Бетонные плотины гидроузла по конструкции бывают
Обновлено: 04.07.2024
Бетонные плотины гидроузла по конструкции бывают
ВОДОПРОПУСКНЫЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ (ВОДОСБРОСНЫЕ, ВОДОСПУСКНЫЕ И ВОДОВЫПУСКНЫЕ). ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Water Passageways Hydraulic Structures (Discharge Sluices, Emptying and Dewatering Conduits). Rules of Projecting
Дата введения 2017-06-17
Предисловие
Сведения о своде правил
1 ИСПОЛНИТЕЛЬ - АО "ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева"
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"
3 ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Департаментом градостроительной деятельности и архитектуры Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России)
6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего свода правил соответствующее уведомление будет опубликовано в установленном порядке. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте разработчика (Минстрой России) в сети Интернет
Введение
Свод правил разработан авторским коллективом АО "ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева": канд. техн. наук А.П.Пак - руководитель темы, д-р техн. наук В.Б.Глаговский, вед. научный сотрудник, канд. техн. наук А.М.Швайнштейн, вед. научный сотрудник А.Б.Векслер.
1 Область применения
Настоящий свод правил устанавливает требования к проектированию водопропускных трактов строящихся и реконструируемых водосбросных гидротехнических сооружений и распространяется на сооружения, входящие в состав энергетических, воднотранспортных и мелиоративных гидроузлов, систем водоснабжения, переброски стока и борьбы с наводнениями, а также гидроузлов комплексного назначения.
Свод правил может применяться при расчетной оценке состояния эксплуатируемых сооружений с учетом результатов натурных наблюдений и обследований.
Свод правил не распространяется на водозаборные сооружения, подводящие и отводящие водоводы гидроэнергетических и насосных станций, каналы любого назначения и судопропускные сооружения.
Свод правил не распространяется на проектирование инженерных конструкций водопропускных сооружений: обеспечение их прочности и устойчивости, фильтрационной прочности конструктивных элементов сооружений и оснований.
2 Нормативные ссылки
В настоящем своде правил использованы нормативные ссылки на следующие нормативные документы:
ГОСТ 13087-81 Бетоны. Методы определения истираемости
ГОСТ 19185-73 Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения
СП 38.13330.2012 "СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)"
СП 39.13330.2012 "СНиП 2.06.05-84* Плотины из грунтовых материалов"
СП 40.13330.2012 "СНиП 2.06.06-85* Плотины бетонные и железобетонные"
СП 58.13330.2012 "СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения"
СП 102.13330.2012 "СНиП 2.06.09-84 Туннели гидротехнические"
Примечание - При пользовании настоящим сводом правил целесообразно проверить действие ссылочных документов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте федерального органа исполнительной власти в сфере стандартизации в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего свода правил в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов.
3 Термины и определения
В настоящем своде правил использованы термины и определения по ГОСТ 19185 и СП 58.13330, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 водопропускное гидротехническое сооружение: Сооружение, предназначенное для пропуска воды в заданном направлении.
3.2 водосбросное сооружение; водосброс: Водопропускное сооружение, предназначенное для сброса воды из верхнего бьефа для предотвращения его переполнения.
3.3 водовыпускное сооружение; водовыпуск: Водопропускное сооружение для целевых попусков воды из водохранилища или канала или организованного выпуска воды в водоток или водоем в системе водопользования.
3.4 водоспускное сооружение; водоспуск: Водопропускное сооружение для опорожнения водохранилища или канала, временного понижения уровня воды в них.
3.5 сопряжение бьефов: Гидравлическое явление в месте сопряжения потока, пропускаемого через водопропускное сооружение, с нижележащим водным объектом - нижним бьефом сооружения.
3.6 регулируемый водосброс: Водосброс с затворами.
3.7 нерегулируемый (автоматический) водосброс: Водосброс без затворов.
3.8 поверхностный (открытый) водосброс: Водосброс с незамкнутым поперечным сечением, расположенный на поверхности плотины или в породах берегового примыкания, а также на перекрытии здания ГЭС.
Примечание - В зависимости от места размещения он может быть русловым, береговым, пойменным.
3.9 закрытый водосброс: Водосброс с замкнутым поперечным сечением - трубчатый или туннельный.
3.10 трубчатый водосброс (водовыпуск, водоспуск): Водосброс с замкнутым поперечным сечением, расположенный внутри или под водоподпорным сооружением и выполненный открытым способом.
3.11 туннельный водосброс (водовыпуск, водоспуск): Водосброс с замкнутым поперечным сечением, расположенный в коренных породах и выполненный без их вскрытия.
3.12 глубинный водосброс: Водосброс, входное сечение которого расположено ниже уровня свободной поверхности водоема.
3.13 донный водосброс: Глубинный водосброс, расположенный у дна водоема.
3.14 башенный водосброс: Водосброс, состоящий из башни в которую вода поступает через водосливные оголовки и глубинные отверстия, если они имеются, и отводящего тракта (туннеля или трубы).
3.15 сифонный водосброс: Водосброс, в котором движение воды осуществляется по принципу сифона.
3.16 шахтный водосброс: Водосброс, состоящий из вертикальной или круто наклонной шахты с водосливной воронкой на входе и отводящего туннеля.
3.17 траншейный водосброс: Водосброс, на входе которого имеется водослив, расположенный вдоль водосборной траншеи, в которую вода переливается с одной или двух, или трех сторон.
3.18 быстроток: Водосбросное сооружение, в состав которого входит канал или лоток с уклоном дна, превышающим критический.
3.19 концевой участок водосброса: Участок водосбросного тракта, примыкающий к его выходному сечению.
3.20 концевое устройство: Элемент конструкции водосброса, обеспечивающий заданный режим течения на участке сопряжения с нижним бьефом (крепление дна нижнего бьефа, носок-трамплин, уступ).
3.21 крепление дна нижнего бьефа: Элементы водопропускного сооружения, расположенные на дне с его низовой стороны и предназначенные для защиты его от подмыва, гашения избыточной кинетической энергии сбросного потока и обеспечения сопряжения его с отводящим руслом (естественным или искусственным).
Примечание - Крепление обычно включает в себя: водобой, рисберму и переходное крепление.
3.22 гасители избыточной энергии потока; гасители: Устройства, сооружаемые на креплении нижнего бьефа водосброса и/или в пределах его водосбросного тракта, обеспечивающие интенсификацию гашения основной части избыточной кинетической энергии сбросного потока и его распределение по ширине при работе частью фронта.
Примечание - Наиболее распространенные типы гасителей, располагаемых в нижнем бьефе: сплошная водобойная стенка, прорезная водобойная стенка, водобойный колодец, комбинированные гасители (водобойная стенка с неглубоким колодцем за ней, сочетание пирсов и шашек с водобойными стенками и др.).
3.23 водобой: Крепление русла за водопропускным сооружением, на котором происходит гашение основной части избыточной кинетической энергии потока и которое воспринимает его гидродинамическое воздействие.
3.24 рисберма: Расположенный за водобоем участок крепления нижнего бьефа, предназначенный для гашения остаточной части избыточной кинетической энергии потока и зашиты водобоя от подмыва.
3.25 переходное крепление нижнего бьефа: Деформируемое крепление, предназначенное для сопряжения рисбермы с неукрепленным руслом и предотвращения ее подмыва, выполненное из каменной наброски, бетонных блоков или плит с гибкими связями.
3.26 вираж: Устройство для поворота безнапорного бурного потока на заданный угол в плане и перевода его на последующий участок с заданными значениями параметров течения.
3.27 консольный перепад: Концевая часть канала или лотка, выполненная в виде консоли, представляющая собой обычно трамплин для отброса и распределения потока на нижележащем участке водотока.
3.28 ступенчатый перепад: Водосбросное сооружение для ступенчатого сопряжения и гашения избыточной кинетической энергии на безнапорных участках водотока или водовода, расположенных на разных уровнях.
3.29 вихревой водосброс: Водосброс, на тракте которого с помощью специальных устройств создается закрутка потока, способствующая снижению кавитационной опасности и интенсификации гашения его кинетической энергии.
3.30 затворная камера: Участок водосброса с замкнутым сечением, в пределах которого размещаются основной эксплуатационный, аварийный и в некоторых случаях также ремонтные затворы и относящиеся к ним устройства.
3.31 водослив: Гидротехническое сооружение в виде препятствия или горизонтального стеснения, через которое происходит перелив воды.
3.32 водослив с тонкой стенкой: Водослив, условия перелива воды через который определяются только верховой гранью стенки.
Примечание - При вертикальных напорной и низовой гранях к этому типу относятся водосливы, толщина стенки которых меньше половины напора над гребнем.
3.33 водослив с широким порогом: Водослив, условия перелива воды через который определяется течением по его горизонтальной или слабонаклонной поверхности.
Примечание - К этому типу относятся водосливы, размер горизонтальной поверхности которых в направлении течения, как правило, больше двух и меньше восьми напоров над гребнем.
3.34 водослив практического профиля: Водослив, условия перелива воды через который определяется очертаниями его верховой грани и водосливной поверхности.
Примечание - К этому типу относятся водосливы, размеры стенок которых отличны от водослива с тонкой стенкой и от водослива с широким порогом
3.35 быки: Обтекаемые потоком опорные конструкции затворов, мостов или подкрановых путей, устанавливаемые на водопропускных сооружениях.
3.36 раздельные стены: Продольные стены на обтекаемой поверхности водосброса, разделяющие сбросной поток по ширине на отдельные пролеты (отверстия).
3.37 входной оголовок, входной портал: Обычно плавно очерченный входной участок водосброса, в частности водосброса с замкнутым сечением, на протяжении которого осуществляется плавный переход от расширенного входного сечения к начальному сечению транзитной части водосброса.
3.38 гребень водослива: Верхняя часть водослива.
3.39 аэратор: Элемент конструкции водосброса (водовыпуска, водоспуска), предназначенный для снабжения воздухом его поверхностей, обтекаемых высокоскоростным потоком воды, и для предотвращения кавитации.
3.40 носок-трамплин: Концевой участок водосброса, при сходе с которого струя свободно отбрасывается в нижний бьеф.
3.41 промывная галерея: Водопропускное сооружение, предназначенное для смыва наносов в нижний бьеф.
3.42 гидротехнический туннель, туннель: Горизонтальный или слабонаклонный водовод замкнутого поперечного сечения, устроенный в грунте без вскрытия вышележащего породного массива.
3.43 строительный туннель: Гидротехнический туннель, пропускающий расходы воды на начальном этапе строительства гидроузла в обход перемычек, частично или полностью перегораживающих русло реки.
3.44 шугосброс: Водопропускное сооружение, предназначенное для сброса шуги в нижний бьеф и предотвращения ее поступления в закрытый водовод.
3.45 сбойное течение, сбойность: Течение, возникающее при взаимодействии транзитного потока и водоворотных областей, характеризуемое резкими, иногда неустойчивыми во времени, искривлениями динамической оси транзитного потока.
Основы гидротехники - Бетонные плотины
Конструктивные особенности и типы бетонных гравитационных плотин зависят от величины воспринимаемого ими напора, инженерно-геологических условий (физико-механических свойств горных пород) и топографических особенностей места и строительства. При напорах выше 25— 30 м эти плотины возводят преимущественно только на скальных основаниях, при меньших напорах—на мягких грунтах (глина, суглинок, песок и др.).
Выше уже творилось, что гравитационные плотины выполняют глухими (см. рис. 2.1) и водосливными с затворами (рис. 2.9) и без затворов на гребне (см. рис. 2.2). Плотины с затворами в зависимости от высоты бетонной части имеют несколько разновидностей: плотины с высоким порогом (рис. 2.9 а), если напор образуется (поддерживается) бетонной частью и затворами; плотины с низким порогом (рис. 2.9,б), если напор создается преимущественно затворами.
Гравитационные плотины выполняют массивными и облегченными, в том числе с расширенными швами, с полостями у основания, с анкеровкой к основанию (при прочных скальных грунтах) с заменой внутренних зон их тела бетоном более низких марок (меньшей прочности) или бутовой кладкой.
В зависимости от качества основания подземная часть плотины (ее фундаментная часть) может возводиться без противофильтрационной завесы, с завесой и дренажем, с анкерным понуром.
Но форме поперечного профиля различают плотины высоких профилей, с шириной подошвы, меньшей высоты плотины (при прочных скальных основаниях), и плотины распластанных профилей (возводят на слабых основаниях), у которых ширина подошвы превосходит высоту плотины.
Все типы гравитационных плотин выполняют прямолинейными в плане. Высота их на скальных основаниях достигает 200 м и более при объемах бетонной кладки 2,5 млн. м 3 и выше.
По экономическим соображениям глухие гравитационные плотины строят только на участках примыкания их к берегам, к силовым зданиям ГЭС, к земляным плотинам и дамбам.
Водосливные гравитационные плотины обычно входят в состав гидроузлов в качестве водосбросных сооружений.
Требования, предъявляемые к бетонным плотинам в отношении устойчивости и прочности.
Бетонная плотина, как и любое водонапорное сооружение, должна быть устойчивом, прочной и достаточно водонепроницаемой.
Под устойчивостью плотины понимается ее способность противостоять всем действующим на нее внешним силам в их самом неблагоприятном сочетании, оставаясь неподвижной, т. е. в состоянии покоя, уравновешивая с достаточным запасом все действующие на нес сдвигающие и опрокидывающие силы.
Под прочностью плотины, как и любого сооружения, понимается ее способность противостоять всем действующим на нее внешним силам, не разрушаясь как в целом, так и в отдельных элементах.
Устойчивость тела бетонной плотины проверяют на скольжение. опрокидывание и всплывание. Равновесие тела высоких бетонных плотни рассматривают без участия понура, так как он не бывает с ними связан, а низких плотин —с участием понура. Все силы, действующие на плотину, можно путем их сложения по правилам механики привести к трем силам (рис. 2.10):
горизонтальной стремящейся сдвинуть ее по основанию в сторону и. б.; вертикальной Р. направленной сверху вниз (масса тела плотины, всех ее элементов и пригрузки воды на ее горизонтальные элементы); вертикальной N, направленной снизу вверх (фильтрационное противодавление и архимедовы силы).
Проверка устойчивости плотины на скольжение состоит в сопоставлении действующей на плотину сдвигающей силы W с силой, сопротивляющейся сдвигу. Последней является сила трении между подошвой плотины и грунтом основания Т = (Р — — N)f, где f коэффициент трения бетона по грунту. Условие устойчивости на скольжение (сдвиг) записывается так:
(1)
где кс — коэффициент устойчивости на сдвиг по плоскости основания, представляющий отношение сил удерживающих к силам сдвигающим и характеризующий меру запаса устойчивости плотины на сдвиг; обычно kc принимают равным 1,2:1.3.
Расчет на сдвиг бетонных плотин на мягких грунтах выполняют с учетом части основания по криволинейной, обычно цилиндрической поверхности скольжения. Проверка устойчивости плотины на опрокидывание состоит в сопоставлении суммы моментов Рр удерживающих сил относительно точки А с суммой моментов (Ww+Nn) опрокидывающих сил относительно этой же точки. Условие равновесия па опрокидывание записывается так:
(2)
где р, w и п — плечи сил Р, W и V относительно точки А: k — коэффициент устойчивости на опрокидывание, характеризующий меру запаса устойчивости плотины на опрокидывание; он должен быть всегда больше единицы.
Проверка на опрокидывание производится только для высоких плотин на скальных основаниях.
На всплывание проверяют только плотины с низким порогом, сопоставляя силы Р. препятствующие всплыванию, с силами N, вызывающими всплывание. Условие устойчивости на всплывание записывается так:
(3)
где kа — коэффициент устойчивости на всплывание, принимаемый равным 1,25+ 1,30.
Расчет прочности бетонной плотины сводится к определению величины напряжений в ее теле и в основании (по подошве), которые не должны превосходить их значений, рекомендуемых
СНиП. Расчет выполняют для нескольких случаев при различном сочетании действия внешних сил. Прочность бетонных плотин рассчитывают по формулам сопротивления материалов и теории упругости в соответствии со СМ 123-60.
Для плотин на нескальных грунтах выполняют расчет осадок оснований в соответствии со СНиП II-Б. 3-62 «Основания гидротехнических сооружений».
Прочность тела бетонных плотин во многом зависит от качества бетона, способов его укладки и ухода за ним в период схватывания. Гидротехнический бетон должен быть прочным, морозостойким, водонепроницаемым и не подверженным воздействию агрессивных вод (антикоррозийным). Для его приготовления применяют цементы высоких марок и специальных видов, а заполнители —из прочных и морозостойких горных пород, строго руководствуясь правилами подбора всех составляющих бетонной смеси и технологии ее укладки в тело плотины. Марки бетона1 и его характеристики принимают в соответствии со СH 55-59 и ГОСТ 4795-68.
Основные конструктивные особенности бетонных плотин.
Водосливная плотина с низким порогом состоит из флютбета, береговых устоев, сопрягающих плотину с берегами (с земляной плотиной или дамбами), бычков, разбивающих водосливной фронт плотины на отдельные водопропускные отверстия, и затворов, перекрывающих последние.
Флютбет, как и у деревянной плотины, состоит из ряда элементов, назначение которых то же, т. е.: воспринять давление воды, действующей на плотину, и передать его на грунт основания; уменьшить величину фильтрационного противодавления на подошву плотины; снизить фильтрационный расход и скорости фильтрации под плотиной; предохранить ее основание, если оно сложено мягкими грунтами, от механической суффозии; укрепить русло реки в нижнем бьефе за плотиной от размыва водным потоком, проходящим через ее водосбросные отверстия.
Основные элементы флютбета бетонной плотины (рис. 2.11): понур, тело плотины, примыкающее к понуру и несущее на себе бычки, затворы, служебный мост, с которого производят управление затворами, водобой и рисберма.
Понур представляет собой горизонтальную и водонепроницаемую преграду. Помимо понура в состав флютбета вводят вертикальные водонепроницаемые преграды в виде металлических или деревянных шпунтовых стенок. Их размешают по всей длине плотины от одного берегового устоя до другого и под устоями, в начале понура (верховой шпунтовый ряд), на стыке понура с телом плотины (низовой шпунтовый ряд).
Они характеризуют прочность бетона: чем выше марка, тем выше прочность.
При слабых основаниях шпунтовые линии неглубокого заложения устраивают на стыке тела плотины с водобоем. Шпунтовые стенки надежно сопрягают с понуром и телом плотины, выполняя сопряжения обязательно водонепроницаемыми. Вертикальные пути фильтрации — шпунтовые стенки и бетонные зубья — являются более эффективным техническим средством борьбы с фильтрацией и ее последствиями, чем горизонтальные. Их применение позволяет сокращать длину понура.
Понур выполняют бетонным, армобетонным, из битумных материалов или глиняным (из слоя плотной мятой глины)
Армобетонный понур может связываться с телом плотины, что повышает устойчивость последней на сдвиг за счет пригрузки понура водой в в. б. В этом случае понур называется анкерным. Анкерные понуры предпочтительнее выполнять гибкими во избежание появлении в них трещин.
Понур у всех плотин размещают в в. б. перед линией затворов.
Суммарная развернутая (вытянутая в линию) длина контура всех подземных водонепроницаемых частей флютбета называется подземным контуром плотины и определяется специальным гидротехническим расчетом.
При наличии в основании плотины скальных грунтов понур обычно не делают. Вместо шпунтовых рядов устраивают цементационную завесу (см. рис. 2.1. 2.9). для чего по всему напорному фронту плотины под передним краем ее тела бурят скважины, через которые нагнетают цементный раствор, заполняющий все трещины горной породы и повышающий ее водонепроницаемость. Этим уменьшается фильтрация под плотину и снижается фильтрационное противодавление на ее подошву.
Собственно тело плотины является напорно-водосливной частью, через которую протекает водный поток. Верхней огибающей поперечного профиля плотины придают криволинейную форму. В гидравлическом отношении она представляет собой так называемый водослив практического профиля. В зависимости от очертания водосливной части профили бетонных плотни разделяют на вакуумные и безвакуумные. В вакуумном профиле давление под переливающейся струей меньше атмосферного, в безвакуумном профиле равно или больше атмосферного. Безвакуумные профили имеют несколько меньшие коэффициенты расхода, чем вакуумные и очерчиваются но координатам, приводимым в гидравлических справочниках. Оголовки вакуумных профилей плотин очерчивают по окружности или эллипсу; передняя грань их обычно вертикальная. Отверстия водосливных плотин используются при учете стока на гидроузлах, поэтому особенно важно знать гидравлические характеристики отверстий (коэффициенты расхода, величина бокового сжатия, скорость подхода водного потока).
Для уменьшения величины фильтрационного противодавления на подошву на всем протяжении тела плотины устраивают смотровую галерею-потерну. Из потерны до подошвы закладывают вертикальный дренаж (систему вертикально заделанных в тело плотины дренажных груб), который принимает воду, профильтровавшуюся вдоль понура, шпунтовых рядов и через толщу грунта основания. В потерне устраивают дренажные насосы для откачки из нее воды. От места входа в вертикальный дренаж под подошвой тела плотины на всей ее ширине укладывают обратный фильтр.
Для предохранения русла реки от размыва к телу плотины со стороны и. б. приминается водобой с рисбермой, размеры которых определяют гидравлическим расчетом и лабораторными исследованиями. Водобои обычно представляет собой массивную бетонную плиту достаточно большой длины со специальными устройствами для гашения кинетической энергии потока, переливающегося через водосливную часть плотины. Рисберма — менее массивное крепление из бетонных плит, ряжей, загруженных камнем, или каменной наброски. Длина рисбермы должна быть такой, чтобы водный поток, перелившийся через тело плотины и прошедший через водобои, мог приобрести ту же скорость, что и у потока в и. б.
Бетонная водосливная плотина обычно занимает не всю ширину русла реки. Она может располагаться и на пойме, если русло реки перекрывается земляной или смешанной плотиной. Водосливная плотина сопрягается с берегами речной долины с помощью земляных плотин. Если береговые глухие участки плотины имеют незначительную длину, их выполняют бетонными.
Для предотвращения значительной фильтрации через берега в обход плотины, в местах ее примыкания к берегам делают противофильтрационные устройства: бетонные и глиняные шпоры, шпунтовые стенки, цементационные завесы.
Высокие бетонные гравитационные плотины имеют те же конструктивные элементы, что и низконапорные плотины.
Поперечное сечение высокой массивной бетонной плотины равномерно расширяется книзу и имеет вид треугольника с вершиной на уровне в. б. (см. рис. 2.1). Такая форма его обусловлена тем. что но мере заглубления тела плотины под уровень в. б. давление воды на верховую грань возрастает, поэтому и масса более глубоких частей (слоев) плотины должна быть соответствен но больше, чем верхних.
Треугольный профиль плотины завершается небольшим прямоугольником, возвышающимся над водой, позволяющим осуществлять по гребню плотины служебный проход или транспортную связь между берегами реки.
Ширина плотины по основанию принимается такой, чтобы при наполненном водохранилище у низовой грани нс возникало чрезмерно большого давления, а у верховой грани не получалось бы излишнего облегчения, вызывающего растяжение бетона и возможность появления в нем трещин.
Для уменьшения фильтрационного противодавления на подошву плотины у ее тела устраивают зуб-траншею, заполняемую бетоном одновременно с возведением тела плотины, а по линии зуба противофильтрационную завесу. На остальной части подошвы делают дренаж, позволяющий профильтровавшейся воде свободно вытекать в и. б., нс вызывая давления на подошву плотины.
Большое давление воды, оказываемое на высокие плотины, способствует ее проникновению в их тело (в поры бетона, в швы бетонной кладки), что приводит со временем к снижению прочности бетона. Часть тела высоких бетонных плотин, расположенную у напорной грани, для уменьшения проникновения воды выполняют из плотного, маловодопроницаемого бетона, а поверхность напорной грани покрывают гидроизоляцией -водонепроницаемыми покрытиями из битумных и асфальтовых материалов. Чтобы ограничить фильтрацию в тело плотины только ее частью, расположенной у напорной грани, к иметь возможность контролировать это явление, на пути фильтрации по всей высоте плотины, ближе к напорной грани, устраивают вертикальный трубчатый дренаж. Он перехватывает профильтровавшуюся воду и выводит в потерны, откуда она отводится самотеком или откачивается в и. б. У высоких плотин создают несколько потерн, располагаемых на разной высоте.
Для предотвращения появления в телах низконапорных и высоконапорных плотин трещин под влиянием температурных деформаций, являющихся следствием колебания температуры, их в процессе строительства разрезают сквозными температурными швами на секции (блоки) определенной длины. Чтобы через швы нс было утечек воды из в. б., их пересекают специальными уплотнениями шпонками.
Во избежание появлении температурных трещин в телах бетонных плотин в процессе схватывания бетона, которое сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермия), плотины бетонируют отдельными блоками, располагаемыми вразбежку с перекрытием швов между ними. Небольшие по объему блоки, сравнительно с полным объемом тела плотины, довольно быстро отдают в атмосферу тепло, выделяющееся в процессе экзотермии, в связи с чем возникающие в них температурные деформации малы и трещины не возникают.
Описанными типами бетонных гравитационных плотин далеко не исчерпывается все их многообразие. В СССР бетонные гравитационные плотины с напорами около 100 м построены в составе Братской. Усть-Илимской и Красноярской ГЭС. арочно-гравитационные плотины с напорами до 200 м на Токтогульской и Саяно-Шушенской ГЭС, арочная с напором 300 м на Ингури ГЭС.
Основы гидротехники - Назначение и классификация плотин
Плотины являются наиболее распространенным типом водоподпорных гидротехнических сооружений. Их применяют в самых разнообразных водохозяйственных целях: для регулирования стока, улучшения условии судоходства и лесосплава на реках, для водоснабжения юродов, промышленных объектов, населенных пунктов, при использовании водной энергии, при обводнении и орошении. Плотины, как правило, входят в состав всех напорных речных гидроузлов и гидротехнических систем и являются наиболее ответственными сооружениями. особенно когда с их помощью создают водохранилища больших объемов.
Для современных плотин характерно наличие большого числа их типов, отличающихся конструктивными особенностями и возможностями применения и тех или иных природных условиях. В целях упрощения выбора типа плотин для конкретных условий (климатических, гидрологических, топографических. инженерно-геологических, производственных) и решения определенных водохозяйственных задач в гидротехнике существует их классификация по ряду признаков: водохозяйственному (по степени регулирования речного стока), величине воспринимаемого напора, гидравлическому (по способу пропуска воды), статическому расчетному (по способу восприятия основных нагрузок и сопротивлению сдвигу), по материалу, из которого их строят.
Но водохозяйственному признаку плотины с некоторой условностью разделяют на водоудержательные или водохранилищные, сооружаемые для устройства водохранилищ в речных долинах и примыкающих к ним понижениях местности, и подоподъемные, сооружаемые только для повышения уровня воды в реке или озере.
Водохранилищные плотины могут иметь значительную протяженность (несколько километров) и высоту до нескольких сотен метров (плотина Нурекской ГЭС на р. Вамп около 300 м). Ими образованы водохранилища огромных объемов в десятки кубических километров.
Водоподъемные плотины отличаются небольшими напорами (редко свыше 10 м). Поднимая уровни воды в реках обычно в пределах берегов русла или поймы, они образуют так называемые русловые водохранилища незначительных объемов.
По величине воспринимаемого напора плотины, так же как и гидроузлы, делят на низконапорные, средненапорные и высоконапорные.
По гидравлическому признаку различают плотины глухие, не допускающие пропуска воды через их гребень, и водосливные допускающие перелив воды через гребень (через верх).
Глухие плотины (рис. 2.1) для пропуска через них речною потока имеют водосливные и водовыпускные отверстия (водосбросы и водоспуски) в теле плотины или вне его. Водосливные плотины выполняют без затворов (рис. 2.2) и с затворами1 (щитами), перекрывающими водосливные отверстия, которые устраивают на гребне плотины с помощью бычков (бетонных стенок с пазами для затворов).
По способу восприятия основных нагрузок и сопротивлению сдвигу (статическо-расчетному признаку) плотины разделяют на следующие:
- гравитационные (см. рис. 2.1 и 2.2), имеющие большую собственную массу, вследствие чего по их подошве возникает большая сила трения, обеспечивающая устойчивость плотины на сдвиг под воздействием стремящихся сдвинуть ее сил; к этим плотинам относятся земляные, каменнонабросные, смешанные, бетонные, железобетонные и деревянные ряжевые;
- арочные — бетонные и железобетонные плотины, работающие как система упругих горизонтальных арок, опирающихся на берега; арочно-гравитационные, работающие одновременно как арка и гравитационная плотина; многоарочные плотины (рис. 2.3), представляющие собой ряд арок, передающих нагрузку на промежуточные бычки — контрфорсы; арочные плотины обычно выполняют глухими, многоарочные (малого напора) водосливными; — контрфорсные, состоящие из ряда контрфорсов (обычно выполняемых из железобетона), пролеты между которыми перекрываются железобетонными плоскими или криволинейными плитами, воспринимающими давление воды с в. б. и передающими его через контрфорсы основанию; у деревянных плотин контрфорсы выполняют из деревянных брусьев.
Их называют гидротехническими затворами.
Контрфорсные плотины выполняют глухими и водосливными.
Рис. 2.3. Многоарочная плотина.
1- водохранилище, 2- арки. 3 — контрфорсы. 4 — зуб.
По роду основного материала, из которого возводят плотины, различают следующие основные типы: из местных материалов (земляные, из каменной наброски, смешанные), бетонные, железобетонные, деревянные.
Основы гидротехники - Плотины из местных материалов
Земляные плотины широко применяют почти при всех видах водохозяйственного строительства. Они просты по конструкции и долговечны. Л\атсриалы для их возведения (суглинистый и супесчаный грунты, а для отдельных их частей песок, гравийно-песчаные смеси и глина) почти всегда имеются на месте строительства. По своим технико-экономическим показателям земляные плотины успешно соперничают с другими типами плотни из местных материалов при напорах до 80 м.
По способу производства работ земляные плотины подразделяют на два основных типа: насыпные с искусственным уплотнением укладываемого в тело плотины грунта; намывные и полунамывные, которые строят с применением средств гидромеханизации.
Земляные и каменнонабросные плотины, возводимые с помощью направленных взрывов, относят к насыпным.
Высота земляных плотин достигает 120 м (р. Дюране, Франция). В СССР плотина на р. Иори (Грузинская ССР) имеет высоту 84,8 м, а на р. Куре у Мингечаурской ГЭС (Азербайджанская ССР) —80,0 м.
Профиль тела земляной плотины из однородного материала имеет форму трапеции и состоит из ряда конструктивных элементов, выполняющих определенные функции (рис. 2.4).
Тело плотины должно быть устойчиво при полном напоре воды на нее и при опорожнении водохранилища. Верховой откос надежно защищают от силовых воздействий ветровых волн и ударов плавающих тел, низовой — от размыва ливневыми и талыми водами. При наличии дороги на гребне плотины его укрепляют защитным покрытием. Откосы плотины не должны разрушаться в результате промерзания. При полном напоре на плотину фильтрация через ее тело и в основание не должна быть значительной, а появление фильтрующейся через него воды на низовом откосе недопустимо.
Величина заложения (крутизна) откосов земляной плотины, при которой обеспечивается их устойчивость, определяется способностью грунта, насыщенного водой, оказывать сопротивление сдвигу и зависит от угла внутреннего трепня грунта и удельного сцепления в нем.
При сооружении высоких земляных плотин крутизна откосов должна быть переменной: в верхней части откосы крутые, у основания — более пологие. Крутизна откосов и размеры профиля земляной плотины зависят от природных свойств грунта и от способов его укладки.
Верховые откосы защищают от разрушения с помощью бетонных плит, каменном наброски, каменной мостовой, укладываемых по слою обратного фильтра. Низовой откос укрепляют одерновкой или посевом трав.
Конструкции дренажа земляных плотин весьма разнообразны. Обычно дренаж представляет собой упорную (см. рис. 2.4) или прислонную 1 каменную призму, сквозь которую профильтровавшаяся вода свободно уходит в и. б.
1Несколько слоев песчаного или гравелистого материала разной крупности. уложенного так. что слон, представленный мелкими частицами, обращен навстречу фильтрационному потоку.
Прислонная дренажная призма укладывается на откосе (прислоняется к нему).
По плоскости соприкосновения дренажа с откосом плотины укладывают обратный фильтр. Задача фильтрационною расчета земляной плотины состоит в выявлении при принятых размерах условий движения в ее теле фильтрационного потока и влияния его на устойчивость низового откоса плотины и основания. Кривая депрессии должна размещаться в теле земляной плотины ниже глубины его промерзания и сопрягаться с дренажным устройством.
Тело земляной плотины при отсутствии в достаточном количестве на месте строительства маловодопроницаемого грунта может быть выполнено и из разных грунтов неоднородная (смешанная) плотина. Маловодопроницаемые грунты укладывают в центр профиля плотины но всей ее длине, образуя так называемое ядро, плотина с ядром (рис. 2.5 а) или ими покрывают верховой откос, образуя покрытие, называемое экраном, плотина с экраном (рис. 2.5, б). Ядро и экран выполняют обычно из суглинка и сопрягают с основанием плотины с помощью зуба или шпунтовой стенки, доводя их до водоупора. При глубоком залегании водоупора к экрану со стороны в. б. присоединяют понур горизонтальный водонепроницаемый участок экрана, который выполняют из того же грунта, что и экран (рис. 2.5, в).
Назначение ядра и экрана — уменьшить фильтрацию через земляную плотину. Будучи выполненными из суглинка, они обладают достаточной пластичностью и при усадке тела плотины, оседая вместе с ним. не дают трещин.
Для защиты от промерзания суглинистые экраны покрывают слоем песка и гравия (щебня) толщиной 1-1,5 м. у основания плотины и толщиной не меньше глубины промерзания выше максимального подпорного уровня.
Жесткие экраны из бетона и железобетона дороже суглинистых и из смеси глины с песком; кроме того, при осадке тела плотины они обычно повреждаются и поэтому распространения не получили. В настоящее время применяют гибкие экраны из материалов, полученных на основе битумов и полимеров (асфальтобетон, пластобетон, полиэтиленовая пленка).
Если в районе строительства нет грунта для ядра или понура, их заменяют диафрагмой — плотины с диафрагмой (рис. 2.5 г). Диафрагмы выполняют из армобетона, железобетона. реже из древесины, обработанной антисептиками. Верх диафрагмы располагают выше самого высокого уровня воды в в. б., а низ заглубляют в основание и надежно сопрягают с водоупором.
В рассмотренных типах земляных плотин насыпка их тела производится грунтом, привозимым из карьера. Грунт укладывают слоями, слабо наклоненными в сторону верхового откоса, толщиной 0,20—0,25 м и укатывают катками для придания ему надлежащей плотности. Поэтому эти плотины называют также укатанными.
При строительстве намывных земляных плотин грунт в тело подается в разжиженном состоянии (в виде пульпы) вместе с водой, которой он был размыт на месте разработки. Для предохранения от растекания пульпу направляют в пространство, огражденное небольшими дамбочками.
Если места сброса пульпы расположены возле дамб, здесь из нее выпадают и откладываются более крупные частицы грунта; более мелкие уносятся водой в центральную, пониженную часть образовавшегося бассейна, где они отстаиваются, а вода профильтровывается и частью сливается в реку. Намыв один ярус плотины, возводят на нем новые дамбочкн и повторяют операцию намыва. Намывная плотина относится к типу неоднородных. В центре ее образуется ядро из маловодопроницаемого грунта, а по сторонам располагаются водопроницаемые крупнозернистые грунты. При этом переход от ядра к боковым частям профиля тела плотины происходит постепенно.
В земляных плотинах, возводимых полунамывным способом, грунт привозят на место укладки в состоянии естественной влажности и набрасывают в виде валов по сторонам будущею тела плотины. Эти валы затем размывают струен воды, мелкие частицы при этом сносятся водой к центру, и получается намывной профиль.
Наиболее пригодными грунтами для возведения намывных плотин являются грунты средней крупности, содержащие примеси как глинистых, так и гравелистых частиц.
Все типы земляных плотин выполняют глухими, устраивая водосбросные отверстия вне их.
Каменнонабросные плотины.
Каменнонабросными называют плотины, тело которых состоит из каменной наброски, а противофильтрационные устройства представляют собой экраны или диафрагмы, выполненные из негрунтовых материалов. Они могут быть жесткими, полужесткими, гибкими. Экраны выполняют из железобетона, бетона, асфальтобетона, из полимерных материалов, металлическими и деревянными. Преимущественное распространение получили плотины с экранами. Экраны, особенно жесткие, вследствие их чувствительности к осадке наброски в теле плотины укладывают не на наброску, а на подэкрановую кладку слой постол истого камня, уложенный насухо и образующий наклонную стенку, положенную на откос наброски. Экран но всей длине плотины сопрягают с противофильтрационным устройством в виде шпунтового ряда, цементационной завесы, зуба или понура. Путем врезки экрана в берега на достаточную длину уменьшают фильтрацию в обход плотины. Во избежание образования в экранах трещин при изменении температуры, их, если они выполнены из полимерных материалов, заранее разделяют температурными швами, которые уплотняют пластичным материалом (гудрон, битум).
Заложение верхового откоса набросных плотин принимают около 1:1,3, что примерно соответствует углу естественного откоса наброски; заложение низового откоса принимают более пологим, обычно около 1:1,5.
Гибкие экраны устраивают из нескольких слоев железобетонных плит с прослойками из битума. Асфальтобетонные экраны на высоких плотинах выполняют многослойными, толщиной 25-30 см с подстилающим дренажным слоем из фильтра или пористого бетона.
Полимерные экраны (пленки) делают в виде сплошного водонепроницаемого покрытия, уложенною на верховом откосе плотины между бетонными сборными элементами, или покрытого защитным слоем грунта. На плотине на р. Храми (Грузинская ССР), имеющей высоту 32 м. был применен металлический экран из стального листа толщиной 8 мм.
В качестве материала для набросных плотин употребляют камень прочных пород, отличающийся морозостойкостью. Крупность камня определяется возможностями транспортных и погрузочных средств. Форма камня может быть неправильная, рваная.
Каменнонабросные плотины обычно выполняют глухими. Имеются плотины этого типа с переливом воды через гребень (плотина на р. Тишинке на Алтае).
Смешанная каменно-земляная плотина.
Смешанная плотина состоит наполовину из каменной наброски, наполовину из слабоводопроницаемого грунта. Наброска образует основной упорный массив плотины, который обеспечивает ее устойчивость.
Грунт—песок или суглинок, прикрывающий каменный массив наброски достаточно мощным слоем, чтобы свести фильтрацию к незначительной величине, представляет собой, по существу, экран плотины. Между земляной частью плотины, образующей экран, и каменной наброской укладывают обратный фильтр, чтобы предотвратить суффозию из экрана и наброску. Для защиты от возможных повреждений экран сверху покрывают слоем гальки, гравия или камня.
Материалом экрана может быть глина, суглинок, глинобетон. Толщину экрана увеличивают вниз по откосу и сопрягают его с водоупором или переводят в понур.
Пример каменнонабросной плотины с экраном, построенной в суровых климатических условиях, приведен на рис. 2.6.
Иногда более экономичными оказываются каменнонабросные плотины с пластичным ядром из связных грунтов или глинобетона. так как для них требуются меньшие количества материалов (суглинок, глина, камень). Ядро выполняют в центральной части профиля плотины вертикальным или несколько наклонным в сторону и. б. (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Схема каменно-земляной плотины с ядром.
1 -упорная призма из каменной наброски; 2 — каменная наброска; 3 — защитное покрытие верхнего и низового откосов, 4—пленка, 5 —обратный фильтр, 6 — упорная призма из каменкой наброски для низового откоса, 7 -цементная подготовка, 8 —суглинистое ядро плотины.
Каменнонабросные и смешанные плотины строят глухими. В случае необходимости при незначительной высоте плотины перелив воды через гребень допускают при условии покрытия низового откоса и гребня массивной железобетонной облицовкой, устройства за плотиной водобоя и надежного крепления русла в и. б.
Плотины смешанного типа с экраном можно возводить без ограждения русла перемычками, а путем наброски камня и грунта в текущую воду, что выгодно отличает их от других типов плотин.
Читайте также: