Проектирование и строительство земляных плотин

Николай Николаевич Кожевников

Книга содержит краткое обобщение трудов известных гидротехников России и собственных изданий автора. Изложен перечень документов по расчету и строительству земляных плотин, в том числе возведения сухим способом и намывом. По ней удобно произвести квалифицированное проектирование и строительство земляных плотин, не прибегая к помощи специализированных организаций. Книгу можно использовать для обучения техников и инженеров в неспециализированных институтах.

© Николай Николаевич Кожевников, 2016

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

1. Назначение и конструкции земляных плотин

Плотиной называют гидротехническое сооружение, перегораживающее реку для подъема уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища. Плотина неразрывно связана с водохранилищем. Водохозяйственное значение плотины многообразно: подъем уровня воды и увеличение глубин в верхнем бьефе для обеспечения судоходства, водозабора для водоснабжения городов, нужд орошения с/х земель, регулирования годового стока реки для предотвращения паводкового затопления территорий и селений, обеспечения водой в меженный период. В большинстве случаев плотины и водохранилища строят совместно с гидроэлектростанцией (ГЭС) для выработки электроэнергии из природного возобновляемого источника — воды реки.

На территории России водяные мельницы с плотинами строились еще во времена Киевской Руси. Мощные ГЭС с плотинами больших размеров начали строить лишь при Советской власти после принятия плана ГОЭЛРО. В послевоенный период для ускоренного восстановления разрушенного хозяйства началось большое строительство мощных гидроузлов (ГЭС) на реках Волге, Днепре, Днестре, Каме, Даугаве, Куре, а с 1970 г. развернуто строительство в районах Сибири и Дальнего Востока.

В настоящее время гидроэнергетические ресурсы крупных рек в центральной части России почти полностью освоены. В планах дальнейшего развития гидроэнергетики предусматривается строительство ГЭС на малых реках в центральной России и мощных ГЭС в Сибири, Якутии, Эвенкии для обеспечения строительства горно-обогатительных комбинатов добычи ценных металлов, которыми богаты Сибирь и Заполярье России.

Разновидностью плотин по удержанию поверхностных вод или гидроотвалов техногенных отходов являются дамбы. По проектированию и технологии строительства дамбы не отличаются от плотин, обычно, только меньшими напорами, высотой и уменьшенными размерами профиля. Зато многие дамбы имеют большую протяженность. Так, например, при строительстве Чебоксарской ГЭС при полном проектируемом напоре затапливаются огромные земли сельскохозяйственного назначения. Протяженность защитных дамб достигает десятки километров, их строительство растянулось на многие годы из-за недостаточного финансирования, и Чебоксарская ГЭС до сих пор работает с пониженным использованием мощности установленных гидроагрегатов.

Другим назначением дамб служит ограждение гидроотвалов Горно-обогатительных комбинатов и золоотвалов ГРЭС. Часто эти гидроотвалы, если позволяет местность располагают в глубоких оврагах и ограждающие дамбы достигают больших высот и представляют весьма ответственное гидротехническое сооружение. Примером может служить гидроотвал «Березовый лог» КМА, где высота гидроотвала из местных грунтов доходит до 100 м. Местные прорывы дамбы имели место и были локализованы.

Техногенная катастрофа произошла в Киеве в 1961 г. на гидроотвале «Бабий яр», когда при производстве работ (намыве) произошел прорыв разжиженных грунтов, которые в виде селя обрушились на близлежащий район города. Этот пример свидетельствует о необходимости тщательного проектирования и строительства подобных объектов. Государственная комиссия, расследовавшая эту аварию, отметила, что проектной организацией треста «Гидромеханизация» Минмонтажспецстроя были допущены ошибки в проектировании объекта повышенной опасности.

Расчет устойчивости дамб, удерживающих разжиженные грунты, производят давление жидкости с плотностью выше 1 г/см³. В этом принципиальное отличие от расчета устойчивости плотины на давление воды в водохранилище.

Рис. 1.1. Последствия прорыва дамбы гидроотвала «Бабий яр» в Киеве в 1961 г. [15].

Гипотетическую опасность представляют каскады ГЭС на больших реках. В большинстве случаев прорыв воды верхнего водохранилища каскада может привести к переполнению нижнего водохранилища и последовательному разрушению плотин. Таких катастроф в России не было, но при отсутствии контроля над состоянием плотин они могут произойти. Поэтому проектирование и строительство плотин крайне ответственно и выполняются специализированными изыскательскими, проектными и строительными организациями.

Основоположниками гидротехнических расчетов плотин и водохранилищ в России были академик Н. Н. Павловский и профессор Н. Е. Жуковский, создавшие престижную и высоко ценимую мировой наукой школу российских гидротехников. В 1960 — 1990 гг. Советские гидротехники выполняли строительство многих гидроузлов в Арабских странах, в том числе уникальной Высотной Асуанской Плотины на р. Нил.

При выборе створа строительства плотин, кроме других необходимых условий, учитывают наличие и возможность использования для строительства местных грунтов.

Наиболее дешевым вариантом строительства являются земляные плотины и дамбы из местных месторождений грунтов: песка, глины, камня. Возведение земляных плотин всегда много дешевле, чем бетонных, хотя по объему они многократно превышают объем бетонных плотин. Но при размещении гидроузла в каньоне реки возводят бетонные плотины, которые позволяют в одном сооружении совместить плотину, водосбросы и здание гидроагрегатов.

Земляные плотины возводят при строительстве ГЭС на равнинных реках с развитой поймой. К таким относится построенный каскад гидроузлов на реках Волга, Днепр, Дон, Кама, где на широких поймах и самом русле рек возведены протяженные земляные песчаные плотины огромного объема, намытые способом гидромеханизации из местных песчаных месторождений.

Проектированием плотин, неразрывно связанных с водохранилищами, производят специализированные проектные институты, в частности ОАО «Гидропрект», в котором работают квалифицированные дипломированные инженеры гидротехники.

Для обучения техников и инженеров открытых горных работ, для которых написана эта литература, глава «Проектирование и строительство земляных плотин» изложена в сокращении по сравнению с программой для обучения инженеров — гидротехников, но достаточным для ознакомления с конструкциями, расчетами и производством работ.

Конструкция земляной плотины зависит от многих местных природных факторов: грунтов основания, наличия имеющихся местных грунтовых материалов, размеров водохранилища, климатических условий. Поэтому каждая плотина привязывается к местным условиям и её конструкция в каждом случае индивидуальна и не может быть типовой, как в гражданском строительстве. На нескольких примерах построенных плотин приведем их конструктивные элементы.

Рис.1.2. Поперечный разрез русловой намывной земляной плотины Рижской ГЭС [11].

Пример простейшей плотины:

1 — тело земляной плотины из песка; 2 — гребень плотины — дорожное покрытие (гравий — асфальт); 3 — не фильтрующее основание плотины; 4 — крепление бетонными плитами против волнового воздействия на откос; 5 — берма на откосе упорная; 6 — банкет из каменной наброски для перекрытия русла р. Даугавы; 7 — дренажная призма для снижения выхода фильтрационный вод на низовой откос; 8 — крепление низового откоса посевом трав.

Назначение каждого элемента плотины понятно из описания.

На рис. 1.3. Показан поперечный разрез плотины с экраном и понуром.

Понур — это водонепроницаемое покрытие дна водохранилища, примыкающее к плотине и предназначенное для удлинения пути фильтрации воды под сооружением и снижения фильтрационного давления на его подошву. Устройством понура, достигается уменьшение скорости и расхода профильтровавшейся воды и, следовательно, опасности разрушения основания сооружения фильтрационным потоком. Для устройства понура применяют глину, глинобетон, битумные материалы, торф, бетон, железобетон.

Для уменьшения фильтрации через тело плотины и основания плотины применяют также экраны.

Рис.1.3. Земляная плотина с экраном и понуром на канале им. Москвы [12].

Если в основании плотины залегают хорошо фильтрующие пески, то для уменьшения фильтрации воды через основание и тело плотины, для повышения устойчивости плотины и сокращения потерь воды из водохранилища, применяют так называемые ядра и диафрагмы. Материалом ядра могут служить глина, суглинок, глинобетон, плотно трамбуемые или укатываемые слоями. (рис. 1.4, 1.5)

Диафрагмы (рис. 1.5) могут выполняться не только из бетона, но и из металлического шпунта. Плотины рис. 1.3, 1.4, 1.5 выполнялись сухой отсыпкой грунта.

Рис.1.4. Плотина с ядром, опущенным до водоупора [2].

Рис.1.5. Плотина с глиняным ядром и бетонной диафрагмой [2].

Первой намывной плотиной в России, выполненной способом гидромеханизации, была Ианьковская плотина, выполненная в 1935 — 1936 гг. под руководством профессора Н. Д. Холина при строительстве при строительстве канала Москва — Волга [12].

Плотина надежно сохраняет водохранилище до сегодняшнего времени (рис. 1.6).

Рис.1.6. Типовой профиль Иваньковской песчаной плотины с деревянной противофильтрационной диафрагмой и металлическим шпунтом в основании [12].

Большим достижением российских гидротехников, признанным во всем мире, явилось проектирование и строительство Высотной Асуанской плотины на р. Нил в Египте. В каменно-набросной плотине советские гидротехники выполнили плотный замыв мелким дюнным песком каменную отсыпку, а также осуществили впервые в практике гидростроительства уплотнение с помощью специальной плавучей установки с мощными вибраторами намытого в воду мелкозернистого песка на глубине до 30 м.

Рис. 1.7. Конструктивный профиль Высотной Асуанской плотины на р. Нил [14].

1 — мостовая по щебню; 2 — трехслойный фильтр (1 м щебня размером 40—150 мм, 0,5 м щебня размером 5—35 мм и 1 м крупного песка d=1,5 мм); 3 — карьерная мелочь; 4 — дренажные скважины; 5 — дюнный песок; 6 — уплотненный дюнный песок; 7 — камень крупнее 150 мм, замытый песком; 8 — кривая депрессии; 9 — щебень 40—150 мм; 10 — каменная наброска с гидроуплотнением; 11 — шеллалский песок; 12 — уплотненный дюнный песок; 13 — уплотненный шеллалский песок; 14 — цементно—глинистая завеса; 15 — цементационные и смотровые галереи; 16 — ядра из ила; 17 — щебень; 18 — понур из глины; 19 — щебень размером 40—150 мм; 20 — песок различной крупности; 21 — галька и валуны с песчаным заполнителем; 22 — переслаивание супесей, суглинков, песков и песчаников; 23 — магматиты

Из намывных однородных песчаных плотин, возведенных на реках центральной зоны России и Украины, как типичный профиль, приводим на рис. 1.8 разрез плотины Волжской ГЭС на Волге у г. Волгограда (г. Волжский).

Рис. 1.8. Намывная песчаная однородная плотина Волжской ГЭС. [4]

Аналогичный профиль имеют и плотины ГЭС, построенных на р. Волге в 1946 — 1960 гг.