В книге приведены примеры современных отечественных и зарубежных плотин, построенных из местных материалов (грунта и камня). Рассмотрены геологические условия строительства плотин различных типов, основные свойства материалов, напряжённо-деформативное состояние грунтов с учетом сейсмических и динамических воздействий. Даны методы расчета устойчивости и деформаций плотин, фильтрации через тело плотины и в обход ее. Описаны различные типы противофильтрационных устройств в теле и основании плотин и способы их возведения. Приведены результаты натурных наблюдений в процессе возведения и эксплуатации плотин. Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов гидротехнических факультетов.

Предисловие
Введение

Раздел I. Общие сведения о плотинах из местных материалов

Глава 1. Основные положения
§ 1. Состав узла сооружений
§ 2. Классификация плотин

Глава 2. Примеры современных плотин
§ 3. Плотины каменные
§ 4. Плотины каменно-земляные с тонким ядром
§ 5. Плотины каменно-земляные с массивным ядром
§ 6. Плотины каменно-земляные с экраном

Раздел II. Основания и материалы плотин

Глава 3. Геологические условия строительства плотин
§ 7. Общие сведения о горных породах и грунтах
§ 8. Скальные породы
§ 9. Полускальные породы
§ 10. Грунты нескальные (мягкие)
§ 11. Трещиноватость скальных пород
§ 12. Строение долин

Глава 4. Основные свойства материалов
§ 13. Зерновой состав
§ 14. Размер агрегатов глинистых грунтов
§ 15. Размеры пор несвязных грунтов и форма частиц
§ 16. Плотность и влажность грунта
§ 17. Пластичность глинистых (связных) грунтов
§ 18. Водопроницаемость грунтов
§ 19. Фильтрационная устойчивость грунтов
§ 20. Деформируемость грунтов
§ 21. Компрессионные кривые
§ 22. Коэффициент бокового давления Пуассона, модуль деформации
§ 23. Сопротивление грунтов сдвигу
§ 24. Сопротивление глинистых грунтов растяжению
§ 25. Поровое давление
§ 26. Уплотняемость, просадочность и набухание глинистых грунтов
§ 27. Некоторые свойства скальных пород
§ 28. Химический состав грунтов
§ 29. Выщелачивание солей из грунтов
§ 30. Выбор расчётных показателей

Глава 5. Напряженно-деформированное состояние грунтов тела плотин
§ 31. Теория консолидации
§ 32. Теория ползучести грунтов
§ 33. Напряжения в плотинах из местных материалов
§ 34. Активное и пассивное давление грунта

Глава 6. Динамические (сейсмические) воздействия
§ 35. Основные параметры динамических воздействий
§ 36. Влияние динамических нагрузок на свойства грунтов
§ 37. Сейсмические нагрузки
§ 38. Динамические воздействия

Раздел III. Проектирование плотин из местных материалов

Глава 7. Выбор грунтов и проектирование профиля плотины
§ 39. Общие рекомендации по выбору грунтов
§ 40. Компоновка гидроузла
§ 41. Выбор типа плотины
§ 42. Очертание профиля плотины

Глава 8. Расчет плотин из местных материалов на фильтрацию
§ 43. Гидромеханические методы расчета
§ 44. Гидравлические методы расчета
§ 45. Экспериментальные методы

Глава 9. Расчет устойчивости плотин
§ 46. Требования к методам расчета
§ 47. Коэффициенты запаса на устойчивость
§ 48. Простейшие случаи
§ 49. Методы расчета по круглоцилиндрическим поверхностям с делением на отсеки
§ 50. Методы расчета по плоским поверхностям скольжения
§ 51. Учет сейсмических сил
§ 52. Оценка устойчивости при рассмотрении трехмерной задачи
§ 53. Оценка устойчивости низовой призмы в плотинах с ядром исходя из допускаемых перемещений

Глава 10. Расчет деформаций
§ 54. Виды деформаций
§ 55. Расчет вертикальных деформаций элементов плотин из связных грунтов
§ 56. Расчет вертикальных деформаций элементов из крупнообломочных грунтов
§ 57. Определение перемещений низовой грани ядра
§ 58. Деформации основания

Глава 11. Дренажные устройства плотин
§ 59. Назначение, состав и тины дренажных устройств
§ 60. Подбор состава материалов дренажных устройств
§ 61. Некоторые рекомендации по проектированию дренажных устройств

Глава 12. Покрытия откосов и гребня
§ 62. Общие вопросы
§ 63. Защита верховых откосов от волновых воздействий
§ 64. Элементы волн
§ 65. Волновое воздействие на откос
§ 66. Воздействие льда
§ 67. Границы крепления откосов
§ 68. Покрытия из камня
§ 69. Покрытия из железобетонных плит
§ 70. Прочие типы покрытий
§ 71. Неукрепленные пологие откосы
§ 72. Волноотбойные стенки-парапеты
§ 73. Подготовка под крепления
§ 74. Покрытие гребня плотины
§ 75. Защита низовых откосов от атмосферных воздействий

Глава 13. Противофильтрационные устройства в основании
§ 76. Противофильтрационные устройства в нескальных основаниях
§ 77. Противофильтрационные устройства в скальных основаниях
§ 78. Сопряжение противофильтрационных элементов в теле плотины и основании

Глава 14. Противофильтрационные устройства в теле плотины
§ 79. Материалы противофильтрационных устройств
§ 80. Экраны из грунтовых материалов
§ 81. Экраны из бетона и железобетона
§ 82. Экраны металлические
§ 83. Экраны асфальтобетонные
§ 84. Экраны пластмассовые
§ 85. Экраны с применением дерева
§ 86. Ядро из грунта
§ 87. Диафрагмы из негрунтовых материалов
§ 88. Понуры

Глава 15. Модельные исследования
§ 89. Моделирование напряжений и деформаций в поле центробежных сил
§ 90. Исследование напряженного состояния методом фотоупругости

Глава 16. Плотины в районах распространения вечной мерзлоты
§ 91. Типы плотин
§ 92. Плотины из талых грунтов
§ 93. Плотины из мерзлых грунтов
§ 94. Расчеты температурного поля и мерзлотной завесы

Раздел IV. Возведение и эксплуатация плотин из местных материалов

Глава 17. Пропуск паводков в процессе строительства
§ 95. Общие сведения
§ 96. Перекрытие русла
§ 97. Пропуск паводковых расходов через недостроенные плотины
§ 98. Водопропускные сооружения

Глава 18. Возведение насыпных плотин
§ 99. Подготовка грунта для его разработки
§ 100. Разработка карьеров
§ 101. Транспортирование грунта
§ 102. Изменение состава грунта
§ 103. Разравнивание и увлажнение грунта
§ 104. Уплотнение грунта
§ 105. Контроль за укладкой грунта в тело плотины
§ 106. Возведение плотин без специального уплотнения грунта
§ 107. Возведение плотин в зимних условиях
§ 108. Интенсивность выполнения работ

Глава 19. Возведение намывных плотин
§ 109. Основные определения
§ 110. Разработка карьеров и подача пульпы к плотине
§ 111. Намыв тела плотины
§ 112. Раскладка грунта
§ 113. Плотность грунта при намыве
§ 114. Контроль в процессе намыва
§ 115. Примеры строительства намывных плотин
§ 116. Использование для намыва связных и галечниковых грунтов
§ 117. Основные выводы

Глава 20. Наблюдения в процессе возведения и эксплуатации плотин
§ 118. Приборы и их размещение в плотине
§ 119. Результаты натурных наблюдений за построенными плотинами

Глава 21. Аварии и повреждения плотин
§ 120. Перелив воды через гребень
§ 121. Фильтрация через тело или основание плотины
§ 122. Оползание откосов и деформации тела плотины
§ 123. Повреждения покрытий откосов
§ 124. Прочие воздействия аварийного характера

Литература

Предисловие

Возведение плотин из местных материалов (грунта и камня) в последние годы получило широкое распространение как в СССР, так и за рубежом, Проектирование и строительство таких сооружений потребовало разработки новых методов исследования и расчета.

Специалистами всех стран мира выполнено много исследований и научных разработок по отдельным вопросам рассматриваемой проблемы. К настоящему времени проведено десять международных конгрессов по большим плотинам, восемь конгрессов по механике грунтов и фундаментостроению, большое количество симпозиумов и региональных конференций, на которых обсуждались вопросы, связанные с исследованием, проектированием и строительством плотин из местных материалов.

В книге в основном рассматриваются методы исследования свойств материалов, используемых для строительства плотин, методы конструирования плотин и расчета напряжений, деформаций, фильтрационной, статической и динамической устойчивости, фильтрации и т. д. Приводится ряд рекомендаций, касающихся вопросов производства работ, проведения натурных наблюдений за построенными сооружениями рассматриваемого типа.

Автор приносит искреннюю благодарность кандидатам технических наук С.И. Мигину, Н.Я. Хрусталеву, H.Н. Розанову и А.И. Тейтельбауму за ценные замечания, сделанные при просмотре рукописи, а также сотрудникам лаборатории гидротехнических сооружений ВНИИ ВОДГЕО за помощь при подготовке труда к изданию.

Д-р техн. наук А.А. Ничипорович

Введение

Основными местными материалами, которые используются для возведения плотин, являются грунт и камень. Грунт представляет собой дисперсную среду, состоящую преимущественно из минеральных частиц различной крупности, подразделяемых на крупнообломочные, песчаные и глинистые. Камень — это монолитная или трещиноватая скальная порода, искусственно размельченная на составляющие различной крупности.

Плотины из грунтов (земляные) являются древнейшими гидротехническими сооружениями. В странах древней культуры (Египте, Индии, Китае, Перу) плотины строили за несколько тысячелетий до новой эры. Плотины возводили из связных грунтов вручную путем укладки значительного объема материала в течение продолжительного времени (10— 15 лет). Камень в этих плотинах применялся редко. Высота плотин не превышала 10—15 м.

Плотины из камня (каменнонабросные) с противофильтрационными устройствами из негрунтовых материалов начали строить значительно позже — в середине — конце XIX в. в более сложных геологических и, природных условиях.

Во второй половине XIX в. в ряде стран (США, Франция, Англия) встала проблема строительства крупных гидротехнических сооружений. В связи с этим возникла необходимость расчета этих сооружений, разработки способов их рационального возведения. В конце XIX в. появились различные методы расчета на устойчивость, фильтрацию и др. В США впервые при строительстве земляных плотин был применен метод гидромеханизации.

Наибольшего развития плотиностроение достигло в 1920—1930 гг. В связи, с внедрением средств механизации начинают строить плотины значительной высоты и большого объема, широко используя гравелистые, песчаные, щебенистые материалы. Широкое распространение получили каменнонабросные плотины с экранами из железобетона, металла, асфальта, дерева и др.

Развитие механики грунтов и теории фильтрации обусловило появление инженерных способов расчета отдельных элементов плотин.

В последние годы в области строительства каменно-земляных плотин наметились следующие тенденции.

1. Увеличение высоты и объемов плотин: Оровилл (США) 224 м, Портидж- Маунтин (Канада) 183 м, Нурекская (СССР) 300 м, Кебан (Турция) 208 м.
2. Строительство плотин в сложных климатических и геологических условиях: на плохих основаниях; при наличии в створе оползней — Сионская (СССР), Оахе (США); в районах с 8—9-балльной сейсмичностью — Нурекская, Оровилл, Кремаста (Греция), Миборо (Япония), Браунли (США); в суровых зимних условиях — Вилюйская (СССР), Ангарская (СССР); в условиях вечной мерзлоты — Усть-Хантайская (СССР) и др.
3. Резкое сокращение строительства каменнонабросных плотин с негрунтовыми экранами и диафрагмами высотой более 100 м.
4. Широкое использование для тела плотин материалов (грунта и камня) с пониженными характеристиками сдвига, большой деформируемостыо, камня малой прочности, полускальных грунтов, выветреного грунта и пр. — Кугар (США), Кокип-Брод (Югославия).
5. Строительство плотин со сравнительно тонкими водонепроницаемыми устройствами (экраном и ядром) и упорными призмами из крупнообломочного, каменного, гравийного, щебенистого, гравийно-песчаного материалов: с ядром — Инфернильо (Мексика), Гепач (Австрия), Пер уча (Югославия); с экраном — Браунли (США), Кенни (Канада), Хирфанли (Турция).
6. Почти полный отказ от использования гидромеханизации в США и самое широкое применение этого способа в СССР при намыве плотин из песчаных и песчано-гравелистых материалов в широких поймах рек Европейской части СССР (Волга, Днепр, Дон, Кама и др.).
7. Все большее стремление применять энергию взрыва ВВ для возведения плотин и перемычек в СССР (Медео, Нурекская, Байпазинская и др.).
8. Увеличение суточной производительности и снижение стоимости возведения сооружений путем укрупнения механизмов и применения новых технологических схем (роторные экскаваторы, транспортеры, стационарные и передвижные сортировочные устройства и др.).
9. Усовершенствование методов расчета с использованием расчетных показателей, получаемых на крупномасштабных установках полевого типа (Оровилл, Инфернильо, Нурекская).
10. Разработка новых экономичных способов устройства противофильтрационных завес в сильно проницаемых грунтах вместо глубоких зубьев и диафрагм, возведение которых отличается высокой стоимостью и сложностью производства работ.
11. Создание новых типов плотин с максимальным обжатием их профиля, допускающих частичный перелив воды, с наиболее дешевыми элементами крепления откосов, дренажными устройствами, при минимальной общей стоимости.

Успешная работа рассматриваемых водоподпорных сооружений с усовершенствованными водосбросными устройствами (туннельными и береговыми открытыми) будет способствовать еще большему распространению их для создания водоемов и водохранилищ самого различного назначения [На VIII и X Международных конгрессах по большим плотинам в Эдинбурге и Стамбуле во многих обзорных докладах отмечалось, что плотины из местных материалов заняли превалирующее положение во многих странах мира (СССР, США, Канаде, Швеции, Норвегии), конкурируя с наиболее экономичными типами плотин из других материалов.].