Земляные плотины

Земляная плотина

ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ, искусственные гидротехнические сооружения на водных потоках или оврагах, ограничивающие сток воды и вследствие этого вызывающие поднятие уровня воды перед сооружением. Плотины устраиваются для регулирования стока с целью водоснабжения, а также для сельскохозяйственных и промышленных целей.

По цели устройства земляные плотины разделяются на водоудержательные, служащие для магазинирования (скопления) воды, и водоподъемные - для создания определенного подпора воды в водотоке. По способу стока воды земляные плотины разделяются на: а) глухие - когда плотина не имеет выпуска воды и вода не идет через гребень; б) водосливные - когда вода идет через гребень без вреда для сооружения или когда в теле плотины или в берегах образуемого ею водохранилища имеются отверстия, сбрасывающие излишки воды; в) водоспускные - когда излишек воды или вся вода водохранилища м. б. спущена из него при помощи различных систем водоспусков, устроенных как в теле земляные плотины, так и в берегах водохранилища и снабженных затворами.

Глухая земляная плотина устраивается в том случае, если водохранилище, образуемое плотиной, способно вместить всю поступающую в него воду. Водосливная земляная плотина устраивается в том случае, если суммарный приток воды в водохранилище превышает его объем, причем через водослив спускается излишек воды. Водоспускная земляная плотина устраивается, если по соображениям технического или хозяйственного порядка из образованного ею водохранилища нужно спускать не только избыточную воду, но и весь полезный запас ее. Как общее правило, земляные плотины устраиваются в тех случаях, когда для выпуска излишних вод и полезных попусков воды из водохранилища требуются отверстия незначительного размера и в небольшом числе.

Материалом для земляных плотин служат всякого рода грунты, имеющиеся вблизи работ. Лучшим земляным материалом является лёсс. Песчано-глинистые грунты с меньшим содержанием песка, или содержащие мелкий, пылеобразный песок, для возведения земляных плотин, особенно больших, непригодны. Б. или м. нормальным составом земли для устройства земляных плотин является состав из 1 ч. глины и 2 ч. крупного песка. Чистые глины и чистые пески для земляных плотин менее пригодны, хотя примеры построек из них имеются. Для уменьшения возможности повреждения земляных плотин животными (суслики, кроты, мыши и т. п.) не следует для тела плотины, особенно для замка и ядра, брать породы, в которых грызуны охотно устраивают норы.

Земляная плотина представляет тело призматического вида, с поперечным трапецеидальным сечением. Основные элементы земляной плотины: гребень плотины - верхняя площадка; откосы плотины - плоскости, ограничивающие тело плотины с низовой (сухой) и с верховой (водной) сторон; высота плотины - средняя высота насыпи; бровка - линия пересечения плоскости откоса с гребнем; длина плотины - длина гребня по оси плотины; ширина плотины - ширина гребня.

Земляные плотины строятся различной длины, в зависимости от ширины запруживаемого водотока или оврага, и различной высоты, до 30—40 м. В практике заграничного строительства имеется пример земляной плотины высотой 73 м (полунамывная плотина Calaveras в Калифорнии). В практике русского строительства высота большинства земляных плотин не превосходит 20 м; ширина гребня д. б. не меньше 3 м, а если гребень земляной плотины служит проездом, то ширина его делается около 6 м; ширину гребня земляной плотины значительной высоты вычисляют точно по эмпирическим формулам (см. ниже). Гребню плотины, во избежание застоя воды, придают скат от середины к бровкам с уклоном в 1:10. Гребень плотины, во избежание повреждения от перелива воды, располагается на 1,4—2,0 м выше наивысшего горизонта воды перед плотиной (при работе водослива и водоспуска). Кроме того, гребень плотины д. б. выше гребня волны, во избежание переката последней через гребень. Высота максимальной волны, развиваемой в водохранилище, м. б. определена по формуле Стивенсона (Stephenson):

Высота максимальной волны, развиваемой в водохранилище определяется по формуле Стивенсона (Stephenson)

где h - высота максимальной волны в м, а L - наибольшая длина водохранилища в км. Откосы плотины делаются в зависимости от угла естественного откоса грунта, из которого возводится тело земляные плотины. Обычно водный (внутренний) откос, обращенный к воде, делается с уклоном 1:3, а наружный (сухой), обращенный в противоположную сторону, с уклоном 1:1,5 или 1:2. Для предохранения откосов от разрушения или в том случае, если уклон откоса, в целях экономии работ, сделан меньше угла естественного откоса, соответствующего грунту тела плотины, откосы укрепляют. Материалом для укрепления откосов служат: дерн, древесные и растительные (травянистые) посадки, фашины, плетни, дерево, камень, бетон и железобетон.

Рационально устроенная земляная плотина должна удовлетворять следующим условиям: 1) противостоять без смещения тела плотины давлению воды; 2) иметь размеры, при которых просачивающаяся через тело плотины вода не производила бы в нем разрушений или линия депрессии пересекала бы основание плотины, не доходя ~3—4 м до нижней точки низового откоса; 3) не допускать перелива воды через гребень (за исключением плотин с затопляемым гребнем); 4) не допускать разрушения плотины от волнобоя; 5) не допускать порчи тела плотины норами и ходами сусликов, кротов, мышей и т. п.

Первое условие, т. е. прочность на скольжение и опрокидывание под давлением воды, м. б. выполнено приданием основанию плотины достаточной ширины. Английский инженер Бассель определяет эту ширину по формуле:

Ширина основания плотины

где Н - напор воды перед плотиной в м, k - коэффициент безопасности на скольжение, равный 10, у - вес воды в единице объема, σ - вес материала плотины в единице объема, f - коэффициент трения по основанию, равный 1,0. Многолетняя практика, кроме того, выработала для проектирования земляных плотин ряд эмпирических формул; так, Люгер дает для ширины гребня b в метрах формулу:

Ширина гребня плотины

а для ширины основания по низу - L в метрах формулу:

Ширина основания плотины по низу

где Н - напор воды перед плотиной, h - высота плотины, ϕ1 и ϕ2 - углы откосов, верхового и низового, образуемых с основанием. По Траутуайну (Trautwine) (английская формула), ширина гребня определяется из формулы:

Ширина гребня плотины

где b - ширина гребня, а H - напор воды перед плотиной. Понселе принимает b = 0,7H, а Болидер (французская формула) b=H, где H - напор воды перед земляной плотиной. Кроме формул, определяющих ширину земляной плотины из условий статических расчета, необходимо также принять во внимание формулы, определяющие ширину основания в зависимости от физических свойств грунта основания. При проектировании обычно пользуются опытными данными английского инженер Блея (Bligh), который считает, что плотина будет вне опасности от подмыва фильтрационной водой по линии сопряжения с основанием в том случае, если длина фильтрационного пути L ≥ C·H, где Н - напор у сооружения, а С - коэффициент. Для С Блей дает следующие значения, подразделяя их по роду почв дна на четыре класса: а) дно реки сложено из самого тонкого песка и ила (например, Нил), С = 18; б) тонкий, мелкий слюдяной песок (как в реках Гималая или Колорадо в США), С = 15; в) крупнозернистый песок (как в центральной южной Индии), С = 12; г) валуны или булыжники, смешанные с гравием и песком, С= 9—5. Для гравия и гравелистого песка можно принимать С = 9, для голыша и гальки С = 4—6, для глинистых грунтов C=5—9.

Если ширина земляной плотины по низу будет достаточной для данного грунта, т. е. L = C·H, то линия сопряжения тела плотины с основанием будет прямая AD (фиг. 1); если же она будет меньше величины L, полученной по формуле Блея, то необходимо ее удлинить путем устройства одного или нескольких замков (Aghi, ElmF и oprD) или подсыпать добавочную берму.

Земляная плотина

Замки делают в виде земляных выемок трапецеидального сечения по оси плотины, заполненных водонепроницаемым грунтом (глиной). Ширина замка д. б. в среднем не меньше 2—3 м, глубина замка - не меньше 1 м, и замок должен врезаться в материк (в водоупорную породу) не менее чем на 0,5 м. Длина замка делается во всю ширину оврага или водотока, причем замок врезается в берега уступами на 0,5 м выше проектируемого подпертого горизонта воды в водохранилище. Продолжение замка составляет ядро, средней толщиной в 1/3Н (Н - подпор перед плотиной). Верхняя грань ядра делается не ниже высоты подпертого горизонта. Для уменьшения действия фильтрации в теле плотины, особенно в том случае, если под основанием плотины находится песчаный грунт или плывун, устраивают непроницаемые диафрагмы в виде шпунтовых рядов или стенок из кладки и бетона. Шпунтовые ряды и стенки доводят до водонепроницаемого грунта (фиг. 2).

Шпунтовые ряды и стенки доводят до водонепроницаемого грунта

Детальное очертание профиля земляной плотины может быть рационально запроектировано в зависимости от расположения линии фильтрации (депрессионной линии). В хорошо насыпанной плотине (тщательно утрамбованной) линия фильтрации имеет уклон к горизонту в 35°, а в посредственно насыпанной (без тщательной утрамбовки) - в 20° (фиг. 3).

Детальное очертание профиля земляной плотины

Для плотин небольшого напора угол наклона депрессионной линии к горизонту берут в 16—20°, причем она должна пересечь основание плотины не ближе чем в 4,25 м от подошвы нижнего откоса.

В настоящее время все встречающиеся типы земляных плотин могут быть сведены по роду материалов и конструкций к следующим группам: 1) земляные плотины, состоящие из однородного грунта по всему сечению; 2) земляные плотины с центральным ядром, состоящим из водонепроницаемого грунта; 3) земляные плотины, имеющие в своем теле защитную стенку, или диафрагму, из кладки на растворе, из бетона, железа или железобетона; 4)земляные плотины с каменной наброской (смешанные плотины). По способу производства работ земляные плотины бывают: 1) насыпные, 2) намывные (гидравлического наполнения).

Земляные плотины из однородного грунта по всему профилю (чистый тип земляные плотины) распространены в Индии и в СССР. У нас они были построены еще в дореволюционное время, в целях создания водохранилищ для орошения и водоснабжения на юге и юго-востоке. Высота таких плотин доходит до 15 м, ширина гребня - до 8 м; водный откос имеет уклон 1:3 или 1:2 (тройной или двойной), сухой - 1:1,5 (полуторный). Большинство плотин снабжено водосливами и частью деревянными водоспусками. Примером больших земляных плотин, построенных за границей сотни лет тому назад из однородного материала - лёсса, служит земляная плотина водохранилища Куммом (Cummum) в Индии. Поперечный профиль с размерами указан на фиг. 4.

Поперечный профиль земляной плотины с размерами

Из современных земляных плотин того же типа следует указать на плотину Табо (Tabeaud) в Калифорнии. Основание плотины - шиферная коренная порода. Внешний откос до середины защищен водонепроницаемым глинисто-гравелистым грунтом и каменной отсыпкой (фиг. 5).

Земляная плотина Табо (Tabeaud) в Калифорнии

3емляная плотина с ядром из водонепроницаемого грунта (английский способ), возведенным из чистой мятой глины. Ядро хорошо трамбуется в виде стенки с крутыми откосами (6:1). Средняя толщина ядра не менее 0,5h, где h - высота плотины. Гребень ядра возводится выше наивысшего горизонта воды водохранилища. Иногда в ядро плотины, в целях предотвращения повреждений животными, прибавляют золы. Типовой конструкцией этого рода земляных плотин служит плотина Ашти (Ashti) в округе Шолапур в Британской Индии. Ядро плотины состоит из водонепроницаемой черной земли, тщательно уплотненной. Замок состоит из земляного бетона, уложенного слоями в 10 см; размеры и детали профиля видны из фиг. 6.

Земляная плотина Ашти (Ashti) в округе Шолапур в Британской Индии

Земляные плотины с защитной стенкой, или диафрагмой, наиболее распространены в Америке, Индии и Европе; они устраиваются в том случае, если основание плотины на значительную глубину имеет водонепроницаемый грунт. Глиняный замок и ядро, как менее надежные, заменяются в таких земляных плотинах стенкой из каменной кладки на растворе, бетонной, железобетонной и т. п.

Типовым примером применения диафрагмы в земляной плотине является плотина в долине Кротон. В центре тела плотины имеется каменное ядро из бутовой кладки, которое не только предупреждает просачивание, но и работает как подпорная стенка. Размеры и детали даны на фиг. 7.

Земляная плотина в долине Кротон

Как на пример земляной плотины с каменной наброской можно указать на плотину Шисротрид в Германии (фиг. 8, где а - песчаная земля с 15 % глины, б - глина, в - камень, г - гранитная скала).

Земляная плотина с каменной наброской - Шисротрид в Германии

Ядро возведено из песчаной земли, насыпанной слоями в 0,20 м и уплотненной катками. Спереди ядра сделана присыпка из песчаной земли (85% песка и 15% глины) с применением гидравлического раствора в виде порошка или молока в количестве до 20 литров на 1 м3 насыпи. Земля насыпалась слоями в 0,10 м с доведением слоя утрамбовкой до толщины в 0,05 м.

Намывные плотины (плотины гидравлического наполнения), получившие весьма большое распространение в Америке, м. б. отнесены к типу чистых земляных плотин или плотин с центральным земельным ядром; постройка их, однако, в отличие от описанных выше, идет гидравлическим путем, при котором вода служит не только для добывания грунта для земляной плотины, но и для его транспорта. Намывные земляные плотины широко применяются в горных районах с избытком воды, расположенной на значительной высоте над дном долины. Пример намывной земляной плотины представляет плотина Necaxa, построенная в 1909 году в Мексике (фиг. 9).

Намывная земляная плотина Necaxa, построенная в 1909 году в Мексике

Предварительные изыскания для устройства земляной плотины состоят в отыскании наиболее удобного места. Как общее правило, земляные плотины устраиваются в суженном месте балки или долины, ниже расширенной части или ниже слияния нескольких балок, между высокими незатопляемыми берегами, при плотном непроницаемом грунте. Затем по формулам стока выясняют максимальное количество воды, которая может быть задержана плотиной, и определяют тип земляной плотины.

Исследования в пределах водохранилища состоят гл. обр. в выяснении степени непроницаемости водохранилища и его емкости. Обнаруженные водоносные горизонты должны иметь движение к водохранилищу, а не наоборот, и определяются при помощи буровых скважин или шурфов и нивелировки и съемки. Изыскания в пределах земляной плотины состоят гл. обр. в выяснении степени прочности и проницаемости грунта, на котором д. б. основана плотина, а также плотности того пласта или грунта, в который д. б. врезан замок. Разведочное бурение или шурфование производится по всему сечению до предполагаемого подпертого горизонта. Буровые скважины закладываются по оси плотины, на расстоянии друг от друга примерно в 4—8 м, а так же вдоль тальвега. Скважины связываются нивелировкой, имеющей один общий репер с нивелировкой водохранилища.

Производство работ. При устройстве земляной плотины тело плотины, а особенно замок и ядро, насыпаются некомковатым материалом тонкими горизонтальными слоями толщиной 0,1—0,2 м и плотно утрамбовываются. Поэтому устройство плотин конной возкой более всего способствует возведению наиболее плотного земляного тела. В практике заграничного строительства при насыпке плотины употребляют круглые катки весом в 4—5 т для раздавливания комьев, применяют увлажнение и поливку слоев жидким гидравлическим раствором или посыпку сухим порошком гидравлической извести или цемента. Утрамбовку или укатку ведут рубчатыми катками весом 6—10 т. При устройстве плотин, а особенно замка и ядра, полезно рыхлые слои увлажнять. Небольшая прибавка извести или цемента способствует более плотному соединению частиц насыпи, а потому и рекомендуется английскими и французскими строителями. Земляные работы по насыпке земляные плотины производятся гл. обр. в летнее время. Осенью, после осадки земляные плотины, производится окончательная доделка (выравнивание откосов, одерновка и т. п.). При возведении земляной плотины следует предусмотреть осадку; поэтому насыпи следует возводить выше проектной высоты на 10—15%, с таким расчетом, чтобы после осадки гребень земляные плотины по оси представлял собою горизонтальную плоскость.

Для лучшего соединения тела плотины с основанием дерн под основанием плотины снимают, и основание штыкуют на один штык лопаты (25—30 см) или вспахивают плугом, а затем уже засыпают горизонтальными слоями земли до проектного профиля. Штыковку основания иногда заменяют разработкой основания по продольному профилю невысокими уступами (0,2—0,3 м) с наклонными гранями (откосы 1:1,5) между ступенями. Если высота плотины более 8 м и грунт довольно слаб, то, во избежание выпучивания его в стороны от веса плотины, верхний слой грунта должен быть снят на глубину y, определяемую по формуле Ранкина (в м):

Zeml plotina 14

где Н - высота плотины, Δ - вес 1 м3 грунта под основанием плотины (т. е. в выемке), δ - допускаемая нагрузка грунта в кг/м, а

Zeml plotina 15

(ϕ - угол естественного откоса, принимаемый для естественно влажной земли равным 44°, для сухой рассыпчатой - равным 36° и для земли, насыщенной водой, - 23°). Имеющиеся по основанию пни д. б. выкорчеваны, кустарник вырублен, а камни удалены. Дерн, снятый с поверхности основания, складывают ниже земляной плотины и в случае необходимости употребляют для укрепления откосов.

Котлован для замка роют после снятия с основания дерна. Грунт котлована, если он непригоден для насыпи тела плотины, отвозят в сторону, если же он пригоден, то складывают в стороне от основания и в соответствующее время употребляют для насыпки плотины. Вырытый котлован заполняют чистой глиной из резерва; лишь в исключительных случаях глина м. б. заменена жирным суглинком. Забивку замка ведут слоями не более 10 см толщины. Если земля сухая, производят поливку, беря воды из расчета около 30 л на 1 м2 поверхности трамбуемого слоя.

В целях предохранения откосов от повреждения применяют укрепление их дерном, древесными посадками и засевом травами или укрепляют откосы фашинами, хворостом, деревом, камнем, бетоном и железобетоном.

Повреждения земляных плотин. К числу главнейших повреждений новых или отремонтированных земляных плотин относятся: осадка их, оползание откосов и просачивание воды. Осадка земляной плотины влечет за собой опускание гребня и появление трещин в теле плотины. Наиболее опасными являются трещины в местах соединения с берегами. Трещины перед наступлением осенних заморозков раскапывают до основания и заделывают замками, длиной 1,5—2 м и шириной 0,7 м; ниже трещин замок углубляют на 25 см. Замки делают из грунта, одинакового с тем, в котором появились трещины. При опускании гребня делают подсыпку. Сползание откосов, обычно задних, обусловливается действием просачивающейся воды. Небольшие оползания, при незначительном подпоре, останавливают устройством дополнительного замка или подсыпкой земляных отсыпей в виде контрфорсов. Значительные оползания предотвращают устройством дренажа с подсыпкой откоса плотины и устройством дополнительных замков. Просачивание воды через земляные плотины представляет угрозу сооружению в том случае, если просачивающейся водой вымываются частицы грунта. Для устранения просачивания и связанного с этим оползания откоса устраивают вдоль плотины канаву и отводят из нее воду по дну оврага или же увеличивают толщину тела земляной плотины. Повреждения земляной плотины морозами имеют место в случае, если, вследствие ранних морозов, неосевшая плотина сверху замерзает, а внизу грунт продолжает оседать, почему между замерзшим слоем и незамерзшим образуются пустоты (полости). Полости могут заполняться водой и вести к дальнейшему разрушению плотины. Для предотвращения появления пустот следует плотину предохранить каким-либо нетеплопроводным материалом (соломой, навозом, снегом и т. п.). Чаще всего повреждения земляных плотин происходят во время прохода полых вод; чтобы избежать повреждений, перед наступлением паводка расчищают водоспуски, водосливы и отводные каналы, открывают щиты и, организуя наблюдение во время ледохода, предупреждают повреждение льдом стенок водоспускных сооружений.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 8 - 1929 г.