Классификация гидросооружений

Функция гармоничная, т.к. потенциал скорости фильтрации удовлетворяет уравнению Лапласа. Таким образом установлено, что плоское дв-е грунтовых вод подчиняется ур-ю Дарси и является потенциальным, т.е. мы при изучении этого дв-я можем использовать известные уравнения гидромеханики.

Особенности нескальных оснований.

Нескальные основания плотин включают комплексы различных грунтов, подразделяемые на два вида: несвязные (сыпучие) и связные (глинистые).

Несвязные грунты чаще всего встречаются в виде песка, гравия, галечника и их смесей. Их свойства зависят от  условий образования и крупности частиц, но они имеют характерные общие признаки – отсутствие сцепления, относительно высокий угол внутреннего трения и значительную водопроницаемость. Наиболее часто встречаются плотные пески с пористостью 35-40%, угол внутреннего трения 30-35 град., и плотностью 1,75-1,9 т/м3. Кф обычно находится в пределах 1-50 м/сут., наиболее часто 20-30 м/сут. Важными свойствами пес.- гравел. грунтов их быстрое уплотнение при приложении нагрузки и небольшая осадка.

Неблагоприятные в строительстве грунты мелкие, пылеватые и глинистые пески (плывунные). При вибронагрузках они могут давать большие осадки и приходить в разжиженное состояние. На песчано-гравел. грунтах возможно возведение бетонных плотин с напором 30-40м, а на песках до 20-30м.

Связные грунты (глина, суглинок, лесс) характеризуется сцеплением между частицами, большой сжимаемостью под нагрузкой, малым коэфф. внутреннего трения (0,2-0,35) и малой водопроницаемостью. Осадки на глинистых грунтах происходят медленно, но могут достигать многих десятков сантиметров.

Пористость глинистых грунтов составляет 30-45%, сцепление 3-5т/м2, Кф=А(10-5-10-8) см/c в зависимости от наличия глинистых частиц. Особенностью лессовидных грунтов является их значительная просадочность. И для использования их в качестве основания возможно только после замачивания под нагрузкой.

При строительстве плотин на таких основаниях необходимо внимательно изучать геологические условия в районе расположения плотины, а также геотехнических свойств грунта.

Особенности конструкций плотин на нескальном основании

Основной тип бетонных плотин на нескальных основаниях- водосливная плотина с фундаментной плитой несущей на себе быки и водосливные пролеты. Они отличаются значительной распластанностью из-за низкой несущей способности грунта, а также более сложным противофильтрационным устройством и креплением нижнего бьефа. Плотину условно можно разделить на три составляющих: 1) водослив на широкой фундаментной плите; 2) поземный противофильтрационный контур; 3) устройство по гашению энергии в нижнем бьефе.

Конструкция водослива практического профиля

Водослив обычно располагают на сплошной фундаментной плите, с верховой и низовой сторон устраивают зубья для лучшего сопряжения с основанием. Размеры плиты определяются действующими на нее нагрузками, несущей способностью грунтов оснований, а также размерами водослива и условиями пропуска через него расходов.

Действующие на плиту нагрузки следует размещать таким образом, чтобы коэфф. неравномерности напряжений находился в допустимых пределах - для песков К < 2-3, для глин         К < 1,5..2,

Оголовки плотин при напорах >15м выполняются в виде водослива практического профиля (обычно безвакуумного профиля), а с меньшим напором - в виде водослива с широким порогом.

Основное направление в строительстве плотин на нескальном основаниях- это переход к более экономичным  ж/б сооружениям, позволяющим существенно снизить потребление бетона и использовать в качестве пригрузки грунт и воду.

Подземный противофильтрационный контур

Роль подземного противофильтрационного контура плотины состоит в снижении давления воды на подошву плотины и обеспечения фильтрационной устойчивости грунтов оснований

Основными элементами подземного контура являются понур, шпунтовые стенки (или завесы) и недренированные участки фундаментной плиты.

Применяемые в плотинах схемы подземного контура подразделяются на бесшпунтовую, одношпунтовую с королевым шпунтом, одношпунтовую с понурным шпунтом и двухшпун-товую. Одношпунтовую схему применяют при расположении плотины на малопроницаемом глинистом грунте основания большой мощности, когда по условиям фильтр. прочности не требуется длинного подземного контура и когда устройство вертикальных элементов затруднено или не нужно. Ограничиваются обычно неглубокой преградой в виде зуба, пересекающего верхние разрыхленные слои грунта основания.

Одно- и двухшпунтовые схемы применяются на несвязных грунтах как неограниченной так и ограниченной мощности . В одношпунтовой схеме при большой мощности проницаемого слоя шпунт располагают под фундаментной плитой в зоне примыкания понура и фунд. плиты плотины, а при малой допускается забивка на глубину 2-3 мв водоупор, но с расположением шпунта в начале понура. Двухшпунтовая схема целесообразна при нахождении плотины на фильтрующем (глинистом или песчаном) слое большой мощности, особенно при устройстве анкерного понура с дренажем под его подошвой. Расстояние между шпунтами l >  S1+S2, где S - длина шпунтов. Ширина подошвы плотины L = (1,5-2,2) H. Длина понура L = от (1-1,5) H, но не более (2,0-2,5) H в схеме с висячим понуром. Королевый шпунт забивается на глубину (0,5-1,5) H как висячий S < 0,4-0,5) T. Для снятия давления напорных вод, находящихся под водоупором небольшой мощности, применяется вертикальный разгрузочный дренаж, водоприемная часть которого находится в водоносном слое и выполняется в виде пористого бетона. Отвод фильтрационного потока осуществляется в дренаж плотины и водобоя.

Окончательную схему ПК выбирают на основе данных моделирования фильтр. потока и техн.-эконом. сравнения различных вариантов.

Конструкции элементов подземного противофильтрационного контура

А. Понур.

Одним из самых эффективных противофильтрационных элементов подземного контура плотин на нескальных основаниях является понур. Его назначение – снижать противофильтрационное давление в основании путем удлинения пути фильтрации. По конструкции различают понуры гибкие – из глинистых грунтов, асфальтовых и полимерных материалов, обладающих необходимым противофильтрационными и деформационными свойствами и жесткие – в виде водонепроницаемого покрытия из железобетона, который может играть роль анкера, повышающий устойчивость на сдвиг. Тип понура выбирают исходя из водопроницаемости грунтов основания. На основаниях из глинистых грунтов принимают водонепроницаемый понур, а на песчаных – маловодонепроницаемый понур с Кф < 10-6cм/с. В плотинах с Н < 15 м понур устраивается глиняным и должен быть в 50 и более раз меньше, чем грунт основания. Толщина понура определяется из условия δ > (Н-h)/Iдоп, где h – давление под понуром, а Н – над понуром, Iдоп. – для глин 6-10, а для суглинков 4-5. Толщина понура по конструктивным соображениям назначается 0,75 м, а в конце  1-2 м при сопряжении с наклонной стенкой плотины. Грунт укладывают слоями 16-20 см с обязательным уплотнением. Сверху понур засыпают местным грунтом на глубину промерзания. По засыпке устраивают крепление, зависящее от скорости движения потока.

При Н >15м рекомендуются анкерные понуры из ж/б плит толщиной 0,4-0,7 м с гидроизоляционным покрытием из битумных и полимерных материалов. Эффективность анкерного понура повышается при устройстве над ним грунтовой пригрузки, а под ним дренажа. Во всех сопряжениях необходимо предусмотреть уплотнения, обеспечивающие водонепроницаемость контактов при любых деформациях. Эти уплотнения выполняют из гидроизоляционных материалов с применением компенсаторов и шпонок. Силу сдвига, воспринимаемую анкерным понуром, можно определить по формуле:

Q = (G + Wп – Wф) f + c l /kз,

где kз=1,1-1,25 коэфф. запаса; G – вес плит понура и пригрузки с учетом взвешивания; Wп–гидростатическое давление воды сверху понура; Wф – фильтрационное давление снизу понура; f – коэфф. трения понура по грунту; l – длина понура; с – коэфф. сцепления.

Б. Шпунтовые стенки и завесы

Для снижения фильт. давления на подошву плотины и снижения градиента потока под сооружением особенно эффективно устройство вертикальных противофильтрационных элементов в виде шпунтовых стенок, завес и зубьев. Шпунтовые стенки выполняются из стального, ж/б или деревянного шпунта, а завесы – из бетона или грунта. Стальные и ж/б шпунты применимы в любых нескальных грунтах при глубине забивки до 25 м и больше толщиной 8-10 мм плоский. Деревянные шпунтовые стенки применяются при небольших напорах, возводимых на песчаных и супесчаных грунтах с глубиной забивки 7-8 м из бруса 20 см с прямоугольным гребнем и пазом, не всегда дающие нужную водонепроницаемость. Противофильтрационные завесы устраивают в виде буробетонных стенок или методом «стена в грунте» при большой глубине и невозможностью забивки шпунтовых стенок. В песчаных и крупнообломочных грунтах применяются инъекционные завесы, уплотненные грунты с толщиной t = Η/Iдоп., где Iдоп.= 2,5 для мелкопесч. грунтов; 5 – крупнообл. и галечника; 4 – крупнозернистых песков и гравия; H – напор в данном сечении завесы.

Для обеспечения надежной работы шпунтовых стенок важно их надежное сопряжение с фундаментной плитой или понуром, что достигается устройством над гребнем шпунта ниши, заполненной битумной мастикой и позволяет осадке плиты или понура без опирания на шпунт.

В. Дренажные устройства.

Для снятия фильт. давления на подошву сооружения, обеспечения фильт. прочности грунта и защиты его от размывов устраивают дренаж в основании плотины, состоящий из двух-трех пластовых слоев под всей площадью водобоя и рисбермы, а в необходимых случаях и под частью фундаментной плиты и понура, при анкерном понуре дренаж является непременным элементом.

В условиях  неоднородного слоистого основания  под подошвой плотины устраивают дополнительно вертикальный дренаж в виде ряда разгрузочных скважин. При большой длине водосливного фронта такие скважины располагают в зоне нижнего бьефа под рисбермой, а при малой – с боковых сторон рисбермы.

КОНСТРУКЦИИ ПЛОТИН

Разрезка плотин на секции

Плотины, возводимые на нескальном основании, следует разрезать на секции с учетом температурных и обусловленных осадкой плотины деформаций. Разрезка на секции осуществляется по быкам сквозным швом. В зависимости от степени неоднородности грунта основания разрезку осуществляют через один, два или три пролета. Длину отдельных секций принимают 50-60 м. У плотин с двумя и более пролетами для предотвращения температурных напряжений у бычков устраивают швы-надрезы (до фундаментной плиты). Устройство сквозных швов между быками и водосливом допустимо при мало деформируемом основании.

1. Деформационные температурно-осадочные швы устраивают вертикальными плоскими шириной 4-5 см в верхней части и 1-1,5 см в пределах фундаментной плиты. Ширина швов-надрезов 1-2 см. Уплотнение швов шпонками выполняют так же, как и для плотин на скальных грунтах с той лишь разницей, что уделяется значительное влияние устройству горизонтальной шпонки по контуру подошвы.

Конструкция быков и устоев

Форма быков  в плане должна быть плавной, а при пропуске льда криволинейно- заостренной. Толщина быков зависит:

1. От типа и конструкции затворов:
2. От размеров водосливных отверстий;
3. От размеров и конструкции мостов;
4. От типа разрезки плотины швами и т.д.

Размеры пазов ремонтных или аварийных затворов а ≈ в ≈ 0,5 м, а для рабочего n = m/2 ≈ 0,7 – 2 м где n – глубина паза, а m ≈ (1/7-1/10) b ≈ 1-4 м. При сегментных затворах толщина быка ≈ 1-2 м пазы для рабочих затворов устраивают широкими и менее глубокими или совсем не устраивают.

Толщина быков определяется их конструкцией, величиной пролета водослива, их прочностью и устойчивостью. Быки выполняют в основном из бетона, реже из ж/б. Толщина быка между пазами равна 1-1,5 м. Прочность и устойчивость быков проверяется для двух случаев: эксплутационного и ремонтного.

Устои

Устои плотин предназначены:

1. Для защиты земляной плотины или берега от размывов водой, идущей через плотину;
2. Для обеспечения плавного подхода воды к водосливу;
3. Для предотвращения опасной фильтрации в зоне примыкания водослива к земляной плотине;
4. Служить опорами для затворов и мостов плотины.

Устои состоят из трех основных элементов: продольной подпорной стенки, выполняющей роль берегового быка (в пределах фундаментной плиты), верховой сопрягающей стенки (в пределах понура), низовой сопрягающей стенки (в пределах водобоя).

Продольная стенка устоя плотины обычно составляет одно целое с фундаментной плитой для нескальных грунтов, но она может быть и отрезана от плиты конструктивным швом, но только для плотных оснований. С верховой стороны продольной стенки устоя устраивается противофильтрационная диафрагма, врезающаяся в тело плотины или берег.

Устои подразделяются на сопрягающие (с земляной плотиной или берегом) и раздельные, отделяющие водослив от зданий ГЭС или глухих плотин. Задача раздельных устоев – это сохранение основания примыкающего сооружения и борьба со сбойными течениями.

Фильтрационная прочность нескальных грунтов

Наиболее вероятные зоны опасных фильтрационных деформаций – это места выхода потока на поверхность грунта и контакты различных по характеристикам грунтов.

Основные виды деформаций, вызываемых фильтр. потоком в грунтах:

Выпор – разрушения непригруженного грунта  фильтр. потоком, которые возникают на низовых откосах плотин, а также в основаниях сооружений;

Суффозия  – вынос или перемещение фильтр. потоком наиболее мелких частиц грунта из его толщи;

Контактный размыв – разрушение грунта на контакте с крупнозернистым материалом, фильтр. потоком, направленным вдоль зоны контакта;

Контактный выпор –  разрушение  грунта на контакте с крупнозернистым материалом,  восходящим фильтр. потоком;

Кольматация – отложение в порах грунта частиц, перемещаемых фильтр. потоком;

Отслаивание – отрыв фильтр. потоком частиц и агрегатов глинистого грунта над порами фильтра.