Проектирование и строительство земляных плотин - Николай Кожевников

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

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

4. Условия работы земляной плотины

Материал тела земляной плотины всегда проницаем для воды. Поэтому в теле плотины создается поток воды, фильтрующийся из верхнего бьефа в нижний. Свободная поверхность этого фильтрационного потока (рис. 4.1), постепенно понижающийся к нижнему бьефу, называется поверхностью насыщения или депрессионной поверхностью, а линия пересечения ее с вертикальной плоскостью, проводимой поперек оси плотины, называется линией насыщения или депрессии, или депрессионной линией.

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

Ниже депрессионной поверхности грунт плотины насыщен водой, взвешивается ею; выше депрессионной линии находится зона капиллярного поднятия воды, высота которой зависит от свойства капиллярности грунта: в песчаных грунтах она достигает 5 – 15 см, в суглинистых и глинистых – 0.5 – 1.5 м и более.

Выше капиллярной зоны грунт обладает небольшой влажностью, так называемой естественной влажностью, зависящей от климатических условий и состава самого грунта.

Границы описанных зон изменяют свое положение в зависимости от колебаний горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах. Например, при сработке водохранилища линия депрессии АВ или АБС (рис. 4.1) понижается до линии А1В1 или А1В1С1. Положение депрессионной линии зависит также от высоты уровня нижнего бьефа, а при проницаемом основании и отсутствии воды в нижнем бьефе – и от уровня грунтовых вод.

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

Эти изменения положения линии депрессии необходимо учитывать особенно при расчете плотин ГАЭС, где уровни верхнего и нижнего бассейнов изменяются на большие величины дважды в сутки. Фильтрация, воздействие воды верхнего и нижнего бьефов, климатические условия создают сложный режим земляного тела плотины.

В зоне насыщения водой грунт взвешивается гидростатическим давлением и подвержен действию фильтрационных сил (гидродинамическое давление), стремящихся сдвинуть частицы грунта в направлении к низовому откосу; мельчайшие частицы грунта могут при этом выноситься в нижний бьеф, самый же откос может оползать, обрушаться. Прочность грунта, насыщенного водой, несколько падает вообще по сравнению с сухим. В плотинах из проницаемых грунтов могут иметь значение потери воды из верхнего бьефа (фильтрационный расход).

Волнения воды в верхнем и нижнем бьефах может размывать грунт откосов в пределах колебания уровней воды, это вызывает необходимость крепления откосов. Ледяной покров, образующийся в верхнем бьефе, может также повреждать откосы.

При температурах ниже 00 откосы плотины выше горизонта воды и гребень ее могут промерзать, а суглинистые и глинистые грунты их при этом будут пучиться, а при оттаивании оползать и образовывать трещины; трещины могут появляться в тех же грунтах и при высыхании откосов в жаркое время года. Поперечные трещины опасны ввиду возможности развития по ним разрушительной фильтрации.

Атмосферные осадки, выпадающие на плотину, частью просачиваются внутрь и смачивают тело плотины, частью стекают по откосам. Смачивание тела плотины водой понижает прочность ее грунта, что нежелательно, поэтому принимаются меры к ускорению и упорядочению стока дождевых вод с гребня и откосов путем поверхностного дренажа и крепления откосов.

Таким образом, водонепроницаемость грунта и фильтрация воды в теле земляной плотины играют весьма важную роль. Статистика показывает, что большинство аварий и разрушений земляных плотин произошло вследствие недостаточности мер по борьбе с фильтрацией воды.

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

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

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

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

5. Дренаж плотин и расчет фильтрации земляных плотин и основания

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

Существуют основные вида дренажа: 1) дренажная призма (рис. 5.1. а), 2) дренажный тюфяк (рис. 5.1. б), 3) трубчатый дренаж (рис. 5.1. в). В зависимости от наличия или отсутствия дренажа земляные плотины делятся на дренированные и не дренированные.

Рис. 5.1. Схемы дренажа плотин [2].

Эксплуатационные качества земляной плотины зависят от положения и очертания поверхности фильтрационного потока в теле плотины (кривой депрессии), расхода фильтрации через тело плотины и под основание плотины. От этого в большой степени зависит устойчивость плотины.

Для надежной работы земляной плотины необходимо, чтобы кривая депрессии была заглублена в тело плотины не менее, чем глубина промерзания грунта в районе строительства, а её выклинивание (высачивание) на низовом откосе было под уровень воды нижнего бьефа либо в границах дренажного устройства. Фильтрационный расход не должны превышать допустимого значения водохозяйственного расчета потерь воды, а фильтрация не влияла на деформацию грунта плотины и основания и вымыв частиц грунта (суффозию).

5.1. Основные положения теории фильтрации

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести благодаря наличию разности напоров воды в отдельных точек потока. Движение фильтрационных вод подчиняется закону Дарси: q = kωJ, (1) где: q – расход воды; k – коэффициент фильтрации грунта;

ω – полная геометрическая площадь сечения потока;

J – гидравлический уклон (градиент) фильтрационного потока, равный H/l, где:

Н – потеря напора на длине пути фильтрации l;

Из формулы (1) следует, что расход грунтового потока линейно зависит от градиента, что имеет место при ламинарном движении воды.

Закон Дарси выражается также зависимостью:

V = kJ (2).

Выражение для скорости V можно записать также в виде: V = q / ω (3),

где V – фиктивная скорость фильтрации, отнесенная к полному сечению потока ω.

Действительная скорость течения воды в порах грунта равна: V I = V/m (4),

где m – активная пористость грунта.

Таблица №2 [3].

Примерные осредненные значения коэффициентов фильтрации различных грунтов приведены в таблице №2 [3].

При рабочем проектировании профиля плотины и расчетов фильтрации коэффициент фильтрации определяют на основании исследования карьерных грунтов. Из приведенной таблицы 2, видно, что эти коэффициенты могут отличаться на порядок и более от натурных.