Учебное пособие предназначено для ознакомления студентовбакалавров с основными понятиями о гидротехнических сооруже­ ниях, возводимых в целях использования водных ресурсов плане­ ты в интересах человека.

Гидротехнические сооружения - это наиболее сложные и от­ ветственные искусственные сооружения, возводимые с древней­ ших времен на реках, берегах озер, морей и океанов, имеющие значительное влияние на развитие не только отдельных регионов, но и целых государств.

Гидросооружения при всех их необходимости для развития эко­ номики и промышленности в случае аварии приносят значитель­ ный урон региону и, в зависимости от расположения на местности, могут вызвать значительные человеческие жертвы.

При составлении данного учебного пособия были использова­ ны материалы изданий: СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические со­ оружения. Основные положения»; ГОСТ 19185-73 «Гидротехни­ ка. Основные понятия. Термины и определения», материалы науч­ но-исследовательского института водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВОДГЕО); учебное пособие «Гидротехнические сооружения», части I и II, Р.Р. Чугаева, Москва, «Агропромиздат»; учебное пособие «Водозаборно-очистные сооружения и устройства» М.Г. Журба; «Учебное пособие для студентов заочного отделения факультета водоснабжения и водоотведения» Ю.В. Воронова, А.Л. Ивчатова; Справочник по гидротехнике, ВОДГЕО.

Учебное пособие по гидротехническим сооружениям предус­ матривает ознакомление'студентов с типами и конструктивными особенностями гидротехнических сооружений, построенных или проектируемых в нашей стране и за рубежом. К этим сооружени­ ям относятся земляные, каменно-набросные, бетонные, деревян­ ные плотины; плотины глухие и водосливные, гравитационные, арочные, контрфорсные; плотины, возводимые на скальных или водопроницаемых грунтах; плотины, создающие водохранилища для целей водоснабжения, энергоснабжения, судоходства и т.д.

Указанные в настоящем учебном пособии принципиальные схе­ мы, чертежи и рисунки скопированы с соответствующих учебных пособий и справочника по гидротехнике, указанных выше и оста­ ющихся актуальными.

Внастоящем учебном пособии особое внимание уделено кон­ струкции водозаборов, бетонных водосливных плотин, устройству водоудерживающих затворов и конструкций плотин, расположенmix в нижнем бьефе, а также мероприятиям прогивофильтрационной защиты сооружений от фильтрационных потоков через грунто­ вое основание или тело плотин и берегоукрепительным конструк­ циям, сохраняющим берега от воздействия волновых процессов.

Впрактической деятельности при проектировании и сооруже­ нии гидротехнических сооружений возможны варианты компонов­ ки гидроузла или его отдельных конструктивных элементов, нерас­ смотренных в настоящем учебном пособии. Каждое гидротехни­ ческое сооружение, привязанное к конкретным геологическим, гидрологическим, гидрогеологическим условиям и создаваемое для выполнения конкретных функций, - уникально и может иметь

свои конструктивные особенности и новые технические решения.

1.Общее понятие

огидротехнических сооружениях

1.1. Терм ины и определения

Всоответствии с требованиями нормативных документов, дей­ ствующих на территории Российской Федерации, определена об­ ласть применения гидротехнических сооружений, их классифика­ ция и даны общие указания по проектированию. Определены ос­ новные расчетные положения.

Гидротехническими сооружениями называются сооружения, которые подвергаются воздействию воды, водной среды и пред­ назначены для использования и охраны водных ресурсов страны и планеты, предотвращения попадания в водоемы и речные потоки вредных промышленных и сельскохозяйственных отходов.

Вперечень гидротехнических сооружений включены: плотины из различных материалов, здания гидроэлектростанций, водосброс­ ные, водопропускные, водовыпускные сооружения, тоннели, кана­ лы, судоходные шлюзы, рыбоподъемники, устройства для закреп­ ления берегов рек, озер и водохранилищ, речные и морские при­ чальные устройства для судов.

Чрезвычайными ситуациями называют обстановку, которая может сложиться на определенной территории в результате аварии на гидротехническом сооружении, если она повлекла или может по­ влечь за собой человеческие жертвы, причинить ущерб здоровью людей или окружающей среде, допустить значительные материаль­ ные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей.

Безопасность гидротехнических сооружений - свойства гидротехнических сооружений обеспечивать защиту жизни, здо­ ровья, законных интересов людей, окружающей среды и хозяй­ ственных объектов.

Декларация безопасности гидротехнических сооружений -

согласованный и утвержденный документ, обосновывающий безо­ пасность гидротехнического сооружения и меры, определяющие бе­ зопасность этого сооружения с учетом его класса.

Критерии безопасности гидротехнических сооружений -

предельные значения количественных и качественных показате­ лей состояния гидротехнических сооружений и условия их эксплу­

атации. Эти показатели соответствуют допустимому уровню рис­ ка аварии гидротехнического сооружения, утвержденному в уста­ новленном порядке федеральными органами исполнительной вла­ сти, осуществляющими надзор за безопасностью данного гидро­ технического сооружения.

Оценка безопасности гидротехнического сооружения -

определение соответствия гидротехнического сооружения и ква­ лификации работников эксплуатирующей организации нормам и пра­ вилам, утвержденным в порядке, определенном Федеральным за­ коном «О безопасности гидротехнических сооружений».

Обеспечение безопасности гидротехнических сооруже­ ний - это разработка и осуществление мер по предупреждению аварий гидротехнического сооружения.

Допустимый уровень риска аварии гидротехнического со­ оружения устанавливается нормативными документами феде­ рального значения.

Эксплуатирующая организация - государственное или му­ ниципальное унитарное предприятие либо организация другой пра­ вовой формы, на балансе которой находится данное гидротехни­ ческое сооружение.

Гидротехнические сооружения следует проектировать исходя из требований комплексного использования водных ресурсов, ис­ пользуя схемы водотоков в интересах развития регионов и про­ мышленных производств, градостроительных принципов и других федеральных программ.

Проектирование начинается с разработки и сравнения техни­ ко-экономических показателей различны* компоновок сооружений с учетом: функционального значения сооружений, места (террито­ рии) возведения, условий производства работ, перспектив разви­ тия производства по потреблению получаемых энергетических ресурсов, воздействия на окружающую среду, решения задач су­ доходства и других факторов, меняющи* гидрогеологические си­ туации или влияющих на добычу полезньгх ископаемых.

При проектировании гидросооружений должна быть предусмот­ рена надежность сооружений, максимальная эффективность при строительстве, подготовке ложа создаваемого водохранилища и эксплуатации. Необходимо обеспечить: сохранность судоходства (для судоходных водотоков); сохранное^ животного, раститель­

ного мира на территории, на которую воздействует комплекс воз­ водимых гидросооружений; минимальный расход воды при эксп­ луатации и возможность безаварийного пропуска паводковых вод при расчетной обеспеченности, согласно уровню класса со­ оружения.

Проектировать гидросооружение необходимо с учетом его ре­ конструкции через расчетное время эксплуатации.

Особое внимание при проектировании необходимо уделять обеспечению безопасности гидротехнических сооружений на пе­ риод строительства и эксплуатации, в проекте должны обязатель­ но быть данные о контролируемых нагрузках (природных и техно­ генных), программа и состав инструментальных и визуальных на­ блюдений, мониторинга технического состояния конструктивных элементов и декларация безопасности.

В проекте должна быть приведена расчетная схема оценки возможного материального и социального ущерба от потенциаль­ ной аварии гидросооружения при нарушении его напорного фронта и разработаны локальные системы, предусматривающие опове­ щение населения, проживающего в районе предполагаемого за­ топления, при угрозе прорыва напорного фронта.

При разработке проекта гидросооружения следует руководство­ ваться законодательством Российской Федерации об охране ок­ ружающей среды на период строительства и эксплуатации, учи­ тывая изменения физико-геологических и гидрогеологических, гид­ родинамических процессов, возникающих в их основаниях при по­ вышении активности сейсмических разломов, переработке бере­ гов и заилении ложа водохранилища.

Проектирование гидротехнических сооружений производится в зависимости от социально-экономической ответственности и последствий возможных гидродинамических аварий, которые под­ разделяются на классы, при этом заказчик по строительству име­ ет право повысить класс сооружения по сравнению с действую­ щим директивным документом. Если комплекс гидротехнических сооружений можно отнести к разным классам, то в проекте при­ нимается класс более высокой ответственности.

Принимаемые нагрузки на гидротехнические сооружения мо­ гут быть постоянные и временные (длительные и кратковремен­ ные), также возможны особые сочетания нагрузок и воздействий.

Нагрузки и воздействия при проектировании гидроузлов необ­ ходимо принимать в наиболее неблагоприятных, но реальных для данного гидроузла вариантах, отдельно на период строительства и эксплуатации сооружений.

При проектировании речных гидроузлов на период строитель­ ства необходимо предусматривать мероприятия по безопасности на случай возникновения заторов и зажоров водотоков.

Для обеспечения надежности системы «сооружение - основа­ ние» проект должен быть рассчитан по методу предельного со­ стояния их прочности, в том числе и фильтрационной.

Расчеты следует производить по двум группам предельных со­ стояний: первая группа - потеря несущей способности (или) пол­ ная непригодность сооружений, их конструкций и оснований к экс­ плуатации; вторая группа - непригодность гидросооружений (гид­ роузлов) к нормальной эксплуатации.

Расчетные расходы и уровни воды при проектировании гидро­ технических сооружений принимаются в зависимости от класса сооружения и для двух расчетных случаев - основного и повероч­ ного (табл. 1).

1.2. Х арактеристика постоянны х и второстепенны х

гидротехнических сооруж ений

Характеристика постоянных и второстепенных гидротехничес­ ких сооружений регламентируется требованиями строительных норм и правил Российской Федерации, введенных в действие со­ ответствующим нормативным документом.

С учетом особой значимости для ведения хозяйства гидротех­ нических сооружений, их особого места в формировании гидроло­ гической и гидрогеологической обстановки на конкретной терри­ тории все гидросооружения по своей значимости и возможным осложнениям при эксплуатации разделены на две основные груп­ пы постоянных гидросооружений:

-первая группа - основные гидротехнические сооружения,

-вторая группа - второстепенные гидротехнические соору­ жения.

Косновной группеЛ1 относятся следующие гидросооружения:

-плагины, устои и подпорные стены, входящие в напорные фрон­ ты гидроузлов, дамбы обвалования, берегоукрепительные (внепортовые), регуляционные и оградительные сооружения, гидротехни­ ческие гидроузлы, водосбросы, водовыпуски, водоспуски, водо­ приемники и водозаборные сооружения;

-каналы деривационные и судоходные для водохозяйственных

имелиоративных систем, акведуки, мосты-каналы, трубы-ливне­ спуски и т.д. как сооружения комплексного назначения;

-тоннели, трубопроводы, напорные бассейны, уравнительные резервуары, здания гидравлических и гидроаккумулирующих элек­

тростанций и насосных станций, отстойники, судоходные соору­ жения - шлюзы и судоподъемники;

-рыбопропускные сооружения, входящие в состав напорно­ го фронта гидросооружения, гидротехнические сооружения пор­ тов - набережные, пирсы судостроительных и судоремонтных предприятий, паромных переправ (кроме отнесенных ко второ­ степенным);

- гидротехнические сооружения ТЭС и АЭС, входящие в ком­ плексы инженерной защиты населенных пунктов и предприятий, сельхозугодий, территорий санитарно-защитного назначения, ком­ мунально-складских предприятий, памятников культуры и приро­ ды, сооружений морских нефтегазопромыслов, защиты средств навигационного оборудования, дамбы - ограждающие золошлакоотвалы и хранилища жидких отходов промышленных и сельскохо­ зяйственных организаций.

Ко второстепенной группе А2 относятся ледозащитные гидротехнические сооружения, разделительные стенки, отдельно стоящие служебно-вспомогательные причалы, устои и подпорные стенки, не входящие в напорные фронты гидросооружений, бере­ гоукрепительные сооружения портов, рыбозащитные сооружения, сооружения лесосплава - бревноспуски, запани, плотоходы и дру­ гие, не перечисленные в составе основных гидротехнических со­ оружений.

В зависимости от величины возможного ущерба, полученного при разрушении гидросооружения, отнесенного ко второстепенной

группе, допускается относить данные гидротехнические соору­ жения к основной группе гидросооружений.

Все возводимые или эксплуатируемые гидротехнические со­ оружения разделяются на классы, которые определяются по значи­ тельному количеству параметров и ответственности за состояние безопасности.

По нормативной документации принято разделять гидросоору­ жения на четыре класса - I, II, III, IV.

Ксооружениям I и II класса относятся гидросооружения, рас­ четный срок службы которых определен в сто лет.

Ксооружениям III и IV класса относятся гидросооружения,

расчетный срок службы которых определен в 50 лет.

Для напорных гидротехнических сооружений I - III классов до­ пускается следующая вероятность возникновения аварий:

При проектировании речных гидротехнических сооружений осо­ бое место занимает правильность определения расчетного расхо­ да и уровня воды в водотоке.

Нормативной документацией приняты значения ежегодной ве­ роятности превышения (обеспеченности) максимального расхода воды (р %) для основного расчета и поверочного в зависимости от класса сооружений. Значения вероятности превышения (обеспе­ ченности) колеблются от 0,1 до 5,0 % для основного расчета и от 0,01 до 1,0 % - для поверочного.

Максимальные расходы должны пропускаться гидротехничес­ ким сооружением при полном открытии всех водопропускных от­ верстий.

При наличии на гидросооружении более шести затворов необ­ ходимо учитывать вариант невозможности открытия одного зат­ вора, что приводит к исключению одного пролета для пропуска максимального расхода.

Если на конкретном водотоке (реке) располагается последова­ тельно несколько гидротехнических сооружений (например, кас­ кад гидроэлектростанций), то класс сооружений, расположенных

Таблица 1

Класс основных гидротехнических сооружений

в зависимости от их высоты и типов грунтов оснований

укрепления, струенаправляющие и наносоудерживающие дамбы и др

Класс сооружений может быть изменен в зависимости от специфики условий эксплуатации - так, класс причальных, строительных, подъемно-транспортных механизмов судо­ строительных и судоремонтных предприятий допускается повышать в зависимости от сложности строящихся или

Таблица 4

Класс гидротехнических сооружений в зависимости

от последствий возможных гидродинамических аварий

1.3.Значение коэффициента надежности гидротехнических сооружений

Специфика строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений, связанных контактами с водными составляющими - обводненные грунтовые основания, напорные фронты сооружений и т.д., а также значимые последствия, которые могут возникнуть от возможных деформаций или аварий, обязывают при проектиро­ вании учитывать коэффициент надежности по нагрузкам предель­ ных состояний (табл. 5).

Так, при расчете на устойчивость от бокового давления коэф­ фициент надежности по предельным состояниям (первой группы гидросооружений) yf= 1,2.

Коэффициент надежности по предельным состояниям должен приниматься для всех грунтовых нагрузок и собственного веса гидротехнического сооружения, при этом его значения не превыша­ ют 0,8, если применение максимального значения коэффициента при­ водит к невыгодной загрузке гидросооружения.

Нагрузки могут быть постоянные и временные (кратковремен­ ные или длительные), а также особые, которые могут возникнуть неожиданно, но с появлением которых необходимо считаться.

К особым нагрузкам относится появление цунами (если гидро­ сооружение находится в зоне их воздействия) или динамичная на­ грузка от взрыва или гидравлического удара.

Постоянные и временные (длительные и кратковре­ менные) нагрузки и воздействия:

а) собственный вес конструкции и сооружения; б) вес постоянного технологического оборудования (затво­

ров, турбоагрегатов, трансформаторов и др.), место располо­ жения которого на сооружении не изменяется в процессе эксп­ луатации;

в) давление воды непосредственно на поверхность сооруже­ ния и основания; силовое воздействие фильтрующейся воды, вклю­ чающее объемные силы фильтрации и взвешивания в водонасы­ щенных частях сооружения и основания и противодавление на гра­ нице водонепроницаемой части сооружения при нормальном под­ порном уровне, соответствующем максимальным расходам воды, расчетной вероятности превышения основного расчетного слу­ чая и нормальной работе противофильтрационных и дренажных устройств;

г) вес грунта и его боковое давление; горное давление; давле­ ние грунта, возникающее вследствие деформации основания и кон­ струкции, вызываемой внешними нагрузками и температурными воздействиями;

д) давление от намытого золошлакового, шламового и тому подобного материала;

е) давление отложившихся наносов; ж) нагрузки от предварительного напряжения конструкций;

з) нагрузки, вызванные избыточным поровым давлением не­ завершенной консолидации в водонасыщенном грунте при нормаль­ ном подпорном уровне и нормальной работе противофильтраци­ онных и дренажных устройств;

и) температурные воздействия строительного и эксплуатаци­ онного периодов, определяемые для года со средней амплитудой колебания среднемесячных температур наружного воздуха;

к) нагрузки от перегрузочных и транспортных средств и скла-

даруемых грузов, а также другие нагрузки, связанные с эксплуа­ тацией сооружения;

л) нагрузки и воздействия от максимальных волн в расчетном шторме с частой повторяемостью;

м) нагрузки и воздействия от ледяного покрова максимальной толщины и прочности с частой повторяемостью;

н) нагрузки от судов (вес, навал, швартовные и ударные) и от плавающих тел;

о) снеговые и ветровые нагрузки; п) нагрузки от подъемных и других механизмов (мостовых и

подвесных кранов и т.п.); р) давление от гидравлического удара в период нормальной

эксплуатации; с) динамические нагрузки при пропуске расходов по безнапор­

ным и напорным водоводам при нормальном подпорном уровне.

Особые нагрузки и воздействия:

а) давление воды непосредственно на поверхности сооружения и основания; силовое воздействие фильтрующейся воды, включа­ ющее объемные силы фильтрации и взвешивания в водонасыщен­ ных частях сооружения и основания и противодавление на грани­ це водонепроницаемой части сооружения; нагрузки, вызванные избыточным поровым давлением незавершенной кон­ солидации в водонасыщенном грунте, при форсированном уровне верхнего бьефа, соответствующем максимальным расходам воды, расчетной вероятности превышения поверочного расчетного слу­ чая и при нормальной работе противофильтрационных или дренажных устройств или при нормальном подпорном уровне верхнего бьефа, соответствующем максимальным расходам воды расчетной вероятности основного расчетного случая и нарушения нормальной работы противофильтрационных или дренажных уст­ ройств (взамен нагрузок подпунктов в и з);

б) температурные воздействия строительного и эксплуатаци­ онного периодов, определяемые для года с наибольшей амплиту­ дой колебания среднемесячных температур наружного воздуха (взамен нагрузок подпункта и);

в) нагрузки и воздействия от максимальных волн в расчетном шторме с редкой повторяемостью (взамен нагрузки подпункта л)\ г) нагрузки и воздействия от ледяного покрова максимальной

толщины и прочности с редкой повторяемостью или при прорыве заторов при зимних пропусках воды в нижний бьеф для плотин или других сооружений, участвующих в создании напорного фронта (взамен нагрузки подпункта м)\

д) давление от гидравлического удара при полном сбросе на­ грузки (взамен нагрузки подпункта р );

е) динамические нагрузки при пропуске расходов по безнапор­ ным и напорным водоводам при форсированном уровне верхнего бьефа (вместо нагрузок подпункта с);

ж) сейсмические воздействия; з) динамические нагрузки от взрывов;

и) гидродинамическое и взвешивающее воздействия.

1.5. Судоходные уровни воды и габариты судопропускных гидросооружений и водных путей России

Учитывая значение речных путей в Российской Федерации и их влияние на развитие экономики, нельзя не предусматри­ вать обеспечение транспортирования по нашим рекам генераль­ ных грузов.

Строительство Волго-Камского каскада гидросооружений было запрограммировано на бесперебойную подачу в центральную Рос­ сию лесоматериалов, полезных ископаемых и организацию пасса­ жиропотоков посредством наиболее дешевого вида транспорта. Если в начале XXI в. речной транспорт значительно утратил свое первостепенное значение, то это не означает, что его можно вычеркнуть из сферы деятельности народного хозяйства в бу­ дущем.

Для судоходных путей режим уровней воды в бьефах судоход­ ных сооружений (за исключением шлюзов при гидроузлах с судо­ ходными плотинами) устанавливается по максимальным расхо­ дам воды с расчетной вероятностью превышения на основе мно­ голетних наблюдений.

Расчетная обеспеченность для определения низшего судо­ ходного уровня воды и вероятность превышения наивысшего уровня в зависимости от категории водного пути принимается исходя из обеспеченности водными ресурсами конкретного региона страны:

-сверхмагистрального водного пути от 99 % - низшего до

1% - высшего;

-магистрального водного пути от 97 % - низшего до 3 % -

высшего; - местного водного пути от 95 % - низшего до 5 % - высшего.

Для судоходных сооружений, режим уровней у которых опре­ деляется колебанием воды на прилегающих участках реки или водохранилища, наиболее низкий расчетный судоходный уровень воды принимается с обеспеченностью, которая определяется по ежедневным данным за навигационный период на основе много­ летних наблюдений.

При установлении наиболее низких расчетных судоходных уров­ ней воды в судовом ходе необходимо учитывать факторы, кото­ рые формируют русловые потоки:

-многолетняя глубинная эрозия русла;

-техногенные разработки русловых карьеров;

-выполнение путевых дноуглубительных работ;

-ветровой сгон;

-предпаводочная сработка водохранилища за период навига­ ции с учетом ее продления;

-отливные явления (для водотоков, на которые влияют коле­ бания океана и морей);

-неустановившееся движение воды в водотоке, вызванное суточным регулированием ГЭС, ГАЭС, работой насосных стан­ ций и шлюзов.

Для шлюзов при гидроузлах, имеющих системы питания со сбросом воды вне подходного канала, учитывается перепад уровня от места выпуска воды до конца подходного судоход­ ного канала.

Гидротехнические сооружения - это сложная система взаимо­ связанных конструктивных сооружений, каждое из которых несет определенную нагрузку, в связи с чем эти конструкции могут под­ вергаться воздействию внешних сил, возникающих спонтанно и имеющих значительную разрушительную силу.

Для предотвращения аварийных ситуаций применяются техни­ ческие и программные средства систем мониторинга в период строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений и гидроузлов (табл. 6).

1.6.Постоянные гидротехнические сооружения

Косновным гидротехническим сооружениям относятся:

-плотины;

-устои и подпорные стены, входящие в состав напорного фронта;

-дамбы обвалования;

-берегоукрепительные (внепортовые), регуляционные и огра­ дительные сооружения;

-водосбросы, водоспуски и водовыпуски;

-водоприемники и водозаборные сооружения;

-каналы деривационные, судоходные, водохозяйственных и ме­ лиоративных систем, комплексного назначения и сооружения на них (например, акведуки, дюкеры, мосты-каналы, трубы-ливне­ спуски и т.д.);

-туннели;

-трубопроводы;

-напорные бассейны и уравнительные резервуары;

-здания гидравлических и гидроаккумулирующих электростан­ ций и насосных станций;

-отстойники;

-судоходные сооружения (шлюзы, судоподъемники и судоход­ ные плотины);

-рыбопропускные сооружения, входящие в состав напорного фронта;

-гидротехнические сооружения портов (набережные, пирсы), судостроительных и судоремонтных предприятий, паромных пе­ реправ, кроме отнесенных ко второстепенным;

-гидротехнические сооружения ТЭС и АЭС;

-гидротехнические сооружения, входящие в состав комплек­ сов инженерной защиты населенных пунктов и предприятий;

-гидротехнические сооружения инженерной защиты сель­ хозугодий, территорий санитарно-защитного назначения, ком­ мунально-складских предприятий, памятников культуры и при­ роды;

-гидротехнические сооружения морских нефтегазопромыслов;

-гидротехнические сооружения средств навигационного обо­ рудования;

-сооружения (дамбы), ограждающие золошлакоотвалы и хра-

нилихца жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций.

Ко второстепенным гидротехническим сооружениям относятся:

-ледозащитные сооружения;

-разделительные стенки;

-отдельно стоящие служебно-вспомогательные причалы;

-устои и подпорные стены, не входящие в состав напорного фронта;

-берегоукрепительные сооружения портов;

-рыбозащитные сооружения;

-сооружения лесосплава (бревноспуски, запани, плотоходы) и другие, не перечисленные в составе основных гидротехнических сооружений.

Взависимости от возможного ущерба при разрушении и при соответствующем обосновании второстепенные сооружения до­

пускается относить к основным сооружениям.

Таблица 6

Состав основных технических и программных средств систем мониторинга гидротехнических сооружений (знак «+» - обязательное требование, знак «-» - рекомендованное требование)

автоматизированными инф ормационно-измерительными диагностическими устройствами

2.Водохранилищ а. Типы , назначения, характерны е уровни и емкости, химический состав воды . Организация и эксплуатация водохранилищ

Основным типом водохранилищ являются искусственные водо­ емы, образованные путем преграждения речных долин с водо­ токами земляными, каменно-набросными, бетонными или ме­ таллическими плотинами.

Иногда естественные озера могут превращаться в водохра­ нилища - когда на водотоках, вытекающих из этих озер, возво­ дятся гидроузлы, регулирующие сброс воды в реку.

Водохранилища могут быть созданы путем обвалования ча­ сти территории, на которой скапливается водный объем, ис­ пользуемый в хозяйственных интересах.

Малые водохранилища могут быть созданы методом вы­ емки грунта, так называемые «копанки», для сбора и хранения талых вод и последующего их использования для нужд населе­ ния. В практике создания водохранилищ могут быть использо­ ваны естественные понижения местности для сбора и хране­ ния талых и ливневых стоков.

Основная цель создания водохранилищ - перераспределе­ ние во времени протекающей воды в соответствии с требова­ ниями водопользователей. Эта цель достигается путем регу­ лирования стока - задержанием в чаше водохранилища части или всей протекающей воды в период паводков (весенних, лив­ невых) и последующим расходованием ее в период межени.

Управление водными ресурсами производится при помощи водопропускных отверстий, снабженных затворами, которые ре­ гулируют подачу воды на сброс из водохранилища. Эти затво­ ры в закрытом положении создают условия для наполнения во­ дохранилищ. При этом возникает возможность обеспечивать водой потребителей из верхнего и нижнего бьефов.

Водохранилища создаются для обеспечения хозяйственных организации водой, электроэнергией, возможностью разводить рыб, возможностью судоходства, а также для борьбы с навод­ нениями.

Основной характеристикой чаши водохранилища являет­ ся зависимость площадей зеркал и объемов от уровня воды

в водохранилище. Площадь зеркала водохранилища уста­ навливается путем сканирования горизонталей на топогра­ фических картах.

Объем водохранилища определяется путем последователь­ ного суммирования объемов слоев воды, заключенной между смежными горизонталями (рис. 1).

Рис. 1. Схема подсчета объемов воды водохранилища: НПГ—нормально подпертый горизонт; h — высота слоя межу смежными горизонталя­

ми; Н }_2 —отметки смежных горизонталей; V —объем воды, рассчитан­ ный между смежными горизонталями; F 2 —площадь зеркала водохранилища между смежных горизонталями

Площадь зеркала водохранилища или площадь зеркала на кон­ кретной горизонтали обозначается как F, объем воды водохрани­ лища или его части на конкретной горизонтали - через V, и уро­ вень воды, соответствующий определенной отметке, в Балтийс­ кой или местной системе высот, - через Н или А.

С повышением уровня воды в водохранилище затопляемая площадь возрастает, а с уменьшением уровня воды в водохра­ нилище - уменьшается.

Для каждого водохранилища характерны уровни и емкости чаши, которые имеют конкретные наименования и определения (рис. 2).

Рас. 2. Схема характерных уровней и объемов водохранилища: Ф Г - форси­ рованный горизонт; ГМО - горизонт мертвого объема; Уф - форсированный объем водохранилища; VH- нормально подпертый объем водохранилища; Ум мертвый объем водохранилища

Нормально подпертый уровень - НПУ - наивысший уровень воды в водохранилище, применительно к которомурассчитаны все основные узлы гидротехнического сооружения и к которому привя­ заны все показатели работы водохранилища.

Форсированный уровень - ФУ - уровень выше НПУ, до кото­ рого допускается временно наполнять водохранилище исключи­ тельно в период многоводных паводков, что является чрезвычай­ ным условием эксплуатации гидроузлов.

Уровень мертвого объема - УМО - низший уровень воды, до которого допускается опорожнять водохранилище.

Полный объем водохранилища - объем водохранилища, зак­ люченный между дном и зеркалом воды на отметке НПУ.

Полезный (рабочий) объем водохранилища - объем Водо­

хранилища, заключенный между НПУ и УМО.

Мертвый объем водохранилища - МО - объем водохрани­ лища, заключенный между дном и зеркалом УМО, этот объем

необходим для поддержания минимального уровня воды и отло­ жения наносов в чаше водохранилища.

Объем форсированной емкости - объем водохранилища между зеркалами НПУ и ФУ, используется для снижения (срезки) больших паводковых или ливневых расходов (стоков).

При создании водохранилища изменяются режимы водотока в сравнении с бытовыми режимами, которые существовали до стро­ ительства гидроузла. Затем происходит перераспределение стока во времени - уменьшаются паводковые сбросы и увеличива­ ются меженные.

При наполнении водохранилища до НПУ происходит увеличе­ ние водного зеркала, с которого происходит испарение объема, и, следовательно, уменьшение общего объема воды, поступающего

внижний бьеф гидроузла.

Вверхнем бьефе уменьшаются скорости течения, происходит уменьшение энергии потока - в результате происходит выпадение части твердого стока в виде наносов. Это явление наблюдается в основном в верхних частях водохранилища, когда в его верхнюю

зону по течению реки поступают воды, несущие взвешенные час­ тицы твердого стока.

Увеличение скорости потока в нижнем бьефе приводит к раз­ мыву русла и, возможно, берегов.

Как правило, зеркало воды в верхнем бьефе замерзает быст­ рее (при малых скоростях течения воды), чем в нижнем бьефе (при увеличенных).

Потери воды из водохранилища складываются из следующих факторов: потери на испарение, фильтрацию и образованиеледяного покрова.

Потери на испарение могут колебаться от 100 до 1000 мм в год в зависимости от территориального расположения гидроузла и многоводности или маловодности года.

Потери на фильтрацию слагаются из двух факторов: 1) потери на фильтрацию через ложе, берега и в обход сооружений гидроузла водохранилища; 2) потери на фильтрацию вследствие отсутствия герметичности в сооружениях гидроузла.

Потери на фильтрацию воды из объема водохранилища не от­ ражаются на количестве воды, используемой потребителями в ниж­ нем бьефе, в связи с тем, что данное количество воды после филь­

трации через ложе и берега водохранилища имеет зоны разгрузки

внижнем бьефе.

Впрактике водохозяйственного проектирования потери в пред­

варительных расчетах оцениваются понижением скорости уровня воды в водохранилище, вызываемого фильтрацией. Эта скорость для средних геологических условий может быть принята равной 1-2 мм/сут.

В зимнее время в водохранилище имеются потери воды на льдо­ образование, которые возникают при сработке объема, уменьша­ ется площадь зеркала воды, что приводит к оседанию льда на берегах водохранилища. Осевший на берегах лед весной тает и тем самым увеличивает объем весеннего стока (рис. 3).

Рис. 3. Схема оседания льда на берегах водохранилища: 1 - ледяной покров;

2 - осевший объем льда, не используемый в зимнее время

В случаях, когда объем водохранилища достаточен для захва­ та значительной части половодного стока и весенние холостые сбросы воды отсутствуют, потери воды на льдообразование явля­ ются временными. В случаях, когда половодный сток сбрасыва­ ется через водосбросные отверстия бесполезно, потери от льдо­ образования являются безвозвратными.

При проектировании водохранилищ уровни воды в верхнем бье­ фе устанавливаются в зависимости от отметки подпертого уров­ ня воды, который должен поддерживаться у плотины с учетом расходов воды, поступающей к водохранилищу.

Положение уровней воды перед плотиной меняется в зависи­ мости от времени: в период половодий (весеннего или ливневого), когда расходы притока значительно увеличены, уровень воды пе­

ред плотиной достигает НПУ и может его превышать (временно) до уровня ФУ. В этот период уровни воды в пределах водохрани­ лища достигают максимального значения.

По мере сработки воды из водохранилища в меженный период, когда объем притоков минимальный, уровень воды в водохрани­ лище понижается и достигает минимального эксплуатационного положения.

Положение водной поверхности в верхнем бьефе при различ­ ных уровнях воды перед плотиной характеризуется кривой подпо­ ра, расчет которой производится по формулам, приводимым в нор­

мативной документации (рис. 4).

сработанном водохранилище; Н - уровни воды; L - расстояние от створа плотины до места выклинивания подпора

Заиление водохранилищ - процесс постоянный и по времени он может быть очень длительным, этот процесс невозможно

остановить, но предусмотреть этапы формирования ила необ­ ходимо для прогнозирования темпов и сроков эксплуатации во­ дохранилищ, а также для принятия мер по локализации послед­ ствий этого явления.

Выпадение наносов в пределах подпора водохранилищ при­ водит к заполнению емкости чаши твердыми частицами. Эти наносы попадают в водохранилище не только в виде твердого стока реки, но и как результат волнового воздействия продук­ тов разрушения берегов.

Водохранилища на равнинных реках характеризуются незна­ чительным содержанием наносов и отличаются большим сро­ ком заиления, 50-100 лет и более.

В водохранилищах, расположенных в горных местностях, пи­ тание которых осуществляется горными реками, наносов бы­ вает значительно больше. Такие водохранилища могут значи­ тельно быстрее подвергнуться заилению.

На скорость заиления водохранилища влияет режим пропус­ ка паводков: если паводки проходят при уровнях, немного пре­ вышающих бытовые, то емкость водохранилища заполняется наносами медленно, за счет того, что энергия потока перено­ сит наносы в зоны за пределами водохранилища. Если плоти­ ны создают значительный подпор в период пропуска паводко­ вых вод, то заиление водохранилищ происходит более быстры­ ми темпами.

Постепенное уменьшение продольных уклонов зеркала воды в верхнем бьефе водохранилища приводит к снижению энергии потока и его транспортирующей способности, это влечет за собой отложение взвешенных частиц (наносов) в определен­ ном порядке: крупные фракции отлагаются в верхней части водохранилища, а более мелкие - ближе к плотине.

Большое значение для расчетных параметров гидроузлов имеет назначение величины мертвого объема и УМО водохра­ нилища. Эти величины зависят от интенсивности заиления чаши водохранилища и ряда сопутствующих факторов.

Отметка УМО должна быть выше предельно низкой отметки, допустимой по условиям эксплуатации водоприемных соору­ жений, расположенных в верхнем бьефе (например, водозабо­ ры); мертвый объем должен быть назначен таким образом,

чтобы при полной сработке полезной емкости в летнее время не происходило прогревания и порчи оставшегося объема воды, зарастания и интенсивного размножения малярийного комара; не должны нарушаться требования, предъявляемые рыбными хозяйствами и правилами судоходства; при создании гидроуз­ лов с гидроэлектростанциями глубина сработки должна обес­ печивать получение максимальной мощности и наибольшую выработку электроэнергии гидроэлектроагрегатами.

При работе гидроузлов в нижнем бьефе могут возникнуть местные деформации русла, вызываемые увеличением и пере­ распределением скоростей течения непосредственно ниже сбросных сооружения, что приводит к образованию ям (ому­ тов) и поступлению из водохранилища воды, освобожденной от наносов.

Работа потока по общей деформации русла после прохож­ дения сбросных сооружений плотины протекает медленно, по­ степенно распространяясь вниз по течению водотока.

Наибольшая скорость общего размыва русла реки наблю­ дается сразу после возведения гидроузла на небольшом учас­ тке, на котором происходит насыщение потока наносами, а вода приобретает мутность реки в естественных условиях. Однако с течением времени участок реки, на протяжении которого вода на­ сыщается наносами, удлиняется и углубляется, а общий процесс де­ формации дна русла замедляется, происходит естественный процесс создания «камеры гашения энергии потока».

Общий размыв русла после прохождения воды через сооруже­ ния гидроузла вызывает некоторое понижение уровня воды по срав­ нению с бытовыми условиями, это понижение возникает с начала эксплуатации и может достигнуть 20-30 см в течение нескольких десятков лет.

Термический и ледовый режим водохранилищ формируется под воздействием теплообмена, который происходит между водой, ат­ мосферой и ложем водоема. Весной и летом приток тепла к водо­ хранилищу больше его отдачи, и вода нагревается, к середине лета вода может быть близка к температуре воздуха, при этом она становится теплее, чем температура ложа водоема, и передает ему часть своего тепла.

Восенний период, после снижения температуры воздуха про­ исходит охлаждение воды - вода отдает тепло в атмосферу, а после охлаждения поверхностного слоя воды ниже точки за­ мерзания происходит льдообразование на водохранилище и со­ здание на нем снежного покрова, предохраняющего воду от дальнейшего охлаждения, что позволяет глубинным водам со­ хранять положительную температуру.

После установления ледостава основным фактором, влияющим на температуру покрытого водой водоема, является его проточ­ ность и термический режим дна, тепло которого через толщу воды передается нижней поверхности льда, при этом температура воды, соприкасающейся со льдом, находится около О °С, а температура придонных слоев значительно выше.

Взимнее время на нижнем бьефе водохранилищ в связи с по­ ступлением в эту зону теплой воды наблюдаются участки реки, не замерзающие даже в самые сильные морозы (полыньи). Од­ нако при удалении от плотины вниз по течению реки вода посте­ пенно остывает и на ней происходит льдообразование.

Водохранилища формируют определенные условия, влияющие на качество водных ресурсов региона.

В водохранилищах, у которых испарение составляет незна­ чительную величину, концентрация солей в воде с течением вре­ мени возрастает незначительно и совпадает с естественной ми­ нерализацией приточной воды. В основном солевой баланс во­ дохранилищ колеблется во времени и зависит от концентрации солей в притоке, величины притока, испарения, отъема воды из водохранилища и техногенных факторов (сброса промышлен­ ными предприятиями сильно минерализованных отходов про­ изводства).

При заполнении водохранилища паводковыми водами (частью от снеготаяния), которые протекают в основном поверхностным стоком со слабой концентрацией солей, - к концу заполнения ем­ кости водохранилища его минерализация приближается к концен­ трации солей в паводковых водах.

В меженный период концентрация солей в воде водохрани­ лища может несколько увеличивается в связи с увеличением в общем объеме притока более минерализованного грунтового стока и другими техногенными факторами. Кроме того, в во­

дах водохранилищ наряду с концентрацией солей могут проис­ ходить химические и биологические процессы, влияющие на качество воды.

При организации водохранилищ кроме положительного эффекта рассматриваются и негативные последствия. Фак­ торы, влияющие на затопляемую территорию, рассматри­ ваются на стадии выполнения предпроектных работ. В этом случае рассматривается значимость территории, затопляе­ мой при заполнении водохранилища, потеря или возможность частичного использования природных ресурсов (лесов, сель­ скохозяйственных угодий, месторождений полезных ископа­ емых), переселение жителей на незатопляемые земли, пе­ ренос существующих автомобильных и железных дорог, под­ топление зоны вокруг водохранилища поднятыми грунтовыми водами, подработка (переработка) берегов водохранилища волновыми воздействиями и т.д.

В нижнем бьефе при эксплуатации водохранилищ может на­ блюдаться частичное затопление земель, связанное с повы­ шением уровня водотока в сравнении с бытовыми расхода­ ми, и это влияние также должно быть учтено при проекти­ ровании гидроузла.

При проектировании водохранилищ возникают задачи, кото­ рые необходимо рассматривать, создавая технико-экономичес­ кое обоснование строительства гидроузла: составление схемы и определение (ориентировочно) объема водохранилища, кото­ рое должно обеспечить водопользователей конкретным коли­ чеством воды или электроэнергией, ориентировочных разме­ ров сооружений гидроузла, мощности его гидроагрегатов, оп­ ределение предварительных границ затопления; должны быть получены данные о необходимости переноса существующих зда­ ний и промышленных предприятий и очистки ложа чаши водо­ хранилища.

По степени регулирования стока водохранилища бывают суточного, недельного, годичного (сезонного) и многолетнего регулирования.

Суточное и недельное регулирование - когда водохрани­ лище заполняется и опорожняется в течение суток или недели (рис. 5).

Рис. 5. Принципиаль­

ная схема водохранили­

ща суточного регулиро­

вания

Водохранилища с годичным (сезон­ ным) регулировани­ ем стока перераспре­ деляют сток в тече­ ние года, задерживая часть или весь па­ водковый сток водо­ тока и повышая, за счет накопления

воды в чаше водохранилища, сток в меженный период или маловод­ ные месяцы расчетного года (рис. 6).

Рис. 6. Принципиальная

схема водохранилища го­

дичного регулирования

Водохранилища с многолетним циклом регулирования стока

перераспределяю т сток, который возмо­ жен в течение несколь­ ких лет подряд, задер­ живая сток в много­ водные годы и за счет этого повышая сток в маловодные годы.

Количество лет, ко­ торые учитываются при определении мно­

говодности водохранилища, может составлять от нескольких годов до десятка и более, все зависит от класса будущего водохранилища и расположенного при нем гидроузла.

Как правило, водохранилища с многолетним регулировани­ ем одновременно выполняют функции суточного, недельного и годичного регулирования, а водохранилища годичного регули­ рования - функции суточного и недельного регулирования.

В водохранилищах многолетнего и годичного регулирования ежегодно в меженный период текущего года срабатывается только часть объема водохранилища, а в поводок сработан­ ный объем на следующий год восстанавливается до НПУ.

Во всех видах водохранилищ предусмотрен объем катаст­ рофического наполнения - форсированный объем, при форси­ рованном уровне объем водохранилища используется для сни­ жения максимальных паводковых или ливневых расходов - сто­ ков, вызывающих переполнение водохранилищ выше НПУ.

Если случается избыток стока при заполненном водохранили­ ще, сверх требуемого водопользователями, то полученный избы­ ток сбрасывают в нижний бьеф, выполняя так называемые холо­ стые сбросы.

ПО

130

120

110

100

30

80

70

т

50

ы

30

20

ю

Рис. 7. Принципиальная схема водохранилища с многолетним регулировани­

ем стока

При наличии на водотоке систем гидроустановок водохранили­ ще возможно регулировать таким образом, чтобы попусками из

него дополнять расходы воды с промежуточного водосбора, той части реки, которая расположена между водохранилшцным гид­ роузлом и расположенной ниже его гидроустановкой.

Рис. 8. Схема расположения водохранилищ при компенсированном регулиро­

вании стока

Такой вид регулирования стока называется компенсированным и учитывает интерес системы водохранилищ и гидроустановок, расположенных на водотоке и получающих сток с общей водо­

сборной площади (рис. 8).

ков, а также для возведения ограждающих дамб незначительной высоты.

Пески, гравий применяются для возведения обратных фильт­ ров дренажных устройств земляных плотин. Гравий, щебень, бу­ товый камень, на который не действуют атмосферные явления, применяются для сооружения противофильтрационных и дренаж­ ных устройств, крепления откосов и гребней плотин. Торф с разло­ жением не менее 50 % может применяться для изготовления понуров, экранов плотин V типа.

Для сохранности земляных плотин очень важно знать величи­ ну фильтрации через тело плотины и мероприятия, предупрежда­ ющие эту фильтрацию.

В первую очередь определяют положение депрессионной кри­ вой в теле плотины, затем выполняется расчет фильтрационных расходов через тело плотины и определяются скорости фильтра­ ционного потока на входе в дренажное устройство и выходных из дренажного устройства потоков (по дну нижнего бьефа).

Составление полной сетки движения фильтрационного потока че­ рез тело полтины или ее отдельные части, главным образом на вы­ ходных участках, необходимо для разработки мероприятий, обеспе­ чивающих предупреждение выноса частиц грунта из тела плотины.

Определение положения линии депрессионной кривой необхо­ димо для выявления зон промерзания в теле плотины и возможно­ го появления зон выпучивания грунта, а также для подсчета коэф­ фициента запаса на устойчивость низового откоса плотины.

Определение фильтрационных расходов выполняется для оп­ ределения возможных утечек - потерь из водохранилища и рас­ четов внутренних дренажных устройств, располагающихся в ниж­ нем бьефе гидросооружения.

Схемырасчетов фильтрацииземлянойплотиныприразличныхконст­ руктивных решениях основаны на выводах известного закона Дарси

q = kwJ,

где q - расход фильтрационного потока;

к - коэффициент фильтрации грунта в теле земляной плотины; J - гидравлический уклон (или градиент) фильтрационного по­

тока равный H/L\

Я - потеря напора на длине пути фильтрации L\

w - геометрическая площадь сечения потока в теле плотины.

При проектировании земляных плотин особое внимание уде­ ляется расчету устойчивости откосов плотины и определению ко­ эффициента запаса на устойчивость верхового и низового откосов, наружных призм намывных и полунамывных плотин, экрана и за­ щитного слоя для плотин пятого типа, оплыванию откоса земля­ ных плотин при выходе на поверхность фильтрационного потока.

9. Принципиальная схема для расчета устойчивости от­ коса земляной плотины (рис. 18).

О

Рис. 18. Принципиальная схемарасчета устойчивости откоса земляной пло­

тины: R - радиус призмы обрушения откоса

Для сохранности напорного фронта земляных плотин произво­ дится крепление откосов, а величина крепления откоса от разру­ шительного воздействия волны и нагонного течения рассчитыва­ ется по действующим нормативным документам.

Величина (высота) волны зависит от расстояния, по которому происходит ее разгон до встречи с откосом плотины. Для водо­ хранилищ, в которых разгон волны происходит на расстоянии в не­ сколько десятков километров, высота волны может достигать не­ скольких метров, поэтому при назначении типа применяемого креп­ ления необходимо учитывать динамическое воздействие волны на откос.

Наброска камнем в клетки из бетона или железобетона (рис. 21)

Рис. 21. Крепление от­

косов земляной плотины

камнем в клетки из бетона

или железобетона

Пример покрытия откоса земляной плотины железобетонными плитами 20x20 м, изготовляемыми по месту укладки (рис. 22)

Рис. 22. Принципиальная схема крепления откоса земляной плотины железобетонными плитами размером 20 х20м: а - расположение фильтров под плитами; 1 - поперечные швы; 2 - фильтры; 3 - дренажные отверстия; 4 - фильтр; 5 - продольный шов; 6 - гибкий тюфяк из железобетонных плит; б - поперечный разрез крепления напорного откоса; 1 - железобетонная плита толщиной 0,25 м; 2 - железобетонная плита толщиной 0,4 м; 3 - песчаный намывной грунт; 4 - фильтр; 5 - крупнозернистый песок

Разреа1~2

г

Рис. 22. Принципиальная схема крепления откоса земляной плотины железобетонными плитами размером 20 х 20 м: в - деталь поперечного разреза по сечению 1-1; 1 - поперечный шов; 2 - крупный гравий толщиной 0,15; 3 - мелкий гравий слоем 0,15; 4 - крупнозернистый песок слоем 0,15; г - деталь подошвы откоса; 1 - железобетонные плиты толщиной 0,4 м; 2 - арматура диаметром 32 мм; 3 - дренажное отверстие; 4 - крупнозернистый песок; 5 - железобетонные плиты толщиной 0,35 м; 6 - брусья; 7 - гравий слоем 0,2 м; 8 - крупнозернистый песок слоем 0,15 м; 9 - мелкий гравий слоем 0,1 м; 10 - крупный гравий слоем 0,15 м

Пример земляной плотины с защитным слоем на низовом откосе, выполненном по камню наброски (рис. 23)

Рис. 23. Принципиальная схема крепление низового откоса земляной плотины наброской камня: 1 - экран; 2 - защитный слой; 3 - каменная наброска; 4 - фильтр; 5 - ленточная глина; 6 - породы завала

Сопряжение противофильтрационного ядра со скалистым ос­ нованием или тела земляной плотины с бетонным устоем бе­ тонной плотины, подпорными стенками - очень ответственный конструктивный элемент гидротехнических земляных плотин. Проектирование и исполнение сопрягающих конструкций все­ гда контролируется особенно тщательно, так как от их надеж­ ности зависит безаварийная эксплуатация гидроузла, рассчи­ танная на длительное время.

Особенно следует контролировать устройство цементных завес в скалистом основании, выполняемых методом бурения скважин расчетной глубины с последующим закачиванием в них цементного раствора под высоким давлением.

Расстояние между рядами и скважинами рассчитывается исходя из особенностей скального или иного грунтового осно­ вания плотин в соответствии с требованиями нормативной до­ кументации.

Принципиальные схемы сопрягающих узлов земляных плоти.

А) Принципиальная схема сопряжения ядра плотины со скалистыми основаниями (рис. 24).

Рис. 24. Принципиальная схема сопряжения скального основания с противо-

филътрационным ядром плотины

Б) Принципиальная схема сопряжения земляной плотины с массивными сооружениями бетонных плотин (рис. 25).

Рис. 25. Принципиаль­

ная схема сопряжения

земляной плотины с мас­

сивнымибетоннымиплоти­

нами

При сопряжении земляных плотин с берегом и мягкими грунтовыми основа­ ниями речной пой­

мы параллельно продольной оси земляной плотины устраива­ ются траншеи расчетных габаритов, которые заполняются во­ допроницаемыми грунтами, создающими противофильтрационное устройство.

При постройке земляных плотин на нескальных основаниях растительный слой, как правило, удаляют (обычно 0,3-0,4 м) до вскрытия слоя грунта, на котором располагается тело пло­ тины. Если под растительным слоем встречаются линзы, за­

ческие параметры тела земляной плотины и исключаются пред­ посылки для появлений «просачивания» и появления локальных зон деформаций низового откоса.

Пример № 6. Плотина с дренажом внутри тела плотины (рис. 32)

Рис. 32. Принципиальная схема земляной плотины с дренажом внутри тела плотины: а - схема плотины; 1 - суглинки иловатые; 2 - растительный грунт; 3 - суглинок; 4 - песок слоем 0,4 м; 5 - щебень слоем 0,2 м; 6 - песок слоем 1,6 м; 7 - мощение камнем слоем 0,4 м на слое щебня 0,2 м; 8 - мощение камнем слоем 0,2 м на слое щебня 0,15 м; 9 - засыпка грунтом из отвала; 10 - трубчатый дренаж с обратным фильтром; б и в - схема дренажа и стыка дренажных перфорированных или гончарных керамических труб

Пример № 7. Плотина с дренажом, расположенным внутри низового откоса (рис. 33)

Расположение дренажа внутри низового откоса земляной пло­ тины имеет значительное преимущество перед другими видами расположения дренажа в связи с тем, что он располагается под защитным слоем тела плотины и не поддается воздействию ат­ мосферных осадков и техногенных факторов.

Распространенные типы конструкций обратных фильтров дренажных устройств земляных плотин (рис. 35)

Рис. 35. Принципиальная схема конструкций обратных фильтров дренаж­ ных устройств земляных плотин; а - обратный фильтр с напорной стороны дренажной призмы; б - обратный фильтр «замкнутый шестиугольник»; в - обратный фильтр «трапеция основанием вниз»; г - обратный фильтр «трапе­ ция основанием вверх»

При производстве работ по созданию земляных плотин очень часто применяют способы гидронамыва, как наиболее простые и удобные, имеющие более стабильные экономические пока­ затели при хорошем качестве выполнения работ.

Основная причина использования гидронамыва - это исклю­ чение процесса уплотнения намытого грунта механизирован­ ным способом.

Для организации гидронамыва должны быть обеспечены:

-наличие запасов местных песчаных и супесчаных грунтов

срасчетной крупностью зерен на относительно незначитель­ ных расстояниях от створа сооружаемой плотины;

-геологические и гидрогеологические условия основания плотины;

-наличие достаточного количества электроэнергии или ме­ ханизмов с возможностью выполнения локальных работ.

Для возведения плотин методом насыпи грунта с меха­ ническим уплотнением допускается применять практичес­ ки все виды грунтов: глинистые (связные), песчаные (не­ связные), но с обязательным уплотнением механическим способом по технологии, разрабатываемой на стадии про­ ектирования.

Плотинами из каменной наброски называют плотины, большая часть тела которых выполнена из каменной наброс­ ки, а противофильтрационные устройства в виде экранов, ядер, диафрагм выполняются из водонепроницаемых мате­ риалов.

Возведение плотин из каменной наброски или сухой клад­ ки возможно, если в районе строительства имеются запасы камня приемлемого качества в достаточном количестве. Для этого типа плотин характерно наличие водонепроница­ емых грунтовых оснований, состоящих из достаточно плот­ ных горных пород.

Горные породы, дающие осадку и имеющие легкоразмываемые фракции, для возведения каменно-набросных плотин не­ пригодны.

Окончательный выбор применяемого типа плотины на конк­ ретном створе водотока решается экономическим сопостав­ лением вариантов.

Наброска камня в плотину осуществляется с пионерных эс­ такад, возводимых в русле реки в начальный период строитель­ ства. Высота сбрасывания камня колеблется от 5 до 50 м и зависит от конечной высота гребня плотины.

Методы укладки зависят от расчетных параметров пло­ тины: самоуплотнение (при сбрасывании с эстакады), с раз­ равниванием и уплотнением вручную, заполнением пустот между камнями щебеночной мелочью, с послойной обра­ боткой каменной наброски струей воды с давлением до 5 атм.

Откосы каменно-набросных плотин назначаются из условий устойчивости плотин на сдвиг, особенно при нескальном грун­ товом основании, и исключения возможности выпирания грун­ та из подошвы сооружения, эти условия зависят от конструк­ ции тела плотины, ее высоты и качества материала, а также от сейсмичности района возведения.

Величина угла естественного откоса материала определя­ ется опытным путем при выполнении полевых испытаний.

Рис. 41. Плотины смешанные: а - из каменной наброски; б - из каменной наброски и бутобетонной, бетонной кладки

Для каменно-набросных плотин большое значение имеет во­ донепроницаемость экранов, расположенных на верховом от­ косе плотины.

Толщина кладки для укладки экрана должна составлять не менее 1,5-2 м по верху и до 5 м по низу плотины.

Для предупреждения сдвигов и оползневых явлений в массе экрана предусматриваются соответствующие узлы сопряже­ ния кладки с телом экрана.

Основные преимущества набросных плотин с экранами, рас­ положенными на верховом откосе, по сравнению с плотинами, имеющими диафрагмы внутри тела плотин, заключаются в том, что у плотин появляется большая устойчивость к сдвигу бла­ годаря участию в этом процессе всей массы наброски; возникает более равномерная нагрузка на грунтовое основание плотины; есть возможность досмотра и ремонта конструкций экрана; требуется меньший объем расходования бетона на экран по сравнению с массивными или полыми конструкциями диафрагм.

Деревянные экраны, выполняемые только из дерева листвен­ ных пород, должны иметь влажность не более 18 % и пройти цикл пропитки антисептиками. Для создания экранов из дере­ ва применяются брусья толщиной до 8 см, которые уклады­ вают в несколько горизонтальных рядов с разбежкой швов, в которые укладывают смоляную паклю, для предупрежде­ ния высыхания деревянного экрана применяют гидроизоля­ цию в виде битумных матов.

Брусья экрана укладывают заподлицо с кладкой на рас­ стоянии 1,2-1,8 м и скрепляют экран с кладкой анкерными бол­ тами, ранее вмонтированными в тело кладки.

Принципиальная схема экранов, выполняемых из дерева каменных плотин (рис. 42)

Рис. 42. Принципиальная схема каменной плотины с экраном, выполненным из дерева: а - общий вид конструкции экрана из дерева; б - конструкция экрана по сплошному ряду брусьев, выдерживающих напор перед плотиной;

ный в грунтовое основание плотины

Плотины с жестким железобетонным экраном бывают вы­ сотой до 50 м с малыми осадками подкрановых кладок, с кру­ тым верховым откосом и выполняются одновременно с возве­ дением тела плотины. Экраны имеют вертикальные темпера­ турные швы.

Принципиальная схема каменно-набросной плотины с жестким железобетонным экраном (рис. 43)

Рис. 43. Принципиальная схема каменно-набросной плотины с жестким железобетонным экраном: а - схема плотины; б - схема конструкции детали температурного шва; 1 - гранитное основание плотины; 2 - слой аллювия; 3 - дно реки (водотока); 4 - каменная наброска тела плотины; 5 - кладка для укладки экрана; 6 - железобетонная плита экрана толщиной 25-40 см; 7 - бетонный зуб, расположенный в нижнем конце верхового откоса; 8 - контр­ форс для придания жесткости нижнему краю экрана; 9 - железобетонная балка; 10 - слой бетона до 10см; 11 - просмоленный войлок; 12 - слой асфальта

Принципиальна схема каменно-набросной плотины, с полужестким железобетонным экраном (рис. 44)

Медныйлист

Рис. 44. Принципиальная схема ка­ менно-набросной плотины с полужес­ тким железобетонным экраном: а -

Опорнаябалка.

схема плотины; б - конструкция тем­ пературного шва; в - конструкция го­

вризонтального осадочного шва

Рис. 44. Принципиальная схема каменно-наброс­ ной плотины с полужестким железобетонным эк­ раном: г-устройство сопряжения бетонного зуба с гранитным основание плотины; 1 - гранитное основание; 2 - плотно слежавшиеся наносы; 3 - каменная наброска; 4 - кладка для устройства железобетонного экрана; 5 - железобетонная пли­ та экрана; 6 - бетонный зуб, соединяющий тело

экрана с гранитным основанием

Полужесткие железобетонные плиты экрана состоят железо­ бетонных прямоугольных или квадратных плит, соединенных меж­ ду собой гибкими водонепроницаемыми связями.

Каждая плита по контуру опирается на железобетонные балки и укладывается либо заподлицо, либо в продольно-поперечный уступ, равный толщине плиты.

Толщина плит полужесткого железобетонного экрана может достигать 0,01-0,015 высоты плотины.

Принципиальная схема конструкции швов полужесткого железобетонного экрана (рис. 45)

Опорная ббртикальнап балка

Рис. 45. Принципиальная схема конструкции швов полужесткого железобе­ тонного экрана: а - конструкция осадочного шва; б - конструкция темпера­

турного шва

Гибкие железобетонные экраны каменно-набросной плотины выполняются, если высота плотины значительна или если плотина

Особое внимание в плотинах уделяется выполнению сопряже­ ния водонепроницаемых экранов с зубом, располагающимся в конце верхового откоса и обеспечивающим водонепроницаемость напор­ ных вод под тело плотины.

Зуб может иметь цементную завесу, выполненную методом бурения скважин в шахматном порядке и заполненную цемент­ ным раствором под высоким давлением.

Принципиальная схема устройства сопряжения гибкого железобетонного экрана с зубом каменно-набросной плотины (рис. 47)

Рис. 47. Принципиальная схема устройства сопряжения гибкого железобетонного экрана с зубом каменно-набросной плотины: 1 - слоистый гибкий железобетонный экран; 2 - три железобетонных плиты толщиной 10 см; 3 - слой асфальтобетона; 4 - три слоя асфальта, с прокладкой пропитанного водостойкими смолами брезента; 5 - опорная железобетонная плита; б - мелко окатанный гравий; 7 - слой асфальта

Экраны из пластичных материалов выполняются в основном из глинистых грунтов, гидротехнического глинобетона и специаль­ ных гидроизоляционных материалов - асфальта и битума.

Большое распространение получили экраны, выполняемые из глинистых грунтов. Размеры такого экрана зависят от высоты

3.3. Бетонные плотины

Бетонные плотины могут быть нескольких типов: а) в зави­ симости от способа пропуска паводковых вод; б) по очерта­ нию плотины в плане; в) по роду статической работы тела пло­ тины.

В зависимости от способа пропуска паводковых вод пло­ тины делятся на следующие типы (рис. 49):

1.Глухие плотины, через которые не производится сброс воды в нижний бьеф.

2.Водосливные плотины, через которые производится сброс воды в нижний бьеф, при этом водослив может быть откры­ тым или иметь на гребне затворы.

3.Плотины с глубинными отверстиями для пропуска павод­ ковых, текущих расходов и опорожнения водохранилища.

4.Комбинированные плотины с глубинными отверстиями и возможностью производить сброс воды через гребень пло­ тины.

По очертанию в плане:

1.Прямолинейного расположения оси тела плотины.

2.Криволинейное расположение оси тела плотины в целях получения большего водосливного фронта для гарантирован­ ного пропуска паводковых вод.

По роду статической работы тела плотины:

1.Гравитационные плотины, удерживающие напор воды во­ дохранилища собственным весом (как подпорные стенки).

2.Контрфорсные плотины - имеющие сложные конструк­ тивные решения по созданию и удержанию напорного фронта водохранилища.

3.Арочные плотины, работающие как горизонтальные арки, передающие нагрузки на берега водохранилища или береговые устои.

4.Арочно-гравитационные плотины, устойчивость и проч­ ность которых обеспечивается передачей части собственного веса плотины на грунтовое основание, работающие как арки с передачей части нагрузки на берега.

Рис. 49. Основные типы бетонных гравитационных плотин: а - глухие пло­ тины; б - водосливные плотины; в - водосливные плотины с затворами на греб­ не; г - водосливные с глубинными водосливными отверстиями; д - комбиниро­

ванные водосливные плотины; е —водосбросы с низким порогом

3.3.1. Глухие бетонные плотины

Глухие бетонные плотины начали строить еще в Средние века. Особенно широкое распространение они получили в ХЕХ в., тогда и начало развиваться теоретическое учение о плотиностроении.

В основном в России бетонные плотины возводились водослив­ ного типа, часто на нескальном основании, только в 50-е гг. прошлого века возведение глухих плотин стало широкомасштабным, в основ­ ном для целей электроэнергетики.

3.3.1.1. Гравитационные плотины

Бетонные гравитационные плотины возводят довольно часто, с ними конкурируют только плотины из природных материалов. Глухие бетонные плотины в сравнении с плотинами из грунтовых материалов на скальном основании более экономичны, особенно при их значительной высоте, большое распространение они полу­ чили в XIX в.

По мере совершенствования теории проектирования плотин из­ менялась форма поперечного профиля. Вначале эти плотины были

Основные внешние силы, действующие на глухую бетон­ ную плотину, складываются из следущих составляющих:

1. Собственный вес пло­ тины определяется исходя из геометрической формы и удельного веса примененного бетона, при­

ближенно 23-24 кН/м3.

2. Гидростатическое давление воды на напорную, верховую грань плотины и ее частей, вычисляются по формулам гидрав­ лики, при этом удельный вес чистой воды принимается рав­ ным 10 кН/м3, а если вода с наличием взвешенных частиц (гид­ росмесь), то ее удельный вес принимается равным 11 кН/м3.

3. Давление ветровой волны, зависит от высоты волны и дру­ гих факторов (рис. 53).

При определении ветрового давления принято считать глубину в водоеме перед плотиной «глубокой водой», которая больше по­ ловины длины набегающей волны, а длину набегающей волны при­ нимают равной от 10 до 15 глуби­ ны водоема. Таким образом, волно­ вое давление, как правило, намного меньше гидростатического, и при расчетах глухих плагин им можно

пренебрегать.

Рис. 53. Приближенная схема эпюры волнового давления на напорную стенку глухой плотины, близкую к вертикали, при наличии «глубокой воды»: 1 —уро­ вень покоя воды водохранилища; 2 — И, глубина воды перед плотиной; 3 — he, высота волны

4. Давление ледового покрытия водохранилища, может быть статическим и динамическим. В случаях глухих плотин, как пра­ вило, ограничиваются определением статического давления, та­ кое давление возникает благодаря расширению льда в ледяном поле перед плотиной в результате потепления воздуха, солнечной радиации (рис. 54).

Рис. 54. Расчетная схема при определении давления льда на плотину:

1 —берег; 2 — лед

Толщину льда перед полтиной устанавливают на основании гид­ рологических данных.

Для борьбы с явлением статического давления льда на на­ порную грань плотины в период эксплуатации принимают не­ обходимые меры: устраивают проруби вдоль плотины или про­ кладывают перфорированные трубы, в которые подают воздух для создания воздушной завесы в виде пузырьков и этим са­ мым организуют поднятие теплой воды, располагающейся у дна. Теплая вода образует вдоль уреза у плотины незамерзаю­ щую прорубь.

В настоящее время для определения воздействия льда со­ зданы специальные нормы, которыми следует пользоваться при расчетах устойчивости глухих плотин.

5. Давление от отложившихся перед плотиной наносов, на­ носы образуются в виде грунта, насыщенного водой, в этом случае давление наносов на плотину рассчитывается как дав­ ление грунта на подпорную стенку с соответствующим удель­ ным весом (рис. 55 и 56).

Рис. 55. Принципиальная схема эпюры давления крупных наносов на напор­ ную стену плотины: 1 - слой наносов; 2 - центр тяжести эпюры давления

Рис. 56. Принципиальная схема эпюры давления мелких наносов на напорную стену плотины: 1 - наносы (тяжелая жидкость); 2 - равнодействующая эпю­ ры давления

6. Сейсмические силы, вызывающие колебательные движения земной коры и, соответственно, колебания гидросооружения, вод и грунта, прилегающих к нему. Эти движения переменны во вре­ мени, в связи с чем сооружение, вода и грунт получают ускоре­ ние, которые обусловливают возникновение сил инерции.

Если сейсмичность на местности, где расположено гидросоо­ ружение, возможна в 6 баллов и менее, сейсмическими силами и их воздействием на гидросооружение при расчетах устойчивости сооружений возможно пренебрегать.

При расчете устойчивости гидросооружений на сейсмическую устойчивость рассматриваются две схемы воздействия: сейсми­ ческие силы инерции сооружения и сейсмическое давление воды водохранилища на сооружение (рис. 57 и 58).

В практике гидростроительства рассматривается сейсмичес­ кое давление грунта на стену, при котором в момент землетрясе­ ний возможен вариант, когда периоды колебаний конструкций совпадают - возникает явление резонанса, при котором конструк­ ции гидросооружений разрушаются.

УВ

Рис. 57. Схема действия сейсмической силы инерции на гидросооружение

Рис. 58. Схема сейс­ мического давления воды на гидросооруже­ ние: 1 и 5 —эпюры го­ ризонтальной и верти­ кальной составляющей сейсмического давле­ ния; 2 и 3 —эпюры гид­ ростатического давле­ ния; 4 —эпюра допол­ нительного сейсмичес­ кого давления (условно показана в увеличенном

виде)

7. Противодавление у бетонных плотин на скальном основа­ нии, создается в поверхностном слое, покрытом трещиноватос­ тью с размерами трещин от долей миллиметра до весьма боль­ шой ширины. Трещины могут распространяться на значительную глубину (10-20 м и более) и обычно заполнены водой, которая фильтруется и имеет турбулентный характер движения, не подчи­ ненного закону Дарси.

Изучение влияния противодавления и возникающей фильтра­ ции необходимо при расчете и возведении гидросооружений, так как при фильтрации потока подземной воды возможна химичес­ кая суффозия (выщелачивание) скальных пород; значительный рас­ ход воды водохранилища через основание и берега; давление филь­ трационного потока снизу на подошву плотины, т.е. установление противодавления, которое значительно снижает устойчивость гра­ витационной плотины (рис. 59, 60).

Рис. 59. Схема приближенной эпю­ ры противодавления глухой гравитаци­ онной плотины: 1 -предполагаемый пье­ зометр; 2 - равнодействующая эпюра

Рис. 60. Схема расчетной эпюры противодавления на тело гравитаци­ онной плотины: 1 — предполагаемый пьезометр; 2 —равнодействующая эпю­ ра противодавления по линии ABCDE

8. Фильтрация в теле бе­ тонной плотины, возникает от пористости бетона, при этом

опыт гидростроительства показывает, что бетоны более водо­ проницаемы, чем, например, глины.

В настоящее время при учете противодавления в бетонных пло­ тинах гравитационного типа существует две противоположные тео­ рии: согласно первой бетон считается абсолютно водонепроницае­ мым и вода в тело плотины может проникнуть только по трещинам в бетоне, создавая при этом определенную силу противодавления в

бетонном теле плотины; согласно второй - бетон рассматривается как водопроницаемый грунт, при этом эпюры гидростатического дав­ ления, действующие на напорную грань плагины не учитываются.

Противодавление, действующее на подошву плотины, - это из­ быточное противодавление, которое представляет собой давле­ ние на подошву плотины, действующее сверх архимедовой силы, соответствующей уровню воды в нижнем бьефе.

Для снижения противодавления в основании плотины выполня­ ют устройство ряда конструктивных элементов: монтаж верхово­ го подплотинного зуба, цементной противофильтрационной завесы, габариты противофильтрационного понура определяют расчетом (рис. 61), толщину цементной завесы назначают в зависимости от высоты плотины и удельного водопопющения завесы (рис. 62).

Рис. 61. Схема гравитаци­ онной плотины на скальном основании с противофильтрационным понуром: 1 —по­ нур; 2 —водонепроницаемый шов с уплотнителем; 3 — предполагаемый пьезометр

С течением времени цементная завеса может выщелачиваться в связи

с фильтрацией воды через нее, поэтому в гидросооружениях пре­ дусматривают возможность производить восстановление завесы в период эксплуатации через 10—20 лет. Для этой цели в нижней час­ ти плотины, в зоне расположения завесы делают в теле плотины про­ дольную галерею (потерну), в которой возможно бурить скважины и нагнетать через них в основание плотины цементный раствор или синтетические прогивофильтрационные смолы.

Работы по сооружению противофильтрационного зуба могут быть очень трудоемкими, что связано, как правило, с выполнени­ ем взрывных работ, которые в свою очередь могут образовывать дополнительные трещины в основании плотины.

Толщину цементационной завесы назначают из условия, при каго­ ром градиент напора потока фильтрации поперек плагины назначают

от высоты плагины и удельного водопоглощения завесы.

Рис. 62. Принципиальная схема противофилыпрационной завесы: 1 —противо- филътрационная завеса; 2 — верховой противофилътрационный зуб; 3 —продольная потерна в теле плотины, через которую возможно восстановить завесу

В принципе, бетонная глухая гра­ витационная плотина представляет собой подпорную стенку на скаль­ ном или нескальном основании, вос­

принимающую давление воды верхнего бьефа, стена должна удов­ летворять следующим требованиям: устойчивости на сдвиг по осно­ ванию, опрокидыванию от фронтальной нагрузки (в практике это по­ ложение не проверяется, так как все бетонные гравитационные пло­ тины проверяются на растяжение и по этой причине не могут оп­ рокинуться), прочности материала тела плотины и скального ос­ нования; на нескальном основании - те же требования, но с до­ бавлением исключения фильтрации грунтового потока под телом плотины (рис. 63).

УВ

Рис. 63. Принципиальная расчет­ ная схема работы глухой гравитаци­ онной плотины: G - собственный вес тела плотины от основания до линии А1В1при нормально подпертом го­ ризонте и тоже при максимальном наполнении водохранилища (форсиро­ ванный объем)

Работа глухой бетонной гравитационной плотины на нескаль­ ном основании зависит от коэффициента трения бетона по скале или по песчаному (гравелистому) грунтовому основанию. В связи с этим вес (объем и стоимость) плотины, расположенной на ска­ ле, при всех равных условиях, значительно меньше веса плотины, расположенной на нескальном основании (рис. 64). На практике при возведении бетонной глухой плотины при незначительной мощ­

При сопряжении с берегами производят планировку склонов в виде ступеней, как правило, в плане непрямолинейных, а затем выполняют устройство противофильтрационных завес, чтобы пре­ дотвратить фильтрационные потоки в обход тела плотины.

При устройстве береговых противофильтрационных завес в берегах значительно снижается утечка воды из водохранилища и повышается устойчивость берегов нижнего бьефа (рис. 66).

Рис. 66. Схема продольно­ го разреза по оси глухой бетон­ ной плотины и расположение противофильтрационных бе­ реговых завес: 1 — противофильтрационные береговые завесы; 2 — штольни, для ре­ визии и реставрации берего­ вых завес; 3 —места располо­ жения деформационно-тем­ пературных швов

При производстве работ по бетонированию тела гравитацион­ ной плотины работы выполняют по фиксированным блокам рас­ четного объема в зависимости от производительной мощности бетонных заводов и конструктивных особенностей конкретной пло­ тины.

Существует две основные схемы поперечного сечения плоти­ ны на блоки бетонирования: 1) ярусная (днепровская) схема, ког­ да блоки располагаются вперевязку (между собой), эта схема пре­ дусматривает строительство плотин высотой до 50 м; 2) столбча­ тая, при которой перевязка блоков отсутствует.

Цементация вертикальных швов при столбчатой схеме разрез­ ки на блоки обязательна и должна выполняться до поднятия уров­ ня воды в водохранилище.

Для увеличения устойчивости гравитационных плотин на сдвиг принято понижать отметки подошвы плотины с переходом иногда на горизонтальные сечения с более высокими значениями коэф­ фициента сцепления и трения, снижать противодавление, цемен­ тировать деформационные швы и увеличивать эффективность си­ стем дренажей и противофильтрационных устройств.