Бетонный зуб в строительстве
Противофильтрационные устройства — это различного рода препятствия на пути движения фильтрационного потока, выполненные из материалов с незначительным коэффициентом фильтрации и расположенные вертикально, наклонно или горизонтально.
Противофильтрационные устройства выполняют из пластичных и жестких материалов. В качестве пластичных материалов применяют глину, тяжелые суглинки, глинобетон, торф, а жесткими материалами могут быть бетон, железобетон, дерево, металл. Иногда пластичные и жесткие материалы сочетаются.
Пластичные материалы дешевле и часто находятся вблизи строительства плотины. Поэтому вначале следует рассмотреть вопрос об устройстве противофильтрационных препятствий из этих материалов. И только если их применение технически и экономически нецелесообразно, переходят к жестким материалам.
Эффект от применения противофильтрационных устройств можно ожидать только в том случае, если коэффициент фильтрации его в 50 раз меньше, чем у грунта, в котором размещается устройство. В пластичных материалах этого достигают как подбором соответствующих грунтов, так и тщательным их уплотнением при укладке. При жестких материалах (металл или железобетонные изделия заводского изготовления, которые практически считают водонепроницаемыми) особое внимание следует уделять стыкам отдельных элементов, где наиболее вероятно появление сосредоточенных фильтрационных ходов.
Противофильтрационные устройства в основании выполняют в виде зуба, шпунтовой стенки, завесы или комбинации из них (рис. 52).
Рис. 52 Схемы противофильтрационных устройств в проницаемых
основаниях:
а — зуб из пластичных материалов; б — шпунтовая стенка; в — комбинация зуба из пластичных материалов со шпунтовой стенкой; г — бетонная стенка; 1 — водопроницаемый слой; 2 — водоупор.
Противофильтрационные устройства обычно размещают по оси плотины или несколько ближе к верхнему бьефу, но не слишком близко от подошвы верхового откоса, так как поток грунтовых вод может обойти препятствие сверху, через откос плотины.
Глубина водопроницаемого слоя в основании плотин, при котором возможно осуществить противофильтрационные устройства, зависит от производственных условий, средств механизации и вида препятствия.
Зуб из пластических материалов (глины, тяжелого суглинка, глинобетона) выполняют глубиной не более 3-3,5 м. Шпунтовую деревянную стенку можно забить на глубину до 5-6 м. Сочетание пластичного ядра со шпунтовой стенкой принимают при глубине до 10 м.
Рис. 53. Схемы размещения ядра в теле плотины:
а — ось плотины совмещена с осью ядра; б — ось ядра сдвинута относительно оси плотины; в — ломаное ядро.
При большем значении глубин переходят к металлическому шпунту, забивать который можно на глубину более 20 м. В скальных основаниях применяют завесы.
Ширину зуба понизу задают с учетом применяемых механизмов для рытья траншеи. Откосы траншеи под зуб выполняют так, чтобы они были устойчивы в период производства работ. Заглубление зуба в водоупор принимают не менее 0,5 м (1 м для высоких плотин), а возвышение зуба над подошвой плотины — не менее 0,75 м. Минимальное заглубление шпунта в водоупор 0,5 м. Головки шпунтовых свай располагают выше дна траншеи на 0,5 м для низких плотин и 1 -1,5 м для высоких.
Пластичное ядро применяют в тех случаях, когда у грунтов тела плотины повышенная водопроницаемость. Располагают ядра в центральной части плотины, совмещая их ось с осью плотины, или смещают в сторону верхнего бьефа примерно, до вертикали, проходящей через бровку откоса (рис. 53). Для устойчивости низового откоса вторая схема предпочтительнее, но при большом смещении оси в сторону верхнего бьефа боковая грань ядра в верхней части приближается к верховому откосу, и поэтому ядро приходится делать ломаного очертания (рис. 53, в).
Размеры ядра чаще всего назначают, исходя из производственных условий. Для высоких и средних плотин принятые размеры ядра проверяют на допускаемый градиент напора для материала ядра в наиболее опасном сечении (сечение, близко расположенное к отметке депрессионной кривой, у грани ядра со стороны нижнего бьефа). Размеры ядра корректируют, если решающую роль играет проходящий через тело плотины фильтрационный расход и требуется его ограничение.
В поперечном сечении ядру придают трапецеидальную форму с утолщением к основанию. Толщину ядра поверху принимают от 1,0 м(для низких плотин) до 1,5 м (для высоких плотин). При достаточном количестве грунта для ядра толщину его поверху целесообразно увеличивать, так как минимальные размеры требуют особой тщательности при производстве работ, чтобы не допустить засорения ядра грунтом тела плотины. В засоренном ядре увеличивается коэффициент фильтрации и снижается фильтрационная эффективность. Заложение граней ядра назначают в пределах 1/6 – 1/12, обеспечивая толщину в основании не менее 1/6 нормального напора на плотину.
В водоупорное основание ядро врезается зубом на глубину не менее 0,5 м (рис. 54,а). Если в основании имеется слой водопроницаемого грунта, то всю толщу его прорезают зубом, продолжением которого служит ядро (рис. 54, б). В этом случае зуб выполняют так же, как и в однородных плотинах, на проницаемом основании ограниченной мощности. Когда весь водопроницаемый слой в основании плотины не может быть прорезан зубом, применяют комбинацию зуба со шпунтовой стенкой (рис. 54, в).
Рис. 54. Врезка ядра в основание при расположении плотины на
водоупоре (а) или на слое водопроницаемого грунта (б); ядро со
шпунтовой стенкой на слое водопроницаемого грунта (в).
Верх ядра выполняют выше МПУ с учетом нагона, волны, принимая запас 0,3 м для низких плотин и 0,75 м для высоких. Чтобы не было перелива воды поверх ядра за счет капиллярного поднятия, гребень ядра следует прикрыть защитным слоем из грунта, не обладающего капиллярными свойствами. Расстояние от гребня плотины до верха ядра должно быть больше глубины промерзания, так как в противном случае возможно морозное пучение грунта.
Сопряжение ядра плотины со скальным основанием осуществляется через бетонную подушку по типу зуба. Верх подушки уступами вводит в тело ядра. Ширина бетонной подушки по верху равна толщине ядра понизу, а глубина зависит от качества скалы. Слабый слой выветренной скалы прорезают на всю глубину. При трещиноватых скальных основаниях выполняют цементационную завесу, являющуюся продолжением бетонной подушки. Конструктивное решение сопряжения пластичного ядра со скальным основанием при помощи бетонной подушки приведено на рисунке 55.
Рис. 55. Сопряжение ядра со скальным основанием;
1 — пластичное ядро; 2 — бетонный зуб; 3 — скальное основание; 4 — скважины цементации.
Экран в земляной плотине выполняет ту же роль, что и ядро. Располагают экраны со стороны верхового откоса, благодаря чему обеспечивается осушение большей части тела плотины, а следовательно, повышается устойчивость верхового и низового откосов. Размеры экрана, как и ядра, назначают, исходя из допустимых градиентов, ограничения фильтрационных расходов и удобства укладки грунта.
Экраны устраивают переменной толщины с постепенным утолщением сверху вниз. Утолщение экрана необходимо потому, что он находится под разностью напоров, увеличивающихся с глубиной воды перед плотиной. Не исключается, конечно, экран постоянного сечения, но в этом случае толщину его принимают по наиболее опасному сечению.
Исходя из конструктивных соображений, толщину экрана (считая по нормали к откосу) принимают, не менее 1 м вверху и не менее 3 м внизу для плотин высоких и 2 м для низких. При этом принятая толщина должна быть не менее 1/10 нормального напора. Такое ограничение в известной мере обеспечивает допускаемый градиент для материала экрана. В высоких плотинах толщину экрана в наиболее опасном сечении нужно проверять расчетом.
Верх экрана принимается выше МПУ с учетом нагона волны на откос, но не менее 0,5 м для низких плотин и 1,0 м для высоких. Для защиты от промерзания и механического воздействия экран на всем протяжении прикрывается слоем из песчаных или песчано-гравелистых грунтов. По этому слою, затем выполняют защитное покрытие верхового откоса. Этим же грунтом, защищают и верх (торец) экрана, обеспечивая расстояние от гребня плотины не менее глубины промерзания. Пригрузка экрана может быть постоянной или переменной толщины (тоньше вверху). Наименьший размер пригрузки 1,25-2,50 м, считая по нормали к откосу. Принятые размеры должны обеспечить механизированную укладку и уплотнение грунта пригрузки и быть больше глубины промерзания.
Принятое заложение внешнего откоса экрана должно обеспечить устойчивость на скольжение защитного слоя по поверхности экрана, а заложение внутреннего откоса — устойчивость на скольжение защитного слоя вместе с экраном по откосу плотины. Если экран укладывают на крупнозернистые грунты плотины, необходимо устраивать обратные фильтры, предупреждающие появление фильтрационных деформаций в грунте экрана. Если тело плотины выполнено из песчаных, супесчаных и других мелкозернистых грунтов, обратный фильтр не устраивают.
Сопряжение экрана с водоупорным нескальным основанием осуществляется в виде зуба глубиной не менее 0,5 м(рис. 56, а) или комбинации зуба со шпунтовой стенкой (рис. 56, б), когда водоупор находится на практически досягаемой глубине. Зуб и экран в этом случае должны быть продолжением друг друга, представляя одно целое.
Пластичный экран со скальным основанием сопрягают также при помощи пластичного зуба и бетонной стенки, заходящей одним концом в скалу, а другим в зуб
Рис. 56. Сопряжение экрана плотины с основанием:
а — на водоупоре и с незначительной толщиной водопроницаемого основания; б — на водопроницаемом основании; в — на скальном основании.
(рис. 56, в). Глубина зуба зависит от качества скалы, при этом выветренный верхний слой ее обязательно прорезают зубом. Бетонную стенку врезают в прочную скалу не менее чем на 0,5 ми примерно на эту же величину вводят в тело зуба в центре его.
Понур, как элемент противофильтрационного устройства, применяют в земляных плотинах в сочетании с экраном или ядром в тех случаях, когда в основании залегают водопроницаемые грунты значительной мощности и строительными средствами прорезать этот грунт зубом или шпунтовой стенкой затруднительно или невозможно. Понуры в таких плотинах дают снижение фильтрационного расхода, проходящего в водопроницаемом основании, и кривой депрессии в теле плотины. Конструктивно понуры объединяются с экраном или ядром и вместе с ними образуют непрерывную водонепроницаемую преграду (рис. 57).
Рис. 57 Плотина с понуром:
а — в сочетании с экраном; б — в сочетании с ядром; 1 — крепление; 2 — водонепроницаемое основание; 3 — водоупор.
Длину понура принимают в зависимости от напора на плотине не более (5-6) Н. Увеличение длины сверх этого предела не дает пропорционального гашения напора, что отмечено рядом исследователей. А. А. Угинчус при анализе эффективности работы понура на одной из построенных земляных плотин дает графическую зависимость падения напора от длины понура и отмечает, что наиболее эффективны в работе короткие понуры.
Толщину понура обычно назначают по конструктивным соображениям, но не менее 0,5 м(для плотин низких) и не более 1,0 м(для высоких). Во втором случае конструктивно принятая толщина проверяется расчетом на допускаемый градиент напора для материала понура. В месте сопряжения экрана с понуром, учитывая их неравномерную осадку вследствие различных нагрузок, следует давать утолщение понура. Сверху понур пригружают слоем песчаного или песчано-гравелистого грунта (продолжение пригрузки экрана), толщину которого принимают не менее 1,5-2,5 м, с учетом глубины промерзания. При расположении понура на крупнозернистых грунтах предусматривают обратный фильтр, выполняющий те же задачи, что и в экранах.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН
Сопряжение плотины с основанием
Проектирование сопряжения грунтовой плотины с ее грунтовым основанием — один из важнейших вопросов при разработке проектной документации на гидротехническое сооружение. От типа сопряжения зависит фильтрационная устойчивость основания плотины. Неоптимальная конструкция сопряжения, принятая в проекте, вызывает развитие фильтрационных процессов, которые будут развиваться в самой труднодоступной части плотины — центральной части её подошвы. Возможные способы устранения проблем в данном узле при эксплуатации плотины ограничены и чрезвычайно капиталоёмки.
1 ТИПЫ СОПРЯЖЕНИЯ
При выборе типа сопряжения наиболее важным фактором служит основание — скальное или нескальное (податливые русловые отложения). Можно привести следующие основные конструктивные решения, наиболее часто используемые при разработке проектной документации:
1. Глиняный зуб в открытом котловане на водоупоре. Данная конструкция может быть запроектирована при наличии русловых отложений малой мощности (до 3-3,5 м), подстилаемых водоупором.
2. Бетонный зуб в открытом котловане на водоупоре. Данная конструкция применяется при наличии русловых отложений средней мощности (до 10-20 м), подстилаемых водоупором.
3. Цементационная завеса. Данная конструкция применяется, когда основание — скальное, и поверх него полностью отсутствуют мягкие отложения.
4. Понур с цементационной завесой. Проектирование данной конструкции применяется, если основание представлено проницаемыми отложениями очень большой мощности (т.е. водоупор практически недосягаем), и при этом основание допускает устройство цемзавесы (т.е. нагнетание цементного раствора).
5. Понур и развитый дренаж по подошве плотины. Данная конструкция применяется, если основание:
а) представлено проницаемыми отложениями очень большой мощности (т.е. водоупор практически недосягаем);
б) не допускает выполнение цементационной завесы (т.е. нагнетание цементного раствора невозможно).
6. Стальной шпунт. Данная конструкция применяется при наличии в основании мягких грунтов. При этом забивка шпунта в аллювиальные гравийно-галечниковые грунты не рекомендуется, т.к. она будет трудоёмка и не обеспечит полной водонепроницаемости. В проекте может применяться двухрядная забивка шпунта, с последующей цементацией аллювия между рядами, однако такое решение дорого и применяется редко.
2 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Помимо вышеописанных конструктивных решений, следует отметить ряд других аспектов, важных при проектировании грунтовой плотины:
– при наличии под противофильтрационным элементом скального основания углы перелома граней скалы, обозначенные в проектной документации, не должны превышать 20°;
– контактный слой противофильтрационного элемента (т.е. слой насыпи ядра или экрана, контактирующий с естественным основанием или бетонными сооружениями) мощностью 2—3 м должен выполняться из более пластичного грунта, нежели тело противофильтрационного элемента; он должен быть менее водопроницаем, и более влажен (но не более чем на 1—3 %), чем грунт остальной части противофильтрационного элемента. В частности, такое решение применено на грунтовой плотине Асуанской ГЭС;
– для повышения фильтрационной прочности в сопряжении с основанием и на береговых примыканиях в проектной документации рекомендуется предусматривать уширение подошвы противофильтрационного элемента;
– в случае, если в пределах грунтовой плотины проектируется бетонный водослив, следует особо обратить внимание на сопряжение разделительной стенки данного водослива водосброса с противофильтрационным элементом; этот узел всегда очень сложен ввиду разности осадок стенки и противофильтрационного элемента; особая сложность возникает, если противофильтрационный элемент выполнен в виде экрана; сопряжение с ядром устраивается легче, для чего применяется уширение ядра или врезка шпоры;
– для каменно-набросных и каменно-земляных плотин цементация основания обязательна для всех проектов таких плотин;
– каменно-набросные плотины более требовательны к основанию, чем земляные плотины; их допускается возводить только на скальном или гравелисто-галечниковом основании, при ограниченной высоте допускается строительство таких плотин на крупнозернистых песках, глинах, плотных суглинках, при этом укладывается переходный слой из щебня, гальки или мелкого камня; категорически не допускается возведение каменно-набросных плотин на мелких песках, слабых глинах и суглинках, что связано с появлением больших осадок, расстройству кладки и противофильтрационного экрана, развитию сосредоточенной фильтрации по контакту «плотина-основание»;
– при врезке противофильтрационного элемента в скальное основание в проекте обязательно предусматривается удаление слоя растительного грунта;
– минимальная длина водонепроницаемой части подземного контура из условий обеспечения общей фильтрационной прочности) должна быть не менее половины напора на плотину (Lподз.конт ≥ H/2).