Проектирование и строительство земляных плотин

Строительство земляных плотин сухим способом и намывом. Нормативы и расчеты

Николай Николаевич Кожевников

© Николай Николаевич Кожевников, 2016

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

1. Назначение и конструкции земляных плотин

Плотиной называют гидротехническое сооружение, перегораживающее реку для подъема уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища. Плотина неразрывно связана с водохранилищем. Водохозяйственное значение плотины многообразно: подъем уровня воды и увеличение глубин в верхнем бьефе для обеспечения судоходства, водозабора для водоснабжения городов, нужд орошения с/х земель, регулирования годового стока реки для предотвращения паводкового затопления территорий и селений, обеспечения водой в меженный период. В большинстве случаев плотины и водохранилища строят совместно с гидроэлектростанцией (ГЭС) для выработки электроэнергии из природного возобновляемого источника — воды реки.

На территории России водяные мельницы с плотинами строились еще во времена Киевской Руси. Мощные ГЭС с плотинами больших размеров начали строить лишь при Советской власти после принятия плана ГОЭЛРО. В послевоенный период для ускоренного восстановления разрушенного хозяйства началось большое строительство мощных гидроузлов (ГЭС) на реках Волге, Днепре, Днестре, Каме, Даугаве, Куре, а с 1970 г. развернуто строительство в районах Сибири и Дальнего Востока.

В настоящее время гидроэнергетические ресурсы крупных рек в центральной части России почти полностью освоены. В планах дальнейшего развития гидроэнергетики предусматривается строительство ГЭС на малых реках в центральной России и мощных ГЭС в Сибири, Якутии, Эвенкии для обеспечения строительства горно-обогатительных комбинатов добычи ценных металлов, которыми богаты Сибирь и Заполярье России.

Разновидностью плотин по удержанию поверхностных вод или гидроотвалов техногенных отходов являются дамбы. По проектированию и технологии строительства дамбы не отличаются от плотин, обычно, только меньшими напорами, высотой и уменьшенными размерами профиля. Зато многие дамбы имеют большую протяженность. Так, например, при строительстве Чебоксарской ГЭС при полном проектируемом напоре затапливаются огромные земли сельскохозяйственного назначения. Протяженность защитных дамб достигает десятки километров, их строительство растянулось на многие годы из-за недостаточного финансирования, и Чебоксарская ГЭС до сих пор работает с пониженным использованием мощности установленных гидроагрегатов.

Другим назначением дамб служит ограждение гидроотвалов Горно-обогатительных комбинатов и золоотвалов ГРЭС. Часто эти гидроотвалы, если позволяет местность располагают в глубоких оврагах и ограждающие дамбы достигают больших высот и представляют весьма ответственное гидротехническое сооружение. Примером может служить гидроотвал «Березовый лог» КМА, где высота гидроотвала из местных грунтов доходит до 100 м. Местные прорывы дамбы имели место и были локализованы.

Техногенная катастрофа произошла в Киеве в 1961 г. на гидроотвале «Бабий яр», когда при производстве работ (намыве) произошел прорыв разжиженных грунтов, которые в виде селя обрушились на близлежащий район города. Этот пример свидетельствует о необходимости тщательного проектирования и строительства подобных объектов. Государственная комиссия, расследовавшая эту аварию, отметила, что проектной организацией треста «Гидромеханизация» Минмонтажспецстроя были допущены ошибки в проектировании объекта повышенной опасности.

Расчет устойчивости дамб, удерживающих разжиженные грунты, производят давление жидкости с плотностью выше 1 г/см^3. В этом принципиальное отличие от расчета устойчивости плотины на давление воды в водохранилище.

Рис. 1.1. Последствия прорыва дамбы гидроотвала «Бабий яр» в Киеве в 1961 г. [15].

Гипотетическую опасность представляют каскады ГЭС на больших реках. В большинстве случаев прорыв воды верхнего водохранилища каскада может привести к переполнению нижнего водохранилища и последовательному разрушению плотин. Таких катастроф в России не было, но при отсутствии контроля над состоянием плотин они могут произойти. Поэтому проектирование и строительство плотин крайне ответственно и выполняются специализированными изыскательскими, проектными и строительными организациями.

Основоположниками гидротехнических расчетов плотин и водохранилищ в России были академик Н. Н. Павловский и профессор Н. Е. Жуковский, создавшие престижную и высоко ценимую мировой наукой школу российских гидротехников. В 1960 — 1990 гг. Советские гидротехники выполняли строительство многих гидроузлов в Арабских странах, в том числе уникальной Высотной Асуанской Плотины на р. Нил.

При выборе створа строительства плотин, кроме других необходимых условий, учитывают наличие и возможность использования для строительства местных грунтов.

Наиболее дешевым вариантом строительства являются земляные плотины и дамбы из местных месторождений грунтов: песка, глины, камня. Возведение земляных плотин всегда много дешевле, чем бетонных, хотя по объему они многократно превышают объем бетонных плотин. Но при размещении гидроузла в каньоне реки возводят бетонные плотины, которые позволяют в одном сооружении совместить плотину, водосбросы и здание гидроагрегатов.

Земляные плотины возводят при строительстве ГЭС на равнинных реках с развитой поймой. К таким относится построенный каскад гидроузлов на реках Волга, Днепр, Дон, Кама, где на широких поймах и самом русле рек возведены протяженные земляные песчаные плотины огромного объема, намытые способом гидромеханизации из местных песчаных месторождений.

Проектированием плотин, неразрывно связанных с водохранилищами, производят специализированные проектные институты, в частности ОАО «Гидропрект», в котором работают квалифицированные дипломированные инженеры гидротехники.

Для обучения техников и инженеров открытых горных работ, для которых написана эта литература, глава «Проектирование и строительство земляных плотин» изложена в сокращении по сравнению с программой для обучения инженеров — гидротехников, но достаточным для ознакомления с конструкциями, расчетами и производством работ.

Конструкция земляной плотины зависит от многих местных природных факторов: грунтов основания, наличия имеющихся местных грунтовых материалов, размеров водохранилища, климатических условий. Поэтому каждая плотина привязывается к местным условиям и её конструкция в каждом случае индивидуальна и не может быть типовой, как в гражданском строительстве. На нескольких примерах построенных плотин приведем их конструктивные элементы.

Рис.1.2. Поперечный разрез русловой намывной земляной плотины Рижской ГЭС [11].

Пример простейшей плотины:

1 — тело земляной плотины из песка; 2 — гребень плотины — дорожное покрытие (гравий — асфальт); 3 — не фильтрующее основание плотины; 4 — крепление бетонными плитами против волнового воздействия на откос; 5 — берма на откосе упорная; 6 — банкет из каменной наброски для перекрытия русла р. Даугавы; 7 — дренажная призма для снижения выхода фильтрационный вод на низовой откос; 8 — крепление низового откоса посевом трав.

Назначение каждого элемента плотины понятно из описания.

На рис. 1.3. Показан поперечный разрез плотины с экраном и понуром.

Понур — это водонепроницаемое покрытие дна водохранилища, примыкающее к плотине и предназначенное для удлинения пути фильтрации воды под сооружением и снижения фильтрационного давления на его подошву. Устройством понура, достигается уменьшение скорости и расхода профильтровавшейся воды и, следовательно, опасности разрушения основания сооружения фильтрационным потоком. Для устройства понура применяют глину, глинобетон, битумные материалы, торф, бетон, железобетон.

Для уменьшения фильтрации через тело плотины и основания плотины применяют также экраны.

Рис.1.3. Земляная плотина с экраном и понуром на канале им. Москвы [12].

Если в основании плотины залегают хорошо фильтрующие пески, то для уменьшения фильтрации воды через основание и тело плотины, для повышения устойчивости плотины и сокращения потерь воды из водохранилища, применяют так называемые ядра и диафрагмы. Материалом ядра могут служить глина, суглинок, глинобетон, плотно трамбуемые или укатываемые слоями. (рис. 1.4, 1.5)

Диафрагмы (рис. 1.5) могут выполняться не только из бетона, но и из металлического шпунта. Плотины рис. 1.3, 1.4, 1.5 выполнялись сухой отсыпкой грунта.

Рис.1.4. Плотина с ядром, опущенным до водоупора [2].

Рис.1.5. Плотина с глиняным ядром и бетонной диафрагмой [2].

Первой намывной плотиной в России, выполненной способом гидромеханизации, была Ианьковская плотина, выполненная в 1935 — 1936 гг. под руководством профессора Н. Д. Холина при строительстве при строительстве канала Москва — Волга [12].

Плотина надежно сохраняет водохранилище до сегодняшнего времени (рис. 1.6).

Рис.1.6. Типовой профиль Иваньковской песчаной плотины с деревянной противофильтрационной диафрагмой и металлическим шпунтом в основании [12].

Большим достижением российских гидротехников, признанным во всем мире, явилось проектирование и строительство Высотной Асуанской плотины на р. Нил в Египте. В каменно-набросной плотине советские гидротехники выполнили плотный замыв мелким дюнным песком каменную отсыпку, а также осуществили впервые в практике гидростроительства уплотнение с помощью специальной плавучей установки с мощными вибраторами намытого в воду мелкозернистого песка на глубине до 30 м.

Рис. 1.7. Конструктивный профиль Высотной Асуанской плотины на р. Нил [14].

1 — мостовая по щебню; 2 — трехслойный фильтр (1 м щебня размером 40—150 мм, 0,5 м щебня размером 5—35 мм и 1 м крупного песка d=1,5 мм); 3 — карьерная мелочь; 4 — дренажные скважины; 5 — дюнный песок; 6 — уплотненный дюнный песок; 7 — камень крупнее 150 мм, замытый песком; 8 — кривая депрессии; 9 — щебень 40—150 мм; 10 — каменная наброска с гидроуплотнением; 11— шеллалский песок; 12 — уплотненный дюнный песок; 13 — уплотненный шеллалский песок; 14 — цементно—глинистая завеса; 15 — цементационные и смотровые галереи; 16 — ядра из ила; 17 — щебень; 18 — понур из глины; 19 — щебень размером 40—150 мм; 20 — песок различной крупности; 21 — галька и валуны с песчаным заполнителем; 22 — переслаивание супесей, суглинков, песков и песчаников; 23 — магматиты

Из намывных однородных песчаных плотин, возведенных на реках центральной зоны России и Украины, как типичный профиль, приводим на рис. 1.8 разрез плотины Волжской ГЭС на Волге у г. Волгограда (г. Волжский).

Рис. 1.8. Намывная песчаная однородная плотина Волжской ГЭС. [4]

Аналогичный профиль имеют и плотины ГЭС, построенных на р. Волге в 1946 — 1960 гг.

2. Классификация гидротехнических сооружений по капитальности

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

Таблица 1 [2].

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

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

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

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

3. Типы земляных плотин

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

Рис.3.1. Основные типы земляных плотин [2]

В зависимости от применяемых для тела плотины материалов и их размещения в сооружении, а также способов обеспечения водонепроницаемости земляные плотины делятся на следующие основные типы:

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

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

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

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

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

Эта классификация предполагает надежное водонепроницаемое основание. Но земляные плотины можно строить практически почти на любых основаниях, кроме сильно разжиженных илистых грунтов или глубоких торфяниках, или пород, характеризующихся крайней неравномерностью механических свойств. Это обстоятельство является одним из крупнейших преимуществ земляных плотин.

Однако в случае водопроницаемого основания, простирающегося на ту или иную глубину до водоупора, необходимо надежное сопряжение водонепроницаемых частей плотины с водонепроницаемыми слоями основания, или во всяком случае принятия мер по защите от вредных явлений фильтрации в основании. В соответствии с этим описанные выше типы плотин получают дополнительные отличия.

При наличии скального основания водонепроницаемая часть плотины (экран, диафрагма) должна быть соединена со скалой зубом или бетонной шпонкой (рис. 3.2 а — б). При наличии сильной трещиноватости в скале под зубом или диафрагмой устраивается цементационная или битумная завеса.

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

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

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

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

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

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

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

4. Условия работы земляной плотины

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

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

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

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

Границы описанных зон изменяют свое положение в зависимости от колебаний горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах. Например, при сработке водохранилища линия депрессии АВ или АБС (рис. 4.1) понижается до линии А_1В_1 или А_1В_1С_1. 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 0^0 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.

5.2. Расчет фильтрации земляных плотин и основания

Существуют десятки способов теоретических методик расчета фильтрации через тело плотины и основания плотины, в том числе включаюших построение фильтрационной сетки — линий тока и эквипотенциалей — линий равного давления. Фильтрационная сетка может быть построена вручную методом постепенного приближения. Но точнее, для разных контуров сооружений, строится на приборе ЭГДА — метода электрогидродинамической аналогии — аналогии движения фильтрационных вод с движением электрического тока, разработанного академиком Н. Н. Павловским. Большинство методик сводится к решению сложных дифференциальных математических уравнений с тремя неизвестными. С методом построения линий тока и эквипотенциалей вручную и на устройстве ЭГДА можно ознакомиться в специальной литературе по гидротехнике.

Для ознакомления с фильтрационной сеткой приводим рис. 5.2. с построенными линиями тока и эквипотенциалями для плотины на водоупорном основании

[2].

Рис. 5.2.1. Фильтрационная сетка в однородной плотине на водоупорном основании: 1 — депрессионная кривая; 2 — вертикальные линии равного давления или эквипотенциали; 3 — линии тока или течения фильтрационных вод.

При ручном способе построения сетки величина напора делится на n частей и линии эквипотенциалей на пересечениях с соответствующими горизонтальными линиями деления напора Н дают точки кривой депрессии, разделяющую линию течения воды фильтрации и сухой части плотины.

В сокращенном курсе, каким является настоящая работа, целесообразно использовать для расчета земляных плотин на фильтрацию более простые уравнения, не требующие для решения сложных методов [7].

Рассмотрим вначале упрощенный расчет однородной плотины на непроницаемом основании — наиболее тяжелый случай для устойчивости низового откоса плотины, изображенный на рис. 5.2.2.

Рис. 5.2.2.Расчетная схема фильтрации однородной не дренированной плотины на непроницаемом основании [7].

Острый клин верхового откоса плотины принимает очень малое участие в фильтрации. Поэтому эта часть верхового откоса из рассмотрения выбрасывается и заменяется условной трапецией 0NAB. В компенсацию этого допущения положение раздельной линии 0N определяется значением ε, принимаемым от 0.3 до 0.4 (чем круче откос верхового клина, тем меньше ε). Линия депрессии и расход фильтрации в условиях трапеции будут близкими к действительности.

Тогда 0N = H — εH; А отрезок от 0 координат до сопряжения откоса m_1 с основанием в точке С, будет равен: L_1 = (H — εH) m_1;

Вычислим L: L = H_1m_1 + В + H_1m_2 — L_1;

Согласно Л.7. Высота выклинивания линии депрессии на низовом откосе будет:

h_1 = L/m_2 + h_0 — [L^2/m_2^2 — (H — h_0) 2] 0.5. При отсутствии воды в нижнем бьефе h_0 = 0.

Фильтрационный расход на 1 м длины плотины:

q_1 = k (H^2 — h_1^2) / [2 (L — m_2h_1)]

Ординаты депрессионной кривой находятся из уравнения y = [H^2 — (2q/k) x] 0.5

Приведем пример №1 расчета параметров фильтрации для заданных размеров плотины и напора: Напор Н = 20 м; Ширина по гребню плотины В = 10 м; Высота плотины Н_1=22 м;

Заложение откосов m_1= m_2 = 4; Коэффициент смещения координат ε = 0.4; Коэффициент фильтрации k = 0.036 м /час (как средний в песчаной однородной плотине Цимлянской ГЭС); Глубина воды в нижнем бьефе h_0 = 0;

Тогда: L_1 = (H — εH) m_1 = (20 — 0.4 x 20) х 4 = 48 м; :

L = H_1m_1 + В + H_1m_2 — L_1 = 22 х 4 +10 +22 х 4 — 48 = 138 м;

Высота выклинивания линии депрессии на низовом откосе h_1 будет при h_0 = 0;

h_1 = L/m_2 — [L^2/m_2^2 — H 2] 0.5 = 138/4 — (132^2/4^2 — 20^2) 0.5 = 34.5 — 28.1 = 6.4 м

Фильтрационный расход на 1 м длины плотины q_1 = k (H^2 — h_1^2) / [2 (L — m_2h_1)]

q_1 = 0.036 (20^2 — 6.4^2) /2 (138 — 4 x 6.4) = 12.9/224.8 = 0.057 м^3/час,

или на 1 км длины плотины Q = 57 м^3/час

Ординаты депрессионной кривой находим из уравнения y = [H^2 — (2q/k) x] 0.5

У = [20^2 — (2 х 0.057/0.036) x] 0.5 = [400 — 3.16Х] 0.5; При Х = 0 У = Н = 20 м.;

При У = h_1= 6.4 м; Х = L — m_2 h_1 = 138 — 4 х 6.4 = 112.4 м; Задаваясь значением Х от нуля до 112 м можно построить кривую депрессии.

Обратимся к расчету расхода фильтрации плотины на проницаемом основании.

Рис. 5.2.3. Схема фильтрации однородной недренированной плотины на проницаемом основании [7].

Общий расход фильтрации равен сумме двух расходов: расхода q_1 через однородную плотину на непроницаемом основании и расхода q_2 через проницаемое основание. Первый расход определяется по формуле, положение кривой депрессии — по уравнению (205). Второй расход — представляет расход воды, протекающий по прямоугольной трубе высотой Т и шириной 1 м кривыми струйками, средняя длина которых βL’, а средний градиент потока H/βL’. Поэтому расход через основание:

q_2 = k_2HT/βL’

Суммарный расход фильтрации:

q = k (H^2 — h_1^2) / [2 (L — m_2h_1)] + k_2HT/βL’ (219),

Где h_1 — высота выклинивания линии депрессии на низовом откосе по уравнению (203),

k_2 — коэффициент фильтрации грунта основания; β — коэффициент удлинения пути фильтрации через основание:

Выполним примерный расчет фильтрации под основание плотины (пример №2) при глубине залегания водоупора Т = 20 м и условиях принятых в примере №1.

Отношение L’/T = 186/20 = 9.3. По интерполяции из таблицы можно принять коэффициент

β = 1.17; При этих условиях расход фильтрации через основание плотины будет:

q_2 = k_2HT/βL’ = 0.036 х 20 х 20/1.17 x 186 = 14.4/217.6 = 0.066 м^3/час на 1 м длины плотины. Суммарная фильтрация в основании и тело плотины составит:

Q = 0.066 +0.057 = 0.123 м^3/час.

В литературе [2] рассмотрены и другие, более сложные случаи определения фильтрации: высоты выклинивания линии депрессии на низовом откосе и расхода фильтрации для однородной дренированной плотины, экранированной плотины с дренажем, экранированной плотины с зубом и дренажем. Эти случаи рекомендуем изучать непосредственно по первоисточнику.

Рис. 5.2.4. Дренажная призма из камня с наслонным дренажем [2].

Из приведенного расчета фильтрации через однородную плотину на непроницаемом основании, изображенной на рис. 5.2., видно, что линия депрессии на низовом откосе выклинивается на значительной высоте h_1, что может вызвать суффозию грунта, особенно при промерзании. В целях исключения суффозии и понижения выхода выклинивания фильтрационных вод используют дренажную призму и наслонный дренаж (рис. 5.2.4.).

В литературе [2] помещена таблица определения суффозии по коэффициенту неоднородности грунта плотины и градиентов фильтрации H/l.

По исследованиям В. С. Истоминой, скорости и градиенты фильтрации, при которых начинается механическая суффозия, существенно зависят от неоднородности грунта, характеризуемой, как известно, коэффициентом

На фиг. 4—12 приводится график минимальных (безопасных) градиентов направленной снизу вверх фильтрации, при которых суффозия исключается. Как видно из графика, чем больше неоднородность грунта η, тем при меньших градиентах начинается суффозия. Ввиду недостаточной еще проверки графика 4—12 на практике, рекомендуется уменьшать полученные по графику значения I в 1,5—2 раза в зависимости от класса сооружения.

Фиг. 4—12. Минимальные (безопасные) градиенты (при которых отсутствует суффозия в несвязных грунтах) в зависимости от неоднородности грунта (по предложению В. С. Истоминой)

6. Устойчивость откосов плотины

Минимально возможный профиль земляной плотины представляет собою трапецию с откосами, обычно не круче 1: 1,5. Вес плотины такого профиля настолько значителен, что о сдвиге ее под действием горизонтальных сил от давления воды верхнего бьефа не может быть речи. Поэтому расчет земляной плотины на сдвиг не производят.

Неустойчивыми могут оказаться откосы плотины как сами по себе, так и в связи с недостаточной устойчивостью основания.

1. В насыпях из сыпучих (несвязных) грунтов, лишенных сцепления и обладающих лишь внутренним трением, если отсутствуют фильтрационные силы, устойчивый откос представляет собою плоскость, наклоненную к горизонту под углом φ, где φ — угол внутреннего трения или естественного откоса. Всякий откос с углом наклона θ ¿ φ является неустойчивым.

Для песчаных грунтов естественной влажности углы внутреннего трения варьируют от 25^0 для песков до 43^0 для гравелистых грунтов в зависимости от плотности.

2. Связные грунты (глина, суглинки) кроме внутреннего трения частиц (угла φ) располагают силами сцепления с, измеряемые в единицах давления (паскалях и др.).

В литературе [2] приведен график приближенного метода расчета для однородных земляных откосов из связных грунтов, предполагающий поверхность сползания откоса круглоцилиндрической. По этому графику, зная объемный вес грунта Υ_1 (т/м^3), угол внутреннего трения φ сцепление с (т/м^2), и высоту откоса h (м), можно определить угол безопасного откоса Θ.

Рис. 6.1. График расчета устойчивости откосов для однородных связных грунтов [2].

Вычисленное значение заложения откоса m по графику для плотин 1-го и 2-го класса следует увеличить на коэффициент безопасности по СНиП.

3. Как правило, откосы земляной плотины не являются однородными по составу; даже в плотине из однородного грунта часть последнего, лежащая ниже кривой депрессии, имеет иные физические свойства, чем вышележащий сухой грунт: иной объёмный вес, иное сцепление, наличие фильтрационных сил. Кроме того, в большинстве случаев основание плотины может деформироваться вместе с откосами.

Для таких случаев приходится пользоваться при расчете общим методом круговых (цилиндрических) поверхностей скольжения (метод К. Терцаги) [3, 2]. Этот метод сводится к вычислению отношения момента силы веса отсека к моменту сил сцепления относительно произвольно выбранного центра кривой скольжения. По этому отношению определяется коэффициент устойчивости откоса с учетом влияния фильтрационных сил.

Вычисления продолжаются с многократно переносимым центром скольжения, из которых выбирается наиболее опасный центр с минимальным коэффициентом устойчивости.

Расчеты громоздки и требуют много времени для вычисления.

Для проведения расчета необходимо знать фактические величины сцепления, трения, объемного веса участков грунтов, которые определяются лабораторными испытаниями, а также фильтрационных сил, вычисляемых по построенной фильтрационной сетке.

В настоящее время расчет устойчивости выполняется по разработанным программам для ЭВМ. Эти расчеты выполняются специализированными проектными организациями (ОАО «Гидропроект» и др.). Расчетную схему устойчивости приводим ниже. [2].

Подробные методики расчетов приведены во многих справочниках по гидротехнике и механике грунтов, повторять их в нашем пособии нецелесообразно.

На устойчивость откосов плотины существенное влияние оказывает быстрое изменение горизонта воды в водохранилище. При быстром снижении уровня вода в «мокром» клине плотины не успевает фильтровать обратно в водохранилище, что приводит к появлению порового давления, которое нужно учитывать в расчетах. Такое быстрое изменение уровня воды характерно для водохранилищ ГАЭС (гидроаккумулирующих ГЭС), где уровень воды изменяется несколько раз в сутки до 10 м. Так на плотине нижнего бассейна Загорской ГАЭС [10] при эксплуатации произошли местные оползания низового откоса. Поверочными расчетами была выявлена недостаточная устойчивость низового откоса и были приняты меры по доработке дренажной системы плотины. Для плотин ГАЭС и приливных ГЭС с переменным и быстро меняющимся уровнем воды водохранилища необходимо дренировать оба откоса плотины.

В расчетах плотины также необходимо учитывать возможное сейсмическое воздействие в зависимости от географического района и класса плотины по безопасности.

Рис.6.2. а) оползание откоса; в) схема к расчету устойчивости откоса.

При сбросе через высокую водосливную плотину паводковых вод происходит вибрация местности, которая передается на значительные расстояния, в том числе и на земляную плотину. Это явление также учитывают при назначении коэффициента запаса устойчивости откосов плотины.

Кроме обрушения массива откоса, особенно в процессе намыва, на устойчивость откоса влияет суффозия (вымывание) мелких частиц грунта под действием фильтрационных вод, и оно может привести к постепенному обрушению откоса.

Кроме этого, приводим простой расчет устойчивости откоса на оплывание (суффозию) в месте выхода фильтрационного потока на поверхность [Л. 3 стр. 629].

4. Расчет устойчивости низового откоса нa оплывание в месте выхода фильтрационного потока на поверхность (фиг. 22—15)

Этот расчет выполняется по формуле:

γJ+ γrsinθ ≤ γrcosθ tg φ

где γ — объемный вес воды, принимаемый равным 1 г/см^3 или т/м^3;

γr — объемный вес влажного грунта (в воздухе), приближенно принимаемый γr ≈ 2 т/м^3;

θ — угол наклона откоса к горизонту;

φ — угол внутреннего трения грунта, из которого выполнен откос;

I — градиент фильтрационного потока на выходе, принимаемый Jпред = sin θ.

Фиг. 22—15. Схема для расчета устойчивости откоса на оплывание.

При решении равенства (22—15) поручается приближенно для отсутствия оплывания:. (22—16)

Примерные значения угла внутреннего трения φ для песков даны в таблице 2 [4 стр. 23].

Таблица 2.

Для расчета плотин 1 — 2 классов необходимы лабораторные определения угла внутреннего трения для конкретных грунтов плотины.

Примерные значения заложения откосов земляных плотин приведены в таблице раздела 6 [2].

При проектировании плотины сначала выбирают профиль плотины и заложение откосов по таблице или аналогам, а затем проверяют выбранный профиль на сдвиг, устойчивость откосов и фильтрацию.

7. Грунты для земляных плотин

7.1. Общие требования к материалам земляных плотин

Основными качествами, которыми должен обладать грунт для тела однородной земляной плотины, являются водонепроницаемость, прочность, характеризуемая в основном внутренним трением и сцеплением, и водоустойчивость.

В плотине, выполняемой из нескольких грунтов, каждая часть ее требует грунта, обладающего специфическими для этой именно части качествами. Так, защитный слой должен обладать только прочностью и водоустойчивостью, для ядра и понура особенно важна водонепроницаемость, для экранов — пластичность, водонепроницаемость и прочность. Грунты, укладываемые у верхового откоса, должны быть вообще возможно более водопроницаемы; наоборот, зону низового откоса целесообразно устраивать из грунта более водопроницаемого, так как это ведет к снижению кривой депрессии близ этого откоса и к увеличению его устойчивости. Наконец материал дренажных призм и обратных фильтров должен быть пористым, а для фильтров, кроме того, подобранным по определенному закону. Материал для намывных плотин должен удовлетворять некоторым дополнительным требованиям.

7.2. Гранулометрический состав грунта

Основной характеристикой грунта является его гранулометрический состав.

Для насыпных плотин. Наилучшим грунтом для однородной земляной плотины служит естественная смесь частиц разной крупности, в которой мельчайшие пылеватые и глинистые частицы (d ≤ 0.01 — 0.005 мм) заполняли поры между более крупными (песчаными, гравелистыми) образующими скелет, обеспечивая вместе с тем непосредственное соприкосновение между собой крупных частиц. Подобный грунт обладает большим углом внутреннего трения и вместе с тем благодаря заполнению пор тонким глинистым материалом — ничтожным коэффициентом фильтрации. Содержание глинистых частиц в грунте характеризует и водонепроницаемость и прочность грунта. При содержании этих частиц 6 — 25% всего объема грунта он пригоден для однородного тела плотины, при большем — только для ядер, экранов, понуров. Песчаные грунты могут быть применены для однородных плотин, если коэффициент фильтрации их достаточно мал, в противном случае они идут в проницаемые части тела плотин (низовые), если же из них выполняется все тело плотины, требуется противофильтрационные устройства — ядра, диафрагмы, экраны.

Большое значение имеет степень неоднородности грунта, характеризуемая коэффициентом ŋ = d_60/d_10. При ŋ ≥ 30 — 100 грунты обладают малой порозностью и хорошо уплотняются при укатке, при ŋ = ≤ 5 — 10 грунты уплотняются плохо, обычно они водопроницаемы.

При выборе типа плотины приходится считаться с карьерами местного грунта, которые во многих случаев и определяют тип плотины.

По гранулометрическому составу в земляной насыпной плотине могут быть использованы все грунты за исключением жирных суглинков и глин и мельчайших песчано-илистых грунтов.

Рис.7.2.1. Кривые гранулометрического состава грунтов карьеров намывных плотин

1 — Угличская; 2 — Сестринские дамбы; 3 — дамбы Волгостроя; 4 — Шекснинская; вская; 6—7 — Мингечаурская; 8 — Цимлянская; 9 — Сталинградская; 10 — Куйбышевская; 11 — Александер; 12. Форт-Пек; 13 — плотина из суглинка (СССР). (Гришин, стр. 397).

Для намывных плотин. Гранулометрический состав материала для намывных плотин с ядром должен быть таков, чтобы в нем были и мелкозернистые (глинистые) частицы для намыва водонепроницаемого ядра, и крупные — для образования боковых призм. Плотины без ядра не требуют обязательного наличия глинистых фракций и выполняются из песков и легких супесей.

Опыт показывает, что пригодным составом грунта для ядерных плотин будет тот, в котором глины содержится 10 — 25%, остальной же грунт — песок, гравий, галька. Большее содержание глины может привести к преувеличенным размерам ядра и тем самым уменьшить устойчивость откосов (аварии плотин Салюда, Александер, (США).

Рис. 7.2.2 Кривые гранулометрического состава грунтов насыпных плотин СССР

1 — Гизельдонская (экран); 2— Фархадская; 3 — Ханжонковская; 4 — Боз-Суйская (лёсс); 5 — Терская (на торфяном основании); 6 — Катта-Курганская (лёсс); 7 — Сталиногорская; 8 — Ольховская; 9 — Сызранская (песчаная с диафрагмой).

При небольшом количестве глинистых частиц (меньше 10%) образование водонепроницаемого ядра затрудняется. Состав ядра характеризуется действующим (эффективным) диаметром зерна d_10, который не должен снижаться за пределы d_10=0.01 мм; при меньших d_10 ядро твердеет медленно и возможны аварии при давлении ядра на боковые призмы (авария на плотине Калаверас при d_10= 0/002 мм)

Рис. 7.2.3 Профиль плотины верхнего бассейна Загорской ГАЭС

На рис. 7.2.1 приведены кривые гранулометрического состава карьеров намывных плотин России и некоторых зарубежных. В большинстве случаев материалом для намыва плотин в России служили супеси, пески и песчано-гравийные грунты. (Л. Гришин, с. 397)

На рис. 7.2.2 [2] приведены кривые гранулометрического состава грунтов насыпных плотин СССР. Из этого графика видно, что для насыпных плотин практически возможно использовать любые грунты при соответствующей конструкции плотины.

8. Назначение основных размеров профиля земляных плотин

Устойчивость плотины обеспечивается выбором грунта тела плотины, основания и назначением заложения откосов в зависимости от высоты плотины, плотности грунта и его способности сопротивляться сдвигу.

Форма профиля плотины — обычно неравнобокая трапеция, стороны которой, т.е. откосы, прямолинейны или представляют собою ломаные линии, уполаживающиеся книзу. Уклоны и форма откосов плотины назначаются в зависимости от высоты и рода грунта, от свойств основания и фильтрационных условий.

Для предварительной ориентировки можно пользоваться заимствованными из практики плотиностроения данными о примерных величинах откосов однородных плотин из песчано — глинистого грунта при плотных грунтах оснований [2].

Рис.8.1. Примерные откосы земляных плотин [2]

Верховой откос делают обычно более пологим, т.к. он насыщен водой почти на всю высоту плотины. С увеличением высоты плотины заложение откоса m (Ctg φ — угла наклона к горизонту) возрастает, при этом переходят обычно к ломаному очертанию откосов, увеличивая их пологость книзу.

Нередко на откосах устраивают горизонтальные площадки — бермы, которые служат упором для крепления вышележащей части верхового откоса, отвода дождевых вод с низового откоса и ремонтного обслуживания. Ширину бермы назначают обычно в 1.5 — 2 м, но бывает и шире в зависимости от назначения.

Ширина плотины по гребню назначается в зависимости от назначения для класса автодорог, железных дорог, прокладки ЛЭП и других коммуникаций, но не менее 3 м при отсутствии коммуникаций.

Возвышение гребня над максимальным горизонтом воды в водохранилище принимают в зависимости от расчетной высоты вкатывания волны по откосу. Обычно не менее 2 — 2.5 м, а в ответственных плотинах до 5 м.

Со стороны верхового откоса на гребне обычно возводят бетонный парапет для безопасности транспорта и людей [2].

9. Основание плотины и ее подготовка

В соответствии с [1] п. 1.5*, возведение плотин из грунтовых материалов можно предусматривать как на скальных, так и на нескальных грунтах основания, находящихся в талом или в мерзлом состоянии с учетом прогноза изменения их криогенного состояния в период строительства и эксплуатации.

Возведение плотин на нескальных грунтах основания, содержащих водорастворимые включения в количестве большем, чем указано в п. 2.5*, допускается только при проведении исследований скорости расселения и выщелачивания и учете этих процессов при оценке фильтрационного расхода, устойчивости и деформируемости сооружения. Для предотвращения выщелачивания грунтов основания могут предусматриваться различные конструктивные меры (например, устройство понуров, зубьев, завес, обеспечение насыщения раствора в основании плотины и др.).

При строительстве плотин из грунтовых материалов на торфяном (заторфованном) основании необходимо выполнять исследования по прогнозу разложения торфа во времени и учету этого процесса при обосновании устойчивости сооружения.

Плотины на илистых грунтах допускается возводить только при наличии надлежащего обоснования.

На основаниях, сложенных сильнольдистыми грунтами ii> 0,4 и сильносжимаемыми при оттаивании вечномерзлыми грунтами следует предусматривать строительство мерзлых плотин из грунтовых материалов.

1.6*. При оценке качества грунтов нескального основания надлежит обращать особое внимание на наличие в нем:

а) суффозионных и термопросадочных грунтов,

б) грунтов, в которых при возведении плотины может развиваться поровое давление в связи с их консолидацией. Условия необходимости учета порового давления изложены в рекомендуемом приложении 1;

в) льдонасыщенных грунтов, теряющих несущую способность при оттаивании.

1.7* При оценке качества скального основания следует обращать особое внимание на наличие в нем:

а) трещин, заполненных легковымываемыми мелкими фракциями грунта, а также полностью или частично заполненных льдом;

б) тектонических нарушений (сбросов и сдвигов);

в) ослабленных зон, которые могут разрушаться под влиянием фильтрации и насыщения их водой и оказаться неустойчивыми.

При подготовке основания безусловному удалению подлежит растительный грунт, корневая система, сильно разложившийся торф в пластичном состоянии, сапропель, илистые грунты в текучем состоянии.

В практике работы организаций гидромеханизации имели место случаи просадки торфяного основания в процессе намыва дамб на строительстве канала Москва — Волга [12]. При этом происходил выпор грунта на соседних с дамбой участках.

Другим примером возведения сооружения на торфяном основании может служить намыв ограждающей и струенаправляющей дамб в водохранилище Печерской ГРЭС. Слаборазложившийся торф залегал на трассе дамб на глубине до 10 м. Рижским отделением ТЭПа совместно с Московским СУ «Гидромеханизация» было принято смелое решение — поэтапно возводить дамбы на промежуточную высоту с перерывом до одного года для усадки и уплотнения торфа основания. На рис. 9.1. показан первый этап возведения дамб [14].

Рис. 9.1. Первый этап возведения дамб водохранилища Печерской ГРЭС: 1 — проектный профиль сооружения; 2 — грунт, намытый во время первого этапа работ; 3 — торф; 4 — суглинки; 5 — илистый грунт.

Поэтапное возведение дамб оказалось оправданным и надежным, и его можно рекомендовать для намыва напорных сооружений при рассосредочении по времени нагрузки на слабое основание.

10. Технология строительства насыпных плотин

10.1. Общие сведения

Насыпные грунтовые и каменно-набросные плотины небольшой высоты возводились с древних времен в Египте, Междуречье, Китае для водоснабжения систем орошения. В дореволюционной России такие плотины строились для мельниц и привода оборудования заводов на Урале. Высокие плотины начали строить во всем мире с развитием землеройной техники и транспорта с конца 19 века, в основном при строительстве ГЭС. В СССР широкое строительство ГЭС и плотин началось с принятия плана ГОЭЛРО в 1922 г. и особенно после 1946 г. Большим преимуществом насыпных плотин является использование местных грунтов.

Многообразные конструкции насыпных плотин, приведенные в разделе 3, позволяют использовать практически любые виды грунтов от песка и глины до камня.

Развитая российская гидротехника позволила возводить уникальные плотины. Так в Таджикистане на р. Вахш построена самая высокая в мире плотина в составе Нурекской ГЭС высотой 300 м с объемом отсыпки 56 млн. м^3. Конструкция плотины приведена на рис. 10.1.1.

Другим примером уникальной каменно-набросной плотины, построенной российскими инженерами, служит Высотная Асуанская плотина на реке Нил в Египте.

Новая Высотная Асуанская плотина (араб. «Ас-Саад аль-Али») расположена в 6 км выше старой Асуанской плотины, построенной в 1898—1902 (последняя реконструкция в 1960 г.) у 1-го нильского порога. Длина каменно-набросной плотины около 4 км, высота 110 м. Объём водохранилища свыше 160 млрд. м^3. После завершения строительства плотины и заполнения водохранилища до НПГ образовалось водохранилище протяженностью в 500 км, названное оз. Насер в честь президента ОАР, при котором было начато строительство.

Рис. 10.1.1. Нурекская насыпная ядерная плотина на р. Вахш

1 — ядро из суглинка; 2 — призмы из гравийно-галечникового грунта; 3 — переходные зоны; 4 — пригрузка откоса горной массой; 5 — банкет из горной массы; 6 — верховая перемычка; 7 — бетонная пробка; 8 — укрепительная цементация; 9 — антисейсмические пояса; 10 — 11 смотровые галереи; 12 — контур плотины первой очереди; 13 — экран первой очереди.

На рис. 10.1.3 приведен фотоснимок плотины.

Приведенные примеры относятся к плотинам, где местным материалом для строительства служит камень, залегающим обычно на берегах горных рек. На равнинных реках превалируют такие грунты как песок, глина, супеси и суглинки. Из этих грунтов и возводят плотины на реках центральной России. В последние годы плотины из суглинков и моренных грунтов построены способом сухой отсыпки для верхнего бассейна Загорской гидроаккумулирующей электростанции — ГАЭС-1 и строящейся сегодня Загорской ГАЭС-2.

Рис.10.1.2. Нурекская высотная плотина, фото со спутника.

Рис.10.1.3. Асуанская Высотная плотина [14].

Рис. 10.1.4. Отсыпка дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС- 2 [10].

На рис. 10.1.4 приведена фотография отсыпка дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС-2 из грунтов выемки котлована здания ГАЭС.

Поскольку при возведении плотин из мягких грунтов при сухой отсыпке необходимо их уплотнять, рассмотрим этот способ подробнее.

10.2. Способы возведения тела насыпной плотины

Тело насыпной земляной плотины может быть образовано следующими способами:

1) путем отсыпки грунта с последующим его механическим уплотнением;

2) путем отсыпки без механического уплотнения. Образование тела плотины без механического уплотнения возможно а) рыхлой сухой отсыпкой и б) рыхлой отсыпкой в воду, где происходит большее естественное уплотнение, чем при сухой отсыпке.

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

10.3. Плотины насыпные, возводимые с механическим уплотнением грунта

Уплотнение насыпного грунта обеспечивает достаточную плотность насыпи, создание в ее грунте более высокого внутреннего трения и сцепления, повышает водонепроницаемость тела плотины.

Уплотнение грунта. В современных плотинах уплотнение грунта производится чаще всего самоходными или прицепными катками: гладкими, ребристыми и кулачковыми, а иногда просто гусеничными тракторами или самоходными скреперами. Эффект уплотнения зависит от нагрузки на единицу укатываемой площади, числа проходок катка и толщины укатываемого слоя.

Наибольший эффект укатки суглинистых грунтов дают шиповые или кулачковые катки, так как при них давление на 1 см^2 поверхности грунта достигает 9—18 кг/см^2 и более, гладкие же катки дают 2—3 кг/см^2. Поверхность земли при укатке кулачковыми катками получается негладкой, что облегчает сопряжение укатанного слоя со следующим, при гладких же катках приходится перед насыпкой очередного слоя земли укатанную поверхность взрыхлять, бороновать.

Число проходок катка зависит от типа катка, заданного уплотнения и влажности грунта: обычно бывает 5—8 проходок, а при легких катках — и более.

Рис. 10.3.1. Уплотнение дамб скреперами на насыпных дамбах канала Волга-Дон [5].

Толщина укатываемых слоев задается 15—20 см, максимум 25 см, при особо тяжелых катках и более. Чем глинистее грунт, тем меньше должна быть высота укатываемого слоя. В экранах и ядрах эта толщина не должна превышать 10—15 см.

За последнее время в отдельных случаях применяли вместо укатки грунта механическое трамбование, но распространения этот метод пока не получил за исключением мест, недоступных для катков (в примыкании плотины к бетонным и другим сооружениям).

Существующие способы производства уплотнения тела плотины не дают однородного ее тела. Обычно верхняя часть укатываемого слоя получается более плотной, чем нижняя, поэтому тело плотины получается слоистым и анизотропным в фильтрационном отношении: в горизонтальном направлении коэффициент фильтрации больше, чем в вертикальном. Поэтому надо следить за рыхлением поверхности укатанного слоя перед насыпкой следующего, слои полезно также вести не горизонтально, а с небольшим наклоном в сторону верхнего бьефа.

Фиг. 12—41. Кривые зависимости уплотнения от влажности грунта

При уплотнении грунт должен быть увлажнен до так называемой эффективной, или оптимальной влажности, т. е. такой влажности, при которой заданное уплотнение получается при минимуме проходок катков или вообще минимуме работы уплотняющих средств.

Эта влажность устанавливается опытным путем в лаборатории и в натуре, для чего определяется для каждого вида уплотнения (в лаборатории это — число ударов трамбовки определенного веса, в натуре — число проходок катка) объемный вес грунта при разных влажностях его в опытах уплотнения.

Результаты опытов обрабатываются в виде кривых связи между влажностью и уплотнением (фиг. 12—41 — в пределах 10—14%); обычно эта влажность близка к предельной, при которой грунт полностью насыщается водой (нижний предел пластичности), но никогда ее не достигает, так как часть воздуха всегда остается в порах. Указанные кривые позволяют дозировать поливку грунта водой при его укатке.

Назначение процента влажности или дозировку поливки грунта производят с учетом естественной влажности грунта в карьере к моменту производства работ. Поливку грунта производят или перед укаткой на месте работ или в карьере; в последнем случае достигается более равномерное увлажнение грунта. В сухих районах при использовании лёссовых грунтов их иногда увлажняют в карьере во избежание образования огромных масс пыли, затрудняющей работу.

Степень уплотнения грунта в плотине характеризуется пористостью или объемным весом грунта. Степень эта определяется по принятой оптимальной влажности, а именно, объемный вес уплотненного грунта должен быть равен:

γ_1=δ/ (1+Aδ)

где δ — удельный вес скелета грунта;

А — оптимальная влажность, принимаемая равной нижнему пределу пластичности.

В целях получения минимальной осадки тела плотины или определенного сопротивления грунта сдвигу следовало бы задавать уплотнение, исходя из компрессионных свойств грунта и высоты насыпи. Как известно, всякому давлению в грунте соответствует при определенных условиях обжатия его определенный коэффициент пористости или объемный вес, определяемые из компрессионной кривой грунта.

Так как давление в разных частях плотины различное, то и степень уплотнения следовало бы задавать различную в зависимости от ожидаемого давления, принимая последнее в насыпи равным γ1h, где h — глубина рассматриваемого слоя плотины. Однако в таком случае пришлось бы иногда уменьшать влажность при укатке и увеличивать число проходок катков для достижения большего объемного веса, чем по формуле (12—46), т. е. переходить к менее оптимальным условиям. На практике обычно не отходят от оптимальной влажности.

Особые условия имеют место в лёссовых плотинах. Первым плотинам из лёсса придавали очень пологие откосы — до 1:7—1:9, но современный опыт показывает возможность придания таким плотинам откосов, близких к обычным суглинистым насыпям (фиг. 12—42). При этом выяснилось, что лёсс трудно уплотняется: в существующих сооружениях плотность его не превосходит 1,55—1,6, хотя по формуле (12—46) она должна бы достигать приблизительно 1,7—1,78.

Фиг. 12—42. Катта-Курганская лёссовая плотина.

Контроль за уплотнением тела плотины осуществляется при производстве работ путем лабораторного исследования объемного веса проб грунта, взятых из каждого слоя примерно в вершинах квадратов со стороной 20—40 м.

Кроме лабораторных определений для контроля за уплотнением применяют и особые полевые «плотномеры».

Осадка насыпных плотин складывается из осадки тела плотины и осадки ее основания. При правильном назначении степени уплотнения и надлежащей укатке, последующая осадка тела плотины может быть незначительной. Осадка плотин, уплотнявшихся старыми методами, достигала 1—3% при укатке слоями не более 15 см, а в случае превышения этой толщины доходила до 5% и более.

Осадка основания зависит от слагающих его пород и происходит независимо от осадки тела плотины. В соответствии с ожидаемой осадкой высоте плотины дается строительный запас.

В случае торфяных и илистых грунтов, сильно сжимаемых, их не удаляют, как делалось раньше, а возводят плотину на таких грунтах, учитывая обжим грунтов (торфов — почти в 2 раза) и отжатие в сторону жидких илов, как это имело место при восстановлении Веселовской плотины на Маныче. Темпы возведения плотины должны быть согласованы с ходом деформации основания.

10.4. Земляные плотины, возводимые путем отсыпки грунта в воду (без механического уплотнения)

Существует два вида таких плотин: а) грунт отсыпается в стоячую воду после преграждения русла одной перемычкой и б) грунт отсыпается в особые карты, огражденные валиками и заполненные водой (так называемый мокрый, или узбекский способ).

По первому способу плотина возводится в русле реки без отвода последней в сторону, а не за перемычками, как плотины, уплотняемые механически.

Фиг. 12—43. Пало-Коргская плотина, возведенная насыпкой грунта в воду

Этот метод осуществляется следующим образом (пример Пало-Коргской плотины на р. Выг, фиг. 12—43): вначале выполняется низовая часть, так называемый банкет, из наброски камня (А) настолько крупных размеров, чтобы камни не уносились течением ((§87), затем отсыпается слоями обратный фильтр (Б и В), что уменьшает фильтрацию через наброску; к этому моменту для отвода реки надо уже подготовить в гидроузле водосброс; последний этап — отсыпка тела плотины (Г) в воду и крепление откосов (камнем). Получающийся профиль плотины близок к так называемому смешанному типу (тип V на фиг. 12—1,з). Насыпать в воду рекомендуется песок или супесь, глинистые же грунты будут давать чрезвычайно пологий откос с последующими значительными его осадками.

Грунт, отсыпаемый в воду, уплотняется под действием собственного веса, а выше уровня воды — обычными механическими средствами. Этот метод дает экономию, по сравнению с сухим методом и в затратах (нет перемычек) и во времени. Метод этот впервые применен и развит в СССР.

10.5. Выбор типа насыпной плотины

Роль имеющихся для плотины материалов. Многочисленные типы земляных плотин в основном определяются наличием того или иного местного материала.

Наиболее простым, дешевым и удобным в производственном отношении является тип плотины из однородного материала (тип. I, фиг. 12—1,а). Однако он требует нужного количества доброкачественного материала, удовлетворяющего требованиям водонепроницаемости, прочности и экономичности. Однородные плотины строятся из суглинков, супесей, песков, песчано-гравелистых и даже галечных грунтов.

Чем выше плотина, тем обычно труднее получить хороший грунт в нужном количестве. Тогда переходят к плотинам типа II (фиг. 12—1) — с ограниченным количеством достаточно водонепроницаемого грунта, выполняя из него или внутреннюю центральную часть, обсыпая ее пористым грунтом (тип. II б, фиг. 12— 1,в, 12—39), или напорную часть, располагая в остальной прочие грунты (тип II а, фиг. 12—1,6).

Фиг. 12—45. Земляная плотина из разных грунтов.

Следует учитывать, что при строительстве гидроузла, в который входит земляная плотина, в распоряжении строителей имеются прежде всего грунты из выемок под водослив и под другие сооружения узла (шлюз, гидростанцию, подходные каналы и пр.), которые желательно использовать в полезную насыпь, т. е. в земляные сооружения узла — плотину, дамбы, перемычки и пр. В общем балансе грунты полезных выемок могут играть большую роль, а специальные карьеры для земляной плотины иногда даже меньшую. Этим обстоятельством объясняется между прочим факт распространения высоких плотин из разных грунтов, н именно типа II, б (фиг. 12—1,в) с центральной водонепроницаемой частью, обсыпанной разными грунтами в порядке возрастания крупности зерен их и пористости к откосам. Тип. II, a (фиг. 12—1,б и 12—45) менее распространен, хотя он более целесообразен в фильтрационном отношении, но верховой откос в таких глубинах должен быть более пологим, чем в типе II б (фиг. 12— 1,в).

При крайне ограниченном количестве хорошего водонепроницаемого грунта переходят к типам плотин III и IV (фиг. 12— I, г, д, е, ж), которые можно выполнять вообще из всяких грунтов; причем если имеется пластичный водонепроницаемый грунт, то осуществляют тип III а (или IV а (пластичный экран или ядро), а если и его нет, то III б или IV б (жесткий экран или диафрагма).

Что касается типа V (фиг. 12—1), то он целесообразен, когда из полезных выемок гидроузла получается много камня, не используемого для других сооружений. Наброска этого камня в низовую часть плотины создает весьма рациональный тип плотины.

Геологические условия определяют прежде всего материал для плотины, но кроме того, они могут влиять на выбор типа плотины сами по себе.

Если водонепроницаемый связный грунт лежит близко от поверхности, целесообразны все типы плотины без жестких экранов или диафрагм; последние лучше сопрягаются со скальным основанием, однако есть случаи применения диафрагм и при глинистых основаниях с установкой диафрагмы на надежный шпунт (Иваньковская плотина).

При глубоком залегании водонепроницаемого грунта можно применять плотины с понурами, если нецелесообразно смыкаться с водонепроницаемой слишком глубоко залегающей толщей, а в противном случае — плотины с экранами и диафрагмами, сопрягающимися глубокими зубьями с водонепроницаемыми основаниями.

Климатические условия в известной мере также влияют на выбор типа плотины.

Суровые зимние условия заставляют применять мощный защитный слой по откосам, приближая однородную плотину к типу плотины с центральной водонепроницаемой частью (тип II б, фиг. 12—1, в). В этих условиях вообще предпочтительнее плотины из несвязных или малосвязных грунтов с диафрагмами или жесткими экранами, тем более, что в северных местностях сезон для постройки земляных плотин очень короток, плотины же из несвязных и малосвязных грунтов можно строить и при небольших морозах.

Обилие атмосферных осадков делает невозможной укатку глинистых грунтов в период дождей, поэтому при подобных условиях надо стремиться к уменьшению объема глинистых грунтов в плотине или полному их исключению, т. е. с этой точки зрения целесообразнее плотины типа III и IV (фиг. 12—1), причем даже лучше III б и IV б с жесткими диафрагмами и экранами.

Производственно-экономические условия. Наличие того или иного оборудования для постройки плотины (экскаваторы, скреперы, вид транспорта, катки и пр.) определяет темпы возведения земляной плотины, которые в современных условиях для больших плотин характеризуются суточной производительностью земляных работ по насыпи плотин до 30 000 м3. Сроки возведения зависят от имеющейся механизации для работ и типа плотины: проще всего выполнять однородную плотину и затем плотину с экраном, плотины с ядрами, диафрагмами, плотины из нескольких грунтов сложнее, так как темпы возведения отдельных частей между собой связаны и чаще всего наличие «многодельности» тормозит работу.

Большую роль играют общий план работ по гидроузлу, часть которого составляет земляная плотина, очередность их, а также экономические показатели плотины: стоимость ее, сроки возведения, условия эксплуатации.

Окончательный выбор типа плотины может быть сделан после суммарного учета влияния всех перечисленных выше факторов.

10.6 Особенности плотин ГАЭС и приливных ГЭС

Плотины ГАЭС (гидроаккумулирующих гидравлических электростанций), также как и приливных ГЭС, отличаются быстро изменяемым переменным уровнем воды верхнего бассейна, а при ограниченной емкости и нижнего. Так на Загорской ГАЭС при работе в генераторном цикле уровень НПГ (нормального подпертого горизонта) снижается на 9 м за несколько часов. Вода из тела плотины при этом фильтрует с верхнего откоса в верхний бассейн, и вода может не успевать снижать депрессионную кривую при снижении уровня воды в бассейне. При этом возникает давление снизу на бетонные плиты откоса, что может привести к их разрушению и оползанию самого откоса. Очевидно, что этот верховой откос плотины нужно дренировать, как и низовой. Приведем конструкцию насыпной ограждающей дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС- 1 [10].

Рис. 10.6.1. Профиль ограждающей дамбы верхнего бассейна.

Рис. 10.6.2. Конструкция крепления монолитных плит крепления откоса дамбы анкерными зубьями: 1 — бетонная плита толщиной 20 см; 2 — бетонный зуб глубиной 80 см; 3 — бетонный зуб глубиной 100 см

Как видно из рисунков, в середине дамбы заложен специальный вертикальный и горизонтальный дренаж для ускорения снижения кривой депрессии в низовом откосе при изменении уровня воды в бассейне, и это оправдано. Но конструкция крепления бетонных плит верхнего откоса с помощью бетонных зубьев без устройства трехслойного дренажного фильтра, который выполняется на всех плотинах, вызывает сомнение.

Практика эксплуатации Загорской ГАЭС-1 подтверждает эти опасения, на многих участках плиты оползли и дамбу необходимо срочно ремонтировать.

Кроме этого, снижение отметки верха дабы на 2 м по просьбе строителей также вряд ли оправдано, так как запас высоты дамбы от НПГ до верха дамбы составил всего 0.8 м., что недостаточно для волнового воздействия и образующихся зимой ледяных торосов. Возможно, это оправдано возможным оперативным управлением снижения горизонта воды в бассейне, но при этом уменьшается мощность гидроагрегатов в режиме генерации.

Очевидно, эти недочеты будут учтены при строительстве Загорской ГАЭС-2.

Известно множество зарубежных аналогов ГАЭС, которые и нужно использовать применительно к местным условиям.

11.Строительство намывных плотин

11.1. История строительства намывных плотин

Первоначальное применение гидромеханизации земляных работ получила в США в штате Калифорния при разработке золотоносных песков, изобретателем этого способа считается Матиссон (1853 г.) Грунт размывался мощной струей гидромонитора, создаваемой обычно с помощью насосной станции. Образованная при размыве пульпа самотеком или с помощью грунтового насоса по пульпопроводу транспортировалась на обогатительную фабрику, где выделялось золото.

Другим направлением явилось применение плавучих установок с установленным на палубе грунтовым насосом, с помощью которого ил и песок всасывался со дна водоема и транспортировался тем же насосом на береговой объект или наливался в баржу. Эту установку назвали земснарядом и применяли первоначально на расчистке рек, а затем на намыве площадок, дамб и земляных плотин.

Благодаря высокой рентабельности при несложном оборудовании и незначительных капиталовложениях гидравлический способ весьма быстро получил широкое распространение сначала в золотой промышленности, а затем в конце ХIХ века стал применяться там же в США при строительстве земляных плотин и других сооружений.

Рис. 11.1.1. Гидравлическая разработка золотоносных песков в Калифорнии (США 19 век) [16].

Начиная с ХХ века, гидромеханизация в США постепенно завоевала главенствующее положение при возведении земляных плотин, называемыми в случае возведения способом гидромеханизации — намывными, причем размеры сооружаемых плотин все возрастали, и объемы намывных плотин достигли 75 млн. м^3 (плотина Форт-Пек на р. Миссури, 1933 — 1939 гг.). До 1941 г. в США были намыты десятки крупных плотин высотой до 80 м. Ввиду ужесточения законов охраны окружающей среды в США, возведение плотин способом гидромеханизации сегодня не используется.

Рис.11.1.2. Устаревший эстакадный способ намыва. Намыв плотины на строительстве Цимлянской и Куйбышевской ГЭС до перехода на безэстакадный способ в 1953 г. [5].

В СССР намыв плотин был начат в 1935 -1936 гг. при строительстве канала Москва — Волга по инициативе профессора Н. Д. Холина (Иваньковская плотина на р. Волга и др.).

В послевоенные годы возведение намывных плотин получило широкое использование на строительстве крупных ГЭС на реках Дон (Цимлянская ГЭС), Волга, Кама, Днепр, Днестр, Неман, Даугава. В 1946 г. постановлением Правительства был образован трест «Гидромеханизация» в Министерстве Электростанций. С 1946 по 1990 гг. производственными подразделениями треста намыты десятки крупных плотин в России, ближнем и дальнем зарубежье, общим объемом до 4 миллиардов кубометров, среди них такие уникальные плотины как Асуанская Высотная плотина на р. Нил в Египте.

В этом тресте был изобретен и широко внедрен безэстакадный способ намыва, позволившим полностью механизировать технологию намыва и отказаться от строительства высоких деревянных эстакад..

Рис. 11.1.3. Намывная плотина Рыбинской ГЭС на Волге, построена в 1937 г. [12]

Эстакадный способ был заменен безэстакадным способом повсеместно после его внедрения на намыве плотины Куйбышевской ГЭС в 1953 г. Другим крупным техническим достижением, внедренным в тресте, был намыв дамб с пляжными волноустойчивым откосом, позволившим снять бетонное и каменное крепление верхового откоса плотины.

Построенные за эти годы ГЭС производят до 18% электроэнергии от общей выработки.

11.2 Особенности возведения намывных плотин

1. Если насыпные плотины можно возводить практически из любых грунтов при выборе определенной конструкции, то возведение намывных плотин ограничено использованием песчаных и супесчаных грунтов. Это обстоятельство объясняется тем, что способ гидромеханизации совмещает в едином процессе разработку, гидротранспорт и укладку грунта.

Начальной головной операцией является разработка грунта, но эффективная высокопроизводительная разработка способом гидромеханизации ограничена только мягкими несвязными грунтами: песчаными, песчано-гравийными, супесчаными, илистыми грунтами. При разработке глин, а тем более глин с валунами (мореные грунты), производительность установок гидромеханизации снижается во много раз по сравнению с разработкой песчаных грунтов, и даже может быть вообще невозможной. А илистые грунты непригодны для возведения плотин.

Учитывая опыт возведения намывных и полунамывных плотин в США и России, пригодными для намыва плотин следует считать те грунты, у которых кривые гранулометрического состава находятся между крайними кривыми, показанными на рис. 11.2.1. [12].

Примечание: Пунктиром показаны рекомендуемые границы гранулометрического состава карьерных грунтов для однородных плотин, сплошными линиями — то же в отношении грунтов ядер намывных плотин.

Рис. 11.2.1. Контрольные кривые гранулометрического состава грунтов карьеров, пригодных для намыва плотин и ядер плотин.

На рис. 11.2.1. приведены кривые гранулометрического состава карьеров намывных плотин России и некоторых зарубежных. Из него видно, что в большинстве случаев, материалом для намыва плотин в России служили супеси, пески и песчано-гравийные грунты. [2].

2. Намыв плотины выполняется обычно без дренажа, который закладывают уже после окончания намыва и обезвоживания намытого тела плотины. Это приводит к уменьшению устойчивости откосов плотины в процессе намыва, особенно при водонепроницаемом основании, когда вода из прудка карты намыва и водонасыщенного тела фильтруется только через откосы плотины. Условия фильтрации при производстве намыва коренным образом отличаются от эксплуатационного расчетного случая, и они являются критическими для устойчивости откосов, суффозии и последующего оползания грунтов откоса, особенно на водонепроницаемом основании. Многие ученые и практики считают, что критический случай устойчивости откосов плотины возникает при его намыве, а не при эксплуатации готового сооружения, на который производится расчет устойчивости и проектирование плотины.

Рис. 11.2.2. Кривые гранулометрического состава грунтов карьеров намывных плотин: 1 — Угличская; 2 — Сестринские дамбы; 3 — дамбы Волгостроя; 4 — Шекснинская; 5 — Иваньковская; 6—7 — Мингечаурская; 8 — Цимлянская; 9 — Волжская (Сталинградская); 10 — Жигулевская (Куйбышевская); 11 — Александер (США); 12. Форт-Пек (США); 13 — Плотина из суглинков (СССР).

Случаи оползания откосов при намыве наблюдались неоднократно на различных объектах.

Так, например, для прекращения суффозии и обрушения откосов при намыве Цимлянской плотины, применяли иглофильтровые установки и глубинные насосы АТН-10 и АТН-12, с помощью которых производилось откачивания воды из тела плотины и снижение выклинивания депрессионной кривой на откосе [5].

При намыве земляной плотины Куйбышевской ГЭС в сопряжении плотины с береговой частью Волги на ПК 29 произошло большое оползание низового откоса во время интенсивного намыва [6].

Сначала образовался небольшой вынос песка из откоса. Намыв был прекращен, но оползание откоса быстро прогрессировало, углубившись до 30 м в тело плотины. Были приняты срочные меры по отсыпке гравия, который погружался в разжиженный грунт оползня. Оползень был остановлен только после откачки воды из тела плотины глубинными насосами.

Необходимо отметить, что теория расчета устойчивости откосов плотины при намыве плотины разработана только для намывной плотины с ядром (Л. Гришин. с. 423).

Еще в начале использования способа намыва плотин у специалистов вызывало сомнение в принципиальной возможности его применения из-за возможного оползания откосов и самого тела плотины, но практика доказала возможность его использования с принятием определенных мер по отводу фильтрационных вод.

Для предотвращения оползня откосов плотины при намыве, особенно на водонепроницаемом основании, вероятно, нужно до начала намыва закладывать временный дренаж, или прикрывать откос наслонным дренажем по мере намыва.

3. Характерной особенностью при намыве плотин являются ограничение производства работ периодом положительных температур воздуха, сложность, а иногда и невозможность, выполнения намыва зимой при устойчивых отрицательных температурах ниже -5^0 — 10^0. Это связано как с ограниченным перемещения земснаряда в акватории с ледяным покровом, гидротранспортом по трубам, в которых замерзает гидросмесь при длительном перерыве работ, так и с образованием и замывом льда в тело плотины, что совершенно недопустимо.

Если нет крайней необходимости, суровой зимой намывать ответственные плотины не рекомендуется.

Но в ряде случаев такая необходимость возникает при позднем прекращении судоходства на реке и перекрытии русла реки банкетом и намывом. В этом случае главным условием успешного производства работ является непрерывность всего процесса от разработки грунта до его намыва. Это непременное условие весьма трудно выполнить, хотя есть и примеры успешной работы. Так зимой 1955—1956 г. было намыто в плотину и дамбы на строительстве Куйбышевской ГЭС до 6 млн. м^3 грунта при выполнении специальных мероприятий и строгой дисциплине персонала. Себестоимость этих работ была много выше, чем в летний период.

11.3. Типы намывных плотин

Конструктивно намывные плотины ограничены тремя основными типами:

1. Однородные плотины с принудительно формируемыми откосами;

2. Плотины с ядром и принудительно формируемыми откосами;

3. Плотины с пляжным динамически волноустойчивым откосом.

Более подробная классификация намывных плотин приведена в [1].

ВИДЫ НАМЫВНЫХ ПЛОТИН

1. Большинство намытых в России плотин являются однородными, то есть, созданы из одного материала, в основном из песка, с малым коэффициентом разнозернистости или неоднородности (ŋ = 2- 3; ŋ = d_60/d_10 по гранулометрическому составу грунта) и небольшим содержанием (до 10%) фракций диаметром меньше 0.05 мм.

Рис. 11.3.1 — крепление верхового откоса; 2 — дренаж; 3 — намывное ядро; 4 — намывные промежуточные зоны; 5 — намывные боковые зоны; 6 — намывная центральная слабоводопроницаемая зона; 7 — боковые насыпные призмы (банкеты); 8 — сейсмостойкое крепление откоса; 9 — насыпное глинистое ядро.

Но и при однородном материале при намыве происходит классификация потоком воды, более крупные фракции откладываются в зоне откоса, мелкие откладываются в центре плотины (в прудке), глинистые фракции удаляются через сбросную систему.

Из намывных однородных песчаных плотин, возведенных на реках центральной зоны России, приведен как типичный профиль на рис. 11.8 — разрез плотины Цимлянского гидроузла [5]:

2. Только несколько намывных плотин в СССР являются ядерными. Среди них -Мингечаурская [11] на р. Куре в Азербайджане. Она одна из самых высоких в мире земляных намывных плотин высотой 80 м, объемом 15 млн. м^3. На рис. 11.8 представлен её профиль и гранулометрический состав грунтов.

Рис. 11.3.2. Намывная песчаная однородная плотина Цимлянской ГЭС, построена 1952 г. Намывные плотины Цимлянского гидроузла: а — пойменная; б — русловая; 1 — бетонные армированные плиты; 2 — песок тела плотины; 3 — трехслойный ленточный фильтр; 4 — закрытый дренаж; 5 — щебеночное покрытие; 6 — дренажная призма и наслонный дренаж.

Плотина была возведена намывом из грунтов, которые добывали в разных карьерах — гравийном и песчаном, доставляли их по железной дороге в бункер-смеситель. Грунты строго дозировались для разных зон плотины, в бункере — смесителе размывались гидромониторами и подавались с помощью грунтового насоса 20-Р11 на карты намыва, где естественным путем при поддержании определенных границ прудка грунты сегрегировались и откладывались в определенные зоны плотины. В результате были сформированы боковые призмы их гравия, переходная зона и ядро из мелкопесчаных грунтов с низким коэффициентом фильтрации.

Такая конструкция плотины обеспечила высокую устойчивость плотины и малую водопроницаемость. Но ядерные намывные плотины не получили большого применения ввиду редкого наличия в районе строительства карьеров с разными грунтами и сложности технологии. Преимуществом ядерных плотин заключаются в возможности возведения высоких плотин и сокращения объема плотины за счет откосов повышенной крутизны.

При возведении этой сложной плотины, по предложению группы инженеров, в том числе инженера Звонцова А. А., был успешно внедрен безэстакадный намыв при намыве гравийных призм.

Рис. 11.3.3. Мингечаурская ГЭС с ядерной плотиной

1 — ядро: 2 — промежуточные зоны; 3 — боковые призмы; 4 — верховая перемычка; 5 — проектные границы; 6 — фактический состав смеси грунтов в бункере-смесителе.

3. Третий тип плотин, нашедший широкое распространение при намыве ограждающих дамб сравнительно небольших водоемов (охладители ТЭС и др.), относится к одностороннему намыву дамб с верхним пляжным откосом укладки грунта с заложением m = 30 — 40 при песчаных грунтах и m = 15 -20 при гравийных грунтах. Эти заложения откосов достигаются при торцовом безэстакадном намыве. При рассредоточенном намыве из выпусков и средней концентрации пульпы свободные откосы растекания приобретают заложение в 2 — 1.5 раза круче. Этих заложений откосов в большинстве случаев достаточно для защиты от волнового размыва и позволяет отменить их бетонное или каменное крепление. Экономия от отмены крепления откоса перекрывает увеличение объема намыва со свободным откосом.

Рис. 11.3.4. Дамба с динамически устойчивым для волны откосом.

В [2] приводится рекомендуемый расчет заложения волноустойчивого откоса в зависимости от высоты волны в водоеме и среднего диаметра частиц грунта. Схема такого сооружения приведена на рис. 11.3.4.

11.4. Фильтрация при намыве плотины и мероприятия по сохранению откосов

Приводим натурные наблюдения за состоянием кривой депрессии, выполненные при намыве плотины Цимлянской ГЭС (Л. Отчет по строительству Цимлянской ГЭС).

На строительстве Цимлянской земляной плотины силами Днепропетровского института инженеров транспорта имени Л. М. Кагановича велись наблюдения за положением депрессионной кривой в процессе намыва.

Силами строительства проводились опытные работы по искусственному повышению влагоотдачи намываемого грунта.

В результате наблюдений за депрессионной кривой установлены следующие зависимости.

Основным решающим фактором, влияющим на положение кривой депрессии, являются фильтрационные качества основания плотины. При песчаных основаниях депрессионная кривая располагается на глубине 4—5 м от внешних контуров откоса плотины (фиг. 89), а при основаниях из связных грунтов (суглинки) депрессионная кривая находится от поверхности откоса на глубине 2 м (фиг. 90).

Наблюдения за устойчивостью откосов показали, что при намыве крупнозернистых песков количество воды, фильтрующейся через откосы, увеличивалось и в результате гидродинамического воздействия уменьшалась устойчивость откосов. При намыве мелкозернистых песков, обладающих меньшей фильтрационной способностью, фильтрация через откосы плотины уменьшалась, что благоприятно отражалось на устойчивости откосов. С увеличением интенсивности намыва увеличивалась площадь пляжа карты, одновременно покрытой пульпой, и вместе с тем увеличивался выход воды из откосов плотины, снижая их устойчивость.

При исключительно малой интенсивности наблюдались случаи, когда вся вода пульпы успевала профильтроваться через грунт пляжа, не доходя до отстойного прудка и не поступая, таким образом, в водосбросную систему.

На строительстве Цимлянской плотины были проведены в производственных условиях опыты применения иглофильтровых установок и глубинных насосов для откачивания воды из тела намывной плотины. Необходимость применения иглофильтровых установок возникла на одной из карт правобережной части плотины, где вследствие наличия водоупора в основании и повышенной интенсивности намыва появились отдельные локальные оползни, угрожавшие устойчивости всего откоса. Для предотвращения дальнейшего разрушения откоса были поставлены два яруса иглофильтровых установок, которые снизили депрессионную кривую и прекратили оползневые явления.

Изучение влияния откачивания иглофильтровыми установками на положение депрессионной кривой показало, что депрессионная кривая опустилась на глубину 8 м от дневной поверхности низового откоса (фиг. 89). В то же время депрессионная кривая на верховом откосе выклинивалась на высоте 2 м и находилась в верхней части откоса на глубине 4 м, что объяснялось отсутствием искусственного водоотлива в основании откоса.

Фиг. 89. Депрессионные кривые при намыве карты правого берега (основание песчаное).

[5].

Еще больший эффект дало применение глубинных насосов. При намыве пазух правобережного устоя водосливной плотины и левобережного устоя гидростанции было использовано 15 глубинных насосов АТН-10 и АТН-12. При помощи этих насосов осушался крутой принудительный откос (1:1) высотой до 15 м при среднесуточной интенсивности намыва 70—100 см. Никаких оползней откосов не наблюдалось.

Фиг. 90. Депрессионные кривые при намыве карт левого берега (основание суглинистое).

Скважины глубинных насосов располагались через 30 м, но опыт показал, что необходимо ставить их с интервалом в 15— 20 м или принимать меры для увеличения радиуса действия насоса. Для увеличения радиуса действия глубинных насосов в порядке опыта применялись вертикальные (фиг. 91) и горизонтальные дрены, подключенные к скважине глубинного насоса. В качестве дрен использовались деревянные дощатые короба с отверстиями и фильтром из рогожи и металлические перфорированные трубы диаметром 75—100 мм, заполненные крупным гравием. Наблюдения показали, что принятые простые конструкции фильтров дрен в условиях намыва непригодны, так как поток пульпы, содержащей пылеватые фракции грунта, забивал не только фильтры, но и дрены. В качестве фильтров дрен рекомендуется применять обычные фильтровые металлические сетки и тщательно обсыпать их грунтом для защиты от засорения.

Фиг. 91. Вертикальная дрена.

Необходимо отметить, что наблюдения за положением депрессионной кривой производились спустя несколько часов после прекращения намыва, за этот период верхняя часть поверхности намыва успевала отдать воду. При подаче пульпы эта часть кривой депрессии совпадает с поверхностью намыва.

Намыв проектного профиля плотины, рассчитанного для эксплуатации плотины с дренажем, производится при его отсутствии при полном обводнении тела плотины, и этот нерасчетный случай гораздо тяжелее для устойчивости откосов и их оплывания. Особенно это проявляется при водоупорном основании, в этом случае весь расход фильтруется через нижнюю часть откосов, что вызывает их оплывание. В этом случае для прекращения суффозии и обрушения откоса принимают срочных меры по откачке фильтрационных вод с помощью иглофильтровых установок и глубинных насосов. Такие случаи были при намыве плотин Цимлянской, Куйбышевской (Жигулёвской) и других ГЭС. На рис. 11.12. показан такой случай [6].

Эти аварии обуславливаются тем, что теоретические исследования и обоснование расчета устойчивости откосов и суффозии для случая намыва отсутствуют, кроме общих рекомендаций [2]. Проектные организации, выполняющие технологический проект намыва плотины, не производят поверочный расчет на фильтрацию, устойчивость откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения и суффозию при намыве плотины.

Попытаемся хотя бы грубо оценить расход фильтрации через тело плотины и высоту выхода кривой депрессии на откос при водоупорном основании на основе закона Дарси, без построения всей фильтрационной сетки, зная, что крайняя линия депрессии проходит от гребня плотины вдоль откоса, а напор равен высоте плотины.

Рис. 11.4.1. Разрушение низового откоса плотины Куйбышевской ГЭС фильтрационными водами при намыве.

Профиль плотины примем высотой Н = 20 м, шириной по гребню В = 20 м, с заложением откосов m = 4. Коэффициент фильтрации k примем как среднее значение для мелкозернистых и среднезернистых песков k= 0.001 см/c или 0.036 м/час.

Без построения фильтрационной сетки примем среднюю длину пути фильтрации вдоль откоса L ср = 100 м (длина откоса равна 82.5 м). Фильтрационный расход согласно 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;

Тогда градиент потока J = H/L = 20/100 = 0.2;

Для гребня плотины при намыве шириной В = 20 м площадь сечения поток ω = 20 м^2,

При этом по формуле (1) фильтрационный расход на 1 м длины гребня плотины будет:

q = kωJ = 0.036 х 20 х 0.2 = 0.144 м^3/час (2);

Вычисленный расход истекает через два откоса у основания плотины, т.е. на каждый откос приходится расход q = 0.072 м^3/час.

Зная расход q и напор Н вычислим площадь истечения фильтрационных вод в нижней части откоса: ω = q/kН (3). Тогда ω = 0.072/0.036 х 0.2 = 10 м^2; Для нашего случая сечение ω при на длине выклинивания воды на откосе будет 10 м, а высота выклинивания депрессионной кривой на откосе будет: hд = ω/m = 10/4 = 2.5 м.

Определим скорость истечения фильтрации V через сечение ω.

V = q/ω = 0.072/10 = 0.0072 м/час. Действительная скорость движения вод фильтрации будет выше с учетом коэффициентом пористости грунта, примем его равным n = 0.35, тогда действительная скорость воды в порах будет Vд = 0.0072/0.35 = 0.02 м/час

Рис. 11.4.2. Расчетная схема фильтрации плотины при намыве на водонепроницаемом основании

При полученных значениях скорости истечения фильтрационных вод из нижней части откоса и определенном гранулометрическом составе грунта можно вычислить устойчивость откоса на оплывание в месте выхода фильтрационного потока по методике ВНИИГ или ВОДГЕО. Но для их использования требуется знать многие свойства грунта.

Упрощенный расчет изложен в (Л. Справочник по гидротехнике), который сводится к равенству:

tgθ ≈ φ0.5tg; где θ — угол откоса, φ — угол внутреннего трения грунта откоса. При откосе m = 4, угол θ = 14^0, а tgθ = 0.25; Угол внутреннего трения для водонасыщенного мелкого песка можно принять φ = 23^0 по таблице. Для 23^0 — 0.5tg 23^0= 0.5 х 0.424 = 0.212

Коэффициент запаса на суффозию будет К = 0.25/0.212 = 1.18.

То есть суффозии при этих условиях не должно быть. Для более точных результатов угол внутреннего трения грунта определяют лабораторным способом для конкретного грунта откоса.

К мероприятиям по сохранению откоса от оползания — суффозии, наиболее простым способам является уположение нижнего откоса при проектировании и устройство наслонного дренажа по мере намыва опасного участка плотины.

Для ликвидации аварийных случаев, когда суффозия прогрессирует, относятся вышеописанные способы установки иглофильтров или глубинных насосов на откосах или верха намываемой плотины.

11.5. Подготовка основания намывной плотины

Основные требования к подготовке основания плотин изложены в разделе 9.

Ввиду критического состояния откосов намывной плотины при намыве, желательно выбирать размещение плотины на песчаном основании. В большинстве случаев плотины ГЭС Волжского — Камского и Днепровского каскадов возведены на песчаном основании.

При подготовке основания безусловно должны быть удалены покровные растительные грунты и подстилающие грунты малой мощности с малым коэффициентом фильтрации. Высокие береговые сопряжения из фильтрующих грунтов должны дополняться противофильтрационными завесами. Во всех случаях должны выполняться мероприятия согласно [1].

11.6. Обустройство карты намыва

При значительной протяженности плотин они разбиваются на отдельные участки намыва протяженностью 300 — 200 м, называемые картой намыва. Карта намыва с подготовленным основанием оконтуривалась дамбочками первичного обвалования высотою до 1.5 — 2 м в зависимости от рельефа местности.

При песчаном основании грунт с ложа карты перемещался в тело дамб с помощью бульдозера или экскаватора из выемки водоотводящей канавы вдоль низового откоса дамбы. При глинистом основании песчаные дамбы должны отсыпаться из песчаного или песчано-гравийного грунта, которые могли бы быть облегченным дренажем при намыве. Дамбы обвалования желательно уплотнить хотя бы с помощью бульдозера.

Беспорядочная отсыпка из чернозема мусора, шлака и золы в дамбу обвалования могут привести к аварийным последствиям при начале намыва, особенно при наличии большого объема воды в прудке карты намыва. Такой случай произошел на участке примыкании карты намыва русловой плотины к зданию ГЭС на Куйбышевгидрострое, [9,6] когда отсыпанная из шлака и золы дамба прорвалась, а вода с карты намыва залила потерну ГЭС с находящимися в ней рабочими.

Как и подготовка основания, первичное обвалование карты должно приниматься технической инспекцией дирекции.

Для отвода осветленной при намыве воды на разбитой оси основания плотины в середине карты сооружается шахтный шандорный водосбросной деревянный колодец, размером в плане примерно 1.5 х 1.5 м [4,8]. Стойки колодца из бруса 20 х 20 см заглубляются или забиваются в грунт. Основание колодца и его досчаное дно заполняются гравийной отсыпкой, предохраняющей от выноса грунта при намыве и его всплытия. Стойки колодца обшиваются качественными досками с уплотнением гребнем толщиной на менее 25 — 40 мм. Эти доски наращиваются по мере намыва, служат водосливом и называются шандорами.

В стенку колодца вводится с уплотнением в досках стальная труба расчетного диаметра от 300 мм до 1000 мм с толщиной стенки не менее 12 мм, называемая коллектором. Размеры колодца и коллектора определяются расчетом на максимальную водопроизводительность подающего на карту намыва пульпу грунтового насоса с коэффициентом запаса на атмосферные осадки при водоупорном основании. При фильтрующем основании расчетный расход уменьшают на величину фильтрации в основание плотины.

Водоотводящий коллектор выводится обычно поперек карты намыва, как правило, в нижний бьеф. Заканчивается коллектор за пределами карты у водоотводящей канавы. Примерно через 10 — 15 м к трубе коллектора крепятся сваркой металлические диафрагмы из листовой стали размером 2х2 м, которые служат для уменьшения контактной фильтрации вдоль трубы, так как обычно шандорный колодец и коллектор остаются погребенными в тело плотины. Труба коллектора с внешней стороны очищается от ржавчины и окалины и покрывается битумом.

Кроме того труба коллектора пригружается от всплытия расчетным грузом. Обычно для этого сооружают над трубой пригрузочные ящики с гравием и камнем, но не песком, который может быть смыт при намыве. Такие случаи имели место и коллектор всплывал. Сегодня, при развитой бетонной промышленности, можно выполнить пригрузку коллектора бетонными блоками.

При строительстве плотин высотой более 10 м с 1952 г. на строительстве Куйбышевской ГЭС торец коллектора, входящий в шандорный колодец, стали дополнительно оборудовать вертикальными раструбными металлическими патрубками высотой до 1.5 м, наращиваемые по мере намыва, а сам колодец заполнять грунтом [4,6,9]. Это вошло в правило, так как при намыве плотин Цимлянской ГЭС доски шандорного колодца при достижении высоты намыва 15 — 20 м часто не выдерживали внешнего давления, ломались, и коллектор выходил из строя. При дополнении колодца вертикальной трубой аварий с колодцами не происходило при высоте намыва до 50 м и выше. Конструкция шандорного колодца показана на рис. 11.6.1.

Рис. 11.6.1. Конструкция шандорного колодца с центральной трубой-стояком [4].

Расход воды, переливающийся через шандоры колодца, определяют по формуле гидравлики:

Q = mlH (2gH) 0.5 м^3/c, где m — коэффициент расхода, принимаемый равным 0.4; l — ширина водосливного фронта в м; Н — высота переливающегося слоя в м, назначаемый проектом из условия сброса мелких частиц грунта при намыве [4].

Водосбросной коллектор от шандорного колодца до водоотводящей канавы укладывают обычно с уклоном 0.015, которого достаточно для полного заполнения трубы. Диаметр коллектора определяют по формулам гидравлики или таблицам для необходимого расхода.

До 1953 г. карту намыва оборудовали по контуру намывным пульпопроводом с выпусками и лотками на деревянной эстакаде высотой до 5 м [9]. Эстакада препятствовала работе бульдозера по наращиванию обвалования из намытого грунта, и поднятие обвалования выполнялось бригадой землекопов — намывщиков вручную. Так для бесперебойного намыва с использованием земснаряда типа 300—40 в каждой смене работала с лопатами бригада из 40 человек.

При переходе на безэстакадный намыв [6] в смене работал один бульдозерист, один крановщик гусеничного крана, один рабочий карты намыва. По существу безэстакадный намыв стал революцией в технологии намыва, и эстакадный намыв в России больше не применялся.

11.7. Безэстакадный и низкоопорный способы намыва плотин

В настоящее время намыв плотин выполняется повсеместно безэстакадным способом, который был впервые применен при намыве ядерной Мингечаурской плотины в 1952 г. на намыве призм откосов из песчано-гравийных грунтов [4]. Этот способ заключался в следующем:

1. Намыв производился из торца пульпопровода; 2. Намывные трубы были специальной конструкции: звено трубы длиной 6 м, с одного торца оснащалось раструбом, соединительной петлей и скобой для подъема звена с помощью гусеничного крана, другой торец трубы оснащался уплотнением из резиновой манжеты, и крючком для соединения петлей навешиваемого звена трубы; 3. Первое звено соединялось с магистральным пульпопроводом от земснаряда и укладывалось на грунт; 4. Гусеничный кран поднимал торец звена на 50 — 30 см выше грунта основания и давалась команда на земснаряд на подачу пульпы; 5. При намыве конуса грунта слоем до 30 см без остановки подачи пульпы краном подавалась с откоса плотины заранее подготовленное второе звено, которое раструбом входило в торец первой трубы и закреплялось петлей помощником крановщика. При этом крановщик мог поворачивать навешенное звено горизонтально и вертикально на угол до 15^0 — 200, направляя струю пульпы в сторону обвалования откоса или во внутрь карты намыва; 6. После намыва слоя грунта в 30 см присоединялась следующее звено намывного пульпопровода, и так до достижения конца карты намыва. 7. По достижению торца карты намыва начиналась разборка звеньев намывного пульпопровода без остановки подачи пульпы с намывом следующего слоя грунта в 20 — 30 см; 7. Освобожденное звено укладывалось на откос плотины в сфере действия стрелы крана.; 8. Кран переезжал на противоположный откос карты и челночная операция намыва продолжалась. 8. В это время с помощью бульдозера из намытого слоя грунта у первого откоса создавался валик обвалования высотой до 1 м с необходимым отступлением внутрь карты, сообразуясь с выставленном лекалом откоса плотины.

Таким образом, намыв мог продолжаться почти беспрерывно, остановки имели место только на переезд крана и подъема патрубка магистрального пульпопровода, который обычно оборудовался напорным рукавом. Иногда, при необходимости, на одну карту подавали пульпу два земснаряда на оба откоса карты, но такие случаи были редкими, т.к. оба земснаряда при этом должны были работать почти синхронно.

На рис. 11.7.1. изображена конструкция звена раструбной намывной трубы.

Рис. 11.7.1. Соединение раструбных труб

1— конец трубы с резиновым кольцом уплотнения; 2— конец трубы с раструбом; 3 — петля; 4— глухое крепление петли; 5 — крюк крепления петли; 6 — раструб; 7 — резиновое кольцо уплотнения; 8 — бурты из прямоугольной стали; 9 — сварка

На намыве плотин Куйбышевской ГЭС был сосредоточен большой парк земснарядов разных типов:

земснарядов среднего класса типа 300—40 (подача по воде 3000м^3/час),

т м^3/час), тттипа 500/60 (подача 5000 м^3/час) и самых мощных 1000/80 (подача 10000 м^3/час). Безэстакадный намыв был освоен на земснарядах всех типов с намывными раструбными трубами Д = 600 мм для земснарядов 300/40 и 500/60, и звеньями труб Д = 800 мм для земснарядов 1000—80. Звенья Д = 800 мм были на предельной грузоподъемности для применяемых на намыве гусеничных кранов ПК-2.

Успешное применение этого способа в Мингечауре было перенесено по инициативе управляюшего трестом «Гидромеханизация» Минэнерго СССР С. Б. Фогельсона в 1953 г. на намыв песчаных плотин Куйбышевской ГЭС. У инженеров гидромеханизации вызывало сомнение возможность перемещения гусеничного крана по поверхности свежего намытого полностью водонасыщенного песчаного грунта, когда перемещение человека не всегда было возможным. Но применение торфяных кранов ПК — 2 и КПТ — 1 Ивановского завода торфяных машин с уширенными траками гусениц и удельным давлением на грунт 0.15 — 0.2 кгс/см^2, оказалось оправданным. Производственные испытания одновременно проводились на 6 —ти картах намыва и закончились полным успехом. Безэстакадный намыв быстро вытеснил намыв с высоких эстакад на всех объектах гидромеханизации, избавив от большого расхода лесоматериала и ручного обвалования [9].

Лабораторными анализами было установлено, что плотность намываемых грунтов выше, чем при эстакадном намыве за счет воздействия мощной струи, вытекающей из торца пульпопровода, но при этом «пляжный» откос на карте намыва стал положе. На рис. 11.7.2. изображена схема безэстакадного намыва.

На рисунке 11.7.3. показан одновременный намыв плотины с обеих откосов, в большинстве случаев намыв осуществлялся одним земснарядом с одним краном, меняя откосы после каждого цикла попеременно.

Рис. 11.7.2. Наращивание раструбных труб при безэстакадном намыве [9].

Прудок при этом несколько смещается с оси плотины при каждом цикле.

Повсеместрное внедрение беээстакадного намыва ограничивалось приобретением техники: гусеничных кранов и бульдозеров на тракторе С-100, эти машины были дефицитными.

Промежуточным решением для земснарядов малого и среднего класса было использование низкоопорного намыва с эстакад высотой до 1 метра. Этот способ получил распространение еще до 1953 г. [8]. Он заключался в намыве слоя грунта из торца пульпопровода, следующая труба наращивалась с помощью крана-трубоукладчика, и присоединялась с помощью хомутового соединения к предыдущей трубе. После достижения торца карты намыва пульпопровод демонтировался при работающем земснаряде, деревянные опоры извлекались и процесс повторялся со стороны другого откоса, а из намытого слоя бульдозером ДТ-75 поднимался валик обвалования. При использовании для малых земснарядов фанерных труб Д = 200 — 300 мм их укладка могла производиться вручную при отсутствии механизмов.

Рис. 11.7.3. Карта намыва сооружения, возводимого из торцов трубопроводов без эстакад с центральным прудком

1 — боковые призмы плотины; 2 — ядро плотины; 3 — прудок-отстойник; 4 — продольный коллектор; 5 — сбросной колодец; 6 — шандорные доски (обшивка колодца); 7 — обвалование; 8 — намытый грунт («пляж»); 9 — краны на гусеничном ходу; 10 — трубопровод, собранный из звеньев раструбных труб; 11 — звенья трубопровода на наружном откосе; 12 — поток пульпы из торца трубопровода

Но на мощных земснарядах использовался только безэстакадный намыв с торфяными кранами и бульдозерами.

Серийные бульдозеры часто не успевали выполнить подъем обвалования на карте намыва ни по производительности, ни по высоте валика грунта, и земснаряды простаивали из-за неготовности обвалования. Военная инженерная техника — мощный бульдозер ДЭТ-250 применялся на ряде объектов, по своей маневренности и мощности он своевременно обеспечивал возведение обвалования высотой валика до 1.5 м без остановки земснаряда на ожидание его возведения.

Рис.11.7.4. Земснаряд 1000—80 в забое на строительстве Куйбышевской ГЭС.

Специально для скоростного строительства Куйбышевской ГЭС было построено 8 этих мощных земснарядов. Они хорошо зарекомендовали себя при безэстакадном намыве, при намыве с высоких эстакад земснаряды 1000—80 с подачей 1000 м^3/час грунта больше простаивали, чем работали, в ожидании постройки намывного пульпопровода.

В настоящее время в основном используются земснаряды малого класса с диаметром пульпопровода 200 мм и производительностью по воде 200 — 800 м^3/час и низкоопорный намыв не утратил своего применения.

11.8. Ядерные намывные плотины

Как отмечалось выше, большинство построенных земляных намытых плотин после перехода на безэстакадный способ относятся к классу однородных безядерных плотин, хотя наличия ядра сокращает фильтрацию через тело плотины и объем самой плотины. Объясняется это следующими причинами:

1. Для создания гравийных призм и глинистого ядра необходимо располагать месторождением песчано-гравийного грунта с включением глины. Далеко не всегда такие месторождения имеются вблизи будущей плотины.

2. Регулирование раскладки грунта в теле плотины можно выполнять только размерами прудка: его длиной и глубиной с помощью установки слоя перелива воды через шандоры сбросного колодца. В литературе (Нурок) приведены расчеты размеров прудка как отстойника с определенной длиной и глубиной для обеспечения выпадения глинистых частиц. Но при безэстакадном намыве пульпа поступает на карту из торца наращиваемого пульпопровода, которая при выполнении цикла поступает на карту в створе колодца, при этом прудок не имеем длины и все мелкие частицы грунта сбрасываются в колодец. Поэтому метод расчета намыва с прудком не имеет аналогии с отстойником.

При эстакадном намыве с равномерным поступлением пульпы на обе стороны карты, и при тщательном контроле, можно обеспечить определенные размеры прудка, и его можно рассматривать как отстойник с определенными параметрами, но и по мере увеличения высоты намыва плотины эти параметры изменяются.

3. Производительность земснаряда при разработке гравийных грунтов, особенно с включением валунов, в несколько раз менее чем при разработке песчаных грунтов. Применение мощных земснарядов на разработке песчаных грунтов при безэстакадном намыве обеспечивает низкую себестоимость намыва грунта. Поэтому устойчивость откосов и уменьшение фильтрации можно обеспечить уширением плотины, уположением откосов, и при увеличении объема себестоимость работ при намыве однородной плотины будет ниже стоимости возведения ядерной плотины.

Плотина Цимлянской ГЭС проектировалась как приближающееся к ядерной, но приведенные в отчете фактические сведения о полученном коэффициенте фильтрации в призмах и центральной прудковой зоне подтверждают почти однородность грунтов в намытой плотине.

Лабораторными исследованием отобранных проб грунта установлено, что коэффициент фильтрации песков в центральной части составляет 0.003 — 0.06 см/c, боковых призм 0.006 — 0.07 см/с. Эти данные получены при эстакадном намыве и жестком контроле за параметрами прудка.

Поэтому к чисто ядерным намывным плотинам можно отнести только несколько построенных плотин, в том числе плотину Мингечаурской ГЭС рекордной высоты 80 м. Но там использовался намыв с высоких эстакад и специальная подготовка гравийно-песчаной смеси с глиной в бункере из привозных грунтов разных карьеров. Её профиль и гранулометрический состав приведен в разделе 11.3.

11.9. Плотины с пляжным динамически волноустойчивым откосом

К третьему типу намывных плотин, нашедшим широкое применение при строительстве сравнительно низких дамб высотой до 5—7 м относятся песчаные и песчано — гравийные дамбы с неукрепленным пляжным динамически волноустойчивым откосом. Идея возможности возведения таких дамб взята от природных естественных морских пляжей Балтийского моря, где даже на очень мелких песках Рижского залива сохраняются берега с подводным заложением откоса до m = 100 -200. Изучением этого природного явления занимались русские ученые, в том числе академик М. А. Великанов.

Сегодня расчет таких дамб введен в [1] как рекомендуемый. Намыв таких дамб производится со свободным пляжным откосом m = 30 — 40 со стороны водохранилища, и принудительным откосом m = 2—3 с противоположной стороны. Грунт для намыва такой дамбы желательно подбирать из близлежащих месторождений с максимально возможной крупности частиц, включая гравий. От крупности частиц грунта и способа намыва зависит заложение откоса.

Как правило, обычно, намыв осуществлялся торцевым безэстакадным способом с большим заложением откоса, известно, что при рассредоточенном намыве из выпусков пульпопровода можно получить заложение откоса до полутора раз меньший. Но получаемый пляжный откос должен иметь заложение выше расчетного, рекомендованного СНиП 2.06.05—84* на воздействие волны. Приводим этот расчет.

11.10. Определение крутизны волноустойчивого неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта при профиле динамического равновесия

Предварительная оценка параметров динамически устойчивого при воздействии волн профиля неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта («профиля динамического равновесия») может быть выполнена по формулам:

(1)

где m — коэффициент откоса;

mо — коэффициент естественного откоса грунта тела плотины под водой;

hcdl — высота расчетной волны, м;

λ — длина расчетной волны, м;

do — средневзвешенный диаметр частиц грунта тела плотины, м;

(2)

где di — размер фракций, м;

рi — доля фракций, % по массе;

kl — коэффициент, принимаемый:

kl = 0,37 для подводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды в водохранилище (или в реке) до нижней границы размывающего действия волн (h_2), определяемой по формуле

(3)

kl = 0,17 для надводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды до верхней границы размывающего действия волн (h_2), зависящей от высоты наката, определяемой по СНиП 2.06.04—82*. В первом приближении можно принять h_2 = 05 hcdl (см. чертеж).

Определение крутизны верхового неукрепленного откоса песчаной плотины. 1 — расчетный уровень воды; 2 — участок откоса при kl = 0,37; 3 — то же, при kl = 0,17

Примечания:

1. При определении крутизны динамически устойчивого откоса необходимо учитывать размывающее влияние косого подхода волн, особенно сильно проявляющееся при углах подхода a = 45—57°.

2. Профиль сооружений необходимо уточнять по данным лабораторных или натурных исследований на основе результатов эксплуатации земляных сооружений с неукрепленными откосами, построенных из аналогичных грунтов и в условиях, близких по волновым и ветровым воздействиям.

В целях сокращения объема дамбы со свободным откосом инженером Н. Н. Кожевниковым [13], был предложен намыв из выпусков раструбных труб на инвентарных опорах специального профиля высотой до 1 м, приведенного на рис. 11.10.1.

Рис. 11.10.1. Звено пульпопровода с опорой и выпуском для рассредоточенного намыва: {13}

1 — стальная труба; 2 — верхний крюк с заглушкой; 3 — чалочная скоба; 4 — крюк соединительный; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — нижний выпуск с внутренней заглушкой; 7 — опора звена; 8 — торцовая стенка опоры; 9 — намытый грунт; 10 — конусный раструб; 11 — скоба соединительная.

Производственные испытания пульпопровода протяженностью до 100 м. собранного из таких труб с опорами и выпусками, были проведены на дамбах ограждения пруда — охладителя Курской АЭС. Звенья пульповода предварительно монтировались с помощью гусеничного крана и легко извлекались после рассредоточенного намыва из выпусков из грунта и переставлялись на высший ярус. Схема полученного откоса при торцевом намыве и из выпусков устройства, показана на рис. 11.11. приведена ниже. Сокращение объема дамбы составило около 500 тыс. м^3 грунта.

Рис. 11.10.2. [13]

Поперечное сечение намытой дамбы берегоукрепления пруда-охладителя:

1 — при безэстакадном торцовом способе намыва; 2 — при рассредоточенном намыве из выпусков звеньев пульпопровода

Успешный результат широких производственных испытаний позволяет рекомендовать эту технологию и устройство для использования на намыве дамб со свободным откосом в гидротехническом и дорожном строительстве.

11.11. Контроль качества намывных плотин и соблюдение экологии при строительстве

Ввиду высоких требований к объектам повышенной опасности, к которым относятся плотины, на каждом строительстве плотин I — III класса при дирекции строящегося объекта организуется отдел технической инспекции и грунтовая лаборатория с постами контроля на месте производства работ. Инспекция имеет широкие полномочия вплоть до остановки работ при нарушении регламента.

В основании плотины закладываются плиты-марки для наблюдения за осадкой основания и необходимые датчики контрольно-измерительных приборов. Выставляется и закрепляется по внешним реперам и пунктам триангуляции ось сооружения. Выставляются деревянные откосники сооружения и геодезическая служба подрядчика разбивает и закрепляет перенос дамбочек обвалования при переходе на следующий ярус по высоте.

Контрольный пост лаборатории отбирает пробы грунта с привязкой в плане и вертикали на плотность и гранулометрический состав. Проектом сооружения устанавливается контрольная плотность намываемого грунта, которая сопоставляется с отобранными пробами. При отклонениях от проектных величин контрольный пост немедленно докладывает руководству для принятия необходимых мер.

Отбираются также пробы на содержание грунта в осветленной воде. Обычно содержание глинистых частиц в сбрасываемой с карты намыва осветленной воде составляет 3—5% от объема подаваемого карьерного грунта. Эта величина зависит от гранулометрического состава грунтов карьера и в меньшей степени от управления зоной прудка при намыве.

Загрязнение сбросной водой водоемов и рек является одной из самых больших проблем применения способа гидромеханизации. Радикальным способом избавления от загрязнения рек служит изоляция карьера от реки или водоема, когда сбрасываемая вода с карты намыва поступает в выработанное карьерное пространство, в котором и оседают сбрасываемые мелкие частицы грунта. При этом земснаряд работает по схеме кругооборота воды.

Но не всегда удается изыскать месторождение для организации изолированного от реки карьера, и приходится разрабатывать речное месторождение, и, следовательно, сбрасывать загрязненную воду в реку, что в принципе недопустимо, если ниже по течению находится питьевой водозабор.

В этом случае рядом авторов, в том числе профессором Г. А. Нурком, [8] предлагается организовать специальный пруд — отстойник для отложения в нем глинистых частиц. В практике такая организация работ не встречалась, так как значительно удорожает стоимость плотины. В будущем устройство отстойников может быть перспективным. Но и устройство дополнительного отстойника в ряде случаев не может полностью задержать глинистые частицы с электрическим зарядом. Такие частицы практически не выпадают в осадок.

НИР и ОКР по применению электрофореза и полиакриломида для интенсификации процесса осаждения частиц грунта в воде пока не вышли из стен лабораторий, и практически не используются.

Ужесточение охраны окружающей среды в ряде стран, в том числе в США, привело к запрету использования намыва плотин. Более того, в США ряд плотин начали разбирать, несмотря на высокую стоимость этих работ. Атомная энергетика стала вытеснять строительство ГЭС, хотя и в ней есть не меньшие нерешенные проблемы.

11.12. Доработка плотин после намыва

Намыв тела плотины является первым основным этапом её сооружения, после него производят работы по планировке откосов, устройству фильтров, защите напорных откосов от волнового воздействия, устройству парапета, укреплению низовых откосов посевом трав, прокладке по гребню плотины дорог и других коммуникаций.

Остановимся на тех работах, которые связаны непосредственно с доработкой работ гидромеханизации. К ним относится надежная заделка водосбросных коллекторов, погребенных в тело плотины, ибо металлические трубы коллекторов, обычно пересекающих половину сечения плотины, подвержены ржавлению и могут являться активным источником фильтрации, вплоть до разрушения самой плотины. Поэтому техническая инспекция требует полного заполнения труб коллекторов песчаноцементным раствором.

Эта, на первый взгляд простая операция, может превратиться в сложную инженерную проблему, если не будет достигнуто полного заполнения трубы коллектора раствором, что произошло при заделке коллекторов плотины на строительстве Куйбышевской ГЭС. Прежде всего, должен составляться детальный проект организации работ, который должен неукоснительно соблюдаться, а сам процесс строго контролироваться.

Предварительно концы труб коллекторов были заглушены стальной заглушкой, а перед заглушкой врезана труба d = 200 мм для выпуска воздуха, воды и контроля заполнения раствором.

Трубы коллекторов на Куйбышевгидрострое были диаметром Д = 1000 мм, протяженностью до 250 м, объем заполнении трубы составлял вместе с вертикальным стояком 220 м^3 раствора. Состав песчано-цементного раствора с добавкой сульфитно — спиртовой бардой (ССБ) для увеличения подвижности подбирался центральной бетонной лабораторией.

Задача сводилась к продвижению раствора под давлением 27,5 м вод. ст. (высота плотины) на длине трубы 250 м до потери подвижности раствора в течение 8 часов, и подаче раствора с бетонного завода не менее 30 м^3/час. Доставка раствора выполнялась автосамосвалами МАЗ-205 с наполнением кузова 2 м^3 раствора и уплотнением в заднем откидном борту. Было выделено 15 автосамосвалов для доставки раствора к стоякам коллекторов, оборудованных приемным бункером. С бетонно-растворным заводом был согласован график подачи раствора.

Для заполнения одного коллектора раствором необходимая интенсивность подачи составляла 15 автосамосвалов в час беспрерывно в течение не менее 8 часов.

Это условие не было выдержано, начали заливать раствором одновременно несколько коллекторов. В результате раствор остановился на 50 м от колодца при полном заполнении стояка на пяти коллекторах.

Техническая инспекция стройки потребовала полного заполнения труб коллекторов раствором. Подача раствора оставалась возможной только с нижнего конца коллектора. Автором главы был разработан специальный сложный проект, который удалось осуществить с большими потугами и риском. Положение еще усугубилось тем, что при строительстве дренажной призмы концы коллекторов были вырезаны и потеряны. Геодезическая привязка коллекторов была выполнена неверно и пришлось предварительно искать погребенные на 6 м в тело плотины концы коллекторов гидравлической иглой (труба d = 12 мм с шлагом и подачей воды с давлением 1 МПа). Описанный случай свидетельствует о необходимости точного соблюдения проекта заполнения раствором коллекторов.

Проект заделки сбросной системы по окончании намыва земляной плотины путем бетонирования концов коллектора и заливки трубы цементным раствором приведен на рис. 11.12.1. [4].

Рис. 11.12.1. Заделка шахтных колодцев и коллекторов по окончании намыва [8]

1 — коллектор, заполняемый цементным раствором: 2 — шахтный сбросной колодец, засыпаемый грунтом (стояк заделывают бетоном); 3 — противофильтрационные диафрагмы; 4 — объем грунта; удаляемый при откапывании трубы для ее заделки бетонной пробкой и восстанавливаемый укладкой вручную; 5 — объем заделки конструкций колодца, удаленных на глубину до 2 м; 6 — бетонные пробки; 7 — удаляемая часть трубы.

Операции выполнения работ по заделке колодца и коллектора понятны из описания рисунка. Другой операцией по доработке плотины, связанная с окончанием её намыва, связана с планировкой откосов. При создании промежуточных дамбочек обвалования в процессе намыва верхний слой откоса толщиной 1 — 0.5 м имеет предельно низкую плотность и подлежит удалению. Планировка производится по выставленным шаблонам проектных откосов с помощью срезки грунта с помощью бульдозеров и грейдеров. Срезанный вниз грунт разравнивается у основания откосов.

Рис. 11.12.2. Бетонирование участка плотины Куйбышевской ГЭС. 1954 г.

Дальнейшие работы по отсыпке фильтров, устройству дренажа, бетонированию или мощению верхового откоса обычно выполняются управлением механизации строительства. Но в зимний период (при простое земснарядов) для загрузки рабочих крепление откосов не редко выполняется гидромеханизаторами без применения специального оборудования.

11.13. Расчет фильтрации, оплывания и устойчивости откосов плотины во время намыва

Почти все грунтовые плотины при строительстве ГЭС Волжско-Камского и Днепровского каскадов возводились способом гидромеханизации из песчаных грунтов. Все эти плотины проектировались институтом «Гидропроект». Надежность намывных плотин подтверждена их многолетней безотказной эксплуатацией.

Вместе с этим, в процессе намыва, на ряде объектов происходили оплывание и оползни откосов во время намыва. Эти случаи объясняется тем, что намыв плотины производится в гораздо более тяжелых условиях, чем в расчетных режимах эксплуатации с дренажными устройствами. Как правило, намыв плотины производился до устройства постоянного дренажа, в условии постоянного полного водонасыщения тела плотины водой гидросмеси от мощных земснарядов с расходом от 4000 м^3/час до 10000 м^3/час, при высоте плотин в отдельных случаях до 80 м (плотина Мингечаурской ГЭС).

Оплывания и оползни откосов при намыве случались не часто. Это можно объяснить большим заложением откосов и большим коэффициентом надежности, принимаемым генпроектировщиком, а также тем, что основание большинство пойменных и русловых плотин было дренирующими, а подаваемый расход воды кроме сброса в водоотводящие устройства, фильтровался через два откоса плотины и основание. Происходящие случаи оползания откосов обычно не были катастрофическими и быстро устранялись.

Но при водонепроницаемом основании положение усложняется, так как весь поток фильтрации при намыве истекает только через нижнюю часть откосов намываемой плотины. Случай оползня произошел при намыве пойменной плотины на строительстве Куйбышевской ГЭС, где не были полностью удалены суглинки основания береговой части Волги [1].

Был и катастрофический случай в Киеве в 1961 г. при многолетнем заполнении гидроотвала оврага «Бабий яр» глинистыми нестабилизированными грунтами (рис. 2). Госкомиссия по выяснению причин прорыва дамбы с образованием селя, выявила многочисленные нарушения, как при проектировании, так и при эксплуатации гидроотвала. (Рис. 1.1. повтор в начале}

Комиссия отметила, что проектной конторой гидромеханизации Минмонтажстецстроя, выполнявший проект, не был произведен расчет ограждающей дамбы на устойчивость при намыве, а исполнители не установили должного контроля над производством.

К сожалению, необходимо отметить, что если генпроектировщик выполняет все расчеты для эксплуатации плотины с устройством дренажа, то для процесса намыва плотины не разработана теоретическая база расчетов, кроме общих рекомендаций в нескольких литературных источниках [2, 5].

Натурные исследования кривой депрессии во время намыва плотин выполнялись лишь на плотине Цимлянской ГЭС [3] с применением иглофильтровых установок. Приводим их на рис. 11.13.1.

Рис.11.13.1. Депрессионные кривые при намыве плотины правого берега Цимлянской ГЭС [5].

Основание песчаное. С нижнего бьефа включена двухярусная иглофильтровая установка, понизившая депрессионную кривую до 8 м. Оплывание откоса прекратилось.

Рис. 11.13.2. Депрессионные кривые при намыве плотины левого берега Цимлянской ГЭС Основание суглинистое. Видно выход фильтрационных вод на откос на высоте до 5 м. [5].

При намыве пазух примыкания к устоям водосливной плотины и ГЭС было использовано 15 глубинных насосов АТН-12. С их помощью осушался крутой откос (1: 1) высотой

15 м при суточной интенсивности намыва до 1 м. Оползней откосов не наблюдалось.

Принятые меры по снижению кривой депрессии позволили прекратить и предотвратить оползни откосов.

Поэтому создание базы для расчетов проверки устойчивости откосов плотины при её намыве необходима.

Проектные организации, выполняющие проекты организации работ по намыву, не проверяют профиль плотины, предложенный генпроектировщиком, на фильтрацию, оплывание и устойчивость откосов в период строительства.

В этой статье, в порядке предложения, предлагается упрощенный способ определения фильтрации при намыве плотины [6], и приводятся имеющиеся способы проверки профиля на оплывание откосов и устойчивость.

В приведенном расчете, как наиболее тяжелый случай, рассматривается фильтрация через тело и откосы однородной плотины на водонепроницаемом основании. Длина пути фильтрации принята по средней линии потока от 1/4 верха карты намыва до середины поверхности выхода фильтрации в нижней части откоса. В упрощенных расчетах такое допущение возможно. Для более точных расчетов необходимо построение фильтрационной сетки с помощью прибора ЭГДА или на модели.

В расчете использованы основные формулы фильтрации Дарси [4].

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести или благодаря наличию разности напоров воды в отдельных точек потока. Движение фильтрационных вод подчиняется закону Дарси: q = kωJ (1), где: q — расход воды м^3/с;

k — коэффициент фильтрации грунта — размерность скорости при перепаде в 1 м вод. ст.;

ω — полная геометрическая площадь сечения потока — м^2 или м при задаче в плоском сечении;

J — гидравлический уклон (градиент) фильтрационного потока — величина безразмерная, равная J = H/l (2), где:

Н — потеря напора на длине пути фильтрации — м вод. ст.; l — длина контура фильтрации м;

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 = k J (3).

Выражение для скорости V можно записать также в виде: V = q / ω (4),

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

Действительная скорость течения воды в порах грунта равна: V I = V/n (5),

где n — активная пористость грунта.

Для выполнения расчетов прежде всего, необходимо знать коэффициент фильтрации грунтов плотины, которые определяют лабораторно. Примерные осредненные значения коэффициентов фильтрации для различных грунтов помещены в таблице №1 [4].

Таблица №1 [5].

В приведенных ниже примерах коэффициент фильтрации принят как средний в песчаной однородной плотине Цимлянской ГЭС, равный для мелкозернистых и среднезернистых песков k= 0.001 см/c или 0.036 м/час [3]. Следует отметить, что при проектировании плотин высокого класса коэффициент фильтрации нужно принимать по лабораторным исследованиям грунтов плотины, т.к. он может отличаться на порядок и более от табличных значений.

Профиль плотины принят по рис. 4 для расчета конкретного примера. Расход фильтрации одинаков на входе (с карты намыва) и на выходе из откосов. Принято равномерное распределение фильтрации между откосами.

Рис.11.13.3. Схема расчета фильтрации однородной плотины на водоупорном основании в процессе намыва: 1 — прудок на карте намыва; 2 — средняя линия тока фильтрации; 3 — зона выхода фильтрата; 2b —ширина карта намыва; Н — высота карты намыва; h_1 = b — высота высачивания вод фильтрации из откоса; q — расход фильтрации из карты намыва (прудка) в нижнюю часть откоса; L — длина средней линии потока фильтрации [2].

Из положения, что расход фильтрации одинаков на входе и на выходе из откоса, можно записать равенство: 1) qвх = k ωвх J; 2) qвых = k ωвых J; Поскольку в уравнениях 1 -2 значения

k и J одинаковы, то ωвх = ωвых; То есть, площадь входа фильтрации равна площади выхода (на 1 м протяженности плотины это линейный размер) bвх = bвых = h_1; Зная угол заложения откоса 0 можно получить площадь высачивания потока на откосе:

F_1 = b: sin θ (6).

Напор на конец средней линии потока будет: H — (7); Длина откоса будет: mH, а длина средней линии фильтрации (примерно) L = mH + b (8), (можно принять измерением по чертежу). Тогда градиент напора J = Н / (mH +b) (9);

Вычислим расход фильтрации через один откос на 1 м длины плотины:

q = kbJ = kbH/ (mH +b) (10);

С другого противоположного откоса вытекает равновеликий фильтрат.

Суммарный расход составит: Q = 2q.

Фиктивная скорость фильтрации в откосе составит: V = q/F_1 (6) при равном делении фильтрата на откосах. При пористости n действительная скорость истечения будет:

Vд = V/n (11);

Проверим предложенную схему расчета на конкретном примере, приняв:

K = 0.036 м/час; H = 20 м; b = 10 м; m = 4; θ 0 = 14 0; n = 0.35

При этом h_1 = b = 10 м;

H = 20 м; L = mH + b = 4х20 +10 = 90 м;

J = Н / (mH +b) = 20/ (4 х 20 +10) = 0.22;

q = kbJ =0.036 х 10 х 0.22 = 0.079 м 3/час на 1 м длины плотины;

Суммарный расход фильтрации Q = 2q = 0.158 м 3 /час на 1 м длины плотины,

На 1 км — 158 м^3/час или 158/3600 = 0.044 м^3/c

Фиктивная скорость фильтрации в откосе составит: V = q/b: sin14^0 = 0.079/10:0.242 =

0.002 м/час или 5 х 10 —5 см/c;

Действительная скорость фильтр. Vд = 5 х 10 —5 /0.35 = 1.4 х 10 — 4 см/c;

Будет ли при этой скорости вымывание из тела плотины мелких частиц грунта?

Это зависит от состава грунта плотины и градиента скорости. Такая методика существует, но она сложна в вычислениях [2]. Воспользуемся графиком В. С. Истоминой, приведенной в [2]. По принятому нами грунту песчаной плотины Цимлянской ГЭС [3] коэффициент неоднородности грунта ŋ = d_60 /d 10 не выходит за значения 2 — 4. При градиенте J = 0.22 по графику Истоминой [2] наш случай находится в зоне безопасных градиентов.

По другой методике, приведенной в [4], расчет устойчивости откоса на оплывание в месте выхода фильтрационного потока на поверхность зависит от зависимости: tg θ≥ 0.5 tg φ, где θ угол откоса, в нашем случае θ = 14^0, а tg 14^0 = 0.25. Угол внутреннего трения φ может быть определен по таб. 2 [4]. Для влажного песка φ =20 0, а tg 20^0 = 0.36. Тогда: 0.25 ≥ 0.18; Из этого следует, что откос 1: 4 устойчив от оплывания.

Рис.11.13.4. Минимальные (безопасные) градиенты, при которых отсутствует суффозия в несвязанных грунтах в зависимости от неоднородности грунтов [2].

(По В. С. Истоминой) [2]

Следующим этапом проверки откоса на устойчивость выполняется по методу К. Терцаги по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения. Этот способ давно применяют в расчетах устойчивости откоса, он описан во многих литературных источниках [5,4,3], и приводить в статье не целесообразно. Вычисления вручную занимают много времени, но сегодня существуют программы для ЭВМ. В расчете при намыве плотины не следует забывать, что грунт плотины целиком насыщен водой, и это обстоятельство, снижающее устойчивость откоса, непременно нужно учитывать.

Рядом авторов и институтом Водгео на базе проверки откоса на устойчивость по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения определены значения углов прямолинейных откосов для однородных грунтов, в зависимости от характеристик грунтов [2]. Данные эти приведены на графике рис. 6. Зная объемный вес грунта γ 1, угол внутреннего трения грунта φ, сцепление с и высоту откоса h, можно определить угол безопасного откоса [Гришин, стр. 387].

Рис.11.13.5. График для расчета устойчивости откоса [2].

Для рассматриваемого случая песчаной плотины сцепление С = 0. При принятом угле внутреннего трения φ=20^0 безопасный угол откоса θ по графику равен 20^0, в профиле плотины мы приняли этот угол θ = 14^0, то есть принятый нами откос при m = 4 будет безопасным, что подтверждается и ранее принятыми расчетам.

Для сравнения полученных результатов по предложенной автором методике расчета фильтрации [6] при намыве плотины, произведем расчет фильтрации для эксплуатационного случая аналогичной плотины на водонепроницаемом основании [2, c. 373 — 375].

Расчетная схема приведена на рис. 8.

Определим это смещение: = 4/ (1 +2х4) = 0.44; λ= 0.44;

λ=m/ (1+2m)

λН = 0.44 х 20 = 8.8 м;

Рис.11.13.6. Схема к расчету фильтрации через однородную плотину на непроницаемом основании: Н — напор на плотину -20м; заложение откоса m = 4; ширина плотины на горизонте верхнего бьефа-20 м; а_0 — высота выхода кривой фильтрации на откос; λН — смещение осей координат; [2].

Высота фильтрации: а_0 = S 1/m — [(S 1/m) 2 — H 2] 0.5 = 108.8/4 — [(108.8/4) 2 — 20 2)] 0.5 = 8.8 м;

Расход фильтрации:

q = k (H^2 — а_0^2) / 2 (λН+s) = 0.036 (20^2 — 8.8^2) /2 (8.8 +64.8) = 0.079 м 3/час;

При фильтрации при намыве плотины мы вычислили расход фильтрации на один откос

q = 0.079 м^3/час, а на оба откоса q = 0.158 м^3/час. Из полученных результатов, фильтрационные расходы через один откос равновелики, как при эксплуатации плотины, так и при её намыве. Но высота выхода фильтрационной кривой на откосе несколько различна: при намыве плотины — 10 м, в эксплуатационном случае — 8.8 м. Это укладывается в точность примерных расчетов. Значение величин близкое. До набора водохранилища, по условию не промерзания фильтрата, в плотине необходимо устройство дренажа. В обоих случаях откосы плотины с принятым заложением 1: 4 устойчивы, в том числе на суффозию.

Чтобы убедиться в применимости расчета фильтрации по средней линии потока проведем его для сопоставления с принятым по [2] для эксплуатационного случая.

Схема к расчету — на рис. 8.

Рис.11.13.7. Схема к расчету фильтрации плотины из однородного грунта на водонепроницаемом основании по методу средней линии потока: 1 — верх плотины и горизонта воды в верхнем бьефе: 2 — примерная линия депрессии фильтрации F -N; 3 — средняя линия потока фильтрации C — Д — N, протяженность — L = 100 м; q — расход фильтрации м^3 /час; Н = 20 м — напор и высота плотины [2].

Как видно из рисунка 8, он повторяет конфигурацию и параметры рис.7, принятого для расчета фильтрации по [2].

Проведем расчет по методу средней линии потока фильтрации, приняв за основу формулу Дарси: q = kωJ (1). Верхний клин плотины А — Т — F по [2] почти не влияет на расход фильтрата q, им можно пренебречь, считая начало фильтрации от линии F-C-T.

Определим градиент напора J =H_1/L; Напор H_1 = 10 м на средней линии напора, L =100 м;

J =H_1/L = 10/100 = 0.1; k = 0.036 м/час (как и в предыдущей задаче); ω — площадь потока, в плоской задаче на 1 м длины плотины — высота F-C-T = 20 м; Тогда расход фильтрации в нижний клин откоса равен: q = 0.036 х 20 х 0.1 = 0.072 м^3 /час, то есть одинаков с решением по [2].

Отсюда — вывод, что для грубых оценок, метод расчета по средней линии потока фильтрации, который использован в этой статье, применим.

Конечно, нужно выполнять НИР и ОКР по исследованию фильтрации и устойчивости плотин и гидроотвалов в процессе намыва, поскольку он связан с безопасностью сооружений и людей, а сегодня по существу нет теоретической базы для практических расчетов.

ВЫВОДЫ:

1. Проверка устойчивости откосов плотины и определение фильтрации во время намыва способом гидромеханизации должна проверяться при проектировании, с целью исключения аварийных последствий при производстве работ, в том числе на гидроотвалах, как это и предусмотрено [5].

2. Предлагаемые выражения (6 — 11) для вычисления параметров фильтрации из откосов при намыве плотины из однородных грунтов на водонепроницаемом основании можно рекомендовать для примерных поверочных расчетов.

3. Для более точных расчетов рекомендуется построение фильтрационной сетки с использованием способа ЭГДА, моделирование, и создания методики расчетов для включения в нормативные документы.

12. Перекрытие реки, особенности намыва русловой части плотины

Одним из главных и завершающих этапов строительства плотины является перекрытие русла реки и, как правило, начало набора водохранилища. К времени перекрытия русла должны быть выполнены водосбросные сооружения на водосливной плотине и здании ГЭС для пропуска хотя бы на промежуточном горизонте паводковых вод. Однако это правило не всегда соблюдалось из-за сокращенных сроков пуска первого и последующих гидроагрегатов, которые вводились на пониженном горизонте водохранилища и далеко на недостроенных сооружениях, в том числе и земляных плотин. При отставании от намеченных сроков строительства и неполной готовности сооружений, часто принимались рискованные решения, которые приводили к аварийным последствиям и удорожанию строительства.

Примером таких необоснованных рисков может служить перелив воды через недостроенную бетонную плотину при пропуске весеннего паводка 1979 г. на Саяно-Шушенской ГЭС с затоплением первого введенного гидроагрегата и машинного зала.

До полного перекрытия русла широкой реки обычно производят обжатие живого сечения реки путем отсыпки в воду банкета из камня и щебня по верховому и низовому подводного контура плотины. В образованный тиховод между банкетами производят намыв грунта в воду, а на образованном пляже организуют карту и ведут намыв до проектной отметки гребня плотины.

Рис. 12.1. Аварийный пропуск паводка на строительстве Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисей 22.05.1979 г. [11].

При строительстве Куйбышевской ГЭС русло Волги сузили с 1 км до «прорана» в 330 м., когда начался естественный размыв дна русла.

Сужение русла необходимо для оставления минимального «прорана» с целью сокращения объемов намыва плотины для окончательного закрытия русла. При перекрытии русла с не полностью построенными водопропускными сооружениями начинается набор воды в водохранилище и повышение его горизонта. Чтобы не допустить перелива воды через намываемую плотину, необходимо опережение возведения плотины по высоте над уровнем поднятия горизонта водохранилища. Безусловно, такая схема чревата потенциальной опасностью, но её выполняют ради плановых сроков пуска первого гидроагрегата на промежуточной отметке водохранилища.

Этот риск усугубляется еще тем, что если на реке ведется интенсивное судоходство (как на Волге), то время закрытия прорана откладывают до конца навигации. Так перекрытие Волги на строительстве Куйбышевской (Жигулевской ГЭС) было начато 30 октября 1955 г., с этого времени как раз установились устойчивые морозы, которые спустя месяц остановили намыв русловой плотины в проране ввиду образования льда во всех пульпопроводах от 9 земснарядов [9]. Причиной было позднее начало перекрытия и ранняя зима.

К перекрытию русла проводили тщательную подготовку, как со стороны строительства, так и со стороны гидромеханизации.

Для перекрытия прорана и намыва песка в тело плотины предварительно отсыпался банкет из крупного материала — бетонных тетраэдров, камня, щебня.

На Куйбышевгидрострое эта задача решалась отсыпкой в текущую воду банкета из тетраэдров и камня с наплавного моста.

В гидромеханизации, для замыва прорана русловой плотины длиной 330 м, было сосредоточено семь мощных земснарядов 1000—80 и два типа 500—60.

Рис.12.2. Перекрытие прорана Волги бетонными тетраэдрами и камнем с наплавного моста на строительстве с Куйбышевской ГЭС. 30.Х.1955 г. [6].

Рост плотины в проране достиг 1 м по высоте, объемом до 300 тыс. м^3 в сутки. Большего сосредоточения земснарядов на одном объекте нигде в мире не было. С 1 ноября 1955 г. по 5 декабря в подводную часть прорана земснарядами было намыто 4,5 млн. м^3 грунта. По всему прорану в контуре плотины был образован пляж на 4—3 м выше горизонта воды в верхнем бьефе.

Но и при такой интенсивности намыва пришлось возвести из намытого грунта с помощью бульдозеров и экскаваторов на верховом откосе прорана узкую дамбу на высоту до 4 м, необходимую для пропуска весеннего паводка.

В начале декабря при морозе до -40^0 все 9 пульпопроводов были забиты льдом и земснаряды остановлены. В этом была и вина руководства участка, не осуществившая должного контроля за сливом воды из пульпопроводов при остановке земснарядов. Всю зиму пришлось удалять лед из пульпопроводов для продолжения намыва весной 1956 г.

Рис. 12.3. Перекрытие прорана р. Волги 1.11.1955 г. на строительстве Жигулевской ГЭС. Намыв грунта перед банкетом производят 7 земснарядов типа 1000—80 и два 500—60 [6].

Первый гидроагрегат был введен 31 декабря 1955 г., как предусматривалось планом, после пуска он был остановлен, т.к. при малом напоре его эксплуатация была неэффективна.

Ниже, как пример, приведена общая схема работ по намыву плотины в проране на строительстве Куйбышевской (Жигулевской ГЭС) на Волге. Но эта схема не может служить типовой, так как строительство ГЭС привязывается к местным условиям каждой реки. Но из этого примера видно, на сколь сложен и ответственен этот завершающий этап строительства.

Рис. 12.4. Схема замыва прорана русла Волги песком в 1955 г. на строительстве ГЭС. [6]

а — общий вид: б — схема намыва; 1 — левая часть русловой плотины; 2 — здание ГЭС; 3—опора канатной дороги: 4 — магистральные трубопроводы; 5 — сбросные колодцы; 6 — трубопровод на карте для намыва обвалования; 7—выпуски из торцов трубопроводов диаметром 6000 мм; 8—первичное высокое обвалование; 9 — коллекторы; 10— банкет; 11 — подводный намыв: 12— створы замера уклонов.

При намыве песчаного грунта в воду вдоль отсыпанного банкета из бетонных блоков и камня при перепаде воды на банкете до 2 м выяснилось, что пустоты в каменной насыпи со щебнем почти полностью заполняются песком и кольматируют банкет. Фильтрация воды через банкет почти полностью прекратилась.

Этот способ замыва пустот в каменно-гравийной насыпи испытали на модели Асуанской плотины в Запорожье, и по получению хорошего результата, он был использован советскими гидротехниками при сооружении плотины на р. Нил с одобрения известного специалиста механики грунтов Карла Терцаги.

При этом способе из местного материала камня и песка получался прочный конгломерат с крутыми откосами и низким коэффициентом фильтрации. После возведения Асуанской плотины и успешной её эксплуатации, этот способ получил развитие в проектировании и строительстве каменно-песчаных плотин в России.

При обжатии русла Волги выяснялась еще одна особенность намыва подводной части плотины. Песчаный грунт укладывался под водой с большим уклоном и тем большим, чем больше глубина реки, а главное, с предельно малой плотностью. Верхние откосы конуса грунта, выходящего из воды, вообще были неустойчивы, и к ним было опасно подходить.

По мере намыва плотины и увеличения нагрузки на подводную часть происходила ее осадка и уплотнение с выдавливанием и уполаживанием откосов нижней части илистых грунтов. Это явление было известно ранее [4] и на ряде объектов применялось уплотнение подводной части сооружения с помощью мощных вибрационных глубинных установок.

Этот способ уплотнения намытых в воду мелких однородных песков при глубине до 30 м использовался при строительстве Высотной Асуанской плотины. Для этой цели были спроектированы и построены плавучие 30-ти метровой высоты башни на платформе с мощными вибраторами и пенитрометрами для контроля уплотнения. Всего в теле плотины было уплотнено 3405 тыс. м^3дюнных песков. [4]. Результаты были хорошими.

На объектах Куйбышевгидростроя уплотнение подводной части русловой плотины не применялось.

Кроме намыва русловой части плотины на строительстве ГЭС, в зимние месяцы 1955 -1956 гг. велся намыв примыканий земляной плотины к водосливной, которые тоже не были готовы к приему весеннего паводка 1986 г. Поэтому нужно было непременно намыть эти сооружения в зимний период при морозах до -30^0 — 40^0. Все 4 земснаряда 500—60 и один земснаряд 1000—80 работали безостановочно с ноября1955 г. до марта 1956 г. включительно. Главным правилом успешной работы было обеспечение бесперебойного намыва. Слив воды из пульпопровода производился только при планируемых остановках больше суток под личным контролем руководителя участка. За эти месяцы было намыто 6 млн. м^3 грунта в эти ответственные сооружения и обеспечен пропуск весеннего паводка. Этот факт мирового рекорда служит подтверждением, что при должном контроле качественный зимний намыв в гидромеханизации возможен, но он связан и с дополнительными затратами.

На примере перекрытия русла Волги на строительстве Куйбышевской ГЭС показано на сколько сложен и ответственнен этот этап строительства, и к этому этапу следует заранее тщательно и продуманно готовиться.

Литература

1. СНиП 2.06.05—84* Плотины из грунтовых материалов. Госстрой СССР. М., 1984.

2. Гришин М. М. Гидротехнические сооружения, ч. I, Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, М., 1954.

3. Справочник по гидротехнике, Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, М., 1955.

4. Огурцов А. И. Намыв земляных сооружений, Стройиздат, М. 1974

5. Вогло-Дон, т. III, Земляные работы. Технический отчет. Государственное энергетическое издательство, М., 1956.

6. Волжскоя ГЭС им. В. И. Ленина (Жигулевмкая ГЭС), Технический отчет, Т. II, Государственное энергетическое строительство, М.-Л. 1962.

7. Вахрамеев И. И., Бебенина Т. П., Часс С. И. Гидротехника в торфяной и горнорудной промышленности, «Недра», М. 1984.

8. Нурок Г. А. Технология и проектирование гидромеханизации горных работ, «Недра», М. 1965.

9. Разин Н. В. Опыт строительства Волжской гидроэлектростанции им. В. И. Ленина. Гос. Энергетическое издательство, М. Л., 1960

10. Серебряников Н. И., Родионов В. Г., Кулешов А. П., Магрук В. И., Иванущенко В. С.

Гидроаккумулирующие электростанции. Строительство и эксплуатация Загорской ГАЭС, НЦ «Энас», М., 2000.

11. Гольдин А. Л., Рассказов Л. Н. Проектиование грунтовых плотин. «Строительство», М. 2001.

12. Холин Н. Д., Малов А. Е. Канал Москва — Волга. Гидромеханизация. Гос. Издательство строительной литературы. М. — Л., 1940

13. Кожевников Н. Н., Шкундин Б. М. Новые устройства для рассредоточенного намыва земляных сооружений. // Гидротехническое строительство, М. 1994, №9.

14. Шкундин Б. М. Гидромеханизация в энергетическом строительстве. Энергоатомиздат, М. 1986.

15. Кожевников Н. Н. Расчет фильтрации, оплывания и устойчивости откосов грунтовых плотин во время намыва.// «Гидротехническое строительство», 2012, №9.

16. Груздеев Ф. С. Вселенная и человечество, Издание П. П. Сойкина, С- Петербург, 1904 г.

Content

Проектирование и строительство земляных плотин
Строительство земляных плотин сухим способом и намывом. Нормативы и расчеты
Николай Николаевич Кожевников

1. Назначение и конструкции земляных плотин

2. Классификация гидротехнических сооружений по капитальности

3. Типы земляных плотин

4. Условия работы земляной плотины

5. Дренаж плотин и расчет фильтрации земляных плотин и основания

5.1. Основные положения теории фильтрации

5.2. Расчет фильтрации земляных плотин и основания

6. Устойчивость откосов плотины

7. Грунты для земляных плотин

7.1. Общие требования к материалам земляных плотин

7.2. Гранулометрический состав грунта

8. Назначение основных размеров профиля земляных плотин

9. Основание плотины и ее подготовка

10. Технология строительства насыпных плотин

10.1. Общие сведения

10.2. Способы возведения тела насыпной плотины

10.3. Плотины насыпные, возводимые с механическим уплотнением грунта

10.4. Земляные плотины, возводимые путем отсыпки грунта в воду (без механического уплотнения)

10.5. Выбор типа насыпной плотины

10.6 Особенности плотин ГАЭС и приливных ГЭС

11.Строительство намывных плотин

11.1. История строительства намывных плотин

11.2 Особенности возведения намывных плотин

11.3. Типы намывных плотин

11.4. Фильтрация при намыве плотины и мероприятия по сохранению откосов

11.5. Подготовка основания намывной плотины

11.6. Обустройство карты намыва

11.7. Безэстакадный и низкоопорный способы намыва плотин

11.8. Ядерные намывные плотины

11.9. Плотины с пляжным динамически волноустойчивым откосом

11.10. Определение крутизны волноустойчивого неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта при профиле динамического равновесия

11.11. Контроль качества намывных плотин и соблюдение экологии при строительстве

11.12. Доработка плотин после намыва

11.13. Расчет фильтрации, оплывания и устойчивости откосов плотины во время намыва

12. Перекрытие реки, особенности намыва русловой части плотины

Литература