Насыпная плотина — это большая искусственная плотина . Обычно она создается путем размещения и уплотнения сложной полупластичной насыпи из различных составов почвы или камня. Она имеет полупроницаемое водонепроницаемое естественное покрытие для своей поверхности и плотное непроницаемое ядро. Это делает плотину непроницаемой для поверхностной или просачивающейся эрозии . [1] Такая плотина состоит из фрагментированных независимых материальных частиц. Трение и взаимодействие частиц связывает частицы вместе в стабильную массу, а не с помощью цементирующего вещества. [2]
Плотины насыпи бывают двух типов: плотина, заполненная землей (также называемая земляной плотиной или рельефной плотиной ), сделанная из уплотненной земли, и плотина, заполненная камнями . Поперечное сечение плотины насыпи показывает форму, похожую на берег или холм. Большинство из них имеют центральную часть или ядро, состоящее из непроницаемого материала, чтобы вода не просачивалась через плотину. Ядро может быть из глины, бетона или асфальтобетона . Этот тип плотины является хорошим выбором для участков с широкими долинами. Они могут быть построены на твердой скале или более мягких почвах. Для плотины из каменной наброски каменная наброска взрывается с помощью взрывчатки, чтобы разбить скалу. Кроме того, куски камня, возможно, придется раздробить на более мелкие фракции, чтобы получить нужный диапазон размеров для использования в плотине насыпи. [3]
Плотины из земляной насыпи, также называемые земляными плотинами, плотинами из рулонной земли или земляными плотинами, строятся как простая насыпь из хорошо утрамбованной земли. Однородная плотина из рулонной земли полностью построена из одного типа материала, но может содержать дренажный слой для сбора просачивающейся воды. Зонированная земляная плотина имеет отдельные части или зоны из разнородного материала, как правило, оболочки из локально обильного материала с водонепроницаемым глиняным ядром. Современные зонированные земляные насыпи используют фильтрующие и дренажные зоны для сбора и удаления просачивающейся воды и сохранения целостности зоны оболочки ниже по течению. Устаревший метод строительства зонированных земляных плотин использовал гидравлическую засыпку для создания водонепроницаемого ядра. Плотины из рулонной земли также могут использовать водонепроницаемую облицовку или ядро, как у каменно-набросной плотины. Плотина с замороженным ядром — это временная земляная плотина, которая иногда используется в высоких широтах, где охлаждающая жидкость циркулирует по трубам внутри плотины для поддержания водонепроницаемой области вечной мерзлоты внутри нее.
Плотина Тарбела — крупная плотина на реке Инд в Пакистане , примерно в 50 км (31 миле) к северо-западу от Исламабада . Её высота 485 футов (148 м) над руслом реки и водохранилище площадью 95 кв. миль (250 км 2 ) делают её крупнейшей насыпной плотиной в мире. Основным элементом проекта является насыпь длиной 9000 футов (2700 м) с максимальной высотой 465 футов (142 м). Для строительства плотины было использовано около 200 миллионов кубических ярдов (152,8 миллиона кубических метров) насыпи, что делает её одним из крупнейших искусственных сооружений в мире.
Поскольку земляные плотины можно строить из местных материалов, они могут быть экономически эффективными в регионах, где стоимость производства или доставки бетона была бы непомерно высокой.
Плотины из каменной наброски представляют собой насыпи из уплотненной свободно дренируемой зернистой земли с непроницаемой зоной. Используемая земля часто содержит высокий процент крупных частиц, отсюда и термин «каменная наброска». Непроницаемая зона может находиться на верхнем течении и быть сделана из каменной кладки , бетона , пластиковой мембраны, стальных шпунтовых свай, древесины или другого материала. Непроницаемая зона может также находиться внутри насыпи, в этом случае она называется «ядром». В случаях, когда в качестве непроницаемого материала используется глина, плотина называется «композитной» плотиной. Чтобы предотвратить внутреннюю эрозию глины в каменном щите из-за просачивающихся сил, сердечник отделяется с помощью фильтра. Фильтры представляют собой специально отсортированный грунт, предназначенный для предотвращения миграции мелкозернистых частиц почвы. Когда под рукой есть подходящий строительный материал, транспортировка сводится к минимуму, что приводит к экономии средств во время строительства. Плотины из каменной наброски устойчивы к повреждениям от землетрясений . Однако недостаточный контроль качества во время строительства может привести к плохому уплотнению и песку в насыпи, что может привести к разжижению каменной наброски во время землетрясения. Потенциал разжижения можно снизить, предотвращая насыщение восприимчивого материала и обеспечивая адекватное уплотнение во время строительства. Примером каменной набросной плотины является плотина New Melones в Калифорнии или плотина Fierza в Албании .
Ядро, популярность которого растет, — это асфальтобетон . Большинство таких плотин строятся с использованием камня и/или гравия в качестве первичного наполнителя. Почти 100 плотин такой конструкции были построены по всему миру с момента завершения первой такой плотины в 1962 году. Все построенные до сих пор плотины с асфальтобетонным ядром имеют превосходные показатели производительности. Используемый тип асфальта — вязкоупругий — пластичный материал , который может приспосабливаться к движениям и деформациям, налагаемым на насыпь в целом, а также к осадке основания. Гибкие свойства асфальта делают такие плотины особенно подходящими для сейсмоопасных регионов. [4]
Для гидроэлектростанции Moglice в Албании норвежская энергетическая компания Statkraft построила асфальтовую плотину с каменно-насыпным основанием. После завершения строительства в 2018 году ожидается, что плотина длиной 320 м, высотой 150 м и шириной 460 м станет самой высокой в мире плотиной такого рода. [5] [6] [7]
Каменно-насыпная плотина с бетонным фасадом (CFRD) — это каменно-насыпная плотина с бетонными плитами на ее верхней стороне. Такая конструкция обеспечивает бетонную плиту как непроницаемую стену для предотвращения утечки, а также конструкцию, не беспокоящуюся о подъемном давлении. Кроме того, конструкция CFRD гибка для топографии, быстрее в строительстве и менее затратна, чем земляные плотины. Концепция CFRD возникла во время Калифорнийской золотой лихорадки в 1860-х годах, когда шахтеры строили каменно-насыпные плотины с деревянным фасадом для шлюзовых операций . Позднее древесина была заменена бетоном, поскольку конструкция применялась к ирригационным и энергетическим схемам. По мере того, как конструкции CFRD росли в высоту в 1960-х годах, засыпка уплотнялась, а горизонтальные и вертикальные швы плиты заменялись улучшенными вертикальными швами. В последние несколько десятилетий конструкция стала популярной. [8]
Самая высокая плотина CFRD в мире — плотина Шуйбуя высотой 233 м (764 фута) в Китае , строительство которой было завершено в 2008 году. [9]
Строительство плотины и заполнение водохранилища за ней создает новый вес на дне и сторонах долины. Напряжение воды линейно увеличивается с ее глубиной. Вода также давит на верхнюю часть плотины, нежесткую конструкцию, которая под напряжением ведет себя полупластично, и вызывает большую потребность в регулировке (гибкости) вблизи основания плотины, чем при более мелких уровнях воды. Таким образом, уровень напряжения плотины должен быть рассчитан до строительства, чтобы гарантировать, что порог ее прорыва не будет превышен. [10]
Перелив или переполнение плотины насыпи сверх ее водосбросной способности приведет к ее окончательному разрушению . Эрозия материала плотины переливным стоком удалит массы материала, вес которого удерживает плотину на месте и противодействует гидравлическим силам, действующим на перемещение плотины. Даже небольшой устойчивый переливной поток может удалить тысячи тонн перекрывающего грунта из массы плотины в течение нескольких часов. Удаление этой массы нарушает равновесие сил, которые стабилизируют плотину по отношению к ее резервуару, поскольку масса воды, все еще удерживаемой за плотиной, давит на облегченную массу насыпи, которая стала легче из-за поверхностной эрозии. По мере того, как масса плотины разрушается, сила, оказываемая водохранилищем, начинает перемещать всю конструкцию. Насыпь, не имеющая почти никакой упругой прочности, начнет разрушаться на отдельные части, позволяя запруженной воде водохранилища течь между ними, размывая и удаляя еще больше материала по мере прохождения. На последних стадиях обрушения оставшиеся части насыпи практически не будут оказывать сопротивления потоку воды и продолжат разрушаться на все более мелкие участки земли или камня, пока не распадутся на густую суспензию земли, камней и воды.
Поэтому требования безопасности к водосбросу высоки и требуют, чтобы он был способен сдерживать максимальный уровень паводка. Обычно его спецификации пишутся таким образом, чтобы он мог сдерживать по крайней мере столетнее наводнение. [11] В начале 21-го века был разработан ряд систем защиты от перелива насыпных плотин. [12] Эти методы включают в себя бетонные системы защиты от перелива, деревянные решётки , шпунтовые сваи , каменную наброску и габионы , армированную землю , плотины с минимальными потерями энергии , ступенчатые водосбросы насыпи и системы защиты сборных бетонных блоков.
Все плотины склонны к просачиванию под плотиной, но насыпные плотины склонны к просачиванию также и через плотину; например, оползневая плотина Усой пропускает 35-80 кубических метров в секунду. Достаточно быстрая просачивание может вытеснить частицы компонентов плотины, что приводит к более быстрому просачиванию, которое превращается в неконтролируемый контур обратной связи, который может разрушить плотину в случае отказа трубопровода. Поэтому мониторинг просачивания является важным фактором безопасности. [13]
gn и строительство в Бюро мелиорации США