10.1. Общие сведения

Насыпные грунтовые и каменно-набросные плотины небольшой высоты возводились с древних времен в Египте, Междуречье, Китае для водоснабжения систем орошения. В дореволюционной России такие плотины строились для мельниц и привода оборудования заводов на Урале. Высокие плотины начали строить во всем мире с развитием землеройной техники и транспорта с конца 19 века, в основном при строительстве ГЭС. В СССР широкое строительство ГЭС и плотин началось с принятия плана ГОЭЛРО в 1922 г. и особенно после 1946 г. Большим преимуществом насыпных плотин является использование местных грунтов.

Многообразные конструкции насыпных плотин, приведенные в разделе 3, позволяют использовать практически любые виды грунтов от песка и глины до камня.

Развитая российская гидротехника позволила возводить уникальные плотины. Так в Таджикистане на р. Вахш построена самая высокая в мире плотина в составе Нурекской ГЭС высотой 300 м с объемом отсыпки 56 млн. м3. Конструкция плотины приведена на рис. 10.1.1.

Другим примером уникальной каменно-набросной плотины, построенной российскими инженерами, служит Высотная Асуанская плотина на реке Нил в Египте.

Новая Высотная Асуанская плотина (араб. «Ас-Саад аль-Али») расположена в 6 км выше старой Асуанской плотины, построенной в 1898—1902 (последняя реконструкция в 1960 г.) у 1-го нильского порога. Длина каменно-набросной плотины около 4 км, высота 110 м. Объём водохранилища свыше 160 млрд. м3. После завершения строительства плотины и заполнения водохранилища до НПГ образовалось водохранилище протяженностью в 500 км, названное оз. Насер в честь президента ОАР, при котором было начато строительство.

Рис. 10.1.1. Нурекская насыпная ядерная плотина на р. Вахш

1 — ядро из суглинка; 2 — призмы из гравийно-галечникового грунта; 3 — переходные зоны; 4 — пригрузка откоса горной массой; 5 — банкет из горной массы; 6 — верховая перемычка; 7 — бетонная пробка; 8 — укрепительная цементация; 9 — антисейсмические пояса; 10 — 11 смотровые галереи; 12 — контур плотины первой очереди; 13 — экран первой очереди.

На рис. 10.1.3 приведен фотоснимок плотины.

Приведенные примеры относятся к плотинам, где местным материалом для строительства служит камень, залегающим обычно на берегах горных рек. На равнинных реках превалируют такие грунты как песок, глина, супеси и суглинки. Из этих грунтов и возводят плотины на реках центральной России. В последние годы плотины из суглинков и моренных грунтов построены способом сухой отсыпки для верхнего бассейна Загорской гидроаккумулирующей электростанции — ГАЭС-1 и строящейся сегодня Загорской ГАЭС-2.

Рис.10.1.2. Нурекская высотная плотина, фото со спутника.

Рис.10.1.3. Асуанская Высотная плотина [14].

Рис. 10.1.4. Отсыпка дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС- 2 [10].

На рис. 10.1.4 приведена фотография отсыпка дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС-2 из грунтов выемки котлована здания ГАЭС.

Поскольку при возведении плотин из мягких грунтов при сухой отсыпке необходимо их уплотнять, рассмотрим этот способ подробнее.

 

10.2. Способы возведения тела насыпной плотины

Тело насыпной земляной плотины может быть образовано следующими способами:

1) путем отсыпки грунта с последующим его механическим уплотнением;

2) путем отсыпки без механического уплотнения. Образование тела плотины без механического уплотнения возможно а) рыхлой сухой отсыпкой и б) рыхлой отсыпкой в воду, где происходит большее естественное уплотнение, чем при сухой отсыпке.

Наиболее надежным, испытанным и распространенным способом постройки земляных плотин является отсыпка грунта с последующим его механическим уплотнением.

 

10.3. Плотины насыпные, возводимые с механическим уплотнением грунта

Уплотнение насыпного грунта обеспечивает достаточную плотность насыпи, создание в ее грунте более высокого внутреннего трения и сцепления, повышает водонепроницаемость тела плотины.

Уплотнение грунта. В современных плотинах уплотнение грунта производится чаще всего самоходными или прицепными катками: гладкими, ребристыми и кулачковыми, а иногда просто гусеничными тракторами или самоходными скреперами. Эффект уплотнения зависит от нагрузки на единицу укатываемой площади, числа проходок катка и толщины укатываемого слоя.

Наибольший эффект укатки суглинистых грунтов дают шиповые или кулачковые катки, так как при них давление на 1 см2 поверхности грунта достигает 9—18 кг/см2 и более, гладкие же катки дают 2—3 кг/см2. Поверхность земли при укатке кулачковыми катками получается негладкой, что облегчает сопряжение укатанного слоя со следующим, при гладких же катках приходится перед насыпкой очередного слоя земли укатанную поверхность взрыхлять, бороновать.

Число проходок катка зависит от типа катка, заданного уплотнения и влажности грунта: обычно бывает 5—8 проходок, а при легких катках — и более.

Рис. 10.3.1. Уплотнение дамб скреперами на насыпных дамбах канала Волга-Дон [5].

Толщина укатываемых слоев задается 15—20 см, максимум 25 см, при особо тяжелых катках и более. Чем глинистее грунт, тем меньше должна быть высота укатываемого слоя. В экранах и ядрах эта толщина не должна превышать 10—15 см.

За последнее время в отдельных случаях применяли вместо укатки грунта механическое трамбование, но распространения этот метод пока не получил за исключением мест, недоступных для катков (в примыкании плотины к бетонным и другим сооружениям).

Существующие способы производства уплотнения тела плотины не дают однородного ее тела. Обычно верхняя часть укатываемого слоя получается более плотной, чем нижняя, поэтому тело плотины получается слоистым и анизотропным в фильтрационном отношении: в горизонтальном направлении коэффициент фильтрации больше, чем в вертикальном. Поэтому надо следить за рыхлением поверхности укатанного слоя перед насыпкой следующего, слои полезно также вести не горизонтально, а с небольшим наклоном в сторону верхнего бьефа.

Фиг. 12—41. Кривые зависимости уплотнения от влажности грунта

При уплотнении грунт должен быть увлажнен до так называемой эффективной, или оптимальной влажности, т. е. такой влажности, при которой заданное уплотнение получается при минимуме проходок катков или вообще минимуме работы уплотняющих средств.

Эта влажность устанавливается опытным путем в лаборатории и в натуре, для чего определяется для каждого вида уплотнения (в лаборатории это — число ударов трамбовки определенного веса, в натуре — число проходок катка) объемный вес грунта при разных влажностях его в опытах уплотнения.

Результаты опытов обрабатываются в виде кривых связи между влажностью и уплотнением (фиг. 12—41 — в пределах 10—14%); обычно эта влажность близка к предельной, при которой грунт полностью насыщается водой (нижний предел пластичности), но никогда ее не достигает, так как часть воздуха всегда остается в порах. Указанные кривые позволяют дозировать поливку грунта водой при его укатке.

Назначение процента влажности или дозировку поливки грунта производят с учетом естественной влажности грунта в карьере к моменту производства работ. Поливку грунта производят или перед укаткой на месте работ или в карьере; в последнем случае достигается более равномерное увлажнение грунта. В сухих районах при использовании лёссовых грунтов их иногда увлажняют в карьере во избежание образования огромных масс пыли, затрудняющей работу.

Степень уплотнения грунта в плотине характеризуется пористостью или объемным весом грунта. Степень эта определяется по принятой оптимальной влажности, а именно, объемный вес уплотненного грунта должен быть равен:

γ1=δ/ (1+Aδ)

где δ — удельный вес скелета грунта;

А — оптимальная влажность, принимаемая равной нижнему пределу пластичности.

В целях получения минимальной осадки тела плотины или определенного сопротивления грунта сдвигу следовало бы задавать уплотнение, исходя из компрессионных свойств грунта и высоты насыпи. Как известно, всякому давлению в грунте соответствует при определенных условиях обжатия его определенный коэффициент пористости или объемный вес, определяемые из компрессионной кривой грунта.

Так как давление в разных частях плотины различное, то и степень уплотнения следовало бы задавать различную в зависимости от ожидаемого давления, принимая последнее в насыпи равным γ1h, где h — глубина рассматриваемого слоя плотины. Однако в таком случае пришлось бы иногда уменьшать влажность при укатке и увеличивать число проходок катков для достижения большего объемного веса, чем по формуле (12—46), т. е. переходить к менее оптимальным условиям. На практике обычно не отходят от оптимальной влажности.

Особые условия имеют место в лёссовых плотинах. Первым плотинам из лёсса придавали очень пологие откосы — до 1:7—1:9, но современный опыт показывает возможность придания таким плотинам откосов, близких к обычным суглинистым насыпям (фиг. 12—42). При этом выяснилось, что лёсс трудно уплотняется: в существующих сооружениях плотность его не превосходит 1,55—1,6, хотя по формуле (12—46) она должна бы достигать приблизительно 1,7—1,78.

Фиг. 12—42. Катта-Курганская лёссовая плотина.

Контроль за уплотнением тела плотины осуществляется при производстве работ путем лабораторного исследования объемного веса проб грунта, взятых из каждого слоя примерно в вершинах квадратов со стороной 20—40 м.

Кроме лабораторных определений для контроля за уплотнением применяют и особые полевые «плотномеры».

Осадка насыпных плотин складывается из осадки тела плотины и осадки ее основания. При правильном назначении степени уплотнения и надлежащей укатке, последующая осадка тела плотины может быть незначительной. Осадка плотин, уплотнявшихся старыми методами, достигала 1—3% при укатке слоями не более 15 см, а в случае превышения этой толщины доходила до 5% и более.

Осадка основания зависит от слагающих его пород и происходит независимо от осадки тела плотины. В соответствии с ожидаемой осадкой высоте плотины дается строительный запас.

В случае торфяных и илистых грунтов, сильно сжимаемых, их не удаляют, как делалось раньше, а возводят плотину на таких грунтах, учитывая обжим грунтов (торфов — почти в 2 раза) и отжатие в сторону жидких илов, как это имело место при восстановлении Веселовской плотины на Маныче. Темпы возведения плотины должны быть согласованы с ходом деформации основания.

 

10.4. Земляные плотины, возводимые путем отсыпки грунта в воду (без механического уплотнения)

Существует два вида таких плотин: а) грунт отсыпается в стоячую воду после преграждения русла одной перемычкой и б) грунт отсыпается в особые карты, огражденные валиками и заполненные водой (так называемый мокрый, или узбекский способ).

По первому способу плотина возводится в русле реки без отвода последней в сторону, а не за перемычками, как плотины, уплотняемые механически.

Фиг. 12—43. Пало-Коргская плотина, возведенная насыпкой грунта в воду

Этот метод осуществляется следующим образом (пример Пало-Коргской плотины на р. Выг, фиг. 12—43): вначале выполняется низовая часть, так называемый банкет, из наброски камня (А) настолько крупных размеров, чтобы камни не уносились течением ((§87), затем отсыпается слоями обратный фильтр (Б и В), что уменьшает фильтрацию через наброску; к этому моменту для отвода реки надо уже подготовить в гидроузле водосброс; последний этап — отсыпка тела плотины (Г) в воду и крепление откосов (камнем). Получающийся профиль плотины близок к так называемому смешанному типу (тип V на фиг. 12—1,з). Насыпать в воду рекомендуется песок или супесь, глинистые же грунты будут давать чрезвычайно пологий откос с последующими значительными его осадками.

Грунт, отсыпаемый в воду, уплотняется под действием собственного веса, а выше уровня воды — обычными механическими средствами. Этот метод дает экономию, по сравнению с сухим методом и в затратах (нет перемычек) и во времени. Метод этот впервые применен и развит в СССР.

 

10.5. Выбор типа насыпной плотины

Роль имеющихся для плотины материалов. Многочисленные типы земляных плотин в основном определяются наличием того или иного местного материала.

Наиболее простым, дешевым и удобным в производственном отношении является тип плотины из однородного материала (тип. I, фиг. 12—1,а). Однако он требует нужного количества доброкачественного материала, удовлетворяющего требованиям водонепроницаемости, прочности и экономичности. Однородные плотины строятся из суглинков, супесей, песков, песчано-гравелистых и даже галечных грунтов.

Чем выше плотина, тем обычно труднее получить хороший грунт в нужном количестве. Тогда переходят к плотинам типа II (фиг. 12—1) — с ограниченным количеством достаточно водонепроницаемого грунта, выполняя из него или внутреннюю центральную часть, обсыпая ее пористым грунтом (тип. II б, фиг. 12— 1,в, 12—39), или напорную часть, располагая в остальной прочие грунты (тип II а, фиг. 12—1,6).

Фиг. 12—45. Земляная плотина из разных грунтов.

Следует учитывать, что при строительстве гидроузла, в который входит земляная плотина, в распоряжении строителей имеются прежде всего грунты из выемок под водослив и под другие сооружения узла (шлюз, гидростанцию, подходные каналы и пр.), которые желательно использовать в полезную насыпь, т. е. в земляные сооружения узла — плотину, дамбы, перемычки и пр. В общем балансе грунты полезных выемок могут играть большую роль, а специальные карьеры для земляной плотины иногда даже меньшую. Этим обстоятельством объясняется между прочим факт распространения высоких плотин из разных грунтов, н именно типа II, б (фиг. 12—1,в) с центральной водонепроницаемой частью, обсыпанной разными грунтами в порядке возрастания крупности зерен их и пористости к откосам. Тип. II, a (фиг. 12—1,б и 12—45) менее распространен, хотя он более целесообразен в фильтрационном отношении, но верховой откос в таких глубинах должен быть более пологим, чем в типе II б (фиг. 12— 1,в).

При крайне ограниченном количестве хорошего водонепроницаемого грунта переходят к типам плотин III и IV (фиг. 12— I, г, д, е, ж), которые можно выполнять вообще из всяких грунтов; причем если имеется пластичный водонепроницаемый грунт, то осуществляют тип III а (или IV а (пластичный экран или ядро), а если и его нет, то III б или IV б (жесткий экран или диафрагма).

Что касается типа V (фиг. 12—1), то он целесообразен, когда из полезных выемок гидроузла получается много камня, не используемого для других сооружений. Наброска этого камня в низовую часть плотины создает весьма рациональный тип плотины.

Геологические условия определяют прежде всего материал для плотины, но кроме того, они могут влиять на выбор типа плотины сами по себе.

Если водонепроницаемый связный грунт лежит близко от поверхности, целесообразны все типы плотины без жестких экранов или диафрагм; последние лучше сопрягаются со скальным основанием, однако есть случаи применения диафрагм и при глинистых основаниях с установкой диафрагмы на надежный шпунт (Иваньковская плотина).

При глубоком залегании водонепроницаемого грунта можно применять плотины с понурами, если нецелесообразно смыкаться с водонепроницаемой слишком глубоко залегающей толщей, а в противном случае — плотины с экранами и диафрагмами, сопрягающимися глубокими зубьями с водонепроницаемыми основаниями.

Климатические условия в известной мере также влияют на выбор типа плотины.

Суровые зимние условия заставляют применять мощный защитный слой по откосам, приближая однородную плотину к типу плотины с центральной водонепроницаемой частью (тип II б, фиг. 12—1, в). В этих условиях вообще предпочтительнее плотины из несвязных или малосвязных грунтов с диафрагмами или жесткими экранами, тем более, что в северных местностях сезон для постройки земляных плотин очень короток, плотины же из несвязных и малосвязных грунтов можно строить и при небольших морозах.

Обилие атмосферных осадков делает невозможной укатку глинистых грунтов в период дождей, поэтому при подобных условиях надо стремиться к уменьшению объема глинистых грунтов в плотине или полному их исключению, т. е. с этой точки зрения целесообразнее плотины типа III и IV (фиг. 12—1), причем даже лучше III б и IV б с жесткими диафрагмами и экранами.

Производственно-экономические условия. Наличие того или иного оборудования для постройки плотины (экскаваторы, скреперы, вид транспорта, катки и пр.) определяет темпы возведения земляной плотины, которые в современных условиях для больших плотин характеризуются суточной производительностью земляных работ по насыпи плотин до 30 000 м3. Сроки возведения зависят от имеющейся механизации для работ и типа плотины: проще всего выполнять однородную плотину и затем плотину с экраном, плотины с ядрами, диафрагмами, плотины из нескольких грунтов сложнее, так как темпы возведения отдельных частей между собой связаны и чаще всего наличие «многодельности» тормозит работу.

Большую роль играют общий план работ по гидроузлу, часть которого составляет земляная плотина, очередность их, а также экономические показатели плотины: стоимость ее, сроки возведения, условия эксплуатации.

Окончательный выбор типа плотины может быть сделан после суммарного учета влияния всех перечисленных выше факторов.

 

10.6 Особенности плотин ГАЭС и приливных ГЭС

Плотины ГАЭС (гидроаккумулирующих гидравлических электростанций), также как и приливных ГЭС, отличаются быстро изменяемым переменным уровнем воды верхнего бассейна, а при ограниченной емкости и нижнего. Так на Загорской ГАЭС при работе в генераторном цикле уровень НПГ (нормального подпертого горизонта) снижается на 9 м за несколько часов. Вода из тела плотины при этом фильтрует с верхнего откоса в верхний бассейн, и вода может не успевать снижать депрессионную кривую при снижении уровня воды в бассейне. При этом возникает давление снизу на бетонные плиты откоса, что может привести к их разрушению и оползанию самого откоса. Очевидно, что этот верховой откос плотины нужно дренировать, как и низовой. Приведем конструкцию насыпной ограждающей дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС- 1 [10].

Рис. 10.6.1. Профиль ограждающей дамбы верхнего бассейна.

Рис. 10.6.2. Конструкция крепления монолитных плит крепления откоса дамбы анкерными зубьями: 1 — бетонная плита толщиной 20 см; 2 — бетонный зуб глубиной 80 см; 3 — бетонный зуб глубиной 100 см

Как видно из рисунков, в середине дамбы заложен специальный вертикальный и горизонтальный дренаж для ускорения снижения кривой депрессии в низовом откосе при изменении уровня воды в бассейне, и это оправдано. Но конструкция крепления бетонных плит верхнего откоса с помощью бетонных зубьев без устройства трехслойного дренажного фильтра, который выполняется на всех плотинах , вызывает сомнение.

Практика эксплуатации Загорской ГАЭС-1 подтверждает эти опасения, на многих участках плиты оползли и дамбу необходимо срочно ремонтировать.

Кроме этого, снижение отметки верха дабы на 2 м по просьбе строителей также вряд ли оправдано, так как запас высоты дамбы от НПГ до верха дамбы составил всего 0.8 м., что недостаточно для волнового воздействия и образующихся зимой ледяных торосов. Возможно, это оправдано возможным оперативным управлением снижения горизонта воды в бассейне, но при этом уменьшается мощность гидроагрегатов в режиме генерации.

Очевидно, эти недочеты будут учтены при строительстве Загорской ГАЭС-2.

Известно множество зарубежных аналогов ГАЭС, которые и нужно использовать применительно к местным условиям.