Общие сведения о гидротехнических сооружениях в составе энергетических гидроузлов

Лекция №1. «Общие сведения о гидротехнических сооружениях в составе энергетических гидроузлов». Гидроузел — это комплекс гидротехнических сооружений, объединенных по своему расположению и назначению. Каждый гидроузел уникален, так как состав и компоновка сооружений гидроузла зависят от способа создания и значения напора, возможной мощности ГЭС, природных топографических, гидрологических и геологических условий, принятых способов строительства. В основу рассматриваемой классификации положен тип здания ГЭС и расположение его в составе гидроузла в сочетании со способом создания напора. Здания ГЭС в свою очередь целесообразно классифицировать по их конструкции. С этой точки зрения здания ГЭС, прежде всего, делятся на русловые, входящие в состав напорного фронта гидроузла, т.е. способные воспринимать напор и выполнять функции подпорного сооружения, и здания, которые непосредственно напора не воспринимают ив состав напорного фронта не входят. Последние могут быть приплотинными, т.е. непосредственно примыкающими к бетонной плотине, и обособленными — наземными или подземными. У русловых зданий ГЭС водоприемник является частью здания, располагаясь непосредственно перед входом в проточную часть турбины. В компоновках со зданиями ГЭС, не воспринимающими напор, водоприемник расположен отдельно, а вода к зданию ГЭС подводится по турбинным водоводам. Плотинные ГЭС наиболее распространенный и мощный тип станций. Здесь используется плотина для перегораживания русла рек и создание водоема. Спуск воды производится либо для поддержания уровня в водоеме, либо когда возникает спрос на электроэнергию. Деривационный тип не использует весь поток реки как плотинные ГЭС, а посредством каналов и водоотводов забирает только часть воды из реки для подачи на турбину. Соответственно для таких станций строительство плотины не требуется. Гидроаккумулирующие станции перекачивают воду из более низкого резервуара в более высокий когда спрос и цена на электроэнергию не высоки, и когда спрос меняется, сбрасывает воду и вырабатывает электричество. Из всего многообразия компоновок гидроузлов можно отобрать следующие, наиболее распространенные и типичные: 1. Плотинный гидроузел (т.е. использующий напор, создаваемый плотиной) с 1 русловым зданием. 2. Плотинный гидроузел с приплотинным зданием ГЭС. 3. Плотинный гидроузел с обособленным (подземным или наземным) зданием ГЭС. 4. Деривационный (т.е. использующий напор, создаваемый деривацией) гидроузел с безнапорной деривацией. 5. Деривационный гидроузел с напорной деривацией. Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности: мощные — вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше; средние — до 25 МВт; малые гидроэлектростанции — до 5 МВт. Русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое; Рис. 1.1. – Русловое здание ГЭС. Приплотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС; Деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. 2 Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида безнапорные, или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды. Рис.1.2. Деривационная ГЭС с напорным подводящим туннелем в горном массиве: 1 – русло реки; 2 – плотина: 3 – водоприемник; 4 – напорный туннель; 5 – уравнительный резервуар; 6 – помещение затворов; 7 – турбинные трубопроводы; 8 – анкерная опора; 9 – здание ГЭС; 10 – ЛЭП. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные моменты (времена не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные турбины. В гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое. Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, 3 что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций. Основные сооружения гидроузлов. Основные сооружения гидроузлов по функциональному признаку подразделяются на следующие сооружения: 1. Водоподпорные и водосбросные сооружения, предназначенные для поддержания в зависимости от схемы гидроэлектростанции большей или меньшей части статического напора, обеспечение пропуска в нижний бьеф необходимых расходов, в том числе во время паводков, а также сброса льда, шуги, сора и промыва наносов. 2. Энергетические сооружения, предназначенные для выработки электрической энергии и распределения ее в соответствии с требованиями потребителей. К ним относятся: водоприемные устройства, водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к турбинам и отводящие воду в нижний бьеф; здание гидроэлектростанции с основным оборудованием (гидротурбины, гидрогенераторы, трансформаторы), а также вспомогательным механическим и подъемно-транспортным оборудованием и пультом управления; открытые (закрытые) распределительные устройства, состоящие из комплекса электрических аппаратов и соединений между ними, предназначенные для приема и распределения электроэнергии. 3. Судоходные и лесосплавные сооружения – предназначены для пропуска судов и плотов через гидроузел. К ним относятся: шлюзы или судоподъемники с подходными каналами, плотоходы или бревноспуски, причалы и др. 4. Рыбохозяйственные сооружения – предназначены для пропуска проходных пород рыбы к местам постоянных нерестилищ и в обратном направлении. К ним относятся рыбоходы и рыбоподъемники, а также рыбозащитные сооружения и сооружения для искусственного рыборазведения. 5. Водозаборы для орошения и других целей обеспечивают необходимую подачу воды в требуемом направлении (водоприемники, отстойники, насосные станции). 6. Транспортные сооружения – служат для связи объектов гидроузла между собой и соединения с сетью государственных автомобильных и железных дорог, а также пропуска этих дорог через сооружения гидроузла: мосты, шоссейные и железные дороги с разъездами. Для различных схем создания напора, типов гидроэлектростанций, топографических, геологических и гидрологических условий основные сооружения могут быть различной конструкции, при этом некоторые из них могут быть совмещены друг с другом. 4 Вспомогательные сооружения. Вспомогательные сооружения предназначаются для обеспечения нормальной эксплуатации гидроузла и создания необходимых удобств для обслуживающего персонала. Это жилые, культурно-бытовые, административные и хозяйственные здания, дороги, связь, водоснабжение, канализация и т.п. Временные сооружения гидроузла. Временные сооружения гидроузла необходимы только на период производства строительных работ. Они могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся сооружения, обеспечивающие пропуск расходов во время строительства в обход строительных площадок и котлованов, а также защиту последних от затопления: каналы, туннели, лотки, перемычки. Ко второй группе относятся производственные предприятия для обеспечения строительства гидроузла: бетонные заводы со складами цемента и заполнителей для бетона, арматурные, деревообрабатывающие и механические мастерские, причалы, система дорог, временные электростанции и пр. 5 Лекция №2. «Гидроэлектростанции с русловыми Деривационные гидроэлектростанции». и приплотинными зданиями ГЭС. Гидроэлектростанции с русловыми зданиями ГЭС. Гидроэлектростанции с русловыми зданиями ГЭС сооружаются на напорах до 3040 м. Они отличаются тем, что их здания входят в состав напорного фронта. Кроме зданий станций обычных конструкций, предназначенных только для размещения гидросилового оборудования, применяются совмещенные здания, выполняющие одновременно функцию водосбросных сооружений. Для гидроэлектростанций с русловыми зданиями, сооружаемых на многоводных реках, схема пропуска расходов в период строительства обычно оказывает существенное влияние на выбор общей компоновки гидроузла. Береговая компоновка. Основные бетонные сооружения (здание станции, водосливная плотина, шлюз) располагаются либо на одном берегу – односторонняя компоновка (рис. 2.1. схема I), либо на разных берегах (например, здание станции и водосливная плотина на одном берегу, шлюз – на другом) – береговая двухсторонняя компоновка. Рис. 2.1. Варианты компоновки русловых гидростанций. 6 Достоинством береговой компоновки с точки зрения производства работ является уменьшение высоты и длины перемычек, ограждающих котлован основных сооружений. При расположении котлована на незатопляемом берегу необходимость устройства таких перемычек вообще исключается. Процесс возведения бетонных сооружений при такой компоновке не зависит от гидрологического режима реки до последнего этапа строительства, когда русло перекрывается глухой плотиной и начинается пропуск расходов через бетонные сооружения, которые к этому моменту возведены практически полностью. Недостатком данной схемы является необходимость выполнения больших объемов выемки грунта в котловане, а также в подводящем и отводящем каналах. Пойменная компоновка. Основные сооружения располагаются в пойме реки (рис. 2.1., схема II). В период строительства котлован ограждается продольной и поперечными перемычками, пропуск строительных расходов и паводков осуществляется по руслу реки. При такой компоновке объем работ по земляным (скальным) работам меньше, чем при береговой компоновке, но при этом котлован ограждается более высокими перемычками. Расположение основных бетонных сооружений в одном месте позволяет более рационально организовать бетонное хозяйство, разместив его вблизи строящихся объектов, упростив схему подачу бетонной смеси, тем самым сокращая стоимость и продолжительность строительства. Русловая компоновка. Такая компоновка применяется обычно при значительной ширине русла реки и крутых берегах (рис. 2.1., схема III). Бетонные сооружения занимают всю или большую часть ширины русла, одновременное их возведение (в отличие от береговой и пойменной компоновок) обычно невозможно, оно осуществляется в две (иногда в три) очереди. Котлован в этом случае должен быть отгорожен высокими перемычками, рассчитанными на пропуск паводков и ледоходов через стесненную часть русла, что часто связано с большими затруднениями. Смешанная компоновка. Такая компоновка является промежуточной между береговой (пойменной) и русловой. Основные бетонные сооружения располагаются на берегу или в пойме и частично в русле или занимают всю ширину русла и часть берега или поймы. Вариант смешанной компоновки, при которой здание ГЭС занимает часть русла реки, водосливная плотина перекрывает рукав, а шлюз размещается на острове, показан на рис. 2.1. (схема IV). 7 В каждом случае выбор варианта компоновки сооружений определяется минимумом объема строительных работ и стоимости гидроузла (при этом выбранная схема должна в каждом конкретном случае отвечать требованиям надежности и дальнейшим удобствам эксплуатации). Гидроэлектростанции с приплотинными зданиями ГЭС. Гидроэлектростанции с приплотинными зданиями ГЭС сооружаются на напорах от 30-40 до 200-300 м. (Верхний предел напора определяется высотой плотины). Рис. 2.2. Компоновка гидроузлов с приплотинными зданиями станций и плотинами из грунтовых материалов. Здание ГЭС при данной компоновке не является водоподпорным сооружением и располагается за плотиной. Турбинные водоводы могут быть проложены как в теле плотины, так и на низовой или напорной ее грани. На рис. 2.2. приведены схематические планы компоновок ГЭС с приплотинными зданиями и плотинами из грунтовых материалов. На схеме I рис. 2.2. перед плотиной располагается башенный водоприемник. Турбинные водоводы размещены в железобетонной галерее под плотиной. Там же размещаются трубы для сработки 8 водохранилища, которые в период строительства могут быть использованы для пропуска строительных расходов. Такая схема компоновки характерна для гидроузлов, сооружаемых в условиях, когда берега сложены слабыми породами. На схеме II рис. 2.2. здание станции расположено в глубокой скальной выемке на берегу реки, под углом к оси плотины. Подвод воды к зданию ГЭС осуществляется напорными туннелями от береговых водоприемников. Перед зданием станции туннели разветвляются по числу турбин. Пропуск строительных расходов в этой схеме осуществляется через туннели, расположенные на противоположном берегу и используемые после окончания строительства в качестве водосбросов. В схеме III принято подземное расположение здания станции. Подвод воды осуществляется индивидуальными напорными водоводами. Открытое распределительное устройство размещается на поверхности, почти над зданием ГЭС. Водосбросы выполнены в виде напорных туннелей. На схеме IV приведена компоновка, которая характерна наличием широкого подводящего канала, устроенного в обход плотины. От водоприемника по относительно коротким напорным водоводам вода поступает к турбинам. Здание станции расположено вдоль берега реки. Паводковые расходы пропускаются по водосбросу, расположенному в конце подводящего канала. В схеме VI поверхностный водосброс расположен на берегу. Башенный водоприемник находится над строительным туннелем, часть которого в дальнейшем используется в качестве турбинного водовода. Здание станции располагается под землей. Значительная длина отводящих туннелей позволяет использовать падение участка реки ниже здания станции. Такая компоновка характерна для гидроэлектростанций, где концентрация напора осуществляется по комбинированной плотинно - деривационной схеме. Деривационные гидроэлектростанции. Деривационные гидроэлектростанции применяются в весьма широком диапазоне напоров: от нескольких метров до 1700-2000 м. Сооружения деривационных ГЭС, а также станций с плотинно-деривационной схемой концентрации напора состоят из следующих основных узлов: 1. Головной узел – объединяет сооружения, предназначенные для создания подпора в реке и направления потока в деривацию, очистки воды от сора и 9 наносов, а иногда от льда и шуги: плотину, водосбросные устройства, водоприемник, отстойник, промывные и ледосбросные устройства. 2. Деривационные водоводы и сооружения на трассе (деривация) – осуществляют подвод воды к станционному узлу и может быть как напорными, так и безнапорными. 3. Станционный узел – следует по трассе за деривацией и включает при безнапорной деривации напорный бассейн, аварийный водосброс, соро – и ледозащитные устройства, а при напорной – уравнительный резервуар. Рис. 2.3. Схемы гидроэлектростанции с безнапорной деривацией; а – планы сооружений, б- продольные разрезы. 10 Лекция №3. «Водоподпорные сооружения гидроузлов. Бетонные плотины». Водоподпорные сооружения (плотины). Плотины – это сооружения, перегораживающие русло реки и создающие в ней подпор воды. Материалом для создания плотин служат бетон и железобетон, дерево, камень и различные грунты. Соответственно плотины называются бетонными и железобетонными, деревянными, каменными и грунтовыми. Наиболее распространенными являются плотины бетонные и из грунтовых материалов – песка, супесей, суглинков, глин, гравия, галечника и их смесей, а также рваного камня. Бетонные плотины делятся на: 1. Гравитационные (массивные). В поперечном разрезе имеют форму треугольника с шириной основания, равной около 2/3 высоты, или трапеции; низовая грань прямолинейна или криволинейна; в плане плотина обычно прямолинейная. 2. Контрфорсные плотины. Представляют собой стены более тонкие, чем в гравитационных плотинах, усиленные контрфорсами – стенками, расположенными со стороны нижнего бьефа нормально к основной и подпирающими ее. 3. Арочные плотины. Имеют в плане криволинейное очертание, с выпуклостью, обращенной к верхнему бьефу, а в поперечном (вертикальном) разрезе – это сравнительно тонкие стенки слегка криволинейной формы. Бетонные гравитационные плотины широко распространены во всем мире благодаря простоте конструкции и способов их возведения, надежности их при любой их высоте, в любых природных условиях, в том числе и суровых зимних. В основании таких плотин развиваются напряжения, превышающие 5 МПа, что позволяет возводить их только на весьма прочных скальных породах. Поэтому все выветренные и другие слабые разности пород из основания таких плотин полностью удаляются, и плотина опирается на не выветренную скалу. Вторым важным условием, определяющим устойчивость гравитационной плотины, является требование, чтобы давление, создаваемое сооружением на грунты основания, не превышало допустимых пределов и было только сжимающим. Развитие растягивающих напряжений между сооружением и основанием даже на небольшой части площади основания является недопустимым. В целях повышения устойчивости плотины на сдвиг, особенно при опирании ее на основание, сложенное скальными породами, часто применяют устройство наклонного сопряжения с основанием, заглубление верхового края фундамента и 11 устройства зуба или двух зубьев. Массивные гравитационные плотины на скальном основании строят глухими или водосливными, обычно прямолинейными в плане. В реальных условиях на плотины действуют и другие нагрузки; давление наносов в верхнем бьефе, давление ледяного покрова, давление волн, сейсмические нагрузки и др. Это вызывает необходимость несколько исправить профиль плотины. Рис. 3.1. Гравитационная плотина Токтогульской ГЭС. Формы реальных профилей плотин зависят еще от условий сопряжения плотины с основанием и примыканий ее к берегам или другим сооружениям, а также от различных специальных мероприятий по повышению экономичности плотин и уменьшению затрат объема бетона. Поперечный профиль плотины, ее основные размеры, подлежат поверке общей прочности и устойчивости тела плотины и ее основания в разных стадиях ее работы. Обычно ось плотины прямолинейна, хотя бывают и ломаные и криволинейные (Днепрогэс), что вызывается обычно геологическими условиями (расположить плотину на наиболее надежных однородных породах), иногда топографическими. Кроме того, играет роль общая компоновка сооружений в гидроузле. Плотина может примыкать к берегам и к другим сооружениям гидроузла, довольно часто к зданию гидроэлектростанции или шлюзу. Контрфорсные плотины являются самыми технически сложными их всех типов плотин. Как и гравитационные, они передают нагрузку на основание, но делают они это с помощью специальных подпорных стенок – контрфорсов. Такая конструкция позволяет существенно сократить требуемое количество бетона (а соответственно и стоимость), по сравнению с обычной гравитационной плотиной (на 20–40%, а иногда и на 60%). При 12 этом, контрфорсные плотины гораздо сложнее гравитационных в строительстве и более требовательны к качеству грунтов основания. Контрфорсные плотины представляют собой перекрытия – массивные или тонкие плиты, своды воспринимающие напор воды верхнего бьефа и опирающиеся на вертикальные стенки – контрфорсы, которые передают нагрузку от перекрытий основанию. Дополнительным элементом конструкции могут быть балки жесткости или распорки между контрфорсами, препятствующие выпучиванию (продольному изгибу) последних. Рис. 3.2. Массивная контрфорсная плотина Зейской ГЭС (р. Зея). Контрфорсные плотины делятся на три типа: 1. Массивно-контрфорсные; 2. Плотины с плоским перекрытием; 3. Многоарочные. По типу контрфорсов различают: а) плотины с массивными бетонными, сплошными или полыми контрфорсами; 13 б) плотины с тонкими бетонными или железобетонными контрфорсами. Массивно-контрфорсные плотины, напорная грань которых формируется уширением толстых контрфорсов, получили наибольшее распространение в связи с большей простотой и технологичностью при их возведении, сейсмостойкостью, меньшей требовательности к грунтам основания. Контрфорсные плотины с плоским перекрытием имеют тонкую, значительно наклоненную напорную плиту, усилия от которой передаются на контрфорсы. В связи с меньшим расходом бетона (чем массивно-контрфорсные плотины), такого типа плотины требуют большего количества арматуры, что существенно увеличивает их стоимость, поэтому в настоящее время строительство подобного типа плотин почти не ведется. Многоарочные плотины являются самыми сложными, но и самыми экономичными из контрфорсных плотин. Их напорный фронт образуется несколькими арками, передающими усилия на контрфорсы. И арки, и контрфорсы можно сделать довольно тонкими, что дает большую экономию бетона, особенно в широких створах. В то же время, многоарочные плотины технологически сложны, требовательны к качеству пород основания и температурному режиму, в них трудно сделать водосбросы и требуются специальные меры по обеспечению сейсмостойкости. В железобетонных плотинах арочные перекрытия армируются обычно двойной прутковой арматурой или же жесткой (в виде ферм). Для повышения водонепроницаемости арок напорная грань их покрывается торкретом или слоем битума, или тем и другим; иногда слой битума или асфальта защищается бетонными плитами. Форма арок большей частью круговая, толщина арочных колец обычно постоянная. В случае тонких контрфорсов может возникать опасность потери устойчивости (выпучивание), в таком случае контрфорс усиливают балками жесткости, ребрами жесткости (вертикальными или наклонными), или, что чаще, делают контрфорс полым, усиленным диафрагмами. Арочные плотины. Арочными плотинами называют криволинейные в плане водоподпорные сооружения, работающие как свод или оболочка и сопротивляющиеся действию горизонтальных нагрузок в основном за счет упора их в берега ущелья. 14 Рис 3.3. Арочная плотина: а – план; б – сечение по А-А; в – разрез по оси плотины ОО Горизонтальное сечение арочных плотин (арки) имеют обычно круговое очертание с нормальным опиранием пят арок в берега. Поперечные профили арочных плотин (консоли) весьма различны по форме и в ряде случаев назначаются криволинейными по вертикали. По характеру работы на основную сдвигающую нагрузку – горизонтальное давление воды, арочные плотины принципиально отличаются от гравитационных. В арочных плотинах силы сопротивления по подошве сооружения, зависящие от веса сооружения, принимают малое участие в работе плотины против сдвига. Устойчивость их обеспечивается в основном за счет упора сооружения в берега. Это позволяет проектировать арочные плотины с весьма малой толщиной, определяемой лишь условием прочности материала сооружения. Бетонные плотины бывают глухими, если они не пропускают воду в нижний бьеф, и водопропускными, водосбросными, если они имеют отверстия для сброса воды. В первом случае вода верхнего бьефа, притекающая к плотине, удаляется или через другие сооружения, возводимые рядом с глухой плотиной (например, через здание гидроэлектростанции или береговые водосбросы), или отводится из верхнего бьефа с помощью водопроводящих сооружений (каналов, трубопроводов, туннелей). В водопропускных плотинах вода пропускается в нижний бьеф через отверстия, которые могут быть: поверхностные или водосливные и погруженные под уровень воды верхнего бьефа – глубинные, в частности донные. Водосливные отверстия отделены друг от друга бычками и снабжаются подвижными конструкциями – затворами, опирающимися на бычки или стену (устой) плотины. Затворы могут закрывать отверстия полностью, частично или держать открытыми. 15 Наличие затворов позволяет регулировать расходы воды, выпускаемые из верхнего бьефа (водохранилища). При наличии глубинных затворов можно выпускать воду из водохранилища при любом НПУ, маневрируя затворами. Рис.3.4. Схемы водосбросных отверстий в плотине. Рис.3.5. Схемы работы затворов. 16 Лекция №4. «Грунтовые плотины». Земляные плотины можно возводить почти при любых геологических условиях местности. Они просты по конструкции, устойчивы, долговечны, и стоимость возведения их небольшая. Земляные плотины строятся из местного материала – грунта, который не требует предварительной обработки и разработка которого в карьерах не вызывает больших затруднений. При строительстве земляных плотин можно применять различные землеройные машины и механизмы. Земляные плотины можно возводить большой высоты. Для возведения земляных плотин можно применять все виды нескальных грунтов. Исключением являются грунты, содержащие примеси неразложившихся органических включений, использование которых допускается обосновании. Применение илистых трудноразрабатываемых в глин земляных плотинах допускается при наличии при грунтов надлежащем и плотных технико-экономического обоснования. По высоте различают земляные плотины: высокие – с максимальным напором более 40 м; средние – с напором 10 – 40 м; низкие – с напором 10 м. В зависимости от применяемых для тела плотины материалов и их размещения в сооружении, а также способов обеспечения водонепроницаемости земляные плотины делятся: 1. Плотины из одного, более или менее однородного, вполне удовлетворительного материала, например, из песка, супеси, суглинка. 2. Плотины из нескольких и разных грунтов: из суглинка и супеси, или из глины, супеси, песка и т.п., располагаемых в известном порядке. При этом водонепроницаемый грунт может как на верховой, напорной стороне, так и в центральной части. Данный тип плотин применяется в тех случаях, когда в районе строительства недостаточно одного удовлетворительного материала в достаточном количестве. Однородные земляные плотины строятся при наличии на месте строительства в достаточном объеме относительно водонепроницаемых грунтов: суглинков, лессов, а также тяжелых глин, насыщенных водой до нижнего предела пластичности, т. е. из всех относительно водонепроницаемых грунтов. Земляные плотины из легких и средних суглинков возводятся без защитного слоя. При возведении плотин из тяжелых суглинков и глин с содержанием глинистых частиц 20 % и более в районах с суровыми зимами целесообразно устраивать защитный слой из 17 гравийно-песчаного или песчаного грунта по откосам и гребню плотины. Толщина защитного слоя должна быть не меньше глубины промерзания грунта. Для однородных земляных плотин допускается использовать песчаные грунты при значении фильтрационного расхода воды, допустимом по водохозяйственным расчетам. В однородных земляных плотинах рекомендуется устраивать дренажи со стороны низового откоса. Земляные плотины с пластичным экраном устраиваются в том случае, если тело плотины возводится из водопроницаемых грунтов (песков, супесей). Экран уменьшает фильтрацию воды через тело плотины. Его можно устраивать из суглинка, смеси глины (не больше 40 %) и песка, и торфа. Для защиты от промерзания с верховой стороны экран покрывается защитным слоем из гравийно-песчаного грунта, песка, супеси, гравия или щебня. Толщина защитного слоя не менее 1-1,5 м у основания плотины и не менее глубины промерзания выше максимального уровня воды в водохранилище. Толщина пластичного экрана не менее 0,8 м вверху и не менее 0,1>Z (напора) внизу. Земляные плотины с жестким экраном возводят при отсутствии соответствующих грунтов для пластичного экрана. Жесткие экраны бывают бетонные или железобетонные. Такие экраны имеют сложную конструкцию и стоимость их по сравнению с пластичными большая. Кроме того, при осадке тела плотины в жестких экранах могут появляться трещины. Поэтому они применяются редко. Земляные плотины с ядром как и плотины с экраном, возводятся из водопроницаемых грунтов. Ядро уменьшает фильтрацию воды через тело плотины и устраивается из таких же материалов, как и пластичный экран. Земляные плотины с диафрагмой как и плотины с жестким экраном, возводятся при отсутствии соответствующих грунтов для ядра. Диафрагмы выполняются из бетона, железобетона, металла и битумных материалов. Толщина диафрагмы из бетона и железобетона должна быть не менее 0,3 м вверху. Диафрагмы плотин недоступны для осмотра. В них, как и в жестких экранах, из-за разности гидростатического давления на гранях могут появляться трещины, поэтому их устраивают редко. Для обеспечения местной прочности грунта на откосе устраивают крепление. На верховом откосе крепление выполняется для защиты грунта от воздействия волн и льда со стороны водохранилища. На низовом откосе – для защиты грунта от воздействия атмосферных осадков и воды в нижнем бьефе. Конструкция гребня плотины осуществляется из его назначения, чаще всего определяется транспортными требованиями (автодорожного или железнодорожного). 18 Рис. 4.1. Пример крепления откоса каменной наброской: 1 – обратный фильтр; 2 – гравий или щебень. Крепление откосов. Верховые (напорные) откосы. Для защиты откосов от волнового воздействия применяют защитные покрытия или же уполаживают его. В качестве временной меры для гашения волн в низконапорных плотинах при малой волне иногда используют плавучие плотики перед откосом. Обычно верхней границей крепления откоса является гребень, но в случае, когда превышение гребня значительно выше высоты наката волны, то верхней границей основного крепления является граница наката волны hn, а выше до гребня располагают облегченное крепление. Каменное крепление в виде наброски или мощения устраивается обязательно по слою подготовки в виде обратного фильтра. Получающаяся в результате учета волнового воздействия толщина наброски камня должна быть достаточной и для защиты от размыва фильтра и тела плотины. Земляные плотины по методу возведения делятся: 1. Насыпные плотины (возводятся методом отсыпки грунтового материала). 2. Намывные плотины (транспортировка грунта к сооружению и укладка его в тело плотины производится при помощи воды методом гидромеханизации). 3. Полунамывные плотины – при возведении которых грунт разрабатывается в карьерах, доставляется к плотине и отсыпается в боковые части (внешние призмы) ее тем же методом, что и в насыпных плотинах, но укладка грунта во внутреннюю часть (ядро плотины) совершается при помощи воды, путем отмыва глинистых фракций из отсыпанного грунта. Данный тип плотин в настоящее время применяется редко. Кроме указанных основных способов строительства плотин используются и следующие методы: 1. Способ сухой отсыпки плотин, без последующей укатки. 19 2. Мокрый способ, при котором сухой лёссовый или моренный грунт отсыпается на участки тела плотины, огражденные валиками и залитые водой на глубину 0,5-0,7 м. 3. Способ направленных взрывов, когда плотина образуется путем массового выброса грунта с берегов после взрыва заложенных в него зарядов взрывчатого вещества. 20 Лекция №5. «Каменно–земляные и каменные плотины». Каменно-земляные плотины занимают ведущее место в мировом плотиностроении по количеству среди высоких и сверхвысоких сооружений. Данный тип плотин является к тому же и самым надежным и простым с эксплуатационной точки зрения, а их строительство возможно в тяжелых сейсмических и климатических условиях. Каменно-земляная плотина с центральным ядром. Плотина с центральным ядром обычно имеет минимальный объем тела в сравнении с плотиной с экраном или наклонным ядром, так как наиболее слабый по прочности материал ядра наиболее удален от поверхности откосов. Рис. 5.1. Плотина Тринити (США). 1 – ядро из глины и гравия; 2 – переходные зоны из песчано-гравелистого грунта; 3 – боковые призмы из гравия, булыжников и валунов; 4 – каменная наброска; 5 – крепление камнем; 6 – метаморфизированные андезиты; 7 – цементационная завеса; 8 – бетонные зубья. Толщина ядра определяется из минимальной стоимости тела плотины в целом и работоспособности из условия трещинообразования, общей устойчивости. При устройстве наклонного ядра в каменно-земляных плотинах, толщина наклонного ядра является промежуточной между толщиной экрана и центрального ядра, в зависимости от наклона. Угол наклона наклонного ядра определяется деформируемостью грунта: чем более деформируем грунт, тем более высок угол наклона оси ядра к вертикали. Это условие вызвано необходимостью борьбы с возможностью гидравлического разрыва. Каменно-земляная плотина с экраном. Экран плотин более чувствителен к деформациям упорной призмы, поэтому при возведении плотин с экраном большое внимание уделяется качеству уплотнения грунта упорной призмы. С напорной стороны экран прикрывается тем же материалом, что 21 упорная призма. Между защитным слоем и экраном, экраном и упорной призмой укладывается фильтр. Рис. 5.2. Плотина Нантахала (США). 1 – экран из суглинистого грунта; 2 – фильтры двуслойные из песчано-гравийной смеси; 3 – подстилающий слой из песчано – гравелистого грунта; 4 – зональная наброска камня по принципу возрастания размера камня в направлении от середины к наружной поверхности низового откоса; 5 – наброска из карьерных отходов; 6 – горная масса; 7 – площадная цементация; 8 – цементационная завеса; 9 – песчаники. Для тела каменно-земляных плотин используют самые разнообразные материалы. Ядра и экраны могут выполняться из любых малопроницаемых грунтов от песка до глин. Наибольшее распространение получили супеси и суглинки. Пески используются редко, также редко используются глины. Если пески используются редко из-за сравнительно высокой водопроницаемости, то глины – из-за сложности достижения требуемой плотности, их вязкости, комковатости. Откосы земляных плотин принимаются в зависимости от типа плотины, ее высоты и рода грунта, из которого она возводится. Верховой откос, который находится под воздействием волн и льда, а также насыщен водой практически на всю высоту, делают более пологим, низовой откос – более крутым. Откосы плотин до 15 м обычно принимаются одинаковыми по высоте. При большой высоте принимается ломаное очертание верхового и низового откосов, постепенно уменьшая их угол от гребня к основанию. В местах перелома откосов часто строятся горизонтальные площадки – бермы. Ширина берм обычно варьируется в пределах 1,5 – 2,0 м. На верховом откосе бермы в конце обычно устраивают крепление, что создает для него необходимый упор. На низовом откосе бермы часто используются для проездов, сбора и отвода атмосферных вод. Горизонтальный участок верхней части плотины называется гребнем. Зачастую, гребень используется для прокладки автомобильных дорог (дорог общего назначения и служебных). В таких случаях ширина гребня принимается с учетом категорийности 22 дороги. В случае отсутствия дорог – не менее 4,5 м. Отметка гребня выбирается с учетом отметки НПУ водохранилища с поправкой на нагон волны различной обеспеченности (в зависимости от класса сооружения). 23 Лекция №6. «Условия работы земляных плотин». Материал тела земляной плотины всегда в той или иной степени водопроницаем. Поэтому в теле плотины создается поток воды, фильтрующейся из верхнего бьефа в нижний. Свободная понижающаяся к поверхность нижнему бьефу, этого фильтрационного называется потока, поверхностью постепенно насыщения, или депрессионной поверхностью, а линия пересечения ее с вертикальной плоскостью, проводимой поперек оси плотины, называется линией насыщения или депрессии, или депрессионной линией. Ниже депрессионной поверхности (линии) грунт плотины насыщен водой, взвешивается ею. Выше депрессионной линии находится зона капиллярного поднятия воды, высота которой зависит от свойств капиллярности грунта: в песчаных грунтах он достигает 5 - 15 см, в суглинистых и глинистых – 0,5 – 1,5 м и более. Рис. 6.1. – Схема фильтрации и насыщения плотины водой. Выше капиллярной зоны грунт обладает небольшой влажностью, так называемой естественной влажностью, зависящей от климатических условий (влажность воздуха, количество осадков, температура и пр.) и состава самого грунта. Границы данных зон меняют свое положение в зависимости от колебаний уровня воды в верхнем и нижнем бьефах. Скорость изменения положения депрессионной линии зависит от водопроницаемости грунтов, слагающих тело плотины, скорости сработки и наполнения водохранилища и климатических факторов (температура, осадки, влажность). 24 Фильтрация, воздействие воды верхнего и нижнего бьефов, климатические условия создают сложный режим земляного тела плотины. В зоне насыщения водой грунт взвешивается гидростатическим давлением и подвержен действию фильтрационных сил (гидродинамическое давление), стремящихся сдвинуть частицы грунта в направлении к низовому откосу. При этом мельчайшие частицы грунта могут выноситься в нижний бьеф, откос же может оползать и разрушаться. Прочность грунта, насыщенного водой, падает по сравнению с сухим. В плотинах из проницаемых грунтов могут иметь значение потери воды из верхнего бьефа (фильтрационный расход). Вынос частиц грунта, слагающего тело плотины, при котором происходит нарушение скелета (основных частиц, слагающих грунт) грунта, называется суффозией. Волнение воды в верхнем и нижнем бьефах может размывать грунт откосов в пределах колебания уровней воды, это вызывает необходимость крепления откосов. Ледяной покров, образующийся в верхнем бьефе, может также повреждать откосы. При температуре воды ниже 0º откосы плотины выше горизонта воды и гребень ее могут промерзать, а суглинистые и глинистые грунты их при этом будут пучиться, а при оттаивании оползать и образовывать трещины. Трещины могут появляться в тех же грунтах и при высыхании откосов в жаркое время года. Поперечные трещины опасны ввиду возможности развития по ним разрушительной фильтрации. Атмосферные осадки, выпадающие на плотину, частью просачиваются внутрь и смачивают тело плотины, частью стекают по откосам. Смачивание тела плотины водой понижает прочность ее грунта, что нежелательно, поэтому принимаются меры к ускорению и упорядочению стока дождевых вод с гребня и откосов путем поверхностного дренажа и крепление откосов. Таким образом, водопроницаемость грунта и фильтрация воды в теле земляной плотины играют весьма важную роль. Статистика показывает, что около 45% аварий и разрушений земляных плотин произошло вследствие недостаточности мер по борьбе с фильтрацией воды. Около 15% аварий является результатом оползания откосов, вызванного большей частью также действием фильтрационных вод. Пропуск воды через земляные плотины нежелателен, а перелив через ее гребень не допустим, т.к. ведет к быстрому ее разрушению. Как правило, земляные плотины являются глухими. Водоспуски устраиваются в земляных плотинах редко и с особыми устройствами и мероприятиями по предотвращению аварии. 25 Лекция №7. «Дренажные устройства грунтовых плотин». Дренажные сооружения (дренажи) – основной элемент земляной или каменноземляной плотины, предназначенный для перехватывания фильтрационного потока. Дренажные устройства чаще всего устраиваются для регулирования положения кривой депрессии в теле земляной плотины, для организованного сбора и отвода фильтрационных вод и для предотвращения возникновения фильтрационных деформаций. В каменно-земляных плотинах роль дренажного устройства выполняет низовая упорная призма. Иногда дренажи устанавливают для снижения порового давления, возникающего в результате сейсмических воздействий на плотину. Дренаж подошвы и основания земляной плотины устраивают для снижения порового давления в основании и для выпуска напорных вод из водопроницаемого слоя основания, прикрытого сверху слоем водоупорного грунта. Дренажное устройство обычно состоит из двух частей: отводящего устройства и фильтра (2-х или 3-слойного). Многослойный фильтр часто называют обратным фильтром или переходной зоной. Можно выделить по конструкции три типа дренажных устройств: 1. наружные (тип I); 2. внутренние (тип II); 3. комбинированные (тип III). Наружный (наслонный) дренаж не имеет разновидностей. Самостоятельно его применяют сравнительно редко, но часто в сочетании с другими дренажами, образуя комбинированные дренажи. Данный тип дренажа находится за пределами основного профиля плотины и не создает укороченного пути фильтрации, поэтому он не может воздействовать на кривую депрессии. Чаще всего наслонный дренаж применяют на участках земляных плотин, перекрывающих периодически затапливаемую пойму. Верхняя отметка наслонного дренажа назначается из условия защиты от промерзания откоса при наивысшем положении кривой депрессии вместе с учетом капиллярного подъема. С другой стороны верхняя отметка наслонного дренажа должна быть выше самого высокого положения горизонта воды в нижнем бьефе с учетом нагона и наката волны. Наслонный дренаж выполняется обычно из достаточно однородного камня, обеспечивая таким образом высокий 26 коэффициент фильтрации. Крупность камня определяется из условия устойчивости при действии волн со стороны нижнего бьефа. Выше максимального уровня воды в нижнем бьефе в наслонный дренаж могут укладываться гравий и щебень. Рис. 7.1. Типы дренажных устройств: I – наружный дренаж; IIа – дренажная призма (банкет); IIб – плоский горизонтальный дренаж и дренажная лента; IIв – трубчатый дренаж; IIг и IIд – плоский горизонтальный дренаж в сочетании с наклонными дренажными лентами; IIIа, б, в – типы комбинированного дренажа. Все внутренние и комбинированные дренажи создают кратчайший путь фильтрации и в этом заключается их основная роль – регулирование положения кривой депрессии. Чем больше приближен дренаж к верхнему бьефу, тем более понижено положение кривой депрессии. Дренажная каменная призма (тип IIа) устраивается обычно на русловых участках плотины при ее возведении без перемычек и при перекрытии реки отсыпкой камня в воду. При наличии дешевого камня в больших количествах, она может применяться и на других участках плотины. Плоский горизонтальный дренаж (тип IIб), трубчатый дренаж (тип IIв), плоский горизонтальный дренаж или ленточный дренаж в сочетании с наклонными дренажными лентами (тип IIг) используется на пойменных участках плотин на незатопляемых отметках. Один из самых распространенных типов дренажей – трубчатый дренаж. Ленточный дренаж часто используют для дренирования тела упорных призм каменно-земляных и каменных плотин. Такая необходимость возникает при использовании для тела призм полускальных, сильнозаглинизированных или слабых выветренных пород, которые при уплотнении разрушаются, или когда процесс выветривания может продолжаться в теле насыпи. Дренажи типа IIд применяются в однородных плотинах из глинистых грунтов для полного перехвата фильтрационного потока. 27 Комбинированные дренажи применяют при необходимости защиты низового откоса от волнового воздействия со стороны нижнего бьефа. Тип дренажного устройства IIIб используется часто в намывных земляных плотинах, когда выполняется оно после возведения плотины. Трубчатый горизонтальный дренаж в сочетании с вертикальным трубчатым дренажом применяется в земляных плотинах для снятия напора в основании, когда, например, более проницаемый слой основания прикрыт сверху менее проницаемым грунтом. Вертикальный дренаж в основании плотины – устраивается в основании каменноземляных или каменных плотинах в виде скважин для перехвата фильтрационного потока, чтобы предотвратить суффозию заполнителя трещин в скальном основании. Рис. 7.2. Плотина Инфернильо (Мексика): 1 – ядро плотины; 2 – переходные зоны; 3 – зоны каменного материала; 4 – экран перемычки; 5- галерея в основании плотины; 6 – площадная цементация; 7 – скважины цементационной завесы; 8 – дренажные скважины. 28