Плотины из каменной кладки — предшественники бетонных плотин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Плотины из каменной кладки -- предшественники бетонных плотин

Саинов Михаил Петрович

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», Москва, Россия Профессор кафедры «Гидравлики и гидротехнического строительства» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия Заведующий кафедрой «Энергетических и гидротехнических сооружений»

Доктор технических наук, доцент



Аннотация

Введение. В настоящее время при строительстве гидроузлов высокого напора, при устройстве водосливных плотин обычно применяются бетонные плотины. Но так было не всегда -- бетонные плотины стали применять относительно недавно, с конца XIX в. До этого аналогичные функции выполняли плотины из каменной кладки. Эти два типа плотин имеют много общего. Интересно проследить, как повлиял опыт строительства каменных плотин повлиял на конструкции бетонных плотин. Для этого был составлен исторический обзор опыта применения плотин из каменной кладки.

Материалы. Для составления обзора были использованы литературные источники, которые были изданы в период до активного применения бетонных плотин -- в конце XIX в. и начале XX в.

Результаты. Каменные плотины строили уже несколько тысячелетий назад. Ещё римлянами были применены основные типы конструкции жёстких плотин -- гравитационная, арочная, контрфорсная. Однако все эти конструкции строились без расчётов, только на основании опыта и интуиции.

Основы теории жёстких плотин были заложены в XIX в. Именно тогда были разработаны принципы выбора профиля гравитационной плотины из каменной кладки, конструкции арочной плотины цилиндрической формы. Это позволило сделать профиль плотины более компактным и экономичным. Уже в начале XX в. максимальная высота каменных плотин превысила 100 м. Однако примерно к середине XX в. каменные плотины не выдержали конкуренции с бетонными и были вытеснены ими.

Выводы. Плотины из каменной кладки являются предшественником бетонных плотин. Многие основные конструктивные решения и принципы проектирования бетонных плотин были заимствованы от каменных плотин. Однако в XIX в. применялись методы упрощённые методы расчёта плотин. Тем не менее, многие каменные плотины успешно эксплуатируются до сих пор, при чём некоторые -- уже несколько сотен лет.

Ключевые слова: плотина из каменной кладки; гравитационная плотина; арочная плотина; многоарочная плотина; контрфорсная плотина; дренаж плотина каменная кладка гравитационный



Masonry dams -- precessors of concrete dams

Abstract. At present the concrete dams are used at construction of high-head projects, arrangement of the spillway dams. But it was not always like this: concrete dams have been started to be used relatively recently, i.e. from the end of the XIXth century. Before, the similar functions were played masonry dams. These two types of dams have much in common. It is interesting to observe how the experience in construction of masonry dams effected structural designs of concrete dams. For this purpose, there was prepared a historical survey of using masonry dams.

For preparation of the survey there were used the literary sources which were published during the period of the active application of concrete dams, i.e. at the end of XIXth century and at the beginning of the XXth century.

Masonry dams were already constructed several thousand years ago. Romans already used the main types of rigid dams: gravity, arch and buttress dams. However, all these structures were constructed without calculations, only based on experience and intuition.

The foundations of the rigid dam theory were laid in the XIXth century. It was at that time when there were developed the principles of selecting the profile of a masonry gravity dam, structural design of an arch dam with cylindrical configuration. This permitted making a dam profile more compact and cost effective. Already at the start of the XXth century the maximum height of masonry dams exceeded 100 m. However, approximately by the middle of the XXth century, the masonry dams had failed to withstand competition with concrete dams and were displaced by them.

Masonry dams are precessors of concrete dams. Many basic structural solutions and principles in designing concrete dams were taken from masonry dams. However, in the XIXth century there were used simplified methods of dam designs. Nevertheless, many masonry dams have been successfully operating till present time; at that, some of them for already several hundred years.

Keywords: masonry dam; gravity dam; arch dam; multiple arch dam; buttress dam; drainage



Введение

На современном этапе гидротехнического строительства бетонные плотины являются незаменимым и часто применяемым типом плотин. Главными преимуществами бетонных плотин являются их высокая надёжность, компактность, а также возможность устройства водосброса.

Такими же свойствами обладают плотины и другого типа -- плотины из каменной кладки (или каменные плотины). Они имеют компактный профиль и малые деформации. Плотины из бетона и кладки имеют много общего. Некоторые плотины из каменной кладки выполнялись на растворе. В начале XX в. в технической литературе плотины из бетона также называли каменными, ведь бетон -- это искусственный камень. Плотины из бетона каменной кладки условно можно назвать «твёрдыми плотинами».

Сейчас каменные плотины не применяются, но до середины XX века были весьма распространёнными. За несколько десятилетий информация о каменных плотинах подзабылась, её не найти в современных учебниках. Поэтому интересно проследить, как повлиял опыт строительства каменных плотин повлиял на конструкции плотин бетонных, насколько за прошедшие 100 лет изменились конструкции жёстких плотин и методы их расчёта.

Выделяют четыре основные типа жёстких плотин: гравитационные, контрфорсные, арочно-гравитационные и арочные. Приведём определения, установленные в ГОСТ, типов плотин.

Гравитационная плотина -- это «плотина, устойчивость которой обеспечивается силами сопротивления сдвигу, зависящими, в основном, от веса сооружения и водной пригрузки».

Контрфорсная плотина -- «плотина, устойчивость которой обеспечивается силами сопротивления сдвигу вертикальных стен-контрфорсов, воспринимающих через опертую на них напорную грань давление воды».

Арочная плотина -- «криволинейная в плане бетонная плотина, устойчивость которой обеспечивается, в основном, путем опирания на скальные береговые массивы».

Арочно-гравитационная плотина -- «криволинейная в плане бетонная плотина, устойчивость которой обеспечивается как путем опирания на скальные береговые массивы, так и силами сопротивления сдвигу, зависящими от веса сооружения».

В данной статье мы рассмотрим основные вехи и этапы развития теории плотин жёсткой конструкции, составив исторический обзор с примерами и фактами. Рассмотрим, как и когда появились основные типы плотин, с какими проблема сталкивались инженеры прошлого, какие происходили аварии и инциденты на плотинах.



Материалы

Для составления исторического обзора, для получения исторических фактов была использована литература конца XIX -- начала XX в. Использовались труды американского инженера E. Wegmann [1; 2], W.G. Bligh [3], C.W. Smith [4] и др. Много ценной информации содержится в информационном бюллетене международного конгресса по большим плотинам [5], труде Бюро мелиорации США [6]. Использовались также открытые источники.

Результаты

Статистика свидетельствует, что бетонные плотины стали применяться лишь с конца XIX в. Это объясняется тем, что сам бетон как искусственный каменный строительный материал, изготовленный на основе цемента, стал применяться лишь во второй половине XIX в. Рецептура изготовления портландцемента была запатентована лишь в 1824 г. Железобетон был запатентован в 1867 г.

В Римской империи применяли так называемый римский бетон, в котором в качестве связующего вещества использовалась известь с добавлением пуццолана, пемзы и др. Однако примеров плотин, полностью построенных из римского бетона, известно мало.

До появления бетона все высокие плотины строили из каменной кладки. Использовалась кладка на известковом растворе или сухая кладка, т. е. кладка без раствора. Применение каменной кладки было необходимо для устройства водосброса в составе плотины.

Древние плотины из каменной кладки

Плотины из кладки камня строились ещё в глубокой древности [5]. Например, до наших дней сохранились остатки водосброса Марибской плотины. Эта плотина была построена на территории Йемена между 1 000 и 700 гг. до н.э., её водосброс выполнен из каменной кладки, часть которой сохранилась.

Больших успехов в строительстве плотин из каменной кладки достигли римляне. Сооружения строились во многих частях Римской империи.

Достижения римлян заключались в строительстве более высоких плотин и разработке их новых конструктивных решений (в т. ч. применении римского бетона).

В основном использовались плотины гравитационного типа. В I в. на территории Испании была построена плотина Almonacid de la Cuba высотой 34 м и длиной 120 м [5]. Самой высокой из известных римских плотин являлась арочная плотина Subiaco (Италия), построенная при императоре Нероне (1 в. н.э.). Предполагается, что она имела высоту 40-50 м, толщину 13,5 м и была самой плотиной до момента её случайного разрушения в 1305 г.

Римляне применили плотины арочного и контрфорсного типа.

Первой контрфорсной плотиной считается плотина Esparragalejo (Испания) высотой 5,6 м. Плотина была построена в I в. и эксплуатируется до сих пор. Она имеет закруглённые арки.

Первой в мире арочной плотиной считается плотина Glanum (или Vallon de Baume), которая была построена римлянами на территории Франции в I в. Она имела высоту 6 м [7]. Конструкция плотины состояла из двух арок толщиной 1 м, пространство между которым было заполнено песком и щебнем. Римляне часто применяли такой приём в строительстве плотин. Необходимость устройства заполненной грунтом полости была связана не только с желанием уменьшить стоимость сооружения, но и с необходимость уменьшить водопроницаемость плотины.



Плотины из каменной кладки в доиндустриальную эпоху

В XIV в. на территории Ирана были построены две арочные плотины Kebar (высотой 26 м) и Kurit (высотой около 50 м). Плотина Kurit построена в узком ущелье имеет толщину 2,1 м, она выполнена на растворе [7]. Долгое время она являлась самой высокой плотиной в мире.

Новый этап в развитии плотин из каменной кладки связан с эпохой Возрождения в Европе. В это время были построены несколько новых более высоких плотин. Строительство велось в Испании, являвшейся в то время самым могущественным государством Европы.

Прежде всего необходимо указать на плотину Almansa. Считается, что она была построена в 1579-1586 г. [1], но возможно она была построена ещё в 1384 г. при мусульманских правителях. Плотина имеет высоту более 20 м и длину по гребню около 90 м (рис. 1). Плотина закруглена в плане и упирается в скальные берега. Её толщина составляет 10,28 м [1].

Рисунок 1. Профиль плотины Almansa [2]

Чуть позже, в 1579-1594 гг. была построена плотина Tibi (Alicante) высотой 46 м. Долгое время она была самой высокой плотиной в Европе. Это арочно-гравитационная с радиусом около 80 м [5]. Толщина плотины у основания составляет около 34 м, у гребня -- 20 м (рис. 2). Плотина выполнена из каменной кладки на растворе.

Рисунок 2. Схема профиля плотины Tibi (Alicante) [2]

В 1597 г. в Италии была построена арочная плотина Ponte Alto. Её первоначальная высота составляла всего 5 м, но она неоднократно надстраивалась.

В 1640 г. в Испании была построена арочная плотина Elche высотой 23 м. Её толщина практически постоянна по высоте и составляет у подошвы 12 м.

Был построены ещё ряд каменных плотин, но все они являются массивными. Перечисленные выше плотины имеют довольно простой профиль, близкий к прямоугольному.

Это связано с тем, что до конца XVIII века проектирование плотин было основано на интуитивном и эмпирическом подходах, а сложных расчётов сооружений не выполняли. Закон Гука был сформулирован в 1660 г., а первый закон Ньютона -- в 1686 г.

Теория расчёта плотин из каменной кладки стала развиваться лишь в XIX в.

Особую актуальность этот вопрос приобрёл в связи с разрушением плотины Puentes в 1802 г. Плотина Puentes была построена в Испании в 1785-1791 гг. Это была плотина высотой 50 м и длиной 282 м [1]. Плотина имела массивный профиль -- ширина гребня составляла 10,89 м, по подошве -- 44,27 м. При строительстве было обнаружено, что скала залегает на большей глубине, чем предполагалось. В связи с этим было решено расположить плотину на поле из деревянных свай, забитых в гравийный грунт на глубину 6,7 м. Был также выполнен деревянный понур. 30 апреля 1802 г., когда уровень водохранилища поднялся выше обычного, произошло разрушение плотины. Перед аварией наблюдался интенсивный вынос водой грунта основания. Катастрофа унесла жизни более 600 человек.

Появление теории гравитационных плотин

В 1853 г. французский учёный J. Augustin Tortene de Sazilly опубликовал работу, в которой изложил идею «профиля равной прочности» гравитационной плотины. Она заключается в том, что максимальная величина напряжения в горизонтальном сечении плотины должна быть одинакова для двух случаев -- при наполненном и при опорожнённом водохранилище. При опорожнённом водохранилище напряжения формируются только собственным весом сооружения и достигают максимума на напорной грани, а при наполненном водохранилище напряжения формируются не только весом, но и гидростатическим давлением и достигают максимума на низовой грани. При этом A. Sazilly считал, что риск сдвига каменной кладки менее вероятен, чем потери прочности на сжатие. Методика расчёта A. Sazilly предусматривает подсчёт ширины профиля для ряда горизонтальных сечений в последовательности сверху внизу.

Условию «профиля равной прочности» соответствует профиль, ширина которого увеличивается от гребня к подошве (рис. 3). При этом чем ближе сечение к подошве, тем более интенсивно увеличивается его ширина. В нижней части ширина плотины должна увеличиваться не только в низовую, так и в верховую сторону. Для плотины высотой 50 м ширина подошвы составляет около 50 м (рис. 3), это существенно больше, чем в современных бетонных гравитационных плотинах.

Позже французский инженер F. Emile Delocre использовал теорию «профиля равной прочности» при проектировании плотины Furens во Франции. Результаты его исследований стали известны в 1858 г. При разработке проекта плотины E. Delocre на основе анализа конструкции построенных плотин подсчитал, что каменная плотина может выдержать сжимающее напряжение 6 кгс/см² (0,59 МПа) [2]. Он предложил формулы для определения профиля плотины. К 1866 г. плотина Furens высотой 56 м была построена, она стала самой высокой плотиной в мире [2].

Красные линии соответствуют профилю A. Sazilly, зелёным линии -- профилю F. Delocre, синим -- профилю W. Rankine

Рисунок 3. Сравнение профилей плотины A. Sazilly, F. Delocre, W. Rankine

В начале 1870-х годов вопросом выбора профиля плотины занимался известный шотландский учёный William J.M. Rankine. В целом подтвердив правильность рассуждений французских инженеров, он внёс дополнения в теорию формирования профиля плотины. Во-первых, W. Rankine дополнил теорию условием прочности кладки на растяжение. Он показал, что для обеспечения отсутствия в плотине растягивающих напряжений необходимо, чтобы равнодействующая сил собственного веса и гидростатического давления должна быть приложена в средней трети ширины профиля [2]. Во-вторых, W. Rankine как основоположник теории максимальных напряжений указал, что на наклонных гранях плотины сжимающие напряжения выше, чем вертикальные напряжения. Он предложил использовать для верховой и низовой грани разные значения граничных предельных напряжений (1,0 МПа для низовой грани, 0,79 МПа для верховой грани). Предложенный им профиль не является «равнопрочным». В-третьих, при решении задачи W. Rankine использовал непрерывную логарифмическую функцию для описания геометрии профиля.

Теория выбора профиля плотины была сформирована исходя из трёх условий: устойчивости на сдвиг, устойчивости против опрокидывания и прочности каменной кладки. Сравнение профиля Sazilly, Delocre и Rankine показывает, что они близки друг к другу.

Равнопрочный профиль был использован при проектировании ряда плотин: Gileppe (Бельгия, H = 51,8 м, 1878), Wyrnwy (Великобритания, H = 44 м, 1888). Они имеют массивный профиль.

Американский инженер E. Wegmann применил теорию для выбора профиля плотины New Croton (США) (рис. 4). На тот момент эта плотина была самой высокой в мире, её максимальная строительная высота -- 90,6 м. В процессе строительства профиль был усилен по сравнению проектным.

Опыт строительства высоких плотин позволил инженерам проектировать плотины менее массивными за счёт учёта большей прочности каменной кладки на сжатие. При высокой прочности рекомендовали принимать профиль с вертикальной напорной гранью и отношением ширины подошвы к высоте около 2/3 [2].

Рисунок 4. Схема проектного профиля плотины New Croton (США) [3]

Криволинейное очертание граней часто применяли только в верхней части профиля, а в нижней его принимали линейным. Такой профиль было принято называть практическим.

Дренаж в основании и теле плотины

В начале XX в. при проектировании каменных плотин считалось, что ширина плотины по основанию должна составлять от 2/3 до 3/4 от высоты плотины. Однако теория не учитывала ещё один важный фактор -- взвешивающее действие воды, фильтрующей как в основании, так и в самой каменной кладке. Противодавление негативно сказывается на устойчивости плотины и прочности кладки, т. к. уменьшает сжимающее напряжения от собственного веса.

Это привело к разрушению двух плотин, которое привело к человеческим жертвам.

В 1881 г. произошло разрушение плотины El Habra (Алжир), построенной в 1873 г. [1]. Высота плотины составляла около 36 м, профиль был определён по методу Delocre. Обрушение произошло при подъёме уровня воды в водохранилище.

Как видим, обрушение происходило в полноводный период. При подъёме уровня воды в водохранилища происходит увеличение уровня воды влечёт за собой не только увеличение гидростатического давления, но и противодавления воды на подошве. Это снижает силы сопротивления сдвигу в основании.

В 1911 г. в США произошло разрушение Austin (Bayless) высотой 15,2 м и длиной 165,8 м. Ширина подошвы плотины составляла 9,25 м, т. е. она составляла порядка 60 % от высоты плотины. Для защиты от фильтрации в основании было предусмотрено устройство неглубокого зуба. Ширина плотины по гребню составляла менее 1 м, но была предусмотрена установка арматуры на верховой грани.

Ещё до наполнения водохранилища (декабрь 1909 г.) в плотине образовались две вертикальные тонкие трещины. 23 января 2010 г. произошло смещение левобережной части плотины по основанию на несколько дециметров, при этом наблюдалась повышенная фильтрация. Эксплуатация плотины была продолжена при пониженном уровне верхнего бьефа. 30 сентября 1911 г., произошло разрушение плотины на несколько вертикальных участков.

С тех пор для предотвращения обрушения плотины стали применять дренаж в основании. Первой плотиной, в основании которой был выполнен дренаж для уменьшения фильтрационного противодавления на подошву плотины, является плотина Wyrnwy (Великобритания H = 44 м, 1888) [2].

Надо отметить, что американский инженер E. Wegmann не видел угрозы в фильтрации воды в теле каменной кладки. Напротив, он считал, что водонасыщение тела плотины водой увеличивает вес плотины и, соответственно, её устойчивость [2]. Однако опыт показал ошибочность этих суждений.

В 1895 г. произошло разрушение плотины Bouze (Франция) высотой 23 м. Эта плотина была построена в 1879-1882 гг. Её профиль был выполнен довольно обжатым (рис. 5). Фильтрация через кладку началась ещё в 1884 г., вероятно через трещины [2]. Несмотря на то, что профиль плотины был усилен с низовой грани, 27 апреля 1895 г. во время паводка обрушилась верхняя часть плотины высотой 12 м и длиной 171 м.

первоначальный профиль плотины; 2 -- часть профиля, выполненная при усилении; 3

Рисунок 5. Схема конструкции плотины Bouze [2] отсыпка глины

Аварию связали с повышенной фильтрацией через кладку, которая фиксировалась задолго до аварии. Стало ясно, что при проектировании нужно учитывать наличие в кладке (и в основании) противодавления, создаваемого фильтрующей водой. В 1895 г. французский инженер Maurice Levy предложил принимать линейное распределение противодавления по ширине горизонтального сечения, однако он не получил поддержки учёных и инженеров.

Дренаж тела плотины стали выполнять с 1910-х годов. Вертикальный дренаж выполнен в американских плотина Olive Bridge (76 м, 1916, рис. 6), Kensico (H = 93,6 м, L = 561,7 м, 1916) [2; 3].

Сведений о создании цементационных завес в основании плотин немного. Из [3] известно, что цементация была выполнена на плотине Estacada (Cazadero), построенной в 1904-1907 гг., и на плотине Lahontan, построенной в 1915 г.

Теория арочных плотин

До XIX в. несмотря на опыт строительства нескольких арочных плотины (Glanum, Elche, Ponte Alto и др.), недооценивалось возможность обеспечения устойчивости плотины за счёт упора в скальные берега.

Рисунок 6. Конструкция плотины Olive Bridge [3]

1 -- бутовая кладка; 2 -- бетонный блок; 3 -- дренажные блоки; 4 -- инспекционная галерея

В 1840-х годах французский инженер Francis A.G.M. Zola разработал проект арочной плотины высотой 38 м и длиной 62,5 м. Плотина имеет цилиндрическую форму с радиусом 48,1 м [2].

Выбор ширины плотины осуществлялся по так называемой котельной формуле, которая была получена Louis Navier в 1826 г. Эта формула отражает простой факт, что продольное напряжение в круглой оболочке прямо пропорционально внешнему давлению и радиус оболочки и обратно пропорционально его толщине. Соответственно, толщина профиля плотины Zola увеличивается с глубиной (рис. 7). Толщина на гребне составляет 5,8 м, подошвы -- 12,75 м [2]. Метод расчёта по котельной формуле подразумевает, что все сечения плотины по высоте работают независимо друг от друга, поэтому в российской традиции он называется методом независимых арок.

В США первой в мире арочной плотиной считают плотину Bear Valley, построенная в 1884 г. Плотина имеет высоту 19,5 м и длину по гребню 91,4 м [2]. Плотина изогнута в плане, но имеет небольшой центральный угол -- около 50°, радиус составляет 102,1 м. Верхняя часть профиля плотины (высотой 14 м) выполнена в виде тонкой каменной арки. Её толщина поверху -- около 1 м, а понизу -- 2,6 м. Этот смелый профиль вызывал опасения по прочности. В 1911 г. плотина Bear Valley была затоплена при строительстве многоарочной плотины Big Bear Valley.

Рисунок 7. Схема профиля плотины Zola [2]

В 1888 г. в США была построена более высокая арочная плотина. Плотина Sweetwater имеет высоту 32,9 м и длину по гребню 213 м. Поперечное сечение, близкое по форме к симметричной трапеции. Толщина арки по гребню составляет 3,66 м, а по основанию -- 14,0 м [2].

Применение арочной формы давало существенный экономический эффект. Как показывают вышеуказанные примеры, толщина плотины существенно меньше, чем требуется для гравитационной плотины по теории равнопрочного профиля. Однако арочные плотины не получили распространения при применении каменной кладки. Большие возможности дал переход на использование бетона.

Развитие контрфорсных плотин

В первую очередь следует указать на уникальную многоарочную плотину, которая была построена в Индии в 1804-1808 гг. Это каменная плотина Mir Alam высотой 12 м. Она состоит из 21 полукруглой арки, опирающихся на контрфорсы, расположенные с шагом 21,3--44,8 м [2]. Арки -- вертикальные, с центральным углом 180° (рис. 8, 9).

Рисунок 8. План-схема одного пролёта плотины Mir Alam [4]

а -- разрез по контрфорсу; б -- разрез по ключевому сечению арки

Появление бетона и железобетона позволило усовершенствовать новые конструкции контрфорсных плотин.

Рисунок 9. Схема устройства плотины Mir Alam в вертикальных разрезах [4]

Уже в конце XIX века бетон был использован при строительстве многоарочной плотины Плотина Junction Reefs (Belubula) в Австралии была построена в 1895-1897 гг. Она имеет высоту 18,3 м и длину по гребню 131 м [2; 4; 7] (рис. 10). Плотина состоит из 5 эллиптических арок с пролетом 8,5 м, которые наклонены под углом 60° к горизонту и опираются на 6 контрфорсов. Фундамент плотины и наружные стены выполнены из бетона, а верхняя часть контрфорсов выполнена из кирпича.



а -- разрез по ключевому сечению арки; б -- вид с нижнего бьефа; в -- план; г -- горизонтальный разрез A-A; 1 -- контрфорс из кирпичной кладки; 2 -- плоское напорное перекрытие из бетона; 3 -- эллиптические арки из кирпичной кладки; 4 -- постамент из кирпича

Рисунок 10. Схема конструкции многоарочной плотины Belubula [4]

1929-1933 гг. была выполнена реконструкция плотины Aswan в Египте, построенной в 1898-1902 гг. из кладки камня. Усиление старой гравитационной конструкции плотины было осуществлено путём устройства контрфорсов.

Конкуренция каменных плотин с плотинами других типов

Примерно с 1920-х годов каменные плотины стали применять реже, чем бетонные. Уже в 1915 г., с вводом в строй плотины Arrowrock (США, H = 107 м) бетонные плотины превзошли каменные по максимальной высоте.

А уже начиная с 1930-х годов плотины, полностью выполненные из каменной кладки, стали применять редко. Одним из редких поздних примеров является плотина Копринка (или «Г. Димитров», 1955, Болгария, H = 44 м). Учитывая проницаемость каменной кладки, эти плотины выполнялись с противофильтрационным экраном (железобетонным, асфальтобетонным и др.).

В этой связи с экономической точки зрения более экономичными стали являться полунабросные плотины. Это плотина, основная часть несущей конструкции которой выполнена из сухой кладки камня, а другая часть -- из каменной наброски. Полунабросные плотины начали строить ещё в конце XIX в., а в первой половине XX в. стали применяться чаще. Три такие плотины были построены и в СССР -- Широковская (1948, H = 40 м), Малоульбинская (1938, Казахстан, H = 34,5 м), Маткожненская (1953).

В второй половине XX в. случаи строительства плотин из каменной кладки стало редким, т.к. оно требовало большого количества ручного труда. Имеются единичные случаи применения каменных плотины в Индии и Зимбабве. В 1967 г. в Индии была построена плотина Nagarjuna Sagar [8]. Это самая крупная плотина из каменной кладки, её высота составляет 124,7 м, длина -- 1,45 км. Эта плотина стала самой высокой плотиной из каменной кладки.

Большинство плотин из каменной кладки успешно эксплуатируются до сих пор. Однако в 1960-1970-е годы произошли несколько аварий с плотинами этого типа в Индии [9]. Были разрушены плотины Khadakwasla (H = 33 м, 1870-1961), Chikkahole (H = 30 м, 1966-1972), Tigra (H = 26,2 м, 1917-1970).

Страшной катастрофой обернулось разрушение плотины Machchhu II. Эта плотина была построена в Индии в 1972 г. Её высота (относительно дна) составляла 22,6 м. 11 августа 1979 г. при пропуске расхода, который примерно в 3 раза превышал расчётный, произошло разрушение секций плотины.

С течением времени на ряде плотин проявились проблемы с фильтрацией через каменную кладку. В связи с этим начиная с 1970-х годов выполняются работы по гидроизоляции напорной грани плотин путём установки геомембран [10].



Выводы

1. Основы проектирования бетонных плотин были заложены в XIX в., ещё до появления самих бетонных плотин. Основные типы конструкции (гравитационная, арочная, арочно-гравитационная, контрфорсная) бетонных плотин унаследованы от плотин из каменной кладки. Однако плотины из каменной кладки имеют менее сложные и разнообразные конструкции, чем бетонные плотины. Арочные плотины выполнялись только цилиндрическими, контрфорсные -- только многоарочными.

2. Становление теории проектирования жёстких плотин происходило как в результате теоретических исследований, так и эмпирическим путём на основе опыта строительства и эксплуатации. В XIX веке были сформулированы принципы выбора профиля гравитационной плотины, принципы конструирования арочной плотины цилиндрической формы.

3. Важной составляющей теории проектирования жёстких плотин является необходимость устройства дренажа в основании и теле плотины. К такому выводу инженеры пришли эмпирическим путём -- на основе случаев разрушения некоторых плотин из каменной кладки.



ЛИТЕРАТУРА

1. Wegmann, E. The Design and Construction of Masonry Dams / E. Wegmann. -- New York: John Wiley&Sons, 1888. -- 106 c.

2. Wegmann, E. The design and construction of dams / E. Wegmann. -- New York: John Wiley&Sons, 1908. -- 421 c.

3. Smith C.W. Construction on masonry dams. New York, McGrawHill Book Company, 1915. -- 279 с.

4. Bligh W.G. Dams and Weirs. -- Chicago. American Technical Society. 1917. -- 215 c.

5. International Commission on Large Dams (ICOLD). Historical review on ancient dams. 2013. Bulletin 143. -- 216 с.

6. The History of Large Federal Dams: Planning, Design, And Construction In The Era Of Big Dams. / David P. Billington, Donald C. Jackson, Martin V. Melosi. U.S. Department of the Interior. Bureau of Reclamation, 2005. -- 605 с.

7. Chanson H., James, D.P. Arch dams, development fron cut-stone arches to modern design // Encyclopedia of Lakes and Reservoirs. 2012. C. 56-68. DOI: 10.1007/978-1- 4020-4410-6_45.

8. Suryanarayanaraju B. Nagarjunasagar Dam -- Many Firsts in its Construction // Water and Energy International. 1970. 27(2). С. 133-142.

9. Проектирование и строительство больших плотин. Аварии и повреждения больших плотин / Н.С. Розанов, А.И. Царев, Л.П. Михайлов и др.; Под ред. А.А. Борового. -- М.: Энергоатомиздат, 1986. -- 128 с.: ил.

10. Bidasaria M.E. Restoration and Rehabilitation of Old Pagara Masonry Dam by Grouting Technique (A Case Study) // Water and Energy International. 2011. 68(9). C. 31-35.

Sainov Mikhail Petrovich

National Research Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia National Research University Moscow Power Engineering Institute, Moscow, Russia

Размещено на Allbest.ru

...