Основные элементы подземной части плотины. Устройство выхода фильтрационного потока в нижний бьеф
Различают следующие элементы подземного контура: 1) понур; 2) свайные шпунтовые ряды; 3) бетонные зубья (глубокий и мелкие) ; 4) подошву плотины или флютбета.
Подземный контур, как правило, не следует развивать за счет водобойной плиты, устраиваемой за плотиной и отрезанной от нее деформационным швом. Под такой плитой необходимо делать дренаж, защищенный снизу обратным фильтром. Включение контура этой плиты в подземный контур сооружения будет способствовать увеличению противодавления на плотину, что нежелательно.
Развитие подземного контура до необходимой его длины, устанавливаемой с учетом фильтрационной прочности (см. ниже § 17.6), обычно следует осуществлять за счет увеличения длины понура и устройства шпунтов (или бетонных зубьев) перед плотиной.
1. Понур. Понур делают с целью увеличения длины подземного контура, а следовательно, уменьшения фильтрационного расхода, противодавления (в случае схемы 1) и градиентов напора в основании. В некоторых случаях понур играет не только противофильт рационную роль, но и защитную, предохраняя дно верхнего бьефа от размыва его надземным потоком, поступающим в отверстие плотины.
Следует различать жесткие понуры и гибкие, деформирующиеся в соответствии с деформациями основания. В случае гибких понурое образование щели между понуром и основанием невозможно. Кроме того, следует различать: практически непроницаемые понуры специальной конструкции, например понуры с асфальтовой изоляцией; эти понуры могут быть как жесткими, так и гибкими; маловодопроницаемые понуры, выполненные из глинистого грунта; эти понуры всегда гибкие.
В случае глинистого грунта основания устройство на нем маловодопроницаемого понура нерационально. Такие понуры следует делать только в случае песчаного, основания. Коэффициент фильтрации маловодопроницаемого понура должен быть менее коэффициента фильтрации основания в 100 раз и более. Если такого соотношения достигнуть не удастся, то следует переходить к понурам, практически водонепроницаемым.
Проектируя понур того или другого вида, учитывают следую . щие соображения: а) поверхность глинистого понура, как правило, должна покрываться или бетонными плитами, или мостовой; поверхность глинистого понура должна быть покрыта слоем песка толщиной 20 см; б) бетонные плиты или мостовую, входящие в состав. пбнура, нельзя укладывать непосредственно на глинистую часть понура; под этими покрытиями должен быть предусмотрен слой песчаногравийной подготовки толщиной 20 см; в) асфальтовое покрытие, входящее в состав водонепроницаемых понуров и располагаемое непосредственно на грунте, следует укладывать по сухому грунту; г) глинистое, основание понура после вскрытия необходимо покрывать материалом понура в достаточно короткий срок; д) в процессе производства работ понур может размываться потоком воды, а также подвергаться иногда действию «дефицита дав ления»; в результате может произойти выпор части поденцию раскрыться, чего нельзя допускать.
Маловодопроницаемые (глинистые) понуры проектируют согласно схемам, показанным на рис. 17.7. Минимальную толщину понура в его начале принимают равной /min0,5 м (рис. 17.7, а); коэффициенты строительных откосов mi и т2 назначают в соответствии со свойствами грунта основания (получить устойчивый откос до укладки понура); толщину маловодопроницаемого понура t (в данном вертикальном сечении) принимают еогласно зависимости потеря напора от начала подземного контура (от верхнего бьефа) до рассматриваемого вертикального сечения. Шов (или часть его) сопряжения глинистого грунта и тела плотины делают часто наклонным с таким расчетом, чтобы понур при осадке глинистого материала и при горизонтальном смещении плотины прижимался к телу плотины (рис. 17.7,6); в некоторых случаях этот шов специально уплотняют (рис. 17.7, в).
В соответствии с исследованиями А. А. Угинчуса, длина водопроницаемого понура п должна быть меньше некоторой предельной длины.
Дальнейшее увеличение не имеет смысла, так как при этом фильтрационный расход под плотиной q практически не будет уменьшаться.
Что касается практически водонепроницаемых понурое, то здесь мы имеем много различных конструкций подобных понуров (рис. 17.9). Часто в этом случае гибкимйонурам отдают предпочтение.
2. Шпунтовые ряды. Шпунты (см. рис. 17.1) являются гасителями напора: при устройстве шпунта напор на участке подземного контура за шпунтом уменьшается; равным образом уменьшаются и пьезометрические уклоны вдоль подземного контура. Кроме того, шпунты: а) препятствуют развитию внутренней суффозии в области основания; б) защищают основание плотины от подмыва ее поверхностным потоком (низовой шпунт); в) препятствуют вы пору грунта изпод плотины под действием ее веса; г) позволяют осуществить сопряжение тела плотины с водоупором и в результате получить глубинную схему подземного контура (схема 6, см. рис. 17.6).
Устройство низового шпунта (5 — 6 — 6, см. рис. 17.1) вызывает увеличение противодавления на подошву плотины. Чтобы избежать этого, низовой шпунт можно делать перфорированным. Перфорированные шпунтовые ряды при фильтрационных расчетах учитывать не следует.
В песчаных грунтах, допускающих погружение свай, в схемах 1 и 2 (см. рис. 17.1 и 17.2)обычно предусматривают верховой под плотинный шпунт. Верховой понурный шпунт (или зуб) необходимо устраивать в случае жесткого понура. При маловодопроницаемом понуре устраивать верховой понурный шпунт не следует.
В случае схемы 1 (см. рис. 17.1) низовой (неперфорированный) подплотинный шпунт (или зуб) должен устраиваться, как правило, на глубину sEbix= (0,05...0,10) Т, но не более (0,05...0,10), где Т — заглубление поверхности водоупора; 10 — длина проекции подземного контура на горизонталь .
Если «вы задавать меньше, чем получаемое согласно приведенным формулам, то выходной пьезометрический уклон (в точке 6 на рис. 17.1) будет резко возрастать, доходя теоретически до бесконечности при sBbix=0, что с точки зрения работы обратного фильтра, покрывающего дно нижнего бьефа, является нежелательным. Такие условия следует считать приемлемыми только тогда, когда шпунт (или низовой зуб) необходимой глубины будет относительно дорогим.
Идя на устройство того или иного шпунта, нельзя намечать шпунтбвый ряд слишком малой глубины (менее 2...3 м). Организация работ по забивке шпунтового ряда незначительной глубины будет экономически невыгодной. Длину металлических шпунтовых свай в проектах поперечных профилей плотин, включающих металлические шпунтовые сваи, следует назначать в соответствии с ГОСТом, предусматривающим изготовление свай длиной 8...22 м.
При неоднородном основании с водонепроницаемыми горизонтальными прослойками шпунты по возможности должны пересекать их.,
При расположении «висячих» шпунтов под плотиной необходимо стремиться к тому, чтобы расстояние между ними было не менее 2s, где s — глубина погружения шпунта. В исключительных случаях расстояние между «висячими» шпунтами можно допускать и до (1,5...1,0) s.
Для однородного изотропного грунта основания, когда s (0,4... 0,5) Г и s (0,20...0,25)/о, можно считать, что 1 м длины понура эквивалентен в отношении гашения напора (в области за верховым подплотинным шпунтом) 0,5 м длины верхового подплотинного шпунта (или верхового понурного шпунта).
Устраивая в основании плотины шпунтовые ряды, надо считаться с их водопроницаемостью, обусловленной неплотностью замков шпунтовых соединений. При производстве работ по погружению шпунта в грунт необходимо принимать МСры к тому, чтобы щелеватость шпунтовых рядов была минимальной. Недопустимо погружать сваи пакетами без предварительного уплотнения щелей между сваями. Отсутствие грунта в неуплотненных специально замках шпунтового ряда резко снижает противофильтрационную эффективность шпунтовых рядов.
При проектировании сопряжений шпунтов с бетонными частями пшотины следует предусматривать такую конструкцию этих сопряжений, при которой вертикальные усилия со стороны тела плотины не передавались бы на шпунты.
По конструкции шпунтовые ряды делят: а) на металлические в соответствии с имеющимися сортаментами шпунтовых металличе. ских свай; предельная длина таких шпунтовых свай 22 м; применяя сварку отдельных свай между собой, глубину шпунтового ряда при благоприятныхгрунтовых условиях можно довести, например, До 44 м; б) на деревянные длиной около 3...5 м; в) на железобетонные; На рис. 17.10 приведены примеры конструирования узлов сопряжения металлических шпунтовых рядов с телом бетонной плотины; здесь, чтобы избавиться от передачи веса плотины на шпунты (что имеет место в случае рис. 17.10, в), предусмотрены особые «шпонки», выполненные из эластичного материала (битума и т. п., см. рис. 17.10, а, б, г). На относительно короткие шпунты стремятся не передавать горизонтальных усилий. В связи с этим верховой подплотинный шпунт иногда сопрягают не с телом плотины, а спонуром (рис. 17.10, е, ж). Отметим, что в случае схемы на рис. 17.10, д шпунтовые свайные ряды могут быть использованы как опалубка при бетонировании плотины.
3. Бетонные эубья. Неглубокие бетонные зубья устривают для пресечения опасной контактной фильтрации, а глубокие — вместо шпунтовых свайных рядов в том случае, если грунт не допускает забивки свай или в особо ответственных сооружениях. Как правило, следует устраивать верховой подплотинный зуб (неглубокий или глубокий). Низовой подплотинный зуб в схемах 2...5 (см. рис. 17.2.. . 17.5) делают с целью изоляции подплотинного дренажа от нижнего бьефа и получения возможности откачивать воду из этого дренажа. Откачка воды из подплотинного дренажа может быть необходима, например, в связи с контролем его работы. В случае глубинной схемы (см. рис. 17.6, а), создаваемой верховым глубоким зубом, в низовом глубоком зубе (который может быть доведен также до водоупора) или в флютбете необходимо иметь фильтрационные отверстия, с тем чтобы обеспечить напор под плотиной, отвечающий горизонту воды нижнего бьефа.
Бетонные зубья могут выполняться: а) в открытых осушенных котлованах; б) способом подводного бетонирования; в) путем применения опускных колодцев или кессонов. Во избежание опасной контактной фильтрации последний способ следует допускать только при глубинной схеме (см. рис. 17.6, а), причем необходимо качественно уплотнять зазоры между отдельными опускными колодцами (или кессонами). Подводное бетонирование зубьев должно осуществляться в соответствии с правилами подобного рода работ с целью получения качественного сопряжения бетона с грунтом основания.
В открытых осушенных котлованах сооружение зубьев можно осуществлять, в частности, по одной из следующих трех схем: 1) котлован разрабатывают без применения крепленийс откосами, допускаемыми для данного грунта, и полностью заполняют бетонной смесью, образующей зуб. При этом боковыеповерхности зуба получают наклон, соответствующий откосу котлована; 2) котлован откапывают с вертикальными стенками, имеющими соответствующее крепление, которое по мере бетонирования зуба удаляют (начиная снизу). В этом случае боковые грани зуба получаются вертикальными; 3) котлован откапывают с откосами, допустимыми для данного грунта; ширину котлована понизу намечают несколько большей, чем толщина проектируемого зуба в нижней его части (например, на 1 м). В котловане устанавливаютопалубку, в которой осуществляется бетонирование зуба. После снятия опалубки оставшееся пространство котлована заполняют или бетонной смесью (дающей бетон пониженной марки), или весьма плотно утрамбованным глинобетоном; в случае дороговизны глинобетона вместо него применяют глину или суглинок. Исключение здесь составляет только пазуха, располагающаяся под телом плотины, имеющей горизонтальный подплотинный дренаж (пазуха 5 на рис. 17.11); эту пазуху приходится заполнять плотно утрамбованным
При проектировании зуба по этой схеме надо иметь в виду, что при недостаточном уплотнении грунта, заполняющего пазуху котлована, произойдет осадка этого грунта, что вызовет нежелательную деформацию горизонтального подплотинного дренажа или при отсутствии такого дренажа вдоль подземного контура раскроется нежелательный фильтрационный ход. При проектировании зуба по данной схеме следует стремиться также к тому, чтобы в процессе эксплуатации плотины происходило возможно большее прижатие грунта, заполняющего пазуху, к боковым граням зуба. В большинстве случаев осадка зуба, нагруженного сверху весом плотины, должна быть больше, чем осадка грунта, заполняющего пазуху, поэтому боковым граням зуба надлежит придавать уклон (например, 10: 1) с таким расчетом, чтобы ширина зуба книзу уменьшалась.
Что касается глубины висячих зубьев, выполненных по одной из трех приведенных схем, то ее надо устанавливать так же, как и глубину шпунтов, на основании расчетов фильтрационной прочности основания (см. ниже § 17.6).
4. Подошва плотины. Заглубление фундамента плотицы в грунт необходимо устанавливать с учетом фильтрационных, а также статических расчетов плотины. Для повышения устойчивости плотины ее подошву располагают по возможности на прочном грунте, характеризующимся большим коэффициентом трения. В случае бездренажной схемы плотины (рис. 17.12) при d=sBых, установленной по формулам § 17.3, очертание дна котлована можно проектировать по одному из двух вариантов (имеется в виду грунт, допускающий забивку шпунтовых свай): плотина с неглубокими зубьями (рис. 17.12, а); плотина, не имеющая зубьев (рис. 17.12.6) .
По экономическим соображениям надо стремиться к первому варианту (рис. 17.12, а), назначая d с таким расчетом, чтобы часть подошвы плотины (участок MN) располагалась на достаточно прочном и маловодопроницаемом грунте. Только при грунтах, в которых разработка траншеи под зубья на дне котлована затруднительна, приходится отказываться от вариантов, показанных на рис. 17.112, а, и переходить к варианту плотины без зубьев (рис. 17.12.6) .
При проектировании котлована плотины следует избегать такого положения, когда грунт основания попадает в зону промерзания. Однако если все же та или другая часть основания оказывается в зоне промерзания, то из этой части основания грунты, склонные к пучению (глинистые грунты), должны быть удалены и заменены глинобетоном или тощим бетоном.
5. Устройство выхода фильтрационного потока в нижний бьеф. В области выходного живого сечения необходимо устраивать дренаж, защищенный снизу обратным фильтром. Этот фильтр следует проектировать в соответствии с имеющимися правилами.
Горизонтальный дренаж, устраиваемый под водобоем, плотиной и понуром, надо выполнять из крупнозернистого материала. Минимальную толщину такого дре а) нажа, назначаемую в соответствии с конструктивными и производственными условиями, следует считать примерно 0,2. м. Отвод воды из дренажа, а также его пропускную способность по возможности надо проектировать так, чтобы потерями напора при движении воды вдоль дренажа можно было пренебречь.
Дренаж вместе с обратным фильтром должен быть прижат к грунту весом вышележащих частей сооружения. Это особенно важно в случае глинистого основания, способного при отсутствии нагрузки постепенно терять прочность на своей поверхности.
Наиболее желательным выходом фильтрационного потока в дренаж является выход, показанный на рис. 17.13, а, когда достаточно велико; не следует допускать расположения дренажа по схеме рис. 17.13,6, когда EX=0, так как в случае в точке А мы будем получать выходной градиент, теоретически равный бесконечности, причем работа обратного фильтра будет весьма напряженной; схему расположения дренажа, приведенную на рис. 17.13,6, при достаточном значении t можно считать практически приемлемой.
В некоторых случаях отвод воды из подплютинного дренажа в нижний бьеф осуществляют через специальную дренажную галерею III, расположенную иногда ниже уровня нижнего бьефа (см. рис. 17.2). В этих условиях подплотинный горизонтальный дренаж соединяют с дренажной галереей специальными дренажными колодцами IV, заполненными камнями соответствующей крупности. Горизонтальное сечение таких колодцев — прямоугольное, размером, например, 0,8X0,8 м, высота колодца 1...2 м и более.