Общие сведения и классификация
По конструктивным признакам принято различать следующие основные типы земляных насыпных плотин (рис. 2.1): 1) плотины из однородного грунта, т. е. выполненные из одного вида слабоводопроницаемого грунта (рис. 2.1,а); 2) плотины из неоднородного грунта; часто отдельные грунты в теле плотины располагают так, чтобы водопроницаемость плотины увеличивалась по направлению от верхнего бьефа к нижнему (рис. 2.1,6), иногда наиболее водонепроницаемый грунт помещают в центральной части профиля 3) плотины с наружной (верховой) маловодопроницаемой или водонепроницаемой противофильтрационной преградой в виде экрана, выполненного из маловодопроницаемого грунта (рис. 2.1,г, е), асфальтобетона, полиэтиленовой пленки и т.п. (рис. 12.1, д), 4) плотины с внутренней (центральной) маловодопроницаемой или водонепроницаемой преградой в виде ядра, образованного маловодопроницаемым грунтом (рис. 2.1,ж), или диафрагмы (рис. 2.1, з) из негрунтовых материалов — бетона, тона, полиэтиленовой пленки, металла и т. п.
В зависимости от способа производства работ различают земляные насыпные плотины: 1) уплотняемые механическими средствами без применения отсыпки грунта в воду («сухой способ»); 2) возводимые путем отсыпки грунта в воду (также в некоторой мере уплотняемые механическими средствами).
В зависимости от грунтов, которые можно добыть на месте, а также от геологического строения основания и т. п. наиболее рациональным в техническом и экономическом отношениях может оказаться любой из перечисленных выше типов плотин.
Земляные плотины имеют трапецеидальное поперечное сечение (рис. 2.2). Гребень глухой земляной плотины намечают так, чтобы он возвышался над нормальным подпорным уровнем (НПУ) и форсированным подпорным уровнем (ФПУ) на высоту, несколько большую высоты наката ветровой волны на верховой откос плотины. Ширина плотины поверху задается такой, чтобы на ее гребне можно было разместить проезжую дорогу.
Для предохранения откосов плотины от размыва волнами, течением воды в бьефе, а также стекающей по ним дождевой водой их обычно покрывают, например, бетонными плитами, каменной наброской и т. п. На откосах иногда делают бермы. Поверхностный слой земли в пределах основания плотины снимают; часто в основании плотины устраивают так называемые зубья, которые прорезают грунт основания на некоторую глубину. В пределах низового клина плотины, как правило, устраивают дренаж для перехвата воды, фильтрующейся через тело плотины.
Грунт, из которого образована плотина, в большей или меньшей мере водопроницаем, поэтому в теле плотины образуется фильтрационный поток. Кривую депрессии АВ (рис. 2.3) считают самой Вер хией линией фильтрационного потока. Однако здесь более сложная картина. Благодаря капиллярному поднятию воды в грунте в теле плотины возникает поверхность менисков АВ, причем зона (на рисунке заштрихована) оказывается насыщенной капиллярной Водой, которая по своим физическим свойствам ничем не отличается от обычной (гравитационной) воды. В капиллярной зоне вода движется так же, как и в области, расположенной ниже кривой ЛИ, под действием разности напоров. Как известно из курса гидравлики, капиллярная зона характеризуется наличием вакуума. Та кнм образом, самойверхней линией тока в данном случае является линия ADCB, т. е. соответствующая частица воды сначала поднимается вверх, совершая путь AD, а затем опускается вниз, двигаясь вдоль линии DCB. Что касается линии АВ, то она представляет собой линию атмосферного давления. Линии тока пересекают кривую АВ.
Выше поверхности менисков CD поры грунта частично заполнены воздухом, частично так называемой пленочной водой; количество ее кверху уменьшается. При фильтрационных расчетах земляных плотин капиллярной и пленочной водой обычно пренебрегают. Однако при проектировании тела плотины наличие такой воды в порах всегда следует учитывать.
В зависимости от размеров пор грунта максимальная высота капиллярного поднятия может быть различной: для мелкопесчаных грунтов, например, до 0,5.,.1,0 м, для глинистых — значительно больше.
Анализируя работу земляной плотины, видим, что скелет ее грунта находится под постоянным воздействием фильтрационного потока. Если, например, при строительстве плотины грунт будет недостаточно уплотнен, то в теле плотины могут раскрыться сосредоточенные ходы фильтрации и плотина может разрушиться (размыться фильтрационным потоком). Глухая земляная плотина может разрушиться также в связи с переливом воды через ее гребень (если отметка гребня плотины назначена неправильно) или в результате оползания откосов, находящихся под воздействием фильтрационных сил (если эти откосы устроены недостаточно пологими), и по ряду других причин, являющихся специфичными для работы тела плотины.
Все эти обстоятельства заставляют смотреть на земляную плотину как на сооружение, принципиально отличающееся от других земляных сооружений, например железнодорожных дамб (насыпей) и т. п.
Надо учитывать, что в связи с поясненными выше обстоятельствами стоимость 1 м3 грунта, укладываемого в тело плотины, всегда значительно выше стоимости 1 м3 грунта, отсыпаемого в тело земляного сооружения, не сдерживающего напор воды.
Будем называть (см. рис. 2.1,д) коэффициентом откоса, характеризующую крутизну откоса,— уклоном откоса. Длина именуется заложением откоса. Превышение Нпл гребня плотины над дном котлована называют высотой плотины, а разность Z уровней воды верхнего и нижнего бьефов — напором на плотине; при отсутствии воды в нижнем бьефе Z — это превышение уровня воды в верхнем бьефе над поверхностью земли в нижнем бьефе.
Откосы земляных плотин достаточно пологи. Поэтому на приводимые ниже схемы поперечного сечения земляных плотин, где эти плотины представлены с коэффициентом откоса т = 1,0... ...1,5, следует смотреть как на условные (безмасштабные) схемы.