Бетонные плотины. Устройство

Усовершенствование типов бетонных и армобетонных водосливных плотин шло по пути снижения фильтрационного противодавления в основании и в теле плотин, повышения устойчивости сооружений конструктивными мероприятиями, увеличения удельных расходов воды на водосливе, улучшения качества бетона и повышения его долговечности.

Бетонные водосливные плотины в Советском Союзе преимущественно осуществляются гравитационными, что обусловливается суровым климатом, интенсивным ледоходом и большими паводковыми расходами.

Указанные факторы, совмещенные со сложными геологическими условиями оснований сооружений, представленных пестрыми толщами песчаных, глинистых, а в некоторых случаях и илистых отложений, содержащих зачастую напорные грунтовые воды, определили следующие особенности проектирования водосливных плотин на нескальном основании, позволившие достигнуть в настоящее время их высоты до 35 ж и более:

а) Развитие подземного контура сооружения, устанавливаемого из условия обеспечения устойчивости его на сдвиг и отсутствия фильтрационных деформаций грунтов основания.

Противофильтрационные устройства решаются в виде металлических шпунтов и понуров из бетонных, асфальтовых и суглинистых материалов. В последнее время в расчетах подземного контура учитывают водопроницаемость шпунтовых рядов.

б) Повышение устойчивости сооружения на сдвиг применением анкерных железобетонных понуров.

в) Повышение устойчивости сооружения сдвигу достигается также путем применения конструкции флютбета с сильно выдвинутой в сторону верхнего бьефа фундаментной плитой, пригруженной давлением воды.

г) Многолетним опытом проектирования установлена целесообразность сокращения длины бетонного водосливного фронта путем увеличения удельного расхода водосливов, несмотря на то, что такое увеличение ведет к усложнению и удорожанию креплений нижнего бьефа плотин.

Проектирование крупных гидроузлов на реках с размываемым руслом потребовало теоретических и экспериментальных исследований работы сооружений в условиях сопряжения бьефов, которые позволили установить качественную характеристику сложных гидравлических процессов и наметить принципы оценки эффективности мероприятий по креплению нижнего бьефа.

Для уменьшения объемов работ по креплению нижнего бьефа создаются сосредоточенные гасители на коротких участках, воспринимающие лобовое давление воды, расширение потока или его расщепление и соударение струй, а также допускаются размывы нижнего бьефа в достаточном расстоянии от водобоя плотины.

В пределах интенсивного гашения потока водобои выполняются из массивных армированных блоков размером в плане до 50 х 20 м. Они участвуют в расчете устойчивости сооружения против сдвигающих усилий.

Рисбермы водосливных плотин часто устраиваются смешанной конструкции с бетонной или железобетонной начальной частью и более гибкой концевой. При небольших ожидаемых величинах размывов за рисбермой (до 10—12 м) в конце крепления часто устраивается бетонный зуб или забивается металлический шпунт.

На рис. 10 показано крепление нижнего бьефа плотины Каховской ГЭС. Рисберма закончена зубом ячеистой конструкции из металлического шпунта, что позволило значительно сократить ее длину. При больших размывах в конце крепления часто устраивается ковш, заглубленный на 0,7—0,8 от наибольшей глубины размыва и укрепленный гибким железобетонным тюфяком либо камнем.

Рис. 10. Разрез по водосливной плотине Каховской ГЭС

В табл. 1 приводятся данные об удельных расходах и длине рисберм водосливных плотин отдельных гидроузлов.

д) На плотине Щербаковской гидростанции для уменьшения длины водослива, выполнено двухъярусное расположение водосбросных отверстий. К недостаткам такого типа плотины следует отнести усложнение конструкции сооружения и его эксплуатации.

е) Для уменьшения фильтрационного давления на подошву плотины, а также для предотвращения фильтрационных деформаций грунтов основания широко применяются дренажи, выполняемые в виде горизонтальных слоев почти под всей подошвой сооружения, а в случае необходимости — в виде глубинных скважин.

Опыт проектирования показал на целесообразность приближения дренажных скважин к противофильтрационным шпунтам. Дренажные устройства при соответствующем их конструировании и выполнении достаточно надежны в работе и долговечны.

ж) За последние годы пересмотрены технические условия на проектирование гидротехнических сооружений, при этом коэффициенты запаса устойчивости плотин снижены для различных классов на 10—15%.

Бетонные гравитационные плотины на скальных основаниях, сооружаемые в Советском Союзе, достигают высоты 100 м и более. Такие плотины характеризуются безвакуумным профилем водослива, вертикальными напорными гранями и достаточно развитой системой цементации и дренажа основания.

При проектировании таких плотин особое внимание обращается на условия гашения энергии воды в нижнем бьефе. Так, например, для Красноярской ГЭС, где удельные расходы на носке составляют 80ж³/сек при скоростях в конце водослива, достигающих 40 м/сек, принят вариант с высоким гладким трамплином, отбрасывающим струю на 140—150 м (рис. 11). Глубина размыва при этом определена в 25 м.

Рис. 11. Разрез по водосливной плотине Красноярской ГЭС

Опыт проектирования показывает, что в тяжелых природных условиях высокие гравитационные бетонные плотины являются пока наиболее целесообразным решением подпорных сооружений. Так, например, для Красноярской ГЭС проработаны три типа плотин — из местных материалов, облегченные бетонные и массивные бетонные.

Плотина из местных материалов запроектирована смешанного типа с суглинистым экраном и каменным банкетом. Облегченные плотины разработаны многоарочными и массивно-контрфорсными. Массивные плотины представлены двумя типами—обычным треугольным профилем и треугольным профилем, совмещенным со зданием ГЭС.

Результаты проработок приведены в табл. 2, причем объемы даны по гидроузлу в целом.

Как видно из табл. 2, для варианта с плотиной из местного грунта объем бетонных работ составляет свыше 60% по сравнению с бетонной плотиной. При этом возникают существенные затруднения с пропуском строительных расходов и с укладкой суглинистого экрана в зимнее время. Гидроузел оказывается дороже на 35% по сравнению с основным вариантом.

Гидроузел с облегченными плотинами требует бетона на 12,5% меньше, чем с массивными плотинами, однако возникают большие затруднения, пока нерешенные, с пропуском строительных расходов, в сохранении бетона от трещин при укладке в .суровых зимних условиях, с замыканием швов во время наполнения водохранилища при незаконченной плотине и е возведением наклонных консольных конструкций (вылет консоли 1,5 м, наклон 1 : 0,5).

Сопоставление вариантов Красноярской плотины показало, что для данных природных условий при глубоком каньоне, хорошем скальном основании, при больших паводковых расходах наиболее целесообразным типом высокой плотины является массивная бетонная плотина. Однако при этом весьма рационально устройство широких объемных швов, что уменьшает противодавление в основании и позволяет за счет этого значительно уменьшить объем бетона по сравнению с обычным типом плотины.

Благоприятные природные условия для строительства высоких плотин на ряде створов показывают, что при сочетании этих условий с рациональным проектированием, в Советском Союзе сооружаются гидроузлы, имеющие высокую экономическую эффективность.

В табл. 3 приводится сопоставление некоторых советских и зарубежных высоконапорных гидроузлов по удельным затратам бетона на 1 кет мощности гидростанций.

Бетонные арочные плотины в нашей практике осуществлялись редко. Примером может служить Гергебильская ГЭС на р. Кара-Койсу с напором около 50 ж и строящаяся арочная плотина на р. Ладжанури высотой 75 ж. В настоящее время ведется проектирование более высоких арочных плотин — Намахванской ГЭС на р. Риони, Черкейской на р. Сулак, Ингурской ГЭС на р. Ингури.

Следует отметить, что недостаточное внимание к указанному типу плотин, для которых на ряде водотоков СССР имеются благоприятные условия, является одним из недостатков нашего проектирования.