1
Устройство водоема связано со строительством ряда гидротехнических сооружений, объединяемых общими условиями совместной работы и местоположением и называемых гидроузлом. Так, при строительстве водоема с целью благоустройства территории основными сооружениями гидроузла можно назвать собственно водоем, плотину, при необходимости дамбы, водосбросное сооружение и водоспуск (водовыпуск). Основную роль играет плотина, обеспечивающая регулирование стока (аккумуляцию воды в водоеме). Для того чтобы правильно запроектировать и построить плотину, необходимо предварительно провести ряд инженерных изысканий, результаты которых уточнят место расположения плотины, надежность сопряжения плотины с дном и берегами водотока, возможные потери на фильтрацию, приток воды поверхностного и грунтового стока и др.
С этой целью проводят следующие виды инженерных изысканий: топографические, геологические, гидрологические, гидрогеологические, завершающиеся камеральными работами и лабораторными анализами собранных в полевых условиях материалов (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Графические материалы изысканий (по И.М. Шармановскому): а — водосборная площадь; б — план проектируемого водоема; в — геологический профиль по створу плотины; г — литологическая колонка буровой скважины N°1; д — условные обозначения грунтов; е — компрессионная кривая
Створом плотины называется предполагаемое место расположения плотины на водотоке. Наиболее желательным местом расположения створа является то место, в котором горизонтали поверхности земли близко подходят друг к другу, берега крутые, а выше по течению горизонтали «раздвигаются», образуя расширение значительного объема. Это место и будет являться наиболее удобным для строительства плотины исходя из соображений топографии. Если просмотреть весь водоток (а речь идет, в первую очередь, о водоемах на местном стоке), то станет ясно, что удобных мест имеется не одно, а несколько. Поэтому приходится решать вопрос с привлечением других материалов изысканий.
На основе топографических изысканий определяют объем чаши водоема при разных уровнях воды.
Определенную конкретизацию могут внести материалы геологических изысканий, показывающих, в каком створе грунты более прочные, более надежные, обладающие слабыми фильтрационными свойствами. Место расположения таких фунтов и определит предпочтительный створ будущей плотины. Изменяя место расположения створа, необходимо считаться с тем, что при движении вверх по водотоку одновременно изменяется (уменьшается) площадь бассейна (водосборной площади), а следовательно, и объем годового поверхностного стока.
В результате гидрологических изысканий определяют площадь водосбора и различные характеристики стока и, в первую очередь, объем годового стока. При этом могут возникнуть различные соотношения между потенциальным объемом чаши водоема и объемом годового стока, которые помогут выбрать оптимальный створ, тип регулирования стока, а при большом объеме стока — решить вопрос о создании не одного, а целого каскада водоемов, расположенных на одном и том же водотоке.
Результаты гидрогеологических изысканий позволяют выявить наличие водоносных горизонтов, их расположение и величину подземного стока, определяющую возможное подземное питание водоема.
По результатам всех этих изысканий и лабораторных исследований выбирается окончательное расположение одного или нескольких гидроузлов. В последнем случае необходимо считаться с тем, что экономическая эффективность создания отдельных гидроузлов каскада будет различной и предпочтение следует отдать наиболее эффективному, если его объем и площадь акватории будут отвечать заданным требованиям.
Основным сооружением гидроузла является плотина. Плотины классифицируются по отношению к пропуску стока, основным используемым материалам, особенностям конструкции, способу возведения и по другим признакам.
По отношению к пропуску стока плотины подразделяют на глухие, водосливные и фильтрующие (наподобие бобровых деревянно-веточных плотин).
По основным используемым материалам плотины могут быть грунтовые (однородные и неоднородные), каменные, каменно-набросные, габионные, каменно-земляные, намывные, из армированного грунта, деревянные, ряжевые, бетонные, железобетонные и др.
По особенностям конструкции плотины из бетона и железобетона можно подразделить на гравитационные, контрфорсные, арочные и др.
По способу возведения земляные плотины можно подразделить на насыпные с уплотнением, намывные, взрывонабросные и др. ***
***В данной статье рассматриваются земляные насыпные глухие плотины IV класса, которые наиболее часто применяются на объектах ландшафтной архитектуры (СНиП 2.06.05-84 «Плотины из грунтовых материалов»).
Земляные насыпные плотины по конструкции тела и плотинные водоемы по уровням воды характеризуются следующими основными терминами и показателями: тело плотины, гребень плотины, высота плотины, ширины плотины понизу, ширина противофильтрационной призмы понизу, верховой (мокрый) откос, низовой (сухой) откос; нормальный подпорный уровень (НПУ), форсированный подпорный уровень (ФПУ), уровень мертвого объема (УМО) (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Виды земляных насыпных плотин: а — однородная; б, в — неоднородные; г — с экраном из негрунтовых материалов; д — с фунтовым ядром (вертикальным или наклонным); е — с негрунтовой диафрагмой; ж — с грунтовым экраном; з — продольный разрез плотины; 1 — крепление откосов; 2 — тело плотины; 3 — кривая депрессии; 4 — дренаж; 5 — верховая грунтовая противофильтрационная призма; 6 — низовая призма; 7 — переходный слой фунта; 8 — центральная фунтовая противофильтрационная призма; 9 — зуб; 10 — экран из негрунтовых материалов; 11 — верховая призма; 12 — грунтовое ядро; 13 — инъекционная (цементационная) висячая завеса; 14 — противофильтрационная диафрагма; 15— шпунт или стенка; 16 — фунтовый экран; 17 — гребень; НПУ — нормальный подпорный уровень; УНБ — уровень воды в нижнем бьефе; h —высота плотины; b — ширина плотины понизу; b um — ширина противофильтрационной призмы понизу; b up — ширина плотины по гребню; m h — коэффициент верхового откоса; m t — коэффициент низового откоса; L пл — длина плотины по гребню
Земляные плотины классифицируются по конструкции поперечного профиля, противофильтрационных устройств и способу возведения.
По конструкции поперечного профиля земляные плотины подразделяются на следующие типы: из однородного грунта, из неоднородного грунта, с экраном из негрунтовых материалов, с экраном из грунта, с ядром, с диафрагмой (стенкой, шпунтом).
По конструкции противофильтрационных устройств в основании земляные плотины подразделяются на следующие типы: с понуром, с зубом, с инъекционной завесой, с диафрагмой (стенкой, шпунтом).
По способу возведения земляные плотины подразделяются на следующие типы: с механическим уплотнением грунта; без механического уплотнения грунта (с отсыпкой пионерным способом насухо или с отсыпкой в воду).
При возведении плотин следует руководствоваться следующими соображениями. Земляные плотины, дамбы, противофильтрационные устройства напорных сооружений в виде экранов, ядер и понуров можно возводить отсыпкой грунта как в сухих условиях, так и в воду.
При устройстве противофильтрационных устройств наиболее пригодны глинистые грунты с коэффициентом фильтрации K < 0,1 м/сут и при числе пластичности I p > 0,05. Допускается применять также искусственную грунтовую смесь, содержащую глинистые, песчаные, дресвяные и крупнообломочные грунты. Состав смеси должен быть проверен в производственных условиях или на опытных отсыпках.
Крутизну откосов плотин и дамб при проектировании и строительстве определяют исходя из физико-механических характеристик грунтов; действующих на откосы сил (собственной массы, влияния воды, сейсмических, динамических, внешних нагрузок на гребне и откосах и др.); высоты плотины; производства работ и условий эксплуатации.
Ориентировочные значения заложений откосов (коэффициента заложения откоса m) земляных насыпей плотин из глинистых и песчаных грунтов при наличии в основании грунтов с прочностью, сопоставимой или больше, чем в теле плотины, можно принять по табл. 6.1.
Таблица 6.1. Ориентировочные значения коэффициента заложения m
Значения коэффициента заложения m откосов плотины
Для более точного определения коэффициентов заложения устойчивых откосов можно воспользоваться графиком, составленным для различных грунтов. Откосы грунтовых плотин могут иметь переменное заложение, что экономит объем грунта, используемого при возведении плотины. При этом коэффициент заложения т уменьшается в части, примыкающей к гребню плотины, и увеличивается при приближении к основанию.
На откосах средних и высоких плотин рекомендуется устраивать бермы, которые увеличивают устойчивость откосов, облегчают поверхностное водоотведение, и улучшают производственные и эксплуатационные условия. На верховом откосе бермы служат упором крепления и облегчают условия осмотра и ремонта. На низовом откосе бермы используют для служебного проезда, предотвращения размыва водами поверхностного стока (с устройством кюветов или лотков), устройства сооружений для контроля за кривой депрессии и управления задвижкой донного водоспуска. Бермы обычно располагают через 10. 15 м по высоте при ширине 3 м (для проезда) и не менее 1. 2 м, если проезд не предусмотрен.
Гребень плотины при минимальной ширине 4,5 м должен возвышаться как над нормальным подпорным уровнем (НПУ), так и над форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Превышение отметки гребня плотины над отметкой уровня воды определяют для двух расчетных случаев: над отметкой НПУ и над отметкой ФПУ расчетной вероятности превышения по формуле
где h н — высота наката на откос ветровой волны, м; ?h — высота ветрового нагона волны, м; а — запас по высоте плотины, равный или больше 0,5 м.
Высоту наката ветровой волны на откос hн определяют по специальным методикам, изложенным в справочниках проектировщика гидротехнических сооружений.
Высоту ветрового нагона ?h ориентировочно можно определить по формуле
где w — скорость ветра расчетной вероятности превышения на высоте 10 м над уровнем воды, м/с; D — протяженность охваченной ветром акватории, м; g — ускорение силы тяжести, м/с2; Н — расчетная глубина, м; ? — угол между продольной осью водоема и направлением ветра.
Одним из важнейших элементов насыпной земляной плотины является дренаж тела плотины, который проектируется и стоится для отвода воды, фильтрующейся через тело и основание плотины; предотвращения выклинивания фильтрационного потока на низовой (сухой) откос; снижения уровня кривой депрессии для повышения устойчивости низового откоса; повышения устойчивости верхового откоса при быстром понижении уровня; отвода воды профильтровавшейся через экран, тело и ядро плотины.
Рис. 6.3. Конструкции основных видов дренажа плотин в русле (а — дренажный банкет; б — наслонный дренаж) и на берегу (в — трубчатый дренаж; г — горизонтальный дренаж; д. ж — комбинированные виды дренажа): 1 — кривая депрессии; 2 — обратный фильтр; 3 — дренажный банкет; 4 — наслонный дренаж; 5 — труба (дрена); 6 — отводящий канал; 7 — отводящая труба; 8 — дренажная лента; d f — максимальная глубина промерзания; m t — коэффициент низового откоса; b b — ширина банкета поверху; n s — превышение верха призмы над уровнем воды в нижнем бьефе
Рис. 6.4. Типы креплений верхового откоса плотин (размеры указаны в м): а — одиночное мощение; б — двойное мощение; в — наброской камня в плетневые клетки; г — хворостяной выстилкой; д — железобетонными плитами; 1 — слой камня толщиной 0,3. 0,5 м; 2 — песчано-гравийная подготовка толщиной 0,1 м; 3 — колья диаметром 5. 8 см, длиной 1,5 м; слой гравия или щебня толщиной 0,10. 0,15 м
Дренажные устройства в зоне низового (сухого) откоса могут иметь различную конструкцию (рис. 6.3). Выбор конструкции, в первую очередь, зависит от типа плотины, ее размеров и используемых грунтов. Дренажный банкет обычно устраивают на русловых участках плотины. Превышение гребня дренажного банкета над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе определяют расчетом, но оно должно быть не менее 0,5 м. Ширину поверху принимают из условий производства работ и конструкции, но она не должна быть менее 1 м. Наслонный дренаж устраивают на участках плотины, перекрывающих затопляемую пойму. Толщину наслонного дренажа с обратным фильтром определяют из условий производства работ, но она должна быть не меньше величины t, определяемой по формуле
где d s, 85 — диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 85 % от массы всего дренажного слоя, м; t f — толщина обратного фильтра, м.
Превышение гребня наслонного дренажа h s над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе принимают, как и для дренажного банкета.
Трубчатый дренаж из бетонных или асбестоцементных труб (перфорированных) с заделанными и незаделанными стыками обсыпают обратным фильтром. Диаметр дренажных труб определяют гидравлическим расчетом, но принимают не менее 200 мм. Толщина каждого слоя обратного фильтра должна быть не менее d s, 85. но не менее 200 мм. Верховой (рис. 6.4) и низовой откосы крепятся различными способами.
Источник. Строительство и эксплуатация объектов ландшафтной архитектуры. Теодоронский В.С.
*