Деревянные плотины

Деревянные плотины

ДЕРЕВЯННЫЕ ПЛОТИНЫ, искусственные сооружения из дерева, преграждающие течение воды для различных технических целей; получили особое распространение на севере, где лес дешев и имеется в изобилии. Значительное количество деревянных плотин находится на Тихвинской и Мариинской системах. Сельское плотиностроение центральных, северных, западных, а иногда и восточных округов РСФСР также имеет огромное число примеров деревянных плотин. Большое преимущество их заключается, помимо дешевизны, также и в быстроте их возведения. Указанные выше плотины относятся к категории разборчатых, т. е. освобождающих весной сечение реки в месте устройства сооружения. В СССР наибольший подпор деревянных плотин - 3,80 м (Тихвинская система) и 3,20 м (Мариинская система). Надводные части плотины, не соприкасающиеся с водой, сохраняются 15—20 лет; части сооружения, подверженные переменному действию воды и воздуха, служат 8—10 лет. Деревянные части, постоянно находящиеся в воде, вовсе не подвержены порче; однако, шпунтовые ряды с течением времени подтачиваются водой, фильтрующейся под флютбетом, что установлено обследованием состояния сооружений Мариинской системы при их переустройстве. Сохранность деревянных плотин сильно зависит от качества леса, идущего на их возведение. Все надводные части должны быть выполнены обязательно из сосны, подводные части м. б. сделаны из ели.

Имеются 2 типа деревянных плотин: 1) деревянные плотины с постоянными стойками, 2) деревянные плотины со съемными стойками. Стойки служат промежуточными опорами для щитов при наличии также постоянных массивных опор - быков, расположенных на расстоянии 8,5—12,5 м одна от другой. Схема сооружения видна на фиг. 1, где Г - основание плотины (флютбет), А - береговые устои и Б - промежуточный массивный бык (быков может быть несколько, а может и вовсе не быть, в зависимости от величины отверстия плотины).

Деревянные плотины со съемными стойками

Отверстие между массивными опорами подразделяется на части постоянными или съемными более легкими опорами Е. Полученные т. о. пролеты закрываются съемными затворами. Через плотину устраивается мост переходной или проезжий и служебный мост В. Применение плотины со съемными промежуточными опорами (стойками) имеет место: 1) если в пролетах плотины по весенней воде имеется судоходство; 2) если условия ледохода таковы, что оставленным на месте стойкам угрожает их повреждение; 3) если до поднятия весной подпора производится сплав леса через плотину; 4) если весенние воды затопляют плотину.

Флютбет плотин состоит из 3 частей: понура, водобоя и слива; ниже слива устраивается каменная рисберма (фиг. 2).

Каменная рисберма

Понур имеет назначение удлинить путь фильтрации воды под плотиной, а также укрепить подход к сооружению, устранив опасность его подмыва от больших донных скоростей в паводок. Удлинением пути фильтрации воды под сооружением достигается необходимая потеря напора фильтрационной воды, давящей также на флютбет снизу вверх. Водобой выдерживает давление воды снизу флютбета, а также работает при движении по нему воды, падающей сверху на флютбет из верхнего бьефа в нижний. Понур и водобой заключаются между шпунтовыми линиями А, Б, В. Слив заканчивается или шпунтовой линией или же рядом часто забитых свай. Перед понуром делается глиняная отсыпь с мощением поверху в целях удлинения пути фильтрации, а ниже слива устраивается каменная рисберма для предохранения дна реки от размыва. Так как слив по своей конструкции водопроницаем, то полная потеря напора фильтрационной воды под сооружением должна произойти до шпунта В, соответственно чему путь фильтрации следует принимать от (е) до (к). Соотношения между подпором и размерами частей флютбета берутся по нормам, установленным практикой и до настоящего времени не подвергнутым обоснованным видоизменениям и пересмотру: АБ берется от Н до 2Н; БВ - от ЗН до 5Н; ВГ - от 6Н до 7Н, где Н - подпор. В этих соотношениях большее значение величин АБ, БВ и ВГ принимается для грунтов водопроницаемых. Обычно понурная часть делается около 1,5Н, а водобойная в 1,5—2 раза длинней понурной. Флютбеты делаются свайные, ряжевые и смешанной конструкции. Свайные флютбеты (фиг. 3) устраиваются на грунтах, которые допускают забивку свай, при подпорах не более 2 м и при возвышении свайного флютбета над дном реки не более 1 м.

Свайные флютбеты

При больших возвышениях флютбета и больших подпорах сваи изгибаются и шпунты расстраиваются. Ряжевые флютбеты (фиг. 4) устраиваются на основании, не допускающем забивки свай. Смешанные конструкции флютбета делаются в случаях, когда основание допускает забивку свай, но флютбет возвышается над дном реки более чем на 1 м и подпоры - более 2 м.

Ряжевые флютбеты

Шпунты делят на брусчатые и дощатые. К первым принадлежат: непрерывный понурный шпунт и королевой шпунт; ко вторым - продольный дощатый шпунт, забиваемый в конце водобойной части; этот шпунт под устой не проходит. В конце слива устраивается четвертый продольный дощатый шпунт, иногда сплошной (что предпочтительнее), иногда с заменой в пролетных частях рядом свай, забитых частоком. Глубина забивки шпунта зависит от степени водонепроницаемости грунта и от сопротивления грунта забивке свай. В существующих деревянных плотинах глубина забивки колеблется в пределах от 1 до 3,2 м; при высоких флютбетах она не менее 2 м. Пространство между шпунтами свайного флютбета заполняется круглыми сваями, забитыми на глубину, отвечающую потребному по расчету отказу. По сваям, забитым в пролетных частях на расстоянии 1,5—2 м центр от центра, располагается ростверк, по которому настилаются полы. Толщина свай 22 см.

В понурной части по прогонам настилается двойной пол из досок толщиной 63 мм со швами в перевязку, с проконопаткой смоленой паклей и заливкой варом (пиком). На королевой шпунт кладется пазом на войлоке король, или т. н. фахбаум. На гребни шпунтовых линий одеваются шапки, в которых отсутствует соответствующий паз. Шапки кладутся на просмоленном войлоке; они вытесываются из бревен толщиной 25—30 см. Король делается составным из 2 брусьев, вытесанных из бревен толщиной 35—40 см. Брусья соединяются между собой в шпунт с прокладкой смоленого войлока и через 1 м связываются взаимно болтами толщиной 2—2,5 см с гайками или же специально изготовляемыми шурупами толщиной 25—38 мм. Обычно король составляется из цельных брусьев во весь пролет плотины между массивными опорами; концами своими на 0,5—0,7 м король входит в нарубку этих опор. При отсутствии толстого леса шапки и короли делают составными; при этом шапки сращивают в шпунт, с прокладкой просмоленного войлока; брусья короля - прямым или косым зубом с замком. Пол водобоя делают таким же, как и пол понура, или же верхний ряд настилается из пластин, а нижний из досок. Соединение пластин - в четверть, с проконопаткой и заливкой пиком. Сливной пол устраивается или из пластин, прифугованных друг к другу впритык и прибитых корабельными гвоздями длиной 18 см, или же из бревен толщиной 13—18 см с притеской друг к другу и прибивкой заершенными болтами длиной 26—30 см и толщиной 2 см. До высоты полов понур загружается глиной с тщательной утрамбовкой; водобой - смесью глины пополам с чурой (хрящ). Слив загружается камнем. Уклон понурного пола делается от 1:6 до 1:8 и сливного - от 1:8 до 1:12.

Смешанный флютбет, или свайный, с подпольной ряжевой нарубкой принят в плотинах Тихвинской системы. Понурный шпунт повышен, королевой шпунт срезан у дна реки. На его гребень надет ряд брусьев, соединенных в шпунт и положенных друг на друга на просмоленном войлоке. На верхний шпунтовый брус одет королевой брус. Пересечение ряжей делают обыкновенной врубкой, углы и пересечения с наружной стеной устраивают в лапу с запотемками. Заполнение ряжевых ящиков загрузкой производится так же, как и заполнение соответственных частей флютбета в свайном типе. Конструкция ряжевого флютбета ясна из фиг. 4.

Береговые устои. Ряжевая нарубка устоя имеет своим основанием сваи, забитые в грунт. Под устой проходит королевая брусчатая шпунтовая линия. В случае ряжевого основания нарубка устоя делается на подпольной нарубке, описанной выше. Надпольная часть устоя для всех типов флютбета устраивается одинаковой. Крылья устоя делаются на пороге, причем они должны входить в коренной берег. При высоте устоя от пола до 4,25 м крылья достаточно делать шириной в 2 ящика, при большей высоте - в 3 ящика. Свыше 6,4 м ряжевых устоев не делают. В существующих типах устоев плотин Мариинской и Тихвинской систем, при высоте их до 6,4 м, условия устойчивости устоя на сдвиг и опрокидывание удовлетворяются при ширине устоя понизу, равной высоте. Кверху ширина устоя может убывать до ширины 1—2 ряжевых ящиков. Над королевым шпунтом, проходящим под устой, ряжевая стенка выполняется из шпунтовых бревен, положенных на просмоленный войлок. Шпунтовая стенка выводится на 40—45 см выше подпорного горизонта. В понурной части, где пол устраивается наклонным, внутренняя ряжевая нарубка делается уступами. К лицевой стене устоя над королем укрепляется т. н. коренная стойка для упора щитовых затворов. Коренная стойка врезается в нарубку и прикрепляется к ней без паза. В целях облегчения сечения стойки применяют подкос, упирающийся верхним концом в стойку, а нижним - в брус водобойного пола. Коренная стойка соединяется с королем шипом. Ряжевые ящики и пазухи устоев загружаются землей, вынутой из котлована при постройке ряжа. Необходима тщательная утрамбовка. Нельзя загружать ряжевых ящиков глиной во избежание расстройства врубок при замерзании глины зимой. Наилучший грунт - песчано-глинистый с содержанием глины до 25%. Передняя и задняя стенки устоя обсыпаются землею в виде конуса, который замащивается камнем в плетневых клетках или же двойным рядом камня на мху. Откосы конусов - от 1:1,5 до 1:2, в зависимости от рода грунта. Для сильно песчаных грунтов приходится брать еще более пологие откосы - до 1:3. Подошва конуса д. б. укреплена каменной наброской или же фашинной кладкой. Фашинная стенка возвышается над горизонтом воды нижнего бьефа на толщину не менее одного пучка, т. е. 30 см. В случае легко размываемых грунтов фашинная стенка укладывается на фашинный тюфяк.

Промежуточные опоры устраивают ряжевые (массивные), стоечные простые и стоечные контрфорсные. Пролет между ряжевыми быками делают не свыше 12,75 м. Расстояние менаду стойками берут в зависимости от типа затвора, но не более 1,8 м. Толщина ряжевого быка делается не менее, чем в два ряжевых ящика (5s 3,2 м). Длина быка равна длине плотины от понурной до сливной части. Водобойный шпунт при этом под быками не прерывается. Над королевой линией устраивают, как и в устоях, шпунтовый простенок. Нижнюю часть быка до уровня полов загружают таким же материалом, как и соответствующие части флютбета. Ящики быков выше пола загружают так же, как устои; в сливной части ящики быков загружают камнем. Стоечные опоры устраивают 2 родов: простые и контрфорсные (усиленные). Простые опоры являются упором для затворов плотины; усилен, опоры, кроме того, поддерживают балки переходного моста, подразделяя пролет между быками на более мелкие пролеты для уменьшения сечения этих перекрывающих балок. Простую стойку делают, в зависимости от воспринимаемого ею давления, или составной из двух брусьев или же из одного бруса с доской, направляющей затворы. Составные части стоек соединяют болтами. Нижний конец стойки укрепляют шипом в король и в упор. Последний соединяется зубьями с упорным брусом. Упорный брус укладывают по ростверку водобойного пола. Упор прибивают к упорному брусу заершенными болтами. Верхний конец стойки упирается в балку переходного моста и связывается с этой балкой и такой же, лежащей впереди, винтовым болтом.

Подкос стойки плотины

Для уменьшения сечения стойки, если это требуется по недостатку толстого леса или же по величине подпора, устраивают подкосы (фиг. 5), врубаемые одним концом в подножную стойку и другим - в упорный брус. При больших подпорах или нагрузках усиленная стойка имеет вид, изображенный на фиг. 6.

Вид стойка плотины при больших подпорах или нагрузках

Затворы устраивают шандорные или щитовые. Шандоры - брусья, накладываемые друг на друга по высоте и своими концами входящие в пазы стоек (фиг. 7).

Шандоры

Каждый брус имеет два крюка, входящих в особые гнезда, выбранные в брусьях. Шандоры применяются в деревянных плотинах при пролетах до 4 м и подпорах до 2 м. Наиболее распространенные затворы - щитовые, состоящие из отдельных щитов, имеющих длину до 1,6 м и высоту до 1 м. Доски щита соединены в четверть и связаны двумя шпонками (фиг. 8).

Доски щита соединены в четверть и связаны двумя шпонками

Толщина досок берется по расчету не более 7—10 см; четверти в стойках делаются около 5 см, что требует подтески толстых досок у опор. Переходный мост устраивается иногда проезжим; при этом его ширина доходит до ширины водобойной части (обычно до 4 м); пешеходный же мост, при отсутствии проезжего, делается над водобойной частью плотины и берется шириной не более 3 м. Над понурной частью плотины непосредственно выше короля (по течению) устраивается служебный мостик для удобства маневрирования затворами плотины. Для подъема и опускания щитов пользуются воротом. Катучий ворот называется «бараном». Для ограждения плотины от ледохода устраиваются или кусты свай или ледорезы, располагаемые т. о., чтобы лед в пролеты направлялся уже в размельченном состоянии, не опасном для стоек.

Расчет частей деревянных плотин. Давление воды (фиг. 9). Пусть вес 1 м3 воды - А кг, длина стойки от фахбаума до середины переходного бруса - I, расстояние между осями стоек - а.

Расчет частей деревянных плотин - давление воды

Тогда давление воды на стойку на протяжении х равно

Derev plotiny 10

Давление воды на стойку со стороны напора:

Derev plotiny 11

а со стороны нижнего бьефа

Derev plotiny 12

Полное давление воды на стойку, выражающееся площадкой ABCD (фиг. 10), равно

Derev plotiny 13

Derev plotiny 14

а точка приложения равнодействующей давления воды Р отстоит от низа стойки на

Derev plotiny 15

что вытекает из равенства статических моментов относительно оси CD:

Derev plotiny 16

После подстановки имеем:

Derev plotiny 17

а после упрощений

Derev plotiny 18

Когда подпора снизу нет, имеем:

Derev plotiny 19

при у = H/3.

Стойки без подкоса (фиг. 11).

Стойки без подкоса

Уравнение моментов сил, действующих на стойку, взятых относительно точки А, имеет вид:

Derev plotiny 21

откуда реакция

Derev plotiny 22

или (см. выше)

Derev plotiny 23

Очевидно,

Derev plotiny 24

Изгибающий момент в сечении х—х

Derev plotiny 25

где

Derev plotiny 26

Мmах найдем для х из условия

Derev plotiny 27

или

Derev plotiny 28

откуда

Derev plotiny 29

Подставив вместо р и R их значения, найдем x, а по x находим Мmах.

Стойки с подкосами. Назовем (у) расстояние до фахбаума от точки приложения равнодействующей давления воды на стойку; I' - расстояние середины верхнего сечения подкоса до фахбаума. Рассмотрим три случая:

Derev plotiny 30

Чтобы выполнить свое назначение, подкос должен обладать большой жесткостью, трудно достижимой при наличии деревянных врубок. Поэтому расчет подкоса ведется при самых невыгодных предположениях о его нагрузке.

1) l' < у (фиг. 12).

Derev plotiny 31

На голову подкоса А действуют следующие нагрузки: половина давления воды АВВ'А', равная Derev plotiny 32 и приходящаяся на точку А часть давления воды ADEA', равная Derev plotiny 33

Derev plot 11111

Расчетное давление воды на голову подкоса А (фиг. 13) равно:

Расчетное давление воды на голову подкоса

Вертикальная составляющая этого давления

Derev plotiny 36

а составляющая, сжимающая подкос,

Derev plotiny 37

где α - угол наклона подкоса к вертикали. Усилие может оказаться приложенным не по оси подкоса. Примем крайним положением усилия Т линию АС (фиг. 14).

Derev plotiny 38

Кроме сжатия, подкос, подвержен еще и изгибу с моментом

Derev plotiny 39

Наибольшее напряжение в подкосе равно

Derev plotiny 40

где w - площадь поперечного сечения подкоса и W момент сопротивления этого сечения. Рассчитанный т. о. подкос будет достаточно жестким; поэтому можно считать опоры А и В (фиг. 12) неподвижными и определять давление стойки на прогон моста в точке D как реакцию неразрезной балки BAD на трех опорах, нагруженной давлением воды. Сечение стойки следует определять по наибольшему изгибающему моменту. Чтобы избежать сложного расчета, без ущерба для дела, можно давление на прогон в точке D и сечение стойки найти из расчета балки АВ на двух опорах, нагруженной соответственной частью давления воды.

2) l' > у (фиг. 15).

Derev plotiny 41

В этом случае систему ВВСС можно рассматривать как двойную балку на 2 опорах, нагруженную равнодействующей давления воды на стойку:

Derev plotiny 42

Давление воды на голову подкоса в В:

Derev plotiny 43

давление, передаваемое низом стойки:

Derev plotiny 44

Затем определяется наибольший изгибающий момент. Полученное в дальнейшем сечение стойки сравнивается с расчетным сечением подкоса и выбирается большее.

3) l' = у (фиг. 16).

Derev plotiny 45

Подкос рассчитывается на действие сил в предположении, что на голову подкоса В действует равнодействующая давления воды на стойку

Derev plotiny 46

В дальнейшем стойка рассчитывается как неразрезная балка на трех опорах A, В и С (обозначения те же).

Контрфорсные стойки. Контрфорсная стойка воспринимает давление воды непосредственно от одного пролета и через посредство прогонов давление воды смежных пролетов.

Derev plotiny 47

Derev plotiny 48

Давление воды, передаваемое одной стойкой прогону моста,

Derev plotiny 49

Для случая, изображенного на фиг. 17 и 18, когда число пролетов между контрфорсными стойками n = 3, давление, передаваемое голове контрфорсной стойки в А, равно:

Derev plotiny 50

Давление ∑R передается в данном случае 3 узлами: С, D, Е. На каждый узел примем горизонтальное усилие

Derev plotiny 51

Сжимающее подкос усилие

Derev plotiny 52

где α - угол наклона подкоса к стойке. На стойки действуют силы S'1, S'2 и S'3 от веса переходного моста и временной на него нагрузки. Наибольший момент, изгибающий переднюю часть контрфорсной стойки АВ, найдется по формулам для Мх и х, приведенным выше; эта часть стойки рассчитывается как двойная балка с моментом сопротивления, равным сумме моментов сопротивления составных ее частей. При расчете подкосов вводится момент, получающийся от внецентренности приложения силы Т, равный

Derev plotiny 53

где b - ширина сечения подкоса.

Коренная стойка, т. е. стойка у стен массивных опор. В этом случае расчетное давление воды соответствует половине пролета между стойками, т. е.

Derev plotiny 54

В остальном расчет ведется так же, как изложено выше.

Прогон переходного моста, поддерживающий стойки, подвержен действию горизонтальных сил, передающихся верхними концами стоек, и вертикальных сил, передающихся от настила моста. Расчет сечения ведется по формулам косого изгиба.

Прочные размеры прогона м. б. уменьшены передачей части горизонтальных усилий на все прогоны переходного моста при помощи n поперечин с уменьшением действующей на прогон горизонтальной силы в n раз.

Плотины со съемными промежуточными опорами требуют большего времени для разборки и сборки по сравнению с плотинами, имеющими постоянные стойки. Зато в первом случае ледоход вовсе не повреждает пролетные части. Сплав дров вполне допустим через отверстие плотины, однако сплав бревен не должен иметь места, во избежание серьезных повреждений плотины. Флютбеты таких плотин устраиваются аналогично описанному выше. Для упора нижних концов съемных стоек к королю прибивается порог. Для удобства установки стоек на место, перед порогом плотины по полу понура устраиваются направляющие треугольники, состоящие из брусчатой рамы высотой, равной высоте порога. Рама прибивается к королю и полу корабельными гвоздями. В брусьях рамы с внутренней стороны вынимаются четверти, к которым прибивается дощатая обшивка в один ряд досок толщиной 3,8—5,0 см. Швы между досками проконопачиваются и заливаются пиком. Промежуточные стойки, в зависимости от подпора, делаются из 1 или 2 брусьев, с выемкой в брусьях пазов для закладки щитов. Для наибольшего использования материала и получения стоек меньшего веса, бревна для стоек обрабатываются с обливинами. Нижним концом стойки входят в промежутки между смежными направляющими треугольниками и упираются в порог плотины, а верхним концом упираются в прогон переходного моста (фиг. 19).

Derev plotiny 55

Стойки опускаются на место и вытаскиваются с переходного моста при помощи передвижных воротов. Для привязывания к стойкам снастей при маневрировании ими служат крючья, ввинченные в концы стоек. Примером плотины со съемными стойками может служить Херсонская плотина на реке Тихвинке.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.