Плотинные водоемы. 
Гидротехнические мелиорации

Грунтовые плотины

Для создания наиболее распространенных типов водоемов, так называемых плотинных водоемов, необходимо возведение плотин. Плотины, возводимые из грунтов как строительного материала, называются грунтовыми. Широкое их распространение как в прошлом, так и в настоящее время объясняется целым рядом достоинств, главным из которых является использование местного материала, добыча которого обходится сравнительно дешево. Такой тип плотин можно применять в большинстве географических районов, что очень актуально для России. Грунт тела плотины не утрачивает своих свойств со временем. Плотины можно возводить практически любой длины и высоты при высоком уровне механизации работ.

Кроме достоинств земляные плотины имеют и недостатки: ограниченные возможности пропуска максимальных расходов через гребень плотины; наличие в теле плотины фильтрационного потока; возможность больших потерь воды на фильтрацию (при высокой водопроницаемости грунтов тела плотины); сложность возведения насыпи при продолжительных низких температурах воздуха; неравномерность осадок как по поперечному, так и продольному профилям плотины; ограничения при подборе грунтов для тела плотины и основания.

По способу производства работ грунтовые плотины можно подразделить на плотины с отсыпкой грунта насухо; с механическим уплотнением грунта; с отсыпкой грунта в воду; намывные с помощью средств гидромеханизации, а также на плотины, возводимые с помощью направленных взрывов.

По конструкции тела и противофильтрационных устройств различают плотины из однородного и неоднородного грунта, с экраном из грунтового и негрунтового материала, с ядром из грунтового материала, с диафрагмой из негрунтового материала.

По противофильтрационным мероприятиям в основании различают плотины с зубом, замком, диафрагмой, со шпунтовой стенкой, с комбинацией шпунтовой стенки с зубом, с инъекционной завесой до водоупора или висячей завесой, с понуром и т. д. (рис. 9.1).

Плотины подразделяются на четыре класса, определяемых в соответствии с действующими СНиПами и зависящих от высоты плотины, вида грунта основания и других показателей (табл. 9.1).

Рис. 9.1. Противофильтрационные устройства в основании грунтовых.

плотин:

а — зуб; б — замок; в — шпунтовая стенка; г — шпунтовая стенка в сочетании с зубом; д — инъекционная завеса, доведенная до водоупора; е — висячая инъекционная завеса; ж — понур в сочетании с экраном От класса плотины зависят и расчетные характеристики, в частности максимальные расходы (табл. 9.2).

Одним из основных мероприятий является выбор створа плотины. На его положение влияют топографические условия, определяющие высоту и длину плотины. Большую роль играют инженерно-геологические и инженерно-гидрогеологические условия, определяющие прочностные характеристики грунтов и их водо;

Таблица 9.1.

Классы сооружений плотин из грунтовых материалов

Таблица 9.2.

Ежегодная вероятность превышения расчетных максимальных расходов воды в зависимости от класса сооружения (по СНиП 2.06.01−86).

проницаемость. Гидрологические изыскания определяют объем воды и расчетные расходы. В процессе изысканий намечают несколько створов, из которых выбирают один (при ограниченных водных ресурсах) на основе технико-экономического сравнения вариантов. Результаты изысканий оформляют в виде чертежей с пояснительной запиской (рис. 9.2).

В водоемах, создаваемых с помощью грунтовых плотин, различают три уровня поверхности воды: самый верхний форсированный подпорный уровень (ФПУ), нормальный подпорный уровень (НПУ) и уровень мертвого объема (УМО).

Поперечное сечение грунтовой плотины представляет собой трапецию, большая сторона которой (нижняя) называется подошвой, а меньшая (верхняя) — гребнем (рис. 9.3).

Характеристика грунтов тела плотины и основания имеет большое значение. Для тела плотины можно использовать практически все виды грунтов, за исключением грунтов, содержащих водорастворимые включения солей (хлоридных или сульфатно-хлоридных) в количестве более 5% или сульфатных более 2% массы. Нельзя также использовать грунты, содержащие не полностью разложившиеся органические вещества в количестве более 8% массы.

При оценке грунтов основания необходимо обращать внимание на наличие суффозионных грунтов, а также на появление избыточного порового давления при консолидации грунта. При залегании иловатых грунтов необходимо предусмотреть дренирование основания, снижение темпов строительства и ограничение высоты плотины. Торф допускается оставлять в основании со степенью разложения не менее 50%, но с учетом его осадки. Грунты с наличием корневых систем растений и гумусированных почв, а также имеющие ходы землероев, рекомендуется удалять.

Противофильтрационные устройства выполняют из маловодопроницаемых грунтов, к которым относятся глины, суглинки, глинобетон и др. Для этих же целей можно использовать бетон, асфальт, резиновые и полимерные пленки и другие материалы. Торф для создания противофильтрационных устройств применяют для экранов и понуров при степени разложения не менее 50%.

сл

го

Рис. У.2. I рафические материалы изыскании (по И. М. Шармановскому):

а — водосборная площадь; б — план проектируемого пруда; в — геологический профиль по створу плотины; г — колонка буровой скважины Nq 1; д — условные обозначения грунтов; е — компрессионная кривая.

Рис. 9.3. Поперечное сечение грунтовой плотины:

1 — верховой откос; 2 — берма верхового откоса; 3 — упор крепления; 4 — крепление верхового откоса; 5 — гребень плотины; 6 — тело плотины; 7— низовой откос; 8 — берма низового откоса; 9 — крепление низового откоса; 10 — дренажная призма; 11 — естественная поверхность грунта; /2— основание плотины; 13 — замок; 14 — водопроницаемое основание плотины; 15 — водонепроницаемое основание плотины; Н" — высота платины; — ширина гребня;

Ььр — ширина бермы На откосы грунтовых плотин воздействуют волны, параметры которых необходимо знать для определения высоты плотины. При расчетах используют высоту наката волны на откос, для чего необходимо знать высоту волны А, ее длину X и период повторяемости т. Расчет высоты наката производят по формулам и графикам, приведенном в справочной литературе.

Помимо высоты наката определяют высоту ветрового нагона волны на откос по формуле.

где W — скорость ветра заданной вероятности превышения, м/с; D — длина разгона волны, м; g — ускорение силы тяжести, м/с²; Н — средняя глубина воды в зоне ветрового нагона, м; а_в — угол между продольной осью водоема и направлением ветра,.

При определении конструктивных элементов плотины, в первую очередь, обращают внимание на максимальную высоту плотины и ширину гребня. Гребень, как правило, используется для прохода и проезда. В этом случае ширина гребня определяется категорией дороги, которая по нему проходит (но не менее 5 м). При отсутствии проезда ширину гребня принимают равной не менее 3 м.

При определении отметки гребня плотины из условия недопустимости перелива воды превышение d над расчетным форсированным уровнем принятой вероятности превышения максимального расхода и трансформирующей ролью водоема определяют по формуле.

d = h_H + Ah + а, где h" — величина наката волны на мокрый откос, м; Ah — величина ветрового нагона волны, м; а — конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0,5 м или 0,1Л_1% (высоты волны, м, с вероятностью превышения 1%).

Мокрый откос плотины, подверженный воздействию волн, обычно закрепляют различными прочными материалами. На больших плотинах и водоемах часто применяют бетонные и железобетонные плиты, толщину 6_m, м, которых можно определить по формуле.

где т| — коэффициент, равный 1 для монолитных плит и 1,1 — для сборных плит; р₀ — плотность воды, т/м³; р_[1Л — плотность бетонной плиты, т/м³; А. — длина волны, м; Р — длина плиты, м; т — коэффициент заложения откоса.

При проектировании плотин для создания ландшафтных водоемов мокрый откос закрепляют, как правило, природными материалами. В этом случае расчет толщины бетонной плиты может служить ориентиром для подбора крепления иного типа.