> Техника, страница 47 > Земляные плотины

Земляные плотины

Земляные плотины, искусственные гидротехнич. сооружения на водных потоках или оврагах, ограничивающие сток воды и вследствие этого вызывающие поднятие уровня воды перед сооружением. Плотины устраиваются для регулирования стока с целью водоснабжения, а также для с.-х. и промышленных целей.

По цели устройства 3. п. разделяются на водоудержательные, служащие для магазинирования (скопления) воды, и в о-доподъемные—для создания определенного подпора воды в водотоке. По способу стока воды 3. п. разделяются на: а) г л у-х и е—когда плотина не имеет выпуска воды и вода не идет через гребень; б) вод о-сливны е—когда вода идет через гребень без вреда для сооружения или когда в теле плотины или в берегах образуемого ей водохранилища имеются отверстия, сбрасывающие излишки воды; в) водоспуски ы е— когда излишек воды или вся вода водохранилища м. б. спущена из него при помощи различных систем водоспусков, устроенных как в теле 3. п., так и в берегах водохранилища и снабженных затворами.

Глухая 3. п. устраивается в том случае, если водохранилище, образуемое плотиной, способно вместить всю поступающую в него воду. Водосливная 3. п. устраивается в том случае, если суммарный приток воды в водохранилище превышает объём его, причем через водослив спускается излишек воды. Водоспускная 3. п. устраивается, если по соображениям технического или хозяйственного порядка из образованного ей водохранилища нужно спускать не только избыточную воду, но и весь полезный запас ее. Как общее правило, 3. п. устраиваются в тех случаях, когда для выпуска излишних вод и полезных попусков воды из водохранилища требуются отверстия незначительного размера и в небольшом числе.

Материалом для 3. и. служат всякого рода грунты, имеющиеся вблизи работ. Лучшим земляным материалом является лёсс. Песчано-глинистые грунты с меньшим содержанием песка, или содержащие мелкий, пылеобразный песок, для возведения 3. п., особенно больших, непригодны. Б. или м. нормальным составом земли для устройства 3. п. является состав из 1 ч. глины и 2 ч. крупного песка. Чистые глины и чистые пески для 3. п. менее пригодны, хотя примеры построек из них имеются. Для уменьшения возможности повреждения 3. п. животными (суслики, кроты, мыши и тому подобное.) не следует для тела плотины, особенно для замка и ядра, брать породы, в которых грызуны охотно устраивают норы.

3. п. представляет тело призматическ. вида, с поперечным трапецоидальным сечением. Основные элементы 3. п.: гребень плотины— верхняя площадка; откосы плотины—плоскости, ограничивающие тело плотины с низовой (сухой) и с верховой (водной) сторон; высота плотины—средняя высота насыпи; б р о в к а—линия пересечения плоскости откоса с гребнем; д л и-

н а плотины — длина гребня по оси плотины; ширина плотины — ширина гребня.

3. п. строятся различной длины, в зависимости от ширины запруживаемого водотока или оврага, и различной высоты, до 30—40 метров В практике заграничного строительства имеется пример 3. п. высотою 73 метров (полунамывная плотина Calaveras в Калифорнии). В практике русского строительства высота большинства 3. п. не превосходит 20 м; ширина гребня должен быть не меньше 3 м, а если гребень 3. п. служит проездом, то ширина его делается около 6 м; ширину гребня 3. п. значительной высоты вычисляют точно по эмпирич. ф-лам (смотрите ниже). Гребню плотины, во избежание застоя воды, придают скат от середины к бровкам с уклоном в 1 : 10. Гребень плотины, во избежание повреждения от перелива воды, располагается на 1,4—2,0 метров выше наивысшего горизонта воды перед плотиной (при работе водослива и водоспуска). Кроме того, гребень плотины должен быть выше гребня волны, во избежание переката последней через гребень. Высота максимальной волны, развиваемой в водохранилище, м. б. определена по формуле Стивенсона (Stephenson):

Τι =0,3 Kb —0,27 fb + 0,76, где h—высота максимальной волны в л, а L—наибольшая длина водохранилища в км. Откосы плотины делаются в зависимости от’ угла естественного откоса грунта, из которого возводится тело 3. и. Обычно водный (внутренний) откос, обращенный к воде, делается с уклоном 1 : 3, а наружный (сухой), обращенный в противоположную сторону, с уклоном 1 : Г/₂ или 1 : 2. Для предохранения откосов от разрушения или в том случае, если уклон откоса, в целях экономии работ, сделан меньше угла естественного откоса, соответствующего грунту тела плотины, откосы укрепляют. Материалом для укрепления откосов служат: дерн, древесные и растительные (травянистые) посадки, фашины, плетни, дерево, камень, бетон и железобетон (смотрите Откосы, укрепление).

Рационально устроенная 3. п. должна удовлетворять следующим условиям: 1) противостоять без смещения тела плотины давлению воды; 2) иметь размеры, при которых просачивающаяся через тело плотины вода не производила бы в нем разрушений или линия депрессии пересекала бы основание плотины, не доходя ~3—4 метров до нижней точки низового откоса; 3) не допускать перелива воды через гребень (за исключением плотин с затопляемым гребнем); 4) не допускать разрушения плотины от волнобоя;

5) не допускать порчи тела плотины норами и ходами сусликов, кротов, мышей и тому подобное.

Первое условие, то есть прочность на скольжение и опрокидывание под давлением воды, м. б. выполнено приданием основанию плотины достаточной ширины. Англ. инж. Бассель определяет эту ширину по формуле:

где Я—напор воды перед плотиной в м, /с— коэфф-т безопасности на скольжение, равный 10, γ—вес воды в единице объёма, а— вес материала плотины в единице объёма,

/—коэфф. трения по основанию, равный 1,0. Многолетняя практика, кроме того, выработала для проектирования 3. и. ряд эмпирич. формул; так, Люгер дает для ширины гребня 6 в м ф-лу:

6=3 + 0,3(Я-З),

а дляшириныоснованияпо низу—L в м ф-лу: L=b + h (ctg + ctg φ₂), где Η—напор воды перед плотиной, h—высота плотины, φ₁ и 9>₂—углы откосов, верхового и низового, образуемых с основанием. По Траутуайну (Trautwine) (англ, формула), ширина гребня определяется из ф-лы:

6=0,61 + 2|/ΐί,

где 6—ширина гребня, а Н—напор воды перед плотиной.Понселе принимает 6=0,777, а Болидер (франц. ф-ла) 6=Л, где Я—напор воды перед 3. п. Кроме ф-л, определяющих ширину 3. п. из условий статич. расчета, необходимо также принять во внимание ф-лы, определяющие ширину основания в зависимости от физических свойств грунта основания. При проектировании обычно пользуются опытными данными англ. инж. Блея (Bligli), который считает, что плотина будет вне опасности от подмыва фильтрационной водой по линии сопряжения с основанием в том случае, если длина фильтрационного пути L^C-H, где Я—напор у сооружения, а С—коэффициент. Для С Блей дает следующие значения, подразделяя их по роду почв дна на четыре класса: а) дно реки сложено из самого тонкого песка и ила (например Нил), (7=18; б) тонкий, мелкий слюдяной песок (как в реках Гималаи или Колорадо в С. Ш. А.), (7=15; в) крупнозернистый песок (как в центр, южн. Индии), С=12; г) валуны или булыжники, смешанные с гравием и песком, (7=9-+5. Для гравия и гравелистого песка можно принимать (7=9, для голыша и гальки С=4-У6, для глинистых грунтов (7=5+9.

Если ширина 3. п. по низу будет достаточной для данного грунта, т. e. L=C-H, то линия сопряжения тела плотины с основанием будет прямая ΑΏ (фигура 1); если же она будет меньше величины L, полученной по формуле Блея, то необходимо ее удлинить

путем устройства одного или нескольких замков (Aghi, ElmF и oprD) или подсыпать добавочную берму. Замки делают в виде земляных выемок трапецоидального сечения по оси плотины, заполненных водонепроницаемым грунтом (глиной). Ширина замка должен быть в среднем не меньше 2—3 м, глубина замка—не меньше 1 м, и замок должен врезаться в материк (в водоупорную породу) не менее чем на 0,5 метров Длина замка делается во всю ширину оврага или водотока, причем замок врезается в берега уступами на 0,5 метров выше проектируемого подпертого го ризонта воды в водохранилище. Продолжение замка составляет ядро, средней толщиной в ¹/,Я (Я—подпор перед плотиной). Верхняя грань ядра делается не ниже высоты подпертого горизонта. Для уменьшения действия фильтрации в теле плотины, особенно в том случае, если под основанием плотины находится песчаный грунт или плывун, устраивают непроницаемые диафрагмы в виде шпунтовых рядов или стенок из кладки и бетона. Шпунтовые ряды и стенки доводят до водонепроницаемого грунта (фигура2).

Детальное очертание профиля 3. п. может быть рационально запроектировано в зависимости от расположения линии фильтрации (депрессионной линии). В хорошо насыпанной плотине (тщательно утрамбованной) линия фильтрации имеет уклон к горизонту в 35°, а в посредственно насыпанной (без тщательной утрамбовки) — в 20° (фигура 3). Для плотин небольшого напора угол наклона депрессионной линии к горизонту берут в 16—20°, причем она должна пересечь основание плотины не ближе чем в 4,25 метров от подошвы нижнего откоса.

Фигура з.

В настоящее время все встречающиеся типы 3. п. могут быть сведены по роду материалов и конструкций к следующим группам: 1) 3. п., состоящие из однородного грунта по всему сечению; 2) 3. п. с центральным ядром, состоящим из в о-донепроницаемого грунта; 3) 3. п., имеющие в своем теле защитную стенку, или д и а ф р а г м у, из кладки на растворе, из бетона, железа или железобетона; 4)3. п. с каменной наброской (смешанные плотины). По способу производства работ 3. п. бывают: 1) насыпные, 2) намывные (гидравлич. наполнения).

З.п. из однородного грунта по всему профилю (чистый тип 3. п.) распространены в Индии и в СССР. У нас они были построены еще в дореволюционное время, в целях создания водохранилищ для орошения и водоснабжения на Ю. и Ю.-В. Высота таких плотин доходит до 15 м, ширина гребня—до 8 м; водный откос имеет уклон 1:3 или 1:2 (тройной или двойной), сухой— 1 : 1V₂ (полуторный). Большинство плотин снабжено водосливами и частью деревянными водоспусками. Примером больших 3. п.,

построенных за границей сотни лет тому назад из однородного материала—лёсса,

Фигура 4.

служит 3. п. водохранилища Куммом (Cuminum) в Индии. Поперечный профиль с размерами указан на фигуре 4. Из современных 3. п. того же типа следует указать на плотину Табо (Tabeaud) в Калифорнии. Основание плотины—шиферная коренная порода. Внешний откос до середины защищен водонепроницаемым глинисто-гравелистым грунтом и каменной отсыпкой (фигура 5).

3. п. с ядром из водонепроницаемого грунта (английский способ), возведенным из чистой мятой глины. Ядро хорошо трамбуется в виде стенки с крутыми откосами (6:1). Средняя толщина ядра не менее ^luh, где h—высота плотины. Гребень каменное ядро из бутовой кладки, к-рое не только предупреждает просачивание, но и работает как подпорная стенка. Размеры и детали даны на фигуре 7.

Как на пример 3. п. с камен н о и наброской можно указать на плотину Шисротрид в Германии (фигура 8, где а—песчаная земля с 15 % глины, б—глина, в—камень, г—гранитная скала). Ядро возведено из песчаной земли, насыпанной слоями в 0,20 ж и уплотненной катками. Спереди ядра сделана присыпка из песчаной земли (85%

песка и 15% глины) с применением гидрав-лич. раствора в виде порошка или молока в количестве до 20 л на 1 м³ насыпи. Земля насыпалась слоями в 0,10 метров с доведением слоя утрамбовкой до толщины в 0,05 метров.

Намывные плотины (плотины гидравлич. наполнения), получившие весьма большое распространение в Америке, м. б. отнесены к типу чистых 3. п. или плотин с центральным земельным ядром; постройка

Фигура 5.

ядра возводится выше наивысшего горизонта воды водохранилища. Иногда в ядро плотины, в целях предотвращения повреждений животными, прибавляют золы. Типовой конструкцией этого рода 3. п. служит плотина Ашти (Ashti) в округе Шо-лапур в Британской Индии. Ядро плотины состоит из водонепроницаемой черной земли, тщательно уплотненной. Замок состоит из земляного бетона, уложенного слоями в 10 см; размеры и детали профиля видны из фигура 6. 3. п. с защитной стенкой, или диафрагмой, наиболее распространены в Америке, Индии и Европе; они устраиваются в с-tZ8->

ИГ. 6.

том случае, если основание плотины на значительную глубину имеет водонедроница-емый грунт. Глиняный замок и ядро, как менее надежные, заменяются в таких 3. п. стенкой из каменной кладки на растворе, бетонной, железобетонной и тому подобное.

Типовым примером применения диа-фра г м ы в 3. п. является плотина в долине Кротон. В центре тела плотины имеется их, однако, в отличие от описанных выше, идет гидравлич. путем, при к-ром вода служит не только для добывания грунта для 3. п., но и для его транспорта. Намывные 3. п. широко применяются в горных районах с избытком воды, расположенной на значительной высоте над дном долины. Пример намывной 3. п. представляет плотина Necaxa, построенная в 1909 году в Мексике (фигура 9).

Предварительные изыскания для устройства 3. п. состоят в отыскании наиболее удобного места. Как общее· правило, 3. п. устраиваются в суженном месте балки или долины, ниже расширенной части или ниже слияния нескольких балок, между высокими незатопляемыми берегами, при плотном непроницаемом грунте. Затем по формулам стока выясняют максимальное количество воды, которая может быть задержана плотиной, и определяют тип земляной плотины.

Исследования в пределах водохранилища состоят гл. обр. в выяснении степени непроницаемости водохранилища и его емкости. Обнаруженные водоносные горизонты должны иметь движение к водохранилищу, а не наоборот, и определяются при помощи буровых скважин или шурфов и нивелировки и съемки. Изыскания в пределах 3. п. состоят гл. обр. в выяснении степени прочности и проницаемости грунта, на к-ром должен быть основана

Фигура 8.

плотина, а также плотности того пласта или грунта, в который должен быть врезан замок. Разведочное бурение или шурфование производится по всему сечению до предполагаемого подпертого горизонта. Буровые скважины закладываются по оси плотины, на расстоянии друг от друга примерно в 4—8 м, а также вдодь тальвега. Скважины связываются нивелировкой, имеющей один общий репер с нивелировкой водохранилища.

Производство работ. При устройстве 3. п. тело плотины, а особенно замок

-Μί-1

и ядро, насыпаются некомковатым материал ом тонкими горизонтальными слоями толщиной 0,1—0,2 метров и плотно утрамбовываются. Поэтому устройство плотин конной возкой более всего способствует возведению наиболее плотного земляного тела. В практике заграничного строительства при насыпке плотины употребляют круглые катки весом в 4—5 тонн для раздавливания комьев, применяют увлажнение и поливку слоев жидким гидравлич. раствором или посыпку сухим порошком гидравлич. извести или цемента. Утрамбовку пли укатку ведут рубчатыми катками весом У—10 тонн (смотрите Катки). При устройстве плотин, а особенно замка и ядра, полезно рыхлые слои увлажнять. Небольшая прибавка извести или цемента способствует более плотному соединению частиц насыпи, а потому и рекомендуется англ, и франц. строителями. Земляные работы по насыпке 3. п. производятся гл. обр. в летнее время. Осенью, после осадки 3. п., производится окончательная доделка (выравнивание откосов, одерновка и тому подобное.). При возведении 3. п. следует предусмотреть осадку; поэтому насыпи следует возводить выше проектной высоты на 10—15%, с таким расчетом, чтобы после осадки гребень 3. п. по оси представлял собою горизонтальную плоскость.

Для лучшего соединения тела плотины с основанием дерн под основанием плотины снимают и основание штыкуют на один штык лопаты (25—30 см) или вспахивают плугом, а затем уже засыпают горизонтальными слоями земли до проектного профиля. Штыковку основания иногда заменяют разработкой основания по продольному профилю невысокими уступами (0,2—0,3 м) с наклонными гранями (откосы 1 : 1/,) между ступенями. Если высота плотины более 8 л и грунт довольно слаб, то, во избежание выпучивания его в стороны от веса плотины, верхний слой грунта должен быть снят на глубину у, определяемую по формуле Ранкина (в м):

где II—высота плотины, Δ—вес 1 м³ грунта под основанием плотины (то есть в выемке),

<5—допускаемая нагрузка грунта в килограммах/м², а

fc=;—— - (φ—угол естественного откоса, l + sm? ^{vr 0} ’

принимаемый для естественно влажной земли равным 44°, для сухой рассыпчатой—равным 36° и для земли, насыщенной водой,—23°). Имеющиеся по основанию пни должен быть выкорчеваны, кустарник вырублен, а камни удалены. Дерн, снятый с поверхности основания, складывают ниже 3. п. и в случае необходимости употребляют для укрепления откосов. Котлован для замка роют после снятия с основания дерна. Грунт котлована, если он непригоден для насыпи тела плотины, отвозят в сторону, если же он пригоден, то складывают в стороне от основания и в соответствующее время употребляют для насыпки плотины. Вырытый котлован заполняют чистой глиной из резерва; лишь в исключительных случаях глина м. б. заменена жирным суглинком. Забивку замка ведут слоями не более 10 сантиметров толщины. Если земля сухая, производят поливку, беря воды из расчета ок. 30 л на 1 м“ поверхности трамбуемого слоя.

В целях предохранения откосов от повреждения применяют укрепление их дерном, древесными посадками и засевом травами или укрепляют откосы фашинами, хворостом, деревом, камнем, бетоном и железобетоном.

Повреждения 3. п. К числу главнейших повреждений новых или отремонтированных 3. п. относятся: осадка их, оползание откосов и просачивание воды. Осадка 3. п. влечет за собой опускание гребня и появление трещин в теле плотины. Наиболее опасными являются трещины в местах соединения с берегами. Трещины перед наступлением осенних заморозков раскапывают до основания и заделывают замкам, длиною 1,5— 2 метров и шир. 0,7 м; ниже трещин замок углубляют на 25 см. Замки делают из грунта, одинакового с тем, в котором появились трещины. При опускании гребня делают подсыпку. Сползание откосов, обычно задних, обусловливается действием просачивающейся воды. Небольшие оползания, при незначительном подпоре, останавливают устройством дополнительного замка или подсыпкой земляных отсыпей в виде контрфорсов. Значительные оползания предотвращают устройством дренажа с подсыпкой откоса плотины и устройством дополнительных замков. Просачивание воды через 3. п. представляет угрозу сооружению в том случае, если просачивающейся водой вымываются частицы грунта. Для устранения просачивания и связанного с этим оползания откоса устраивают вдоль плотины канаву и отводят из нее воду по дну оврага или же увеличивают толщину тела 3. п. Повреждения 3. п. морозами имеют место в случае, если, вследствие ранних морозов, неосевшая плотина сверху замерзает, а внизу грунт продолжает оседать, почему между замерзшим слоем и незамерзшим образуются пустоты (полости). Полости могут заполняться водой и вести к дальнейшему разру-

шению плотины. Для предотвращения появления пустот следует плотину предохранить каким-либо нетеплопроводным материалом (соломой, навозом, снегом и тому подобное.). Чаще всего повреждения З.п. происходят во время прохода полых вод; чтобы избежать повреждений, перед наступлением па расчищают водоспуски, водосливы и отводные каналы, открывают щиты и, организуя наблюдение во время ледохода, предупреждают повреждение льдом стенок водоспускных сооружений.

Лит.: Анисимов Н. И., Плотины, ч. 1— Водоудержательные плотины, 2 изд., М., 1928, ч. 2— Водоподъемные плотины, М., 1924; Попов К. В., Земляные плотины и их водопропускные сооружения, М.—Л., 1928; Н е ё л о в Д. Д., Устройство плотин, т. 1—3, СПБ, 1884; Б а с с е л ь Б., Земляные плотины, П., 1917; Wegmann Е., The Design a. Construction of Dams, N. Y., 1927; Parker Pli., The Control of Water, L., 1925; Ziegler P. Der Tal-sperrenbau, 3 Aufl., В. 1—2, B., 1925—27. А. Калабугин.