Противофильтрационные устройства земляных насыпных плотин
Противофильтрационные устройства в теле плотины выполняют с целью: а) уменьшить фильтрационный расход; б) уменьшить пьезометрические уклоны фильтрационного потока в теле плотины и тем самым повысить ее фильтрационную прочность (нормальную и казуальную); в) снизить кривую депрессии в низовой части плотины и тем самым увеличить устойчивость низового откоса плотины, а также избавиться от опасности пучения грунта зимой (в области низового клина плотины).
В некоторых случаях применение экрана, ядра или диафрагмы диктуется геологическим строением основания, а также желанием получить лучшее сопряжение земляной части плотины с бетонной. Если грунт, из которого намечается отсыпать плотину, суффозионный или в теле плотины имеются опасные (с точки зрения суффозии) контакты различных грунтов, слагающих тело плотины, то крайне желательно полностью пресечь фильтрацию воды через тело плотины.
1. Грунтовые экраны и понуры выполняют из маловодопроницаемых грунтов (обычно из суглинка, глины или глинобетона). Толщина грунтового экрана б должна увеличиваться книзу (рис. 2.73) или сохраняться постоянной. Эту толщину назначают в зависимости от ширины самосвалов, катков и т. п., но не менее: Верх грунтового экрана должен быть (после окончания осадки плотины) не ниже ФПУ. С основанием экран может сопрягаться зубом, глубина которого зависит от качества основания. Экран покрывают защитным слоем (см. § 2.24), устойчивость которого на сдвиг (по экрану), как и самого экрана (по грунту тела плотины), проверяют расчетом (см. § 2.17). Иногда (в случае песчаного основания) экран продолжают перед плотиной в виде понура (рис. 2.73), длину которого назначают по расчету казуальной фильтрационной прочности основания плотины (см. § 2.12). Толщину понура устанавливают с таким расчетом, чтобы пьезометрический уклон вертикального фильтрационного потока, возникшего в нем (см. рис. 2.25), был не более принимаемого для экрана. Наименьшую конструктивную толщину грунтового понура следует считать равной 0,7 м.
2. Асфальтобетонные экраны выполняют из так называемого гидротехнического асфальтобетона, который представляет собой смесь нефтяного битума с минеральным порошком, песком, щебнем и специальными добавками; эту смесь укладывают в горячем состоянии и соответствующим образом уплотняют. Асфальтобетонные экраны выполняют в виде: а) одного слоя асфальтобетона, укладываемого на спланированный и уплотненный грунт; б) одного слоя асфальтобетона, укладываемого на дренажную подготовку, выполненную из пористого асфальтобетона и гравийногалечникового грунта; в) двух слоев плотного асфальтобетона, между которыми имеется дренаж, выполненный слоем пористого асфальтобетона.
3. Пленочные экраны (в частности, полиэтиленовые) выполняют путем соответствующего соединения (сварки, склейки и т. п.) полотнищ пленки. Такой экран укладывают на подстилающий песчаный слой толщиной 0,3...0,5 м и покрывают защитным песчаным слоем толщиной не менее 0,5 м. Максимальная крупность фракций подстилающего и покрывающего слоев грунта должна быть не более 6 мм. Грунт этих слоев, как правило, подвергают специальной обработке, исключающей возможность повреждения пленки грызунами и растениями.
4. Насыпные ядра плотины выполняют из таких же грунтов, как и грунтовые экраны. Ось поперечного сечения ядра проектируют обычно вертикальной и совпадающей с осью поперечного сечения плотины (рис. 2.74, а). Ось ядра может быть также сдвинута по отношению к оси плотины в сторону верхнего бьефа, и ей можно придать наклонное положение (рис. 2.74,6). Величина коэффициента /пн низового откоса в случае земляных плотин не зависит от местоположения ядра. Вопросы о размерах ядра, сопряжении его с основанием, защите от промерзания (в верхней части), устройстве переходных слоев по боковым границам ядра решают так же, как и в случае грунтовых экранов (см. п. 1).
5. Инъекционные ядра создают путем нагнетания (через систему буровых скважин) в поровое пространство грунта специального уплотняющего материала различного состава: а) при коэффициенте фильтрации грунта, большем 0,1 см/с,— глиноцементного раствора, содержащего цемент в количестве 20 % (по массе) и более; б) при коэффициенте фильтрации, меньшем 0,1 см/с, — например глиносиликатного раствора. Толщину инъекционного ядра понизу назначают равной ‘/в—Vio высоты плотины.
6. Бетонные диафрагмы выполняют из бетона не ниже М200. Ось их поперечного сечения располагают иногда в вертикальной плоскости, проходящей через верховую бровку откоса (рис. 2.75). Толщину этих диафрагм поверху назначают. 0,5...0,7 м; боковые грани делают с небольшим наклоном к вертикали, например с уклоном (20 : 1)... (10 : 1), если такой уклон не приводит к излишнему утолщению диафрагмы внизу. Учитывая возможные температурноосадочные деформации диафрагмы, их разрезают поперечными вертикальными швами, имеющими соответствующие уплотнения (рис. 2.76). В случае скального основания бетонную диафрагму отделяют от фундаментной ее части, заделанной в основание, деформационным швом, позволяющим диафрагме поворачиваться
Для придания бетонной диафрагме большей водонепроницаемости верховую ее грань покрывают гидроизоляцией, причем с верховой стороны диафрагмы в некоторых случаях укладывают тонкий слой глины или суглинка. С целью перехвата воды, которая всетаки может просочиться через диафрагму, с низовой ее стороны располагают иногда вертикальный дренажный слой, выполненный из крупнозернистого материала. Бетонные диафрагмы высоких плотин дополнительно снабжают вертикальным трубчатым дренажем, причем в теле диафрагмы устраивают горизонтальные смотровые галереи (потерны). При этом бетонная диафрагма получается в виде большого и сложного сооружения (см. рис. 2.75,6). Бетонные диафрагмы, не разрезанные по высоте горизонтальными швами, подвергают расчету на прочность. При этом учитывают, что слева на диафрагму действуют следующие силы: гидростатическое давление воды, насыщающей поры грунта, и активное давление взвешенного грунта, образующего верховой клин плотины. Указанные силы воспринимаются реакцией грунта, расположенного справа от диафрагмы, и самой диафрагмой, работающей как плита и подверженной действию сжимающих сил собственного веса.
В литературе приводятся приближенные способы расчета прочности диафрагмы, разработанные с учетом перечисленных сил. Согласно этим способам диафрагму рассматривают как плиту на сжимаемом основании с переменным значением коэффициента податливости низовой призмы по высоте.
7. Железобетонные диафрагмы имеют значительно меньшую толщину, чем бетонные. Их выполняют монолитными или сборномонолитными, как разрезными, так и неразрезными. В остальном эти диафрагмы проектируют так же, как бетонные.8. Асфальтобетонные диафрагмы представляют собой вертикальные или наклонные стенки из литого, пластичного или уплотняемого мелкозернистого гидротехнического асфальтобетона. Иногда в диафрагму из литого асфальтобетона втапливают камни (30...40 % от ее объема, причем размер камней не должен быть больше 0,3 толщины диафрагмы). Толщину асфальтобетонных диафрагм принимают обычно 0,02...0,03 от напора, действующего на плотине, но не менее 0,4...0,6 м.
9. Пленочные диафрагмы (вертикальные или наклонные) конструируют так же, как и пленочные экраны (см. ц. 3). Область применения их та же, что и пленочных экранов.
10. Металлические диафрагмы выполняют в виде металлического шпунтового ряда или в виде преграды, образованной сваренными листами стали. Такие диафрагмы для предохранения металла от коррозии покрывают окрасочной гидроизоляцией. Стыки (замки) между отдельными сваями шпунтовых диафрагм должны уплотняться.
Дополнительные замечания. Выбор того или другого из этих рассмотренных противофильтрационных устройств в данном конкретном случае осуществляется с учетом приведенных выше указаний, а также на основании техникоэкономического сопоставления вариантов тела плотины в целом. Необходимо отметить, что выше мы не рассматривали жесткие экраны, т. е. экраны, выполненные из бетона, железобетона, металла и т. п. Конструкция экранов такая же, как и экранов каменнонабросных плотин (см. § 4.6). Для жестких экранов характерно следующее: а) когда земляной откос покрывают какимлибо экраном (например, бетонным), пологость откоса может быть уменьшена только в связи с тем, что за счет Водонепроницаемости экрана уровень грунтовых вод в теле плотины будет более низким. Экран не должен рассматриваться как подпорная стенка, он не может принять на себя активное давление грунта откоса; поэтому в статическом отношении экран не должен играть какуюлибо роль; б) устроенный на верховом откосе плотины экран должен быть практически водонепроницаемым. Верховой клин плотины (как и вся насыпная плотина) может дать некоторую осадку в начальный период эксплуатации плотины. Изза этой осадки экран должен несколько деформироваться.
Учитывая, что деформация жесткого экрана может обусловить нарушение его водонепроницаемости, а также имея в виду малую экономичность этих экранов, в настоящее время земляные плотины с жесткими экранами почти не строят.
Обратимся к сопоставлению грунтового экрана и ядра, причем перечислим недостатки и достоинства экрана сравнительно с ядром. Недостатки грунтового экрана (сравнительно с ядром): 1) на образование такого экрана всегда идет больше материала, так как длина линии откоса всегда больше высоты плотины; толщина же экрана и ядра одинакова; 2) так как глинистый материал, из которого выполняется экран, имеет небольшую прочность, то при укладке экрана на поверхность откоса должна увеличиться пологость этого откоса. Таким образом, плотина с экраном должна иметь более пологий верховой откос, чем плотина с ядром. Исключение составляет только случай, когда в верхнем бьефе имеют место быстрые снижения уровня воды (см. рис. 2.11). В этом случае устройство экрана цногда позволяет сделать верховой откос более крутым; 3) экран не так удобно сопрягать с бетонной частью плотины или крутыми скальными берегами; 4) верховую перемычку, под защитой которой отсыпается плотина, при наличии экрана не представляется возможным включить в тело плотины; 5) экран более чувствителен к осадкам основания и тела плотины, чем ядро. Достоинства грунтового экрана (сравнительно с ядром): 1) с точки зрения производства работ экран является более удобной конструкцией, чем ядро: фронт земляных работ по отсыпке самого тела плотины в случае плотины с ядром расчленяется ядром на две части (верховой и низовой клин плотины); 12) при наличии экрана можно устроить понур, что иногда бывает желательным; 3) экран более доступен для ремонта; 4) под экраном проще делать инъекционную завесу в основании; в случае плотины с экраном работы по сооружению зуба (завесы) и тела плотины можно вести одновременно. В каждом конкретном случае приходится сопоставлять варианты плотины с грунтовым экраном и с ядром. В экономическом отношении можно сопоставлять только варианты, имеющие одинаковые запасы прочности и устойчивости.