Изначально плотины строились в Месопотамии и на Ближнем Востоке для регулирования уровня воды, поскольку погода в Месопотамии могла быть довольно непредсказуемой.
Самая ранняя известная дамба находилась в Иордании, в 100 километрах к северо-востоку от Аммана, столицы Иордании, и была построена 5000 лет назад. Дамба была гравитационной 4.5 м в высоту и 1 м в ширину и представляла собой каменную стену, поддерживаемую земляным крепостным валом 50 м шириной.
Древнеегипетская дамба Sadd-el-Kafara были 102 м в длину и 87 м в ширину. Датируертся она XXVIII — XXVI веком до н.э. Её использовали для борьбы с наводнениями, но она была разрушена проливным дождем во время строительства или вскоре после этого. В конце третьего столетия до н.э. была сооружена запутанная система управления водными ресурсами в пределах Dholavira на территории современной Индии. Система включала 16 небольших водохранилищ, дамб и различные каналов для сбора и сохранения воды.
Римские инженеры для строительства плотин использовали каменную кладку. Кроме того, они показали высокую степень изобретательности, вводя значительное количество инноваций при строительстве крупных искуственных водоёмов, предназначенных для водоснабжения поселений даже в засуху. Они использовали водонепроницаемые растворы и так называемый римский бетон, что предоставляло возможность строить большие плотины, например, плотина в Хомсе (Сирия) крупнейшая на тот момент и используемая по сей день. Самой высокой плотиной до 1305 года являлась построенная римлянами 50-метровая дамба около Рима.
ПОСМОТРИТЕ, ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА ОТКРЫВАЕТСЯ ОГРОМНАЯ ПЛОТИНА!
Римская плотина в Испании.
Римляне построили Банд-э Кайсар, комплекс античных ирригационных сооружений с арочным мостом и дамбой, который предназначен для водоснабжения города Шуштар в юго-западном Иране (провинция Хузестан). Этот мост-дамба был возведён на реке Карун, самой полноводной в Иране и являлся центральным звеном в оросительно-ирригационной системе Шуштара, обеспечивавшей процветание сельскохозяйственного региона вокруг этого города.
Длина всего сооружения составляет около 500 метров. Количество арок моста — не менее сорока, ширина арок — между 6,6 метра и 9 метрами. Арки разделены прямоугольными столбами, укреплёнными в основаниях из песчаника. При сооружении дамбы река Карун была римлянами отведена в сторону, и работы производились по сухому дну. Дополнительным доказательством римского происхождения этого сооружения является тот факт, что мост мост-дамба сложен из местного материала, скреплённого при помощи извёстки и железных скоб, используемых римскими строителями и совершенно неизвестных тогда в Персии.
В 2009 году сохранившиеся остатки исторической ирригационной системы Банд-э Кайсар были внесены в список Всемирного наследия ЮНЕСКО в Иране.
Строительство самой высокой плотины Турции
Плотина Kallanai, в Южной Индии, построена из грубого камня. Длина — 300 м, высота — 4.5 м, ширина — 20 м.
XIX век.
Сооружения относят ко 2-ому столетию нашей эры. Дамбу считают одной из самой старых плотин, находящихся все еще в эксплуатации.
Основная цель заключалась в отводе воды из реки Kaveri для ирригации.
Du Jiang Yan — самая старая сохранившаяся ирригационная система в Китае, которая включала дамбу, направлявшая поток воды.
Её строительство закончилось в 251 до н.э., большая глиняная дамба затопила долину в современной северной провинции Аньхой, которая создала огромный ирригационное водохранилище 100 км в диаметре, которое все еще существует.
В Иране дамбы-моста, такие как Банд-э Кайсар, использовались для привода водяных колеса. В городе Дезфуль, на западе Ирана, был построен механизм, способный поднять воду на высоту 50 локтей для водоснабжения зданий в городе.
В Нидерландах, низменной стране, дамбы часто применялись, чтобы регулировать уровень воды и препятствовать тому, чтобы морская вода попадала на заболоченные территории. Такие дамбы часто становились местом создания поселения, потому что по плотине было легче всего пересечь реку. Например голландская столица Амстердам (старое название Amstelredam) началась с дамбы через реку Амстель в конце 12-ого столетия, и Роттердам начался с дамбы через реку Ротт. Центральная площадь Амстердама все еще носит имя Dam Square или просто Dam.
Часть площади Dam в Амстердаме на карте XVI века.
На примере голландских городов можно сказать, что плотины стали градообразующими сооружениями.
В 1832 французский инженер Бенуа Фурнеирон (Benoît Fourneyron) создал первую успешную водную турбину. Эра больших плотин началсь после окончания строительства плотины Гувера около Лас Вегаса в 1936. К 1997 было приблизительно 800 000 дамб во всем мире, приблизительно 40 000 из них более чем 15 м в высоту.
Источник: rushydro.livejournal.com
Развитие плотиностроения от древности до наших дней
Необходимость приводимых ниже сведений об истории плоти- ностроения и о конструкциях древних гидротехнических сооружений представляются важными автору по двум основным причинам. Первая причина заключается в демонстрации многовекового опыта эксплуатации плотин и их жизненно важной роли в развитии и существовании цивилизаций. Анализируя соответствующий исторический материал, можно убедиться, что ряд инженерных вопросов осознавался человечеством на протяжении тысячи лет, чтобы в настоящее время плотины могли эффективно предотвращать негативные последствия наводнений, улучшать орошение, создавать напор воды для выработки электроэнергии.
Вторая причина состоит в провокации интереса у студентов к нахождению отличий между конструкциями древних плотин и современных сооружений. Такое сопоставление может способствовать анализу уже современных конструктивных решений, а также анализу изменений, которые произошли в области технологий строительства и применяемых для строительства материалов.
Как будет показано ниже, древние плотины были невысокими (5—20 м) и «распластанными». К настоящему времени гидротехники способны возводить очень высокие и тонкие, а следовательно, конструктивно сложные плотины. Так, высота отдельных плотин достигает более 300 м. Принимая во внимание тысячелетнюю историю плотиностроения, тенденцию усложнения конструкций плотин и технологий строительства, можно уверенно предположить, что гидротехническая наука будет продолжать развиваться.
Конструкции древних плотин
Жизнь без воды невозможна, но ее излишек часто бывает разрушительным, а дефицит воды в прошлом становился началом конца многих цивилизаций. Неслучайно первые цивилизации зародились по берегам больших рек; при этом сельское хозяйство являлось самой важной отраслью экономики этих цивилизаций. Проживание
и и ведение хозяйственной деятельности у берегов рек, с одной стороны, было вынужденным, а с другой — сопряженным с рисками разливов рек. Чтобы приспособить такое природное (нерегулярное) поступление воды в естественные водоемы (реки) для удовлетворения потребностей людей, применяли технические средства. Так, еще с древних времен люди использовали идею об аккумуляции воды в больших искусственных водоемах (водохранилищах) в периоды ее избыточного поступления (периоды паводков) и расходования воды в периоды засух.
Освоение земель, удаленных от рек, требовало строительства других гидротехнических сооружений — каналов и вспомогательных устройств для забора воды из каналов. Все эти мероприятия, направленные на управление использованием водными ресурсами, требовали возведения плотин.
Поскольку бетонные плотины и плотины с применением негрунтовых (искусственных) материалов появились только в XX в., ниже рассматриваются конструкции грунтовых плотин.
Историю строительства грунтовых плотин можно условно разделить на два основных периода. Первый период берет начало от древнейших времен до начала XX в., когда плотины строили без какого-либо расчетного (научного) обоснования, только на основе имевшегося опыта и интуиции древних строителей. Второй — от начала XX столетия до настоящего времени, когда проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений стали осуществляться на начавшей зарождаться научной базе. С большой степенью условности можно утверждать, что данная научная база в настоящее время основывается на следующих главных направлениях:
- • изыскания (инженерно-геологические, топографические, гидрологические и др.);
- • гидравлические исследования;
- • расчеты, обосновывающие прочность и устойчивость сооружений;
- • опыт эксплуатации, т. е. данные натурных наблюдений, использующие визуальные наблюдения и показания контрольно-измерительной аппаратуры, установленной в тело сооружений.
Первые упоминания о плотинах, предназначенных для создания водохранилищ, связаны с древней Месопотамией [1], на территории которой возводились водохранилищные плотины для полива посевов, снабжения населения питьевой водой и защиты от наводнений. Некоторые древние плотины Месопотамии треугольниками показаны на карте для демонстрации не единичных случаев их возведения (рис. 1.1). Как видно из рис. 1.1, плотины были возведены на территории современной Иордании, Сирии, Ирака, Египта и Турции.
Рис. 1.1. Карта Месопотамии с древнейшими плотинами
Наиболее древние грунтовые плотины, руины которых сохранились до настоящего времени и обследованы, были построены примерно за 3 тыс. лет до н. э. у города Ява, располагавшегося в 100 км от современной столицы Иордании — г. Амман. Эти плотины были предназначены для создания десяти прудов-водохранилищ, необходимых для водоснабжения города в засушливое время года. Наиболее крупная из вышеупомянутых плотин представлена на рис. 1.2 [2].
Рис. 1.2. Поперечное сечение плотины Ява (размеры в метрах):
- 1 — ядро плотины из глинистого грунта, отсыпанного в первую очередь;
- 2 — ядро плотины из глинистого грунта, отсыпанного во вторую очередь;
- 3 — стенки из каменной кладки первой очереди; 4 — стенки из каменной кладки второй очереди; 5 — низовой клин, возведенный в первую очередь;
- 6 — низовой клин, возведенный во вторую очередь; 7 — дренаж
Высота плотины Ява составляет 5,5 м, длина — 80 м. Плотина возводилась поэтапно (в две очереди) и конструктивно представляет собой ряд стен из каменной кладки, пространство между которыми заполнено глинистым грунтом в качестве противофильтрацион- ного элемента (ядра) толщиной 2 м. С низовой стороны плотины выполнен пологий грунтовый откос заложением 1:3,7. Строгие определения будут даны ниже. В данном разделе грань плотины, примыкающая к водохранилищу, называется верховой гранью, а противоположная — низовой.
На рис. 1.2 глинистый противофильтрационный элемент, стенки из каменной кладки и низовой клин, возведенные в первую очередь, показаны соответственно цифрами 1, 3 и 5, а глинистый противофильтрационный элемент, стенки из каменной кладки и низовой клин, возведенные во вторую очередь, показаны соответственно цифрами 2, 4 и 6.
На рис. 1.3 показано поперечное сечение плотины Садд-Эль- Кафара, которая была построена в Египте с целью ирригации за 2600 лет до н. э. Плотина имела колоссальные запасы устойчивости: при высоте 14 м ее ширина по гребню составляла 56 м. Конструкция плотины включала центральное ядро из глинистого грунта, оконтуренного каменными упорными призмами. Откосы плотины выложены крупными блоками из известняка; при этом никаких переходных слоев между ядром и каменным материалом предусмотрено не было.
Рис. 1.3. Поперечное сечение каменно-земляной плотины Садд-Эль-Кафара (длина по гребню 113 м)
Плотина была разрушена паводком еще до окончания строительства, так как канал, который должен был отводить паводковые воды, не был построен вовремя.
Аварийные ситуации на древних плотинах (как, впрочем, и на современных грунтовых плотинах) часто являлись следствием не учтенных заранее и трудноконтролируемых процессов нарушения структуры грунта в основании или грунтовом материале самого сооружения. При этом конструкции древних плотин не имели тех конструктивных элементов (фильтров, дренажей), которые гарантируют в настоящее время фильтрационную прочность грунтовых плотин на контакте с основанием и береговыми примыканиями, а также при сопряжении разных типов грунтов в теле плотин между собой. Из-за отсутствия именно этих элементов большинство древних грунтовых плотин оказались разрушенными, но некоторые после тысячелетней эксплуатации находятся в рабочем состоянии и по настоящее время. Такой эксплуатирующейся плотиной с тысячелетней историей является плотина Кофини, построенная в Греции в 1260 г. до н. э.
Плотина Кофини является однородной грунтовой плотиной, у подошвы верхового и низового откосов которой выполнены каменные стенки. Верховая стенка заделана в основание и тем самым позволяет предотвратить размыв. Низовая стенка служит подпорной стеной. При высоте плотины 10 м ее ширина по основанию переменная, от 57 до 103 м. Ширина гребня также переменная — от 3 до 50 м. Уклон верховой грани переменный: от 1 : 2 до 1 : 3, а низовой грани — 1:2.
Почти за 3300 лет своего существования плотина неоднократно подвергалась наводнениям и землетрясениям, но не была разрушена и эксплуатируется до настоящего времени.
В 219 г. до н. э. в Китае была построена каменная плотина Ти- ангпинг, перегораживающая речной поток с целью подпора воды в реке и направления воды в оросительные каналы (рис. 1.4). Под вертикальной напорной гранью плотины забиты деревянные сваи, предотвращающие размыв. Низовая пологая грань покрыта каменными плитами, уложенными вертикально. Неровная поверхность камней гасит значительное количество энергии воды при переливе. Также за плотиной выполнено специальное устройство для гашения энергии воды (водобойный колодец) длиной 6 м.
Рис. 1.4. Поперечное сечение плотины Тиангпинг (размеры в метрах):
- 1 — каменная подпорная стенка; 2 — деревянные сваи;
- 3 — крепление камнем
Еще одним примером выдающегося сооружения является плотина Корнальво, построенная римлянами в середине II в. н. э. в Испании (рис. 1.5). Причиной такой превосходной оценки является не только успешный опыт эксплуатации гидротехнического сооружения в течение без малого двух тысяч лет, но и конструкция, во многом отвечающая современным представлениям.
Рис. 1.5. Поперечное сечение плотины Корнальво (размеры в метрах):
- 1 — шахтный водосброс; 2 — система продольных и поперечных стенок из каменной кладки; 3 — глинистый грунт с включением камня;
- 4 — крепление откоса тесаным камнем
Плотина расположена в 16 км от г. Мерида и предназначена для снабжения жителей города водой, которая подавалась по акведуку длиной 20 км. Грунтовая плотина высотой 24 м и длиной по гребню 200 м формирует водохранилище объемом около 10 млн м 3 . Заложение верхового откоса — 1 : 1.5, заложение низового откоса — 1:2.
Плотина Корнальво имеет несколько конструктивных особенностей:
- • во-первых, поперечные и продольные каменные ряжевые стенки, способствующие повышению устойчивости верхового откоса. Пространство между стенками заполнено глинистым грунтом и камнем;
- • во-вторых, уникальный шахтный водосброс с поперечным сечением 4,5 х 4,5 м и отводящий туннель (0,5 х 17 м). Уникальность этих сооружений из каменной кладки заключается в их «смелости», поскольку толщина стенки водозаборной шахты на верхних 10 м составляет не более 0,5 м.
Россия по климатическим условиям не нуждалась остро в орошении, и первые сведения о строительстве на Руси плотин для водяных мельниц относятся к XIV в. Интенсивное строительство плотин началось в России лишь в XVIII в. для водоснабжения промышленных предприятий. В это же время одновременно с созданием флота начинается строительство судоходных систем, соединивших бассейны разных рек.
Примером судоходного гидротехнического строительства является возведение в средневековом Китае так называемого Великого канала, который был проложен вдоль берега Желтого моря. Он берет свое начало на севере в районе Пекина и тянется на юг до Ханчжоу, пересекая реки Хуанхэ, Хуайхэ и Янцзы, опоясывая весь Восточный Китай. Его строительство окончательно завершено в XIII в. Длина канала составляет 1800 км, глубина 3—9 м, а ширина до 30 м [1].
В средневековом Китае Великий канал имел огромное значение для хозяйственных и культурных связей между севером и югом страны. Это самый длинный искусственный водный путь в мире и один из самых обширных средневековых проектов гидротехнического строительства.
Подтверждением широкомасштабного гидротехнического строительства, охватывающего разные страны и континенты, является табл. 1.1. Здесь приведен перечень плотин, представляющих интерес с точки зрения целей их возведения, условий эксплуатации и объемов созданных ими водохранилищ [2].
Информация о некоторых древних плотинах
Современное название страны Цель
строительства
Год строительства до н. э. / Количество лет эксплуатации
Конструкция
Высота / Длина, м
Современное состояние и др. примечания
Иордания Для водоснабжения Ява
Насыпная с грунтовым ядром в стенках из каменной кладки с низовой грунтовой призмой
Источник: studme.org
Земляные плотины
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.
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):
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:
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:
а для ширины основания по низу — L в метрах формулу:
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:
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.
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).
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).
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.
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).
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.
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.
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).
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 м 3 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).
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):
где Н — высота плотины, Δ — вес 1 м 3 грунта под основанием плотины (т. е. в выемке), δ — допускаемая нагрузка грунта в кг/м, а
(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 м 2 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: azbukametalla.ru