Плотины каменно-земляные

Каменно-земляные и каменные плотины занимают ведущее место в мировом плотиностроении по количеству среди высоких и сверхвысоких сооружений. Особенно заметный прогресс наметился в 60-е годы, когда было начато строительство таких плотин, как Оровилл (Канада) высотой 220 м, Нурекская (СССР)-300 м, Чарвакская (СССР) -168 м, Гепач (Австрия) высотой 150 м, Инфернильо-140 м (Мексика) и др.

Столь значительный прогресс в строительстве каменно-земляных плотин объясняется бурным развитием землеройной техники, созданием самосвалов грузоподъемностью около 100 т и более и, как следствие этого, снижение стоимости земельно-скальных работ; полной механизацией всего технологического цикла по возведению плотины; использование грунтов из полезных выемок и развитие механики грунтов.

Каменно-земляные плотины - самый надежный и простой в эксплуатации тип плотины. Их строят в тяжелейших сейсмических (до 9 баллов) и климатических условиях.

Основные вопросы проектирования плотин (фильтрация, подбор состава переходных зон, поровое давление, устойчивость откосов и др.) изложены ранее. В настоящей главе будут рассматриваться специфические вопросы проектирования, характерные для данного типа плотин.

Крутизна откосов, а следовательно, объем плотины определяется на основании расчета устойчивости откосов плотины и зависит от прочностных свойств материалов, слагающих тело плотины, конструкции плотины, условий эксплуатации, метода производства работ и даже очередности возведения отдельных частей плотины. Не все эти факторы находят отражение в изложенных выше  методах расчетов, но это главным образом объясняется несовершенством имеющегося расчетного аппарата. Во многих случаях проектировщикам приходится обращаться к аналогам строящегося сооружения, поэтому выбор аналога - ответственная и очень нужная часть комплекса работ при проектировании. Следует стремиться выбирать аналог не более 20-летней давности строительства. Обычно выбирают не один, а несколько аналогичпых сооружений, каждое из которых наиболее полно отображает один или несколько локальных вопросов проектирования и строительства рассматриваемого сооружения из всего многообразия решаемых проектировщиками задач.

Как уже отмечалось, каменно-земляные плотины по конструкции классифицируются на плотины с центральным ядром, плотины с экраном и, как промежуточная конструкция, - плотина с наклонным ядром. Типичным примером плотины с центральным ядром являются Нурекская (см. рис. 14.24), Инфернильо (см. рис. 14.6) и др.; с экраном - плотины Нантахала (рис. 15.17), Даллес (рис. 15.18), Вилюйская (см. рис. 15.47) и т. д.; с наклонным ядром - Оровилл, Фурнас (рис. 15.19), Кугар (рис. 15.20), Майка (рис. 15.21) и др.

Выбор типа каменно-земляной плотины определяется наличием грунтов для упорных призм, ядра и переходных зон, климатом в районе строительства, геологическими условиями створа, компоновкой гидроузла в целом, гидрологическими условиями в створе и  т. д.

Каждый из перечисленных типов плотины имеет свои достоинства и недостатки. Главная задача при проектировании - найти место в профиле плотины наиболее дешевым грунтовым материалам с учетом специфики их свойств, чтобы стоимость плотины была минимальной без снижения надежности сооружения.

Для этого необходимо иметь подробную информацию о свойствах грунтов и хорошо понимать работу грунтового сооружения.

Плотина с центральным ядром обычно имеет минимальный объем тела в сравнении с плотиной с экраном или наклонным ядром, так как наиболее слабый по прочности материал ядра наиболее удален от поверхности откосов. Именно этот факт и обусловил широкое распространение этого типа каменно-земляной плотины. Ядра плотин по своей толщине подразделяются па тонкие и массивные.

Тонкие ядра - ядра, у которых наименьшее отношение ширины  к высоте  меньше или равно 1 (). Массивными ядрами называют ядра с .

 
Наиболее тонкие ядра имеют  - плотины Зильвенштейн (см. рис. 14.32) и Инфернильо (см. рис. 14.6), а массивное- плотина Тринити (рис. 15.22). Обычно ядра плотин имеют постоянное заложение откосов без изломов. Минимум  будет па границе ядра с основанием, но иногда в примыкании к основанию ядро несколько расширяют, как это видно из рис. 14.6 для обеспечения лучшего контакта ядра с основанием.
Чем менее деформируем материал ядра, тем более тонким можно выполнить ядро. Часто толщина ядра, не принимается минимальной по чисто экономическим соображениям в случае, если стоимость материала ядра в деле ниже стоимости материала упорных призм. Толщина ядра определяется из минимальной стоимости тела плотины в целом и работоспособности из условия трещинообразования, общей устойчивости.

Рис. 15.17 Плотина Нантахала (США):
1 - экран из суглинистого грунта; 2 - фильтры двухслойные из песчано-гравийной смеси; 3 - подстилающий слой из песчано-гравелистого грунта; 4 - зональная наброска камня по принципу возрастания размера камня в направлении от середины к наружной поверхности низового откоса; 5 - наброска из карьерных отходов; 6 -горная масса из туннелей; 7- площадная цементация; 8 - цементационная завеса; 9 - песчаники

Рис. 15.18 Плотина Даллес (США):
1 - экран из песчаного грунта; 2 - гравий - подготовка под экран; 3 - крепление откоса крупным камнем; 4 - каменная наброска из карьерной разработки; 5 - отсыпка камня из выемки котлована; 6 - базальты в русле, аллювиальные отложения; 7 - песчано-гравелистый грунт; 8 - понур из суглинка; 9 - отсыпь гравелистого грунта; 10 - мелкий камень

 Рис. 15.19 Плотина Фурнас (Бразилия):
1 - ядро из глины; 2 - переходные зоны из отсортированного материала; 3 - несортированная уплотненная грунтовая насыпь; 4 - боковые призмы из каменной наброски; 5 - слой наброски из крупного камня; 6 - насыпь под площадку ОРУ; 7 - тонкозернистые кварциты с тонкими прослойками слюдистых сланцев; 8 - естественная поверхность русла; 9 - глиняный тюфяк; 10 - противофильтрационная завеса; 11 - перемычка; 12 - засыпка

Чем тоньше ядро, тем более пристальное внимание уделяется качеству и размерам переходных зон. По мнению Рейниуса (материалы IX конгресса по большим плотинам), при проектировании плотин с тонкими наклонными ядрами нижнюю часть ядра следует искривлять для снижения выходных градиентов (рис. 15.23).

Рис. 15.20 Плотина Кугар (США):
1 - ядро из песчано-гравелистой глины; 2 - переходные зоны из песчано-гравелистого грунта; 3-5 - зональное распределение наброски по признаку прочности и крупности камня; 6 - крепление откосов крупноразмерным (глыбовым) камнем; 7-обратная засыпка старого русла прочным базальтом; 8 - бетонная пробка; 9 - цементационная завеса; 10 - обработка скалы жидким цементно-песчаным раствором; 11 - базальты и туфы выветрелые и трещиноватые в поверхностной зоне; 12 - аллювиальные отложения

Рис. 15.21 Плотина Майка (Канада):
1 - ядро из морены, содержащей глину и пыль до 30-40%; 2 - боковые призмы из песчано-гравийного материала; 3 - пригрузка из гравия и камня; 4 - крепление булыжником или рваным камнем; 5 - гравийно-галечный материал с булыгами и крупными камнями; 6 - площадная цементация; 7 - цементационная завеса; 8 -перемычка; 9 - плотные глинистые сланцы с прослойками трещиноватых гранитогнейсов

Наибольшее распространение в настоящее время получили плотины с ядрами, у которых .
Величину  часто называют средним градиентом. Таким образом отношение  соответствует среднему градиенту фильтрационного потока .

Плотина с экраном имеет  (-толщина экрана по нормали). Экран более чувствителен  к деформациям

Рис. 15.22. Плотина Тринити (США):
1 - ядро из глины и гравия; 2 - переходные зоны из песчано-гравелистого грунта; 3 - боковые призмы из гравия, булыжника и валунов; 4 - каменная наброска; 5 - крепление камнем; 6 -метаморфизированные андезиты; 7 - цементационная завеса; 8 - бетонные зубья

Рис. 15.23. Плотина Хальс (Швеция):
а - конструкция плотины; б - обычная конструкция наклонного ядра; в - конструкция наклонного ядра с криволинейной низовой гранью; 1 - маловодопроницаемый грунт; 2 - песчано-гравелистый грунт; 3 - фильтры из щебня; 4 -каменная кладка слоем 2 м; 5 - горная масса; 6 дренажный слой; 7 - перемычка; 8 - дренажная галерея; 9 - противофильтрационная завеса

упорной призмы, поэтому при проектировании и строительстве плотины с экраном больше внимания следует уделять качеству уплотнения грунта упорной призмы. С напорной стороны экран прикрывается защитным слоем обычно из того же материала, что и упорная призма. Между защитным слоем и экраном, экраном и упорной призмой укладывается фильтр.

Наклонное ядро имеет толщину, промежуточную между экраном и центральным ядром, в зависимости от его наклона.

Выбор угла наклона ядра определяется деформируемостью грунта: чем более деформируем грунт, тем более высок угол наклона оси ядра к вертикали. Это условие вызвано необходимостью борьбы с возможностью гидравлического разрыва.

Заложение верхового и низового откосов у плотины с центральным ядром колеблются (в интервале ) в зависимости от типов материала, конструкции и многих других факторов, перечисленных выше; наиболее распространенными заложениями низовых откосов для плотин с упорными призмами и галечника 1:2, а из отсыпки горной массы 1:1,5.

У плотин с экраном заложение верхового откоса более пологое, чем у плотины из аналогичных материалов с центральным ядром, и равно , при наиболее распространенном заложении 1:2,5, но низовой откос обычно более крут- .

Заложения откосов плотин с наклонными ядрами находятся в промежутке между заложениями откосов двух перечисленных типов плотин.

Очертание откосов каменно-земляных плотин характеризуется тем, что принципиальной необходимости устраивать на откосах берм нет, но все же иногда бермы делаются. Их устраивают и месте сопряжения перемычек с телом плотины (см. рис. 14.6), при необходимости уположить откосы против угла естественного заложения откосов, если отсыпка материала упорных призм ведется большими слоями- 10 м и более (рис. 15.24, Усть-Хантайская плотина).

Крепление откосов каменно-земляных плотин зависит от материала упорных призм или защитного слоя. Со стороны нижнего бьефа обычно специального крепления не требуется, так как сам материал упорной призмы (горная масса или щебенистый материал, или гравийно-галечниковый материал) достаточно устойчив против размыва ливневыми водами.

Со стороны верхнего бьефа крепление бывает обычно из более крупных фракций (согласно расчету), отобранных из материала упорных призм. Требования к ним такие же, как и к каменным креплениям земляных плотин. Специальной подготовки под такое крепление, как это делается на земляных плотинах, не требуется.

Специальные конструктивные элементы в плотине часто выполняются при наличии сейсмической нагрузки высокой балльности (9 баллов и выше). К ним относится дренирование верховой упорной призмы укладкой грунта в виде лент с повышенным коэффициентом фильтрации, создание более устойчивого к осыпанию защитного слоя вдоль откосов, армирование гребня плотины и т. д.