Заполнить плотину

<час />

Фон

Плотины - одни из самых старых построек, построенных людьми для коллективного пользования. Плотина - это барьер, который сооружается через реку или ручей, чтобы воду можно было сдерживать или накапливать для подачи воды для питья или орошения, для контроля наводнений и для выработки электроэнергии. Основными видами плотин являются земляные насыпи, каменные насыпи, бетонная гравитация, бетонная арка и арочная гравитация. Все три последних типа изготавливаются из бетона, железобетона или кирпичной кладки. (Термин «каменная кладка» может означать бетон, кирпичи или блоки из выкопанной породы.) Насыпные плотины включают все плотины, сделанные из земляных материалов (грунта и камня), которые уплотнены вместе. Один из типов насыпных дамб, называемых хвостохранилищами, построен из мелких отходов, образующихся при переработке породы во время горных работ; на рудниках эти похожие на почву отходы уплотняются, образуя насыпь, которая удерживает воду для горнодобывающих и фрезерных процессов или для удержания самих хвостов в воде.

Из основных категорий дамб, перечисленных выше, все были построены с древних времен, хотя многие усовершенствования были разработаны в девятнадцатом и двадцатом веках с помощью усовершенствованных инженерных технологий. Плотины, которые протекают, не справляются со своей работой, либо потому, что они просто не могут удерживать воду, либо потому, что вода, просачивающаяся через них, разъедает материалы изнутри плотины, вызывая ее структурное разрушение. В настоящее время большинство насыпных дамб также построены с зонами, включающими глиняный центр или ядро, фильтрующие и дренажные слои, более грубые материалы, расположенные между глиняным ядром, и скалы на верхней (водной) поверхности для предотвращения эрозии. Эти зоны можно отчетливо увидеть, если разрезать поперечный разрез от верхней до нижней стороны плотины. Все насыпные дамбы зависят от веса, чтобы оставаться стабильными.

Насыпные насыпи обычно обходятся дешевле, чем бетонные дамбы. На участке присутствует грунт или камень, и строительные методы, хотя и сложные, также менее затратны, чем бетонные конструкции. По этим причинам доступных материалов, низкой стоимости и устойчивости с массой насыпные плотины часто строятся через широкие водотоки. Они также более гибкие, чем бетонные конструкции, и могут деформироваться, не обязательно разрушаясь, если материалы фундамента под плотиной сжимаются под весом плотины и воды.

История

Совершенно естественно, что первые строители плотин начали с использования большого количества материалов, таких как песок, древесина, кусты и гравий. Их метод строительства состоял в том, чтобы нести материалы в корзинах и свободно сбрасывать насыпь, поэтому многие из этих плотин, возможно, просуществовали всего несколько лет. Ученые не смогли точно определить даты строительства самой ранней плотины, но они знают, что плотины были необходимы там, где выращивалась еда, и в районах, подверженных наводнениям.

Проектирование насыпных дамб основано на опыте; в то время как неудачи прискорбны и иногда катастрофичны, они также являются лучшими учителями, и многие инженерные достижения были основаны на тщательном изучении более ранних неудач. Инженеры древней Индии и Шри-Ланки были самыми успешными пионерами в проектировании и строительстве насыпных плотин, и остатки земляных плотин все еще можно увидеть в обеих странах. В Шри-Ланке были построены длинные насыпи, называемые резервуарами, для хранения поливной воды. Танк Калабалала имел длину 37 миль (60 км) по периметру.

Самая известная недавно построенная земляная плотина - Асуанская плотина, построенная через реку Нил в Египте в 1970-1980 годах. Земляная плотина также стала жертвой впечатляющего разрушения в июне 1976 года, когда плотина Тетон в Айдахо подверглась эрозии изнутри из-за неправильной конструкции зон внутри плотины, которая допустила просачивание, разрушение и затопление долины вниз по течению. Хотя земляные плотины обычно короткие и широкие, Нурекская плотина в Таджикистане имеет высоту 984 фута (300 м).

Сырье

Материалы, используемые для строительства насыпных дамб, включают грунт и камень. Почва классифицируется по размеру частиц от мельчайших субмикроскопических частиц, называемых глиной; ил, который тоже очень мелкий; песок от мелкого до крупного, где мелкие зерна - самые маленькие частицы почвы, которые могут видеть наш глаз; и гравий. Более крупные фрагменты, называемые булыжниками и валунами, также используются при строительстве плотин, но обычно в качестве защитных внешних слоев.

Определенные типы грунта и диапазоны размеров необходимы для создания зон внутри плотины, а исследования области основания плотины, резервуара, в котором будет храниться вода, и прилегающих территорий выполняются не только для проектирования плотины, но и для поиска строительных материалов. . Стоимость строительства насыпи резко возрастает с увеличением расстояния перевозки материалов. Образцы потенциальных строительных материалов испытываются в почвенной лаборатории на размер зерна, содержание влаги, плотность (вес) в сухом состоянии, пластичность и проницаемость. Глина не только очень мелкая по размеру, но и имеет химические свойства, которые заставляют ее слипаться. Сочетание мелкого размера и пластичности также снижает водопроницаемость глины. Если рядом с участком имеется глина, плотину можно построить с непроницаемым ядром или центральной зоной, которая не позволяет воде проходить через плотину; в противном случае плотина должна быть спроектирована таким образом, чтобы вода могла медленно и безопасно просачиваться через различные комбинации материалов в ее зонах.

Вода также является сырьем. Различные типы грунта имеют характеристики уплотнения, которые могут быть определены в лаборатории и использованы во время строительства. Почву можно уплотнить до максимальной функциональной плотности за счет добавления влаги, веса и ударов, называемых усилием уплотнения. Большие вибрационные катки вдавливают тонкие слои почвы на место после добавления оптимального количества воды. Вода и вес связывают частицы почвы вместе и заставляют более мелкие частицы проникать в промежутки между более крупными частицами, поэтому пустоты устраняются или делаются как можно меньшими, чтобы ограничить просачивание.

Все чаще насыпные дамбы также включают геотекстиль и геомембраны. Геотекстиль - это прочный и устойчивый к проколам нетканый материал. Их можно размещать между подъемниками, поскольку плотина возводится для прочности из слабых материалов. Они также используются в качестве фильтровальной ткани для обертывания более крупнозернистой дренажной породы и ограничения миграции мелкой почвы в дренажный материал. Геомембраны изготовлены из полиэтилена высокой плотности (HDPE) и непроницаемы. Их можно использовать для выравнивания верхней поверхности насыпной дамбы или даже для выравнивания всего водохранилища.

Технико-экономическое обоснование и
Эскизный проект

Конкретная потребность в плотине, будь то водоснабжение, хранение хвостов или других материалов или борьба с наводнениями, стимулирует процесс проектирования и строительства насыпной дамбы. Потребность и местоположение обычно тесно связаны, поэтому можно рассмотреть несколько участков. Во время технико-экономического обоснования инженеры идентифицируют эти участки, проводят предварительное сравнение затрат, принимают решение о возможном проекте и выбирают лучший участок для разведки. Осуществимость, безусловно, относится к стоимости строительства плотины, но она также включает в себя технические аспекты пригодности площадки, проектирования, строительства, а также долгосрочного обслуживания и безопасности.

После выбора возможного участка разрабатывается эскизный проект плотины. Местоположение плотины накладывается на топографическую карту, чтобы можно было показать размеры вершины плотины относительно вершин соседних холмов и предполагаемый уровень воды, а также протяженность основания плотины в ручье. канал. Предлагаемый подъем уровня воды показывает протяженность водохранилища и определяет - наряду с формой бассейна - количество воды, которое будет удерживать водохранилище. Количество хранимой воды и материалы, использованные при строительстве плотины, помогают определить стоимость проекта и его стоимость. Иногда требуется несколько итераций выбора площадки, предварительного проектирования и оценки затрат. В идеале, фундамент под плотиной не потребует значительных земляных работ или затирки раствора для предотвращения просачивания, а материалы внутри зоны водохранилища можно выкапывать и использовать для строительства плотины, чтобы накопить больше резервуара одновременно с почвой или скальной породой. раскопаны для строительства насыпи.

Когда на бумаге выбрано оптимальное место, разрабатывается и выполняется программа геологоразведочных работ. Во время разведки пробуренные скважины пробуриваются по линии оси плотины по ее предполагаемой ширине, вдоль или около предполагаемых выступов плотины вверх и вниз по течению, на месте предполагаемого водосброса и в районе водохранилища. Отверстия выкапываются глубоко в фундаменте, чтобы оценить его свойства прочности и проницаемости (возможность просачивания). Поскольку скважины пробурены в вышележащем грунте, из него также берутся образцы и тестируются в лаборатории, чтобы его можно было оценить как потенциальный строительный материал плотины. Полевые испытания проницаемости также проводятся на участке плотины и в зоне водохранилища. Если это источник строительных материалов, в районе водохранилища также выкапываются испытательные ямы, чтобы можно было оценить объем доступного грунта (и связанные с этим затраты).

Дизайн

После завершения полевых исследований и лабораторных испытаний команда инженеров приступает к окончательному проектированию плотины на основе предварительных предположений, результатов на местах и ​​любых изменений в конструкции или экономических показателей, основанных на результатах полевых исследований. При проектировании насыпной плотины инженеры учитывают пять важных факторов:масса плотины, которая сделает ее устойчивой; конструкция активной зоны и других внутренних зон для предотвращения просачивания через плотину; проектирование перегородки или другого фильтрационного предохранителя под плотиной; защита от эрозии на забое выше по потоку; и экономика.

Насыпные плотины обычно имеют форму треугольников с вершиной или острием на вершине или гребне плотины и широким основанием на дне русла ручья. Ширина основания в поперечном сечении обеспечивает трение для предотвращения скольжения, а общая масса плотины делает ее достаточно прочной, чтобы выдерживать вес воды позади нее. Фундамент очищается от мягкого, проницаемого и сжимаемого грунта; и отрезанная стена вырубается в скале или твердой земле. Отрезанная стена может быть построена из стального шпунта или бетона, но для большинства насыпных дамб, построенных примерно с 1960 года, отрезанная стена является просто продолжением глиняного ядра. Если фундаментная порода или грунт содержат пустоты или трещины, в фундаменте можно просверлить ряд отверстий, и в отверстия вводится бетонный раствор для герметизации трещин и предотвращения просачивания.

Зоны насыпной дамбы могут состоять из ряда отдельных слоев, идущих от центра плотины и движущихся вверх по течению к воде, и из другого набора слоев, движущихся вниз по течению. Материалы для зон выбираются по прочностным свойствам и характеристикам проницаемости, а размещение одной зоны рядом с другой тщательно регулируется наборами расчетов, основанных на этих свойствах. Зоны фильтрации и дренажа предусмотрены таким образом, что любая вода, достигающая внутренней части плотины, направляется вокруг ядра и выводится через дренажные слои в основании дамбы.

Верхняя (водная) поверхность плотины иногда защищается бетонной плитой или асфальтовым покрытием. Чаще всего на эту поверхность у поверхности воды кладут камни размером с булыжник и валун; эта облицовка называется каменной наброской и предотвращает воздействие волн на поверхности воды, разрушающих строительные материалы плотины. Другие устройства для контроля уровня воды и любого движения воды через плотину или над ней, такие как аварийный водосброс, также разработаны специально с учетом местоположения плотины, использования, типа и материалов конструкции, а также притока воды в водохранилище.

Экономика строительства плотины учитывается на протяжении всего процесса проектирования. Строительные материалы должны быть доступны на участке или рядом с ним. Камень можно класть под более крутыми углами, чем грунт, и он весит больше; поэтому плотина, построенная в основном из камня, может быть меньше в расчетном сечении. Однако выемка грунта и перемещение камня может быть дороже, чем грунт, поэтому инженеры-проектировщики должны учитывать факторы затрат. Другие материалы, такие как асфальт, бетон, сталь и цемент для затирки, также дороги. Инженеры должны определить надлежащий баланс безопасности и экономии. Большие землеройные машины сделали строительство зональным, насыпают плотины. Поперечное сечение типичной насыпной дамбы. экономичнее, чем строительство бетонных дамб на многих объектах.

Процесс строительства

1. Насыпные дамбы строятся в засушливый сезон, когда уровень воды в реке или ручье ниже, вероятность выпадения осадков на источниках насыпного материала меньше, а условия лучше для эксплуатации крупной строительной техники. Перед фактическим началом строительства участок обследуется, чтобы определить местонахождение трассы плотины на существующем грунте, участков, на которых будут проводиться раскопки, а также участков или источников грунта или породы, используемых при строительстве. Созданы объекты управления строительством; как правило, руководитель строительства (полевой инженер с многолетним аналогичным опытом работы) будет работать на месте из прицепа. В зависимости от участка может потребоваться установка приборов для мониторинга воздействия строительства плотины на прилегающие склоны холмов или других объектов, а также для измерения уровней грунтовых вод на протяжении всего строительства в фундаменте и окрестностях. И, конечно же, необходимо остановить течение потока, перекрывающего участок. Это можно сделать с помощью различных методов, включая отведение потока, возможно, для его протекания через соседний канал или остановку его выше по течению с помощью временной дамбы или перемычки.
2. Перед тем, как начать строительство плотины, необходимо подготовить площадку под фундамент. В редких случаях плотины могут быть построены непосредственно на существующих материалах в дне канала; на большинстве участков эти материалы сжимаются (и могут вызвать неравномерное оседание плотины) и проницаемы (позволяя воде проходить под плотиной). Зона фундамента также включает устои, которые представляют собой склоны холмов, образующие два конца плотины. Грунт и мягкая или сильно трещиноватая порода выкапываются, сортируются по типу и складываются для дальнейшего использования при строительстве плотины. Поверхность основания фундамента удивительно очищена; его промывают и поливают водой из шланга, чтобы были видны все пустоты или неровности, и очистить его от мягкой почвы. Перед началом любых строительных работ фундамент тщательно осматривается; дополнительное разведочное бурение возможно при возникновении вопросов по состоянию фундамента. Если порода сломана или содержит пустоты или отверстия, они заделываются цементным раствором, который вводится через отверстия небольшого диаметра в процессе, называемом стоматологической работой.
3. Основание плотины должно уходить в землю, прежде чем поднимется над ней. Траншея во всю ширину плотины (поперек канала) вырезается в твердой скале. Траншея называется шпоночной канавкой или отрезной стенкой и может иметь несколько уступов или выемок в скале. Это предотвращает скольжение плотины по гладкому основанию, а также создает более длинный путь для любой утечки, которая может попытаться протечь под плотиной. Непроницаемая глина, которая будет составлять ядро ​​дамбы, помещается в шпоночный паз, уплотняется и поднимается, слой за слоем, пока не будет достигнута вершина шпоночного паза или основания большей части фундамента.
4. Грунт в шпоночном пазу и во всех зонах плотины одновременно поднимается на одинаковый уровень. Пандусы, возможно, придется обрезать Вид с воздуха на планируемую насыпную плотину. в зону шпоночных пазов для строительной техники, а затем их необходимо нарастить до рабочей поверхности возвышающейся вершины плотины. По возможности дороги прорезаны с двух сторон (устоев) плотины для облегчения доступа; в конечном итоге подъездная дорога будет построена на гребне плотины и продолжится до этих устоев.

   Большие землеройные машины возят грунт определенного типа, необходимый для подъема зоны плотины, на которой они работают. Почву распределяют тонкими слоями, обычно толщиной 6-8 дюймов (15,2-20,3 см), опрыскивают водой до нужного содержания влаги и уплотняют с помощью овчинных катков (уплотняющих катков с зубцами, напоминающими копыта животных, установленных рядами вокруг катка, который плотно прижмите и встряхните почву на месте). Если в строительстве используется гравий, используется вибрирующий каток, который заставляет зерна вибрировать вместе, так что их углы пересекаются и не оставляют отверстий.

   На протяжении всего процесса уплотнения инспекторы утверждают, что грунт вывозится на площадку и перемещается в определенную зону плотины. Они отвергают материал, загрязненный травой, корнями, мусором или другим мусором; и они также отвергают почву, размер зерна которой не подходит для этой зоны плотины. Для контроля качества образцы собираются и тестируются в лаборатории (для больших плотин лаборатория грунта на месте устанавливается в строительном трейлере) для различных классификационных испытаний. Тем временем инспектор использует датчик ядерной плотности, чтобы проверить почву на плотность и влажность после ее размещения и уплотнения. Датчик ядерной плотности использует очень крошечный радиоактивный источник для выброса радиоактивных частиц в почву; частицы отскакивают обратно на детекторную пластину и показывают влажность и плотность почвы на месте. Этот процесс не наносит вреда окружающей среде или оператору (который носит значок для отслеживания радиоактивного облучения) и предоставляет данные без необходимости проведения раскопок и отбора проб. Если требования к уплотнению не выполняются, этот слой почвы выкапывается, снова кладется и повторно уплотняется до тех пор, пока его влажность и плотность не станут подходящими.

   Строительство насыпной дамбы продолжается слой за слоем и зона за зоной, пока не будет достигнута высота каждой зоны и, в конечном итоге, гребень плотины. Если всю плотину невозможно построить за один строительный сезон, плотину обычно проектируют поэтапно или поэтапно. Завершение этапа строительства (или всей плотины) часто является гонкой против времени, погоды и бюджета проекта.

5. В некоторых земляных дамбах инструменты устанавливаются одновременно с размещением насыпи, и инструменты строятся на поверхности слоями и зонами, как и насыпь. Состояние плотины контролируется на протяжении всего срока эксплуатации, как того требуют федеральные, государственные и местные законы и стандарты инженерной практики. Типы инструментов различаются в зависимости от расположения плотины; почти на всех плотинах есть памятники поселений, которые исследуются для измерения любого поселения на поверхности или в зонах плотины, индикаторы уклона, чтобы показать, движутся ли наклонные поверхности внутри или на поверхности плотины, и индикаторы уровня воды для наблюдения за водой уровень в зонах плотины. Плотины в сейсмически активных районах также могут быть оборудованы приборами для измерения сотрясений грунта.
6. Насыпные дамбы могут иметь множество других сооружений в зависимости от их размера, использования и местоположения. На всех плотинах требуется аварийный водосброс, чтобы паводковые воды могли течь по пути эвакуации, а не через верх плотины. Другие водосливы для производства гидроэлектроэнергии могут быть спроектированы и построены на плотинах электростанций, а входные и выходные туннели необходимы для выпуска воды для орошения и снабжения питьевой водой на насыпях, построенных для этих целей. На насыпных дамбах обычно желательно размещать эти другие сооружения в выемках через фундамент или опорную породу; Процесс уплотнения земли против конструкций, которые фактически проходят через насыпь, сложен и позволяет создавать пути просачивания.
7. Иногда территорию резервуара также очищают, когда его нужно заполнить водой, особенно если можно заготавливать лес. Необязательно (а это слишком дорого) очищать от всех кустов и травы. Процесс заполнения водохранилища относительно медленный, поэтому большая часть диких животных будет перемещаться по мере повышения уровня воды; В число проблемных областей входят места обитания редких или находящихся под угрозой исчезновения видов, и затопление этих местообитаний стало проблемой при строительстве ряда плотин.

Когда плотина построена, вода, которая была отведена из русла ручья, может заполнить резервуар. По мере того, как вода поднимается, она также поднимается в некоторых частях плотины, и инструменты внутри плотины тщательно контролируются во время периода наполнения водохранилища. Мониторинг работы плотины, как с помощью инструментов, так и с помощью простого наблюдения, выполняется в плановом порядке; планы безопасности подаются в местные службы экстренной помощи, чтобы внезапные изменения показаний приборов или появление плотины или ее водохранилища инициировали действия по предупреждению и эвакуации людей, живущих на пути паводковых вод вниз по течению. Ремонт также проводится в плановом порядке.

Контроль качества

При строительстве насыпной дамбы важен качественный инжиниринг, потому что используемые материалы имеют более низкие прочностные характеристики, чем сталь и бетон, необходимые для бетонных плотин, и потому, что размещение в конечном итоге определяет прочность, потенциальные проблемы, такие как просачивание и оседание, и, наконец, производительность и безопасность. Инженер-геотехник играет ключевую роль в обеспечении соответствия конструкции и материалов грунта для создания безопасного продукта; но многие другие профессионалы, включая геологов, инженеров-строителей, других инженеров и представителей надзорных органов, полностью привержены той же цели.

Побочные продукты / отходы

При строительстве насыпной дамбы побочные продукты отсутствуют, хотя насыпь иногда образуется при строительстве подъездных дорог и других опорных сооружений. Отходы также минимальны или отсутствуют; выемка излишков почвы и особенно горных пород очень затратна, как и транспортировка этих материалов, поэтому отходы не учитываются при проектировании.

Будущее

В первую очередь из-за экологических проблем, проектирование и строительство любой плотины в будущем будет много изученным и спорным процессом. Однако насыпные плотины, как правило, воспринимаются как более экологически чистые, поскольку они сделаны из земляных материалов и лучше вписываются в ландшафт, чем монолитные бетонные конструкции. Заполненные плотины оказались полезными и менее дорогостоящими решениями для удовлетворения потребностей людей в водоснабжении, а значительные усовершенствования инженерных технологий улучшили их показатели безопасности в конце двадцатого века. Несмотря на то, что при строительстве плотин необходимо учитывать многие затраты и повестки дня, насыпные плотины были и будут оставаться союзниками в вопросах обеспечения питьевой водой, ирригационным снабжением и борьбы с наводнениями.