Проектирование и строительство земляных плотин

1. В насыпях из сыпучих (несвязных) грунтов, лишенных сцепления и обладающих лишь внутренним трением, если отсутствуют фильтрационные силы, устойчивый откос представляет собою плоскость, наклоненную к горизонту под углом φ, где φ — угол внутреннего трения или естественного откоса. Всякий откос с углом наклона θ ¿ φ является неустойчивым.

Для песчаных грунтов естественной влажности углы внутреннего трения варьируют от 250 для песков до 430 для гравелистых грунтов в зависимости от плотности.

2. Связные грунты (глина, суглинки) кроме внутреннего трения частиц (угла φ) располагают силами сцепления с, измеряемые в единицах давления (паскалях и др.).

В литературе [2] приведен график приближенного метода расчета для однородных земляных откосов из связных грунтов, предполагающий поверхность сползания откоса круглоцилиндрической. По этому графику, зная объемный вес грунта Υ₁ (т/м3), угол внутреннего трения φ сцепление с (т/м2), и высоту откоса h (м), можно определить угол безопасного откоса Θ.

Рис. 6.1. График расчета устойчивости откосов для однородных связных грунтов [2].

Вычисленное значение заложения откоса m по графику для плотин 1-го и 2-го класса следует увеличить на коэффициент безопасности по СНиП.

3. Как правило, откосы земляной плотины не являются однородными по составу; даже в плотине из однородного грунта часть последнего, лежащая ниже кривой депрессии, имеет иные физические свойства, чем вышележащий сухой грунт: иной объёмный вес, иное сцепление, наличие фильтрационных сил. Кроме того, в большинстве случаев основание плотины может деформироваться вместе с откосами.

Для таких случаев приходится пользоваться при расчете общим методом круговых (цилиндрических) поверхностей скольжения (метод К. Терцаги) [3, 2]. Этот метод сводится к вычислению отношения момента силы веса отсека к моменту сил сцепления относительно произвольно выбранного центра кривой скольжения. По этому отношению определяется коэффициент устойчивости откоса с учетом влияния фильтрационных сил.

Вычисления продолжаются с многократно переносимым центром скольжения, из которых выбирается наиболее опасный центр с минимальным коэффициентом устойчивости.

Расчеты громоздки и требуют много времени для вычисления.

Для проведения расчета необходимо знать фактические величины сцепления, трения, объемного веса участков грунтов, которые определяются лабораторными испытаниями, а также фильтрационных сил, вычисляемых по построенной фильтрационной сетке.

В настоящее время расчет устойчивости выполняется по разработанным программам для ЭВМ. Эти расчеты выполняются специализированными проектными организациями (ОАО «Гидропроект» и др.). Расчетную схему устойчивости приводим ниже. [2].

Подробные методики расчетов приведены во многих справочниках по гидротехнике и механике грунтов, повторять их в нашем пособии нецелесообразно.

На устойчивость откосов плотины существенное влияние оказывает быстрое изменение горизонта воды в водохранилище. При быстром снижении уровня вода в «мокром» клине плотины не успевает фильтровать обратно в водохранилище, что приводит к появлению порового давления, которое нужно учитывать в расчетах. Такое быстрое изменение уровня воды характерно для водохранилищ ГАЭС (гидроаккумулирующих ГЭС), где уровень воды изменяется несколько раз в сутки до 10 м. Так на плотине нижнего бассейна Загорской ГАЭС [10] при эксплуатации произошли местные оползания низового откоса. Поверочными расчетами была выявлена недостаточная устойчивость низового откоса и были приняты меры по доработке дренажной системы плотины. Для плотин ГАЭС и приливных ГЭС с переменным и быстро меняющимся уровнем воды водохранилища необходимо дренировать оба откоса плотины.

В расчетах плотины также необходимо учитывать возможное сейсмическое воздействие в зависимости от географического района и класса плотины по безопасности.

Рис.6.2. а) оползание откоса; в) схема к расчету устойчивости откоса.

При сбросе через высокую водосливную плотину паводковых вод происходит вибрация местности, которая передается на значительные расстояния, в том числе и на земляную плотину. Это явление также учитывают при назначении коэффициента запаса устойчивости откосов плотины.

Кроме обрушения массива откоса, особенно в процессе намыва, на устойчивость откоса влияет суффозия (вымывание) мелких частиц грунта под действием фильтрационных вод, и оно может привести к постепенному обрушению откоса.

Кроме этого, приводим простой расчет устойчивости откоса на оплывание (суффозию) в месте выхода фильтрационного потока на поверхность [Л. 3 стр. 629].

4. Расчет устойчивости низового откоса нa оплывание в месте выхода фильтрационного потока на поверхность (фиг. 22—15)

Этот расчет выполняется по формуле:

γJ+ γ_rsinθ ≤ γ_rcosθ tg φ

где γ — объемный вес воды, принимаемый равным 1 г/см3 или т/м3;

γ_r — объемный вес влажного грунта (в воздухе), приближенно принимаемый γ_r ≈ 2 т/м3;

θ — угол наклона откоса к горизонту;

φ — угол внутреннего трения грунта, из которого выполнен откос;

I — градиент фильтрационного потока на выходе, принимаемый J_пред = sin θ.

Фиг. 22—15. Схема для расчета устойчивости откоса на оплывание.

При решении равенства (22—15) поручается приближенно для отсутствия оплывания:. (22—16)

Примерные значения угла внутреннего трения φ для песков даны в таблице 2 [4 стр. 23].

Таблица 2.

Для расчета плотин 1 — 2 классов необходимы лабораторные определения угла внутреннего трения для конкретных грунтов плотины.

Примерные значения заложения откосов земляных плотин приведены в таблице раздела 6 [2].

При проектировании плотины сначала выбирают профиль плотины и заложение откосов по таблице или аналогам, а затем проверяют выбранный профиль на сдвиг, устойчивость откосов и фильтрацию.

7. Грунты для земляных плотин

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.

8. Назначение основных размеров профиля земляных плотин

Устойчивость плотины обеспечивается выбором грунта тела плотины, основания и назначением заложения откосов в зависимости от высоты плотины, плотности грунта и его способности сопротивляться сдвигу.

Форма профиля плотины — обычно неравнобокая трапеция, стороны которой, т.е. откосы, прямолинейны или представляют собою ломаные линии, уполаживающиеся книзу. Уклоны и форма откосов плотины назначаются в зависимости от высоты и рода грунта, от свойств основания и фильтрационных условий.

Для предварительной ориентировки можно пользоваться заимствованными из практики плотиностроения данными о примерных величинах откосов однородных плотин из песчано — глинистого грунта при плотных грунтах оснований [2].

Рис.8.1. Примерные откосы земляных плотин [2]

Верховой откос делают обычно более пологим, т.к. он насыщен водой почти на всю высоту плотины. С увеличением высоты плотины заложение откоса m (Ctg φ — угла наклона к горизонту) возрастает, при этом переходят обычно к ломаному очертанию откосов, увеличивая их пологость книзу.

Нередко на откосах устраивают горизонтальные площадки — бермы, которые служат упором для крепления вышележащей части верхового откоса, отвода дождевых вод с низового откоса и ремонтного обслуживания. Ширину бермы назначают обычно в 1.5 — 2 м, но бывает и шире в зависимости от назначения.

Ширина плотины по гребню назначается в зависимости от назначения для класса автодорог, железных дорог, прокладки ЛЭП и других коммуникаций, но не менее 3 м при отсутствии коммуникаций.

Возвышение гребня над максимальным горизонтом воды в водохранилище принимают в зависимости от расчетной высоты вкатывания волны по откосу. Обычно не менее 2 — 2.5 м, а в ответственных плотинах до 5 м.

Со стороны верхового откоса на гребне обычно возводят бетонный парапет для безопасности транспорта и людей [2].

9. Основание плотины и ее подготовка

В соответствии с [1] п. 1.5*, возведение плотин из грунтовых материалов можно предусматривать как на скальных, так и на нескальных грунтах основания, находящихся в талом или в мерзлом состоянии с учетом прогноза изменения их криогенного состояния в период строительства и эксплуатации.

Возведение плотин на нескальных грунтах основания, содержащих водорастворимые включения в количестве большем, чем указано в п. 2.5*, допускается только при проведении исследований скорости расселения и выщелачивания и учете этих процессов при оценке фильтрационного расхода, устойчивости и деформируемости сооружения. Для предотвращения выщелачивания грунтов основания могут предусматриваться различные конструктивные меры (например, устройство понуров, зубьев, завес, обеспечение насыщения раствора в основании плотины и др.).

При строительстве плотин из грунтовых материалов на торфяном (заторфованном) основании необходимо выполнять исследования по прогнозу разложения торфа во времени и учету этого процесса при обосновании устойчивости сооружения.

Плотины на илистых грунтах допускается возводить только при наличии надлежащего обоснования.

На основаниях, сложенных сильнольдистыми грунтами i_i> 0,4 и сильносжимаемыми при оттаивании вечномерзлыми грунтами следует предусматривать строительство мерзлых плотин из грунтовых материалов.

1.6*. При оценке качества грунтов нескального основания надлежит обращать особое внимание на наличие в нем:

а) суффозионных и термопросадочных грунтов,

б) грунтов, в которых при возведении плотины может развиваться поровое давление в связи с их консолидацией. Условия необходимости учета порового давления изложены в рекомендуемом приложении 1;

в) льдонасыщенных грунтов, теряющих несущую способность при оттаивании.

1.7* При оценке качества скального основания следует обращать особое внимание на наличие в нем:

а) трещин, заполненных легковымываемыми мелкими фракциями грунта, а также полностью или частично заполненных льдом;

б) тектонических нарушений (сбросов и сдвигов);

в) ослабленных зон, которые могут разрушаться под влиянием фильтрации и насыщения их водой и оказаться неустойчивыми.

При подготовке основания безусловному удалению подлежит растительный грунт, корневая система, сильно разложившийся торф в пластичном состоянии, сапропель, илистые грунты в текучем состоянии.

В практике работы организаций гидромеханизации имели место случаи просадки торфяного основания в процессе намыва дамб на строительстве канала Москва — Волга [12]. При этом происходил выпор грунта на соседних с дамбой участках.

Другим примером возведения сооружения на торфяном основании может служить намыв ограждающей и струенаправляющей дамб в водохранилище Печерской ГРЭС. Слаборазложившийся торф залегал на трассе дамб на глубине до 10 м. Рижским отделением ТЭПа совместно с Московским СУ «Гидромеханизация» было принято смелое решение — поэтапно возводить дамбы на промежуточную высоту с перерывом до одного года для усадки и уплотнения торфа основания. На рис. 9.1. показан первый этап возведения дамб [14].

Рис. 9.1. Первый этап возведения дамб водохранилища Печерской ГРЭС: 1 — проектный профиль сооружения; 2 — грунт, намытый во время первого этапа работ; 3 — торф; 4 — суглинки; 5 — илистый грунт.