Плотины
Плотины являются наиболее ответственными водоподпорными сооружениями, ибо они перегораживают водный поток для создания напора и накопления запаса воды в образованном ими водохранилище.
Часть водного потока выше плотины называется верхним бьефом, а другая часть с более низким уровнем воды — нижним бьефом.
В водохранилище, образующемся в результате возведения плотины, различают следующие уровни:
нормальный подпорный горизонт (НПГ)—наиболее высокий уровень воды при нормальной эксплуатации;
форсированный горизонт (ФГ)—уровень, который временно допускается в водохранилище при пропуске паводка;
горизонт мертвого объема (ГМО) — наиболее низкий уровень, допускаемый при опорожнении (сработке) водохранилища.
Характерные объемы водохранилища следующие:
полный объем — между НПГ и дном водохранилища;
полезный объем — между НПГ и ГМО — используется для различных водохозяйственных нужд;
резервный объем — между НПГ и ФГ — используется для снятия пика прохождения паводка;
мертвый объем — между дном и отметкой водоспускных отверстий — необходим для поддержания минимального уровня воды в водохранилище (рис. 23).
По основному материалу плотины делятся на земляные, каменно-набросные, состоящие из отдельных камней, каменные и бетонные (монолитные), железобетонные.
Земляные плотины. Они могут быть следующих типов :
тип 1 — плотины из однородных песчано-глинистых слабо-водопроницаемых грунтов: супесей, суглинков, глин;
тип2 — плотины из неоднородных грунтов, в которых маловодопроницаемый грунт находится со стороны верхового откоса или в центральной части тела плотины, а остальная часть объема выполнена из водопроницаемого грунта;
тип 3— плотины с экраном, возводимые из водопроницаемых материалов, однако их верховые откосы защищены от проникновения воды экраном — слоем глины, суглинка, торфа, бетонными, железобетонными плитами или специальным покрытием из органических либо полимерных материалов;
тип 4 — плотины с ядром, также сооружаемые из водопроницаемых материалов, но их внутренняя центральная часть к(ядро) выполняется из глины или суглинка, что обеспечивает их водонепроницаемость;
тип 5 — плотины с диафрагмой, в которых в средней части сечения по линии гребня устраивается водонепроницаемая перегородка из железобетона, металла, битумных материалов.
Наилучшим основанием для земляных плотин являются слабоводопроницаемые грунты. В этом случае никаких мероприятий по предотвращению фильтрации в основании не предусматривают. Наоборот, при наличии в нем водопроницаемых грунтов необходимо проектировать такие противофильтрационные "устройства, как зуб, диафрагма, экран с понуром из слабоводопроницаемых материалов, или устраивать противофильтрационную завесу путем нагнетания в грунты, залегающие ниже основания плотины, цемента, глиноцемента или синтетических смол.
Земляные плотины возводятся двумя методами — насыпным и намывным.
Насыпной метод заключается в укладке грунта в тело плотины с послойным уплотнением его различными механизмами.
Намыв плотин осуществляется способом гидромеханизации, при котором грунт разрабатывают, транспортируют и укладывают с помощью воды.
Каменные плотины. Этим термином принято обозначать плотины, в состав которых входит каменный материал . Из значительного разнообразия таких плотин можно выделить три Типа: каменнонабросные, каменно-земляные и из каменной кладки.
К каменно-набросным относят плотины, построенные из крупнообломочного каменного материала. Во второй половине нынешнего столетия они стали вытесняться каменно-земляными или их разновидностью — каменно-набросными с противофильтрационной защитой.
В настоящее время строится большое количество каменно земляных плотин с тонкими вертикальными и наклонными ядрами — среди них такие высоко- и сверхвысоконапорные плотины, как Червакская (167 м), Нурекская (300 м) и Рогунская (320 м). Широкое строительство плотин данного типа объясняется стремлением в наибольшей мере использовать местные материалы, возможностью успешного возведения столь массивных сооружений на любом основании и достаточно надежной их работой в сейсмически опасных условиях.
Бетонные плотины. Такие плотины наиболее распространены в мире. Они бывают трех конструктивных типов: гравитационные, арочные и смешанного типа, к которому относят арочно-гравитационные, многоарочные и контрфорсные плотины.
Гравитационные плотины. Они могут быть как глухими, так и водосливными. И те и другие в поперечном сечении близки по форме к треугольнику с вертикальной водонапорной .Гранью, однако у водосливных плотин грань, обращенная в сторону нижнего бьефа (водосливная), имеет плавное криволинейное очертание и в нижней части заканчивается «носком» для Отбрасывания падающей струи воды во избежание сильного размыва дна у основания (рис. 25).
Арочные плотины. Арочной называют криволинейную с выпуклой в плане напорной гранью плотину, прочность и устойчивость которой обеспечиваются работой ее как свода, передающего- нагрузку от давления воды в основном на скальные берега Или береговые устои . Такие плотины строят из бетона или железобетона в горных местностях и ущельях с выходом 'на поверхность прочных скальных пород.
Арочные плотины отличаются от гравитационных тонкой стенкой, изменяющей свою толщину по высоте плотины.
Отношение толщины плотины в подошве к ее высоте называется коэффициентом стройности (В/Н), по величине которого арочные плотины разделяются на тонкие (В/Н) =0,08 0,3), толстые (В/Н = 0,3 0,4) и арочно-гравитационные (В/Н)>• 0,4). Последние возводятся в широкой долине или при ненадежных(выветрелых,трещиноватых) породах.
Расход бетона на арочные плотины меньше, чем на гравитационные, в два-пять раз.
В арочных плотинах воду сбрасывают и по низовой грани, для чего ей придают криволинейную форму и выполняют в виде быстротока с переливом через гребень.
Контрфорсные плотины. Контрфорсными называют плотины, состоящие из ряда опор в виде вертикальных стенок (контрфорсов), промежутки между которыми перекрыты плоскими, арочными или купольными конструкциями, принимающими на себя давление воды и передающими его через контрфорсы на основание.
Устойчивость таких плотин обеспечивается сопротивлением сдвигу опор-контрфорсов. Они бывают двух типов: массивн ы е, обладающие сравнительно невысоким сопротивлением сдвигу, и тонкие бетонные или железобетонные стенки, опирающиеся либо заанкеренные непосредственно в прочные скальные породы.
Плоские перекрытия контрфорсных плотин перекрывают сравнительно небольшие пролеты между контрфорсами (5— 15 м) и наклонные под углом 45—60° к горизонту.
Многоарочные или купольные контрфорсные плотины состоят из ряда криволинейных в плане сводов, опирающихся на контрфорсы. Плотины такого типа позволяют создавать напоры до 40—45 м и увеличивать расстояния между контрфорсами до 30—50 м, но они надежны только при прочных скальных основаниях.
Контрфорсные плотины намного экономичнее гравитационных: на их возведение при одном и том же напоре затрачивается в 1,5—4 раза меньше бетона.
