Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
3.2.1. Грунтовые плотины Основными конструктивными элементами грунтовой плотины являют- ся тело плотины, обеспечивающее ее прочность и устойчивость, противо- фильтрационные устройства (ядра, экраны, диафрагмы), обеспечиваю- щие водонепроницаемость и дренажные устройства для сбора воды, про- фильтровавшейся через противофильтрационные устройства. Конструкции грунтовых плотин отличаются большим разнообразием. Какой из вариантов предпочтительнее, решается при сравнении вариантов по стоимости и ряду других параметров (инженерно-геологических условий, на- личия соответствующих материалов и механизмов для возведения, времени, необходимого на строительство и т.д.). Грунтовые плотины в поперечном сечении имеют трапецеидальную форму (рис. 3.1) и в зависимости от типа грунта делятся на: земляные на- сыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные. Земляные насыпные плотины либо отсыпают насухо с уплотнением, либо в воду (в воде грунты уплотняются естественным образом); грунты тела плотины – от глинистых до гравийно-обломочных. Особую группу земляных насыпных плотин образуют мерзлые и талые плотины, возводимые в север- ной строительно-климатической зоне вечной мерзлоты. Виды насыпных зем- ляных плотин показаны на рис. 3.1. На рис. 3.1,а условно изображено поперечное сечение однородной грунтовой плотины. В ней отсутствуют какие-либо противофильтрационные устройства, и тело плотины возведено из однородного грунта (обычно, из песка или супеси). Размеры сечения плотины диктуются необходимостью обеспечения ус- тойчивости ее откосов; допустимы углы заложения откосов (тангенсы уг- лов наклона откоса к горизонту mh , mt) меньшие углов внутреннего трения (предельных углов, при которых грунт с откоса не сползает). Большая часть тела однородной плотины водонасыщена из-за фильт- рующейся воды. Свободная поверхность фильтрующейся через тело плотины воды, называется поверхностью депрессии. В теле однородной плотины рис. 3.2, а поверхность депрессии (свободная поверхность фильтрующейся воды) плавно понижается от УВБ до УНБ. На рис. 3.1, г показано поперечное сечение плотины с экраном из не- грунтового материала (железобетона), уложенного на верховой грани плоти- ны. Тело этой плотины практически сухое: за экраном водонасыщенным бу- дет только грунт, расположенный ниже УНБ. Если основание плотины водо- проницаемое, то в нем также устраивается противофильтрационное устрой- ство (например, металлический шпунт, рис. 3.1, е). 45 Рис. 3.1. Виды земляных насыпных плотин 1 – тело плотины; 2 – поверхность депрессии; 3 – дренаж; 4 – крепление откосов; 5 – верховая грунтовая противофильтрационная призма; 6 – диафрагма; 7 – верховая призма; 8 – низовая призма; 9 – переходный слой; 10 – экран из негрунтовых материалов; 11 – грунтовое ядро; 12 – центральная грунтовая противофильтрационная призма; 13 – шпунт или стенка; 14 – понур; 15 – инъекционная (цементационная) завеса (висячая); 16 – зуб; 17 – грунтовый экран; h – высота плотины; b – ширина плотины по низу; bum – ширина противофильтрационного устройства понизу; b гр – ширина плотины по гребню; mh – коэффициент верхового откоса; mt – коэффициент низового откоса. Насыпная грунтовая плотина с ядром, (рис. 3.1, д) имеет верховую и низовую призмы из водопроницаемых грунтов (песок, песчано-гравийная смесь) и водонепроницаемое ядро (глина, суглинок). У плотины такой конст- рукции в водонасыщенном взвешенном состоянии находится только верхо- вая призма (расположенная выше ядра), а низовая выше УНБ – практически сухая. 46 Каменно-земляные плотины: грунты тела – крупнообломочные, грунты противофильтрационных устройств – от глинистых до мелкопесча- ных. Сечения каменно-земляных плотин показаны на рис. 3.2. Рис. 3.2. Виды каменно-земляных плотин 1 – крепление верхового откоса; 2 – грунтовый экран; 3 – переходные слои (обратные фильтры); 4 – грунтовое ядро; 5, 6 – верховая и низовая призмы; 7, 8 – верховая и центральная грунтовые противофильтрационные призмы На рис. 3.2 в изображено поперечное сечение неоднородной каменно- земляной плотины: ее верховой клин – грунтовый экран (глина, суглинок), низовой клин и центральная часть – каменная наброска. Основная часть на- пора фильтрующейся воды теряется на экране (или на ядре, рис. 3.2, б). На границах между материалами (суглинком, песком, каменной наброской) уст- раиваются прослойки из материалов промежуточной крупности – обратные фильтры (поз. 3). Назначение обратных фильтров – не допустить вымывания (уноса) мелких частиц (суглинка в песок, песка в каменную наброску) под действием фильтрующейся воды. Размер частиц обратных фильтров выбира- ется таким, чтобы эти частицы не могли свободно проходить через поры (пустоты) в грунте, уложенном ниже обратного фильтра. Каменно-набросные плотины: грунты тела – крупнообломочные, противофильтрационные устройства – из негрунтовых материалов. 47 3.2.2. Бетонные и железобетонные плотины Бетон, как строительный материал, был известен со времен Древнего Рима. Однако в плотиностроении бетон и железобетон (сочетание бетона и стальных стержней – арматуры) стали широко использоваться с начала ХХ века. Этому предшествовало несколько важных изобретений. Во времена промышленной революции в Англии был изобретен портландцемент. Фран- цузский садовник Жозеф Менье изобрел в 1867 г. железобетон. Французский инженер Эжен Фрейссине предложил в 1917 г. вибрирование бетона (уп- лотнение бетонной смеси в момент укладки её в тело плотины). После этого бетон и железобетон стали широко применяться в плотиностроении. Первая чисто бетонная плотина Сан Матео высотой 53 м, длиной 210 м была возве- дена в Калифорнии для водоснабжения Сан-Франциско в 1887-89 гг. Бетонные и железобетонные плотины по своей конструкции делятся на гравитационные, контрфорсные и арочные. Каждый тип плотины может иметь как глухие, так и водосбросные участки. Обычно бетонные плотины возводятся на скальных основаниях. Наиболее распространенные варианты конструкций бетонных плотин на скальных основаниях показаны на рис. 3.3. Чаще всего бетонные гравитационные плотины возводятся на скальных основаниях. Если скальное основание недостаточно прочно, то при строи- тельстве производится укрепление основания, чаще всего – это площадная укрепительная цементация – закачивание цементных растворов в пробурен- ные в основании скважины, растворы заполняют трещины, пустоты в осно- вании. Контрфорсные плотины представляют собой наклонные стены, пере- гораживающие поток, и опирающиеся на контрфорсы – треугольные опоры- стены, расположенные вдоль потока. Устойчивость контрфорсных плотин на сдвиг от действия гидростатического давления верхнего бьефа обеспечивает- ся не только весом самой плотины, но и пригрузкой воды напорной грани плотины. У массивно-контрфорсных плотин роль перекрытий играют утол- щения со стороны напорной грани – оголовки контрфорсов. Арочные плотины, (рис. 3.3,б), представляют собой арки (своды), по- ложенные «на бок». Устойчивость арочных плотин, в основном, обеспечива- ется передачей распора (нормальной силы в арочных поясах) на берега. В уз- ких ущельях арочные плотины представляют собой тонкостенные конструк- ции. В широких ущельях поперечное сечение арочной плотины может быть достаточно массивным, сходным с сечением гравитационной плотины с ук- лоном низовой грани 0,3-0,6, такие плотины принято называть арочно- гравитационными. 48 Рис. 3.3. Конструкции бетонных и железобетонных плотин на скальных основаниях Бетонные и железобетонные плотины на нескальных основаниях как правило, применяются для водосбросных участков напорного фронта и входят в состав напорного фронта, где основным водоподпорным сооруже- нием является плотина из грунтовых материалов 3.2.3. Плотины древности Древнейшие плотины строились с целью образования ирригационных водохранилищ. В 1885г. немецкие археологи обнаружили в Египте (200 миль южнее Каира) плотину Садд эль Кафара. Первое упоминание об этой плотине имеется у Геродота. Норман Смит, автор книги «История плотин» считает, что плотина Садд эль Кафара – древнейшая из известных. Ее строительство одни историки относят к третьей или четвертой династии в Египте (между 2950 и 2750 г.г. до н.э.), другие – к 3200 г. до н.э. Плотина представляла со- бой две параллельных стены из каменной кладки, пазуха между стенами бы- ла заполнена каменной наброской. Длина плотины по гребню 111 м, макси- 49 мальная высота 12 м. Плотина создавала водохранилище объемом более 2 млн. кубометров. Историки полагают, что в Месопотамии строительство плотин также началось в бронзовом веке, одновременно с Египтом, а возможно, и раньше. Однако древнейшая плотина из каменной кладки, обнаруженная в Месопо- тамии, построена в Ассирии около 694 г. до н.э. Первая крупная плотина из каменной кладки Нахр эль-Аси, строительство которой датируется 1500 г. до н.э., была обнаружена несколько южнее – на территории нынешней Сирии. В древнем Китае строительство каналов и плотин приобрело широчай- ший размах. Масштабы ирригационного строительства в древнем Китае по- ражают воображение даже при современном развитии строительной техники. Так, около 250 г. до н.э. в Китае, в пустынной территории Сычуаня водами реки Миньцзян было орошено 50 тыс. кв. км. Монголы, завоевав Китай, не только не разрушили, но и поддержали гидротехническое строительство. Так, при хане Хубилае была осуществлена вековая мечта китайцев о соединении каналом бассейнов Хуанхэ и Янцзы. Канал между Пекином и Ханьчжоу имел длину более 1000 км и был построен в 1289-1293 гг. На стройке работало бо- лее 20 тыс. рабочих. Очевидцем, описавшим завершающую часть строитель- ства, был знаменитый путешественник Марко Поло. В Древнем Риме появляются плотины не только из каменной кладки. Одной из наиболее интересных римских плотин считается Прозерпина, вер- ховой клин которой (часть плотины, обращенная к водохранилищу) – грун- товый, а низовая часть – бетонная стена, облицованная камнем. Длина пло- тины свыше 400 м, максимальная высота 4,5 м. В средние века плотины возводились практически во всех странах За- падной Европы. В Италии, во Флоренции, проектированием плотин занима- лись Леонардо да Винчи, Джеральдо Мечини, в Милане – Доменико Малате- ста. Первая земляная (грунтовая) плотина была построена в 1191 г. во Франции, она разрушилась лишь через 100 лет. Самый крупный гидротехни- ческий комплекс средневековой Франции – канал, соединяющий бассейны рек Средиземного моря и Атлантического океана Гаронны и Ауди, проекти- ровал Леонардо да Винчи, приглашенный для этого в 1516-1519 гг. во Фран- цию. Этот канал длиной более 200 км был построен спустя 150 лет. С XVI века начинается строительство арочных плотин в средневеко- вой Европе: Испании и Италии. Строительство ирригационных систем и пло- тин пришло в Испанию, по всей видимости, с мусульманского Востока вме- сте с арабской экспансией в Европу. Первое письменное упоминание о ста- рейшей арочной плотине Альманца Испании из каменной кладки относится к 1586 году. Специалисты считают, что плотина Альманца была возведена на 200 лет раньше первого письменного упоминания. При высоте 16 м плотина Альманца имела относительно большую, почти постоянную толщину 12 м. 50 Это свидетельствует о том, что строители плотины Альманца еще не пред- ставляли возможностей арочной конструкции. Вторая старейшая арочная плотина Испании Елче была «более изящной». При высоте 23 м она имела переменную толщину от 9 м на гребне (верх плотины) до 12 м у подошвы (место опирания плотины на своё основание). Сложную историю имеет древнейшая арочная плотина Италии Понте- Альто, возведенная в узком ущелье в Доломитовых Альпах. «Первая оче- редь» этой плотины была запроектирована и построена Франко Рекаматти в 1534 г., а в 1542 г. была разрушена паводком. В 1550 г. плотина была рекон- струирована: каменная кладка выполнялась на цементном растворе. Впослед- ствии плотина неоднократно надстраивалась (1613 г., 1752 г. до высоты 18 м, 1825 г. до высоты 25 м, 1850 г. до высоты 34 м, 1887 г. до высоты 39 м при толщине всего 4,5 м). Даже по современным представлениям эта плотина достаточно стройное и смелое сооружение. При оценке плотин и в настоящее время используются коэффициент стройности (отношение ширины по ос- нованию к высоте плотины) и коэффициент смелости (отношение гидро- статического давления к массе или объёму строительного материала). Гид- ростатическое давление – сила воды, действующая на поверхность тела пер- пендикулярно этой поверхности. Ниже плотины Понте-Альто сохранился древний арочный мост из каменной кладки. Соседство плотины и моста ил- люстрирует некоторое родство двух конструкций, показывает, что арочная плотина – это свод, «положенный на бок». Высочайшая древняя плотина Испании Аликанте была построена в 1580-1594 гг. и представляла собой стенку из каменной кладки трапецеи- дального сечения. Максимальная высота плотины 42 м, толщина по гребню 20 м, по подошве 34 м. В 1738 году плотина была реконструирована. На рубеже XVIII и XIX веков (1790-1810 гг.) была построена первая многоарочная плотина Meer Fllum dam высотой 12 м, состоящая из 21 арки радиусом 24 м каждая. В первой половине ХIХ века появились гравитацион- ные и грунтовые плотины по конструкции близкие к современным. Россия по климатическим условиям не нуждалась остро в орошении. Первые сведения о строительстве плотин на Руси для водяных мельниц отно- сятся к XIV веку. Одно из первых письменных упоминаний о них приводится в завещании князя Дмитрия Донского, датированном 1389 годом, в котором говорится о мельницах на реках Яузе и Ходынке. Интенсивное строительство плотин началось в России в восемнадцатом веке, при Петре I. Плотины со- оружались для водоснабжения горно-металлургических, лесопильных, тек- стильных предприятий. Специалисты насчитывают до 200 плотин, возведен- ных в XVIII веке в России под Москвой, Тулой, на Урале, Алтае, в Забайка- лье. Среди первых плотин, построенных в России, выделяется Змеиногорская земляная плотина высотой 18 м. В это же время, одновременно с созданием флота, в России начинается строительство судоходных систем, соединивших 51 бассейны разных рек. В XVIII – начале XIX веков сооружаются Тихвинская, Северо-Двинская, Вышневолоцкая и Мариинская (перестроенная в ХХ веке в Волго-Балтийскую) водные системы. По-видимому, первой плотиной в Европе, построенной для ГЭС, была Одерич, высочайшая плотина Германии конца Х1Х века. Длина 151 м, мак- симальная высота 22 м, толщина 16 м на гребне и 44 м у подошвы. Интересна конструкция этой плотины-сэндвича: три стены из гранитной кладки, верхо- вая, низовая и центральная – ядро; пазухи между стенами заполнены грунтом и мхом. 3.3. Водосбросные и водоподводящие устройства на плотинах На практике часто водопропускные и водопроводящие устройства уст- раиваются на плотинах. Плотины называют глухими, если через них не сбрасывается вода в нижний бьеф и водосбросными, если в теле плотины имеются отверстия для сброса воды. Типы водосбросных отверстий бетон- ных плотин схематично показаны на рис. 3.3. Отверстия в водосбросных плотинах могут быть как поверхностными (с устройством водосливов, рис. 3.3,а,в,д), так и погруженными под уровень воды (с устройством глубинных и донных водных трактов, рис. 3.3,б,г). Как правило, водосбросные отверстия на плотинах оборудованы затворами, по- зволяющими регулировать сбросной расход. Размеры и типы водосбросных отверстий назначаются на основе расчетов и лабораторных гидравлических исследований. Водосбросы имеют головную часть (водоприемники), которые служат для приема воды из водохранилища или водотока, то есть являются водоза- борами (рис. 3.4). Различают водоприемники с открытым и с глубинным во- дозабором. Они применяются как на низконапорных, так и высоконапорных гидроузлах для самых разных целей: энергетики, орошения, рыбоводства и т.п. Особым типом водозаборов являются водоприемники для бытового и технического водоснабжения и те, и другие могут встраиваться в гидротех- нические сооружения ГЭС. Водозаборы технического водоснабжения на ГЭС предусматриваются всегда. Тип и конструкция водоприемника зависят от схемы и состава соору- жений ГЭС, а также от природных условий района ее строительства. Энергетические (турбинные) водоприемники, как правило, делятся на два типа – напорные (рис. 3.4. схемы I, III) и безнапорные (рис. 3.4. схемы II, IV). 52 Напорные водоприемники ГЭС применяют обычно на глубоких водо- хранилищах в условиях значительного колебания ВБ, а безнапорные приме- няются на ГЭС при небольших глубинах и колебаниях уровней. Водоприемники должны иметь: заграждения (затворы) для прекраще- ния подачи воды и обеспечения ремонта; устройства для борьбы с наносами, плавающим сором, льдом и шугой, а также необходимое гидромеханическое оборудование и подъемные устройства для обслуживания водоприемника. Поток воды, сбрасываемый через водосбросы плотин, обладает боль- шой кинетической энергией и может разрушить тело плотины, её основание и берега в нижнем бьефе. Чтобы уберечь тело плотины от повреждений, во- досливной поверхности придается специальное очертание. Для гашения энергии сбрасываемой воды на водосбросах создаются специальные конст- руктивные элементы. Рис. 3.4. Схемы водоприемников I-III – напорные схемы; II-IV – безнапорные схемы В их числе: а) гасители энергии (водобойные стенки, водобойные ко- лодцы, выступы, углубления, зубчатые пороги, создающие искусственную шероховатость); б) уступы и трамплины, обеспечивающие отброс струи от плотины; в) аэраторы, вовлекающие воздух в воду и смягчающие поток; г) сочетания конструктивных элементов, обеспечивающих создание специаль- ных гидравлических режимов в нижнем бьефе (например, гидравлического прыжка, в вальце которого происходит гашение энергии за счет взаимного трения струй). 53 На рис. 3.5 показано сечение водосбросной плотины с водосливом на нескальном основании с конструктивными элементами, предназначенными для гашения энергии – водобойной плитой (8) и гасителями энергии (9). Кроме того, на рис. 3.5 схематично показаны противофильтрационные уст- ройства – |