7.1. Общие требования к материалам земляных плотин
Основными качествами, которыми должен обладать грунт для тела однородной земляной плотины, являются водонепроницаемость, прочность, характеризуемая в основном внутренним трением и сцеплением, и водоустойчивость.
В плотине, выполняемой из нескольких грунтов, каждая часть ее требует грунта, обладающего специфическими для этой именно части качествами. Так, защитный слой должен обладать только прочностью и водоустойчивостью, для ядра и понура особенно важна водонепроницаемость, для экранов — пластичность, водонепроницаемость и прочность. Грунты, укладываемые у верхового откоса, должны быть вообще возможно более водопроницаемы; наоборот, зону низового откоса целесообразно устраивать из грунта более водопроницаемого, так как это ведет к снижению кривой депрессии близ этого откоса и к увеличению его устойчивости. Наконец материал дренажных призм и обратных фильтров должен быть пористым, а для фильтров, кроме того, подобранным по определенному закону. Материал для намывных плотин должен удовлетворять некоторым дополнительным требованиям.
7.2. Гранулометрический состав грунта
Основной характеристикой грунта является его гранулометрический состав.
Для насыпных плотин. Наилучшим грунтом для однородной земляной плотины служит естественная смесь частиц разной крупности, в которой мельчайшие пылеватые и глинистые частицы (d ≤ 0.01 — 0.005 мм) заполняли поры между более крупными (песчаными, гравелистыми) образующими скелет, обеспечивая вместе с тем непосредственное соприкосновение между собой крупных частиц. Подобный грунт обладает большим углом внутреннего трения и вместе с тем благодаря заполнению пор тонким глинистым материалом — ничтожным коэффициентом фильтрации. Содержание глинистых частиц в грунте характеризует и водонепроницаемость и прочность грунта. При содержании этих частиц 6 — 25% всего объема грунта он пригоден для однородного тела плотины, при большем — только для ядер, экранов, понуров. Песчаные грунты могут быть применены для однородных плотин, если коэффициент фильтрации их достаточно мал, в противном случае они идут в проницаемые части тела плотин (низовые), если же из них выполняется все тело плотины, требуется противофильтрационные устройства — ядра, диафрагмы, экраны.
Большое значение имеет степень неоднородности грунта, характеризуемая коэффициентом ŋ = d60/d10. При ŋ ≥ 30 — 100 грунты обладают малой порозностью и хорошо уплотняются при укатке, при ŋ = ≤ 5 — 10 грунты уплотняются плохо, обычно они водопроницаемы.
При выборе типа плотины приходится считаться с карьерами местного грунта, которые во многих случаев и определяют тип плотины.
По гранулометрическому составу в земляной насыпной плотине могут быть использованы все грунты за исключением жирных суглинков и глин и мельчайших песчано-илистых грунтов.
Рис.7.2.1. Кривые гранулометрического состава грунтов карьеров намывных плотин
1 — Угличская; 2 — Сестринские дамбы; 3 — дамбы Волгостроя; 4 — Шекснинская; вская; 6—7 — Мингечаурская; 8 — Цимлянская; 9 — Сталинградская; 10 — Куйбышевская; 11 — Александер; 12. Форт-Пек; 13 — плотина из суглинка (СССР). (Гришин, стр. 397).
Для намывных плотин. Гранулометрический состав материала для намывных плотин с ядром должен быть таков, чтобы в нем были и мелкозернистые (глинистые) частицы для намыва водонепроницаемого ядра, и крупные — для образования боковых призм. Плотины без ядра не требуют обязательного наличия глинистых фракций и выполняются из песков и легких супесей.
Опыт показывает, что пригодным составом грунта для ядерных плотин будет тот, в котором глины содержится 10 — 25%, остальной же грунт — песок, гравий, галька. Большее содержание глины может привести к преувеличенным размерам ядра и тем самым уменьшить устойчивость откосов (аварии плотин Салюда, Александер, (США).
Рис. 7.2.2 Кривые гранулометрического состава грунтов насыпных плотин СССР
1 — Гизельдонская (экран); 2— Фархадская; 3 — Ханжонковская; 4 — Боз-Суйская (лёсс); 5 — Терская (на торфяном основании); 6 — Катта-Курганская (лёсс); 7 — Сталиногорская; 8 — Ольховская; 9 — Сызранская (песчаная с диафрагмой).
При небольшом количестве глинистых частиц (меньше 10%) образование водонепроницаемого ядра затрудняется. Состав ядра характеризуется действующим (эффективным) диаметром зерна d10, который не должен снижаться за пределы d10=0.01 мм; при меньших d10 ядро твердеет медленно и возможны аварии при давлении ядра на боковые призмы (авария на плотине Калаверас при d10= 0/002 мм)
Рис. 7.2.3 Профиль плотины верхнего бассейна Загорской ГАЭС
На рис. 7.2.1 приведены кривые гранулометрического состава карьеров намывных плотин России и некоторых зарубежных. В большинстве случаев материалом для намыва плотин в России служили супеси, пески и песчано-гравийные грунты. (Л. Гришин, с. 397)
На рис. 7.2.2 [2] приведены кривые гранулометрического состава грунтов насыпных плотин СССР. Из этого графика видно, что для насыпных плотин практически возможно использовать любые грунты при соответствующей конструкции плотины.