Х. Седергреном и др.

Согласно общим положениям метода фильтрационный поток в

профиле однородной плотины на водонепроницаемом основании

разбивают на три характерных участка: верховой клин I, средний

участок II и низовой клин III (рис. 6.60) и для каждого участка со-

ставляют уравнения фильтрационного расхода.

Рис. 6.60. Общая схема к гидравлическому методу расчета филь-

трации в однородной плотине на непроницаемом основании

Уравнения расхода в верховом и низовом клинах получают из за-

кона Дарси и различных упрощений движения потока на этих

участках (например, траектории движения струек потока условно

принимают прямолинейными горизонтальными или радиальны-

ми), а для среднего участка используют формулу Дюпюи, описы-

вающую плоский, плавно изменяющийся фильтрационный поток:

q = k (d2y1 – d

2y2 )/2l , (6.53)

где q - удельный расход м3/(с-м); dy1 и dy2 - глубина потока в начале и в

конце рассматриваемого участка длиной l, м.

Далее решают полученную для трех участков систему уравнений с

несколькими неизвестными, определяя параметры фильтрацион-

ного потока (расход q, ординаты кривой депрессии dy и высоту вы-

сачивания потока на низовой откос hv).

На основе этой схемы были разработаны способы расчета, позво-

ляющие достаточно точно решать ряд практических задач.

285

На практике часто используют предложенный Е. А. Замариным

способ эквивалентного профиля, сильно упрощающий расчетные

формулы. В этом способе фактический контур верхового откоса

плотины заменяют условной вертикальной гранью, называемой

раздельной плоскостью. Раздельную плоскость 1-1 располагают на

расстоянии ltop от точки пересечения уровня воды с откосом (рис.

6.61). Величину ltop вычисляют по зависимости:

ltop = β d1 , (6.54) где β= mh /(2mh + l); d1 - глубина ВБ.

Рис. 6.61. Расчетные схемы фильтрации однородных земляных

плотин на водоупоре: а - плотина без дренажа или с наслонным дренажем; б - с плоским

наклонным внутренним дренажем; в, г, д - соответственно с трубчатым,

ленточным и горизонтальным плоским дренажами; 1 - кривая депрессии;

2 - песчаная плотина; 3 - наслонный дренаж; 4 - водоупор; 5 и 6 - поло-

жение теоретической кривой депрессии в расчетном профиле и фактиче-

ский ее участок, вычерчиваемый визуально; 7 - раздельная плоскость; 8 -

плоский внутренний наклонный дренаж; 9 - откос из связного грунта; 10,

11, 12- соответственно трубчатый, ленточный и горизонтальный дренажи

Теоретическую кривую депрессии строят от точки А раздельной

плоскости. Фактическая кривая депрессии начинается на поверх-

ности верхового откоса (в точке В); на участке ВС ее вычерчивают

визуально (рис. 6.61, а).

В приложении 2 приведена сводная таблица 18 схем гидравличе-

ских расчетов фильтрации в теле и проницаемом основании зем-

ляных и каменно-земляных плотин.

286

6.10.3. Фильтрация в берегах в обход плотины После наполнения водохранилища в берегах возникает прост-

ранственный фильтрационный поток в обход плотины. Задачи об-

ходной фильтрации решают численным методом (МКЭ) с приме-

нением пакетов программ Plaxis, ModFlow и др. и в ряде случаев

методом ЭГДА на пространственных или плановых моделях.

Приближенный расчет фильтрации в обход плотины при однород-

ном грунтовом основании можно выполнить по гидродинамиче-

ской сетке (рис. 6.62, в), построенной методом ЭГДА или графиче-

ским способом («вручную»). По сетке можно определить удель-

ный расход фильтрации и положение кривой депрессии в любом

сечении зоны обходной фильтрации. Для этого находят отметки

гидроизогипс, например, 2=HБ + Hd/n; 3= 2 + Hd/n и т. д., где Hd – напор; п - число поясов гидродинамической сетки (п=8).

Рис. 6.62. Схема обходной фильтрации в основании берегового

участка грунтовой плотины: а - план плотины; б - профиль по створу; в - гидродинамическая сетка по-

тока фильтрации вокруг плотины; 1 - ВБ; 2 - плотина; 3 и 5 - урез воды в

ВБ и НБ; 4 - ось плотины; 6 - линии токов; 7 - гидроизогипсы

Удельный расход одной ленты (полосы между 2 линиями токов):

q = k Jm A; Jm = Hd /(nlm); A = bmdm , (6.55) где А – площадь живого сечения ленты.

287

Для определения общего расхода фильтрации Q выбирают полосу

между двумя гидроизогипсами с малой кривизной (на рисунке за-

штрихована), в пределах которой по формуле (6.55) вычисляют q

для каждой ленты, а затем общий расход Q = ∑q.

Величины А и lт находят для каждой ленты отдельно, при этом

средняя глубина фильтрационного потока dm остается постоянной:

dm= (d2 + d3)/2, где d2 = 2 - 1, d3 = 3 - 1.

Положение кривой депрессии на береговом участке строят, нанося

отметки гидроизогипс на поперечные сечения склона. Если грун-

товый поток выклинивается на склоне, следует предусматривать

береговой дренаж, обеспечивающий требуемое понижение кривой

депрессии. В противном случае выклинивающийся на склонах по-

ток вызовет суффозию грунтов и оползание склонов.

6.10.4. Расчет фильтрационной прочности грунтовых

плотин и их оснований

Фильтрационную прочность грунтов основания оценивают по

СНиП 2.02.02-85 средним градиентом напора фильтрации Jest,m:

Jest,m ≤ Iдоп= Jcr,m /γn (6.56)

где Iдоп – допустимый градиент напора; Jcr,m – критический средний гра-

диент напора, определяемый по данным фильтрационно-суффозионных

испытаний данного грунта; при их отсутствии и в предварительных рас-

четах – по грунтам–аналогам или по табл. 6.5; γn – коэффициент надеж-

ности, принимаемый для класса плотин: I - 1,25; II - 1,2; III - 1,15; IV - 1,1.

Критический средний градиент напора Jcr,m в нескальном основа-

нии грунтовых плотин принимают по СНиП 2.02.02-85 (табл. 6.5).

Таблица 6.5

Грунты Песок

мелкий

Песок

средний

Песок

крупный

Супесь Сугли-

нок

Глина

Градиент,

Jcr,m

0,32 0,42 0,48 0,60 0,80 1,35

Фильтрационная прочность тела грунтовой плотины (включая

глинистые водоупорные элементы) обеспечивается, если выполня-

ется следующее условие СНиП 2.06.05-84* [4]:

Jest,m = ∆Н / t2 ≤ Jcr,m /n = Jдоп , (6.57)

где Jest,m – средний градиент напора в элементе плотины; ∆Н – падение

288

напора в расчетном сечении плотины (∆Н = НПУ –УНБmin); n – коэффи-

циент надежности плотины (I класс - 1,25; II - 1,2; III - 1,15; IV - 1–,1; Jcr,m

– критический средний градиент напора в грунте плотины (табл. 6.6).

Таблица 6.6

Критический средний градиент напора для грунтов плотины Jcr,m

Грунт

плотины

Критический средний градиент напора, Jcr,m ,для:

ядра и экрана понура тела и призмы плотины

Глина 12 15 2 - 8

Суглинок 8 10 1,5 - 4

Супесь 2 3 1 - 2

Песок:

средний

мелкий

1

0,75

Примечание.

Значения критического среднего градиента принимают в зависимости от

физико-механических свойств грунта и способа его укладки, причем

большие значения Jcr,m назначают для более плотного грунта.

Средний градиент фильтрационного напора Jest,m в грунтовой пло-

тине может быть приближенно определен по способу Чугаева Р.Р.,

по которому вся область фильтрации условно разделяется на две

части: тело плотины (основание считается водонепроницаемым) и

основание (плотина считается водонепроницаемой).

Для однородной земляной плотины при наличии дренажа в виде

дренажного банкета или трубчатого дренажа (рис. 6.63, а, б) сред-

ний градиент напора фильтрации определяется по формуле:

Jest,m = tgα =H/Lп,, (6.58)

где α – угол наклона прямой депрессии ME к горизонту; Н –

напор на плотину (Н=Н1 -Н2); Lп – горизонтальное расстояние

между сечениями MN и M'N или кратчайшая длина линии тока (от

верхового откоса до дренажа) Сечение MN проводят на расстоянии

Н1 от уреза воды ВБ, сечение M'N' - через левую точку дренажа.

При наличии наслонного дренажа (рис. 6.63, в) или при отсутствии

дренажа средний градиент Jest,m определяется по формуле:

Jest,m = tga = H/L , (6.59)

где L – расстояние между сечениями MN и M'N'. Сечение M'N'

проводится на расстоянии 0,4Н2 от уреза воды НБ.

289

Рис. 6.63. Схемы определения среднего градиента фильтрационно-

го напора в земляной однородной плотине с дренажным банкетом

(а), с трубчатым (б) и наслонным (в) дренажем

При отсутствии дренажа в (6.59) вместо L подставляется L1. Для

ядра или экрана плотины Jest,m определяется по формуле:

Jest,m = H'/tcp , (6.60) где Н' – напор на ядре или экране, определяемый в результате фильтра-

ционного расчета; tcp – длина нормали к верховой грани ядра или экрана,

проходящая через урез воды НБ (рис. 6.64).

Рис. 6.64. Схемы определения среднего градиента фильтрационно-

го напора в земляной плотине с экраном (а) и с ядром (б)

Для водопроницаемого основания грунтовой плотины без зуба и

понура Jest,m определяется по формуле:

Jest,m = H/(L0 +0,88Трас), (6.61)

где Lo – расчетная ширина подошвы (рис. 6.63); Трас – заглубление рас-

четного водоупора, при Т→∞, Трас = 0,5Lo

При наличии в основании плотины понура или зуба Jest,m также

вычисляют по (6.61), при этом увеличивая Lo на величину, равную

соответственно длине понура или удвоенной глубине зуба.

290

Если условия (6.56) - (6.61) выполняются не для всех элементов

плотины и ее основания, то следует изменить конструкцию плоти-

ны (размеры ее и водоупорных элементов, расположение дренажа

и др.) так, чтобы обеспечить фильтрационную прочность грунтов.

6.10.5. Подбор обратных фильтров грунтовых плотин

Обратные фильтры располагают на контакте дренажа и дренируе-

мого тела плотины, ядра, экрана или основания плотины. Их мож-

но не устраивать при контакте дренажа с телом плотины, если оно

сложено гравелистыми песками, гравийными грунтами и т.п. Для

обратного фильтра используют карьерные грунты или щебень. Их

подбирают из условия обеспечения фильтрационной прочности

разных грунтов в месте контакта различных грунтов. Если при-

родный карьерный грунт оказывается непригодным, то проводят

его обогащение или отсев крупных фракций.

Число слоев обратного фильтра и их состав необходимо оп-

ределять на основе технико-экономического сравнения различных

вариантов. При этом следует стремиться к созданию однослойных

фильтров, и только в исключительных случаях проектировать

многослойные фильтры с возможно меньшим числом слоев.

При расчете однослойного или первого слоя многослойного об-

ратного фильтра используют следующие обозначения:

di - размер фракции защищаемого грунта, масса которого составляет i %

массы всего грунта; Di - размер фракций первого слоя обратного фильтра,

масса которых равна i % массы грунта; ηг=d60/d10 - коэффициент неодно-

родности защищаемого грунта; ηф=D60/D10 - коэффициент неоднород-

ности первого слоя фильтра; ζ = D50/d50 - коэффициент междуслойности.

Зерновой состав фильтра должен исключать проникание (просы-

паемость) защищаемого грунта в поры фильтра, выпор и вдавли-

вание частиц грунта в поры фильтра, размыв защищаемого грунта

на границе с фильтром, отслаивание глинистого грунта на контак-

те с материалом фильтра, а также кольматаж и суффозию фильтра.

В зависимости от типа плотины, а также грунтов ее тела и основа-

ния подбор первого слоя обратного фильтра выполняют исходя из

различных условий, изложенных ниже.

Для плотин из песчаного грунта на участках нисходящего филь-

трационного потока пригодность материала для первого слоя

фильтра определяют по графику В. Истоминой (рис. 6.65, а). Если

точка, отвечающая значениям ηф и ζ, располагается ниже соответ-

291

ствующей кривой, то материал фильтра считается пригодным.

Рис. 6.65. Графики для подбора обратных фильтров грунтовых

плотин: а - при нисходящем фильтрационном потоке; б - при восходящем филь-

трационном потоке; в - при горизонтальном фильтрационном потоке:

г - при отслаивании на контакте со связным грунтом; 1 и 2 - области со-

ответственно допустимых и недопустимых характеристик; 3 - для аллю-

виального песка и гравия; 4 - для щебня

Необходимо также, чтобы коэффициент фильтрации первого слоя

фильтра не менее чем в 4 раза превышал коэффициент фильтрации

защищаемого грунта. Это условие выполняется, если D10 /d10 ≥2-3.

На участках восходящего фильтрационного потока, в случае пес-

чаного основания плотины со средним диаметром частиц d50 =

0,15-0,7 мм, состав первого слоя фильтра подбирают из условия

недопущения контактного выпора и вдавливания частиц грунта в

поры фильтра по графику (рис. 6.65, 6) или по формуле:

D50 ≤ d50 [15 + 3,6 (ηф - 2)], (6.62) где 2≤ ηф ≤10.

При фильтрационном потоке, направленном вдоль контакта за-

щищаемого грунта и фильтра, контактный размыв грунта будет

предотвращен, если точка, соответствующая координатам ηф/ηг и ζ,

располагается ниже кривой (рис. 6.65, в) или выполняется условие:

292

D50 ≤ d50 [8 + 5,2 (ηф/ηг - 0,5)], (6.63) где 0,5≤ ηф ≤5.

Для плотин из глинистого грунта или плотин на глинистом осно-

вании состав первого слоя фильтра подбирают из условия недо-

пущения отслаивания (контактного выпора) глинистого грунта на

контакте с крупным несвязным грунтом (рис. 6.65, г). Материал

фильтра считается пригодным, если соответствующая ему точка

располагается в области допустимых характеристик и при нисхо-

дящем фильтрационном потоке градиент напора I≤ 1, а при восхо-

дящем - I≤ 3. Для плотин III и IV классов допускается отслаивание

глинистого грунта в порах фильтра на глубину, не влияющую на

его прочность (на половину диаметра пор фильтра). Подбор зерно-

вого состава второго и следующих слоев фильтра ведут по тем же

графическим зависимостям (рис. 6.65, а, б, в) и формулам (6.62) и

(6.63), полагая, что через di и Di соответственно обозначены раз-

меры фракций предыдущего и последующего слоев фильтра.

Для всех слоев фильтра, образующих с основанием (по на-

правлению из ВБ в НБ) угол не менее 90° (например, в наслонных

и комбинированных дренажах, в каменно-земляных плотинах с

ядром), должно выполняться условие D10 /d10 ≤10, при котором ис-

ключается контактный размыв. Если слои фильтра имеют наклон к

основанию менее 90° (например, в дренажных банкетах и в плоти-

нах с экраном), проверку непросыпаемости каждого предыдущего

слоя фильтра в последующий проводят по формуле:

D10 < d50 / αп , (6.64)

где αп - коэффициент, определяемый в зависимости от ηф последующего

слоя (αп=0,15 при ηф ≥3 и 0,20 при ηф=2-3).

По фильтрационным условиям толщина каждого слоя должна

быть не менее 5D85, но не меньше 0,2 м. Более подробно вопросы

проектирования обратных фильтров рассмотрены в пособии [13].

6.11. Каменно-земляные и каменно-насыпные плотины

6.11.1. Общие сведения Плотины, боковые упорные призмы которых выполняют из укаты-

ваемых крупнообломочных грунтов (камня) - галечника и горной

массы, разделяют на каменно-земляные и каменно-насыпные.

Поскольку боковые призмы этих плотин практически полностью

водопроницаемые или свободно дренирумые, то для уменьшения

293

потерь воды на фильтрацию через плотины в них применяют раз-

ные водоупорные элементы: глинистые ядра и экраны, экраны из

железобетона и диафрагмы из укатанного асфальтобетона.

Плотины с глинистыми ядрами и экранами называют каменно-

земляными (КЗП), а из негрунтовых водоупорных материалов (же-

лезобетона и асфальтобетона) - каменно-насыпными (КНП).

Подробно проектирование и строительство современных КНП с

экранами из железобетона и диафрагмами из укатанного асфаль-

тобетона рассмотрены в пособии [3].

6.11.2. Способы укладки КЗП и требования к их грунтам

Нормативные требования к грунтам КЗП изложены в разделе 6.1.

Сейчас эти плотины строят путем отсыпки и виброукатки камня

слоями толщиной 0,5-2,0 м, иногда наброской (без укатки) камня

слоями 2-5 м обычно за пределами расчетного профиля плотины.

В Таджикистане и Китае 30-40 лет назад в каньонах был построен

ряд каменно-набросных плотин методом направленного взрыва,

однако позднее эта технология не нашла какого-либо применения.

В последние годы в КЗП используют камень различных пород

(включая низко-прочные песчаники, сланцы, алевролиты, аргилли-

ты и др.). При тщательной виброукатке и зонировании в плотине

камня по крупности и прочности (степени сохранности) в ней

можно использовать практически любой камень. Более мелкие и

менее прочный камень укладывают во внутренние зоны упорных

призм, а более прочные и крупные - в наружные.

Зерновой состав камня и толщина его слоя должны быть такими,

чтобы обеспечивалась наибольшая плотность камня при вибро-

укатке. При этом размеры самх крупных камней не должны пре-

вышать 0,75 толщины слоя. В плотинах 1 и 2 классов индекс

плотности, Id =0,85-0,9 в галечнике и 0,8-0,85 в горной массе.

Каменно-земляные плотины строят на скальных, полускальных и

плотных аллювиальных грунтах; каменно-насыпные - на скаль-

ных, полускальных и иногда на плотных аллювиальных грунтах.

Каменно-земляные плотины применяют при наличии достаточного

объема камня для упорных призм, глинистого грунта с высокой

фильтрационной и сдвиговой прочностью для отсыпки дра или

экрана и песчано-гравелистых грунтов, пригодных для отсыпки

обратных фильтров и переходных зон плотины.

Каменно-насыпные плотины (КНП) с экранами из железобетона

294

или диафрагмами из укатанного асфальтобетона применяют в слу-

чае отсутствия глинистых грунтов, пригодных для возведения

ядер, трудностей их укладки в дождливый или зимний период и

вследствие технико-экономических преимуществ этих плотин [11].

Основные преимущества КНП и частично КЗП по сравнению с

другими типами плотин:

- использование местных строительных материалов;

- комплексная механизация разработки, доставки и укладки камня,

минимальные сроки строительства и трудозатраты;

- максимальный строительный сезон в течение года (особенно для

КНП), что является решающим при выборе этих типов плотин,

возводимых в суровых климатических условиях;

- высокая сейсмостойкость (КНП с экранами из железобетона);

- простота их наращивания без нарушения работы гидроузла.

К основным недостаткам этих плотин относятся:

- сложность конструкции водоупорных элементов (особенно при

больших осадках соседних зон камня);

- сложность пропуска пика строительного паводка через плотину

(это не относится к КНП с экранами из железобетона), что приво-

дит к росту стоимости строительных водосбросов.

Профили плотин. Отметку и ширину гребня назначают так, чтобы

при всех уровнях ВБ не было перелива воды через гребень.

Заложение откосов этих плотин зависит от качества (прочности и

плотности) камня упорных призм, грунтов основания и типа этих

плотины. Для каменно-земляных плотин с глинистым ядром зало-

жение низовых откосов составляет в среднем md=1,5-2,2; верховых

- mu=1,7-2,5. Верховые откосы плотин с глинистыми экранами бо-

лее пологие, mu=2,0-3,0, низовые - чуть более крутые, md=1,8-2,0.

Заложение низовых откосов каменно-земляных и насыпных пло-

тин на скальном и полускальном основании предварительно мож-

но принимать равным md=ks / tgφпр, где tgφпр - угол внутреннего

трения камня низовой упорной призмы; ks - коэффициент устойчи-

вости откоса, определяемый по формуле (6.42).

Заложение верховых откосов каменно-земляных плотин с глини-

стыми ядрами на скальном и полускальном основании предвари-

тельно можно принимать равным mu=ks/tgφпр+(0,2-0,3), где tgφпр-

угол внутреннего трения камня верховой упорной призмы.

На рис. 6.66 показаны средние и предельные профили 100 высоких

295

каменно-земляных плотин КЗП), их ядер и экранов, которые мож-

но использовать при начальном выборе профиля плотины.

Рис. 6.66. Средние и предельные профили КЗП, их ядер и экранов: а – КЗП с центральным ядром и однородными боковыми призмами; б – с

неоднородными призмами; в – с наклонным ядром; г – с экраном

Заложение верховых откосов каменно-земляных плотин с глини-

стыми экранами на скальном и полускальном основании предва-

рительно можно принимать равным mu=ks/tgφпр+(0,3-0,5).

Заложение верховых откосов каменно-насыпных плотин с желе-

296

зобетонными экранами на скальном и полускальном основании

обычно принимают равным mu=ks/tgθпр, где tgθпр- угол естествен-

ного обрушения сухого откоса из камня верховой упорной приз-

мы; ks - коэффициент устойчивости откоса; в среднем mu=1.4-1,6.

В высокосейсмических районах низовые откосы всех этих плотин

выполняют более пологими, увеличивая md на 10-15%, а верховые

– увеличивая mu на 15-20%.

На низовом откосе этих плотин бермы шириной 3-5 м устраивают

обычно для прокладки строительных дорог и иногда для увеличе-

ния среднего заложения откоса. Каменно-насыпные плотины с же-

лезобетонными экранами обычно берм не имеют.

6.11.3. Каменно-земляные плотины (КЗП) По способу возведения эти плотины разделяют на насыпные (ос-

новные), набросные и взрывонабросные (редко применяемые).

По типу и расположению водоупорных элементов в профиле КЗП

их подразделяют на следующие: с глинистым ядром и экраном, с

верховой и центральной супесчаными призмами, с инъекционной

завесой и глинистым экраном и понуром (рис. 6.66).

Особенность каменно-земляных плотин - необходимость устрой-

ства переходных зон между глинистыми ядрами и экранами и

камнем боковых упорных призм плотины. Зерновой состав пере-

ходных зон подбирают так же, как и слоев обратных фильтров,

располагая более мелкий грунт на контакте с ядром и экраном.

Назначение низовых переходных слоев - обеспечение фильтраци-

онной прочности глинистых ядер и экранов, верховых зон - коль-

матация трещин в ядрах и экранах тонким песком. Кроме того, пе-

реходные слои обеспечивают благоприятное распределение

напряжений между ядром или экраном и боковыми зонами камня.

Материалом для переходных зон служат песчаные, песчано-

гравийные и гравийные грунты, а также щебень.

Ширину переходных зон назначают по условиям производства ра-

бот, но не менее 3 м. Вблизи гребня плотин, если его ширина ме-

нее 10 м, ширину переходных зон уменьшают до 1,5-2 м.

При наличии подходящих карьерных грунтов или возможности их

отсева с целью получения требуемого зернового состава предпо-

чтение следует отдавать однослойным переходным зонам.

КЗП возводят в основном из разнородных по своему зерновому

составу связных, несвязных и скальных грунтов. Эти грунты обла-

297

дают различными физико-механическими, фильтрационными,

прочностными и деформативными характеристиками. Вследствие

этого КЗП являются разномодульными плотинами, работающими

часто (в каньонах и створах с крутыми берегами) в условиях про-

странственного напряженно-деформированного (НДС) состояния.

Рис. 6.67. Основные виды каменно-земляных плотин: а - с глинистым экраном; б - с глинистым ядром; в - с верховой супесча-

ной призмой; г - с центральной супесчаной призмой; д, е - взрывонаброс-

ные, соответственно с инъекционной завесой и суглинистым экраном, от-

сыпаемым в воду; 1 - крепление откоса; 2 - глинистый экран; 3 - переход-

ные зоны; 4 - глинистое ядро; 5, 6 - верховая и низовая упорные призмы;

7, 8 - верховая и центральная супесчаные призмы; 9 - взрывонабросной

контур: 10 - расчетный профиль; 11 - инъекционное ядро: 12 - инъекци-

онная завеса; 13 - глинистый понур

При возведении этих плотин стремятся использовать прежде всего

грунты полезных выемок и близко расположенных месторож-

дений, распределяя их по зонам профиля плотины в соответствии с

особенностями ее НДС и деформативно-прочностными характери-

стиками грунтов. Задача зонирования профиля КЗП заключается в

том, чтобы с учетом этих характеристик грунтов запроектировать

оптимальную конструкцию плотины с благоприятным распреде-

298

лением напряжений и деформаций, обеспечив при этом ее устой-

чивость и трещиностойкость. Как правило, выгоднее и экономич-

нее уложить дополнительный объем менее качественных и низко-

прочных грунтов, разрабатываемых из полезных выемок и близких

карьеров, чем привозить издалека более качественные грунты.

К низкопрочным полускальным породам относятся: аргиллиты,

глинистые сланцы, алевролиты, конгломераты, слабые песчаники,

известняки, доломитовые мергели, а также продукты выветрива-

ния горных пород: гранитов, диабазов, базальтов, кварцитов, гней-

сов, кристаллических сланцов. В ряде случаев для ядер КЗП целе-

сообразно использовать переувлажненные глинистые (прежде все-

го моренные) грунты и элювиальные разнозернистые суглинки.

В настоящее время можно считать, что нет таких грунтов или гор-

ных пород, в том числе низкопрочных, которые не могли быть ис-

пользованы при строительстве КЗП, вопрос лишь в стоимости их

приготовления и укладки в тело плотины.

Мировая практика показывает, что для ядер и экранов КЗП при-

меняют глинистые грунты (в основном щебенистые суглинки) с

коэффициентом фильтрации не более 10-5

см/с и влажностью при

укатке не более чем на 2-3% выше или ниже оптимальной.

КЗП с глинистым ядрами. Основными частями этих плотин яв-

ляются боковые призмы из виброукатываемого камня (горной

массы и галечника) и глинистое ядро, отделенное от них переход-

ными зонами (рис. 6.67, б). Ядро обычно располагают по оси пло-

тины или немного сдвигают в ВБ, выполняя его слабонаклонным,

с целью применения грунта с пониженными параметрами на сдвиг.

Толщину ядра поверху назначают из условия удобства работ

(обычно ≥ 2 м) понизу - определяют расчетом по формуле (6.57).

КЗП с ядром по сравнению с экраном имеют более обжатый про-

филь, благодаря чему объем их меньше на 10-15%. Ядра лучше

сопрягается с береговыми крутыми склонами и бетонными соору-

жениями, примыкающими к плотине, а также менее чувствитель-

ны к неравномерной осадке соседних зон плотин. Поэтому сейчас

КЗП с ядрами чаще применяют, чем КЗП с экранами.

Основные требования, которые предъявляются к глинистым яд-

рам, сводятся к обеспечению их трещиностойкости и фильтраци-

онной прочности. Успешно эксплуатируются высокие КЗП с тон-

кими ядрами из суглинков, градиенты напора в которых достигают

299

3-5: Инфиернило (Мексика, высота 148 м, градиент напора 5,5);

Ангостура (Мексика, 137 м, 4); Гепатч (Австрия, 158 м, 3,7); Кугар

(США, 153 м, 3,7); Гуавио (Колумбия, 245 м, 3,5) и др.

Для предотвращения трещинообразования в узких ядрах КЗП, воз-

водимых в створах с крутыми берегами, повышают пластичность

глинистого грунта ядра в береговых примыканиях путем его до-

полнительного увлажнения (на 2-3% выше оптимальной влажно-

сти) и снижения содержания крупных фракций (крупностью 5-70

мм) до 20-40%. Одновременно производят тщательный подбор

зернового состава фильтров и переходных зон, обеспечивающих

самозалечивание образовавшихся трещин в ядре в результате

кольматации пор фильтра (переходных зoн) глинистыми агрега-

тами (комками) - продуктами размыва трещин. Вопросы обеспече-

ния трещиностойкости и суффозионной прочности глинистых ядер

являются важнейшим с точки зрения надежности КЗП.

В большой степени требованиям трещиностойкости, самозалечи-

вания трещин и фильтрационной прочности отвечают щебенистые

суглинки и супеси с широким зерновым составом, представляю-

щие собой естественные смеси глинистых, илистых, песчаных и

щебенистых (гравелистых) фракций крупностью до 200 мм. Из та-

ких грунтов было отсыпано ядро самой высокой в мире (300 м)

Нурекской плотины (Таджикистан) и других сверхвысоких КЗП.

Однако во многих случаях оказалось необходимым производить

обогащение этих грунтов для ядер плотин, т.е. изменение их зер-

нового состава путем удаления камней и галечника крупностью

более 150-200 мм, рассева и сортировки фракций с целью повыше-

ния водоупорных, прочностных и деформативных свойств грунтов

ядер. Подобное обогащение щебенисто-суглинистых грунтов с от-

севом крупных фракций (свыше 200 мм) на строительстве Ну-

рекской плотины производилось в конусах естественной сегрега-

ции, образуемых в результате сбрасывания грунта с откоса высо-

той 80 м. Обогащение глинистых материалов ядер производи-

лось также на строительстве ряда сверхвысоких плотин - Чикоасен

(264 м, Мексика), Майка (244 м, Канада), Оровилл (236 м, США) и

ряде других. Широко также применяется обогащение (рассев,

дробление и сортировка фракций) аллювиальных, галечниковых

грунтов, горной массы и камня с целью получения качественных

материалов для переходных зон, внутренних и внешних зон упор-

300

ных боковых зон плотин (Нурекская, Чикоасен, Оровилл и др.).

Обогащение грунтовых материалов особенно целесообразно для

высоких плотин, строящихся в узких каньонах и обладающих

опасностью образования поперечных трещин в ядре. Обогащенные

щебенисто-суглинистые и моренные грунтовые материалы ядер

обеспечивают высокую плотность (1,9-2,2 т/м3, прочность 32-38°),

трещиностойкость и сопротивление суффозии.

Принцип зонирования профиля КЗП (на 2-3 зоны) широко приме-

няется для упорных боковых призм каменно-земляных плотин. В

большинстве случаев можно запроектировать профиль плотины с

различным расположением в ее теле грунтов и камня, а также с

различной степенью их уплотнения в зависимости от прочности и

зернового состава: менее крупный и менее прочный камень (гор-

ную массу) - во внутренних зонах боковых призм, более крупный

и прочный камень - во внешних зонах, примыкающих к откосам

плотины. Одновременно это позволяет уменьшить трудозатраты

по уплотнению материалов переходных зон и боковых призм и

расширить типы применяемых материалов, включив сюда камень

низкопрочных скальных (полускальных) пород. В настоящее вре-

мя заметна тенденция использования в боковых призмах горной

массы из полезных выемок без ее сортировки. В результате прове-

денных исследований для ряда высоких каменно-земляных плотин

обоснованы возможность и целесообразность снижения требова-

ний в отношении отсева крупных фракций гравелисто-песчаного

материала, предназначенного для переходных зон между ядрами и

гравелисто-галечниковыми боковыми призмами плотины. Для пе-

реходных зон фильтров часто применяется естественный или ча-

стично отсортированный аллювий, а иногда и материалы осыпей.

С целью снижения осадок и перемещений высоких КЗП их боко-

вые упорные призмы следует возводить из виброукатанных (слоя-

ми толщиной 1,2-2,0 м) гравийно-галечниковых грунтов более де-

шевых и менее сжимаемых, чем виброукатанная горная масса, что

подтверждает успешный опыт строительства сверхвысоких КЗП -

Нурекской, Чикоасен, Гуавио, Майка, Оровилл и других.

КЗП с глинистыми экранами. Эти плотины состоят из упорной

призмы из камня, уложенного по ее верховому откосу экрана, за-

щищенного пригрузкой из гравийно-галечниковых грунтов или

горной массы (рис. 6.67, а). Между экраном и призмой укладыва-

301

ют переходные слои. Ширину каждого слоя принимают не менее

3,5 м для обеспечения разъездов строительных машин. Толщину

экрана и ее пригрузки назначают так же, как для земляных плотин.

Поврежденный экран можно восстановить путем сработки ВБ.

Особенности работы глинистых ядер (экранов) КЗП и их со-

пряжение со скальным основанием. Работа этих элементов КЗП

сильно отличается от их роли в земляных плотинах. Глинистые

ядра и экраны в земляных плотинах являются основным (но не

единственным) водоупорным элементом, обеспечивающим боль-

шую часть потерь расчетного напора, а в КЗП они являются един-

ственным элементом, воспринимающим полный расчетный напор

(фильтрационные потери в упорных призмах отсутствуют). По-

этому толщина глинистых ядер и экранов в КЗП, определяемая по

формуле (6.57), обычно больше, чем в земляных плотинах.

Следует отметить, что вероятность образования трещин в глини-

стых ядрах и экранах при осадке соседних зон КЗП намного боль-

ше, чем в земляных плотинах. Поэтому эти элементы КЗП выпол-

няют из пластичных (Ip ≥6%) и разнозернистых глинистых грунтов,

способных при образовании трещин закольматировать их.

Противофильтрационные устройства в проницаемых нескальных

основаниях КЗП и их сопряжение с ядром (экраном) выполняют

так же, как в земляных плотинах (раздел 6.8). Для повышения

фильтрационной прочности сопряжения предусматривают ушире-

ние ядра (экрана) и укладку дополнительного слоя фильтра вдоль

их контакта с основанием и берегами.

В подготовленных скальных основаниях (очищенных от обломков

скалы) глинистых ядер (экранов) КЗП предусматривают укрепи-

тельную (площадную) цементацию на глубину распространения

трещин (3-10 м) для предотвращения размыва грунта ядра на кон-

такте с трещинами. Кроме того, по оси ядра устраивают одноряд-

ную цементационную завесу, пересекающую возможные глубоко

расположенные трещины и геологические разломы -– источники

сосредоточенной фильтрации. Для того чтобы не задерживать

начало работ по отсыпке ядра и соседних зон грунта при выполне-

нии цемзавесы, ее часто выполняют из цементационной галереи,

расположенной в центре подошвы ядра. Одновременно эта галерея

используется как контрольная - в ней размещаются выводы кон-

302

трольно-измерительной аппаратуры, установленной в ядре и во-

круг цемзавесы (пьезометры, датчики давления грунта), и для воз-

можного ее восстановления в процессе эксплуатации плотины.

Ниже на рис. 6.68-6.77 показаны профили 10 самых высоких КЗП

плотин с глинистыми ядрами, экранами и центральными зонами.

Рис. 6.68. Каменно-земляная плотина Нурек; 300 м, Таджикистан:

1 - ядро из щебенистой супеси; 2 - фильтры (d=0-5 мм; d=0-50 мм); 3 -

упорные призмы из галечника; 4 - пригрузка откосов и упорный банкет

из рваного камня; 5 - верховая перемычка; 6 - контрольные галереи; 7 -

цементационная завеса; 8 - бетонная пробка; 9 - песчаники; 10 - песчани-

ки и алевролиты; 11 - алевролиты; 12 - аллювий

Рис. 6.69. Каменно-земляная плотина Чикоасен; 264 м, Мексика: 1T - суглинок из глинистых конгломератов (Iпл=20%) с оптимальной

влажностью, Wопт; 1С - суглинок (Iпл=12%) с влажностьюW=Wопт – 0,8%;

1W - суглинок из выветрелых алевролитов с влажностью W=Wопт+2%;

2 - фильтры; 3 - переходные зоны; 4 - уплотненный камень; 4U - одно-

родный камень; 5 - наброска камня; 6 - отборный камень; 7 - аллювий;

8 - известняк; A и В - верховая и низовая перемычки; С - бетонный блок

303

Рис. 6.70. Каменно-земляная плотина Тери; 261 м, Индия: 1A, 1B - отсортированный суглинок с включением гальки d< 200 мм; 2A -

сортированный гравийно-галечниковый грунт d<600 мм (d<5 мм P≤35%,

d<0,005-0,074 мм P≤5%; 2B - то же, что 2A, но без ограничений на фрак-

ции d<5 мм; 2С - сортированный гравийно-галечниковый грунт d<600 мм

(d<5 мм P=10-22%); 3A - песчаный фильтр с фракцией d<0,074 мм -

P≤5%; 3B - песчаный фильтр перемычки; 4 - песчано-гравийный фильтр

d<60 мм; 5 - сортированный плотный камень d<1200 мм

Рис. 6.71. Каменно-земляная плотина Майка; 244 м, Канада:

1 - ядро из морены (d<0,07 мм 30-40%,); 2 - упорные призмы из песчано-

гравийного грунта; 3 - пригрузка гравием и камнем; 4 - крепление бу-

лыжником или крупным камнем; 5 - зона уплотненного гравия, гальки и

булыжника; 6 - трещиноватые гранито-гнейсы с прослойками глинистых

сланцев; 7 - цемзавеса глубиной до 90 м; 8 - площадная цементация

304

Рис. 6.72. Каменно-земляная плотина Гуавио; 245 м, Колумбия: 1 - тощий суглинок с влажностью W=Wопт+5%; 2А - фильтр из мелкого

щебня; 2В - фильтр из щебня; 2С - переходная зона из крупного щебня;

3А - сортированный камень; 3В, 3С - камень; 6 - суглинок; 7 - галечник

Рис. 6.73. Каменно-земляная плотина Оровилл; 236 м, США:

1 - ядро из смеси глины, ила, гравия и гальки (dмакс<7 см); 2 - пере-ходная

зона из сортированной смеси ила, песка, гравия, гальки и булыжника

(dмакс <37 см); 3 - упорные призмы из смеси песка, гравия, гальки и бу-

лыжника (dмакс<60 см); 4 - бетонная пробка; 5 - цементационная завеса; 6

- крепление из камня; 7 - кристаллический сланец; 8 - перемычка

Рис. 6.74. Каменно-земляная плотина Инфернильо;148 м, Мексика: 1 - ядро из глины (20-30% d<0,002 мм); 2 - первый слой фильтра из пес-

чано-гравийной смеси (d=0,1-10 мм); 3 - второй слой фильтра (щебень

d=5-150 мм); 4 - внутренние зоны упорных призм (d<45 мм); 5 - внешние

зоны упорных призм из крупного камня; 6 - крепление крупным камнем;

7 - бетонная диафрагма; 8 - перемычки; 9 - площадная цементация; 10 -

цемзавеса; 11 - туннель для цементации; 12 - кремнистые конгломераты

305

Рис. 6.75. Каменно-земляная плотина Беннет; 183 м, Канада: 1 - ядро из песчано-илистого грунта; 2 - первый слой фильтра из песка; 3

- второй слой фильтра из песчано-гравийной смеси; 4 - морена с камнем

до 36 см; 5 - гравийно-песчаная смесь; 6 - крупный гравий; 7 - крепление

камнем; 8- площадная цементация; 9- цемзавеса; 10- сланцы и песчаники

Рис. 6.76. Каменно-земляная плотина Тринити; 164 м, США: 1 - ядро из элювиальных отложений (глина, пыль, песок, гравий); 2 -

переходная зона (пыль, песок, гравий, булыжник); 3 - гравий, булыжник,

валуны; 4 - каменная наброска; 5 - крепление из каменной наброски сло-

ями 1 м; 6 - крепление из каменной наброски слоями 0,6 м; 7 - два бетон-

ных зуба; 8 - цементационная завеса; 9 - прочная скала (андезиты)

Рис. 6.77. Каменно-земляная плотина Трангслет; 122 м, Швеция: 1- экран из морены; 2 - фильтр из несортированного гравия; 3 – 1-й слой

фильтра из сортированного гравия; 4 - 2-й слой фильтра из щебня; 5 - 3-й

слой фильтра из валунов; 6 - крепление крупным камнем; 7 - пригрузка

несортированным гравием; 8 - упорная призма (каменная наброска из

порфировидных диабазов), уложенная летом; 9 - то же зимой; 10 - цемза-

веса; 11 - дренажная галерея; 12 - дрены; 13 - сиенит, порфир и диабазы

306

6.12. Прогноз геотехнических характеристик грунтов КЗП

6.12.1. Расчетные значения плотности грунтов КЗП

При проектировании грунтовых плотин необходимо знать физико-

механические (геотехнические) свойства грунтовых материалов,

приготавливаемых из местных грунтов карьеров или полезных вы-

емок гидросооружений (последнее обычно предпочтительнее).

Грунты обладают разнообразными свойствами, которые подробно

рассматриваются в курсах «Механика грунтов», «Грунтоведение»

или «Геотехника». В этом разделе кратко изложены методы опре-

деления основных геотехнических характеристик грунтовых мате-

риалов (плотности-влажности, прочности на сдвиг, модуля дефор-

мации, коэффициента фильтрации и др.), основанные на норма-

тивных, опытных и полевых данных их определения и применяе-

мые при начальном проектировании грунтовых плотин.

В грунтовых плотинах свойства грунтов можно регулировать, из-

меняя их зерновой состав, влажность, метод укладки (послойная

статическая или вибрационная укатка, наброска без укатки, отсып-

ка в воду), которые определяют плотность укладки грунтов и, как

следствие, их прочность, деформируемость и водопроницаемость.

В грунтовых плотинах глинистый грунт обычно используют в во-

доупорных элементах (ядре или экране), но из него также строят

низконапорные однородные земляные плотины (обычно 3-4-го

класса). В плотину глинистый грунт стремятся укладывать при

оптимальной влажности Wonт, при которой при выбранном мето-

де уплотнения (тип катка, число его проходок, толщина слоя) до-

стигается максимальная плотность сухого грунта γсухмакс

. В об-

щем случае Wonт грунта зависит от типа катка и числа его прохо-

док. Приближенно можно принять Wonт= WР –(1÷3)%, где WР -

влажность на пределе раскатывания, уменьшение WР на 1% соот-

ветствует суглинку и легким каткам, на 3% - супеси и тяжелым

каткам.

Ввиду сложности определения WР для глинистых грунтов нару-

шенной структуры вместо формулы А Казагранде. лучше исполь-

зовать уточненную зависимость В.Я. Жарницкого, полученную по

натурным данным ряда глинистых элементов плотин в виде: WР

=0,22WТ +11,8, где WТ - влажность на пределе текучести.

Оптимальную влажность глинистого грунта определяют в геотех-

307

нической лаборатории по методу Проктора: стандартному или

модифицированному (табл. 6.7) в зависимости от предполагаемого

типа катка: легкого (массой 15-30 т) и тяжелого (50-70 т).

Согласно методу Проктора (см. табл. 6.7) грунт испытывают в ла-

боратории на уплотнение ударной нагрузкой. Опыты проводят в

стальном цилиндре диаметром 100, 150 и 350 мм в зависимости от

максимальной крупности частиц грунта (соответственно 20, 32 и

60 мм), в который укладывают последовательно 3 или 5 слоев

грунта и утрамбовывают его падающим грузом массой соответ-

ственно, 2,5, 4,5 и 15 кг. Число ударов и высота падения груза по-

добраны так, чтобы интенсивность уплотнения 1 м3 грунта по

стандартному Проктору была эквивалентна легким каткам, а по

модифицированному Проктору - тяжелым каткам и виброкаткам.

Уплотнение глинистых грунтов по Проктору Таблица 6.7

Параметры уплотнения Стандартный

Проктор

Модифицированный

Проктор

Вес образца, кг ≥2 ≥9 40≥ ≥2 ≥9 ≥40

Диаметр цилиндра, мм 100 150 250 100 150 250

Высота цилиндра, мм 120 125 200 120 125 200

Максимальная крупность

частиц, мм

20 32 63 20 32 63

Диаметр груза, мм 50 75 125 50 75 125

Масса груза, кг 2,5 4,5 15 2,5 4,5 15

Высота падения, мм 300 450 600 300 450 600

Число слоев 3 3 3 5 5 5

Число ударов на 1 слой 25 22 22 25 59 59

Интенсивность уплотне-

ния, кгм на 1 м3

60000 270000

На рис. 6.78 показаны результаты уплотнений суглинка и супеси

по Проктору, из которых видно, что уплотнение по модифициро-

ванному Проктору дает примерно на 10% более высокие значения

максимальной плотности обеих грунтов при примерно на 5-6% бо-

лее низкой оптимальной влажности по сравнению с уплотнением

этих же грунтов по стандартному Проктору.

В полевых условиях оптимальную влажность глинистого грун-

та уточняют опытными укатками грунта разными катками при

308

разном числе их проходок и толщине укатываемого слоя грунта.

а б

Рис. 6.78. Результаты уплотнений глинистых грунтов по Проктору: а – по стандартному Проктору; б – по модифицированному Проктору;

1 - плотность сухого грунта (кН/м3, 10 кН/м

3=1т/м

3); 2 - влажность, %;

3 - линия водонасыщения грунта; 4 - суглинок; 5 - супесь; 6 – значения

максимальной плотности грунтов; 7 - значения оптимальной влажности

Допустимое значение плотности сухого глинистого грунта γсух при

укатке можно приближенно определить по формуле:

γсух = γч γв(1 – V)/(γв + Wрасч γч), (6.65)

где γч - плотность частиц грунта (т/м3); γв - плотность воды; V - объем

защемленного в грунте воздуха в долях 1,0 (в глине 0,03, суглинке 0,04,

супеси 0,05, лёссе 0,07); Wрасч - расчетная влажность грунта (в долях 1,0).

Если Wрасч≥ Wопт, то определенное по (6.65) значение γсух можно до-

стигнуть при укатке. Если Wрасч<Wопт, то определенное по (6.65)

значение γсух достигается только при применении тяжелых катков

или виброукатке и требуется уточнить γсух опытными укатками.

Обычно в каменно-земляных плотинах 1 и 2-го классов расчетное

значение плотности глинистого грунта при укатке γсухрасч

принима-

ется не менее γсухмакс

по стандартному Проктору.

Вместо формулы (6.65) для определения γсухмакс

суглинистых грун-

тов каменно-земляных плотин можно использовать корреляцион-

ную зависимость, полученную по натурным данным в виде:

γсухмакс

= 1,44 + 0,88 ln[γч/(1+eТ)], (6.66) где eТ = γчWТ - коэффициент пористости грунта при влажности на гра-

нице текучести; γч/(1+eТ) - плотность сухого грунта при влажности WТ.

По этим же данным получена корреляционная зависимость для

определения оптимальной влажности суглинистого грунта:

309

Wопт = 11,83 ln(eопт WТ) + 37,07 (%), (6.67)

где eопт = (γч – γсухмакс

)/γсухмакс

- коэффициент пористости максимально

уплотненного грунта; WТ - влажность на границе текучести в долях 1,0.

Если влажность глинистого грунта в карьере Wкар выше оптималь-

ной на 2-3% и более, то снижение этой влажности до оптимальной

при укатке грунта плотины очень затруднено или экономически

неоправданно. В этом случае принимают Wрасч=Wкар>Wопт и ис-

пользуют шведский способ легкой прикатки сильно переувлаж-

ненных глинистых грунтов при одной быстрой проходке трактора

на широких гусеницах поперек ядра или отсыпкой этих грунтов в

воду, применявшийся в России и ряде других стран.

Если влажность грунта в карьере Wкар ниже оптимальной на 2-3%

и более, то доувлажнение грунта до оптимальной влажности целе-

сообразно, а при этом удорожание грунта незначительно. В России

для глинистых ядер каменно-земляных плотин используют щебе-

нисто-дресвяные, гравийно-галечниковые грунты с содержанием

глинистого и песчаного заполнителя более 50% (рис. 6.79).

Рис. 6.79. Зерновой состав различных связных и несвязных грун-

тов, используемых в земляных и каменно-земляных плотинах

К этим грунтам относятся моренные грунты, а в горных районах -

материалы конуса выноса (элювиальные и делювиальные грунты)

- продукты полного выветривания горных пород в виде природной

310

смеси мелких и крупных частиц. Плотность такой сухой смеси с

глинистым заполнителем определяется по формуле:

γсух.см=0,96γсух .d<1мм γсух. d>1мм /(γсух. d<1мм Pd>1мм+γсух. d>1мм Pd<1мм), (6.68)

где γсух. d>1мм - плотность сухой крупной фракции (d>l мм); γсух. d<1мм -

плотность сухой мелкой фракции (d<l мм); Pd>1мм - содержание в смеси

крупнозернистых частиц; Pd<1 мм - то же мелкозернистых частиц

Зависимость (6.68) получена из условия, что крупные фракции не

создают скелета, т.е. крупные частицы не касаются друг друга.

При определении плотности сухой смеси влажность крупнозерни-

стой части грунта принимают равной 2-3%.

На рис. 6.80 приведен график, полученный по натурным данным

для ряда каменно-земляных плотин, по которому можно оценить

значение γсух.см при известном содержании фракций d>l мм.

Рис. 6.80. Зависимость плотности сухой смеси γсух.см щебенисто-

дресвяных глинистых грунтов от содержания фракций d>l мм

При назначении плотности камня (галечника) и песчано-граве-

листого грунта следует учитывать, прежде всего, не абсолютное

значение плотности сухого грунта в плотине, а коэффициент отно-

сительной плотности (индекс плотности) ID, определяемый как:

ID=(emax–e)/(emax–emin)=[γсухмакс

(γсух–γсухмин

)]/[γсух(γсухмакс

–γсухмин

), (6.69)

где emax, γсухмин

- соответственно коэффициент пористости и плотность су-

хого грунта в предельно рыхлом состоянии; emin, γсухмакс

- соответственно

коэффициент пористости и плотность сухого грунта в предельно плотном

состоянии; γсух, e - соответственно расчетная плотность и коэффициент

пористости сухого грунта в плотине.

311

Для грунтовых плотин I и II классов обычно принимают ID=0,9

(при диапазоне 0,93-0,85). Для того чтобы по зависимости (6.69)

найти расчетное значение γсух, задаются требуемым ID и находят

для данного грунта γсухмин и γсух

макс. Для этого можно использовать

приближенный метод В. Н. Маслова для несвязных грунтов, по ко-

торому минимальную плотность сухого грунта γсухмин, соответству-

ющую предельно рыхлому состоянию, определяют по формуле:

γсухмин

= А γч /2,65[∆Р(K1/2

)]0,05

, (6.70)

где А - эмпирический коэффициент: для песка А=1,75, горной массы

А=1,86, гравийно-галечникового грунта А=2,28; γч - плотность частиц

грунта т/м3; ∆Р - процентное содержание достоверно определяемых

фракций в зерновом составе грунта. Если весь зерновой состав определен

достоверно, что имеет место при анализе относительно однородного пес-

ка, то ∆Р=100. Обычно трудности возникают при оценке содержания

мелких и крупных фракций крупнообломочных грунтов, в которых до-

стоверно определяют фракции d95 и d5, т.е. ∆Р=95-5=90; К - коэффициент,

характеризующий зерновой состав грунтов, определяется по формуле:

ni

i

ii

ii

i dddd

p

DDP

DDK

1

12

1212

12 )/lg()/lg(

, (6.71)

где D2 и D1 - соответственно максимальная и минимальная достоверно

определяемые фракции, мм; ∆pi - процентное содержание фракции i - го

участка кривой зернового состава; d2i и d1i - соответственно максималь-

ный и минимальный диаметр i - го участка кривой зернового состава, для

чего кривая зернового состава для подсчета К разбивается на n участков.

Плотность сухих несвязных грунтов (песков, гравийно-

галечниковых грунтов и горной массы) γсухмакс

в грунтовых плоти-

нах можно приближенно определить по номограмме на рис. 6.81.

Приняв требуемое значение коэффициента (индекса) относитель-

ной плотности ID в зависимости от класса плотины (в среднем ID

=0,9 для I класса ID =0,85 для II класса) и вычислив γсухмин

по фор-

муле (6.70), затем определяют γсухмакс

по рис. 6.81 с учетом типа не-

связного грунта. Расчетную плотность γсух и расчетный коэффици-

ент пористости e несвязного грунта плотины определяют по фор-

муле (6.69) при известных значениях ID, γсухмин

и γсухмакс

.

Для определения максимальной плотности сухой горной массы

целесообразно также использовать уточненную корреляционную

зависимость, полученную В.Я. Жарницким по данным укаток ряда

312

каменно-земляных плотин:

γсухмакс

= 1,794 +0,125 ln[1 – n) k γч], т/м3, (6.72)

где ln[1–n)kγч - показатель состояния грунта; n - пористость камня; n =

0,45– 0,1 lg (d60/d10); k - коэффициент неравномерности раскладки частиц

грунта в слое, k=1+ 0,05(d60/d10); γч - плотность частиц грунта, т/м3.

Рис. 6.81. Номограмма для определения максимальной плотности

γсухмакс

сухих несвязных грунтов грунтовых плотин (10кН/м3=1т/м

3)

1 – гравийно-галечниковый грунт; 2 – горная масса (камень); 3 – пески

После прогноза расчетных плотностей сухого связного и несвязно-

го грунтов в плотине определяют коэффициенты фильтрации kф

этих грунтов. При этом можно учесть доуплотнение глинистого

грунта и уменьшение его kф от веса вышележащего грунта. Упро-

щенно оценку доуплотнения грунта можно сделать по компресси-

онной кривой (см. ниже рис. 6.82, D), принимая в качестве нагруз-

ки вес толщи грунта, лежащей над данной точкой плотины.

313

Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации связных и

несвязных грунтов приведены в справочниках и учебниках.

Более точно коэффициент фильтрации глинистого грунта kф (при

содержании P<1 мм>40%) определяют по формуле В.Н. Жиленкова:

kф = 4-10-11

ехр[e/(0,17eТ – 0,048)], см/c, (6.73)

где е - коэффициент пористости грунта; еТ - коэффициент пористости при

влажности грунта на пределе текучести WТ, равный: еТ=1,06γч.d<1ммWТ/γв,

где 1,06 - поправка на защемленный в грунте воздух; γч.d<1мм - плотность

мелких частиц грунта d<1 мм (их содержание должно быть более 40%),

так как они определяют пределы текучести WТ и раскатывания Wр.

Можно также использовать уточненную корреляционную зависи-

мость, полученную В.Я. Жарницким для коэффициентов фильтра-

ции суглинков ряда каменно-земляных плотин в виде:

kф =0,574 [e/(P<5 мм WТ )]3,22

10-7

, см/с, (6.74)

где e/(P<5 мм WТ ) – квалификационный показатель суглинков; P<5 мм – со-

держание в грунте частиц крупностью менее 5 мм в долях 1,0; WТ - влаж-

ность грунта на пределе текучести в долях 1,0.

Наиболее точные значения kф дают лабораторные испытания грун-

тов в фильтрационно-компрессионных приборах и полевые гид-

равлические наливы в скважинах в опытных насыпях грунта.

В песчаных и песчано-гравелистых грунтах, водопроница-емость

которых подчиняется закону Дарси, коэффициент фильтрации kф

(см/с) можно определить по формуле М. П. Павчича:

1000)1(

4 2

172

33 gd

п

nKK формф

(6.75)

где Kфор=1 для песчаных и гравийных грунтов и 0,35-0,4 для щебенистых;

υ - кинематическая вязкость воды (0,0115 см2/с при 15°С); η =d60/d10 - ко-

эффициент неоднородности грунта; п - пористость; d17 - крупность ча-

стиц, см, меньше которых содержится в грунте 17%; g = 981 см/с2.

Как и для глинистого грунта, более точные значения kф несвяз-

ных грунтов получают путем лабораторных и полевых опытов.

6.12.2. Расчетные значения прочности на сдвиг грунтов

На начальной стадии проектирования нормативные значения угла

внутреннего трения φнорм и сцепления Снорм для глинистых и песча-

ных грунтов четвертичных отложений принимают по табл. 6.8 (с

314

учетом коэффициентов их пористости e), которые делят на коэф-

фициенты безопасности и получают их расчетные значения:

tgφрасч = tgφнорм/1,15 (6.76); Срасч=Снорм/1,8 (6.77)

Таблица 6.8

Нормативные значения углов внутреннего трения φнорм и сцепле-

ния Снорм глинистых и песчаных грунтов четвертичных отложений

На рис. 6.82 в качестве примера приведены результаты лаборатор-

ных исследований образцов моренного суглинка (зерновой состав

дан на рис. 6.82, A) каменно-земляной плотины Свартеван (высота

130 м, Норвегия) на стандартное уплотнение и водопроницаемость

(B) и на трехосное сжатие (5 опытов с разной плотностью-

влажностью грунта, G) c замерами порового давления воды (С, E),

объемной деформации и коэффициента консолидации (D), осевой

деформации (E) и прочности на сдвиг (F) суглинка.

Прогноз прочности на сдвиг и модуля деформации пылевато-

глинистых грунтов с обломками скальных пород (моренные, элю-

виальные и др.) и крупнообломочных (галечника, камня) грунтов с

пылевато-глинистым заполнителем приведен ниже.

315

Рис. 6.82. Результаты лабораторных испытаний моренного суглинка (А,

G) на уплотнение и водопроницаемость (B) и трехосное сжатие с опреде-

лением прочности на сдвиг (F), объемной сжимаемости и коэффициента

консолидации (D), осевой деформации (E), порового давления воды (С,E)

316

Для крупнообломочных пород (галечника, камня) упорных боко-

вых призм каменно-земляных плотин при определении расчетных

значений угла внутреннего трения φрасч можно оценить снижение

φрасч через снижение угла сдвига ψрасч с ростом давления вышеле-

жащего грунта по приближенной формуле П.И.Гордиенко:

- для галечника: ψрасч = ψ0 – 5lg(σn/σ0) (6.78)

- для камня (горной массы): ψрасч = ψ0 – 9lg(σn/σ0), (6.79)

где ψ0 - максимальный угол сдвига при σ3 →0; σn=2σ1 σ3 /(σ1+σ3) - нор-

мальное напряжение на площадке сдвига (причем σn≥0,2 МПа).

Максимальный угол сдвига ψ0 определяется с учетом влияния ко-

эффициента относительной плотности ID укладки крупнообломоч-

ных грунтов по зависимости, предложенной Л.Н. Рассказовым:

ψ0 = θ + α IkD , (6.80)

где θ - угол сдвига грунта в предельно рыхлом сложении (ID →0); α, k -

эмпирические коэффициенты (табл. 6. 9).

Таблица 6.9

Значения параметров θ, α, k в формуле (6.80)

Параметры в формуле

(6.80)

Значения параметров для грунтов:

гравийно-галечниковый горная масса

θ 38 – 410

40 – 450

α 7 – 100 8 – 12

0

k 0,8 – 1,0 0,4 – 0,7

Угол сдвига ψ равен углу внутреннего трения φ при С=0 в усло-

вии прочности Мора, обобщившим прочность Кулона в виде:

sinφ= (σ1 – σ3)/(σ1 + σ3 + 2C ctgφ) (6.81)

где σ1 и σ3 – максимальные и минимальные главные напряжения.

Как следует из зависимостей (6.78) и (6.79), сопротивление сдвигу

горной массы или камня в грунтовых плотинах I класса с ростом

нормальных напряжений σn от 0,2 до 2 МПа снижается существен-

но больше, чем в гравийно-галечниковом грунте, что, учитывая

меньшую сжимаемость последнего, доказывает предпочтитель-

ность его использования в профиле грунтовых плотин. Однако при

низких значениях σn<0,1-0,2 МПа сопротивление сдвигу камня

плотных метаморфических пород выше, чем у галечника на 3-50,

что доказывает целесообразность использования камня вблизи

наружных откосов плотины, что повышает их устойчивость осо-

бенно при сейсмических нагрузках (см. рис. 6.68; 6.69; 6.71; 6.74).

317

6.12.3. Прогноз прочности на сдвиг и сжимаемости обломоч-

но-пылевато-глинистых грунтов

Грунты с жесткими структурными связями (класс скальных грун-

тов) подразделяются по пределу прочности на одноосное сжатие в

водонасыщенном состоянии Rc (в МПа) на 7 разновидностей:

Очень прочные ................................................. ……………………..Rc>120

Прочные ............................................................ ………………….120≥Rc>50

Средней прочности .......................................... ……………………50≥Rc>15

Малопрочные.................................................... ……………………..15≥Rc>5

Пониженной прочности ................................... ………………………5>Rc≥3

Низкой прочности .............................. ……………………………….3>Rc≥1

Очень низкой прочности ..................... ………………………………….Rc<1

Классификация обломков по коэффициенту истираемости ke: очень прочные .......................................................... ………….……...ke<0,05

прочные ........................................................... ………………….0,05≤ke<0,10

средней прочности ......................................... ………………….0,10≤ ke<0,20

малопрочные ................................................... ………………….0,20≤ ke≤0,40

пониженной и низкой прочности ................................ ……………….ke>0,40

Важной характеристикой обломков является степень их окатанно-

сти, которая зависит от прочности слагающих их пород и размера

обломков. Обломки менее прочных пород имеют лучшую окатан-

ность по сравнению с обломками более прочных пород.

Пылевато-глинистый заполнитель сильно влияет на прочность и

сжимаемость крупнообломочного грунта. Если содержание об-

ломков становится менее 50%, грунт переходит в подгруппу пыле-

ватых и глинистых грунтов. Тип, вид и разновидность пылевато-

глинистого грунта (заполнителя) определяют по табл. 6.10.

Число пластичности заполнителя IР определяют как разность

влажностей на границах текучести WТ и раскатывания WР.

Показатель текучести определяют по формуле:

IL = (W1 – WР) / (WТ – WР) (6.82)

где W1 - природная влажность пылевато-глинистого грунта (заполнителя);

WТ и WР - влажности заполнителя на границе текучести и раскатывания.

В обломочно-пылевато-глинистых грунтах различают три вида

влажности: заполнителя (частицы <2 мм), обломков (частицы >2

мм) и общая. Влажность обломков зависит от их петрографическо-

го состава и степени выветрелости и мало меняется в течение года.

318

Таблица 6.10. Классификация пылеватых и глинистых грунтов

Подгруппа обломочных, пылеватых и глинистых грунтов:

элювиальные, делювиальные, пролювиальные, моренные, аллювиальные

Типы Виды Разновидности

Выделяются по

числу пластично-

сти, Ip, %:

супеси: 1≤Ip≤7;

суглинки:7<Ip<17

глины: Ip>17

Выделяются по

наличию включе-

ний:

- супесь, суглинок

или глина с галькой

(щебнем) или с гра-

вием, если содержа-

ние частиц >2 мм

составляет 15-25%;

- супесь, суглинок

или глина, галечни-

ковые (щебенистые)

или гравелистые,

если содержание ча-

стиц >2 мм – 15 25%

Выделяют по консистенции

(показателю текучести), IL:

- супеси твердые IL<0;

- супеси пластичные 0≤ IL≤1

- супеси текучие IL>1;

- суглинки и глины:

- твердые IL<0;

- полутвердые 0≤ IL≤0,25;

- тугопластичные

0,25<IL≤0,5;

- мягкопластичные

0,5<IL<0,75;

- текучепластичные 0,75<

IL≤1;

- текучие IL>1

Влажность заполнителя определяют по формуле:

W1 = (100W – P2W2) / (100 – P2) (6.83) где W1 , W2 , W - влажность, соответственно, заполнителя, обломков и все-

го грунта, P2 - процентное содержание обломков в образце грунта.

Отношения между физическими характеристиками обломков, за-

полнителя и грунта определяются следующими уравнениями:

P1+P2=100; W=(P1W1+P2W2)/100; γсух=100/(P1/γ1

сух+P2/γ2сух;

γ1сух=P1γс4ухγ

2сух/(100γ

2сух - P2γсух); γч=100/(P1/γ

1ч+P2/γ

2ч), (6.84)

где P1 - содержание глинистого заполнителя в зерновом составе грунта,

% по массе; P2 - то же, крупных обломков; W1 , W2 , W - влажность по мас-

се соответственно заполнителя, обломков, грунта в долях единицы; γ1сух;

γ2сух; γсух - плотность сухого заполнителя, обломков, грунта, т/м

3; γ

1ч, γ

2ч,

γч - плотность частиц заполнителя, обломков, грунта, т/м3.

Пористость и коэффициент пористости заполнителя, обломков и

грунта определяется по известным зависимостям:

n = 1– γсух/γч = (γч – γсух)/γч); e= n/(1–n)=(γч – γсух)/γч , (6.85) где n - пористость заполнителя, обломков или грунта в долях 1,0; е - ко-

эффициент пористости заполнителя, обломков или грунта в долях 1,0;

γсух=γ1сух=γ

2сух; γч=γ

1ч=γ

2ч - плотности сухие и частиц в формулах (6.84).

319

Механические свойства обломочно-пылевато-глинистых грунтов

зависят от ряда факторов, отражаемых физическими характе-

ристиками входящих в их состав скальных обломков грунта и пы-

леватого или глинистого заполнителя. Опыт исследований смесей

этих грунтов в ДальНИИС, Гидропроекте, НИИЭС, ВНИИГ пока-

зал, что каждый из механических параметров (φ, С, Е) этих грун-

тов зависит от следующих шести физических факторов:

- зернового состава грунта, прочности и окатанности обломков;

- числа пластичности пылеватого или глинистого заполнителя;

- показателя текучести пылеватого или глинистого заполнителя;

- плотности пылеватого или глинистого заполнителя, опреде-

ляющего плотность грунта в целом.

На основе этих исследований в ДальНИИС был обоснован безраз-

мерный эквивалент физических параметров- обобщенный коэф-

фициент физических характеристик обломочно-пылевато-глинис-

того грунта Мτ как мера связей физических характеристик с меха-

ническими. Безразмерный эквивалент грунта Мτ определяется как:

Мτ = p1[IP (1+IL)] / p2 (6.86)

где р1 - процентное содержание заполнителя (частицы <2 мм) в грунте;

р2 - то же, обломков (частицы ≥2 мм); IP - число пластичности заполните-

ля в 1,0; IL - показатель текучести заполнителя по уравнению (2).

Нормированную плотность обломочно-пылевато-глинистого грун-

та γn (т/м3) определяют по формуле:

γn = ks γn1 (6.87)

где ks - поправочный коэффициент, зависящий от коэффициента истира-

емости обломков ke и плотности частиц заполнителя γ1ч определяют по

табл. 6.11; γn1 - нормированная плотность грунта c прочными острыми

обломками определяют по величине физического эквивалента грунта Мτ:

Мτ ………………0 0,05 0,10 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

γn1 (т/м3 ) ……...1,7 2,26 2,19 2,13 2,07 2,03 2,01 1,99

Таблица 6.11. Коэффициент ks для определения плотности грунта γn Коэффициент ис-

тираемости ke

Поправочный коэффициент ks при плотности частиц γ1ч

(т/м3)

2,65 2,70 2,75 2,80

≤0,10

0,20

0,30

0,40

1,00

0,90

0,85

0,80

1,00

0,92

0,87

0,82

1,00

0,93

0,88

0,83

1,00

0,94

0,89

0,84

320

Нормативные значения углов внутреннего трения крупно-

обломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пыле-

вато-глинистых грунтов с крупными включениями при консоли-

дированном срезе φп (град.) определяют по степенной зависимо-

сти:

φп = k1 kφ 46,0 (0,3)M

τ

(6.88)

где k1 - коэффициент окатанности обломков для угла φп грунтов с ока-

танными обломками k1 определяют по графику рис. 6.83; для грунтов с

острыми обломками k1 =1; kφ - коэффициент, учитывающий прочность

обломков, - по табл. 6.12; Мτ - физический эквивалент грунта, определяе-

мый по формуле (6.86); φп по формуле (6.88) определяют в интервале

значений эквивалента 0<Мτ ≤1,0.

Таблица 6.12

Понижающие коэффициенты kφ на прочность обломков для углов

внутреннего трения φ с очень прочными обломками (ke<0,05)

Коэффициент

истирае-

мости ke

Коэффициент kφ при значениях физического эквивалента грунта

Мτ

0,01 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0

≤0,05

0,10

0,20

0,30

0,40

1,00

0,92

0,76

0,64

0,52

1,00

0,92

0,77

0,65

0,53

1,00

0,93

0,78

0,66

0,54

1,00

0,94

0,81

0,69

0,57

1,00

0,94

0,83

0,72

0,61

1,00

0,95

0,85

0,75

0,65

1,00

0,97

0,87

0,77

0,67

1,00

0,97

0,90

0,81

0,72

1,00

0,98

0,94

0,86

0,78

1,00

1,00

0,98

0,93

0,88

Рис. 6.83. Зависимость коэффициента окатанности k1 от Мτ

Нормативные значения сцепления крупнообломочных грунтов с

пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов

с обломками для схемы консолидированного среза Сn (кПа) оп-

ределяют по формуле:

Сn = k2 kγ 79,0 Мτ0,32

/ (1 + IL)3,62

(6.89) где k2 - коэффициент окатанности обломков для сцепления: для грунтов с

окатанными обломками, k2=0,9; для грунтов с острыми обломками неза-

висимо от их прочности k2=1; kγ - коэффициент, учитывающий плотность

321

грунта, принимают в зависимости от соответствия фактической плотно-

сти грунта γф его нормированным значениям γn, определяемым по форму-

ле (6.87); если γф соответствует γn по формуле (6.87) или отклоняется от

нее < ± 0,1 т/м3, то kγ=1,0; если γф>γn на 0,1 т/м

3 и более, то kγ=1,1; если γф

<γn на 0,1 т/м3, но не менее чем на 0,2 т/м

3, то kγ=0,9; если γф<γn на 0,2 т/м

3

и более, то kγ=0,8; Мτ и IL имеют те же значения, что по формуле (6.86).

Нормативные значения углов внутреннего трения крупнообломоч-

ных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-

глинистых грунтов с крупными включениями для схемы неконсо-

лидированного среза φ'п (град.), определяют по формуле:

φ'п = k1 kφ 37,0 (0,23)M

τ ( 6.90) где k1 , kφ , Мτ - коэффициенты, имеющие значения, что и в формуле

(6.87); φ'п по формуле (6.90) определяют в интервале значений эквивален-

та грунта 0<Мτ≤0,6.

Нормативные значения сцепления крупнообломочных грунтов с

пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов

с крупнообломочными включениями для схемы неконсолидиро-

ванного среза, C′n (кПа), определяют по формуле:

C′n = k2 kγ 87,0 Мτ0,51

/ (1 + IL)3,85

(6.91) где k2 , kγ , Мτ , IL - имеют те же значения, что и в формулах (6.89) и

(6.86); сцепление по формуле (6.91) определяют в интервале значений

физического эквивалента грунта 0<Мτ ≤0,6.

Нормативные значения модулей деформации Е, МПа, крупно-

обломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пыле-

вато-глинистых грунтов с обломками определяют по формуле:

E = kE kL kp(E) / (0,07 Мτ + 0,017) (6.92)

где Мτ - физический эквивалент грунта по формуле (6.86); kE - коэф-

фициент, учитывающий прочность крупных обломков (табл. 6.13); kL -

коэффициент, зависящий от процентного содержания обломков Р2 и по-

казателя текучести пылеватого или глинистого заполнителя IL (номо-

грамма рис. 6.84); kp(E) - коэффициент, учитывающий плотность грунта,

принимается в зависимости от соответствия фактической плотности γф,

т/м3, ее нормированным значениям γn, определяемым формулой (6.87):

Соответствует нормированным значениям γn или отклоняется

от нее не более чем на ± 0,1 т/ м3 .................................... ………………..10

Превышает значения γn на 0,1 т/м3 и более.................. ………………...1,05

Меньше значений γn на 0,1 т/ м3и более, но меньше чем на 0,2 т/м

3 ….0,95

То же, на 0,2 т/м3 и более .............................................. …………………0,90

322

Модули деформации грунтов по формуле (6.92) определяются при значе-

ниях физического эквивалента грунта в интервале 0< Мτ ≤0,6.

Коэффициент kE. Таблица 6.13

Плотность

обломков

по ke

Коэффициент kE при значениях эквивалента Мτ

0 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

≤0,10 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

0,20 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,97 0,99 1,00

0,30 0,82 0,84 0,85 0,87 0,90 0,94 0,98 1,00

0,40 0,73 0,75 0,77 0,80 0,84 0,90 0,96 1,00

Рис. 6.84. Номограмма зависимости коэффициента kL от показате-

ля текучести заполнителя IL и содержания (%) обломков в грунте

Для предварительной оценки нормативных значений модулей де-

формации крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым за-

полнителем и пылевато-глиниcтых грунтов с крупными обломка-

ми определяют по следующей формуле используя табл. 6.13:

E = kE kp(E) E1 (6.93) где kE,, kp(E) - коэффициенты имеют те же значения, что в формуле (6.92);

E1 - нормативное значение модуля деформации грунтов с прочными об-

ломками определяется по табл. 6.14.

323

Таблица 6.14

Нормативные значения модуля деформации Е1 крупнообломочных

грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-

глинистых грунтов с крупными прочными обломками, ke<0,10

Тип заполнителя и его

показатели текучести, IL

Модуль деформации Е1, МПа, при содержании

в грунте обломков (частицы > 2 мм), %

40 50 60 70 80 90

Супеси: 0≤ IL ≤0,25

0,25≤ IL ≤0,5

32

26

38

31

43

36

47

43

51

50

55

54

Суглинки: 0,25< IL ≤0,5

0,5< IL ≤0,75

17

-

22

10

28

15

36

26

45

37

51

48

Глины: 0≤ IL ≤0,25

0,25< IL ≤0,5

0,5< IL ≤0,75

23

12

-

29

17

-

35

22

12

41

30

22

47

40

33

53

48

45

Примечания.

1. Нормативные значения модуля деформации Е1 относятся к грунтам

нормированной плотности с острыми и окатанными обломками из проч-

ных скальных пород ke (≤0,10):

а) для грунтов с обломками с прочностью ke>0,10 табличные значения

модулей деформации следует умножать на коэффициент kE, учитываю-

щий прочность обломков и определяемый по табл. 6.13;

б) при фактической плотности грунтов, отличающейся от нормирован-

ной, значения модуля деформации принимают с коэффициентом kp(E).

2. Модули деформации даны для средних значений чисел пластичности

заполнителя (супеси IP=3,5%; суглинки IP=12%; глины IP =22,5%). Для

промежуточных значений чисел пластичности и показателей текучести

глинистого заполнителя и процентного содержания в грунте обломков

значения E1 следует определять линейной интерполяцией.

324

Глава 7. Береговые водосбросы низконапорных гидроузлов

7.1. Пропускная способность водосбросов и водоспусков В составе гидроузлов обычно предусматривают водопропуск-ные

сооружения, подразделяемые на водосбросы и водовыпуски.

Водосбросы предназначены для пропуска из водохранилища в НБ

паводковых расходов при заданных расчетных уровнях воды в ВБ;

пропуска льда, шуги и других плавающих тел в НБ; транзита вле-

комых наносов в НБ (для небольших гидросооружений).

Водовыпуски используют для постоянных полезных попусков во-

ды из ВБ в НБ согласно водохозяйственным и санитарным требо-

ваниям; водоспуски - для полного или частичного опорожнения

водохранилища для ремонта сооружений, расположенных в ВБ;

для промыва наносов, отложившихся перед сооружением. Входное

отверстие водовыпуска располагают обычно на отметках, обеспе-

чивающих сработку ВБ до уровня (УМО). При выборе типов и

размеров водосбросов и водоспусков следует рассматривать воз-

можность совмещения их функций в одном сооружении и исполь-

зования водоспуска для пропуска строительных расходов воды.

Максимальный расчетный расход через водосброс, определяют со-

гласно СНиП 33-01-2003 (стр. 41, табл. 2.7) с учетом класса со-

оружения и трансформации паводка водохранилищами. Водо-

бросы I класса рассчитывают на пропуск расходов обеспечен-

ностью 0,01 %; II класса - 0,1%; III и IV классов - 0,5 и 1,0% соот-

ветственно. Пропускную способность водосброса определяют при

полном открытии всех отверстий с учетом пропуска части расхода

через водоспуск (водовыпуск) и другие водосбросные сооружения

(ГЭС и шлюз) и учитывая возможность форсирования уровня ВБ.

Расчетный расход водоспуска (водовыпуска) определяют по за-

данному сроку опорожнения ВБ и санитарному расходу. Скорость

опорожнения ВБ назначают с учетом допустимой скорости его по-

нижения из условий устойчивости склонов и верхового откоса

земляной плотины (обычно ВБ срабатывают за 2-3 мес.). Санитар-

ный расход задают из условий потребностей в воде населения и

предприятий, расположенных ниже гидроузла. Размеры (ширину и

высоту) водопропускных отверстий, перекрываемых затворами,

принимают согласно СНиП П-50-74 (стр. 75, табл. 3.2 пособия).

Отметку порога водосброса и размеры его отверстий выбирают на

основе технико-экономического сравнения вариантов. Отметка

325

порога водоспуска диктуется величиной сработки ВБ или санитар-

ного расхода при сработке ВБ до уровня мертвого объема (УМО).

При проектировании водосбросов, работающих при высоких ско-

ростях воды, уделяют внимание разработке мероприятий по защи-

те их оснований от размыва, а их элементов - от кавитации.

7.2. Типы водосбросов, водовыпусков, условия их применения В состав гидроузла с глухой плотиной (рис. 7.1) обычно входят два

водосбросных сооружения - водосброс и водовыпуск.

Рис. 7.1. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым водо-

сбросом-быстротоком, водовыпуском и водозабором на орошение: 1 - грунтовая плотина; 2 - автоматический береговой водосброс; 3 - водо-

слив-порог; 4 - подводящий канал; 5 - водовыпуск; 6 - водозабор на оро-

шение; 7 - канал на орошение; 8 - трапы лестниц по откосу плотины;

а - вариант регулируемого водосброса; б - вариант носка-трамплина

326

По расположению относительно глухой грунтовой плотины, пере-

крывающей русло, водосбросы могут быть расположены непо-

средственно в теле плотины, вне ее: на берегу или на пойме.

Водосброс в теле грунтовой плотины может представлять собой:

- трубчатое бетонное сооружение, опирающееся на грунт основа-

ния и засыпанное укатанным грунтом плотины;

- бетонный водослив, сопрягающийся с грунтовой плотиной;

- переливную грунтовую плотину, имеющую на низовом откосе и

гребне железобетонное, бетонное и каменное крепление с заан-

керенной в откос стальной сеткой (каменные габионы), позволяю-

щей пропускать пик паводка через гребень по откосу (раздел 7.8).

Водосбросы в теле грунтовых плотин располагают в русле (рис.

7.2, а) или на пойме (рис. 7.2, 6) в зависимости от принятых схем

возведения плотины и пропуска строительных расходов.

Рис. 7.2. Основные типы водосбросов в теле грунтовых плотин: а - русловой; б - пойменный; 1 - плотина; 2 - водосброс; 3 - подводящая

часть; 4 - сбросная часть

Эти водосбросы выполняют тогда, когда это решение по технико-

экономическим показателям выгоднее варианта с его береговым

расположением. Например, когда берега русла недостаточно

устойчивы или трубчатую часть водосброса используют в строи-

тельный период как временный водосброс. При прочих равных

условиях для гидроузла с грунтовой плотиной береговой водо-

сброс выгоднее руслового, если нет необходимости пропуска через

него строительных расходов. Береговой водосброс выгоден при

сбросных расходах свыше 5 тыс. м3/с, а иногда до 12 тыс. м

3/с.

На берегу водосбросы устраивают в следующих случаях:

- при малых сбросных расходах на низконапорных гидроузлах при

327

благоприятных топографических и геологических условиях;

- в составе средне- и высоконапорных гидроузлов тогда, когда

надежный водосброс в теле плотины грунтовой сделать трудно;

- в узких скальных створах, где строительные расходы реки могут

быть пропущены только через туннели в берегах, которые затем

можно переоборудовать в постоянные водосбросы.

Пропуск пика паводка по пойме производят на низко- и среднена-

порных гидроузлах, если пойму можно использовать для размеще-

ния резервного нерегулируемого водосброса. В ряде случаев ре-

зервный водосброс устраивают в природных понижениях местно-

сти в виде земляной вставки, размываемой при превышении НПУ.

Тип паводкового водосброса выбирают по результатам технико-

экономического сравнения разных типов водосброса с учетом во-

дохозяйственных показателей гидроузла, расчетных расходов раз-

личных обеспеченностей, топографических и геологических усло-

вий в створе гидроузла, геотехнических параметров грунтов осно-

вания, типа грунтовой плотины и расчетного напора, условий про-

пуска строительных расходов, проекта организации строительства.

По условиям расположения входной (головной) части различают

открытые и глубинные водосбросы (последние в пособии не рас-

сматриваются, так как они не входят в программу курса).

Открытым водосброс называют в том случае, если он имеет по-

верхностное входное отверстие. Глубинные водосбросы бывают

напорными и безнапорными, трубчатыми и туннельными. Их

входное отверстие затоплено под уровень ВБ, а транзитная часть

представлена трубой или туннелем. Если глубинное отверстие

расположено у дна реки, то водосброс называют донным.

По типу поперечного сечения водосбросы бывают с открытым с

незамкнутым сечением, закрытые с замкнутым и редко - комбини-

рованные - с участками замкнутого и незамкнутого сечения.

Открытые береговые водосбросы обычно выполняют в виде:

- открытого водосбросного канала (быстротока) для сопряжения

уровней между ВБ и НБ (см. рис. 7.1);

- многоступенчатого перепада;

- консольного сброса (см. рис. 7.1, б).

Закрытые водосбросы (водовыпуски) бывают поверхностными и

глубинными (донными). К поверхностным закрытым водосбросам

относят трубчатые, сифонные, туннельные и шахтные водосбросы.

328

По конструкции входной части открытые водосбросы бывают:

- с лобовым подводом воды (фронтальные);

- с боковым отводом воды (траншейные);

- с полигональным водосливом (лабиринтные);

- веерообразные в плане и др.

Закрытые водосбросы и водовыпуски подразделяют на фронталь-

ные и траншейные безбашенные, башенные, ковшовые и др. По

условиям управления водосбросы делят на регулируемые (с затво-

рами) и нерегулируемые (без затворов, автоматические).

Водовыпуски (водоспуски) по ряду признаков напоминают закры-

тые водосбросы. Обычно их располагают на грунте основания (не

на насыпном грунте). Тип водовыпуска определяется строитель-

ными расходами и способом их пропуска, водохозяйст-венными

характеристиками реки и водохранилища, топографичес-кими,

геологическими и экономическими условиями гидроузла.

При малом диапазоне колебаний УВБ водовыпуск может пред-

ставлять собой открытый регулятор (открытый водовыпуск).

Обычно диапазон колебаний УВБ оказывается значительным и во-

довыпуски (водоспуски) устраивают закрытыми.

По конструкции водовыпуски подразделяют на трубчатые и тун-

нельные (последние в этом пособии не рассматриваются).

По расположению регулирующих затворов различают водо-

выпуски: с затворами в начале водопропускного тракта, с зат-

ворами в средней его части и затворами в его конце.

Основные типы водосбросов, используемых в гидроузлах с глухи-

ми грунтовыми плотинами, имеют определенные области приме-

нения (см. рис. 7.3). Эти области показаны в зависимости от мощ-

ности сбросного потока N=0,0098∙Q∙H (МВт) и относительной ши-

рины речной долины L/H, где L и Н - соответственно длина плоти-

ны по гребню и ее высота; Q - расчетный расход водосброса, м3/с;

H -перепад между уровнем ВБ и отметкой уровня воды в русле в

НБ при пропуске расчетного паводка Q.

Наибольшее распространение получили открытые водосбросы. В

узких речных долинах при относительно небольших мощностях

сбросного потока сооружают русловые открытые водосбросы, при

больших мощностях - береговые водосбросы. Туннельные водо-

сбросы применяют в основном в узких речных долинах, чаще в

комбинации с другими типами русловых и береговых водосбросов.

329

Рис. 7.3. Области применения различных водосбросов в гидроуз-

лах с глухими плотинами (по В. М. Семенкову): I - туннельные водосбросы; II - береговые открытые и глубинные водо-

сбросы; III - русловые водосбросные плотины с поверхностным перели-

вом и глубинными отверстиями

7.3. Открытые береговые водосбросы

Эти водосбросы устраивают на гидроузлах с грунтовыми и бетон-

ными глухими плотинами. Располагают их обычно на одном бере-

гу (рис. 7.4). Расположение водосбросов на двух берегах приме-

няют редко: при высоких сбросных расходах и возможности их

размещения по топографическим и геологическим условиям и с

учетом компоновки гидроузла. Обычно эти береговые водосбросы

применяют при расходах 500-12000 м3/с на одно сооружение.

Открытые береговые водосбросы по форме и условиям работы

близки к бетонным водосливным плотинам, рассмотренным в гла-

ве 3. Их отличие от последних заключается в том, что они требуют

более сложных сопрягающих устройств в примыканиях водослив-

ной плотины к грунтовой для защиты последней от размыва. Их

выполняют в виде открытых водосбросных каналов, быстротоков

и разных сочетаний водослива с ними. Водосбросной тракт (быст-

роток) водосбросов обычно имеет большую длину.

По типу оборудования эти водосбросы подразделяют на регулиру-

330

емые (с затворами и механизмами для их подъема и опускания) и

нерегулируемые (автоматического). Последние не имеют затворов

(открытый водослив, сифон) или имеют их, когда подъем затворов

происходит по достижении заданного уровня ВБ.

Регулируемые водосбросы с затворами при глухих плотинах

обычно на 20% дешевле подобных нерегулируемых водосбросов.

Рис. 7.4. Схема открытого берегового водосброса: 1 - подводящий канал; 2 - водослив; 3 - отводящий промежуточный ка-

нал; 4 - быстроток; 5 - концевая часть; 6 - грунтовая плотина; 7 - русло

Ось водосбросного тракта чаще всего трассируют по водо-

раздельным участкам склона, по возможности перпендикулярно

горизонталям. С особой осторожностью относятся к вариантам

трассировки оси водосброса по понижениям эрозионного проис-

хождения (балкам и оврагам), так как это говорит о неблаго-

приятных геологических и гидрологических условиях. При трас-

сировке оси водосброса перпендикулярно горизонталям объемы

331

земляных работ меньше, чем при трассировке под углом к гори-

зонталям. При трассировке по крутым косогорам ширина транзит-

ной части водосброса должна быть наименьшей. Поэтому быстро-

токи часто делают сужающимися по течению, что предупреждает

также образование катящихся волн.

Открытые береговые водосбросы состоят из трех основных ча-

стей: а) подводящего канала; б) водослива фронтального типа, ре-

гулирующего сбрасываемый расход; в) водоотводящего тракта.

Подводящий канал должен обеспечивать плавный подвод воды к

водосливу. В плане он имеет обычно криволинейное очертание и

переменную ширину вдоль потока. При больших глубинах канал

часто выполняют с горизонтальным дном, а при малых глубинах -

с обратным уклоном для обеспечения более равномерного и плав-

ного входа в него воды. Откосы и дно канала в скальных грунтах

не укрепляют, а в нескальных - покрывают защитной одеждой в

зоне его примыкания к водосливу, если скорости потока превыша-

ют допустимые для неукрепленного грунта. Поперечное сечение

подводящего канала трапециедальное с заложением откосов при-

мерно 1,5-2,5 в нескальных грунтах и 0,5 - в скальных.

Водосливная часть с прямолинейным очертанием в плане пред-

ставляет собой обычно водослив с низким порогом (рис. 7.5, а, 6),

реже - практического профиля (рис. 7.5, в).

Рис. 7.5. Конструкции водосливной части берегового водосброса: а, б - с низким порогом; в - с водосливом практического профиля

332

Водосбросы с лобовым подводом воды (фронтальные) и транзит-

ной частью в виде быстротока. При ограниченных возможностях

форсирования уровня ВБ и в тех случаях, когда топографические

условия створа не позволяют получить прямолинейный фронт во-

досливного порога требуемой длины, входной части берегового

водосброса придают криволинейную, полигональную (лабиринт-

ную) в плане форму (рис. 7.6, а–е), а также и «мексиканский» (ве-

ерный) тип входной части (рис. 7.6, ж, з).

Рис. 7.6. Входные части открытых береговых водосбросов: а - сужающаяся с прямолинейным водосливным порогом; б - с циркуль-

ным порогом; в - с зигзагообразной тонкой стенкой по гребню циркуль-

ного порога практического профиля; г - со струйным течением; д - с ис-

кусственной шероховатостью; е - с полигональным (лабиринтным) водо-

сливным порогом; ж, з - план и разрез мексиканского водосброса

При применении регулируемых водосбросов необходимо учиты-

вать следующее: затворы позволяют отказаться от устройства раз-

витой входной части, но их маневрирование следует проводить

так, чтобы избежать быстрых и опасных повышений УНБ; закли-

нивание затворов приводит к переливу через гребень плотины.

Особенностью водослива берегового водосброса является от-

сутствие ниже его устройств для гашения энергии воды, поступа-

ющей в водоотводящий тракт, состоящий из промежуточного ка-

нала, сопрягающего сооружения (быстротока) или многоступен-

чатого перепада и устройства для гашения энергии потока.

333

Отводящий промежуточный канал устраивают для выравни-вания

потока и подвода его к сопрягающему сооружению. Длина канала

определяется топографией трассы водоотводящего тракта. При

большом уклоне трассы его не устраивают. Дно и откосы канала

укрепляют бетонной одеждой, толщину которой принимают с уче-

том скорости потока и геологических условий.

Быстроток представляет собой канал, уклон которого намного

превышает критический. Обычно уклон задают в пределах 0,05-

0,25, но он может быть больше, например в скальных грунтах.

Ширина быстротока бывает постоянной или переменной, умень-

шающейся или возрастающей книзу (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Быстротоки: а - расширяющийся; б - сужающийся

Изменение ширины быстротока вызывается условиями гашения

энергии в НБ и возможностью сокращения объема работ. Обычные

схемы быстротоков даны на рис. 7.8 и 7.9. Быстротоки выполняют

в виде железобетонного лотка с прямоугольным, трапециедальным

или полигональным сечением (рис. 7.10, а-г).

334

Рис. 7.8. Береговой водосброс гидроузла Карлос Мануэль (Куба,

Q=3660 м3/с): 1 - водоспуск; 2 - земляная плотина; 3 - водосброс

Борта лотка образуются подпорными стенками, отрезанными от

днища деформационными швами. В малых лотках стенки и днище

представляют собой монолитную неразрезную конструкцию доко-

вого типа. Днище бетонного лотка на нескальных грунтах выпол-

няют в виде плиты толщиной 0,3-0,8 м. Стенки и днище по длине

лотка разрезают деформационными швами через 20-25 м. В скаль-

ных прочных породах облицовку не делают. В слабых скальных и

полускальных породах борта лотка выполняют крутизной 1:0,3-

1:0,5, а его дно и откосы покрывают заанкеренной в скалу бетон-

ной облицовкой толщиной 0,2-0,3 м.

В плане быстротокам придают прямолинейное очертание, но ино-

гда при небольших расходах их выполняют криволинейными, что

сильно влияет на форму сечения лотка. Для обеспечения надежной

работы лотка при действии центробежных сил его дну придают

уклон в поперечном направлении с большой разницей отметок у

335

вогнутой и выпуклой стенок (рис. 7.9, д). Применение быстрото-

ков с виражом в условиях сложного рельефа местности позволяет

заметно снизить объемы работ.

Рис. 7.9. Гидроузел Альмендро (Испания) с двумя быстротоками

В широких быстротоках и на криволинейных участках быстро-

токов с горизонтальным дном для повышения устойчивости пото-

ка в поперечном направлении и равномерного изменения глубины

на закруглении устраивают раздельные стенки (рис. 7.11 и 7.13).

Для предотвращения волнообразования на быстротоке применяют

безволновые желобчатые, криволинейные и фигурные сечения

(рис. 7.12) или устройством искусственной шероховатости на ча-

сти его длины для снижения скорости потока (рис. 7.14, а).

336

Рис. 7.10. Поперечное сечение быстротоков: а, в - в нескальном грунте; б, г, д - в скале; 1 - дренаж; 2 - анкеры

Рис. 7.11. Водосброс-быстроток с криволинейным водосливом и

раздельными стенками: 1 - водослив; 2 - бетонная плотина

Рис. 7.12. Безволновые поперечные сечения быстротоков

337

Рис. 7.13. Быстроток с раздельными стенками:

1 - верх раздельной стенки; 2 - носок-трамплин; 3 - цемзавеса; 4 - бетон-

ная плита толщиной 1 м; 5 - дрена; 6 - обратная засыпка грунта

На протяженных быстротоках водосбросов с большими уклонами

часто возникают остановившиеся и катящиеся волны. Остано-

вившиеся волны представляют собой косые гидравлические

прыжки, которые при η=h1/h2 ≤2 называют волнистым прыжком, а

при η >2 - прыжком-волной. Формулы для расчета параметров

этих прыжков приведены в разделах гидравлики бурных потоков.

Возникновение катящихся волн на быстротоке проявляется в обра-

зовании после начального участка неравномерного движения на

свободной поверхности потока чешуйчатых волн, которые по мере

их продвижения вниз по течению нагоняют друг друга, сливаются

и растут. При достаточно большой длине быстротока поток оказы-

вается разделенным на отдельные катящиеся волны-импульсы.

Высота гребней этих волн обычно превышает расчетную глубину

установившегося движения, что приводит к снижению расчетной

пропускной способности быстротока. Кроме того, с возникновени-

ем катящихся волн нарушается работа концевых участков быстро-

тока, волны выплескиваются на бермы быстротока, что приводит к

инфильтрации воды за облицовку и разрушению последней. В тя-

желые условия попадают концевая часть и отводящий канал водо-

сброса. Чаще всего катящиеся волны возникают в сечениях прямо-

338

угольной и трапециедальной формы, при больших уклонах быст-

ротока (свыше 0,02-0,025) и при распластанных поперечных сече-

ниях. Эти волны образуются в неаэрированных и аэрированных

потоках. Основная причина возникновения катящихся волн - поте-

ря потоком устойчивости движения. Разработаны методы прогноза

возникновения катящихся волн и определения их параметров.

Борьбу с образованием катящихся волн ведут по двум основным

направлениям: предупреждение волнообразования; ликвидация

уже возникших волн с помощью специальных устройств на тран-

зитной или концевой частях водосброса. Первое направление при-

меняется при проектировании водосбросов; второе - как на проек-

тируемых, так и на действующих водосбросах. Предупредить вол-

нообразование можно, применяя сужающиеся в плане быстротоки,

искусственную шероховатость и проектируя струйные быстротоки

и быстротоки с безволновыми поперечными сечениями. Возник-

шие на быстротоке катящиеся волны ликвидируют с помощью ре-

шетчатых трамплинов и специальных гасителей в концевой части

или сотовых гасителей на быстротоке.

Сужающиеся в плане быстротоки (см. рис. 7.14, а) позволяют

уменьшить объем земляных работ по трассе, обеспечить плановое

сопряжение развитых входных частей с быстротоками постоянной

ширины и создать благоприятный гидравлический режим работы

концевой части. Однако на длинных быстротоках возникает необ-

ходимость устройства в его конце расширяющегося участка

(рис. 7.14, а) с рассеивающим носком-трамплином.

Используемые для борьбы с волнообразованием так называемые

струйные быстротоки (см. рис. 7.6, г) имеют наряду с боковыми

несколько продольных раздельных стенок. Искусственная шеро-

ховатость (см. рис. 7.6, д) служит для борьбы с катящимися и сто-

ячими волнами. Следует отметить, что усиленная шероховатость -

крайняя мера для управления режимом потока. При обоснованном

назначении плановых очертаний транзитной части и гидравличе-

ского режима работы водосброса в большинстве случаев можно

отказаться от применения искусственной шероховатости. К ее не-

достаткам относят: трудоемкость выполнения отдельных элемен-

тов шероховатости и их быстрое разрушение из-за выветривания,

истирания наносами и механических повреждений; необходимость

увеличения высоты боковых стенок; ухудшение кавитационной

339

обстановки на быстротоке (особенно при больших скоростях набе-

гания потока на ребра шероховатости). Достоинствами шерохова-

тости можно считать облегчение на транзитном участке условий

гашения энергии потока в НБ и ликвидацию мелких стоячих волн

на переходных участках.

Примеры использования специальных средств для ликвидации уже

возникших волн представлены на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Средства борьбы с волнообразованием на быстротоках: а - сужение в плане быстротока; б, в, г - гасители в конце быстротока, со-

ответственно типа зигзаг, ребра и решетчатый трамплин; 1 - водовыпуск;

2 - плотина; 3 - водосброс; 4 - ребра нарастающей высоты; 5 - быстро-

ток; 6 - растекатель; 7 - прорезная водобойная стенка

340

При высоком положении кривой депрессии фильтрационного по-

тока на трассе быстротока обычно предусматривают трубчатый

дренаж под днищем и за стенками быстротока.

Сопряжение быстротока с НБ на нескальных грунтах осущест-

вляют с помощью водобойного колодца или стенки. На скальных

грунтах при больших скоростях потока в конце быстротока приме-

няют трамплины с сосредоточенной струей и реже рассеивающие

трамплины.

7.4. Гидравлический расчет открытых береговых водосбросов

Гидравлический расчет открытых береговых регулируемых водо-

сбросов заключается в общем случае в расчете:

• подводящего канала;

• головного сооружения (обычно шлюза-регулятора);

• соединительного канала (иногда нескольких);

• сопрягающего сооружения (быстротока);

• отводящего канала.

В зависимости от высоты плотины, топографических и геоло-

гических условий, величины расчетного расхода и др. состав со-

оружений водосбросного тракта может различаться, тогда будут

различаться и составные элементы гидравлического расчета.

Поперечные сечения каналов назначаются так, чтобы при пропус-

ке максимальных расходов скорость в них не превышала допусти-

мую, а в подводящем канале имел место плавный вход. С этой це-

лью подводящий канал делают расширяющимся в плане вверх по

течению и с обратным уклоном дна. При этом скорости течения

оказываются настолько малыми, что потерями напора пренебре-

гают и считают, что свободная поверхность в нем горизонтальная

и соответствует расчетному уровню ВБ. Глубина воды в подводя-

щем канале равна напору воды на водосливе Н, если его гребень

устраивается на уровне дна подводящего канала, и сумме напора

на водосливе и высоты его порога Р, если он возвышается над

дном подводящего канала.

Ширина соединительного и отводящего каналов постоянная, а

уклон дна положительный. Размеры их поперечных сечений опре-

деляются по правилам проектирования водопроводящих каналов

341

при равномерном движении воды. В нескальных грунтах сечение

каналов обычно трапециедальное. Заложение их откосов прини-

мают таким, как для обычных водопроводящих каналов.

Уровень воды в соединительном канале назначают так, чтобы

обеспечить неподтопленный режим работы водослива и создать

благоприятные условия для сопряжения бьефов за ним. Поэтому

рекомендуется назначать следующие перепады z на пороге водо-

слива: для водослива с широким порогом z = 0,4H, для водослива

практического профиля z = Н, где Н - напор на пороге водослива.

Глубина воды на пороге головного сооружения (обычно шлюза ре-

гулятора) принимают Н=2-4 м в зависимости от величины расхода.

При больших расходах воды в соединительном канале может об-

разоваться кривая спада, увеличивающая скорость течения, что

может вызвать размыв канала. Для ликвидации кривой спада в

конце соединительного канала в ряде случаев устраивают порог,

высота которого определяется по формуле

P = hн -H' , (7.1)

где hн - глубина, соответствующая равномерному режиму потока (нор-

мальная глубина), м; Н' - напор на пороге, работающем как неподтоплен-

ный водослив практического профиля, м.

Нормальная глубина канала hн определяется при гидравлическом

расчете канала. Напор на пороге в случае трапециедального сече-

ния канала вычисляется по формуле пропускной способности тра-

пециедального водослива практического профиля:

Q = т(b0 + 0,8mk H')(2gH03/2

)1/2

, (7.2)

где т - коэффициент расхода для предварительных расчетов (т= 0,43);

b0 - ширина порога по нормали к оси канала, м; тk - заложение откосов

канала; Но - глубина воды на пороге с учетом скорости подхода:

Но = H' + v2

k /2g , (7.3)

vk - скорость течения в соединительном канале.

В формуле (7.4) два неизвестных члена - Н' и b0. Поэтому Н' опре-

деляется подбором в такой последовательности:

1) задаются высотой Р; 2) определяют Н'= hн -P; 3) определяют

b0= bк + тk Р, где bк - ширина канала по дну, м; 4) находят Q.

Высота порога варьируется до тех пор, пока найденный расход не

будет равен расчетному максимальному расходу.

342

При прямоугольном сечении канала высота порога определяется

без подпора по соответствующей формуле прямоугольного водо-

слива. Однако такое сечение канала возможно в скальных грунтах

или при устройстве канала как бетонного лотка, когда опасность

размыва канала при образовании кривой спада невелика и от

устройства порога можно отказаться.

Гидравлический расчет головного сооружения (шлюза-регулятора)

и сопрягающих сооружений приведен в главе 3 [15].

Конструкция водосливов с входным порогом на уровне дна подво-

дящего канала аналогична конструкции открытых водоспусков,

которые иногда выполняют роль береговых водосбросов. Поэтому

методы их проектирования одинаковы (см. раздел 7.5).

Как показывает опыт проектирования и эксплуатации неболь-ших

водохранилищ, управляемые водосбросы низконапорных гидро-

узлов целесообразно эксплуатировать в автоматическом режиме

путем перелива воды через верх затворов, проектируя небольшую

(до 0,3-0,5 м) форсировку уровня воды в ВБ.

Задачи гидравлического расчета водосброса-быстротока обу-

словлены наличием в его составе трех основных частей (головной,

сбросной и концевой) и заключаются в следующем:

1) определение параметров головного участка (очертания под-

водящего канала, число и ширина водосливных пролетов, отметка

порога), обеспечивающих заданную пропускную способность;

2) выявление характеристик потока (глубина, скорость) на

сбросном участке с последующей проверкой возможности появле-

ния кавитации, самоаэрации, катящихся волн;

3) определение параметров концевого участка, обеспечиваю-

щих безопасное сопряжение потока с НБ.

Обычно выполняют гидравлический расчет быстротечной части

заданной конструкции с конкретными размерами. Поэтому проек-

тирование быстротока начинают с выбора удельного расхода воды

в лотке, что позволяет назначить его ширину и определить отметку

порога водослива. После этого осуществляют трассировку водо-

сброса, в результате чего устанавливают его длину и уклон. Далее

производят расчет сбросного и концевого участков.

Если течение в пределах сбросной части быстротока (лотка) плав-

но изменяется (лоток имеет одинаковое или слабо изменяющееся

по длине сечение), то расчет ведут по формулам одномерной гид-

343

равлики. Если же лоток имеет участки с резким сужением или

расширением, то гидравлический расчет быстротока производят

по теории двухмерных потоков. При отклонении бурного потока

стенками от начального направления возникают возмущения сво-

бодной поверхности, выражающиеся в образовании остановив-

шихся волн. При плавном изменении направления возникают поло-

гие волны возмущения, при резком изменении направления в сто-

рону оси русла образуются косые прыжки (без перехода или с пе-

реходом глубины через критическую) и сбойное течение. Наличие

волн, кроме увеличения высоты боковых стенок и нагрузок на них,

ведет к концентрации удельных расходов при выходе потока на

водобой, что ухудшает условия сопряжения с НБ.

Сужение и поворот быстротока рекомендуется осуществлять при

спокойном течении, так как в этом случае волны не образуются.

При наличии промежуточного канала с уклоном меньше критиче-

ского (см. рис. 7.4) желаемого результата можно добиться, придав

каналу длину, достаточную для образования гидравлического

прыжка и послепрыжкового участка со спокойным течением. Если

топографические условия не позволяют включить в состав водо-

сброса промежуточный канал, то сужающийся (переходный, со-

прягающий) участок проектируют так, чтобы переход от бурного

течения к спокойному происходил в пределах сужения за счет

стеснения потока боковыми стенками. Переходный участок посто-

янной ширины с резким сужением отличается стабильностью ра-

боты в большом диапазоне расходов при неравномерном открытии

водосливных пролетов. Гидравлический расчет сужающихся уча-

стков приведен в справочниках [глава 3 в 15, 16 и 17].

При определенных параметрах потока и русла на быстротоке про-

исходит потеря устойчивости потока, выражающаяся в образова-

нии катящихся волн. Причиной такого самопроизвольного волно-

образования являются турбулентные возмущения, зарождаю-

щиеся у дна и выходящие на поверхность. Течение становится не-

установившимся, импульсным, оказывающим высокое динамиче-

ское воздействие на конструкции быстротока, вызывает всплески в

водобойном колодце и сбойное течение в отводящем канале.

Устойчивость потока в пределах быстротока устанавливают расче-

том. Для борьбы с потерей устойчивости сечению быстротока

придают одну из форм, показанных на рис. 7.12.

344

При проектировании быстротока необходимо учитывать влияние

на работу сооружения самоаэрации. С этой целью расчетом опре-

деляют створ, в котором она начинается, степень насыщения пото-

ка воздухом и рост при этом глубины воды и коэффициент трения.

Аэрация в зависимости от шероховатости русла, глубины потока,

гидравлического радиуса и уклона может начаться при средней

скорости около 4 м/с и числах Фруда Fr=q2/gh

3=18-20. Ее влияние

на работу водосброса обычно учитывается при Fr>40.

При средней скорости на быстротоке более 14 м/с возможно воз-

никновение кавитации и кавитационной эрозии. Кавитационная

эрозия не возникает, когда поток аэрирован до дна, что обычно

имеет место при малых глубинах потока.

Концевой участок в виде рассеивающего трамплина или бокового

водослива рассчитывают особыми методами гидравлики, приве-

денными в справочниках по гидравлике [17, 18]; концевые участки

остальных типов - обычными методами гидравлики.

7. 5. Рекомендации по проектированию открытых водосбросов

в гидроузлах с глухими грунтовыми плотинами

Выбор варианта водосброса. Один из самых ответственных во-

просов проектирования водосбросов - выбор оптимального его ва-

рианта из числа намеченных. Каждый из намечаемых вариантов

водосброса должен основываться на учете природных, гидрологи-

ческих и инженерно-геологических условий района строительства.

Оптимальный вариант может быть принят на основе технико-

экономического сравнения различных вариантов. При технико-

экономическом сопоставлении вариантов водосбросов необходимо

учитывать стоимость не только самого водосброса, но и примыка-

ющей к нему части плотины. Для уменьшения стоимости водо-

сбросов рекомендуется рассматривать возможность устройства в

составе гидроузлов резервных водосбросов с размываемыми грун-

товыми вставками. Такие водосбросы повышают надежность ра-

боты сооружения при пропуске паводковых расходов и снижают

стоимость строительства и эксплуатации водосбросов.

При выборе варианта регулируемого или нерегулируемого (авто-

матического) водосброса рекомендуется учитывать следующее:

- нерегулируемые открытые водосбросы экономически целесооб-

разны при расходах менее 200 м3/с при небольших плотинах и

больших объемах трансформации паводка между НПУ и ФПУ;

345

- автоматические водосбросы не требуют постоянного обслужи-

вающего персонала, обеспечивающего работу подъемного обору-

дования затворов, что особенно важно в отдаленных районах с

внезапными и большими паводками;

- регулируемые водосбросы позволяют поддерживать НПУ и

обеспечивают сброс паводка без ФПУ или без дополнительного

затопления территории; они на 10-15% дешевле нерегулируемых;

- нерегулируемые водосбросы требуют устройства более высоких

плотин, но могут иметь меньшие размеры из-за снижения сбросно-

го паводка вследствие его трансформации в ВБ.

При выборе типа и конструкции водосброса следует учитывать,

что около 75% построенных в последние годы сооружений для ти-

повых условий низконапорных гидроузлов (перепад до 15 м, рас-

ход до 150 м3/с) запроектированы по типовым проектам (ТП).

Наиболее перспективны проекты со стандартными конструкциями.

При выборе типа водосброса рассматривают условия пропуска

строительных расходов и возможность устройства в составе гид-

роузла двух однотипных или разнотипных водосбросов.

Выбор трассы водосбросного тракта. Под трассой понимают

осевую линию сооружений, проложенную на местности с разбив-

кой на ней пикетажа. Она может быть как прямолинейной

(рис. 7.15, а), так и с углами поворота (рис. 7.15, б) и проходить в

некотором удалении от береговых примыканий плотины или ча-

стично врезаться в них. Для обеспечения плавного движения пото-

ка воды на водосбросном тракте, когда трасса имеет углы поворо-

та, в них вписывают кривые с радиусом не менее пятикратной ши-

рины канала по урезу воды, т.е. R≥5В.

При разбивке кривых, когда задан угол поворота β, вычисляют

тангенс по формуле: T=Rtgβ/2, где T - длина прямой от угла пово-

рота до начала или конца кривой.

Длину кривой определяют по формуле: l=πRβ/1800.

Зная тангенс и длину кривой, определяют пикеты начала и конца

кривой. Пример разбивки кривой на водосбросном тракте приве-

ден на рис. 7.15.

На криволинейных участках трассы рекомендуется размещать ка-

налы, а другие сооружения водосбросного тракта размещают на

прямолинейных участках, так как их размещение на криволиней-

ных участках трассы приводит к их криволинейности в плане.

346

Рис. 7.15. Трасса открытого водосбросного тракта: а – прямолинейная; б – криволинейная; в – разбивка кривой на трассе

Продольные профили трассы принято вычерчивать в разных мас-

штабах - большем по вертикали и меньшем по горизонтали. На

профиле вместе с отметками поверхности земли (черными отмет-

ками), расстояниями между разбивочными точками (соседние точ-

ки с определенными отметками поверхности земли на продольном

профиле соединяют прямыми линиями) и пикетами, наносят про-

ектные отметки сооружений (красные отметки), уклоны, план

трассы с указанием местоположения начала и конца кривых. На

продольном профиле приводят также название грунтов и их ос-

новные геотехнические характеристики. Пример продольного

профиля по водосбросному тракту приведен на рис. 7.16.

Высотное размещение всех сооружений на водосбросном тракте

определяется так, чтобы выемки были минимальными, на отдель-

ных пониженных участках выполняют малые насыпи грунта из

участков выемок тракта. Грунты из выемок можно также укла-

дывать в земляную плотину, если они пригодны для насыпи.

Если на водосбросном тракте трудно разместить сооружения в од-

ном месте, можно их рассредоточить, например, вместо одного со-

прягающего сооружения выполнить два и больше (рис. 7.17).

Перед водосливом и за ним подводящий и соединительный каналы

должны иметь прямолинейные участки длиной не менее 1,5В (В -

ширина канала по урезу воды). Входную часть подводящего кана-

ла во избежание продольных течений следует удалять от плотины

на 20-40 м. Выходная часть отводящего канала должна быть уда-

лена от плотины на 50-70 м, чтобы при пропуске паводка не воз-

никала опасность подмыва низового откоса земляной плотины.

347

Рис. 7.16. Продольный профиль по открытому водосбросному

тракту

Рис. 7.17. Примеры высотного размещения сооружений открытого

водосбросного тракта: 1 - подводящий канал; 2 - шлюз-регулятор; 3 - сбросной канал; 4 - бы-

строток; 5 - перепад; 6 - консольный сброс; 7 - отводящий канал

348

Тип, конструкция и стоимость водосброса зависят от трассы водо-

сбросного тракта, при выборе которой учитывают следующее:

- ось водосбросного тракта целесообразно трассировать по берегам

водотока и по возможности перпендикулярно горизонталям;

- трасса водосброса должна быть по возможности прямолинейной

и иметь минимально возможную протяженность;

- в случае криволинейной трассы водосброса необходимо пре-

дусмотреть специальные конструктивные мероприятия, обеспе-

чивающие устойчивость сооружения на поворотах;

- в случае низкой прочности грунтов берегов водотока допускается

трассировать водосбросы в пределах тела плотины;

- при трассировке водосбросного тракта предусматривают уда-

ление его и особенно входной части от плотины во избежание ее

подмыва потоком; при этом следует обеспечить равномерный под-

ход потока к отверстиям водосброса и безопасный отвод его в НБ.

В конкретных условиях не может быть двух одинаковых компоно-

вок. Однако общность этих требований позволяет при реальном

проектировании воспользоваться примерами разработанных ком-

поновок. При выборе компоновок открытых и закрытых водосбро-

сов и водоспусков можно учесть их примеры (рис. 7.18-7.22).

Рис. 7.18. Гидроузел с грунтовой плотиной, открытым регулируе-

мым ковшевым водосбросом и донным водоспуском: 1 - водосброс; 2 - плотина; 3 - водоспуск; 4 - запань

349

Рис. 7.19. Гидроузел с грунтовой плотиной, открытым нерегулиру-

емым водосбросом и донным водоспуском: 1 - водосброс; 2 -

водоспуск; 3 - плотина; 4 - запань

Рис. 7.20. Гидроузел с грунтовой плотиной, ковшовым водосбро-

сом и донным водоспуском: 1 - плотина; 2 - водоспуск; 3 - водосброс; 4 - запань

350

Рис. 7.21. Гидроузел с грунтовой плотиной и закрытым водосбро-

сом-водоспуском: 1 - подводящий канал; 2 - входной оголовок водоспуска; 3 - труба водо-

спуска; 4 – шахта; 5 – водовод; 6 - гребень плотины; 7 - верховой откос

плотины; 8 - низовой откос плотины; 9 - водобой; 10 - отводящий канал

Рис. 7.22. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым регулируе-

мым открытым водосбросом и водоспуском на одном берегу

351

При проектировании даже одного типа водосброса рекомендуется

рассматривать 2-3 возможных варианта его размещения.

Конструирование и расчеты водосбросов. По каждому варианту

водосброса осуществляют конструктивные проработки по реко-

мендациям, приведенным в учебных пособиях и справочникам [7-

9, 15]. Гидравлическими расчетами определяют основные размеры

сооружения, используя рекомендации типовых проектов (ТП) и

методы расчета, приведенные в справочниках [17, 18].

По выбранной трассе водосбросного тракта строят профиль мест-

ности, на который наносят элементы водосброса, включая подво-

дящий и отводящий каналы, головное и сопрягающее сооружения.

Размеры подводящего канала должны обеспечивать приемлемые

гидравлические условия работы головного или сопрягающего со-

оружения. Канал необходимо устраивать в виде неглубокой выем-

ки. Чаще всего он проходит по косогорным участкам, поэтому

следует предусмотреть мероприятия, обеспечивающие устойчи-

вость его откосов. В зависимости от условий местности подводя-

щие каналы могут быть короткими при размещении водосбросов в

пределах тела плотины и достаточно протяженными при берего-

вом их размещении. Схемы устройства коротких каналов (запаней)

показаны на рис. 7.18-7.20. Головное сооружение должно быть

размещено в легкодоступном месте. Следует предусмотреть под-

ходы и подъезды к нему для осмотра, обслуживания и ремонта.

Сопрягающие сооружения должны быть по возможности коротки-

ми, их проектирование ведут по рекомендациям главы 3 пособия.

На следующей стадии проектирования осуществляют необходи-

мые конструктивные проработки элементов сооружения, инже-

нерные расчеты, составляют чертежи, определяют объемы работ и

сметную стоимость строительства, проводят технико-экономичес-

кое сопоставление вариантов и выбирают основной вариант.

Использование типовых проектов. Значительно сократить затра-

ты труда позволяет типовое проектирование. Задача проектиров-

щика заключается в привязке типового проекта к реальным усло-

виям проектируемого объекта. Для привязки проекта водосброса

необходимо располагать следующими данными: планом участка

водотока в районе гидроузла в горизонталях; отметками расчетных

уровней ВБ (НПУ и ФПУ); продольными и поперечными профи-

лями по руслу реки в НБ гидроузла; кривой связи расходов и

352

уровней НБ; значением максимального расчетного расхода и рас-

четным гидрографом паводка; геологическим и гидрогеоло-

гическими условиями в створе плотины и по трассе водосброса;

проектом земляной плотины; глубиной промерзания грунта.

При привязке типовых проектов проектирование включает следу-

ющие основные этапы: выбор типа водосброса и его трассы; про-

ектирование профиля водосброса; статические, гидравлические и

фильтрационные расчеты сооружения; корректировка типового

проекта по материалам расчета; технико-экономическое сравнение

вариантов расчета и выбор наиболее экономичного решения.

Привязку проекта производят в следующем порядке.

1. На плане гидроузла выбирают место расположения водосброса.

Плановое расположение водосброса должно отвечать следую-щим

условиям: он может быть размещен на берегу, береговых и русло-

вом участках грунтовой плотины с учетом ее конструкции; его

трасса должна быть короткой и прямолинейной в плане.

Высотное расположение нерегулируемых водосбросов принимают

исходя из следующих условий: его входной порог располагают на

отметке НПУ и его выполняют как подтопленный или неподтоп-

ленный водослив, соответственно в первом случае отметку дна

рисбермы из железобетона назначают на уровне дна отводящего

канала или на 0,5-1 м выше и во втором - длину порога снижают и

дно канала за ним располагают на более низких отметках.

Высотное положение порога регулируемых водосбросов должно

обеспечивать сработку ВБ до определенных отметок, если для это-

го не предусмотрено устройство водовыпусков; пропуск расчетно-

го максимального расхода при заданных отметках ВБ.

2. По максимальному расчетному расходу в зависимости от до-

пустимого подъема ФПУ и НПУ назначают напор на пороге вход-

ного оголовка и определяют ширину водосливного фронта.

3. Определяют перепад на водосбросе при пропуске макси-

мального расчетного расхода.

4. Выбирают тип концевой части водосброса по топографическим,

геологическим, гидрологическим, гидравлическим условиям.

Основные положения по привязке типовых проектов даны в каж-

дом из них. При неполном соответствии условий типового проекта

реальным уточняют размеры водосброса, объемы работ, матери-

ально-технические затраты и стоимость строительства.

353

В практике проектирования новых водосбросов часто используют

чертежи выполненных ранее проектов, которые дополняют в соот-

ветствии с новыми условиями строительства. При проектировании

используют приемлемые типовые сборные железобетонные кон-

струкции, что сокращает общее число их типоразмеров, создает

условия для специализации заводов сборного железобетона, изго-

товления опалубки и арматуры, сокращает сроки строительства.

Статические расчеты железобетонных конструкций водосбросов

проводят по предельным состояниям на нагрузки в период строи-

тельства и эксплуатации, изложенным в главе 2 пособия.

В расчетах учитывают в основном следующие виды нагрузок и их

сочетаний: постоянные – вес конструкции, давление грунта, гид-

ростатическое давление, противодавление; кратковременные -

нагрузки от строительных машин, подвижного транспорта, гидро-

динамическое давление потока на водобойный порог и стенку.

НБ водосбросов проектируют в виде концевых консольных пере-

падов с гашением потока в воронках размыва (в скальных грунтах)

или устраивают водобойные колодцы (в нескальных грунтах).

Типовые конструкции открытых водосбросов

Открытые водосбросы. Среди водосбросов при низконапорных

грунтовых плотинах широко используют открытые регулируемые

и нерегулируемые водосбросы. Их отличают простота и конструк-

тивные особенности, позволяющие максимально использовать

условия местности и гидроузла. Методические рекомендации по

проектированию открытых водосбросов в низконапорных гидро-

узлах даны в типовых проектах. При курсовом и дипломном про-

ектировании рекомендуется рассматривать 2-3 варианта регулиру-

емых или нерегулируемых водосбросов.

Открытые регулируемые водосбросы позволяют пропускать

большие расходы при малой форсировке уровней ВБ; срабатывать

водохранилище в малые промежутки времени; автоматизировать

процесс пропуска паводковых и санитарных расходов. Примене-

ние их ограничено необходимостью присутствия на гидроузле об-

служивающего персонала, низким уровнем надежности автомати-

зации управления их работой, опасностью заклинивания затворов.

Белгипроводхоз разработал типовые проекты открытых регулиру-

емых водосбросов на расходы воды 50-700 м3/с с напором 4-12 м

для малых водохранилищ. При напорах до 6 м рекомендуются во-

354

досбросы со сдвоенными колесными затворами (рис. 7.23). В зави-

симости от расчетного расхода принимают от 1 до 4 пролетов.

Рис. 7.23. Открытый регулируемый водосброс конструкции Белги-

проводхоза на напор до 6 м: 1 - входная часть; 2 - водобой; 3 - затвор; 4 - переезд; 5 - отводящий канал

При напорах 6-12 м Белгипроводхоз рекомендует двухъярусные

водосбросы (рис. 7.24), когда используют 8-15 размеров блоков.

Рис. 7.24. Типовой проект открытого регулируемого двухъярусно-

го водосброса: 1, 2 - входная и головная части; 3, 4 - донное и поверхностное отверстия;

5 - переезд; 6 - водобой; 7 - дренажные отверстия; 8 - крепление

При напорах до 4 м применяют плоский флютбет без поднятия во-

355

дослива. При напорах более 6 м предусмотрено гашение энергии

потока на решетчатой сливной плите на водосливе (рис. 7.25).

Рис. 7.25. Водосливная плотина с решетчатым водосливом

Укргипроводхоз разработал типовые проекты регулируемых водо-

сбросов для пропуска 100-400 м3/с с напором 3,5-5,5 м (рис. 7.26).

Рис. 7.26. Открытый регулируемый водосброс конструкции

Укргипроводхоза на базе плоского затвора: 1, 2 – входная и головная части; 3 – быстроток; 4 – водобой; 5 – рисберма

Гидравлическими расчетами определяют размеры водосливных

356

отверстий, параметры потока на быстротоке, размеры воронки раз-

мыва за консолью или размеры прыжка и водобойного колодца.

Открытые нерегулируемые водосбросы обеспечивают автома-

тический сброс расходов при превышении НПУ. В общем случае в

состав этих водосбросов включают подводящий и отводящий ка-

налы, головное и сопрягающее сооружения. Эти водосбросы эко-

номичны, просты в эксплуатации, но требуют форсировки уровней

ВБ. Для устранения этого недостатка прибегают к созданию разви-

той водоприемной части, что в ряде случаях трудно осуществимо.

Конструкции этих водосбросов различаются по конструкции

входного оголовка: имеются водосбросы с боковым и фронталь-

ным забором воды, с криволинейными, полигональными, ковшо-

выми и траншейными входными оголовками. Эти водосбросы

наиболее эффективны в водохранилищах малой ширины.

Открытые ковшовые полигональные водосбросы. Ковшовые во-

досливные оголовки, водосливной фронт которых выполнен как

ломаная или криволинейная линия, называют соответственно по-

лигональными или криволинейными водосливами (рис. 7.27).

Рис. 7.27. Конструкции входной части открытых нерегулируемых

водосбросов: а - оголовок с полигональным водосливом: б - оголовок с криволиней-

ным водосливом; 1 - входной оголовок; 2 - водосливной порог; 3 - пере-

езд; 4 - ограждающие стенки водоприемника

357

Криволинейные и полигональные водосливы используют для

уменьшения высоты форсировки ВБ. Их применение выгодно в

широких водохранилищах с мелководной поймой. Стоимость их

строительства при одинаковых условиях примерно одинакова.

На рис. 7.28 показан береговой водосброс с полигональным водо-

сливом Белгипроводхоза. При трассировке водосброса по слабому

основанию или через плотину используют вариант водосброса на

свайных опорах (рис. 7.29) Ленгипроводхоза, а также вариант это-

го водосброса с водобойным колодцем (рис. 7.30).

Рис. 7.28. Открытый береговой водосброс с полигональным водо-

сливным оголовком конструкции Белгипроводхоза: 1 - водоприемный ковш; 2 - переходный участок; 3 - переезд; 4 - быстро-

ток; 5 - концевая часть

Рис. 7.29. Автоматический водосброс (проект Ленгипроводхоза) с

ковшовым водоприемником на свайном основании быстротока: 1 - водоприемный ковш; 2 - переходный участок; 3 - переезд; 4 - быстро-

ток; 5 - концевая часть

358

Рис. 7.30. Автоматический водосброс с ковшовым водоприемни-

ком конструкции Ленгипроводхоза с расширяющимся водобоем: 1- ковш-водоприемник; 2- переезд; 3- быстроток; 4- водобой; 5-крепление

Ленгипроводхоз разработал типовые проекты аналогичных водо-

сбросов с расходами 50-100 м3/с, сброс которых осуществляется

при форсировке уровней над НПУ на высоту не более 1,1-1,2 м.

Укргипроводхоз разработал ряд типовых проектов открытых ав-

томатических водосбросов с ковшовым криволинейным оголовком

на расходы 100-400 м3/с при перепадах 6-12 м (рис. 7.31). Напор на

пороге ковша у данных сооружений составляет 1,5-2,5 м.

Рис. 7.31. Открытый автоматический водосброс с ковшевым ого-

ловком конструкции Укргипроводхоза: 1 - входной оголовок; 2 - водоприемный ковш; 3 - переезд; 4 - быстроток;

5 - водобой; 6 - крепление отводящего канала; 7 - пролеты водосброса

359

Ковшовые оголовки с полигональными и криволинейными во-

досливами располагают в любой части плотины, но лучший эф-

фект достигается на водосбросах с оголовками, выдвинутыми в

ВБ. На рис. 7.18 представлена одна из возможных схем компоно-

вок гидроузла с ковшовым водосбросом.

7.6. Открытые траншейные водосбросы

Траншейный водосброс представляет собой открытый береговой

водосброс с боковым отводом воды от входной части.

В состав сооружений траншейного водосброса (рис. 7.32) входят:

а) водосливная часть в виде водослива с широким порогом или

практического профиля; б) траншея, в которую поступает вода,

сбрасываемая через водослив; в) отводящий канал и сопрягающее

сооружение в виде быстротока, перепада или трамплина с устрой-

ствами для гашения энергии потока.

Для этого типа водосбросов характерно расположение водослив-

ного фронта входной части вдоль горизонталей берегового склона

(рис. 7. 32 и 7.33), длина которой из-за низких удельных расходов

может быть большой. В ряде случаев эти водосбросы могут иметь

иную ориентацию водосливного порога входной части. Эти водо-

сбросы целесообразно устраивать в створах с крутыми откосами,

сложенными скальными или полускальными породами, затрудня-

ющими размещение берегового водосброса фронтального типа, но

допускающими, чтобы откосы транзитного участка (быстротока)

были выполнены вертикальными или очень крутыми.

В плотинах с небольшой разностью уровней воды в бьефах дно

траншеи можно расположить на отметке русла водотока, тогда со-

прягающее сооружение исключается. При коротких водосбросных

трактах сопрягающее сооружение примыкает к концу траншеи, и

тогда отсутствует сбросной канал.

Траншею размещают в верхнем бьефе гидроузла и располагают

вдоль уреза воды нормально (или близко к этому) к продольной

оси плотины на расстоянии 20-40 м от плотины.

Траншейные водосбросы выгодно применять при небольших

напорах на водосливе, крутых склонах долины и больших сброс-

ных расходах. При использовании их в нескальных грунтах стои-

мость сооружений возрастает из-за крепления водослива и тран-

шеи (при крутых откосах в ней устраивают подпорные стенки).

360

Рис. 7.32. Траншейный водосброс: 1 - ремонтный затвор; 2 - основной затвор; 3 - ось плотины; 4- быстроток

Водослив траншейного водосброса может быть управляемым - с

затворами на гребне, поддерживающими уровень ВБ на отметке

НПУ, и автоматического действия, когда его гребень располагают

на отметке НПУ. Управляемые водосливы применяют для расхо-

дов до 8000 м3/с при напоре на гребне до 10 м, автоматического

действия - для расходов до 600 м3/с при величине форсировки

уровня НПУ до 2 м. Гребень водослива располагают обычно па-

раллельно траншее. Параметры траншеи и водосливного порога

определяют по расчету потока с переменным расходом по длине.

361

Рис. 7.33. Траншейные водосбросы с устройствами для устранения

винтового движения в траншее: а, б, в - варианты расположения входных частой; г, д - траншейные, соот-

ветственно с косыми порогами и чередующимися носками; 1 - криволи-

нейные бычки; 2 - плавная стенка; 3 - порог; 4 - плотина; 5 - трамплин; 6 -

траншейный водосброс; 7 - косые донные пороги; 8 - носки, чередующи-

еся через пролет, для устранения винтового движения в траншее

362

Конструктивно водослив траншейного водосброса почти не отли-

чается от водослива бетонных плотин, описанных в главе 3. Авто-

матический водослив выполняют в виде плоского флютбета или

водослива практического профиля (иногда ему придают вакуумное

очертание для повышения коэффициента расхода до m=0,54-0,56).

Траншея представляет собой канал с изменяющимися по длине

шириной и глубиной. Траншею располагают на низких отметках,

если ее сначала используют в качестве обводного канала для про-

пуска строительного расхода, и на высоких, когда ее устраивают

только в качестве водоприемника водосброса гидроузла. Учитывая

значительное динамическое воздействие на траншею бурного по-

тока, ее днище и борта даже в прочных скальных породах покры-

вают заанкеренной в скалу бетонной плитой толщиной 0,7-1 м.

Для снятия фильтрационного давления на бетонную облицовку

траншеи под ней устраивают трубчатый дренаж.

Для этого водосброса характерна сложная схема гидравлической

работы траншеи, поэтому результаты расчетов размеров траншеи

обычно уточняют по данным модельных исследований. Особенно-

стями потока в траншее являются изменяющийся расход по ее

длине и винтовое движение, отрицательно влияющее на режим по-

тока и пропускную способность траншеи. Интенсивного гашения

потока в траншее удается достигнуть обычно после устранения

винтового движения потока параллельно фронту водосливного по-

рога. Для этой цели применяют: криволинейные в плане быки-

стенки на гребне водосливного порога (рис. 7.33, в); косые в плане

донные пороги в траншее (рис. 7.33, г); чередующиеся через про-

лет водосливные носки, закручивающие в этих пролетах потоки в

противоположные стороны (рис. 7.33, д). Достижению благопри-

ятного гидравлического режима в траншее и на быстротоке спо-

собствуют: распределительная прорезная или зубчатая стенка или

порог в конце траншеи, искусственная шероховатость в начале

быстротока и стенки двоякой кривизны на переходном участке.

Бетонное крепление траншеи и быстротока в скальных грунтах

выполняется в виде бетонной облицовки с арматурой, заанкерен-

ной в скалу. Фильтрационное давление на облицовку в этом случае

снимается с помощью дренажа, имеющего специальные разгру-

зочные отверстия на откосах.

Гидравлический расчет траншейного водосброса состоит в опре-

363

делении длины водослива, размеров траншеи и кривой свободной

поверхности воды. Водослив и траншея рассчитывают по зависи-

мостям, приведенным в главе 3 справочника [15], исходя из рас-

четного расхода Qp и допустимого напора на водосливе Н.

Рис. 7.34. Схема гидравлического расчета траншейного водосброса (1–5 - номера расчетных створов - сечений)

Длину водосливного порога L определяют по формуле неподтоп-

ленного или подтопленного водослива в зависимости от характера

сопряжения потока в НБ.

Если hn ≥ пН0 , то водослив подтопленный, если hn<пН0,, то во-

дослив неподтопленный (hn - превышение уровня НБ над порогом

водослива, м); п - коэффициент подтопления, равный 0,75-0,87.

При неподтопленном водосливе длина водосливного порога L:

L = Q /m(2gН3/2

)1/2

, (7.4)

где Q - сбросной расход через траншею, м3/с; т - коэффициент расхода

(т≈0,32-0,36); Н - напор на пороге водослива, м.

При подтопленном водосливе длина водосливного порога L:

L = Q /φh(2gz)1/2

, (7.5)

где φ - коэффициент скорости; h - глубина воды на пороге водослива в

конце входного участка (глубина подтопления), м; z - разность уровней

воды в ВБ и траншее (z= H - h).

364

Разность уровней воды перед порогом и на пороге водослива мож-

но найти из зависимости:

vтр = φ(2gz)1/2

. (7.6)

Затем траншею (рис. 7.34) разбивают по длине на отдельные

участки и для каждого из них, исходя из расхода и ширины тран-

шеи по дну, находят параметры потока и размеры траншеи.

Расчет траншеи проводят по допускаемой скорости потока посто-

янной по длине траншеи и определяемой типом облицовки дна и

бортов траншеи, принимая следующую последовательность:

1) определяют допустимую среднюю скорость воды в траншее, ко-

торая для крепления бетонными плитами принимается равной:

vтр = 0,95(2gz)1/2

, (7.7)

где z - разность отметок уровней воды в ВБ и траншее;

2) определяют требуемую площадь живого сечения потока в каж-

дом из расчетных створов (сечений) по формуле:

wn = Qx,n/vтр , (7.8)

где Qx,n - расход воды в рассматриваемом створе:

Qx,n = mxn (2g)1/2

H3/2

, (7.9)

где т - коэффициент расхода; хп - расстояние от начала траншеи до рас-

сматриваемого створа;

3) задаваясь шириной траншеи по дну в начальном и конечном

створах b0 и bк, вычисляют для каждого створа ширину траншеи и

глубину потока по формулам:

bn = b0 + (bк - b0) xn/L (7.10)

hn = [(b2n + 4mwn)

1/2 - bn]/2m , (7.11)

где m - заложение откосов траншеи;

4) вычисляют гидравлический радиус в каждом створе:

Rn = wn/[bn + 2hn(1 + m2)

1/2] ; (7.12)

5) определяют гидравлический уклон в створах и среднюю его ве-

личину между створами по формулам:

In = v2трn

2/ Rn

4/3 (7.13)

Iср = 0,5(In + In+1) , (7.14)

где n - коэффициент шероховатости (для бетона n=0,02);

365

6) определяют потери напора между створами:

z = Iср ln , (7.15) где lп - расстояние между створами;

7) вычисляют отметки поверхности потока и дна траншеи в

каждом створе:

NП = N0 - ∑zw (7.16)

NД = NП - hn , (7.17)

где N0 - отметка дна траншеи в начальном створе.

На рис. 7.35 и 7.36 показаны гидроузлы с открытыми траншейны-

ми водосбросами.

Рис. 7.35. Схема гидроузла с открытым траншейным водосбросом: а - план гидроузла; б - продольный разрез по водосбросу

В практике гидростроительства получили распространение неко-

торые конструкции открытых траншейных водосбросов, пример

одной из них (конструкция Укргипроводхоза) показан на рис. 7.36.

366

Рис. 7.36. Открытый траншейный водосброс конструкции

Укргипроводхоза:

1 - водоприемник; 2 - переезд; 3 - быстроток; 4 - водобой; 5 - отводящий

канал; 6 - водосливной оголовок

Рис. 7.37. Криволинейный траншейный водосброс конструкции

Укргипроводхоза с двухсторонним приемом воды: 1 - галерея; 2 - быстроток; 3 - водобой; 4 - отводящий канал

367

Несмотря на сложность конструкции, распространение получили и

криволинейные траншейные водосбросы, обладающие хорошими

гидравлическими характеристиками. Так, при длине водосливного

фронта lт = (4-5)bo этот водосброс позволяет уменьшить форсиров-

ку ВБ по сравнению с фронтальным водосливом длиной lф, равной

ширине водосбросного отверстия bo, в 2-3 раза. Типовые кон-

струкции криволинейных траншейных водосбросов разработаны

Укргипроводхозом на расход 100-400 м3/с при перепадах уровней

6-12 м (рис. 7.37).

Перспективны водосбросы со ступенчатой поверхностью быстро-

тока, особенно при применении укатанного бетона (см. ниже).

7.7. Водосбросы с лобовым подводом воды и транзитной ча-

стью в виде многоступенчатого перепада

При больших уклонах (i≥0,25) транзитной части и малых удельных

расходах водосброса (до 15 м2/с) выгоднее устраивать ее в виде

многоступенчатого перепада, представляющего ряд одинаковых

горизонтальных ступеней, сопрягаемых вертикальными стенками.

Основные типы многоступенчатых перепадов даны на рис. 7.38.

Рис. 7.38. Основные типы многоступенчатых перепадов: а - с вертикальными стенками; б - полунапорный; в - с расщепительной

балкой; 1, 4, 6 - стенки соответственно падения, продольная, отбойная;

2 - водобойная плита; 3 - водобойный колодец; 5 - сливное отверстие;

7 - расщепительная балка

Длина каждой ступени назначается такой, чтобы падающая на нее

с вышележащей ступени струя погасила большую часть своей

368

энергии в толще потока или донным прыжком и переформирова-

лась в спокойный поток, движущийся к следующей ступени. Ско-

рости потока на ступенях, в отличие от быстротока, невелики и со-

ставляют 2-3 м/с. Число ступеней перепада и высоту каждой из

них (3-5 м) устанавливают на основе технико-экономического

сравнения вариантов. Длину ступени принимают не менее двух

высот перепада уровней на ней. На нескальных грунтах боковые и

сопрягающие ступени стенки перепадов из монолитного бетона

отделяются от горизонтальных плит ступеней деформационными

швами для обеспечения их независимой осадки. Все швы обору-

дуют противофильтрационными уплотнениями (шпонками). Для

уменьшения давления грунта на боковые стенки грунт вдоль них

на ширину призмы обрушения укладывают несколько ниже верха

стенок, то есть засыпку не доводят до верха стенок, придавая по-

следним форму парапета. Конструкция многоступенчатого пере-

пада на нескальных грунтах показана на рис. 7.39.

Рис. 7.39. Многоступенчатый перепад на нескальных грунтах: 1 - глинобетон; 2 - понур; 3 - плоский затвор; 4 - продольная стенка; 5 -

водобойная стенки; 6 - колодец

369

При конструировании перепадов следует обеспечивать подвод

воздуха под свободнопадающую струю. В водосливных водобой-

ных стенках на ступенях предусматривают устройство серии от-

верстий 0,1х0,1-0,2x0,2м для опорожнения колодцев во время вы-

ключения перепада из работы.

Размеры колодца и высоту его водобойной стенки назначают из

условия полного гашения энергии потока на основе гидравличе-

ского расчета, приведенного в главе 3 [15]. Расчет перепада начи-

нают с определения пропускной способности входной части, затем

находят сопряженные глубины на первой ступени, высоту водо-

бойной стенки и длину ступени. Также рассчитывают вторую и

следующие ступени, задавая им равную высоту. Затем размеры

водобойной плиты, продольных и водобойных стенок уточняют

расчетом на устойчивость. Толщину стенок и ступеней принимают

с учетом свойств грунта и высоты колодцев: водобойной плиты –

0,5-1 м; продольной стенки поверху – 0,3-0,7 м; понизу – 1-2 м; во-

добойной стенки поверху – 0,5-0,7 м; понизу – 1,2-2 м. В скальных

грунтах выполняют бетонную облицовку толщиной 0,3-0,4 м.

Для усиления гашения энергии падающих струй на ступенях их

дно выполняют с обратным уклоном, или устанавливая на нем и

верхней стенке гасители и расщепители, или применяя полунапор-

ные перепады и перепады с расщепительными балками (рис. 7.38).

Вдоль быстротока или многоступенчатого перепада устанавлива-

ется фильтрация под сооружением и за боковыми стенками (рис.

7.40). При отсутствии дренажа в подземном контуре перепада кри-

вая депрессии 5, установившаяся за стенками, определяет напор

под днищем сооружения. Фильтрация под сооружением будет

напорной, давление фильтрации на днище быстротока, днище или

стенки падения перепада определяется уровнем кривой свободной

поверхности фильтрации за стенкой. Снижение давления фильтра-

ции достигается снижением кривой депрессии за стенкой устрой-

ством дренажей за стенками и под перепадом и шпор за устоями в

голове водосброса, удлиняющих путь фильтрации. Устройство зу-

ба или шпунта в голове сооружения в верхней части канала позво-

ляет получить безнапорную фильтрацию (кривые 2, 3)

Толщину днища быстротока и ступенчатого перепада, а также сте-

нок падения назначают с учетом возможного фильтрационного

давления. Если образуется гидравлический прыжок, то в пределах

370

прыжка толщину днища определяют с учетом дефицита давления

и пульсационной нагрузки (глава 4 настоящего пособия).

Рис. 7.40. Схемы фильтрации под быстротоком (а) и перепадом (б) 1 - шпунт; 2 - кривая депрессии при дренаже за стенками; 3 - то же, при

шпунте; 4 - дренаж; 5 - линия пьезометрического напора; 6 - эпюры про-

тиводавления при отсутствии дренажа за стенками и под подошвой со-

оружения; 7 - утолщение днища на участке гидравлического прыжка

Достоинство перепадов - возможность планового поворота ступе-

ней относительно друг друга, что особенно важно при преодоле-

нии трассой водосброса крутых склонов. Недостаток перепадов -

существенно большие объемы земляных и бетонных работ, чем

при устройстве быстротоков. Например, быстроток почти всегда

можно расположить выше или лишь немного ниже уровня грунто-

вых вод на берегах, что позволяет сделать его конструкции отно-

сительно легкими. При возведении ступенчатых перепадов такая

возможность обычно отсутствует. Фильтрационное давление обу-

словливает большую толщину плит ступеней и сопрягающих и бо-

ковых водоподпорных стенок. Все это удорожает перепад по срав-

нению с заменяющим его быстротоком. В ряде случаев оказывает-

ся целесообразным на одном участке водосброса делать быстро-

ток, а на другом - с большим уклоном - перепад.

371

7.8. Резервные водосбросы для пропуска пика паводка

Крупные гидроузлы с глухими плотинами из грунтовых ма-

териалов обычно имеют водосбросы большой пропускной спо-

собности. Стоимость таких водосбросов весьма высока, и при этом

может оказаться, что за расчетный срок службы гидроузла водо-

сброс ни разу не будет работать на полную мощность. В связи с

этим часто предусматривают несколько водосбросов: один основ-

ной, который будет работать достаточно часто, и один (иногда два)

резервный, который будет работать очень редко или вообще не

будет работать за весь срок службы гидроузла (рис. 7.41). При

проектировании основного водосброса, рассчитанного, например,

на пропуск паводка повторяемостью 1 раз в 100 лет, к нему предъ-

являются обычные для таких сооружений требования. Резервные

водосбросы делают простыми и дешевыми, например, в виде неза-

крепленного канала с размываемой земляной перемычкой на бе-

тонном пороге (см. рис. 7.41, б). Их предусматривают для пропус-

ка паводков более редкой повторяемости. Такие технические ре-

шения заметно снижают стоимость водосбросов и гидроузла.

Пропуск всего паводкового расхода или пиковой его части по

пойме осуществляют на низконапорных гидроузлах, когда можно

использовать пойму как резервный нерегулируемый и частично

регулируемый пойменный водосброс. В отдельных случаях ре-

зервные водосбросы устраивают в природных понижениях мест-

ности, строя в них размываемые при уровнях ВБ немного ниже

ФПУ «плавкие вставки» или земляные перемычки (рис. 7.41, б).

В ряде случаев может оказаться целесообразным пропускать па-

водковые расходы редкой повторяемости в обход низконапорных

гидроузлов по естественной пойме реки (см. рис. 7.41, а).

Основные принципы такого решения следующие:

- пропускная способность основного (обычно бетонного) водо-

сброса должна обеспечивать к моменту выхода паводковых вод на

пойму наполнение НБ гидроузла до отметок, создающих возмож-

ность их прохождения по пойме без большого перепада;

- зону сопряжения бьефов в месте слияния пойменного и рус-

лового расходов рассчитывают на размыв и по необходимости за-

крепляют каменной наброской; размыв прогнозируется и по раз-

мывоопасным участкам поймы; по результатам этого расчета наз-

начают расположение регуляционных сооружений и креплений;

372

- окончательную компоновку гидроузла принимают по ре-

зультатам исследований, выполненных на размываемых моделях.

Рис. 7.41. Низконапорные гидроузлы с основным бетонным и ре-

зервными водосбросами - пойменным (а) и в виде широкого зем-

ляного канала с размываемой земляной перемычкой (б): 1- магистральный канал; 2 - регулятор; 3 - подводящий канал; 4 - основ-

ной бетонный водосброс; 5 - холостой сброс из подводящего канала;

6 - земляная плотина; 7 - автомобильная дорога (горизонтальный порог)

резервного водосброса; 8 - регулирующие дамбы; 9 - отводящие каналы;

10 - размываемая грунтовая перемычка; 11- раздельные быки; 12 - бетон-

ный флютбет; 13 - прогнозируемое дно воронки размыва; 14 - водовы-

пуск; 15 - секции размываемой перемычки с разными отметками гребня.

373

Глава 8. Закрытые береговые водосбросы и водоспуски

Закрытые береговые водосбросы широко используются в составе

компоновок низко- и средненапорных гидроузлов, возводимых в

равнинных и предгорных регионах, для пропуска расходов до 100-

500 м3/с. Среди этих водосбросов распространены трубчатые во-

досбросы башенного, ковшового, шахтного и сифонного типов.

Входной оголовок этих водосбросов может быть с неподтоплен-

ным и подтопленным истечением, причем первое истечение луч-

ше, так как длина водосливного фронта будет меньше.

Применение этих водосбросов упрощает возведение грунтовой

(реже бетонной) плотины благодаря пропуску строительных рас-

ходов по отводящим трубам водосбросов и снижению стоимости

строительства за счет замены дорогого открытого берегового водо-

сброса более дешевым закрытым.

8.1. Закрытые трубчатые водосбросы

Трубчатые водосбросы обычно устраивают в теле невысоких грун-

товых плотин высотой до 30 м и реже до 50 м. Важным преимуще-

ством этих водосбросов является возможность их комплексного

использования - сначала для пропуска строительных расходов, а

затем как эксплуатационных водосбросов и водоспусков.

Трубчатые водосбросы в грунтовых плотинах работают в условиях

напорного потока. Важной особенностью их является возможность

удовлетворения требований по пропуску воды в НБ.

В состав трубчатого водосброса входят: а) головная часть в виде

ковша-водослива или башни, оборудованных затворами; б)

донная труба, укладываемая на грунт основания; в) выходной ого-

ловок с устройствами для гашения энергии потока в виде водо-

бойного колодца, трамплина или гасителя другого типа.

Трубчатые башенные водосбросы. Во многих случаях закрытые

водосбросы, размещаемые в теле глухих грунтовых плотин, вы-

полняют трубчатыми башенными. К трубчатым башенным водо-

сбросам, построенным для пропуска больших расходов при боль-

ших напорах, относятся водосбросы, показанные на рис. 8.1 и 8.2.

Они были запроектированы для работы с четко выраженным без-

напорным режимом. В их основаниях залегают слабые полускаль-

ные и скальные породы. Концевая часть водосброса на рис. 8.1, б

выполнена с носком-трамплином, конструкция и размеры которо-

374

го были подобраны по гидравлическим исследованиям на моделях.

В трубчатых башенных водосбросах важно обеспечить надежное

уплотнение в деформационных швах между секциями труб и меж-

ду башней и трубами с учетом возможных неравномерных осадок.

Необходимо предусмотреть меры для того, чтобы на плоскостях

примыкания бетонных труб к грунту основания или плотины не

образовывались пути контактной фильтрации, которая может при-

вести к возникновению опасных фильтрационных деформаций.

Избежать этого позволяет устройство развитых вертикальных эле-

ментов - выступов в местах стыков труб (рис. 8.1, а; 8.2, б).

Рис. 8.1. Трубчатые водосбросы в теле грунтовых плотин:

а - Мингечаурского гидроузла (Азербайджан, H=70 м, Q=1600 м3/с );

б - гидроузла Ирил Эмда (Алжир, H=70 м, Q=2500 м3/с );

1 - водослив; 2 - донная труба; 3 - гаситель; 4 - носок-трамплин

При небольших расходах (до 70-100 м3/с) и напорах (до 10-12 м)

используют простые конструкции водосбросов (рис. 8.3) с башня-

ми постоянного сечения (прямоугольными и круглыми) и часто с

допущением неблагоприятных переходных гидравлических режи-

мов работы, избегаемых при возведении крупных водосбросов.

375

Такие простые водосбросы разных конструкций широко применя-

лись на водохозяйственных гидроузлах (они рассмотрены ниже).

Рис. 8.2. Трубчатые башенные водосбросы в грунтовых плотинах:

а - без затворов на гребне; б - с кольцевым затвором; 1 - затворная каме-

ра; 2 - водоспуск; 3 - башня; 4 - служебная и аэрационная галерея;

5 - стенка для задержания влекомых наносов; 6 - кольцевой затвор;

7 - аэрационный канал; 8 - служебный мостик; 9 - водобойный колодец

Рис. 8.3. Трубчатый башенный регулируемый водосброс-

водоспуск с шахтным оголовком (проект Укргипроводхоза): 1 - труба водоспуска; 2 - затворная камера; 3 - подъемник; 4 - башня

(шахта); 5 - отводящая труба водосброса; 6 - отводящий канал

376

Верх башни (шахты) автоматического водосброса располагают на

отметке НПУ (рис. 8.4). В конце трубы гашение энергии воды

производят обычно с помощью водобойного колодца или стенки, а

иногда отбросом струи носком в воронку размыва (рис. 8.5).

Рис. 8.4. Трубчатый башенный автоматический водосброс

Рис. 8.5. Концевая часть (носок-трамплин) трубчатого водосброса

377

Сверху по периметру башни устанавливают стальную решетку,

возвышающуюся над ФПУ, для предотвращения попадания в

башню плавающих предметов.

Трубчатые башенные водосбросы строят на берегах и в теле грун-

товой плотины. Их часто совмещают с водовыпусками (водоспус-

ками), тогда в нижней передней части башни устраивают отвер-

стие, перекрываемое щитом, управление которым производят со

служебного мостика. В зависимости от расположения башни (у

подошвы или примерно посредине верхового откоса грунтовой

плотины) к водоспускному отверстию в основании башни подхо-

дит канал или водоспускная труба (рис. 8.6 и 8.7).

Рис. 8.6. Трубчатый башенный водосброс-водоспуск: 1 - башня; 2 - пазы ремонтных щитов; 3 - стальная решетка; 4 - служеб-

ный мостик; 5 - муфты; 6 - отводящая стальная труба; 7 - отводящий ка-

нал; 8 - водобойная стенка; 9 - бетонная плита; 10 - водоспускная труба

При наличии донного водоспуска подводящую часть выполняют в

виде канала с нулевым или прямым уклоном. Перед входным ого-

ловком канал крепится бетонными плитами от размыва. Для защи-

ты водоспуска от засорения на входе устраивают сорозащитный

свайный ряд или устанавливают стальные решетки.

На участке водосброса верховой откос плотины крепят железобе-

тонными плитами по слою песчаной подготовки толщиной 0,7-

0,8hпр, где hпр - толщина промерзания грунта откоса. Это необхо-

димо для устранения деформаций крепления и образования тре-

щин вблизи шахты при отсыпке плотины из пучинистых грунтов.

При расположении башни в откосе плотины желательно отсыпать

вокруг шахты специальную берму, которая способствует выравни-

ванию скоростей подхода потока и улучшает режим работы и про-

пускную способность водослива башни или шахты (рис. 8.7).

378

Рис. 8.7. Трубчатый башенный водосброс-водоспуск (проект Бел-

гипроводхоза)

Днище башни выполняют из монолитного железобетона. Его тол-

щина, плановые размеры и масса башни и пригрузки должны

обеспечивать надежность конструкции при динамическом и взве-

шивающем воздействии потока. Следует отметить, что условие

устойчивости башни к взвешивающему воздействию потока явля-

ется одним из основных, ограничивающих диапазон эко-

номической эффективности автоматических башенных водосбро-

сов. При расходах более 80-120 м3/с резко возрастают периметр

водосливного оголовка и масса башни. При этом возрастает вели-

чина взвешивающего давления воды, для восприятия которой при-

ходится существенно увеличивать массу башни и ее стоимость.

Башню располагают обычно ближе к середине верхового откоса,

так как при размещении башни у подошвы откоса, хотя и упроща-

ется ее осмотр и снижается внешнее давление на башню, но удли-

няется служебный мостик и ухудшается работа башни против

всплытия.

В тех случаях, когда необходимо уменьшить слой форсировки

уровней ВБ, применяют полигональный оголовок башни (рис. 8.8).

Если необходимо повысить прочность башни, в ней устанавли-

379

вают внутреннюю стенку-диафрагму (рис. 8.9), в нижней части ко-

торой устраивают перепускные отверстия. Наличие диафрагмы,

перепускных отверстий и затворов снижает нагрузку на затвор и

улучшает режим работы водоотводящей трубы и устройства НБ.

Рис. 8.8. Полигональный башенный водосброс-водоспуск: 1 - отверстие водоспуска; 2 - башня (шахта); 3 - отводящая труба; 4 -

водосливной оголовок водосброса

Рис. 8.9. Башенный водосброс-водоспуск: 1 - отверстие водоспуска; 2 - диафрагма; 3 - плоские затворы водоспуска

380

Вода, поступившая в башню и донный водоспуск, отводится в НБ

через отводящие трубы. Число ниток и размеры труб, так же как и

водоспуска, принимаются на основе гидравлического расчета. В

типовых водосбросах отводящие трубы выполняют из сборных

стандартных железобетонных изделий круглого или прямоуголь-

ного профиля. Наиболее широко применяют трубы диаметром 1,0;

1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 м. Трубы прямоугольного сечения делают из

стандартных блоков Bxh=1,5x2 м, 2х2 м и панелей 3х2 м.

Отводящие трубы разрезают на секции деформационными швами

обычно с шагом 4-6 м. Число швов, их расположение принимают с

учетом неравномерности осадок по длине трубы. При длине трубы

до 30 м число этих швов принимают не менее трех: на стыке с

башней и в сечениях слева и справа от гребня плотины.

Отводящие трубы укладывают на бетонную подготовку с нулевым

уклоном дна или с уклоном i< iкр. Наружные поверхности башни и

труб оклеивают асфальтовыми матами для обеспечения водоне-

проницаемости бетона. Для снижения воздействия морозного пу-

чения на стенки башни и труб используют непучинистый грунт

обратной засыпки (средний песок слоем 0,6-0,8 м). Для перехвата

и отвода фильтрационного потока в НБ под водобоем и в конце

его перед выходным оголовком делают дренаж (рис. 8.10).

Рис.8.10. Устройство дренажа на выходе из башенного водосброса 1 - трубчатый дренаж за водобоем; 2 - ленточный дренаж под водобоем

381

Трубчатые ковшовые водосбросы. Трубчатые водосбросы с

ковшовым оголовком получили наибольшее применение среди за-

крытых нерегулируемых водосбросов в низконапорных гидроуз-

лах с грунтовыми плотинами. Эти водосбросы относятся к закры-

тым водосбросам, имеющим входной оголовок в виде ковша

(рис. 8.11). Существуют как безнапорные, так и напорные ков-

шовые водосбросы с безвакуумными и вакуумными головками. В

безнапорных водосбросах ковшового типа водосливный фронт

входной части развивается в результате увеличения длины слив-

ной кромки ковша. В напорных ковшовых водосбросах допускает-

ся поворот оси его трассы в плане. Концевую часть этих водосбро-

сов устраивают в виде носка-трамплина или колодца-гасителя.

Ковшовые водосбросы с расходами до 30-50 м3/с нашли широкое

применение на малых водохранилищах Нечерноземной зоны РФ.

Рис. 8.11. Трубчатый ковшовый водосброс: 1 - поверхность земли; 2 - бетонные трубы; 3 - надолбы; 4 - ось плотины

На рис. 8.12 показан трубчатый водосброс с ковшовым оголовком

на расход до 50 м3/с при перепадах уровней 7-15 м конструкции

Мосгипроводхоза. Водоприемная часть выполняется в виде пря-

моугольного ковша в монолитном бетоне. Трубопровод запроек-

тирован из железобетонных труб диаметром 1,4 м. В зависимости

от сбросного расхода водосброс включает от одной до четырех ни-

ток круглых безнапорных труб. Мосгипроводхоз рекомендует про-

ектировать одну нитку труб при расходе 12 м3/с и четырехниточ-

ный - при 48 м3/с. Сброс паводков происходит при превышении

ФПУ над порогом оголовка соответственно 0,55 и 0,82 м.

382

Рис. 8.12. Трубчатый ковшевой водосброс Мосгипроводхоза: 1 - ковш; 2 - труба; 3 - концевое устройство; 4 - отводящий канал

В зависимости от условий расположения водосброса, расходов,

слоя форсировки и числа отводящих труб применяют ковши пря-

моугольного и криволинейного очертания (рис. 8.13). Периметр

оголовка ковша, параметры труб и воронки размыва определяют

гидравлическим расчетом, приведенным в справочниках [17, 18].

Рис. 8.13. Конструкции водоприемных ковшей водосбросов: а - полигонального очертания; б - прямоугольного очертания; 1 - водо-

приемник; 2 - водопровод; 3 - водосливной оголовок

Входной ковшевой оголовок осуществляет забор воды по всему

383

его периметру. Оголовок соединяют переходным участком, обес-

печивающим плавный переход от прямоугольного сечения оголов-

ка к круглому сечению трубы. Кромку ковша иногда удлиняют,

выполняя ее ломаной и увеличивая водосливной фронт. Трубы

применяют круглые заводского изготовления. По длине трубы

ставят противофильтрационные ребра с шагом 4-6 м (рис. 8.14, a).

Гидравлический расчет трубчатого ковшового водосброса за-

ключается в определении размеров водосливного оголовка, диа-

метра труб и расчете водобойного колодца или стенки в НБ.

Длину водослива, обеспечивающую нормальный режим работы

сооружения, находят по формуле:

L = Q / [σп mH (2gH)1/2

] (8.1)

где σп - коэффициент подтопления (определяется по графику на рис. 8.14,

б); т - коэффициент расхода; Н - напор на пороге водослива, м.

Коэффициент подтопления принимают в зависимости от отно-

шения hn/H0 (hn - высота подтопления, м; Но - полный напор на по-

роге водослива с учетом скорости подхода, м).

Рис. 8.14. Трубчато-ковшовый водосброс (а) и график для опреде-

ления коэффициента подтопления σп (б): 1 - входная часть водосброса; 2 - ковш; 3 - напорные трубы; 4 -гаситель

384

Имея общую длину, устанавливают ширину торцовой и боковых

частей водослива. Ширина торцовой части должна быть равна или

больше продольного фронта трубы.

Задаваясь количеством труб и их размерами, определяют скорость

v =Q/ω, где ω - площадь живого сечения потока в трубах, м2.

Полная потеря напора определяется по зависимости:

hw = ∑ξv2/2g = (ξвх + ξвых + ξтр+ …)v

2/2g , (8.2)

где ξвх - коэффициент сопротивления при входе; ξвых - коэффициент со-

противления при выходе; ξтр - коэффициент сопротивления на трение по

длине труб и т.д.

Коэффициент сопротивления при входе в трубу принимают: при

острых кромках ξ’вх=0,5; при плавном входе ξ’вх=0,2; при весьма

плавном входе ξ’вх=0,05.

Коэффициент сопротивления при входе с учетом скорости в трубе

составит:

ξвх = ξ’вх(v вх /v) , (8.3)

где v вх - средняя скорость течения в сечении на входе, м/с; v - средняя

скорость течения в данном сечении трубы, м/с.

Коэффициент сопротивления при выходе под УНБ составит:

ξвых = (1 – ω/ωк) , (8.4)

где ω - площадь живого сечения потока в трубе, м2; ωк - площадь живого

сечения потока в водобойном колодце при выходе, м2.

Коэффициент сопротивления на трение по длине труб равен:

• для труб круглого сечения: ξтр = 8gl / C2d = λl / d (8.5)

• для труб прямоугольного сечения: ξтр = 2glh2/R

4/3 , (8.6)

где λ - коэффициент сопротивления по длине в трубах (см. справочники

по гидравлике [17, 18]); l -длина трубы, м; d - диаметр трубы, м.

Если полные потери напора в трубах примерно равны напору, то

сечения труб достаточно для пропуска расчетного расхода.

Для гашения энергии потока в конце трубы устраивают водобой-

ный колодец, стенку или ковш.

Одна из компоновок низконапорного гидроузла с автоматическим

трубчатым ковшовым водосбросом показана на рис. 8.15.

На рис. 8.16 и 8.17 показаны автоматические трубчатые ковшовые

водосбросы, проекты которых были разработаны соответственно

Белгипроводхозом и Союзгипромелиоводхозом.

385

Рис. 8.15. Схема гидроузла с трубчатым ковшовым водосбросом: а - компоновка гидроузла; б - продольный разрез по водосбросу

386

Рис. 8.16. Трубчатый ковшовый водосброс (Белгипроводхоз)

Рис. 8.17. Трубчатый ковшовый водосброс Союзгипромеливодхоза

387

При небольших расходах и хороших геологических условиях, до-

пускающих воронки размыва в НБ, сопряжение бьефов на некото-

рых водосбросах было осуществлено по типу отброшенной струи.

8.2. Трубчатые водосбросы-водоспуски с оголовками-шахтами

При расходах 50-110 м3/с применяют трубчатый водосброс с

шахтным оголовком, совмещаемый с водоспуском. Совмещение

функций водосброса и водоспуска требует их размещения в русло-

вой части грунтовой плотины. На рис. 8.18 показан гидроузел с

трубчатым водосбросом-водоспуском с шахтным оголовком.

Рис. 8.18. Гидроузел с траншейным водосбросом-водоспуском с

шахтным оголовком в русловой части грунтовой плотины

388

При его проектировании можно воспользоваться типовыми проек-

тами, разработанными Укргипроводхозом. Сброс паводков этим

водосбросом производится при форсировке уровней до 1,4 м. Во-

досброс состоит из трубы водовыпуска, шахты, водопроводящей

трубы, гасителя энергии потока и отводящего канала (см. рис. 8.3).

Функции водоприемника в водосбросе выполняет шахта, верхнюю

кромку которой располагают на отметке НПУ. На гребне преду-

сматривают установку сороудерживающей решетки. В передней

части шахты устраивают затворную камеру, в которой монтируют

рабочий и резервный затворы. При необходимости забора воды на

орошение в шахте на различных ее отметках могут быть устроены

отверстия с выпуском воды в затворную камеру.

При возрастании сбросных расходов происходит заметное увели-

чение размеров шахты и, следовательно, действующей на нее

подъемной силы. Необходимую для предотвращения всплытия

массу шахты устанавливают специальным расчетом. Если необхо-

димо уменьшить высоту форсировки уровня ВБ, прибегают к

устройству полигонального оголовка шахты (см. рис. 8.8).

Перспективно совмещение в конструкциях трубчатых водосбросов

положительных особенностей водосбросов с ковшовым и шахт-

ным оголовками. Одна из таких конструкций (рис. 8.19) обеспечи-

вает автоматический и регулируемый сброс расходов.

Рис. 8.19. Трубчатый напорный водосброс-водоспуск с шахтным

оголовком: 1 - отверстие водоспуска; 2 - затвор с подъемником; 3 - шахтный оголо-

вок; 4 - служебный мостик; 5 - напорная труба водосброса; 6 - водобой;

7 - отводящий канал

389

При проектировании водосбросов с шахтным оголовком гид-

равлическими расчетами устанавливают:

• периметр водосливной части шахты, обеспечивающий пропуск

расчетного расхода при заданном слое форсировки УВБ;

• размеры водопроводящей трубы при заданном уровне воды

в шахте или необходимый напор при заданных размерах трубы;

• параметры гидравлического прыжка и водобоя;

• размеры крепления рисбермы и воронки размыва за ней.

Если водосброс совмещен с водоспуском, то при соответствующем

расчетном расходе водоспуска определяют:

• параметры трубы водоспуска из условий напорного течения;

• кривую свободной поверхности воды в трубе водосброса.

Для этого используют зависимости для неравномерного движения

потока. Обязательно проверяют НБ, так как при расчетном расходе

водоспуска в НБ обычно устанавливается малая глубина.

При круглом поперечном сечении башни ее диаметр равен:

d1 = Q / [mπH (2gH)1/2

] , (8.7)

где т - коэффициент расхода для водослива с тонкой стенкой (т=0,4); Н

- напор на гребне башни, равный разности отметок уровня воды при рас-

четном расходе Q и НПУ, м: H = ФПУ - НПУ.

Если поперечное сечение башни прямоугольное, то ширина (пе-

риметр) водослива определяется как для ковшового водосброса.

Площадь поперечного сечения отводящих труб:

ω = Q / [μ (2gz)1/2

] , (8.8)

где μ - коэффициент расхода трубы; z - напор в трубе, м.

При подтопленном выходном отверстии трубы напор равен разно-

сти отметок верха башни и УНБ, при неподтопленном отверстии -

разности отметок верха башни и оси отводящей трубы.

Коэффициент расхода отводящей трубы равен:

μ = {1/[1+ ξвх + λl / 4R]1/2

} , (8.9)

где ξвх - коэффициент сопротивления на вход; λ - гидравлический коэф-

фициент трения (см. справочники [17, 18]); l - длина отводящей трубы, м.

В результате расчетов устойчивости и прочности определяют:

• размеры шахты (ее массу) против всплытия;

• устойчивость шахты и прочность ее конструкции;

• основные размеры стен шахты и ее армирование;

• параметры водобойной части как доковой конструкции.

390

• зерновой состав фильтров и наброски камня в воронке размыва.

Трубчатые бесковшовые водосбросы. Конструкция водоприем-

ника водосброса предотвращает образование в его полости ледя-

ных пробок, что повышает надежность его работы. Бесковшовый

водосброс (рис. 8.20) состоит из входного оголовка, воздушного

гидравлического регулятора, водопроводящей части и выходного

оголовка с зарядным клапаном. Водосброс работает в напорном

режиме и выполнен из стальных труб диаметром до 1,4 м. Про-

пускная способность одной нитки водосброса до 16 м3/с при пере-

паде уровней до 15 м.

Рис. 8.20. Трубчатый бесковшовый водосброс (а) и конструк- ция

его оголовка (б): 1- входной оголовок; 2- воздушно-гидравлический регулятор; 3 - водовод

8.3. Сифонные водосбросы и водовыпуски

Сифонные водосбросы представляют собой один из видов трубча-

тых водосбросов автоматического действия, используемых для

сброса воды из ВБ гидроузла в НБ. В сифонных водосбросах сбра-

сываемый расход поступает в НБ через изогнутый в вертикальной

плоскости в виде колена напорный водовод, отличающийся тем,

что его входное сечение расположено выше НПУ и в зоне горло-

вой части колена при работе ГТС наблюдается образование вакуу-

ма. Сифоны снабжают устройствами, обеспечивающими выпуск

воздуха из колена при пуске, требуемую герметичность внутрен-

ней полости, зарядку и автоматический срыв вакуума.

Сифонные водосбросы целесообразны при быстро наступающих

паводках и небольшой аккумулирующей способности водохрани-

лища. Достоинством сифонных водосбросов является их автома-

тическое включение в работу при небольшом повышении уровня

391

ВБ. Существенным недостатком их является невозможность сбро-

са плавающих тел и льда. Обычно кроме сифона следует иметь

еще водосливные отверстия, перекрываемые затворами.

Сифонные водосбросы и водовыпуски разделяются на четыре ос-

новные вида:

- сифонные водосбросы (рис. 8.21, а, б), регулирующие УВБ сбро-

сом излишков паводка; они бывают береговые, плотинные и -

станционные (служат аварийными водосбросами для исключения

переполнения подводящих каналов ГЭС и насосных станций);

- сифонные регуляторы расхода (рис. 8.21, в) для пропуска посто-

янного расхода воды, включая мелкие сифонные водовыпуски из

малых каналов и лотков;

- сифонные водовыпуски насосных станций (рис. 8.21, г) для вы-

пуска воды из напорных трубопроводов и предотвращения обрат-

ного тока воды.

Рис. 8.21. Сифонные водосбросы и водовыпуски:

а - плотинные паводковые водосбросы; б - станционные аварийные водо-

сбросы на мелиоративных каналах и в насосных станциях; в - регуляторы

расхода на каналах; г - водовыпуски насосных станций

В бетонных плотинах сифон выполняют в виде изогнутых в верти-

кальной плоскости труб переменного прямоугольного поперечного

392

сечения (рис. 8.22). Входной части их придают вид прямолинейно-

го конфузора с высотой входного сечения aвх в 1,5-2 раза превы-

шающей высоту а трубы над гребнем. Верхнюю кромку входного

сифона (рис. 8.22, д) располагают ниже НПУ на величину δ1 =

v2вх/2g, где v

2вх - средняя скорость во входном сечении.

Величину δ2 (рис. 8.22, д) определяют по формуле:

δ2 = aвх [(1 - v2

вх /r1 2g)] , (8.10)

Криволинейная часть трубы сифона над его гребнем очерчивается

по кругу с радиусами: r1=1,3 а; r2=2,3 а, (а - высота трубы сифона

над гребнем). Ширина трубы сифона b составляет (1,5-2,5)а.

Рис. 8.22. Сифонные водосбросы в бетонных плотинах: а, б - сифон с подтопленным входом; в - сифон с носком для создания

водяной завесы; г - схема носка, отклоняющего поток; д - входная

часть сифонного водосброса

Сифон включается в работу полным сечением при повышении

УВБ над НПУ на 30-80 см и выключается с помощью воздухопод-

водящего устройства при снижении ВБ до НПУ. Предотвращение

попадания воздуха при включении сифона в его полость через вы-

ходное отверстие достигается: погружением нижней части трубы

под УНБ (рис. 8.22, а); изгибом трубы для создания водяной проб-

393

ки (рис. 8.22, 6); устройством трамплина в основании отводящей

части водовода для отклонения струи к противоположной стенке

для образования непроницаемой водяной пленки (рис. 8.22, в, г).

Выключается сифон из работы автоматически при снижении УВБ

до НПУ и обнажении воздушных трубок, расположенных в верх-

ней стенке входной части сифона на отметке НПУ.

Во всех сифонах происходит одинаковый процесс их включения в

работу - сначала колено работает как водослив и ниже гребня в

нем образуется гидравлический прыжок, валец которого захваты-

вает воздушные пузырьки, что снижает давление в колене и в по-

следующем включает сифон в работу полным сечением.

В сифонных водосбросах расход определяется действующим

напором H, в сифонных водовыпусках - подачей насосов и интен-

сивностью разбора ее потребителями. Это обусловливает различие

конструкций проточных частей сифонных водосбросов и водовы-

пусков. У водосбросов выходная часть делается конфузорной, а у

водовыпусков - диффузорной. Пропускная способность сифонов:

Q = μ wвых (2gH)1/2

, (8.11)

где μ - коэффициент расхода; wвых - площадь выходного сечения сифона;

H - напор или разность уровней ВБ и НБ.

Сифонные водосбросы классифицируют по ряду признаков:

- по расходу: малые <10 м3/с; средние 10-50; крупные >50 м

3/с;

- по числу параллельных сифонов: одно-, двух и многотрубные;

- по конструкции: совмещенные с другими водосбросами (разме-

щаемые в быках, шахтах и др.); совмещенные со зданием ГЭС или

насосной станции; не совмещенные с другими сооружениями;

- по зарядке: самозаряжающиеся; с принудительной зарядкой;

- по форме поперечного сечения проточной части: прямоуголь-

ные; круглые; смешанные (входная часть - прямоугольная, выход-

ная часть и зарядный колодец - круглые).

Сифоны на расходы менее 3-4 м3/с выполняют из стали, на расхо-

ды более 3-4 м3/с - из железобетона. Минимальное число труб си-

фона равно двум. Ширину сечения трубы назначают по расчету

прочности ее стенок, высоту - по гидравлическому расчету.

Схемы сифонных водосбросов показаны на рис. 8.23.

Поперечное сечение трубы сифона бывает постоянным, сужаю-

щимся, расширяющимся. Расширение предусматривают на выходе

394

(рис. 8.23, б, в), где необходимо уменьшить выходные скорости,

увеличить расход и облегчить гашение энергии потока.

Рис. 8.23. Основные схемы сифонных водосбросов: а - с однорадиусным гребнем и обратным уклоном отводящего ствола: б -

с ускорителями включения сифона; в - с упрощенным ускорителем вклю-

чения и прямым уклоном отводящего ствола: г, д - с обратным уклоном

ствола; е - с горизонтальной трубой на гребне

Условия зарядки сифона могут быть улучшены (рис. 8.24, а) с по-

мощью козырька, забральной стенки, регуляторов расхода, откид-

ных носков, ускорителей зарядки. Часто применяемые откидные

носки устраивают на сливной грани на высоте (рис. 8.24, б), где

y=(0,8-1,2)а над потолком зарядного колодца, а - высота сечения

на каждом участке ствола. Угол наклона носка к горизонту β мо-

жет быть найден из уравнения траектории движения струи:

y = x tgβ +g(l+tg2β) x

2 /2v

2 , (8.12)

где v = (0,6-0,8)(2gz – у)1/2

; х = y ctgα + a/sinα

Расширение трубы делают ниже откидного носка, чтобы не ухуд-

шать условия зарядки сифона при перепадах z<5,0 м. Сифоны с

постоянным сечением трубы применяют при z<10,0 м, с сужаю-

щимися - при z>10,0 м. Выбор входной части зависит от конструк-

тивных соображений. В горловой части (рис. 8.24, в) часто устраи-

вают разрезку гребня, что ускоряет зарядку сифона. Особенность

395

зарядных колодцев (см. рис. 8.24, в) - расположение высшей от-

метки порога на одной отметке с низшей отметкой потолка.

Рис. 8.24. Сифонный водосброс-автомат уровня воды в ВБ:

а - разрез и план; б - схема к определению положения откидного носка: в

- варианты горловой части; г - варианты зарядного колодца; 1 - регулятор

расхода; 2 - водосборный лоток; 3 и 4 - водобойный и зарядный колодцы;

5 - откидной носок

На рис. 8.25 показан сифонный водосброс на расход воды до 30

м3/с при перепаде уровней 5-15 м с небольшим подъемом воды в

ВБ (0,5-0,8 м) над НПУ при сбросе паводка, что позволяет умень-

396

шить площадь затопления в ВБ и достичь высокой сборности со-

оружения (5 типов блоков). Недостаток - сложность обеспечения

герметичности стыков труб при строительстве и эксплуатации.

Этот водосброс следует применять на реках с резко нарастающим

паводком и малой емкостью водохранилища.

Рис. 8. 25. Сифонный водосброс конструкции Ленгипроводхоза:

1 - входной оголовок; 2 - воздухоподводящее устройство; 3, 4, 5 - восхо-

дящая, нисходящая и концевая части водосброса; 6 - консоль водосброса

Достоинства сифонов - возможность их сооружения после пуска в

эксплуатацию грунтовой плотины или их использования при ре-

конструкции водосбросов для роста их пропускной способности.

Недостатки сифонов, ограничивающие их широкое применение:

сложность эксплуатации зимой и при пропуске льда; вибрации от-

дельных частей; наличие зон давления и вакуума на участках кру-

тых изгибов труб при высоких скоростях потока; необходимость в

сложной опалубке и высоком армировании стенок. Вакуум в си-

фоне не должен превышать допустимый для предупреждения ка-

витации. Во избежание опасных режимов работы сифона, вызы-

вающих его вибрацию, он должен иметь устройства, обеспечива-

ющие его работу без разрядки и больших динамических явлений в

проточной части (аэраторы-воздуховоды).

Крупный сифонный башенный водосброс (рис. 8.26) имеет сифо-

ны на гребне башни, расположенной в основании откоса грунто-

вой плотины. Он рассчитан на расход 1104 м3/с при напоре над

гребнем 1,06 м и состоит из 14 сифонных секций. Водосброс

397

встроен в тело грунтовой плотины. В варианте башенного водо-

сброса открытого типа (без сифонов) диаметр гребня по расчету

получился dr=36,6 м при намного большем напоре, равном 2,7 м.

Рис. 8.26. Крупный сифонный башенный водосброс: 1 - решетка на входе в сифон; 2 - крышка горловины сифона; 3 - бетонное

крепление откоса плотины; 4 - грунтовая плотина; 5 - отводящая галерея

На рис. 8.27 показан крупнейший в мире сифонный водосброс

ГЭС Гази Барота (Пакистан) пропускной способностью 1600 м3/с

и удельным расходом 16,7 м2/с при напоре над гребнем всего

0,5 м, состоящий из 32 сифонных секций (бочек). Водослив прак-

тического профиля потребовал бы напора на гребне в 4,0 м.

Рис. 8.27. Крупнейший в мире сифонный водосброс (Q=1600 м

3/с)

ГЭС Гази Барота на р. Инд (Пакистан)

398

Приложение 1

Волжско-Камский каскад гидроузлов и ГЭС

1. Общая технико-экономическая характеристика каскада

Создание на Волге и Каме каскада из 11 комплексных гидроузлов

является крупнейшим достижением мировой и российской гидро-

техники. В бассейне Волги площадью 1360 тыс. км2, что превы-

шает общую территорию Франции, Испании и Италии, созданы

водохранилища общей площадью 25,6 тыс. км2, объемом 186 км

3.

Волга - самая большая река в Европе длиной 3531 км. Общее паде-

ние реки составляет 256 м. Гидроэнергопотенциал бассейна Волги

оценивается в 114 млрд. кВт-ч выработки электроэнергии. Сред-

немноголетний сток Волги - 251 км3, из них 118 км

3 - сток Верхней

Волги и 119 км3 - сток Камы. Ниже Камы сток Волги возрастает на

14 км3. Сток Волги и Камы неравномерно распределен по годам и

сезонам. Так, сток 1926 г., самого многоводного года на Волге за

последние 100 лет, составил 384 км3, а объем стока маловодного

1923 г. - 157 км3. На период весеннего паводка (апрель-июнь) при-

ходится около 70% годового стока, когда расходы реки достигают

60 тыс. м3/с. Самые низкие расходы бывают зимой при ледяном

покрове: их величина в отдельные годы не превышает 800 м3/с.

Избыток воды в одни периоды и недостаток ее в другие затрудня-

ли транспортное использование реки, не позволяли хорошо орга-

низовать орошение земель, водоснабжение городов.

Инженерная схема каскада гидроузлов предопределила:

- наиболее полное использование водно-энергетических ресурсов

для получения большого количества дешевой электроэнергии;

- создание глубоководного пути в основном течении Волги и Ка-

мы, а также соединение этих рек с Балтийским, Белым, Азовским и

Черным морями;

- развитие сельского хозяйства в прилегающих к Волге районах

путем орошения и обводнения больших массивов засушливых

плодородных земель.

Для получения наибольшего энергетического эффекта схемой

предусмотрено использование падения реки наименьшим количе-

ством плотин с созданием при них крупных водохранилищ. Одной

из главных задач проектирования энергетического использования

гидроресурсов Волги и Камы было строительство каскада ГЭС как

опорных пунктов Единой энергетической системы (ЕЭС) России.

399

Волга и Кама превращены в сплошную цепь водохранилищ, поз-

воляющих перераспределить сток по временам года согласно тре-

бованиям народного хозяйства и создающих благоприятные усло-

вия для судоходства, орошения и энергетического использования

стока реки. Схема Волжско-Камского водохранилищ показана на

рис. 1, а их характеристика - в табл. 1.

Рис. 1. Схема Волжско-Камского каскада водохранилищ

Волга и ее притоки соединяют важнейшие промышленные и сель-

скохозяйственные районы страны. Она является главным звеном

Единой водно-транспортной системы, объединяющей свыше 30

тыс. км судоходных рек Европейской части России. По Волге и ее

притокам перевозится 70% всех речных грузов в стране.

400

Таблица 1

Основные характеристики Волжских и Камских водохранилищ

Водохранилище Пло-щадь

зеркала,

км2

Объем, км3 полный | полезн.

Длина/ ширина,

км

Глубина, м средн.|макс.

Годы напол-

нения

Верхняя Волга

Верхневолжское 179 0,79 0,53 92/4,4 4,4 16,1 1943-47

Иваньковское 327 1,1 0,8 120/8,0 3,4 19,0 1937

Угличское 249 1,3 0,8 143/5,0 5,0 23,2 1940

Рыбинское 4550 25,42 16,7 250/56 5,6 30,4 1941-47

Средняя Волга

Нижнегородское 1570 8,8 3,9 430/15 5,5 21,0 1955-57

Чебоксарское 2100 12,6 5,4 321/16 6,1 30,0 1980-82

Волжское 6150 57,3 21,0 484/38 8,9 40,0 1955-57

Нижняя Волга

Саратовское 1831 12,9 1,8 348/20 7,3 32,0 1967-68

Волгоградское 3117 31,5 9,3 546/17 10,1 41,1 1958-60

Кама

Камское 1915 12,2 9,2 272/13 6,4 28,6 1954-56

Воткинское 1120 9,4 3,7 365/9,0 8,4 28,0 1962-64

Нижнекамское 2704 13,6 4,4 300/20 1978-80

Итого: 25633 186,1 89,7

2. Анализ надежности гидросооружений каскада ГЭС

Проектирование каскада вел коллектив инженеров, сложившийся

на строительстве канала им. Москвы и преобразованный позже в

крупный проектно-изыскательский институт Гидропроект.

Ниже дан краткий анализ принятых технических решений отдель-

ных, но очень важных проблем, обеспечивающих надежность и

работоспособность основных сооружений каскада. Это может

быть сделано в настоящее время, опираясь на длительный успеш-

ный опыт эксплуатации всего каскада сооружений, а также соору-

жений, построенных в аналогичных условиях на других реках.

Строительство гидросооружений на мягких основаниях всегда

считалось наиболее сложным. Под мягким основанием в данном

случае имеются в виду прежде всего аллювиальные, реже де-

лювиальные отложения, характерные для большинства речных до-

лин в равнинном рельефе. Литологически эти отложения пред-

ставлены чаще всего легкими глинами и суглинками и песками.

Такое строение характерно для большинства волжских створов.

Мощность этих отложений на Волге достигает 70 м.

При всем многообразии и сложности многих проблем любого

401

строительства ГЭС при мягком основании доминируют три про-

блемы, которые определяют надежность основных сооружений:

- обеспечение устойчивости прежде всего бетонных сооружений

при низких сдвиговых характеристиках мягкого основания;

- обеспечение суффозионной устойчивости грунтов основания и

часто грунтовых плотин в условиях напорной фильтрации;

- обеспечение сохранности легко размываемых грунтов основания

при пропуске через сооружения расходов реки.

Таким образом, был выработан, осуществлен и в процессе эксплу-

атации проверен комплекс конструктивных мер, каждая из кото-

рых решает одну или ряд проблем надежности сооружений:

- анкерный (жесткий) и асфальтоглинистый (гибкий) понуры сни-

жают параметры и градиенты потока фильтрации в основании бе-

тонной плотины, а анкерный понур, кроме того, благодаря приг-

рузке водой обеспечивает требуемый уровень ее устойчивости;

- шпунтовые диафрагмы в совокупности со скважинным и пло-

щадным дренажем создают систему контроля за фильтрационным

режимом в основании сооружения, контролируя фильтрационное

давление и предотвращая суффозионные процессы;

- комплекс водобойных устройств и гибкой рисбермы предотвра-

щает чрезмерные размывы в НБ; при необходимости эти крепле-

ния в НБ могут служить элементами конструкции, участвующими

в обеспечении устойчивости бетонной водосбросной плотины.

Ниже приведены основные характеристики всех гидроузлов каска-

да ГЭС и их оснований и обобщены полученные результаты.

Верхне-Волжские гидроузлы. Характерной особенностью этих гид-

роузлов является наличие в основании их плотин достаточно мощ-

ной глинистой прослойки (рис. 1, 2). В основании бетонных со-

оружений Иваньковского гидроузла залегают плотные моренные

суглинки мощностью 12-14 м. Под суглинками лежит слой флю-

виогляциальных песков такой же мощности с напорными водами.

Над отметкой подошвы бетонной плотины напор этих вод дости-

гает 15-17 м. Подобное строение имеет основание бетонных пло-

тин Угличской ГЭС, расположенных у правого берега.

Наличие тонкой прослойки суглинка в основании бетонных со-

оружений исключило использование в конструкции флютбета

шпунтов и глубоких врезок. Снижение фильтрационного давления

под бетонными сооружениями на обоих гидроузлах осуществлено

402

использованием асфальтоглинистого понура, гибко соединенного

фундаментами бетонных сооружений. Максимальный напор на

Иваньковском гидроузле - 14,5; Угличском - 16 м.

Рис. 1. Профиль Иваньковской водосбросной плотины:

а - водосливная секция; б - двухъярусная водосбросная секция; 1 - гибкий понур;

2 - затвор; 3 - водослив; 4 - водобой; 5 - рисберма; 6 - моренные суглинки

Рис. 2. Профиль Угличской двухъярусной водосливной плотины:

1, 2 - соответственно затворы верхнего и нижнего водосбросов; 3 - фундаментная

плита; 4 - гибкий понур; 5 - пригрузка понура; 6 - крепление понура; 7 - водобой;

8 - рисберма; 9 - дренажные колодцы; 10 - горизонтальный дренаж водобоя и

рисбермы; 11 - гасители энергии; 12 - гибкое крепление

Анкерные понуры, впервые примененные на Свирских ГЭС, явля-

ются одним из основных элементов флютбета почти всех гидро-

узлов каскада. Эти понуры имеют двойное действие в повышении

устойчивости бетонной плотины: снижают фильтрационное дав-

ление на ее основание, увеличивают площадь контакта плотина-

основание и воспринимают часть сдвигающих усилий на плотину.

Размеры анкерных и гибких понуров зависят от геологических

условий основания при сохранении единого требования к самой

бетонной плотине: ее устойчивость обеспечивается с коэффи-

403

циентом устойчивости, равном 1,0, при отсутствии учета работы

понура. Это общий подход к проектированию бетонных плотин на

мягких основаниях гидроузлов каскада. На водосливной плотине

Иваньковского гидроузла длина гибкого понура - 45 м, на Углич-

ском гидроузле - 40 м. Указанные размеры понура этих плотин,

как показали наблюдения, гасят 50-60% действующего напора.

Расчетные сбросные расходы Иваньковского гидроузла 7000 м3/с,

Угличского гидроузла - 11600 м3/с, удельный расход на рисберме -

60 м2/с. Сопряжение этого потока со значительной энергией, с НБ

является второй проблемой этих гидроузлов. Для мягкого основа-

ния это очень высокий уровень удельных расходов, что предопре-

делило значительную длину и сложность рисбермы.

Для водосбросных плотин в подобных условиях крепление НБ, как

правило, включает три участка. Первый - водобойный колодец, ос-

нащенного различными гасителями энергии потока. В пределах

водобойных колодцев происходит гашение основной энергии по-

тока и выравнивание глубин. Однако на выходе из колодца поток

имеет еще высокую скорость и турбулентность. Поэтому устраи-

вают второй участок крепления НБ - рисберму, на которой проис-

ходит гашение оставшейся энергии потока, снижение его турбу-

лентности. Третий концевой участок крепления НБ - участок со-

пряжения рисбермы с естественным руслом реки. Обычно очерта-

ние этого участка напоминает параметры ямы размыва основания,

и он, как правило, завершается ковшом, дно которого крепится

гибкими элементами, деформируемыми при превышении размы-

вов дна над расчетными. Для зданий ГЭС крепление НБ имеет два

нижних участка, характерных для водосбросной плотины.

Такая конструкция крепления НБ характерна для всех гидроузлов

на мягком основании. Параметры отдельных участков крепления

определяются энергией сбрасываемого потока, т. е. перепадом

бьефов и величиной расхода и характеристикой основания.

На Иваньковской водосливной плотине длина водобойного колод-

ца - 38 м, рисбермы - 115 м. В начале рисбермы уложены бетонные

плиты толщиной 1,2 м на длине 30 м, на остальном участке - гиб-

кое крепление из бетонных плит. Рисберма заканчивается ковшом

длиной 25 м. Крепление русла за зданием ГЭС повторяет кон-

струкцию крепления за водосбросной плотиной ниже колодца.

На Угличской ГЭС длина водобойного колодца водосливной пло-

404

тины около 50 м. Такую же длину имеет рисберма с жесткими бе-

тонными элементами. Концевая часть рисбермы выполнена в виде

ковша длиной 100 м с уположенным входным откосом. Заглубле-

ние ковша относительно верхового участка рисбермы 10 м.

Земляные плотины Иваньковского и Угличского гидроузлов на-

мывные из речного аллювия. Это был первый опыт применения

намыва в больших объемах. Водоупорный элемент плотин - сталь-

ная диафрагма, ее нижняя часть - металлический шпунт, забитый

до суглинков. Верхняя часть на Иваньковской плотине - деревян-

ная диафрагма. На Угличской плотине верхняя часть шпунтовой

диафрагмы наращена металлическим листом на высоте 5 м.

Наблюдения показали, что на диафрагмах гасится до 90% напора.

Успешная эксплуатация довоенных свирских и верхневолжских

гидроузлов позволила на послевоенных, значительно более круп-

ных гидроузлах применить, накопленный и проверенный опыт при

конструировании флютбетов и креплений НБ этих гидроузлов.

Рыбинский гидроузел состоит из двух гидроузлов - Волжского,

включающего водосбросную плотину, судоходные шлюзы и зем-

ляную плотину, и Шекснинского, сооруженного вблизи устья

р. Шексны, состоящего из здания ГЭС и земляной плотины.

В основании всех сооружений Волжского створа залегают корен-

ные глины. В русле реки в основании плотины глины перекрыты

слоем разнозернистого аллювия мощностью 4-5 м. В Шекснин-

ском створе основание земляной плотины усложнено переслаива-

нием четвертичных аллювиальных отложений мощностью до 40 м.

Конструкция флютбета бетонных сооружений аналогична двум

верхним гидроузлам (рис. 3). Длина гибкого понура водосливной

плотины при напоре 18 - 58 м. Падение напора на понуре достига-

ет 87%. При пропуске расчетного паводка в 10500 м3/с, удельный

расход на рисберме водосливной плотины составит 54 м2/с. Водо-

сливная плотина имеет водобойный колодец длиной 62 м, жесткую

рисберму длиной 50 м и гибкую рисберму длиной 90 м. Отличие

рисбермы плотины Рыбинского гидроузла от рисбермы верхних

гидроузлов в ее более заглубленном расположении, что позволило

отказаться от сопрягающего ковша в конце рисбермы.

Земляные плотины в обоих створах намыты из руслового песка.

Водоупорным элементом плотин служит стальной шпунт, нара-

щенный бетонными плитами, на котором гасится 85% напора.

405

Рис. 3. Профиль Рыбинской водосливной плотины: 1 - полости, заполненные песком; 2 - фундаментная плита; 3 - гибкий по-

нур; 4 - пригрузка понура; 5 - крепление понура; 6 - водобой; 7 - рисбер-

ма; 8 - гасители энергии; 9 - зуб водобоя; 10 - дренажные скважины; 11 -

стальной шпунт; 12 - мергелистые глины

Нижегородский (Горьковский) и Волжский (Куйбышевский) гидро-

узлы строились в 1949-1957 гг. Больших различий в решении

сложных проблем на этих гидроузлах на мягком основании нет.

Основанием здания Нижегородской ГЭС являются коренные мер-

гели и глины. В основании водосливной плотины, примыкающей к

зданию ГЭС, - чередования песков, глин и мергелей мощностью

немного более 10 м. Оказалось вполне естественным перерезать

эту прослойку водопроницаемых пород зубом (рис. 4). Набор

остальных элементов флютбета традиционен. Параметры их опре-

делены максимальным напором, равным 17 м. Длина понура водо-

сливной плотины 47 м. Общая длина укрепления отводящего трак-

та 147 м при удельном расходе 57 м2/с. В том числе водобой -

57,5 м, жесткая рисберма 40 м и гибкая рисберма - 50 м и ковш.

Рис. 4. Профиль Нижегородской водосливой плотины:

1 - понур с железобетонной стенкой; 2 - водослив; 3 - водобой; 4 - шпун-

товая стенка; 5 - ковш-регулятор; 6 - мергель; 7 - глинистые отложения

На Волжском гидроузле при напоре 30 м максимальный сбросной

расход равен 67400 м3/с. Пропускная способность ГЭС 27140 м

3/с,

406

в т. ч. через турбины 9040 м3/с и донные водосбросы 18100 м

3/с.

Пропускная способность водосливной плотины 40300 м3/с. Удель-

ный расход на рисберме ГЭС и плотины около 45 м2/с.

Русловое здание Волжской ГЭС расположено на глинах и суглин-

ках с гравием. В основании плотины залегают средние и мелкие

пески мощностью до 70 м, ниже - коренные глины (рис. 5, 6).

Рис. 5. Поперечный разрез Волжской совмещенной ГЭС: 1 - сороудерживающее сооружение; 2 - анкерный понур; 3 - агрегат;

4 - донный водосброс; 5 - отсасывающая труба; 6 - рисберма; 7 - ковш;

8 - суглинок; 9 - глина

Рис. 6. Профиль Волжской водосливной плотины: 1 - анкерный понур; 2 - железная дорога; 3 - автодорога; 4 - водослив; 5 -

опоры ЛЭП; 6 - водобой; 7 - ковш; 8 - шпунтовые стенки

Водоупорными элементами на здании ГЭС служат анкерный по-

нур длиной 60 м и шпунтовый ряд в его верхней части. За верхо-

вым зубом здания ГЭС устроены дренажные скважины. Высокий

напор на сооружение, самый большой на этом каскаде, вызвал

большую неравномерность напряжений в подошве здания ГЭС,

под низовой гранью которого напряжения сжатия достигли

7 кг/см2, что могло привести к выпору грунта. Потребовалось при-

грузить основание ниже ГЭС путем пристройки длиной 30 м, при-

груженной сверху насыпкой грунта. Общая длина рисбермы зда-

407

ния ГЭС с ковшом составила около 160 м.

Для развития подземного контура водосливной плотины и повы-

шения ее устойчивости устроен анкерный понур длиной 43 м.

Длина рисбермы плотины 265 м, включая водобой 55 м, жесткую

рисберму 40 м, гибкую рисберму 52 м и ковш 118 м. Для снижения

фильтрационного давления в основании плотины в начале понура

и в верховом зубе плотины забит шпунт на глубину 20 м. По рас-

четам водосливная плотина без анкерного понура имеет коэффи-

циентом устойчивости 1,07-1,10, а с учетом понура до 1,6.

Земляные плотины Нижегородского и Волжского гидроузлов на-

мывные без водоупорных элементов. Различие в ширине гребня

плотин обусловлено предъявлением к Волжской плотине повы-

шенных требований к ее сохранности в особых условиях.

Чебоксарская ГЭС - пятая ГЭС этого каскада. Инженерно-

геологические условия этого гидроузла имеют некоторые особен-

ности. В правом борту долины на уровне подошвы станции вскры-

вается пачка известняков мощностью до 10 м. Она и принята как

основание здания ГЭС. Выше нее залегает пачка алевритов, кото-

рая служит основанием примыкающей к зданию ГЭС водосливной

плотины, подошва которой на 5 м выше подошвы здания ГЭС.

Наличие полускальных и скальных пород в основании бетонных

сооружений упростило проблему устойчивости сооружений и со-

пряжения потока с рекой в НБ (рис. 7).

Рис. 8. Профиль Чебоксарской водосливной плотины: 1 - подкрановые пути; 2 - кран козловой г/п 2х225/2 т ; 3 - ось автодороги;

4 - ось железной дороги ; 5 - прорези в промежуточных быках; 6 - водо-

слив; 7 - буронабивные сваи; 8 - буронабивная стенка; 9 - дренажная

скважина; 10 - анкерный понур

Расчетный сбросный расход на гидроузле 48000 м3/с. Максималь-

408

ный напор 19 м. Через здание ГЭС с донными отверстиями должно

пропускаться 34000 м3/с, через водосбросную плотину 14000 м

3/с.

Удельный расход на рисберме плотины 97 м2/с, на рисберме ГЭС

60 м2/с. Длина крепления НБ водосливной плотины 146 м, вклю-

чая водобой длиной около 60 м.

Земляная плотина - намывная без водоупорных элементов.

Саратовский гидроузел создавался в 1960-х годах. В основании

ГЭС залегают слабые сжимаемые глины. Максимальный сбросный

расход 70500 м3/с, максимальный напор - 15 м. Совмещенное зда-

ние ГЭС имеет донные отверстия повышенной пропускной спо-

собности, что позволило исключить из состава сооружений водо-

сбросную плотину. Удельный расход на рисберме совмещенной

ГЭС около 60 м2/с. Устойчивость здания ГЭС обеспечивается с

участием анкерного понура длиной около 35 м (рис. 9). Сопряже-

ние потока, сбрасываемого через водосбросы ГЭС, происходит в

поверхностном режиме. Общая длина крепления НБ - 186 м.

Эти данные по Саратовской ГЭС говорят об отходе на этой ГЭС от

общепринятых решений на остальных ГЭС. Эти различия возник-

ли из-за вынужденного выполнения проектировщиками требова-

ний ЦК КПСС широко внедрять в строительство, включая гидро-

техническое, сборный железобетон, что не оправдалось.

Рис. 9. Разрез Саратовской ГЭС по оси вертикального агрегата: 1 - анкерный понур; 2 - малогабаритный машинный зал; 3 - вертикальный гидро-

агрегат; 4 - отсасывающая труба; 5 - водобой; 6 - алевролиты; 7 - плотные глины

Волгоградский гидроузел - последняя ступень каскада, в котором

учитывался не только опыт его проектирования, но и опыт его

строительства и начальной эксплуатации. Поэтому сооружения

этого гидроузла более экономичны и рациональны. Большую роль

в этом сыграло и совершенствование в 1956-1958 гг. нормативных

409

документов по проектированию гидросооружений, на основе опы-

та строительства гидросооружений этого каскада ГЭС.

Основной геологической особенностью гидроузла является текто-

нический сброс, разделивший долину реки на две различные по

литологическому строению части. В правом борту долины близко

к поверхности выходят полускальные коренные породы, представ-

ленные алевролитами, песчаниками и аргиллитами, достаточно

слабыми левый борт долины сложен аллювиальными отложения-

ми мощностью до 30 м, подстилаемыми коренными майкопскими

глинами. Русло реки Волги прижато к правому борту долины.

Здание ГЭС расположено на коренных полускальных породах. В

основании водосбросной плотины, расположенном на 17 м выше

подошвы ГЭС, залегает слой аллювия толщиной 12 м (рис. 10, 11).

Рис. 10. Поперечный разрез Волгоградской ГЭС:

1 - сороудерживающее сооружение; 2 - анкерный понур; 3 - гидроагрегат;

4 - донный водосброс; 5 - отсасывающая труба; 6 - водобой; 7 - алевроли-

ты, аргиллиты, песчаники

Рис. 11. Профиль Волгоградской водосливной плотины:

1 - анкерный понур; 2 - стальной шпунт; 3 - бетонные плиты; 4 - водобой;

5 - разгрузочные скважины; 6 - рисберма; 7 - обратный фильтр; 8 - приг-

рузка камнем

410

Устойчивость обоих бетонных сооружений обеспечена с помощью

анкерного понура длиной 30 м на ГЭС и 60 м на плотине. Слой ал-

лювия в основании плотины перерезан 3 рядами шпунта.

Максимальный напор на сооружения 27 м. Расчетный сбросный

расход 59500 м3/с, удельный расход через ГЭС 48,5, водосбросную

плотину 43,7 м2/с при расчетном расходе через плотину 30800 м

3/с.

Крепление НБ плотины длиной 250 м, в том числе - водобой дли-

ной 55 м, жесткая рисберма 50 м, гибкая рисберма и ковш 145 м.

Днище ковша опущено до полускальных коренных грунтов.

Основные решения обеспечения устойчивости сооружений и со-

пряжения бьефов на гидроузле - традиционные для каскада.

Приведенные конкретные характеристики параметров гидросо-

оружений каскада и их основных элементов заслуживают обобще-

ния прежде всего потому, что накоплен многолетний опыт их экс-

плуатации, построенных в очень сложных условиях, и этот опыт

оказался успешным, подтвердившим принятые в проекте решения.

Заслуживают обобщения обе проблемы, от решения которых зави-

сит надежность гидросооружений. Одна из них - размываемость

НБ имеет достаточно фактических данных для обобщенного ана-

лиза так, как русло Волги на всей ее длине сложена грунтами, раз-

мываемость которых потоком характеризуется близкими величи-

нами. Это позволяет сделать обобщение, которое позволяет оце-

нить близость принятых решений по сопряжению с НБ. Обобще-

ния принятых решений по обеспечению устойчивости сооружений

очевидны и выражаются в задании собственной устойчивости бе-

тонных сооружений с коэффициентом устойчивости на сдвиг в

пределах 1,0-1,1. Для различных сооружений каскада параметры

на сдвиг грунтов основания, принятые для расчета, находятся в

пределах tgφ=0,26 (Иваньковский гидроузел) - 0,35 (Нижнегород-

ский гидроузел) с разницей в 35%. Это определило в основном

различие в «массивности» основных сооружений гидроузлов.

В табл. 2 даны параметры рисберм водосбросных сооружений кас-

када: длина – L, величины перепада бьефов – Н и удельные рас-

четные расходы на рисберме – q. Энергетическая характеристика

потока определена показателем удельной мощности, равным Hq,

hразм – максимальные глубины ям размывов ниже подошвы ковша.

На рис. 12 показаны отношения Hq и L для гидроузлов каскада, из

которого (цифры с точками обозначают названия гидроузлов в

411

табл. 2) видна зависимость длины рисбермы от энергии потока.

Отношение этих величин близко к 5 (tg угла наклона прямой) для

гидроузлов каскада, расположенных на аллювиальных основаниях.

Параметры рисберм Волжско-Камского каскада ГЭС Таблица 2

№ Гидроузел H, м q, м2/с Hq,м

3/с L, м hразм,

м

1 Иваньковский 14,5 60 870 153 -

2 Угличский 16 60 960 200 -

3 Рыбинский 18 54 972 200 -

4 Нижнегородский 17 57 969 147 5-6

5 Чебоксарский 19 97 1843 146 3-4

6 Волжский 30 45 1350 265 10-11

7 Саратовский 15 60 900 186 10-11

8 Волгоградский 27 43,7 1180 250 8-20

9 Нижнесвирский 13,8 21,5 297 107 -

10 Воткинский 20 60 1200 85 5-6

11 Камский 19 55 1045 95 -

12 Нижне-Камский 18,8 77 1354 105 -

13 Цимлянский (р. Дон) 16,4 35 574 215 -

Рис. 12. Зависимость энергии потока Hq от длины рисберм (L) во

412

досливных плотин Волжско-Камского каскада ГЭС

Однако для шести гидроузлов этот показатель оказался иным. Вы-

ход из общей тенденции рисберм Чебоксарского гидроузла (5) и

трех гидроузлов на Каме (10-12) вызвано расположением их на по-

лускальных породах (известняках, мергелях и др.), рисберма

Иваньковской плотины (1) размещена на плотной глине, укороче-

ние рисбермы Нижегородского гидроузла (4) объясняется включе-

нием в работу рядом расположенных более прочных грунтов.

Подводя итог краткому анализу основных решений, принятых на

гидросооружениях Волжско-Камского каскада ГЭС по обеспече-

нию их надежности, следует отметить в целом правильность этих

решений, подтвержденную успешную эксплуатацию этих гидро-

узлов в течение 30-70 лет.

Однако это не относится к концевым участкам рисберм (ковшам),

устроенным в песках и глинах большинства гидроузлов на Волге,

которые подвергались постоянным размывам с самого начала про-

пуска через них паводков, к счастью, пока еще в 1,5-2 раза ниже

максимальных расчетных. По данным натурных съемок в 1995-

1998 гг. глубины размывов русла в НБ этих гидроузлов оказались

значительно ниже (от 5 до 11 и даже до 20 м в Волгоградском гид-

роузле) подошвы ковшей, поэтому наброски камня в ковшах были

вынесены, а концевые плиты рисберм во многих случаях были

оторваны и вынесены. Постоянные ремонтные работы по укрепле-

нию НБ этих гидроузлов не предотвратят последующие еще более

значительные размывы, особенно при пропуске паводков, близких

к максимальным, что становится уже опасным для устойчивости

плотин и ГЭС гидроузлов этого каскада.

Литература

Сборник научных трудов Гидропроекта. Вып. 16; - М.; 1967.

Сборник научных трудов Гидропроекта. Вып. 159.-М.; 2000.

413

Приложение 2

Расчеты фильтрации в земляных плотинах

414

Приложение 2 (продолжение)

415

Приложение 2 (продолжение)

416

Приложение 2 (продолжение)

417

Приложение 2 (продолжение)

418

Приложение 2 (продолжение)

419

Приложение 2 (продолжение)

420

Приложение 3. Метод прогноза прочности и сжимаемости

разнородных обломочно-пылевато-глинистых грунтов

3.1. Общие положения методики

Методика устанавливает правила определения нормативных зна-

чений углов внутреннего трения φ, сцепления С и модулей дефор-

мации Е по физическим характеристикам компонентов для обло-

мочно-пылевато-глинистых грунтов с крупными включениями

элювиального, делювиального и аллювиального генезиса.

Нормативные характеристики грунтов, определяемые по этой ме-

тодике, можно использовать для предварительных расчетов осно-

ваний сооружений и грунтовых плотин 1 и 2 классов.

Исходные физические характеристики при расчете нормативных

величин параметров механических свойств (φ, С, Е) крупнообло-

мочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-

глинистых грунтов с крупными включениями:

- гранулометрический (зерновой) состав грунта;

- природная влажность пылеватого и глинистого заполнителя;

-пределы пластичности пылевато-глинистого заполнителя: влажность на

границе текучести WL, влажность при раскатывании Wp;

- механическая прочность крупных обломков (частицы крупнее 2 мм) по

испытанию на истирание.

Согласно СНиП 2.02.02-85. «Основания гидросооружений» рас-

четные значения характеристик грунтов X определяют как:

X = Xn / γg, (1) где Xn - нормативное значение характеристики, определяемое в соответ-

ствии с настоящей методикой; γg - коэффициент надежности по грунту,

принимаемый в расчетах оснований гидросооружений по несущей спо-

собности: для сцепления γg =1,65 и угла внутреннего трения γg =1,15.

3. 2. Определение физического эквивалента - комплексного

показателя свойств обломочно-пылевато-глинистого грунта

Крупнообломочные грунты с пылеватым или глинистым за-

полнителем и пылеватые и глинистые грунты с крупнообломоч-

ными включениями являются сложными природными много-

компонентными системами. Такие грунты являются переходными

от подгруппы обломочных-крупнообломочных к подгруппе обло-

мочно-пылеватых и глинистых. Исследования ДальНИИС показа-

ли, что признак отнесения грунтов к крупнообломочным - содер-

жание в гранулометрическом составе более 50% частиц >2 мм - не

421

является границей качественного изменения их механических

свойств. Отдельные обломки скальных пород (частицы >2 мм) и

пылеватый или глинистый заполнитель (частицы <2 мм) принци-

пиально различны как по размеру фракций, так и по механическим

свойствам. С этой точки зрения обломочно-пылевато-глинистые

грунты следует рассматривать как естественные смеси грунтов

двух типов: крупнообломочных и пылеватых или глинистых.

Одной из важнейших характеристик обломочно-пылевато-

глинистого грунта является процентное содержание в нем облом-

ков, которое оценивается по зерновому составу грунта суммирова-

нием процентных содержаний частиц более 2 мм.

На основании этих исследований установлена следующая града-

ция крупности частиц в крупнообломочных грунтах, мм: Валуны (при неокатанных гранях обломки или глыбы)……… >200

Галька (при неокатанных гранях - щебень) ............... …… ………. 200-10

Гравий (при окатанных гранях - дресва) .................... ………………...10-2

Песок ………………………………………………………………2-0,05

Пыль (ил)……………………………………………………….0,5-0,005

Глина………………………………………………………………<0,005

В строительной классификации крупнообломочные грунты по

зерновому составу разделяются на типы, виды и разновидности.

В зависимости от содержания частиц определяется тип грунтов: - валунный грунт: содержание валунов (>200 мм) более 50%;

- галечниковый грунт: содержание гальки (>10 мм) более 50%;

- гравийный грунт: содержание гравия (>2 мм) более 50%.

В зависимости от состава заполнителя после удаления из крупно-

обломочного грунта частиц крупнее 2 мм определяют вид грунтов: - с песчаным заполнителем (при содержании песка 2-0,05 мм > 40%);

- с илистым заполнителем (при содержании пыли 0,5-0,005 мм > 30%);

- с глинистым заполнителем (при содержании глины <0,005мм> 30%).

Границей, разделяющей обломки и пылевато-глинистый заполни-

тель, является фракция 2 мм. Частицы грунта 2 мм относят к круп-

ным фракциям (обломкам), а просеивающиеся через сито - к пыле-

вато-глинистому заполнителю (мелкозему).

Механическая прочность обломков оказывает большое влияние на

прочность и сжимаемость крупнообломочного грунта в целом.

Механическая прочность обломков скальных пород, содержащих-

ся в крупнообломочных грунтах, может быть весьма различной и

422

зависит от их петрографического состава и степени выветрелости.

Грунты с жесткими структурными связями (класс скальных грун-

тов) подразделяются по пределу прочности на одноосное сжатие в

водонасыщенном состоянии Rc (в МПа) на 7 разновидностей: Очень прочные ................................................. ……………………..Rc>120

Прочные ............................................................ ………………….120≥Rc>50

Средней прочности .......................................... ……………………50≥Rc>15

Малопрочные.................................................... ……………………..15≥Rc>5

Пониженной прочности ................................... ………………………5>Rc≥3

Низкой прочности .............................. ……………………………….3>Rc≥1

Очень низкой прочности ..................... ………………………………….Rc<1

Подобным образом можно было бы разделить по прочности и об-

ломки скальных пород в крупнообломочных грунтах. Однако

прочность обломков неправильной формы нельзя установить ис-

пытанием на одноосное сжатие и поэтому используют обычно

косвенный способ оценки прочности обломков в обломочно-

пылевато-глинистых грунтах путем испытания обломков в полоч-

ном барабане для определения коэффициента их истираемости ke.

Классификация обломков по коэффициенту истираемости ke: Очень прочные ......................................................... ………….……...ke<0,05

Прочные .......................................................... ………………….0,05≤ke<0,10

Средней прочности ........................................ ………………….0,10≤ ke<0,20

Малопрочные.................................................. ………………….0,20≤ ke≤0,40

Пониженной и низкой прочности ................................ ……………….ke>0,40

Коэффициент истираемости kе также определяют в опытах на срез

в сдвиговом приборе с помощью графиков рис. 1. За нормативное

принимают среднее арифметическое значение ke по φ и С.

Рис. 1. Зависимость коэффициента истираемости обломков ke от угла

внутреннего трения φ и сцепления С

423

Важной характеристикой обломков является степень их окатанно-

сти. Обломки менее прочных пород имеют лучшую окатанность

по сравнению с обломками более прочных пород.

Пылевато-глинистый заполнитель сильно влияет на прочность и

сжимаемость крупнообломочного грунта. Если содержание об-

ломков становится менее 50%, грунт переходит в подгруппу пыле-

ватых и глинистых грунтов. Тип, вид и разновидность пылевато-

глинистого грунта (заполнителя) определяются согласно табл. 1.

Таблица 1

Классификация пылеватых и глинистых грунтов

Подгруппа обломочных, пылеватых и глинистых грунтов:

элювиальные, делювиальные, пролювиальные, моренные, аллювиальные

Типы Виды Разновидности

Выделяются по

числу пластично-

сти, Ip, %:

супеси: 1≤Ip≤7;

суглинки:7<Ip<17

глины: Ip>17

Выделяются по

наличию включе-

ний:

- супесь, суглинок

или глина с галькой

(щебнем) или с гра-

вием, если содержа-

ние частиц >2 мм

составляет 15-25%;

- супесь, суглинок

или глина, галечни-

ковые (щебенистые)

или гравелистые,

если содержание ча-

стиц >2 мм – 15 25%

Выделяют по консистенции

(показателю текучести), IL:

- супеси твердые IL<0;

- супеси пластичные 0≤ IL≤1

- супеси текучие IL>1;

- суглинки и глины:

- твердые IL<0;

- полутвердые 0≤ IL≤0,25;

- тугопластичные

0,25<IL≤0,5;

- мягкопластичные

0,5<IL<0,75;

- текучепластичные 0,75<

IL≤1;

- текучие IL>1

Число пластичности заполнителя IР определяют как разность

влажностей на границах текучести WТ и раскатывания WР.

Показатель текучести определяют по формуле:

IL = (W1 – WР) / (WТ – WР) , (2) где W1 - природная влажность пылевато-глинистого грунта (заполнителя);

WТ и WР - влажности заполнителя на границе текучести и раскатывания.

В обломочно-пылевато-глинистых грунтах различают три вида

влажности: заполнителя (частицы <2 мм), обломков (частицы >2

мм) и общая. Влажность обломков зависит от их петрографическо-

424

го состава и степени выветрелости и мало меняется в течение года.

Влажность заполнителя определяют по формуле:

W1 = (100W – P2W2) / (100 – P2) , (3) где W1 , W2 , W - влажность соответственно заполнителя, обломков и всего

грунта; P2 - процентное содержание обломков в образце грунта.

Отношения между физическими характеристиками обломков, за-

полнителя и грунта определяются следующими уравнениями:

P1+P2=100 (4); W=(P1W1+P2W2)/100 (5); γсух=100/(P1/γ1

сух+P2/γ2

сух)

(6); γ1сух=P1γс4ухγ

2сух/(100γ

2сух - P2γсух) (7); γч=100/(P1/γ

1ч+P2/γ

2ч) (8),

где P1 - содержание глинистого заполнителя в зерновом составе грунта,

% по массе; P2 - то же, крупных обломков; W1 , W2 , W - влажность по мас-

се соответственно заполнителя, обломков, грунта в долях единицы; γ1сух;

γ2сух; γсух - плотность сухого заполнителя, обломков, грунта, т/м

3; γ

1ч, γ

2ч,

γч - плотность частиц заполнителя, обломков, грунта, т/м3.

Пористость и коэффициент пористости заполнителя, обломков и

грунта определяются по известным зависимостям:

n = 1– γсух/γч = (γч – γсух)/γч (9); e= n/(1–n)=(γч – γсух)/γч , (10) где n - пористость заполнителя, обломков или грунта в долях 1,0; е - ко-

эффициент пористости заполнителя, обломков или грунта в долях 1,0;

γсух=γ1сух=γ

2сух; γч=γ

1ч=γ

2ч - плотности сухие и частиц в формулах (6-10).

Механические характеристики (φ, С, Е) обломочно-пылевато-

глинистых грунтов зависят от следующих шести факторов, отра-

жаемых физическими характеристиками входящих в их состав

скальных обломков и пылеватого или глинистого заполнителя:

- зернового состава грунта, прочности и окатанности обломков;

- числа пластичности пылеватого или глинистого заполнителя;

- показателя текучести пылеватого или глинистого заполнителя;

- плотности пылеватого или глинистого заполнителя, опреде-

ляющего плотность грунта в целом.

На основе этих исследований был обоснован безразмерный экви-

валент физических параметров - обобщенный коэффициент физи-

ческих характеристик обломочно-пылевато-глинистого грунта Мτ в

качестве меры связей физических характеристик с механическими.

Безразмерный эквивалент грунта Мτ определяется как:

Мτ = p1[IP (1+IL)] / p2 , (11) где р1 - процентное содержание заполнителя (частицы <2 мм) в грунте;

р2 - то же, обломков (частицы ≥2 мм); IP - число пластичности заполните-

ля в 1,0; IL - показатель текучести заполнителя по уравнению (2).

425

3.3. Определение прочностных характеристик обломочно-

пылевато-глинистых грунтов

Нормативные значения углов внутреннего трения крупно-

обломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пыле-

вато-глинистых грунтов с крупными включениями при консоли-

дированном срезе φп (град.) определяют по степенной зависимо-

сти:

φп = k1 kφ 46,0 (0,3)M

τ ,

(12)

где k1 - коэффициент окатанности обломков для угла φп грунтов с ока-

танными обломками k1 определяют по графику на рис. 3; для грунтов с

острыми обломками k1 =1; kφ - коэффициент, учитывающий прочность

обломков, - по табл. 2; Мτ - физический эквивалент грунта, определяемый

по формуле (11); φп по формулам (12) определяют в интервале значений

эквивалента 0<Мτ ≤0.

Рис. 2. Зависимость коэффициента окатанности k1 от эквивалента Мτ для

грунтов с окатанными обломками: 1- консолидированный срез φп1; 2 - не-

консолидированный срез φп2

Таблица 2

Понижающие коэффициенты kφ на прочность обломков для углов внут-

реннего трения φ с очень прочными обломками (ke<0,05)

Коэффициент

истирае-

мости ke

Коэффициент kφ при значениях физического эквивалента грунта

Мτ

0,01 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0

≤0,05

0,10

0,20

0,30

0,40

1,00

0,92

0,76

0,64

0,52

1,00

0,92

0,77

0,65

0,53

1,00

0,93

0,78

0,66

0,54

1,00

0,94

0,81

0,69

0,57

1,00

0,94

0,83

0,72

0,61

1,00

0,95

0,85

0,75

0,65

1,00

0,97

0,87

0,77

0,67

1,00

0,97

0,90

0,81

0,72

1,00

0,98

0,94

0,86

0,78

1,00

1,00

0,98

0,93

0,88

Нормативные значения сцепления крупнообломочных грунтов с

426

пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов

с обломками для схемы консолидированного среза Сn (кПа) оп-

ределяют по формуле:

Сn = k2 kγ 79,0 Мτ0,32

/ (1 + IL)3,62

, (13) где k2 - коэффициент окатанности обломков для сцепления: для грунтов с

окатанными обломками, k2=0,9; для грунтов с острыми обломками k2=1;

kγ - коэффициент, учитывающий плотность грунта, принимают в зависи-

мости от соответствия фактической плотности грунта γф его нормирован-

ным значениям γn, определяемым по формуле (16); если γф соответствует

γn по формуле (16) или отклоняется от нее < ± 0,1 т/м3, то kγ=1,0; если

γф>γn на 0,1 т/м3 и более, то kγ=1,1; если γф <γn на 0,1 т/м

3, но не менее чем

на 0,2 т/м3, то kγ=0,9; если γф<γn на 0,2 т/м

3 и более, то kγ=0,8; Мτ и IL

имеют те же значения, что по формуле (11); γ - плотность грунта, т/м3.

Нормативные значения углов внутреннего трения крупнообломоч-

ных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-

глинистых грунтов с крупными включениями для схемы неконсо-

лидированного среза φ'п (град.) определяют по формуле:

φ'п = k1 kφ 37,0 (0,23)M

τ , ( 14)

где k1 , kφ , Мτ - коэффициенты, имеющие те же значения, что и в формуле

(12); φ'п по формуле (14) определяют в интервале значений эквивалента

грунта 0<Мτ≤0,6.

Нормативные значения сцепления крупнообломочных грунтов с

пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов

с крупнообломочными включениями для схемы неконсолидиро-

ванного среза, C′n (кПа), определяют по формуле:

C′n = k2 kγ 87,0 Мτ0,51

/ (1 + IL)3,85

, (15)

где k2 , kγ , Мτ , IL , γ - имеют те же значения, что и в формуле (13); сцеп-

ление по формуле (15) определяют в интервале значений физического эк-

вивалента грунта 0<Мτ ≤0,6.

Нормированную плотность обломочно-пылевато-глинистого грун-

та γn (т/м3) определяют по формуле:

γn = ks γn1 , (16) где ks - поправочный коэффициент, зависящий от коэффициента истира-

емости обломков ke и плотности частиц заполнителя γ1ч, определяют по

табл. 3; γn1 - нормированная плотность грунта c прочными острыми об-

ломками определяют по величине физического эквивалента грунта Мτ:

Мτ ………………0 0,05 0,10 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

427

γn1 (т/м3 ) ……...1,7 2,26 2,19 2,13 2,07 2,03 2,01 1,99

Таблица 3

Коэффициент ks для определения плотности грунта γn

Коэффициент

истираемости ke

Поправочный коэффициент ks при плотности частиц

γ1

ч (т/м3)

2,65 2,70 2,75 2,80

≤0,10

0,20

0,30

0,40

1,00

0,90

0,85

0,80

1,00

0,92

0,87

0,82

1,00

0,93

0,88

0,83

1,00

0,94

0,89

0,84

Примечание. Для промежуточных величин коэффициента ke и плотности

частиц γ1ч коэффициент ks определяется линейной интерполяцией.

3.4. Определение модулей деформации обломочно-пылевато-

глинистых грунтов

Нормативные значения модулей деформации Е, МПа, крупно-

обломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пыле-

вато-глинистых грунтов с обломками определяют по формуле:

E = kE kL kp(E) / (0,07 Мτ + 0,017) , (17)

где Мτ - физический эквивалент грунта по формуле (11); kE - коэф-

фициент, учитывающий прочность крупных обломков (табл. 4); kL - ко-

эффициент, зависящий от процентного содержания обломков Р2 и пока-

зателя текучести пылеватого или глинистого заполнителя IL (номограмма

рис. 3); kp(E) - коэффициент, учитывающий плотность грунта, принимает-

ся в зависимости от соответствия фактической плотности грунта γф, т/м3,

ее нормированным значениям γn, определяемым формулой (16):

Соответствует нормированным значениям γn или отклоняется

от нее не более, чем на ± 0,1 т/ м3 ................................... ………………..10

Превышает значения γn на 0,1 т/м3 и более.................. ………………...1,05

Меньше значений γn на 0,1 т/ м3и более, но меньше чем на 0,2 т/м

3 ….0,95

То же, на 0,2 т/м3 и более .............................................. …………………0,90

Модули деформации грунтов по формуле (17) определяются при значе-

ниях физического эквивалента грунта в интервале 0< Мτ ≤0,6.

Для предварительной оценки нормативных значений модулей де-

формации крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым за-

полнителем и пылевато-глиниcтых грунтов с крупными обломка-

ми определяют по следующей формуле, используя табл. 4:

E = kE kp(E) E1 , (18) где kE,, kp(E) - коэффициенты имеют те же значения, что и в формуле (22);

428

E1 - нормативное значение модуля деформации грунтов с прочными об-

ломками определяется по табл. 5.

Рис. 3. Номограмма зависимости коэффициента kL от показателя текуче-

сти заполнителя IL и содержания (%) обломков в грунте

Таблица 4

Коэффициент kE

Плотность

обломков

по ke

Коэффициент kE при значениях эквивалента Мτ

0 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

≤0,10 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

0,20 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,97 0,99 1,00

0,30 0,82 0,84 0,85 0,87 0,90 0,94 0,98 1,00

0,40 0,73 0,75 0,77 0,80 0,84 0,90 0,96 1,00

Таблица 5

Нормативные значения модуля деформации Е1 крупнообломочных грун-

тов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов

с крупными прочными обломками, ke<0,10

Тип заполнителя и его

показатели текучести, IL

Модуль деформации Е1, МПа, при содержании

в грунте обломков (частицы > 2 мм), %

40 50 60 70 80 90

Супеси: 0≤ IL ≤0,25

0,25≤ IL ≤0,5

32

26

38

31

43

36

47

43

51

50

55

54

Суглинки: 0,25< IL ≤0,5

0,5< IL ≤0,75

17

-

22

10

28

15

36

26

45

37

51

48

429

Глины: 0≤ IL ≤0,25

0,25< IL ≤0,5

0,5< IL ≤0,75

23

12

-

29

17

-

35

22

12

41

30

22

47

40

33

53

48

45

Примечания к таблице 5:

1. Нормативные значения модуля деформации Е1 относятся к грунтам

нормированной плотности с острыми и окатанными обломками из проч-

ных скальных пород ke (≤0,10):

а) для грунтов с обломками с прочностью ke>0,10 табличные значения

модулей деформации следует умножать на коэффициент kE, учитываю-

щий прочность обломков и определяемый по табл. 4;

б) при фактической плотности грунтов, отличающейся от нормирован-

ной, значения модуля деформации принимают с коэффициентом kp(E).

2. Модули деформации даны для средних значений чисел пластичности

заполнителя (супеси IP=3,5%; суглинки IP=12%; глины IP =22,5%). Для

промежуточных значений чисел пластичности и показателей текучести

глинистого заполнителя и процентного содержания в грунте обломков

значения E1 следует определять линейной интерполяцией.

430

Приложение 4

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ»

ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра гидравлики и гидротехнических сооружений

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

«Низко- или средненапорный гидроузел с бетонной водо-

сбросной и грунтовой плотинами на нескальном

основании»

Задание

Студент …………………………………………...

Группа…………………………………………….

Руководитель проекта ……………………………….

Зав. кафедрой………………………………………...

Дата выдачи задания__________________

Дата окончания проекта _______________

Москва

431

Дипломный проект охватывает дисциплины:

1. Гидрология и водное хозяйство.

2. Гидротехнические сооружения.

3. Инженерная гидравлика.

4. Технология гидротехнического строительства.

I. Цель и задачи проекта

Темой дипломного проекта является низко- или средненапорный

гидроузел на нескальном основании для целей ирригации или во-

доснабжения. Основными сооружениями гидроузла являются:

грунтовая плотина, бетонный водосброс и водозабор для целей ир-

ригации или водоснабжения.

В проекте студент должен разработать рациональную компоновку

гидроузла с учетом пропуска строительных расходов реки, рассчи-

тать и запроектировать основные сооружения, а также разработать

специальный раздел по заданию своего руководителя.

Проект выполняется в течение VIII семестра. Защита происходит в

конце июня.

Руководитель проекта: ________________________________

Консультанты по разделам:

Гидрология и водохозяйственные расчеты_____________________

Основные гидросооружения и компоновка гидроузла

__________________________________

Гидравлика водосбросного и водозаборного сооружений

__________________________________

Организация и технология основных работ

__________________________________

II. Исходные данные для проектирования

А) Топографические и геологические данные (Приложение):

1. План реки в районе строительства гидроузла.

2. Геологический разрез по оси плотины.

Б) Гидрологические данные:

1. Среднемесячные расходы в средне- и маловодные годы, м3/с

месяц средний маловодный месяц средний маловодный

I VII

II VIII

III IX

IV X

V XI

VI XII

432

2. Максимальные годовые расходы, м3/с

год расход год расход год расход год расход год расход

1 2 3 4 5

6 7 8 9 10

3. Кривая связи расходов (Q) и уровней нижнего бьефа (УНБ)

Q, м3/с

УНБ, м

В) Грунтовые условия

1. Характеристики грунтов основания по створу гидроуз-

ла:

а) зерновой состав грунтов

б) физические характеристики грунтов

№

грунтов

Плотность

частиц

грунта, т/м3

Плотность

сухого грун-

та, т/м3

Влаж-

ность, %

Число пла-

стичности,

%

Предел

раскаты-

вания, %

1

2

3

в) механические характеристики грунтов

№

грунтов

Угол внут-

реннего тре-

ния, град

Сцеп-

ление,

т/м2

Коэффици-

ент сжимае-

мости,

см2/кгс

Модуль де-

формации,

см2/кгс

Коэффици-

ент фильтра-

ции, см/с

1

2

3

4. Характеристики карьерных грунтов:

а) зерновой состав грунтов

№ грун-

тов

Содержание частиц (в мм) в % по весу:

<0,005 0,005-

0,05

0,05-

0,25

0,25-

2,0 2,0-20 20-60 60-200

1

2

3

№

грунтов

Содержание частиц (в мм) в % по весу:

<0,005 0,005-0,05 0,05-

0,25

0,25-

2,0

2,0-20 20-

60

60-

200

1

2

3

433

б) физические характеристики грунтов

№

грун-

тов

Плотность

частиц грун-

та, т/м3

Плотность

сухого грун-

та, т/м3

Влаж-

ность,

%

Число пла-

стичности,

%

Предел рас-

катывания,

%

1

2

3

в) механические характеристики грунтов

№

грун

тов

Угол внут-

реннего

трения, град

Сцеп-

ление,

т/м2

Коэффици-

ент сжимае-

мости,

см2/кгс

Модуль

деформации,

см2/кгс

Коэффици-

ент фильтра-

ции, см/с

1

2

3

Расстояние от створа плотин до карьерных грунтов, км:

до 1 ______________

до 2 ______________

до 3 ______________

Г) Основные параметры гидроузла

Класс гидроузла устанавливают по СНиП 33-01-2003. Гидротех-

нические сооружения. Основные положения-. М.: Госстрой РФ.

1. Состав основных сооружений:

а) грунтовая насыпная плотина (варианты: земляная однородная

или неоднородная плотина, каменно-земляная плотина);

б) водосбросные сооружения (возможные варианты: водосливная

плотина, береговой водослив-быстроток, трубчатый водосброс в

теле грунтовой плотины);

в) водозаборное сооружение (на орошение или водоснабжение).

2. Отметка нормального подпорного уровня (НПУ)

_________ м

3. Отметка форсированного подпорного уровня (ФПУ)_______м

4. Отметка уровня мертвого объема (УМО) устанавливается по

расчету

5. Кривая объемов водохранилища:

Уровень ВБ, м

Объем водохрани-

лища, 109 м

3

434

6. Длина водохранилища по направлению сильных ветров ____ км

7. Максимальная скорость ветра _____ м/сек.

8. Среднегодовые потери воды из водохранилища на испарение

______ м3/сек и на фильтрацию _____ м

3/сек.

9. Дополнительные данные по створу и сооружениям:

_________________________________________________________

_________________________________________________________

III. Содержание проекта

В составе проекта выделяют основные разделы согласно перечню

основных сооружений гидроузла и специальный раздел.

Проект состоит из следующих основных разделов:

а) гидрологические и водохозяйственные расчеты;

б) выбор компоновки гидроузла с учетом схемы пропуска строи-

тельных расходов;

в) расчеты и конструирование водосбросного сооружения;

г) расчеты и конструирование грунтовой плотины;

д) расчет и конструирование водозаборного сооружения;

е) организация и технология основных работ;

ж) специальный раздел проекта.

В процессе выполнения проекта студент обязан:

- по гидрологическим и водохозяйственным расчетам (раздел а):

1. Произвести гидрологические расчеты, заключающиеся в

построении кривой обеспеченности максимальных расхо-

дов по заданному ряду максимальных годовых расходов (п.

Б, табл. 2) и по ней, в соответствии с ранее установленным

классом основных сооружений (гидроузла), определить

расчетный и поверочный расходы и строительный расход

реки.

2. По заданному гидрографу среднемесячных расходов для

среднего и маловодного года выполнить водохозяйствен-

ные расчеты:

- расчеты полезной емкости водохранилища и по кривой его объе-

мов (п. Г, табл. 5) - отметки уровня мертвого объема (УМО);

- построение кривой расходов Q=f (H) (п. Б, табл. 3) и определение

по ней расчетных отметок НБ (максимальных и минимальных во

время эксплуатации и строительства);

- по гидросооружениям (разделы б, в, г, д):

435

Рассмотреть 2-3 возможных вариантов компоновки гидроузла

(русловая, пойменная или полупойменная) и выбрать из них наибо-

лее рациональный. При большой мощности русловых аллювиаль-

ных отложений земляная или каменно-земляная плотина в русле

является более выгодным решением, чем бетонная водосбросная

плотина, и поэтому пойменная компоновка с расположением водо-

сбросной плотины на пойме будет наиболее рациональной. При

этом следует расположить ось грунтовой и водосбросной плотин в

самом узком створе для уменьшения объемов работ.

При выборе компоновки гидроузла анализируются топографиче-

ские, геологические и гидрологические условия створа и принима-

ется одна из двух наиболее рациональных схем пропуска строи-

тельных расходов реки: через донные отверстия или наращивае-

мые водосливные пролеты («гребенку») бетонной плотины.

Метод донных отверстий самый универсальный, он широко ис-

пользуется в низко-, средне- и высоконапорных гидроузлах при

любых строительных расходах, донные отверстия можно пере-

строить в донные водовыпуски для сработки ВБ. При определении

размеров этого водовыпуска, устраиваемого в донных отверстиях

водосливной плотины, учитывают ширину водосливных пролетов.

Метод «гребенки» (2- или 3-ступенчатой) применяется в низко- и

средненапорных гидроузлах при больших строительных расходах

(свыше 3-5 тыс. м3/с) при большой ширине пролетов, когда необ-

ходимо пропустить большое количество льда и бревен.

Если вместо водосбросной плотины принят трубчатый водосброс

в теле грунтовой плотине, то его донные трубы используются для

пропуска строительных расходов.

Основная часть проекта состоит из проектов трех основных со-

оружений: грунтовой плотины, водосбросной бетонной плотины

или другого водосброса и водозаборного сооружения.

В проекте бетонного водосбросного сооружения необходимо:

а) выбрать тип водосброса (предпочтительно водосбросная плоти-

на, береговой водослив-быстроток или трубчатый водосброс в

грунтовой плотине), определить размеры водосбросных пролетов

(отверстий) и секций, разработать конструкцию бычков, выбрать

тип затвора водосброса, построить очертания водосливной грани;

436

б) выполнить расчет сопряжения бьефов, гашения энергии в ниж-

нем бьефе и запроектировать основные элементы крепления НБ

(водобой, рисберму, концевое устройство);

в) выполнить расчет фильтрации в нескальном основании водо-

сбросной плотины, оценить общую и местную фильтрационную

прочность основания и запроектировать необходимые противо-

фильтрационные устройства для обеспечения этой прочности;

г) определить действующие на плотину нагрузки основного соче-

тания и произвести расчеты устойчивости плотины, контактных

напряжений и прочности сечений;

д) запроектировать низовую или верховую сопрягающую подпор-

ную стенку между водосбросной и грунтовой плотинами на основе

ее расчетов устойчивости и прочности.

При проектировании других водосбросов учитывают следующее:

1. Трубчатый водосброс в теле грунтовой плотины с головной

башней управления затворами в целесообразно использовать для

пропуска строительных и эксплуатационных расходов. В этом

случае головная часть водосброса должна иметь донные отверстия

для пропуска строительных расходов и сработки ВБ до УМО и

верхние отверстия в виде водослива практического профиля для

пропуска максимальных эксплуатационных расходов. Размеры и

уклон донных труб определяют из расчета безнапорного режима в

них с определением кривой свободной поверхности (по Бахметье-

ву) и глубины потока на выходном портале. Гашение потока на

концевом участке водосброса следует осуществлять с помощью

водобойного колодца или других гасителей энергии потока.

2. Береговой открытый водосброс (предпочтительно регулируе-

мого типа) обычно устраивают в низконапорных гидроузлах при

относительно небольших эксплуатационных расходах и благопри-

ятных топографических и геологических условиях. Подводящий

канал водосброса должен обеспечить плавный подход воды к во-

досливу с широким порогом или низкому водосливу практическо-

го профиля. Трассу транзитной части водосброса (быстроток) сле-

дует прокладывать по возможности перпендикулярно к горизонта-

лям, а сам быстроток принимать сужающимся вниз, что позволяет

не только уменьшить объемы земляных работ, но и избежать обра-

зования катящихся волн по быстротоку, нарушающих стабильную

работу быстротока и особенно его концевого устройства. Концевое

437

устройство на нескальных основаниях обычно принимают в виде

водобойного колодца при донном режиме, что обеспечивает от-

сутствие размывов в НБ.

При проектировании грунтовой насыпной плотины необходимо:

а) выбрать тип плотины (земляной однородной или неоднородной,

каменно-земляной) и ее материалы, учитывая физико-механичес-

кие характеристики карьерных грунтов, геологические условия в

основании и сопряжение плотины с основанием;

б) определить расчетные геотехнические параметры грунтовых

материалов плотины (плотность, прочность на сдвиг, коэффициент

фильтрации, модуль сжимаемости) и на основе параметров проч-

ности на сдвиг (угла внутреннего трения и сцепления) назначить в

первом приближении заложения (крутизну) обеих откосов;

в) определить накат расчетных ветровых волн при НПУ и ФПУ

на верховой откос (в предположении крепления откоса бетонными

плитами в земляных плотинах и крупным камнем – в каменно-

земляных плотинах) и с учетом нормативного запаса определить

отметку гребня плотины;

г) принять первоначальный профиль плотины (ширину гребня,

наружные откосы с бермами, включая низовую, водоупорные и

дренажные устройства в профиле) и схему ее сопряжения с осно-

ванием, что необходимо для расчетов общей и местной фильтра-

ционной прочности плотины и основания и устойчивости откосов;

д) проверить общую и местную фильтрационную прочность тела

плотины и ее основания, выполнить расчеты фильтрации (расхо-

ды и градиенты) в плотине и основании; уточнить и запроектиро-

вать водоупорные элементы, дренажи и фильтры в плотине и ос-

новании (глинистые ядра или экраны, понуры, зубья, внутренние и

наружные дренажи, траншейные стенки-завесы в основании и др.);

е) выполнить предварительные (вручную) расчеты устойчивости

низового откоса по круглоцилиндрическим поверхностям сколь-

жения (метод Терцаги-ВНИИГ), приняв 4-5 глубоких поверхно-

стей скольжения с центрами в опасной зоне (по Фадееву или Ари-

стовскому) с заглублением радиуса скольжения в основание; за-

ложение верхового откоса предварительно принять на 0,5-1,0

больше заложения низового откоса (0,5-0,7 для верхового откоса

из несвязных грунтов, 0,8-1,0 для откоса из связных грунтов);

438

ж) выполнить расчеты устойчивости низового и верхового откосов

по программе UST, сравнить результаты этих расчетов с расчетами

вручную, на основе этих расчетов уточнить профиль плотины;

з) выполнить оценку порового давления воды в глинистом ядре

или экране плотины в конце строительства; определить строитель-

ные осадки глинистых элементов (с учетом порового давления во-

ды) и боковых зон грунта с учетом осадки основания плотины;

и) запроектировать обратные фильтры для защиты глинистых эле-

ментов плотины и крепление верхового откоса.

При проектировании водозаборного сооружения необходимо:

а) выбрать расположение и тип водозабора (на берегу или в теле

грунтовой плотины) в зависимости от топографических и геологи-

ческих условий, компоновки основных сооружений, глубины сра-

ботки ВБ до УМО, назначения водозабора (на орошение или для

водоснабжения) и максимального расчетного расхода водозабора;

б) выполнить требуемые гидравлические расчеты для определения

размеров сооружения (ширину и число отверстий), глубину на

входном пороге, требуемый напор перед порогом при УМО ВБ для

пропуска максимального расхода, определить необходимое откры-

тие затворов отверстий и условия гашения потока в НБ при НПУ;

в) запроектировать конструкцию водозабора с требуемыми проти-

вофильтрационными мероприятиями в его основании и местах со-

пряжения его с грунтовой плотиной.

В части организации и технологии основных работ необходимо:

а) выполнить гидравлические расчеты пропуска максимальных

строительных расходов для принятой его схемы (через донные от-

верстия, «гребенку» или донные трубы), определить высоту верхо-

вой перемычки, разработать схему достройки водосбросной бе-

тонной и грунтовой плотин;

б) разработать технологию строительства грунтовой и бетонной

плотин с подбором строительных машин и оборудования.

После разработки проекта основных сооружений и схемы пропус-

ка строительных расходов уточняется компоновка гидроузла.

Специальные разделы проекта (выбираются руководителем и сту-

дентом):

- детальные расчеты основных сооружений с использованием па-

кетов программ, имеющихся на кафедре, с целью глубокой разра-

ботки конструкции этих сооружений;

439

- расчеты устойчивости и прочности сопрягающих подпорных

стенок и устоев с целью разработки их конструкции;

- разработка технологии специальных работ (стенка-завеса, пере-

мычки, водопонижение котлована основных сооружений и др.).

IV. Порядок и сроки выполнения проекта

Рекомендуется следующая очередность выполнения проекта:

1. Внимательно изучить задание (топографические, геологи-

ческие, гидрогеологические условия гидроузла). На основе

этих данных и используя имеющиеся на кафедре норма-

тивную (СНиП) и учебно-методическую литературу (в т. ч.

в электронном виде), плакаты, фотографии, образцы ди-

пломных проектов, выбрать предварительно 2-3 варианта

компоновки гидроузла с учетом пропуска строительных

расходов, которые затем обсудить со своим руководителем

и выбрать из них наиболее рациональный.

2. Выполнить гидрологические и водохозяйственные расчеты.

3. Выполнить для основных гидросооружений гидравличе-

ские и фильтрационные расчеты, расчеты устойчивости,

напряжений и прочности, на основе которых разработать

их конструкцию.

4. Разработать технологию основных работ.

5. Завершающим этапом работы студента над дипломным проек-

том является составление пояснительной записки и чертежей.

Объем работ отдельных разделов проекта в календарном плане их

выполнения и контрольные сроки их окончания даны в таблице.

№

п/п Наименование раздела

Объем

работы

в % от

общего

объема

проекта

Кон-

троль-

ный

срок

выпол-

нения

1. Варианты компоновки гидроузла 5 15.02

2. Гидрологические и водохозяйственные

расчеты

5 25.02

3. Водосбросное сооружение 25 01.04

4. Грунтовая плотина и сопрягающие устои 30 15.05

5. Водозаборное сооружение 10 25.05

6. Организация и технология основных работ 15 10.06

7. Оформление записки и чертежей 10 18.06

440

Защита дипломного проекта – примерно 20 и 21 июня.

Приведенные в таблице сроки выполнения этапов дипломного

проекта являются контрольными (проверочными). Студентам под

руководством преподавателя рекомендуются составить детальный

рабочий план, обеспечивающий выполнение всех разделов ди-

пломного проекта в установленные контрольные сроки.

V. Отчетные материалы

а) Чертежи (общий объем – 5-6 листов). Примерное содержание

листов чертежей:

Лист I. Генплан гидроузла, продольный разрез по оси ос-

новных сооружений (с показом геологических условий), очеред-

ность пропуска строительных расходов реки.

Лист II. Водосбросное сооружение (включая подземный

контур, крепление НБ, сопрягающие подпорные стенки): план, по-

перечный (вдоль потока) и продольный разрезы, детали сооруже-

ний (бычки, затворы, уплотнения, швы и т.п.).

Лист III. Грунтовая плотина: поперечные разрезы (в русле

и на берегах), продольный разрез (с показом геологических усло-

вий), противофильтрационные устройства в плотине и ее основа-

нии, крепление откосов, схема расчета устойчивости откосов.

Лист IV. Водозаборное сооружение: план, поперечный и

продольные разрезы, детали сооружения (затворы, уплотнения,

швы и т.п.).

Лист V. Технология строительства основных сооружений

(грунтовой и бетонной плотин): основные этапы возведения (до-

стройки), технологические карты.

Лист VI. Специальная тема: расчетные схемы, результаты

расчетов (эпюры, изолинии, таблицы), детали конструкций, техно-

логия спецработ и т.п.

Компоновка чертежей, размещение конструкций и сооружений на

листе, масштабы и степень детализации принимаются студентом

по согласованию с руководителем.

б) Пояснительная записка (50-60 страниц).

К пояснительной записке прилагается задание (без методических

указаний). Структура пояснительной записки следующая:

Введение (задачи проекта, оценка природных условий и исходных

данных).

Глава I. Гидрологические и водохозяйственные расчеты

441

1. Построение кривой обеспеченности и определение расчетных

расходов.

2. Водохозяйственные расчеты.

Глава II. Водосбросная плотина или другие водосбросы

1. Расчет водосбросного фронта (водосброса любого типа), по-

строение профиля водосливной грани водосброса, выбор типа за-

творов, проектирование бычков и пазов, гребня водосброса, выбор

подъемных механизмов и др. Расчет транзитной части открытого

берегового или трубчатого водосброса.

2. Расчет сопряжения бьефов и проектирование креплений НБ.

3. Описание проекта подземного контура водосбросной плотины

или других водосбросов. Расчеты общей и местной фильтрацион-

ной прочности основания водосброса.

4. Проверка устойчивости водосбросной плотины на сдвиг, расчет

контактных напряжений в основании, расчет прочности горизон-

тальных сечений плотины.

Глава III. Грунтовая плотина

1. Выбор типа плотины, определение расчетных геотехнических

параметров грунтовых материалов и предварительных заложений

обеих откосов.

2. Расчет наката волны на верховой откос и определение отметки

гребня плотины.

3. Описание проекта профиля плотины (гребень, наружные откосы

с бермами, противофильтрационные и дренажные устройства и

т.п.) и ее сопряжения с основанием.

4. Проверка общей и местной фильтрационной прочности плотины

и ее основания, описание проекта противофильтрационных меро-

приятий в плотине и ее основании.

5. Предварительные (вручную) расчеты устойчивости низового от-

коса.

6. Окончательные расчеты устойчивости низового и верхового от-

косов по программе UST и уточнение профиля плотины.

7. Оценка порового давления воды в глинистых элементах в конце

строительства.

8. Расчет строительных осадок глинистых элементов и соседних

боковых зон грунта.

9. Подбор обратных фильтров для глинистых элементов и крепле-

ния верхового откоса.

442

Глава IV. Сопрягающее сооружение (подпорная стенка)

1. Выбор типа стенки и ее опасных поперечников (2-3), предвари-

тельное определение размеров низовой и верховой стенок.

2. Расчет нагрузок на стенку, ее устойчивости на сдвиг и напряже-

ний в основании.

Глава V. Водозаборное сооружение

1. Выбор расположения и типа водозабора.

2. Гидравлические расчеты определения размеров сооружения,

глубины и напора над порогом, открытия затворов отверстий и

условия гашения потока в НБ.

3. Описание проекта водозабора с противофильтрационными ме-

роприятиями в его основании и местах сопряжения с грунтовой

плотиной.

Глава VI. Организация и технология строительства основных со-

оружений

1. Расчеты пропуска строительных расходов, определение высоту

верховой перемычки, описание схемы достройки водосбросной

бетонной и грунтовой плотин.

2. Проект технологии строительства грунтовой и бетонной плотин.

З а к л ю ч е н и е (выводы и рекомендации)

Л и т е р а т у р а

П р и л о ж е н и я

VI. Оформление проекта

1. Титульный лист записки имеет такой вид, что титульный лист

задания с добавлением подписей, кроме руководителя проекта и

заведующего кафедрой, дипломника и консультантов проекта. Все

эти подписи ставятся в угловых штампах чертежей.

2. Пояснительную записку и чертежи оформляют, используя мето-

дические рекомендации кафедры. Записка должна быть набрана в

текстовом редакторе Word (1 интервал, шрифт Times New Roman,

размер 12, поля: слева - 30 мм, справа - 15 мм, сверху и снизу -

20 мм), отпечатана на бумаге А4 и переплетена «пружинкой».

3. Листы записки нумеруют сплошной нумерацией, включая листы

с рисунками, графиками, фотографиями и схемами. Обязательна

ссылка на использованные нормативные материалы и литературу.

4. Формулы набирают с помощью Редактора формул и помещают

в тексте в виде отдельных строк с обязательной нумерацией. Ну-

443

мерацию формул и рисунков рекомендуется вести по главам, рас-

шифровка символов и обозначений обязательна.

5. Графическую часть записки и чертежи выполняют в ACAD.

VII. Элементы научно-исследовательской работы Широкое внедрение научных достижений в практику проектиро-

вания, исследований и строительства гидросооружений ставит за-

дачу приобретения выпускниками кафедры навыков научно-

исследовательской работы. Поэтому расширяется участие сту-

дентов в научно-исследовательской работе (НИРС) кафедры и ис-

пользование результатов этой работы при выполнении ими курсо-

вых и дипломных проектов.

Научно-техническое творчество студентов при разработке курсо-

вых и дипломных проектов заключается в следующем:

1) использование экспериментальных и лабораторных исследова-

ний, в которых студент принимал участие или которые проводил

самостоятельно;

2) вариантное проектирование гидросооружений и их компоновки

в составе гидроузла;

3) использование материалов производственной практики;

4) сравнение и анализ методов расчета прочности, устойчи-

вости гидросооружений и их гидравлических расчетов;

5) составление обзора изобретений и предложений по кон-

струкции и сооружению в целом, технологии работ и др.;

б) анализ проблем влияния гидротехнического строительства на

окружающую среду.

В зависимости от объема выполненной НИРС ей может быть отве-

ден в тексте записки раздел, в котором излагаются:

- объект исследования;

- цель научно-исследовательской работы студента (НИРС) или

ее обоснование;

- аналитический обзор (состояние вопроса);

- метод исследования и описание аппаратуры;

- полученные результаты НИРС и их новизна;

- выводы и рекомендации по использованию результатов НИРС.

444

Приложение 5

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ»

ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ГИДРАВЛИКИ И ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Низконапорный гидроузел с бетонной водосливной

и грунтовой плотинами на нескальном основании»

Задание

Студент__ _____________ Курс ____ Группа_______

Руководитель проекта______________

Дата выдачи задания ________________

Дата окончания проекта______________

Зачтено с оценкой_____________

Москва

445

I. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

1. План реки в створе гидроузла (плотины).

2. Геологические условия (разрез по оси плотины).

3. Характеристики грунтов основания плотины:

а) зерновой состав грунтов

№

грунтов

Содержание частиц (в мм) в % по весу:

<0,005 0,005-

0,05

0,05-

0,25

0,25-2,0 2,0-20 20-100

1

2

б) физические характеристики грунтов

№

грунтов

Плотность

частиц

грунта,

т/м3

Плотность

сухого

грунта,

т/м3

Влажность,

%

Предел

пластич-

ности ,

%

Предел

раскаты-

вания,

%

1

2

в) механические характеристики грунтов

№

грунтов

Угол внут-

реннего

трения, град

Сцепле-

ние, т/м2

Коэфф-т

сжима-

емости,

см2/кгс

Модуль

дефор-

мации,

см2/кгс

Коэфф-т

фильтра-

ции, см/с

1

2

4. Характеристики карьерных грунтов:

а) зерновой состав грунтов

№

грунтов

Содержание частиц (в мм) в % по весу:

<0,005 0,005-

0,05

0,05-

0,25

0,25-2,0 2,0-20 20-100

1

2

б) физические характеристики грунтов

№

грунтов

Плотность

частиц

грунта,

т/м3

Плотность

сухого

грунта,

т/м3

Влаж-

ность,

%

Предел

пластич-

ности, %

Предел

раскаты-

вания, %

1

2

446

в) механические характеристики грунтов

№

грунтов

Угол внут-

реннего

трения, град

Сцепле-

ние, т/м2

Коэфф-т

сжима-

емости,

см2/кгс

Модуль

дефор-

мации,

см2/кгс

Коэфф-т

фильтра-

ции, см/с

1

2

5. Гидрологические данные по створу гидроузла:

а) среднемесячные расходы воды для маловодного года расчет-

ной обеспеченности

Месяцы I II III IV V VI VII VII IX X XI XII Мало-

водный

год,

м3/с

б) максимальные годовые расходы, м3/с

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

в) кривая связи расходов и глубины воды в створе

Расходы

воды, (м3/с)

Глубина, м

6. Расчетные расходы воды:

а) максимальный (м3/с)…….……………………………...

б) минимальный (м3/с)……………………………….……

в) строительный:

весенний (м3/с)................……………….

меженний (м3/с)…………………………

7. Кривая объемов водохранилища

Уровни

воды, м

Объем,

106 м

3

8. Отметка нормального подпорного уровня (НПУ, м)…………

9. Отметка форсированного подпорного уровня (ФПУ, м)...............

10. Отметка уровня мертвого объема (УМО, м)…………………….

11. Длина водохранилища по направлению главных ветров, км.......

447

12. Расчетная скорость ветра (м/с)…………………………….

13. Прочие данные……………………………………………..

П. ТРЕБУЕТСЯ:

1. Изучить задание, оценить топографические, геологические и

гидрологические условия гидроузла, выбрать тип его компоновки

(русловая или пойменная), определить класс главных сооружений.

По водосливной бетонной плотине:

2. Выбрать удельный расход потока на водобое и определить дли-

ну водосбросной плотины по фронту, число пролетов и их длину,

число и толщину бычков.

3. Скомпоновать размещение всех сооружений в плане.

4. Выбрать тип водосливного порога и затвора.

5. Определить отметку гребня водослива, проверить пропускную

способность плотины при форсировании УВД до ФПУ.

6. Рассчитать сопряжение бьефов и установить отметку водобоя

при различных расходах воды с учетом маневрирования затворов.

Определить длину водобоя, выбрать тип и размеры гасителей

энергии потока.

7. Определить толщину водобойной плиты.

8. Определить длину рисбермы, тип и размеры концевого уст-

ройства (например, ковша). Установить, необходим ли верховой

ковш; если необходим, то каких размеров.

9. Разработать конструкции основных элементов плотины:

а) порога водослива и быков (форма и размеры) со схемой мостов,

подкрановых балок и кранов;

б) водобоя и рисбермы и креплений концевой части (ковша);

в) водоупорных устройств (понура, шпунтов, зубьев и др.),

10. Рассчитать длину непроницаемей части подземного контура,

фильтрационную устойчивость грунтов основания, состав дрена-

жей и обратных фильтров.

11. Определить нагрузки на плотину, напряжения в подошве и

устойчивость плотины на сдвиг по подошве.

По грунтовой плотине:

12. Выбрать тип плотины, водоупорных и дренажных устройств,

определить размеры профиля, его сопряжение с основанием.

13. Проверить общую и местную фильтрационную прочность тела

плотины и ее основания.

14. Построить кривую депрессию и определить градиенты филь-

448

трации на вход в дренаж и фильтры.

15. Подобрать крепления верхового и низового откосов.

16. Выполнить вручную расчет устойчивости низового откоса пло-

тины и проверить его по программе UST.

17. Выполнить расчет строительной осадки плотины.

18. Разработать конструкцию сопрягающей подпорной стенки

между водосливной и грунтовой плотинами.

По схеме пропуска строительных расходов реки:

19. Разработать рациональную компоновку гидроузла с учетом

принятой схемы пропуска строительных расходов реки через дон-

ные отверстия в бетонной плотине.

20. Определить размеры донных отверстий в бетонной плотине с

учетом размеров ее водосливных пролетов и учесть это в оконча-

тельной конструкции плотины.

По донному водовыпуску:

21. Определить размеры водовыпуска внутри донного отверстия

для полезных попусков из ВБ.

III. ОТЧЕТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

А. ЧЕРТЕЖИ.

1. Генплан гидроузла (примерный масштаб - 1:5000) со схемой

пропуска строительных расходов реки и геологический разрез по

оси плотин с показом их врезки в основание (примерный масштаб:

горизонтальный -1:1000 - 1:5000; вертикальный - 1:200 - 1:1000).

2. Поперечный разрез водосливной плотины с бычком, донным от-

верстием, сопрягающей стенки и план 1-2 крайних водосливных

пролетов плотины с сопрягающей стенки (масштаб - 1:200 - 1:500).

3. Поперечные разрезы грунтовой плотины (в русле, на берегу,

масштаб 1: 200-500) с ее сопряжением с основанием, дренажами и

креплением откосов, схема расчета устойчивости низового откоса.

Б. СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

ВВЕДЕНИЕ. Краткая характеристика исходных данных и

выбор компоновки гидроузла.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ.

1.2. Выбор типа грунтовой плотины, сопряжения ее с основанием.

1.3. Определение и конструирование профиля плотины.

1.3.1. Заложение откосов плотины.

1.3.2. Отметка гребня плотины.

1.3.3. Конструкция гребня плотины.

449

1.3.4. Конструкция крепления откосов.

1.3.5. Водоупорные устройства.

1.3.6. Дренажные устройства.

1.3.7. Подбор обратных фильтров.

1.3.8. Оценка фильтрационной прочности грунта

тела и основания плотины.

2. ПРОПУСК СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСХОДОВ РЕКИ.

2.1. Схема пропуска строительных расходов реки.

2.2. Определение отметок перемычек.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ.

3.1. Выбор подземного контура, его сопряжения с основанием.

3.2. Расчет и конструирование плотины.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОВЫПУСКА.

4.1. Проектирование донных отверстий для пропуска строитель-

ных расходов реки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

Приложение 1. Задание на проектирование.

Приложение 2. Расчет параметров волн и превышения гребня

плотины над расчетным уровнем ВБ.

Приложение 3. Расчет фильтрации в грунтовой плотине.

Приложение 4. Расчет устойчивости низового откоса.

Приложение 5. Расчет осадки грунтовой плотины.

В. СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭТАПОВ ПРОЕКТА.

1. Водосливная бетонная плотина – 10 октября.

2. Грунтовая плотина – 20 ноября.

3. Пропуск строительных расходов – 1 декабря.

4. Оформление записки и чертежей – 15 декабря.

Л И Т Е Р А Т У Р А (Нормативная)

1. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основ-

ные положения. – М.: Госстрой РФ, 2004.

2. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехниче-

ские сооружения. – М.: Госстрой СССР, 1989.

3. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные. –

М.: Госстрой СССР, 1986.

4. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов. – М.:

Госстрой СССР, 1998.

5. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооруже-

ний. – М.: Госстрой СССР, 1988.

450

Литература

Обязательная (нормативная):

6. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основ-

ные положения. – М.: Госстрой РФ, 2004.

7. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехни-

ческие сооружения. – М.: Госстрой СССР, 1989.

8. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные. –

М.: Госстрой СССР, 1986.

9. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов. – М.:

Госстрой СССР, 1998.

10. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических соору-

жений. – М.: Госстрой СССР, 1988.

11. СП 33-101. Расчетные гидрологические характеристики. –

М.: Госстрой РФ, 2001.

Обязательная (учебная):

12. Рассказов Л.Н. и др. Гидротехнические сооружения: Учеб-

ник. Ч. 1 и 2. – М.: Энергоиздат, 1996. – 780 с.

13. Каганов Г.М., Румянцев И.С. Гидротехнические сооруже-

ния: Учеб. пособие. Кн. 1, 2.– М.: Энергоиздат, 1994.- 357 с.

14. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения: Учеб. пособие.

Ч. 1 и 2.– М.: Энергоиздат, 1985. – 620 с.

15. Ляпичев Ю.П. Расчеты консолидации грунтовых плотин и

оснований: Учеб. пособие.- М.: Изд-во УДН, 1989. – 120 с.

16. Ляпичев Ю.П. Проектирование и строительство современ-

ных плотин: Учеб. пособие.- М.: Изд-во РУДН, 2004. - 275 с

17. Розанова Н.Н. Бетонные плотины на нескальном основа-

нии: Учеб. пособие. – М.: Изд-во РУДН, 1995. – 80 с.

18. Гарбовский Э.А. Фильтрационные расчеты грунтовых пло-

тин: Учеб. пособие.- М.: Изд-во УДН, 1993. – 82 с.

19. Гарбовский Э.А., Пономарев Н.К. Расчеты бетонных пло-

тин: Учеб. пособие.- М.: Изд-во УДН, 1999. – 404 с.

Дополнительная:

20. Гидротехнические сооружения: Справочник проектиров-

щика (под ред. В.П. Недриги).- М.: Стройиздат, 1983.-543 с.

21. Ляпичев Ю.П., Васильев В.Н. Пропуск строительных расхо-

дов рек гидроузлов. Учеб. пособие.- М.: Изд-во УДН, 1977.-80 с 22. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. –

М.: Стройиздат, 1974. - 450 с.

451

О г л а в л е н и е

Предисловие………………………………………………………3

Глава 1. Общие сведения о специальности «Гидротехническое

строительство» и гидросооружениях…..……………… 4

1.1. Характеристика специальности……………………………….4

1.2. Водные ресурсы России и их комплексное использование…8

1.3. Исторические этапы мировой и российской гидротехники..11

1.4. Гидроэнергетика России и планы ее развития до 2015 г…..16

Глава 2. Основные требования к проектам гидротехнических сооружений………………………………………………….21

2.1. Общие нормативные указания по проектированию

гидротехнических сооружений………………………….......21

2.1.1. Общие положения по проектированию…………………...21

2.1.2. Обеспечение безопасности гидросооружений……………23

2.1.3. Реконструкция гидросооружений…………………………24

2.1.4. Требования по охране окружающей среды……………….24

2.1.5. Организация проектирования гидросооружений………...27

2.2. Основные расчетные положения проектирования…………28

2.2.1. Классификация гидросооружений по назначению………28

2.2.2. Классы гидросооружений…………………………………29

2.2.3. Нагрузки, воздействия и их сочетания…………………...33

2.2.4. Обоснование безопасности гидросооружений…………...35

2.2.5. Расчетные расходы и уровни воды………………………..41

2.2.6. Применение пакетов прикладных программ расчетов

и систем автоматизированного проектирования………….43

2.3. Курсовое и дипломное проектирование

гидросооружений……………………………………………46

2.3.1. Общие положения………………………………………….46

2.3.2. Организация проектирования……………………………..47

2.3.3. Цель, тема и состав курсового проекта бакалавров………49

2.3.4. Тематика, состав и требования к дипломному

проекту бакалавров………………………………………..51

2.3.5. Оформление чертежей дипломного проекта бакалавров..55

Глава 3. Бетонные плотины на нескальных основаниях…61 3.1. Основные типы и конструкции этих плотин………………61 3.2. Проектирование профиля водослива плотины…………….64

3.2.1. Начальный безвакуумный профиль водослива………….64

452

3.2.2. Корректировка начального профиля водослива

в практический……………………………………………..70

3.3. Выбор удельного расхода и длины водосливного фронта…72

3.4. Конструкции водосбросных плотин и их элементов……….78

3.5. Быки бетонных водосливных плотин……………………….79

3.5.1. Очертание, размеры и конструкция быков……………….79

3.5.2. Статические расчеты устойчивости и прочности быков…84

3.6. Деформационные швы бетонных плотин и их уплотнение..87

3.6.1. Общие сведения…………………………………………….87

3.6.2. Схемы разрезки плотин деформационными швами……...88

3.6.3. Конструкции деформационных швов и их уплотнений....90

3.7. Устои бетонных водосливных плотин………………………94

3.7.1. Типы устоев, их расположение и конструкции…………..94

3.7.2. Расчет фильтрации в обход устоя и общей фильтра-

ционной прочности засыпки пазухи устоя………...........100

3.7.3. К расчету устойчивости и прочности берегового устоя..100

3.8. Расчеты устойчивости и прочности водосливных

плотин..……………………………………………………….102

3.8.1. Основные положения расчета устойчивости плотин…...102

3.8.2. Расчет устойчивости плотины на плоский сдвиг……….104

3.8.3. Расчет устойчивости плотины на смешанный сдвиг…...107

3.8.4. Расчеты прочности водосливных бетонных плотин…....113

3.8.4.1. Расчет контактных напряжений в подошве плотины...113

3.8.4.2. Расчеты общей прочности бетонных плотин……….....115

3.8.4.3. Расчет прочности анкерного железобетонного понура.117

Глава 4. Крепление нижнего бьефа водосливных

бетонных плотин………………………………………120

4.1. Общие вопросы проектирования крепления НБ………….120

4.2. Общие сведения о креплении НБ водосбросных

бетонных плотин…………………………………………...124

4.3. Основные элементы крепления НБ………………………...126

4.4. Проектирование крепления НБ…………………………….128

4.5. Гасители энергии простого типа…………………………...129

4.6. Специальные гасители энергии………………………….....132

4.7. Конструкция, условия работы и расчет толщины

водобоя……………………………………………………..140

4.8. Рисберма……………………………………………………..148

453

4.9. Концевое устройство рисбермы……………………………151

4.10. Крепление НБ и берегов в пределах водобоя и рисбермы..156

Глава 5. Подземный контур бетонных плотин на нескальном основании…………………………………………….158

5.1. Общие сведения……………………………………………158

5.2. Принципиальные схемы подземного контура плотин...159

5.3. Конструкции главных элементов подземного контура….167

5.4. Фильтрационные расчеты подземного контура плотины.179

5.5. Расчет общей фильтрационной прочности

грунтов основания бетонной плотины……………………188

5.6. Расчет местной фильтрационной прочности

грунта основания…………………………………………...192

Глава 6. Грунтовые плотины…………………………………..195

6.1.Требования к грунтовым материалам плотин…………….195

6.2. Выбор створа и типа грунтовой плотины………………...197

6.3. Проектирование профиля земляной плотины……………201

6.3.1. Определение отметки гребня грунтовой плотины……..205

6.4. Крепления откосов земляных насыпных плотин………...210

6.5. Противофильтрационные устройства в теле и

основании земляных и каменно-земляных плотин………220

6.6. Дренажные устройства в теле и основании земляных пло-

тин…………………………………………………………235

6.7. Применение геотекстиля в качестве дренажей,

фильтров, межконтактных и армирующих элементов

земляных плотин……………………………………………245

6.8. Противофильтрационные устройства в проницаемых

нескальных основаниях земляных и

каменно-земляных плотин…………………………………..250

6. 9. Основные положения расчетов (фильтрационных,

фильтров и дренажей и устойчивости откосов)

грунтовых плотин…………………………………………..259

6.9.1. Условия необходимости расчета порового давления

воды в глинистых элементах грунтовых плотин

и основания…......................................................................267

6.9.2. Основные положения расчета устойчивости откосов…270

6.9.3. Основные характеристики программы UST……………270

6.9.4. Расчет по методу Терцаги–ВНИИГ в программе UST...272

6.9.5. Расчет по методу Бишопа в программе UST………..275

454

6.9.6. Дополнительные рекомендации к расчету устойчивости

откосов каменно-земляных плотин с глинистыми ядрами..276

6.10. Фильтрационные расчеты грунтовых плотин…………..280

6.10.1. Основные положения фильтрационных расчетов……280

6.10.2. Методы фильтрационных расчетов

грунтовых плотин……………………………………….283

6.10.3. Фильтрация в берегах в обход плотины………………286

6.10.4. Расчет фильтрационной прочности грунтовых плотин

и их оснований………………………………………… 287

6.10.5. Подбор обратных фильтров грунтовых плотин………290

6.11. Каменно-земляные и каменно-насыпные плотины…….292

6.11.1. Общие сведения…………………………………………292

6.11.2. Способы укладки КЗП и требования к их грунтам…..293

6.11.3. Каменно-земляные плотины (КЗП)……………………296

6.12. Прогноз геотехнических характеристик

грунтов плотин…………………………………………....306

6.12.1. Расчетные значения плотности грунтов в плотине…...306

6.12.2. Расчетные значения прочности на сдвиг грунтов…….313

6.12.3. Прогноз прочности на сдвиг и сжимаемости

обломочно-пылевато-глинистых грунтов……………..317

Глава 7. Береговые водосбросы низконапорных гидроузлов324

7.1. Пропускная способность водосбросов и водоспусков…..324

7.2. Типы водосбросов, водовыпусков,

условия их применения……………………………………325

7.3. Открытые береговые водосбросы…………………………329

7.4. Гидравлический расчет открытых

береговых водосбросов…………………………………….340

7. 5. Рекомендации по проектированию открытых водосбросов

в гидроузлах с глухими грунтовыми плотинами……......344

7.6. Открытые траншейные водосбросы………………………359

7.7. Водосбросы с лобовым подводом воды и

транзитной частью в виде многоступенчатого перепада..367

7.8. Резервные водосбросы для пропуска пика паводка……...371

Глава 8. Закрытые береговые водосбросы и водоспуски ...373

8.1. Закрытые трубчатые водосбросы…………………………373

8.2. Трубчатые водосбросы-водоспуски с

оголовками-шахтами………………………………………387

8.3. Сифонные водосбросы и водовыпуски…………………...390

455

Приложение 1. Волжско-Камский каскад гидроузлов и ГЭС…..398

Приложение 2. Расчеты фильтрации в земляных плотинах…….413

Приложение 3. Методика прогноза прочности и сжимаемости

разнородных обломочно-пылевато-глинистых грунтов……420

Приложение 4. Задание и указания по выполнению

дипломного проекта…………………………… ..430

Приложение 5. Задание на выполнение курсового проекта…....444

Литература………………………………………………………450