В книге дано описание наиболее интересных земляных плотин, построенных за последние годы как у нас, так и за границей, и наряду с этим описание наиболее поучительных катастроф, происшедших с земляными плотинами. В книге приводятся данные по методике инженерно-геологических исследований для составления технического проекта, описаны методы расчета на устойчивость откосов, экранов, диафрагм, а также на осадку и фильтрацию. Все эти методы, иллюстрированы многочисленными примерами расчета.

Многочисленны приводимые данные по конструированию отдельных элементов тела плотины, как-то: экранов, ядер, диафрагм, дренажных устройств и пр.

В книге дано описание возможных методов отвода реки во время, постройки, дано описание основных специфических для земляных плотин методов производства работ, как-то: по укатке грунта,, по выбору наиболее эффективного уплотнения, увлажнения, по контрольным исследованиям в процессе укладки грунта в теле плотин, и т. д.

В заключение описываются произведенные как у нас, так и за границей наиболее интересные исследования выстроенных земляных плотин.

[* Сохранена оригинальная орфография издания]

Предисловие
От авторов

I. Введение

II. Классификация плотин

III. Описание выстроенных и строящихся плотин разных типов
1. Тип I. Плотины из однородного грунта
а) Плотина Owl Creek (США, Южн. Дакота)
б) Сталиногорские (Бобриковские) плотины (СССР)
в) Боз-Суйская плотина (СССР)
г) Терская плотина (СССР)
д) Боровенская плотина (СССР)
2. Тип II. Плотины из разнородного грунта
а) Плотина Bouquet Canyon (США)
б) Плотина Cie Elum (США, штат Вашингтон)
в) Плотина Santiago (Калифорния)
3. Тип IIа. Плотины с пластичным экраном
а) Плотина Niederwartha (Германия)
б) Химкинская плотина (СССР)
в) Владивостокская плотина (СССР)
г) Нижнемагнитогорская плотина (СССР)
д) Плотина Ottmachau (Германия)
е) Гизельдонская плотина (СССР)
4. Тип IIIб. Плотины с жестким экраном
а) Плотина El Vado (США)
б) Плотина Orédon (Пиринеи)
5. Тип IVa. Плотины с пластичным ядром
а) Плотина Lohr (Германия)
б) Плотина Noeelle (Италия)
6. Тип IVб. Плотины с жесткой диафрагмой
а) Плотина Sorpe (Германия)
б) Плотина Söse (Германия)
в) Плотина Wyman (США, Идаго)
г) Сызранская плотина (СССР)

IV. Разрушения земляных плотин
1. Общие соображения
2. Разрушения земляных плотин из-за недостаточной пропускной способности водосливных сооружений (перелив через гребень плотины) 
а) Плотина Johnstown (США, Пенсильвания)
б) Плотина Lower Pecos (США, Н. Мексика)
в) Плотина Dells u Hatfield (США)
г) Плотина Trout Lake (США, Колорадо)
д) Плотина Winston (Уинстон)
e) Плотина Lidderdale (США, Колорадо)
3. Разрушения из-за усиленной фильтрации через тело и основание плотины
а) Плотина Pleasant Valley (США, Ута)
б) Плотина Horse Creek (США, Колорадо)
в) Плотина Julesburg (США, Колорадо)
г) Плотина Corpus Christi (США, Техас)
д) Плотина Dnvis (Калифорния)
е) Плотина Millville (США, Ута)
ж) Плотина Küddow (Германия)
4. Разрушения из-за фильтрации вдоль водоспускных и водозаборных сооружений
а) Плотина Table Rock Cove (США, Калифорния)
б) Плотина Bradford (Англия)
в) Плотина Hatchtown (США, Ута)
г) Плотина Weisse Desse (Германия)
д) Плотина Lake Francis (Калифорния)
5. Оползни плотин
А. Оползни низового откоса
а) Плотина Lyman (США, Аризона)    
б) Плотина Ashtt (Индия)
в) Плотина Ekruk (Индия)
г) Плотина Lafayette (Калифорния)
Б. Оползни верхового откоса
а) Плотина Charmes (Франция)
б) Плотина Vassy (Франция
в) Плотина Ottmachau (Германия)
г) Плотина Сегсеу (Франция)
д) Плотина Torcy Vieux (Франция)
е) Плотина North Dike Washusette (США, Массачузет)
ж) Плотина Eildon (Австралия)
6. Разрушение вследствие разных причин
а) Плотина Apishapa (США, Колорадо)
б) Плотина New Hampshire (Америка)
в) Плотина Hebron (США, Н. Мексика)
г) Ольховская плотина (СССР)
д) Плотина Owl Creek (США, Сев, Каролина)
е) Прохоровская плотина (СССР)
7. Выводы

V. Исследования перед постройкой
1. Исследования топографические, гидрологические, геологические и гидрогеологические
2. Инженерно-геологический исследование
А. Основная цель, объем, методика
Б. Полевые исследования
а) Осадка от вертикальной нагрузки
б) Определение коэфициента фильтрации
в) Определение коэфициента трения и сцепления
В. Лабораторные исследования
а) Способ получения образцов
б) Гранулометрический состав
в) Удельный и объемный вес
г) Влажность, пористость, коэфициент порозности и зависимость коэфициента порозности от давления
д) Консистенция и граница консистенций грунтов
е) Коэфициент фильтрации
ж) Коэфициент внутреннего трения и сцепления

VI. Проектирование земляных плотин
1. Выбор типа
2. Выбор грунтов для тела плотины
3. Расчет на устойчивость откосов
а) Общие соображения
б) Способ Феллениуса
в) Способ Крея
г) Способ Терцаги
д) Оценка существующих способов расчета
е) Предлагаемый способ расчета (Крей-Терцаги)
ж) Пример расчета
4. Расчет на устойчивость защитного слоя и экрана
5. Расчет жестких диафрагм
6. Расчет на осадку
7. Расчет на фильтрацию
A. Общие соображения
Б. Расчет фильтрации через тело земляной плотины
а) Способ акад. Павловского
б) Способ Koechln'a
B. Расчет фильтрации в основании. Грунт однородный
а) Способ акад. Павловского
б) Способ Forchheimer’a
в) Способ Эгда
Г. Расчет фильтрации в основании. Грунт неоднородный
а) Способ инж. Бобкова
б) Способ Schaffernak'a
в) Способ расчета фильтрации при крупнослоистом грунте основания
Д. Порядок расчета
Е. Схема расчета
8. Отдельные конструктивные элементы плотин
а) Общие соображения
б) Очертание откосов
в) Ширина гребня
г) Превышение гребня над горизонтом воды в водохранилище
д) Защита откосов и гребня
е) Экраны
ж) Ядра и диафрагмы
з) Дренаж
и) Сопряжение тела плотин с основанием, с берегами и с водоспускными и водосливными сооружениями

VII. Возведение плотин
1. Отвод воды во время производства работ
2. Подготовка основания
3. Выемка глубоких траншей под ядра, диафрагмы и зубья
4. Транспортировка грунта из карьеров к месту укладки
5. Необходимая степень уплотнения тела земляных плотин
6. Способы укатки
7. Возведение ядер и пластичных экранов
8. Возведение бетонных и железобетонных диафрагм
9. Темпы возведения плотин
10. Исследования грунтов во время постройки

VIII. Наблюдение за плотинами в процессе их эксплоатации
1. Общие соображения
2. Примеры исследований выстроенных плотин
а) Исследование Боровенской плотины (СССР)
б) Исследование Боз-Суйской плотины (СССР)
в) Исследование Терской плотины (СССР)
г) Исследование Сызранской плотины (СССР)
д) Исследование плотин в долине р. Croton (США)
е) Исследование плотин в долине р. Asliokan (США)
ж) Исследование плотин в долине р. Rio Segre (Испания)
з) Исследование плотин в долине р. Coquille (США)
и) Исследование плотин в долине р. Chatsworth № 2 (США)
к) Исследование плотин в долине р. Phylbrook Creen (США)
л) Исследование плотин в долине р. Jastrow (США)
м) Исследование плотин в долине р. Карловской и Часов-Ярской
н) Исследование плотин в долине р. Сталиногорской и Гизельдонской
о) Исследование ряда плотин, расположенных в сейсмической зоне

Литература

Предисловие

В связи с развивающимся из года в год гидротехническим строительством у нас в Союзе и началом осуществления грандиозных гидротехнических проблем вопрос о рациональном проектировании и возведении земляных плотин, сооружение которых дает часто наиболее экономичное и даже в некоторых случаях единственно возможное решение, приобретает все большее и большее значение.

Достаточно указать здесь например на ряд крупных земляных плотин, строящихся в настоящее время для создания водохранилищ объемом в несколько десятков, а иногда и сотен миллионов кубометров, которые будут обслуживать промышленные предприятия общесоюзного значения (канал Волга — Москва, Магнитогорск, Карагандинская ГРЭС и т. д.) или на Волжскую проблему, в связи с которой намечается к постройке целый ряд весьма ответственных земляных плотин и дамб (типа плотин) значительной высоты.

В связи с таким большим распространением данного типа плотин, предназначаемых для обслуживания важнейших и разнообразнейших отраслей нашего народного хозяйства (энергетика, водоснабжение, ирригация, водный транспорт), естественно, должны повышаться и требования к их проектированию и возведению, обеспечивающие нормальную работу плотин в процессе эксплоатации.

Эти требования должны заключаться прежде всего в тщательном обосновании каждого проекта с использованием опыта постройки аналогичных сооружений последнего времени как у нас, так и за границей, а также в широком применении при их проектировании достаточно обоснованных и проверенных на опыте приемов расчета, которыми мы располагаем в настоящее время, и с учетом инженерно- геологических данных о грунтах тела и основания плотины.

Настоящая работа, выполненная в гидротехническом секторе Института Водгео, подробно освещающая основные вопросы по проектированию и возведению земляных плотин, является первой систематической работой в этой области; в ней наряду с многочисленными данными по выстроенным плотинам последних лет как у нас, так и за границей, данными по катастрофам, по конструктивному оформлению отдельных элементов и пр., приводятся весьма подробно методика инженерно-геологических исследований, методы расчета плотин на устойчивость, осадку, фильтрацию и пр.

Такое комплексное изложение является весьма ценным, так как при современной стадии развития земляного плотиностроения без увязки всех указанных вопросов между собой или без их учета вряд ли можно достаточно серьезно обосновать технический проект какой-либо ответственной земляной плотины.

Помимо этого как положительную сторону данной работы следует отметить критический подход к ряду приемов и методов, установившихся в практике земляного плотиностроения, с указанием на их неправильность и необоснованность и рекомендацию ряда новых приемов с учетом всех знаний о грунтах, которыми мы в настоящее время располагаем.

Все это заставляет надеяться, что настоящая работа, не лишенная конечно ряда недостатков, принесет достаточную пользу для данной области гидротехнического строительства.

Институт Водгео

От авторов

Настоящая работа выполнена в результате систематизации и проработки: весьма большого как опубликованного, так и неопубликованного материала по проектированию и возведению укатанных [По плотинам намывным в институте Водгео подготовляется к печати отдельная работа.]  земляных плотин с учетом опыта как нашей, так и заграничной практики последних лет.

Основная цель данной работы — ознакомить широкие круги гидротехников с последними достижениями в области земляного плотиностроения и на основе анализа всего собранного материала попытаться выявить методы подхода к проектированию и возведению данного типа сооружений, наиболее правильные и рациональные.

Кроме того, учитывая весьма большие достижения последних лет в области механики грунтов, была сделана попытка по возможности увязать их с соответствующими вопросами, рассматриваемыми в данной работе.

В соответствии с этим и содержание данной работы наметилось следующее.

В гл. I, II и III приведена классификация земляных плотин по их конструкции и дано по каждому типу описание наиболее интересных плотин, построенных за последние годы как у нас, так и за границей.

Описание плотин нами выделено в специальную главу для большей цельности представления о рассматриваемых объектах.

В гл. IV приведены данные по имевшим место катастрофам земляных плотин.

Эти данные, несмотря на то, что по некоторым плотинам они весьма кратки и в ряде случаев не дают возможности глубоко проанализировать причину имевшей место катастрофы, все же представляют значительный интерес, указывая на те факторы, которые следует учитывать при проектировании и возведении рассматриваемых сооружений, дабы избежать нежелательных последствий.

В гл. V из всех исследований, которые следует проводить для обоснования технического проекта плотины, мы сочли необходимым остановиться лишь на инженерно-геологических исследованиях, так как по вопросам объема, методике их, а также практического использования полученных по ним результатов (как показал опыт строительства плотин у нас в СССР) имеется больше всего неясностей, ведущих часто к бесцельным затратам весьма больших средств.

На методике этих исследований мы считали нужным остановиться более подробно, учитывая, что от нее главным образом и зависит правильность получаемых данных.

В гл. VI приведены соображения о выборе грунтов для земляных плотин, о выборе ряда конструктивных элементов, а кроме того достаточно подробно разработаны методы расчета плотин на устойчивость, фильтрацию и осадку, без которых с нашей точки зрения в настоящее время нельзя достаточно обосновать ни одного проекта более или менее ответственного сооружения. Ряд катастроф, сопровождающихся оползанием откосов плотин после их постройки, просадкой и сдвигами плотин в процессе их возведения, указывает ясно на то, что при проектировании этих сооружений недостаточно бывает учитывать вопросы лишь фильтрации, как это делается в настоящее время, а что необходимо также уделять достаточное внимание устойчивости их с учетом всех основных данных по грунтам как тела, так и основания плотин.

В данном разделе приведен ряд методов, нигде еще не опубликованных, причем для возможности пользования ими при практических расчетах они иллюстрированы многочисленными примерами.

В гл. VII приведены данные лишь по наиболее существенным и специфическим для земляных плотин вопросам, как-то: отвод воды во время постройки, подготовка основания, укатка, уплотнение и т. д.

Особо мы отмечаем здесь вопрос о выборе и способе получения наиболее эффективного уплотнения грунта при укатке тела плотины.

В отличие от распространенного до настоящего времени подхода к назначению уплотнения грунта, исходя из плотности его в карьере, нами приводится новый метод, являющийся с нашей точки зрения более обоснованным и правильным.

Кроме этого в данной главе приведены суждения по вопросу контрольных исследований в процессе возведения, от которых в большей степени зависит качество возведенного сооружения, но которым к сожалению у нас не уделяется еще достаточного внимания.

В гл. VIII приведен ряд данных но исследованиям выстроенных плотин, которые, несмотря на свою неполноту, все же освещают ряд интересных моментов, важных для учета их при проектировании аналогичных сооружений.

Придавая этому вопросу весьма большое значение, мы считаем, что очень много неясностей, которые возникают в настоящее время в области земляного плотиностроения, смогут разрешаться лишь при планомерном, регулярном и достаточно полном исследовании плотин выстроенных.

При рассмотрении всех вышеупомянутых вопросов нами были использованы не только опубликованные как в нашей, так и в иностранной литературе материалы, а также большое количество и неопубликованных полученных в отдельных проектах строительных и научно-исследовательских организациях (в частности в Институте Водгео), но и личное знакомство с некоторыми объектами, на которых Институтом Водгео проводились исследовательские работы в период 1928—1934 гг. (Сталиногорские плотины, Гизельдонская, Сызранская, Боровенская, Боз-Суйская и др.).

Из материалов, которые представляют весьма большой интерес, укажем на материал по возведению и проектированию ряда плотин на Беломорско-Балтийском канале им. Сталина, который был получен и обработан при участии инж. Краснопольского М. В., за что и приносим ему свою благодарность.

Кроме этого считаем своим долгом выразить благодарность также Мостовой М.А. за подбор и перевод материалов по иностранной литературе, инж. Дворяшину В.И. за предоставление некоторых материалов для использования их в работе, а также работникам Гидроэлектропроекта проф. Василенкову и инж. Либкинд, любезно предоставившим собранный ими материал по данному вопросу.

При подготовке данной работы к печати инж. Ничипоровичем А.А. были написаны следующие главы: главы I и II; разд. 16, 1в, 1г, 1д, 3е, 6б, 6в в и 6г главы III; разд. 7 главы IV; глава V; глава VI кроме разд. 7 и главы VII и VIII. Инж. Истоминой В.С. — разд. 1а, 2а, 26, 2в, За, 36, Зв, 3г, 3д, 4а, 46, 5а, 56 и 6а, табл. 7, 8, 10, 11, 12, 14 главы III; глава IV кроме разд. 7 и разд. 7 главы VI.

В заключение считаем необходимым отметить, что в настоящей работе, охватывающей весьма большое количество вопросов, которые являются в ряде случаев еще новыми и достаточно сложными, естественно, имеются недочеты, указания на которые мы примем с благодарностью, но все же мы надеемся, что данная книга принесет пользу, ознакомив читателей с последними достижениями в области земляного плотиностроения и наметив некоторые пути к более правильным приемам проектирования и возведения укатанных земляных плотин.

Введение

Земляные плотины являются одним из древнейших сооружений в области гидротехники. История указывает на возведение этих сооружений в странах древней культуры (Египте, Индии, Китае, Перу, Мессопотамии) чуть ли не за несколько тысячелетий до христианской эры. 

Совершенно естественно, что за этот колоссальный период времени попутно с развитием культуры и техники земляные плотины также претерпевали большие изменения как в своем конструктивном оформлении, так и в методах производства работ, В настоящее время из сооружений высотой не более 10 — 20 м, строившихся исключительно по интуиции человека самым примитивным способом, они превратились в грандиозные сооружения высотой до 70 — 80 м чисто инженерного типа с применением как при своем проектировании, так и при возведении последних достижений науки и техники.

Имея весьма неполные и отрывочные сведения о наиболее древних плотинах (Варанумская, Падовильская, Куммумская и др.), можно лишь указать, что строились они обычно из однородного материала при достаточно простых геологических условиях в основании. В большинстве случаев высота их не превышала 15 — 20 м. Возводились эти плотины весьма примитивным способом с использованием исключительно человеческой силы. Уплотнение грунта в теле плотины производилось ногами человека. Применение такого способа возведения этих сооружений требовало вложения колоссального количества труда и при сравнительно больших плотинах большого количества времени (до 10 —15 лет). Качество же выполнения их было весьма высоким, о чем можно судить по благополучной работе этих сооружений достаточно долгое время при весьма экономичных профилях и сравнительно большой их высоте (например Куммумская плотина).

Более полные сведения мы имеем о плотинах, возведенных лишь с середины XIX века. В этот период можно уже отметить стремление к применению при постройке плотин разнородного материала, применение примитивной механизации, сооружение плотин при более сложных геологических условиях в основании и пр.

Во второй половине XIX века в связи с разрушением целого ряда земляных плотин, как например плотин Vassy, Torcy Vieux, Cercey и т. д. во Франции, а также возникшей необходимостью в ряде стран (Франция, Англия, Америка) постройки крупных гидротехнических сооружений вопрос земляного плотиностроения начал дебатироваться видными французскими и английскими инженерами. Стали возникать вопросы как о необходимости хотя бы примерного расчета этих сооружений, так и о выработке наиболее рациональных методов их постройки.

К этому периоду относятся появление различных методов расчета плотин на устойчивость, примитивные методы расчета на фильтрацию и пр. В тот же период в Америке впервые был применен новый метод постройки плотин намывным и полунамывным способами.

Начало XX века характеризуется применением уже весьма совершенных методов постройки плотин, большей механизацией всех процессов работ (Cold Spring), постройкой плотин как укатанных, так и намывных значительной высоты, до 70 м (Calaveras). Этот период характерен также особым увлечением намывными плотинами, особенно в Америке.

Несмотря на прогресс в постройке земляных плотин за вышеуказанные периоды, все же следует отметить, что до самого последнего времени (20-х годов XX века) за отсутствием сколь-нибудь обоснованных и годных для практического применения методов расчета этих сооружений к их проектированию подходили большей частью интуитивно или основываясь на выстроенных и исправно работающих плотинах, учитывая при этом и все происшедшие достаточно многочисленные катастрофы. Значительный сдвиг в этом вопросе наступил лишь в самые последние годы (5 — 8 лет), когда появился ряд работ по механике грунтов, по фильтрации через земляные массивы и пр.

Все это дало возможность подходить к проектированию данных сооружений более обоснованно и позволило осуществлять за последние годы ряд чрезвычайно ответственных земляных плотин самой разнообразной конструкции и в самых разнообразных геологических условиях как намывным, так и укатанным способом высотой 60 — 80 м (Cobble Mountain, Sorpe, Söse, Bouquet Canyon, El Vado, Wyman и др.), причем в Америке путем применения механизации и правильной организации работ достигнута рекордная производительность по укладке грунта в тело укатанной земляной плотины, равная 12 500 м³/сутки (Santiago, Bouquet Canyon) и оставившая далеко позади производительность при намывном способе (максимальная производительность по укладке грунта при постройке плотины Cobble Mountain была 5500 м³/сутки). Естественно, что такая высокая производительность по укладке сильно удешевляет стоимость 1 м³ грунта, уложенного в тело укатанной плотины, приближая ее к стоимости 1 м³ грунта в плотине намывной. Этим, по-видимому, в основном и объясняются некоторое „охлаждение“ к намывным плотинам, которое наблюдается за последнее время в Америке, и переход опять на плотины укатанные, которые до настоящего времени уступали намывным плотинам главным образом вследствие своей высокой стоимости по сравнению с последними.

Из всего вышесказанного можно наметить следующие направления, но которым шло развитие земляного плотиностроения:

1. Усовершенствование методов расчета.
2. Усовершенствование конструкций, позволяющих:
а) сооружать их в любых геологических условиях,
б) применять для их постройки разнообразный материал в любых комбинациях (грунт, дерево, бетон, камень, железо),
в) уменьшать объем тела плотины при заданной высоте путем изменения уклона откосов по высоте, устройства парапета и пр.
3. Усовершенствование методов производства работ по возведению плотин с механизацией всех строительных процессов.

Вышеуказанное привело к отмеченным достижениям в этих областях за исключением уменьшения объема насыпи, так как уклоны откосов современных плотин мало отличаются от таковых для плотин более раннего периода. Последнее можно пояснить неясностью и неопределенностью еще целого ряда вопросов, связанных с расчетом на устойчивость земляных откосов, имеющихся даже и в настоящее время.