2 Плотины

2.1 Плотины из грунтовых материалов

Плотины из грунтовых материалов - водоподпорные сооружения, возводимые из естественных или искусственных грунтов. Искусственные грунты - грунты природного происхождения, закрепленные и уплотненные различными методами, а также смеси естественных грунтов, насыпные и намывные грунты, твердые отходы промышленной и хозяйственной деятельности (отходы горно-обогатительных предприятий, шлаки металлургической промышленности и др.).

Земляная плотина - гидротехническое сооружение из естественных грунтов (однородных или разнородных), перегораживающее русло водотока и удерживающее воду с одной стороны на более высоком уровне, чем с другой. Разность уровней воды в верхнем (ВБ) и нижнем бьефах (НБ) называется напором плотины [2, 20].
По высоте различают земляные плотины: высокие — с максимальным напором более 50 м; средние — с напором 15 - 50 м; низкие - с напором до 15 м. В рыбоводных хозяйствах строят в основном малонапорные земляные плотины высотой до 10 м (рисунок 6).

1 - верховой откос; 2 - низовой откос; 3 - гребень; 4 - подошва;
5 - заложение низового откоса; 6 - высота.
Рисунок 6 - Поперечное сечение земляной плотины (по Мамонтовой, 2012)
Земляные плотины можно возводить почти при любых геологических условиях местности. Они просты по конструкции, устойчивы, долговечны, и стоимость возведения их небольшая. Земляные плотины строятся из местного материала — грунта, который не требует предварительной обработки и разработка которого в карьерах не вызывает больших затруднений.

 

При строительстве земляных плотин можно применять различные землеройные машины и механизмы. Земляные плотины можно возводить большой высоты.
Для возведения земляных плотин можно применять все виды нескальных грунтов (рисунок 7). Исключением являются грунты, содержащие примеси неразложившихся органических включений, использование которых допускается при надлежащем обосновании. Применение в земляных плотинах илистых грунтов и плотных трудноразрабатываемых глин допускается при наличии технико-экономического обоснования.

Рисунок 7 - Возведение земляной плотины Усть - Среднеканской ГЭС
Для низовых частей профиля земляных плотин всех типов допускается применять песчаные, гравийные и галечниковые грунты.
При проектировании тип земляной плотины принимается в зависимости от наличия на месте строительства грунта для возведения плотины и рода грунта в ее основании. При наличии в основании иловатых и переувлажненных глинистых грунтов предусматривается дренирование основания. Грунты, содержащие неразложившиеся растения и корни, а также ходы землеройных животных, как правило, удаляются из основания или прорезаются зубом. Грунты, содержащие водорастворимые соли (более 5% по массе), удаляются из основания или принимаются специальные меры для предотвращения их выщелачивания или снижения их количества до практически безопасных пределов. Наличие в основании галечниковых, гра
велистых и крупнопесчаных грунтов требует устройства понура перед плотиной или пересечения этих грунтов зубом, инъекционной завесой и т. п. По способу производства работ различают насыпные и намывные земляные плотины. Земляные плотины можно строить из водонепроницаемых и водопроницаемых грунтов на водонепроницаемом и водопроницаемом основании [3, 21].
Насыпные плотины бывают с искусственным уплотнением и без него: отсыпка в воду, отсыпка при помощи взрыва на выброс и др.
Кроме достоинств, грунтовые плотины имеют и недостатки:

• невозможность сброса максимальных расходов через гребень плотины;
• необходимость устройства сбросного сооружения для пропуска паводковых вод;
• наличие в теле плотины фильтрационного потока, который способен создавать условия для фильтрационных деформаций;
• возможность больших потерь воды на фильтрацию, если тело плотины выполнено из грунтов повышенной водопроницаемости;
• трудность укладки насыпи при минусовых температурах;
• неравномерность осадок по поперечному профилю плотины;
• ограничения в использовании некоторых видов грунтов для тела плотины и оснований.

Плотины из грунтовых материалов практически всегда бывают глухими, т. е. не допускают перелива воды через гребень. За счет подпора воды плотиной в верхнем бьефе образуется водохранилище. В нем различают три расчетных уровня воды и соответствующие им объемы [20]:

• нормальный подпорный уровень (НПУ) - расчетный уровень, устанавливаемый водохозяйственным расчетом, исходя из требуемого полезного объема водохранилища, топографии чаши, а также объема стока;
• форсированный подпорный уровень (ФПУ) - уровень, до которого допускается временное затопление части территории (выше НПУ); отметку наибольшего форсированного уровня обычно принимают исходя из условий пропуска поверочного паводкового расхода водотока с учетом ущерба от временного затопления территорий, прилегающих к водохранилищу;
• уровень мертвого объема (УМО) - наинизший уровень, до которого допускается опорожнение водоема; зависит от срока службы водохранилища и интенсивности его заиления, санитарных требований, требуемой отметки командования над орошаемой площадью или рыбоводной акваторией;
• полный объем водоема W - объем, заключенный между дном чаши водоема и зеркалом воды на отметке НПУ (равен сумме полезного объема Wп и мертвого объема W умо);
• полезный объем водоема Wnлз - объем, заключенный между отмет ками НПУ и УМО, срабатывается для хозяйственных целей;
• мертвый объем водоема Wумо - объем, заключенный между дном чаши водоема и отметкой уровня УМО; предназначен для осаждения в нем наносов;
• неопорожняемый объем Wно - часть мертвого объема, расположенная ниже отметки порога водосливных (водоспускных) отверстий и поэтому не опорожняемая самотеком;
• противопаводковый объем Wnn - часть полного объема, срабаты ваемая перед пропуском паводка и используемая для регулирования величины паводкового расхода;
• объем форсировки Wф (резервный объем) - объем, заключенный между отметками НПУ и ФПУ.

Основные требования при проектировании и возведении грунтовых плотин следующие [15]:

• заложения откосов плотин должны обеспечивать устойчивость сооружения и его основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации;
• откосы и гребень плотины должны иметь покрытия, защищающие их от волновых, ледовых и атмосферных воздействий;
• дренажные устройства должны обеспечивать сбор и организованный отвод фильтрующейся воды, предотвращать фильтрационные деформации в теле и основании сооружений;
• строительные и эксплуатационные деформации плотины, ее отдельных элементов и основания не должны вызывать нарушения нормальной работы сооружения.

Выбор створа плотины. На положение створа плотины оказывают влияние различные условия: строительные, топографические, гидрологические, инженерно-геологические, трассировка водосбросного тракта, хозяйственные и др. В процессе выбора створа плотины на плане намечается ряд возможных вариантов. Окончательный выбор производится на основании технико-экономического сопоставления вариантов.
Створ плотины наиболее целесообразно располагать в самом узком месте водотока - это дает минимальный объем земляных работ, руководствоваться необходимо топографией. Желательно, чтобы водохранилище при выбранном створе имело минимальную площадь зеркала воды - это сокращает площади затопления и потери воды на испарение. При этом подразумевается, что по контуру водохранилища не будет оградительных дамб, затраты на которые не дадут преимущества короткого створа [2, 21].
Учитывая геологические условия необходимо, чтобы грунты в основании плотины были прочны и способны принять на себя дополнительную нагрузку от сооружений. Для гидроузлов водохранилищей большую роль играет водопроницаемость грунтов как в створе плотины, так и в чаше водохранилища. Чем более мощный слой грунта с повышенным коэффициентом фильтрации в основании плотины, тем дороже и сложнее противофильтрационные работы, особенно когда работы проводят непосредственно в ложе водохранилища.
Особенно влияют на выбор створа плотины гидрологические условия, так как при стоке заданной обеспеченности возможно наполнение водохрани лища только до заданного объема. На выбор створа плотины большое влияние оказывают расположение водосбросного тракта и размещение на нем сооружений.
На выбор створа плотины влияют также хозяйственные условия, использование запасов воды в водохранилище, удаленность узла сооружений от потребителя. В экономическом отношении лучшим вариантом створа плотины при котором сумма затрат на строительство и мероприятия в пределах водохранилища, отнесенная к единице продукции будет наименьшая. Следует также учитывать другие возможности эффективности и ущерба: организация или улучшения судоходства, улучшение водоснабжения, рекреационный и социальный эффект, перекрытие путей миграции рыб и судоходства, влияние на прибрежные угодья и лесные массивы и т. д. Основные элементы плотины. Тело грунтовой (земляной) плотины представляет собой трапецию, сверху ограниченную гребнем, с боков - откосами, снизу - подошвой. Линии пересечения откосов с основанием и гребнем плотины называют нижними и верхними бровками. Основанием называют слой грунта, на который опирается плотина своей подошвой. Высота плотины - расстояние между подошвой и гребнем. Заложением откоса называется его горизонтальная проекция, высотой откоса - его вертикальная проекция. Уклоном откоса называется отношение его высоты к заложению. Коэффициент заложения - отношение заложения к высоте [10]. При проектировании земляной плотины устанавливают размеры ее основных элементов: ширину гребня, превышение гребня над нормальным подпорным уровнем (НПУ), уклоны откосов.
Откосы земляных плотин принимаются в зависимости от типа плотины, ее высоты и рода грунта, из которого она возводится. Верховой откос, который находится под воздействием волн и льда и насыщен водой почти на всю высоту, делают более пологим, низовой откос - более крутым. Откосы плотин высотой до 15 м принимаются одинаковыми по высоте. При большей высоте следует принимать ломаное очертание верхового и низового откосов, постепенно уменьшая уклон их от гребня к основанию. В местах перелома уклона откосов, особенно на низовом откосе, часто строятся горизонтальные площадки - бермы. Бермы располагаются через 10 м по высоте плотин, ширина их 1,5—2 м [13, 20].
На верховом откосе бермы рекомендуется устраивать в конце крепления, что создает для него необходимый упор. На низовом откосе бермы следует использовать для устройства проездов, сбора и отвода атмосферных вод.
Ширину гребня плотины назначают исходя из условий эксплуатации сооружения и производства работ. При отсутствии специальных дорог по гребню минимальная ширина его должна быть не менее 3 м, гребень покрывают дерном. При наличии движения ширина гребня плотины должна быть не менее 5,5 м. Проезжую часть гребня укрепляют одеждой, в состав которой входят покрытие и основание, а по бровкам устанавливают надолбы (каменные, бетонные или железобетонные), которые предохраняют транспорт от падения под откос.
По способу производства работ различают насыпные и намывные грунтовые плотины. Насыпные плотины бывают как с искусственным уплотнением и так без него. Их выполняют отсыпкой в воду, отсыпкой при помощи взрыва на выброс и другими способами.
Насыпные земляные плотины. При проектировании, тип плотины (рисунок 8) принимается в зависимости от наличия и рода грунта в ее основании на месте строительства грунта.
На водонепроницаемом основании можно возводить следующие типы грунтовых плотин:

•  однородные;
•  с пластичным или жестким экраном; с ядром;
•  с понуром; с диафрагмой; из разнородных грунтов (с водонепроницаемой верховой призмой).

Насыпные плотины рыбоводных хозяйств проектируют следующих различных типов:

• из однородного глинистого грунта с защитным слоем из песка средней крупности и крупного;
• из однородного песчаного грунта с защитным слоем из песков разной крупности;
• из песка (кроме пылеватого) с экраном из глинистых грунтов, прикрытых защитным слоем из песка;
• из песка с ядром из глинистых грунтов;
• из песчаных грунтов с экраном из водонепроницаемой пленки, прикрытых защитным слоем из песка;
• из песка с асфальтобетонным экраном;
• из двух или трех видов грунтов с ядром из шины или суглинка;
• из однородных глинистых или песчаных грунтов на торфах.

Однородные плотины строятся практически из всех относительно водонепроницаемых грунтов (в основном из суглинков и супесей). Глину и песчаные грунты не используют, так как глина при намокании расползается, при высыхании дает трещины, а при замерзании воды в трещинах пучится.
Плотины из легких и средних суглинков возводятся без защитного слоя. При возведении плотин из тяжелых суглинков и глин с содержанием глинистых частиц 20% и более в районах с суровыми зимами целесообразно устраивать защитный слой из гравийно-песчаного или песчаного грунта по откосам и гребню плотины. Толщина защитного слоя должна быть не меньше глубины промерзания грунта. Для однородных плотин можно также использовать песчаные грунты при значении фильтрационного расхода воды, допустимого по водохозяйственным расчетам. Можно также использовать суглинистые и супесчаные грунты с содержанием водорастворимых солей до 5 % включительно по массе. При надлежащем обосновании допускается использовать грунты с содержанием водорастворимых солей более 5 % по массе.

а - из однородного грунта; б - из разнородных грунтов (с водонепроницаемой верховой призмой); в - с экраном из грунтового материала; г - с экраном из негрунтового материала (бетона, железобетона, металла и др); д - с ядром; е - с диафрагмой.
Рисунок 8 - Типы земляных плотин (по Гришину, 1979)
В однородных грунтовых плотинах лучше всего устраивать дренажи со стороны низового откоса.
Плотины с пластичным экраном устраиваются когда тело плотины возводится из водопроницаемых грунтов (песков, супесей).
Экран - водонепроницаемая преграда, расположенная со стороны верхового откоса плотины т.е. вдоль откоса, уменьшающая фильтрацию воды через тело плотины.
Экран делают из суглинка, смеси глины (не больше 54 %) и песка, глинобетона (глины 24 %, песка 36 %, гравия 40 % по объему) и торфа. Торфяные экраны делят на сплошные и слоистые. Слоистые экраны состоят из 2-3 слоев торфа, между которыми укладывают слой песка. Толщина каждого отдельного слоя - не менее 0,5 м. Для экранов используют хорошо разложившийся торф (степень разложения не менее 50 %), не промороженный и не высохший до воздушно-сухого состояния. Торфяные экраны используют только для низких и средних по высоте плотин [4, 16].
Для защиты от промерзания с верховой стороны пластичный экран пок рывается защитным слоем (толщина 1-1,5 м у основания плотины) из гравийно-песчаного грунта, песка, супеси, гравия или щебня.
Экраны более удобны для осмотра и ремонта, чем ядро. Экран более подвержен деформациям при осадке основания или тела плотины и для него требуется больше материала.
Плотины с жестким экраном возводят при отсутствии соответствующих грунтов для пластичного экрана. Жесткие экраны бывают бетонные или железобетонные. Экраны имеют сложную конструкцию, их стоимость больше по сравнению с пластичными. Жексткие экраны применяются редко, так как при осадке тела плотины в них могут появляться трещины [20].
Понур - водонепроницаемое покрытие, расположенное в верхнем бьефе, служит для увеличения (удлинения) путей фильтрации под плотиной. Длина понура соответствует 2-3 Н (где Н - напор), толщина не менее 0,5 м. Понур покрывают защитным слоем при возможности промерзания.
Ядро - водонепроницаемая преграда в теле плотины, располагаемая вертикально вдоль оси плотины. Рекомендуемая толщина ядра вверху не менее 0,6-0,8 м, внизу – 1/6 - 1/8 Н. Врезку ядра в водонепроницаемое основание производят на глубину не менее 0,5 м, при этом толщина ядра при врезке составляет не менее 1 м.
Плотина с ядром возводится из водопроницаемых грунтов. Ядро уменьшает фильтрацию воды через тело плотины. Толщина ядра вверху - не менее 0,8 м и внизу - не менее 0,1 Н.
Плотины с диафрагмой возводятся при отсутствии соответствующих грунтов для ядра, а также при наличии скального основания (для лучшего сопряжения тела плотины с основанием). Диафрагмы изготавливаются из бетона, железобетона, битумных материалов и металла. Толщина диафрагмы из бетона и железобетона в верхней части - не менее 0,3 м. Применение асфальтобетонных диафрагм можно рекомендовать в суровых климатических условиях.
Диафрагмы и ядра плотин недоступны для осмотра и ремонта. Располагать их следует под верховой бровкой гребня плотины. Вследствие неравномерной осадки тела плотины и разности гидростатического давления на гранях жесткой диафрагмы могут появляться трещины, поэтому предпочтение следует отдавать пластичному ядру.
В последнее время все более широкое применение находят экраны и диафрагмы из полимерных материалов. Они обладают рядом преимуществ: гибкость, водонепроницаемость, очень малая материалоемкость, химическая стойкость и морозостойкость. Для их устройства используют полимерные пленки толщиной 0,1-0,3 мм, укладываемые в один или в два слоя на подстилающий слой песка толщиной 0,1-0,3 м и пригружают защитным песчаным слоем большой толщины.
Пленочные диафрагмы выполняют так же, как и экран, но в виде вертикальной зигзагообразной конструкции в центре плотины. Пленочные противофильтрационные устройства можно применять в плотинах III и IV классов, а при надлежащем обосновании - в плотинах I и II классов высотой до 60 м.
Плотины из разнородных по водонепроницаемости грунтов возводят в тех районах, где нет суглинка, но много камня, песка и гравия. Со стороны верхнего бьефа укладывают маловодопроницаемые грунты (суглинистые), которые по площади поперечного сечения должны занимать около 60 % и захватывать гребень плотины, далее укладывают слой песка, затем слой щебня и у низового откоса камень (каменная призма). При возведении тела плотины из суглинка и камня со стороны верхового откоса каменной наброски устраивают обратный фильтр, чтобы избежать вымывания частиц грунта из тела плотины [13].
Плотины с экраном и понуром строят при водопроницаемом основании для уменьшения фильтрации через него. Понур представляет собой водонепроницаемое покрытие в ВБ и, является продолжением экрана, удлиняя пути фильтрации под плотиной. Понур выполняют из глины или жирного суглинка. Длина понура не менее 5-6 Н, толщина не менее 0,5 м. Сверху понур пригружают слоем песчано-гравелистого грунта толщиной 1,5-2,5 м учитывая глубину промерзания.
Плотины из торфа - особый тип плотин. Они сооружаются на торфяных залежах и в местах, где нет пригодных для строительства грунта. Торф допускается оставлять в основании при степени его разложения не менее 50 %. Для защиты от промерзания, высыхания и загорания откосы и гребень торфяных плотин покрывают слоем песка толщиной 0,3-0,5 м.
Плотины земляные намывные. Стоимость земляных работ при намыве плотин ниже, чем при применении землеройных механизмов. Для намыва плотин необходимо иметь грунт (на месте) и достаточное количество воды для разработки и укладки грунта в плотину. Разработку грунта в сухих карьерах ведут гидромонитором; под водой грунт разрабатывают землесосом.
По конструкции поперечного профиля земляные намывные плотины разделяют на плотины с водоупорным ядром (расположено в центральной части поперечного профиля плотины) и плотины без ядра. Грунты, применяемые для намыва плотин, должны иметь определенный зерновой состав (диаметр частиц). Наиболее подходящими грунтами для намыва плотин являются песчаные грунты I и II групп.
Для намыва плотин без ядра лучшими грунтами являются пески средней крупности, пески мелкие с наименьшей степенью неоднородности и с минимальным (не более 12 %) содержанием частиц диаметром менее 0,05 мм.
Для намыва плотин с ядром лучшими грунтами являются пески гравелистые (крупные и средней крупности).
При устройстве плотины намывным способом происходит уплотнение материалов на 10-11 % по отношению к плотности грунта в естественном состоянии. Для обеспечения наибольшего уплотнения следует производить достаточно полное удаление воды из намытой плотины. Этого можно достичь, если ежедневный прирост высоты намывной плотины не будет превышать 0,25 м для мелкозернистых песков и 0,5-0,6 м для средне- и крупнозернистых песков.