Земляные плотины. Устройство

Широкие русла и поймы равнинных рек, где преимущественно за последние годы возводились крупные гидроэлектростанции, потребовали сооружения земляных плотин большого протяжения и объемов работ. Для отдельных гидроузлов на р. Волге, Днепре, Каме и др. объем земляных сооружений составляет десятки миллионов кубометров.

Созданный за прошедшее десятилетие мощный парк оборудования гидромеханизации позволил достаточно просто решить задачу возведения больше-объемных плотин на целом ряде крупнейших гидроузлов, производя полную революцию в области строительства земляных плотин.

Способом гидромеханизации за последние 10 лет выполнено 450 млн. м³ земляных работ, возведено 50 плотин и дамб объемом около 200 млн. м³ и длиной свыше 100 км. Намывные плотины к настоящему времени являются наиболее характерным видом напорных земляных сооружений.

В наших условиях преимуществами намывных плотин, помимо их дешевизны, являются, в первую очередь, простота производства работ и осуществление больших объемов работ в короткие сроки. На равнинных реках карьеры земляных материалов преимущественно располагаются в руслах или на обводненных поймах. Разработка таких карьеров сухопутными машинами вызывает существенные затруднения, и применение в данном случае землесосных снарядов является наиболее целесообразным.

Возведение в русле реки земляной плотины при помощи намыва после перекрытия русла каменным банкетом также значительно проще насыпного способа и может быть осуществлено в более короткие сроки.

Необходимость быстрого перекрытия русла на судоходных реках в осенний период при минимальном возможном сроке прекращения судоходства и потребность возведения сооружения в короткие сроки на большую высоту для подъема уровня воды и пропуска реки через гребенку бетонных сооружений позволяют также рассматривать намывной способ работ как наиболее целесообразный. Так, производительность работ по намыву русловой плотины Куйбышевской ГЭС составляла до 300 тыс. м³ в сутки.

Все перечисленное выше дало возможность широко распространить применение намывных плотин в практике советского гидроэнергетического строительства.

По своей конструкции возведенные плотины различаются: на плотины ядерного типа с глинистым и суглинистым ядром и гравелистопесчаными наружными призмами (Мингечаурская); с отощенным мелкопесчаным ядром и песчано-гравелистыми призмами (Камская, Новосибирская, Дубоссарская); из лессовых грунтов (Нижне-Бозсуйская).

Преобладающим же типом намывных сооружений явились однородные, песчаные плотины. К ним относятся Куйбышевская, Горьковская, Каховская и др.

Высота Куйбышевской плотины достигает 45 м, Сталинградской — 25 м, Каховской — 23 м. Заложение откосов намывных плотин из песчаных грунтов колеблется в пределах 1 : 3— 1 : 6. Как правило, такие плотины возводятся наиболее совершенным современным методом, предложенным группой советских специалистов, безэстакадным двусторонним намывом. Крепление напорных откосов в пределах колебания уровней и воздействий волн преимущественно выполняется в виде бетонных плит по гравийной подготовке.

Наиболее уникальным намывным сооружением в нашей практике следует считать плотину ядерного типа Мингечаурского гидроузла (рис. 12). Она является одной из высочайших земляных плотин мира и превосходит плотину Коббл-Маунтен (78 м) и Форт-Пек (77 ж); ее объем составляет около 15 млн. м³, высота — 81 м и длина по гребню— 1 500 м.

Рис. 12. Разрез по земляной плотине Мингечаурской ГЭС

Плотина намыта из гравелисто-песчаных грунтов. В карьере содержание гравия в гравийно-песчаной смеси составляло 15—16% с крупностью, доходящей до 60—70 мм; песчаная составляющая имела фракции от 0,5 до 0,05 мм; наблюдались отдельные линзы глинистого материала. Из карьера грунт доставлялся думпкарами к смесительной установке, в которой перемешивался с водой, и затем напорным гидравлическим транспортом подавался в плотину, где производился двусторонний намыв.

Конструкция плотины разработана исходя из условия создания ядра плотины к началу принятия полного напора, а также неразрушения наружных откосов плотины в случае сейсмического -толчка (8—9 баллов) при явлении «критической порозности» в пределах ядра, насыщенного водой.

Этим определилась пригрузка центральной части плотины (ядра) наружными призмами из гравелистого грунта. Примеры намывных плотин ядерного типа с пригрузочными призмами в мировой практике имеются, но в них пригрузка осуществлена из каменной наброски, в плотине же Мингечаурского гидроузла она выполнена из гравелистого материала, что представляет производственные и экономические преимущества.

Ширина суглинистого ядра составляет 10% общей ширины профиля плотины, ширина промежуточных призм 45% ширины профиля и ширина наружных призм также 45% ширины профиля плотины.

По данным отчета об обследовании плотины после ее возведения отдельные зоны ее имеют геотехнические характеристики, приведенные в табл. 4.

По произведенным измерениям общий расход дренажа при промежуточной подпорной отметке составляет 70—100 л/сек, что примерно соответствует проектному.

Откосы плотины имеют заложение: верховой от 1 : 2,5 до 1:4 и низовой от 1 : 2,0 до 3,5; по высоте откосы разделены бермами.

Для уменьшения фильтрации и исключения суффозии в основании плотины устроен зуб из суглинка, а также удален поверхностный слой выветрелых пород. По оси зуба выполнена глубинная битумно-цементная завеса.

Дренажная призма устроена в основании плотины на границе промежуточной и наружной призмы. Она запроектирована и выполнена в виде пустотелых шестигранных бетонных блоков.

Крепление верхового откоса в пределах колебания уровня воды выполнено бетонными армированными плитами размером 9 х 9 х 0,5 м с прокладкой битумных матов между швами.

Опыт строительства Мингечаурской плотины показал надежную устойчивость сооружения, а допущение глинистых частиц в тело плотины позволило уменьшить фильтрацию и повысило структурную прочность материала, намытого в тело плотины.

В качестве примера нового типа намывных плотин можно привести плотину № 5 Горьковского гидроузла, имеющую распластанный профиль с заложением верхового откоса 1 : 22 (рис. 13).

Рис. 13. Разрез по земляной плотине Горьковской ГЭС. 1 — гравийный слой 0,25 м, песок 0,15 м; 2— гравийный слой 0,50 м крупностью 40 — 80 мм, песок 0,20 м; 3 — крепление откоса гравийными клетками и заполнением растительной землей и кустарниковой ивы; 4 — крепление откоса гравийными клетками с заполнением растительной землей

Такой профиль плотины связан со следующими преимуществами: упрощается крепление верхового откоса плотины и в известных случаях оно может быть совсем исключено; понижаются требования к подготовке основания плотины; упрощается производство работ при одностороннем намыве, при этом происходит лучшая раскладка грунта в теле плотины: в верховой клин ложится более мелкий материал, а в низовой более крупный; могут быть использованы карьеры менее качественного материала, а в некоторых случаях исключается вскрыша карьеров.

В заключение нужно отметить, что практика советского строительства намывных плотин показала гарантию их устойчивости. За все время с этого рода плотинами не произошло ни одной аварии.

Примером крупного земляного сооружения, возводимого сухим способом, может служить плотина Иркутской ГЭС. Она имеет высоту до 40 м, протяженность 2 км и объем насыпи 13 млн. м³. Плотина возводится из песчано-гравийного аллювиального материала, имеющего в своем составе до 18—20% песка крупностью фракций 0,05—2,0 мм и около 80% гравия и гальки крупностью 2—80 мм. Водонепроницаемость плотины обеспечивается центрально расположенным ядром из суглинистого материала.

В основании плотины залегает слой аллювия толщиной до 12 м, подстилаемый алевролитами. Сопряжение ядра с алевролитами достигается забивкой двух рядов металлического шпунта, прорезающего на всю глубину аллювиальные отложения. Аллювий в межшпунтовом пространстве цементируется. Цементируются также и алевролиты на глубину до 25 м.

Аллювиальный грунт, идущий в насыпь тела плотины, разрабатывался шагающими экскаваторами емкостью 10 и 4 м³ (ЭШ-10/75 и ЭШ-4/40) и для возможности использования его в насыпь в зимнее время отсылался летом в высокие конусы, которые просыхали к началу морозов. В насыпь тела плотины грунт подавался автосамосвалами грузоподъемностью 25 т (МАЗ-525).

При насыпи слоев толщиной от 1 до 2 ж оказалось их вполне достаточное уплотнение от динамического воздействия на грунт проходящих автосамосвалов МАЗ-525, имеющих вес в загруженном состоянии 50 т, давление на одно заднее колесо 16,5 т и удельное давление 4,5 кг/см². Никакого дополнительного уплотнения аллювиального грунта, идущего в насыпь тела плотины, не требовалось.