Плотины из грунтовых материалов

Плотины из грунтовых материалов (земляная плотина) — плотина, выполненная в основном из глинистых, песчано-глинистых, песчаных и т. п. местных грунтов.

В основании земляной плотины допускаются различные грунты — от несжимаемых прочных до сильно сжимаемых малопрочных. Земляные плотины как правило, глухие — без перелива воды через ее гребень. Поперечное сечение (профиль) земляной плотины имеет трапецеидальное или близкое к нему очертание.

Основные элементы земляной плотины: тело плотины, противофильтрационные устройства, ограничивающие скорость фильтрационного потока и потери воды через тело и основание плотины, дренажные устройства, принимающие фильтрационную воду в нижний бьеф, и покрытия верхового, низового откосов и гребня, предохраняющие их от разрушающего действия воли, атмосферных осадков, ветра и пр.

Основные параметры земляной плотины: максимальная высота (уклон откосов, выражается обычно отношением высоты к горизонтальной проекции откоса, например 1:3, 1: 2,5 и т. д.), ширина по гребню, превышение гребня над. Н. П. У. и объем тела плотины.

Для оценки эксплуатационного качества земляной плотины важны: положение и очертание поверхности фильтрационного потока в теле плотины (поверхность или кривая депрессии), величина фильтрационного расхода через тело и основание плотины, степень устойчивости откосов (под действием собственного веса, фильтрационной воды, сейсмических воздействий и пр.).

Для надежной работы земляной плотины необходимо, чтобы кривая депрессии была заглублена в тело плотины не менее, чем на глубину промерзания грунта в данном районе, и выклинивалась на низовом откосе под уровень нижнего бьефа либо в границах дренажных устройств; фильтрационный расход не превышал предельного значения, установленного водохозяйственными расчетами; коэффициент устойчивости откосов на сползание был больше единицы и чтобы отсутствовали фильтрационные деформации грунтов в теле плотины, а также в ее основании.

По применяемым материалам и конструкции различают 6 основных типов земляных плотин. Однородная земляная плотина (1-й тип) состоит из одного и того же грунтового материала — песка, супеси, суглинка, глины.

Неоднородная земляная плотина (2-й тип) возводится из разнообразных грунтов, начиная с суглинков или глин до гравелисто-щебенистых с расположением более мелкозернистых к верховому, а крупнозернистых к низовому откосу, или мелкозернистых в центральной части, а более крупных — к откосам. Земляные плотины могут иметь противофильтрационные устройства в виде экрана (3-й тип) или ядра (4-й тип).

Ядро или экран делаются из естественного мелкозернистого материала (суглинка, супеси, а иногда торфа) или из искусственной смеси разных грунтов (например, жирный суглинок и гравелистогалечниковый грунт, супесь и жирная глина и др.).

Основные части плотины — упорные призмы — выполняются из самых разнообразных крупнозернистых материалов и в частности из камня (в последнем случае плотина называется каменно — земляной).

Между ядром или экраном и призмами при резко различной крупности материалов устраиваются переходные зоны в виде обратных фильтров, состоящих из 1−3 слоев постепенно укрупняющегося к откосам материала.

Земляные плотины могут выполняться с экраном или диафрагмой из железобетона, бетона, металла, дерева и др. материалов (5-й и 6-й типы). Экран или диафрагма (ядро) применяется, если тело плотины образуется из водопроницаемых, крупнозернистых материалов (песка, песчано-гравелистого грунта, гравия).

В основаниях земляных плотин из проницаемых грунтов располагают противофильтрационные устройства. Если водонепроницаемые грунты залегают на небольшой глубине, то всю проницаемую толщу прорезают обычно зубом, диафрагмой (шпунтом) или заглублением в основание ядра или экрана.

В тех случаях, когда водонепроницаемые грунты залегают на большой глубине (больше 30−40 л), устраивают глубокую завесу инъекционным способом, нагнетая в толщу грунта цемент, битум, бентонитовые глины, жидкое стекло и др., или удлиняют путь фильтрации устройством понура.

По способу возведения земляные плотины делятся на насыпные и намывные. Насыпные плотины возводятся отсыпкой грунта слоями с уплотнением катками, трамбовками и т. п.

Лучшее уплотнение при укатке достигается при определенной влажности грунтов, к-рая, в частности для связных грунтов, близка к границе раскатывания. В связи с этим грунты, подготовленные для отсыпки, или дополнительно увлажняются или, наоборот, подсушиваются в зависимости от их естественной (карьерной) влажности.

Влажность связных грунтов доводят до оптимальной обычно непосредственно в карьерах.

В России в последние годы испытывались и в отдельных случаях применялись способы возведения насыпных плотин без специального уплотнения — с использованием энергии взрыва и пр. В строительстве земляных плотин широко распространен способ гидромеханизации, т. е. намыва тела плотины.

Большинство намывных плотин возведено из однородного песчаного грунта (1-й тип); несколько плотин, также песчаных, имеют противофильтрационное ядро (5-й тип) или диафрагмы (6-й тип).

При разнородном составе намываемого грунта в теле земляной плотины может быть образовано в процессе намыва ядро (по 4-му типу) из мельчайших малоироницаемых частиц. Особенно широко применяется способ гидромеханизации при возведении плотин на широких равнинных реках.

Земляные плотины небольшой высоты (10−12 JM) строятся по типовым проектам. Для более высоких плотин составляются индивидуальные проекты с обоснованием их соответствующими расчетами, лабораторными и др. исследованиями.

Для проекта обычно проводятся разносторонние инженерно-геологических и гидрогеологических исследования; изучаются грунты в намечаемых карьерах, исследуется фильтрация на моделях и на установках электрогидродинамичная аналогий (ЭГДА); проверяются осадки плотины, устойчивость откосов, основные конструктивные формы, размеры дренажных и противофильтрационных элементов, параметры крепления верхового откоса и пр.

Основные размеры существующих земляных плотин колеблются в весьма широких пределах: высота до 170 м, длина до десятков км, объем до десятков млн. м³ (Цимлянская плотина — 30 млн. м3, плотина Оахи в США — 60 млн. м³), ширина по гребню 3: 10 и более м, уклон откосов от 1:1,5 до 1:5. При крупнозернистых грунтах и прочных основаниях назначаются более крутые откосы; при связных малоплотных грунтах в основании уклоны откосов в отдельных случаях достигают 1: 15 — 1: 12.

Обычно откосы в верхней части профиля делают круче, чем внизу. В высоких плотинах для упора крепления и удобства строительства и эксплуатации делают фермы через 10 м по высоте и реже.

Верховой откос крепят в зависимости от высоты волны в водохранилище и материала тела плотины. При мелкозернистом материале тела плотины и высоких волнах (до 2 м и выше) крепление выполняют из каменной наброски или бетонных армированных плит размером до 10×10 м и более.

Плиты связываются между собой арматурой. Гребень крепится в зависимости от его использования (класса дороги). Низовой откос 3. п. обычно засевается травами или одерновывается; иногда покрывают крупнозернистым материалом (гравий, щебень). В пределах колебания уровня воды в нижнем бьефе низовой откос укрепляется аналогично верховому.

Дренаж земляных плотин обычно состоит из обратного фильтра и водоотводящих устройств и выполняется в виде призмы заглубленного в тело тюфяка или галереи на пойменных участках плотины. Водоотводящие устройства осуществляются в виде каменной наброски, крупного гравия или бетонных труб. Иногда в русловой части плотины, применяют наслонный дренаж; понижения кривой депрессии он практически не дает, главная цель его — защита откоса от фильтрационного вымыва грунта.