ПЛОТИНЫ
Назначение и общая классификация плотин
Плотина – напорное сооружение гидроузлов, представляющее собой стенку, преграждающую русло реки и поддерживающую уровень верхнего бьефа при определенном напоре. В большинстве случаев плотина должна также пропускать воду из верхнего бьефа в нижний, особенно в паводок.
Плотины классифицируются по следующим основным признакам:
а) по материалу: на земляные, набросные из камня, из сухой кладки, бетонные, железобетонные, деревянные, металлические, из синтетических материалов и смешанной конструкции. Наиболее широкое применение получили деревянные, бетонные и железобетонные плотины. Бетонные и железобетонные плотины возводятся в различных климатических условиях как на нескальных, так и на скальных основаниях;
б) по способу пропуска воды: на глухие и водосливные (водосбросные). Через глухие плотины не производится сброс воды в нижний бьеф, а в водосливных плотинах сброс воды сможет осуществляться через гребень (с затвором или без затвора) и через глубинные отверстия;
в) по характеру статической работы: на гравитационные, арочные, арочно-гравитационные, контрфорсные и заанкерные плотины.
Гравитационные (массивные) плотины обеспечивают устойчивость внешним сдвигающим силам за счет своего значительного веса.
Арочные плотины обращены выпуклостью к сдвигающим нагрузкам и передают их через свои устои на берега и они возводятся в основном на скальных основаниях. В ряде случаев устойчивость сдвигающим силам достигается устройством арочно-гравитационных плотин.
В контрфорсных плотинах давление воды со стороны верхнего бьефа воспринимается перекрытиями и передается на вертикальные устои (контрфорсы), а заанкерные плотины сопротивляются внешним силам заделкой конструкции в основание;
г) по напору: на низконапорные (до 10 м), средненапорные (10-40 м) и высоконапорные (свыше 40 м);
д) по капитальности: на постоянные и временные;
е) по назначению: на водохранилищные и водоподъемные.
Водохранилищные плотины наиболее широкое применяются в гидротехническом строительстве, они позволяют аккумулировать значительный сток воды в реке и при годичном регулировании использовать его для различных водохозяйственных целей: энергетики, судоходства, водоснабжения, орошения земель и др.
Водоподъемные плотины предназначены для решении определенной водохозяйственной цели (ирригация, судоходство, обводнение земель, лесосплав и др.), они поддерживают подпор воды в ограждаемой акватории и по продолжительности работы могут быть с сезонным или суточным регулированием расходов.
Земляные плотины, их типы и устройство
Наиболее древними водоподпорными сооружениями являются плотины из грунта и камня. Не потеряли своего назначения они и в настоящее время. В связи с развитием гидротехнического строительства в отдаленных и неосвоенных районах как в России, так и за рубежом, число гидроузлов с земляными и каменнонабросными плотинами в последние десятилетия постоянно растет.
Земляные плотины, как правило, строятся без водопропускных отверстий, т.е. являются глухими. Для сброса воды и подвода ее к турбинам ГЭС в гидроузле строятся из бетона водосливные и станционные плотины, которые, примыкая к земляным плотинам, создают единый напорный фронт гидроузла. Такое сочетание плотин характерно для низконапорных гидроузлов и гидроузлов среднего напора.
В высоконапорных гидроузлах, построенных на скальном основании, каменнонабросная плотина полностью перекрывает русло реки, а вода в нижний бьеф к турбинам подводится по туннелям.
Земляная или каменнонабросная плотина в поперечном разрезе имеет трапецивидную форму (рис. 14.1), где широкое основание опирается на русло реки, а по верхнему основанию (гребню плотины) выполняется проезд (автомобильная или железная дорога).
Откос плотины, обращенный в сторону водохранилища, называется верховым, а откос, обращенный в сторону нижнего бьефа, – низовым.
Так как практически все грунтовые материалы, уложенные в тело плотины, являются фильтрующими, то при проектировании плотины решаются две задачи.
- уменьшить потери воды на фильтрацию через тело плотины и основание;
- обеспечить фильтрационную устойчивость водоподпорного сооружения, т.е. исключить ее размыв.
Первая задача решается размещением в теле плотины, а в необходимых случаях и в основании противофильтрационных элементов. Наклонный противофильтрационный элемент, примыкающий к верховому откосу, называется экраном, вертикальный элемент называется ядром, а при малой толщине диафрагмой. Для предотвращения фильтрации через основание экран сопрягается с горизонтальным противофильтрационным элементом – понуром, а ядро, заглубленное в основании, образует дополнительный элемент – зуб. Обычно противофильтрационные элементы выполняются из слабофильтрующих грунтов (глина, торф). Там, где нет таких грунтов, их изготовление производится из бетона, асфальта, железобетона, стали, полиэтиленовой пленки.
В последние годы наиболее широкое применение находят вертикальные диафрагмы из асфальтобетона. Высокая надежность таких диафрагм обусловлена вязкостью, ползучестью и пластическому течению асфальта, что способствует самозалечиванию трещин, которые могут появляться при деформациях плотин (осадки, смещение).
Для обеспечения фильтрационной устойчивости тела плотины осуществляется сбор и отвод фильтрующейся через тело плотины воды. С этой целью в примыкании низового откоса к основанию выполняется дренаж, который обычно состоит из каменной призмы и наклонного обратного фильтра, включающего в себя несколько слоев сыпучих материалов. К откосу каменной призмы примыкает слой гравия или щебня, затем идут слои более мелкого щебня или гравия, а затем слои песка от крупного до средней крупности. Поступающая через тело плотины вода проходит через обратный фильтр в каменную призму без выноса частиц грунта, которые задерживаются в порах между частицами обратного фильтра. Размеры дренажа рассчитываются так, чтобы фильтрующаяся через тело вода вся поступала в дренаж и не выходила на низовой откос плотины.
Верховой откос плотины защищается со стороны водохранилища от действия волны железобетонными плитами или каменной наброской.