Проектирование земляной плотины

Размещено на http://allbest.ru

1. Проектирование земляной плотины

Выбор типа и конструкции плотины является основным вопросом проектирования, который решается на основании технико-экономического сопоставления различных вариантов исходя из топографических, инженерно-геологических, гидрологических и климатических условий, и прежде всего наличия грунтовых строительных материалов в близлежащих карьерах и максимального использования материалов из полезных выемок.

Земляные насыпные плотины можно возводить из всех грунтов, кроме грунтов, содержащих растворимые включения хлоридных солей более 5% по массе и содержащих не полностью разложившиеся органические вещества также более 5% по массе.

Для строительства однородных плотин чаще всего используются суглинки и супеси, а также мелкозернистые и среднезернистые пески, обладающие достаточной водонепроницаемостью и фильтрационной прочностью.

Песчаные и гравийно-галечниковые грунты применяются для устройства тела (верховый и низовой призм) всех типов земляных плотин.

Противофильтрационные элементы плотины (ядра, экраны, понуры, зубья) устраиваются из маловодопроницаемых грунтов (глинистые грунты, торф, грунтовые смеси) с коэффициентом фильтрации менее 10^-4 м/с.

Плотины из грунтовых материалов практически всегда бывают глухими, т.е. не допускают перелива воды через гребень.

Пропускать паводки через недостроенную плотину или гребень допускается в исключительных случаях для некоторых типов плотин малой высоты.

Часть водотока выше створа плотины называют верхним бьефом гидроузла (ВБ), ниже створа - нижним бьефом (НБ). За счет подпора воды плотиной в верхнем бьефе образуется водохранилище.

В водохранилищах различают три расчетных уровня воды: форсированный подпорный уровень (ФПУ), нормальный подпорный уровень (НПУ) и уровень мертвого объема (УМО).

Объем верхнего бьефа, заключенный между НПУ и УМО, называют полезным объемом, расположенный ниже УМО, - мертвым.

Отметки НПУ и УМО устанавливают на основании водохозяйственного расчета. Так, отметка НПУ определяется исходя из требуемого полезного объема водохранилища, топографии чаши, а также объема стока.



2. Выбор створа и типа плотины

Створ плотины следует выбирать на основании технико-экономического сопоставления вариантов в увязке с компоновкой гидроузла и в зависимости от: топографических, гидрологических, инженерно-геологических условий площадки: строительства и требований охраны природной среды, определяемых СНиП РК 3.04-01-2008.

При этом следует учитывать:

- необходимость расположения водопропускных сооружений таким образом, чтобы исключить возможность опасных размывов берегов, подмыва плотины при сбросе воды в нижний бьеф и отложения продуктов размыва в размерах, ухудшающих условия эксплуатации гидроузла;

- возможность пропуска воды через створ плотины в период ее строительства, а также возможность прокладки по плотине и на подходах к ней дорог различного назначения, как в период строительства, так и в период эксплуатации;

- целесообразность включения перемычек (банкетов), необходимых для перекрытия русла реки в период строительства гидроузла, в тело плотины;

- режим расходов и уровней водотока;

- условия пропуска льда, наносов, леса, судов, рыбы и другие специальные требования, предъявляемые к проектируемому объекту;

- возможность образования незамерзающей зимой полыньи в нижнем бьефе и ее влияние на повышение влажности воздуха и туманообразования на прилегающей территории.

При прочих равных условиях плотину предпочтительно располагать в наиболее узкой части долины. Ось долины должна быть по возможности нормальна к общему направлению долины и течению реки.



3. Конструирование поперечного профиля плотины

Основной задачей проектирования поперечного профиля плотины является определение отметки гребня плотины и его ширины, а также назначение заложения откосов плотины. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характеристик грунта тела плотины и ее основания, а также условий строительства и эксплуатации.

3.1 Конструкция гребня плотины, его размеры и отметки

Гребень плотины конструируем из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники. Поэтому ширину гребня принимаем соответствующей II категории дороги равной в=15,0 м, при этом ширина проезжей части А=7,5 м, а обочин Б=3,75 м.

Для отвода поверхностных вод в поперечном направлении гребню плотины придаем двусторонний уклон, принимая его равным 1,5%, покрытие дороги - асфальтобетон. В пределах обочин в соответствии с ГОСТ 23757-99 устраиваем ограждения в виде парапетов.

Отметку гребня определяем из условия недопущения перелива воды через гребень плотины по СНиП РК 3.04.02-2008.

Высоту плотины назначаем с превышением d под расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующим отсутствие перелива воды через гребень и равным:

, (1)

где Дh - высота ветрового нагона воды, м

h_H - высота наката волн на откосе плотины, м

а - конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0, 5

или 0,1h_1%

h_1% - высота волн 1% -вероятности превышения.

Расчеты по формуле (1) следует приводить для двух расчетных случаев:

1. Уровень воды на или выше него (основное сочетание нагрузок и воздействий)

2. Уровень воды на при пропуске максимального поверечного расхода воды (особое сочетание нагрузок и воздействий)

Расчетную скорость ветра в первом случае принимаем 1%-й вероятности превышения, наблюдаемую в течении года, а во втором - 50%-й вероятности превышения наблюдаемую во время форсировки уровня.

В качестве расчетной отметки гребня плотины принимаем большую из отметок:

Z_гр=Z_нпу+d_нпу (2)

Z_гр=Z_фпу+d_нпу, (3)

где Z_нпу и Z_фпу - отметки нормального и форсированного подпорных уровней.

Высоту ветрового нагона определяем по зависимости

, (4)

где К_{в -} коэффициент зависящий от скорости ветра;

W - расчетная скорость ветра на высоте 10 м, над уровнем воды, м/с;

D - длина разгона ветровой волны, м;

q - ускорение свободного падения, м\с²;

H -условная расчетная глубина воды в водохранилище;

_{в -} угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, град.

Определяем высоту ветрового нагона при НПУ

То же при ФПУ

Высоту наката ветровой волны для вероятности превышения расчетного шторма вычисляем по следующей формуле

(5)

Высоту волны 1%-й вероятности превышения определяем:

1. Вычисляем безразмерные комплексы

(6)

и

, (7)

где t - продолжительность действия ветра, принимаем при отсутствии практических данных 6ч = 21600с.

При vНПУ

То же при отметке ФПУ

2. По графику для каждого из найденных комплексов определяем значения относительных параметров и и выбираем наименьшее значение [1].

При vНПУ

При ФПУ:

3. Устанавливаем среднюю высоту волны и средний период полны

4. Вычисляем среднюю длину волны по формуле

(8)

При vНПУ

При vФПУ

5. Высоту волны 1%-ной вероятности превышения определяем по формуле

, (9)

где К_i - коэффициент, устанавливаемый по графику при 1%-ной вероятности превышения в зависимости от значения безразмерного комплекса [2].

При НПУ

При ФПУ

6. Коэффициенты К и К_НП зависят от типа и относительной шероховатости крепления откосов (r\h_1%), их принимают по таблице [2], для бетонных или железобетонных плит К=1,0 и К_нп=0,9.

7. Значение коэффициента К_С принимают по таблице, в зависимости от скорости ветра и угла наклона откоса, (m_б ) [2].

При vНПУ - К_С= 1,3.

При vФПУ - К_С=1,1.

8. Коэффициент К_в - коэффициент, учитывающий угол подхода фронта волны к сооружению (в - угол между направлением фронта волны и нормалью к оси плотинв) определяется по таблице [2]. При значении угла в=0?, коэффициент К_в =1,0.

9. К_НГ - коэффициент зависящий от пологости волны - принимается по рисунку [2].

При vНПУ , следовательно К_НГ =1,1.

При vФПУ , следовательно К_НГ =1,4.

10. К_Нi - коэффициент, учитывающий обеспеченность (i%) по накату, принимается по таблице [2]. Примем i=4%, тогда К_Нi =0,93.

11. Подставляя найденные коэффициенты в формулу (5) получим

При vНПУ

При vФПУ

11.Подставляя найденные значения в формулу (1) получим

При vНПУ

d=0,028+1,38+0,5=1,91м

При vФПУ

d=0,01+0,95+0,5=1,46м

12. Определим расчетную отметку гребня по формулам (2) и (3)

При vНПУ

Z_гр=357,0+1,91=358,91м

При vФПУ

Z_гр=358,0+1,46=359,46м

Так как при ФПУ отметка гребня получилась больше, то с округлением до 359,5 м найденное значение принимаем в качестве расчетного.

Расчетная высота плотины

Н_пл= Z_гр - vдно (10)

Н_пл=359,5-347,0=12,5 м



3.2 Очертание и крепление откосов

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и др.

Выбор заложения откосов (m₁ - верхового и m₂ - низового) плотины производится на основе опыта строительства и эксплуатации аналогичных сооружений с учетом физико-механических характеристик грунтов тела плотины и основания, действующих на откосы сил, высоты плотины, методов производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации.

Принимаем значения заложений верхового откоса равным m₁=3,0, а низового m₂=2,25 согласно таблицы 3.2 [3], как для однородной земляной плотины из песчаного грунта.

Для защиты верхового откоса земляной плотины от разрушительного действия волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов согласно спец. указаниям по заданию предусмотрено крепление верхового откоса плотины железобетонными плитами.

Верхнюю границу основного крепления выполняем на отметке 359,5 м, соответствующей отметке гребня плотины. Нижнюю границу основного крепления назначаем на глубину 2h_1%, отсчитываемую от отметки УМО=352,5м. 2h_1% =2?1,15=2,3м

vнижн.гран. = 352,5-2,3=350,2м

Для крепления верхового откоса принимаем сборные железобетонные плиты размером 2?2м и толщиной 0,1м. Масса одной плиты 1т. Плиты объединяем в карты размером 8?8 м путем омоноличивания швов.

Принятую толщину плиты д_n проверяют на всплытие и использованием зависимости



, (11)

где з_пл - коэффициент, принимаемый для сборных плит 1,1;

г_пл - объемная масса плиты, т/м³, г_пл =2,5т/м³;

В - размер плиты или карты в направлении, нормальном к урезу воды, м;

и - параметры волны, м;

г₀ - объемная масса воды, принимается равной 1т/м³.

Результат расчета подтверждает возможность крепления верхового откоса плитами толщиной 0,1м. Под проницаемым креплением из железобетонных плит устраиваем подготовку из одного слоя разнозернистого материала толщиной t_п=0,4 м.

Низовой откос крепим отсыпкой гравия (щебня) слоем толщиной 0,2 м.

3.3 Дренаж, противофильтрационные элементы и сопряжение плотины с основанием и берегами

Противофильтрационные устройства проектируют из грунтовых и негрунтовых материалов. Конструктивно их выполняют в виде экрана, понура, ядра, диафрагмы, зубьев, шпунтовых стенок, траншейных шпор, инъекционных завес и др.

При проектировании противофильтрационных устройств необходимо обеспечить их сопряжение друг с другом, с основанием по подошве и в береговых примыканиях, то есть создать сплошную противофильтрационную завесу, конструкцию которой принимают на основании технико-экономического сравнения вариантов.

Согласно заданию в качестве противофильтрационного элемента земляной плотины принимаем ядро из суглинистого грунта с коэффициентом фильтрации К_я=0,009 м/сут.

Толщину ядра поверху назначаем из условия производства работ равной =3,0 м с постепенным утолщением к низу, а понизу =5,6 м. Гребень ядра выше отметки ФПУ с учетом ветрового нагона на 0,5м =358,5 м.

Для сопряжения противофильтрационного ядра в теле плотины с основанием устраиваем зуб из глинистого грунта.

строительство плотина противофильтрационный



4. Фильтрационные расчеты плотины и основания

В соответствии со СНиП РК 3.04-02-2008 фильтрационные расчеты следует выполнять для определения фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов; расчета устойчивости откосов плотины и берегов; обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций плотины, ее противофильтрационных и дренажных устройств.

В ходе выполнения расчетов определяем:

1) положение депрессионной кривой,

2) фильтрационный расход воды через тело плотины и ее основание,

3) скорости и градиенты напора фильтрационного потока в теле плотины, основания, а также в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границе противофильтрационных устройств.

Для расчета грунтовой плотины с ядром применяем виртуальный метод, в котором ядро с заданными размерами и коэффициентом фильтрации =0,009 м/сут заменяем приведенным ядром призматической формы с коэффициентом фильтрации =0,4 м/сут.

Плотина тем самым приводится к эквивалентной по фильтрационным свойствам однородной плотине.

Порядок расчета следующий.

1. Находим среднюю толщину ядра

(12)

где и - толщина ядра поверху и понизу.

2. Определяем приведенную (виртуальную) толщину эквивалентного ядра

(13)

3. Вычисляем приведенную ширину гребня плотины

(14)

4. Дальнейший расчет ведем как однородной плотины без дренажа с заменой в формулах величины на , а вместо - величину .

Вначале считаем, что плотина водопроницаема, а основание водонепроницаемо, и для этой схемы определяем фильтрационный расход через тело плотины и строим кривую депрессии.

Затем принимаем схему, в которой плотину считаем водонепроницаемой, а основание водопроницаемым и определяют фильтрационный расход через основание .

Общий фильтрационный расход определяем как сумму расходов через плотину и основание:

(15)

Высота выхода депрессионной кривой на низовой откос над уровнем основания плотины в нижнем бьефе равна



(16)

где Н₁ и Н₂ - глубина воды в верхнем и нижнем бьефах;

L_р - ширина эквивалентного профиля плотины по основанию:

; (17)

, (18)

(19)

где - коэффициент, учитывающий крутизну верхового откоса, определяемый по формуле Г. К. Михайлова

(20)

;

;

Расход фильтрационного потока через тело плотины определяем по зависимости

(21)

где - коэффициент фильтрации тела плотины.



(22)

Задаваясь значениями «х» в диапазоне от х=4,0м до х=16,9 м и от х=208,0 м до х=.241,5-2,25х2,29=236,2 м

Х, м	4,0	10	16,9	208,0	210,0	215,0	220,0	225,0	230,0	235,0	236,2
Y, м	9,92	9,8	9,65	4,1	4	3,74	3,46	3,16	2,83	2,45	2,3

По полученным точкам на поперечном профиле плотины с приведенным ядром строим кривую депрессии, которую затем переносим на проектный профиль лист 1. Скорость фильтрации при выходе фильтрационного потока на низовой откос или входе в дренаж составляет

(23)

где - уклон кривой депрессии при выходе на низовой откос:

, (24)

Определим фильтрационный расход через основание плотины

Тогда общий фильтрационный расход будет равен



5. Расчет устойчивости откосов

Откосы грунтовой плотины должны иметь крутизну, удовлетворяющую требованиям, как устойчивости, так и экономичности плотины.

Статические расчеты плотины включают проверку устойчивости верхового и низового откосов, а также экрана и его защитного слоя.

Предварительно выбранное очертание откосов проверяется расчетом на устойчивость путем определения коэффициента запаса устойчивости. На массив грунта откосов плотины действует ряд сил.

Основная сдвигающая сила - составляющая собственного веса грунта.

Кроме того, уменьшают устойчивость сила взвешивания и динамическое воздействие фильтрационного потока, а также дополнительные силы, например снеговая нагрузка, силы инерции при землетрясении и др.

Расчет устойчивости верхового откоса производим методом круглоцилиндрических поверхностей сдвига, выполняя следующие операции:

1. Строим область нахождения центров поверхностей сдвига.

2. Проводим круглоцилиндрическую поверхность сдвига.

3. Вычисляем значение коэффициентов устойчивости откоса.

Построение области нахождения центров поверхности сдвига ведем по рекомендациям В.В. Фадеева.

Откос считается устойчивым, если

, (25)

где К_н - коэффициент надежности по ответственности сооружения, К_н=1,15;

К_с - коэффициент, зависящий от сочетания нагрузок и равный для основного сочетания - 1,0;

К_м - коэффициент, равный 0,95 при упрощенных методах расчета.

Из середины низового откоса проводим вертикальную линию и прямую под углом 85? к откосу рисунок (1).

По данным для m₂=2,25 устанавливаем значения коэффициентов К₁=1 и К₂=1,887 и вычисляем радиусы по формулам

(26)

м

м

Дуги найденных радиусов проводим из середины низового откоса. Построенный таким образом криволинейный четырехугольник представляет собой область наиболее вероятных центров кривых сдвига.

С учетом рекомендаций проводим кривую сдвига, центр которой располагаем в построенном криволинейном четырехугольнике. Радиус этой кривой R=31,0м.

Массив обрушения делится вертикальными линиями на отсеки шириной b=0,1?R=0,1?31,0=3,1м.

Середина нулевого отсека располагается под центром кривой сдвига.

Определяем средние величины частей каждого отсека, имеющих различные плотности:

h₁ - слоя грунта тела плотины при естественной влажности;

h₂ - слоя грунта тела плотины при насыщении водой;

h₃ - слоя грунта основания плотины при насыщении водой;

h₀ - слоя воды.

Вычисляем плотность грунта каждого слоя по формулам

, (27)

, (28)

, (29)

где

г₁, г₂, г₃ - плотность грунта тела плотины при естественной влажности и при насыщении его водой, а также грунта основания при насыщении водой;

n - пористость грунта;

k - коэффициент, зависящий от влажности грунта (k=1,12…1,18);

г₀ - плотность воды;

г_г.т, г_г.о - удельная плотность частиц грунта тела и основания плотины.

Физико-механические свойства грунтов принимаем по таблице 3.8 [3].

т/м³

т/м³

т/м³

Приведенные высоты отсеков определяем по формуле

(30)

Определение действующих сил ведем в таблице

Таблица (1) Определение действующих сил

Номер отсека	Sinб	Cosб	h1, м	h2+h3, м	hпр, м	hпрSinб, м	ц, град	hпрSinбtgц, м
9	0,84	0,542	1	0	1	0,84	28	0,26
8	0,8	0,60	5,2	0	5,2	4,16	28	1,47
7	0,7	0,71	8,5	0,6	8,83	6,18	22	2,27
6	0,6	0,80	7,4	2,8	8,94	5,37	22	2,58
5	0,5	0,87	6,1	4,6	8,61	4,31	27	3,37
4	0,4	0,92	4,9	5,9	8,10	3,24	27	3,35
3	0,3	0,95	3,7	6,9	7,43	2,23	27	3,20
2	0,2	0,98	2,6	7,4	6,60	1,32	27	2,92
1	0,1	0,99	1,5	7,6	5,60	0,56	27	2,52
0	0	1,00	0,4	7,6	4,50	0,00	27	2,03
-1	-0,1	0,99		6,3	3,76	-0,38	27	1,69
-2	-0,2	0,98		4,5	3,47	-0,70	27	1,54
-3	-0,3	0,95		3,8	3,10	-0,93	27	1,33
-4	-0,4	0,92		2,6	2,45	-0,98	27	1,02
-5	-0,5	0,87		1,2	1,71	-0,86	27	0,67
				У=61,8		У=24,4		У=30,2

Устанавливаем силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения, суммируя соответствующие силы по отсекам

(31)

т

Вычисляем касательную составляющую веса массива обрушения

(32)

т

Силу сцепления, возникающую на подошве массива обрушения, определяют по формуле

, (33)

где с₁, с₂, с₃ - удельные сцепления грунта тела плотины при естественной влажности и при насыщении водой, а также грунта основания, насыщенного водой; l₁, l₂. l₃ - длины дуг кривой сдвига, соответствующих удельным сцеплениям вычисляемые по формуле

, (34)

где в - центральный угол (град) круглоцилиндрической поверхности сдвига, опирающийся на дугу l.

м

м

м

т

Фильтрационную силу учитываем как объемную.

, (35)

где Щ - площадь фигуры MDBEK, Щ=187,5м²;

I - средний градиент фильтрационного потока, определяемый по формуле

, (36)

где Ду - падение депрессионной кривой в пределах массива обрушении;

Дх - расстояние, на котором произошло падение депрессионной кривой на Ду.

т

Плечо фильтрационной силы, определяемое по расчетной схеме, равно r₁=26,0м.

Вычисляем значение коэффициента устойчивости откоса по формуле

(33)

Найденное значение превышает нормативное, вычисленное по формуле (25) и равное 1,15, что свидетельствует о невозможности обрушения откоса по рассматриваемой поверхности сдвига.

Рисунок 1 - Схема к расчету устойчивости низового откоса

Список используемых источников

1. СНиП РК 3.04-02-2006. Плотины из грунтовых материалов.

2. СНИП РК 3.04-40-2006. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)

3. Лапшенков В. С. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям. Агропромиздат - М. , 1989, 448с.

Размещено на Allbest.ru

...