Проектирование грунтовой плотины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Плотина - основное водонапорное сооружение, которое перегораживает русло реки и создает разные уровни воды перед сооружением и за ним.

Плотины устраивают для следующих целей:

а) поднять уровень воды в реке для решения транспортных задач;

б) регулирование паводков реки для удовлетворения нужд населения;

в) сбор воды в водохранилище с последующим рациональным расходом.

Грунтовые плотины самый распространенный тип водоподпорного сооружения. Наибольшее распространение земляные плотины получили из следующих преимуществ: а) их возведение почти полностью механизировано;

б) возможно использование местного строительного материала;

в) плотину из грунтовых материалов строят в разнообразных климатологических, топографических, геологических и сейсмических условиях;

г) многообразие природных условий определяет различные типы плотин и способы их возведения;

д) экономичность и долговечность плотины.

Конструктивные элементы сопряжения с основаниями и берегами. Конструкция противофильтрационных элементов и дренажных устройств в теле и основании плотины. В данном проекте рассматриваются вопросы конструирования плотины на нескальном основании. Проведены фильтрационные расчеты устойчивости, выбран тип крепления верхового откоса. Проведен анализ однородной плотины и плотины с противофильтрационным элементом.

1. Проектирование грунтовой плотины

1.1 Определение отметки гребня плотины

Для определения высоты отметки гребня плотины необходимо знать превышение плотины над расчетным уровнем воды в верхнем бьефе. Отметку гребня плотины из грунта определяют из условия полного исключения перелива воды через него при накате волны и ветровом нагоне по формуле:

,

где h_s - превышение гребня плотины, определяется по формуле (1) [2]:

,

где Дh_set - ветровой нагон воды в верхнем бьефе, (м);

h_run1% - высота наката волн обеспеченностью 1%, (м);

а - конструктивный запас повышения гребня плотины, принимаемый как большее из значений 0,5 (м) или 0,1h_1% (м).

Высоту ветрового нагона воды определяем по формуле (148) [1,приложение]:

,

где б_w - угол между продольной осью водоема и направлением ветра, (град), принимаем из исходных данных б_w = 0?;

L - длина разгона волны, (м), из исходных данных L = 6000 м;

d₁ - глубина воды в верхнем бьефе, (м), из исходных данных d₁ = 15 м;

V_w - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема, (м/с), из исходных данных V_w = 20 м/с;

K_w - коэффициент, зависящий от скорости ветра и принимаемый = 2,1*10^-6.

По первому приближению определяем Дh_set:

;

Определяем Дh_set по второму приближению:

.

Исходя из того что погрешность составляет не более 0,05, ветровой нагон волны в верхнем бьефе принимаем равным: Дh_set = 0,03.

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% определяют по формуле (25) [1]:

,

где k_r и k_p - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл. 6 [1], k_r = 1, k_p = 0,9;

k_sp - коэффициент, принимаемый по табл. 7 [1]. По таблице принимаем k_sp = 1,3;

h_1% - высота волны 1% - ной вероятности превышения, которую определим в следующей последовательности:

1. Вычислим следующие безразмерные величины:

где t - продолжительность действия ветра, принимается при отсутствии фактических данных равной 6 часам = 21600 с.

2. Из графика рис. 1 [1, приложения] определим значения относительных параметров:

и

3. Устанавливаем среднюю высоту волны:

(м) и

средний период волны:

4. Вычислим среднюю длину волны по формуле (151) [1]:

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

,

где k_1% - коэффициент, принимаемый по графикам рис. 2 [1, приложение] для безразмерной величины , по графику получаем k_1% = 2,1, отсюда

.

k_run - коэффициент, принимаемый по графикам рис. 10 [1] в зависимости от пологости волны

. По графику получаем k_run = 1,0.

Определяем k_run1%:

.

Зная k_run1%, определяем h_s:

.

Получаем отметку гребня плотины равной:

.

1.2 Выбор местоположения гидроузла

Створ гидроузла выбирается в самом узком месте топографии участка строительства, находится кротчайшее расстояния между горизонталями которое равно отметке гребня плотины и проводим прямую, которая будет являться створом гидроузла, т.о. чтобы направление движения водного потока водохранилища было перпендикулярно выбранному створу. Для выбранного створа на миллиметровке строится геологический разрез, на котором показываются грунты.

1.3 Конструкция гребня плотины

Плотины из грунтовых материалов в зависимости от материала их тел и ПФУ, а также способов возведения, подразделяют на четыре типа: земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные.

Ширину гребня плотины назначают в зависимости от условий производства работ и эксплуатации плотины и принимают в зависимости от категории дороги по Табл. 4 [ 3 ].

Проезжую часть предусматривают с двухскатным поперечным профилем на прямолинейных участках дорог всех категорий. Поперечные уклоны проезжей части следует назначать в зависимости от числа полос движения и климатических условий = 0,02-0,04.

В пределах обочин устраивают ограждения в виде надолб, низких стенок или парапетов. Если гребень плотины делают из глинистых грунтов, то во избежание его пучения при морозах предусматривают защитный слой из песчаного или гравийного грунта. Толщину защитного слоя, включая толщину покрытия дороги, следует назначать не менее глубины сезонного промерзания в данном районе.

Крутизну откосов назначают исходя из условий их устойчивости с учетом: высоты плотины; физико-механических характеристик грунтов откосов и основания; действующих на откосы сил - собственного веса, воды, сейсмических, динамических, внешних нагрузок на гребне и откосах; производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации.

Ориентировочные значения коэффициентов заложения откосов земляных насыпных плотин приведены в Табл. 2 [ 5 ].

Для насыпных плотин высотой более 15 м необходимо предусматривать устройство берм через 10 м и заложение откосов принимать в пределах: верхового - 3…4, низового - 2,5…5. Количество берм определяется в зависимости от высоты плотины, условий производства работ, типов крепления откоса и его общей устойчивости.

Бермы следует предусматривать на верховом откосе у нижней границы его крепления для создания необходимого упора, на низовом откосе - для служебных проездов, сбора и отвода атмосферных вод, размещения контрольно-измерительной аппаратуры.

1.4 Конструкция откосов плотины

Для защиты верхового откоса земляной плотины от разрушающего воздействия ветровых волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов рекомендуется крепление следующих видов: каменное, бетонное и железобетонное, асфальтобетонное, биологическое.

От заложении напорного и безнапорного откосов зависит стоимость грунтовой плотины. Слишком крутые откосы могут оказаться не слишком устойчивыми и обрушиться. Пологие откосы резко увеличивают объем плотин, а следовательно и стоимость. Необходимо заложение откосов выбирать и проверять специальными расчетами. Заложение зависит от высоты плотины, грунта тела плотины и грунта основания.

Для увеличения устойчивости низового откоса устраивают через 10-15 (м), по высоте, бермы шириной 2-3 (м). Берма предохраняет откос от размыва талыми водами. С внутренней стороны устраивают кювет, для сбора и отвода талых и дождевых вод. С напорной стороны устраивают бермы шириной 2-3 (м), для удержания сползания по откосу.

Граница крепления зависит от уровня сработки водохранилища. Напорный откос крепится от гребня плотины до точки расположенной под УСВ на две высоты волны 1% обеспеченности.

Крепление верхового откоса плотины делится на основное, расположенное в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и облегченное - ниже основного крепления.

В нашем случае применяется железобетонное крепление, которое может быть выполнено в виде монолитных или сборных плит. Монолитные плиты толщиной 0,15…0,5 м имеют размеры от 5*5 до 20*20 м и более.

Сборные плиты делают толщиной от 0,08…0,1 до 0,15…0,2 м и размером от 1,5*1,5 до 5*5 м, в зависимости транспортных средств и подъемных механизмов. Часто отдельные плиты объединяют в карты больших размеров, швы между ними омоноличивают. Между картами устраивают деформационные швы, воспринимающие деформации от температурных воздействий.

Для крепления низового откоса из песчаных или глинистых грунтов применяют посев трав по растительному слою толщиной 0,2-0,3 м, отсыпку щебня или гравия толщиной 0,2 м и другие виды облегченных покрытий.

1.5 Конструкция противофильтрационного устройства в виде ядра

ПФУ выполняют из слабоводопроницательных грунтов (глинистых и мелкозернистых песчаных, глинобетона) или негрунтовых материалов (бетона, железобетона, полимеров, битума и др.) в виде экрана, понура, диафрагмы, ядра, шпунта, стенки или завесы. Эти устройства выбирают в зависимости от типа грунтовой плотины, характеристик ее тела и основания, высоты плотины, условий производства работ. В земляных плотинах в качестве ПФУ чаще всего применяют экраны, экраны с понуром и ядра из грунтовых материалов; в каменно-набросных плотинах - диафрагмы, экраны и ядра из бетона, железобетона, асфальтобетона и синтетических материалов.

Для земляных насыпных плотин толщину грунтового экрана поверху назначают из условия производства работ, но не менее 0,8 метров с постепенным утолщением книзу. В нашем случае выбираем скрепер прицепной ДЗ-33 ( емкость ковша геометрическая=3 м³, с «шапкой»=3,5 м³; ширина захвата = 2,1 м), следовательно высоту экрана поверху принимаем равную 1,5 м, понизу - 5 м.

Гр.Эк. = ФПУ + 0,5=95,5+0,5 96 (м)

1.6 Предварительная проверка откоса по графику

При проверке устойчивости откосов пользуются графиками ВНИИ ВОДГЕО (рис. 3) [5]. Задавшись коэффициентом запаса на устойчивость з = 1,2, вычисляем отношение:

,

где С - удельное сцепление, кПа; С = 1,3 кПа,

с - плотность грунта, т/м³; с = 1,9 т/м³,

H_пл - высота плотины, м; H_пл = 17,82 м.

Полученное значение откладываем по вертикальной шкале и проводим горизонтальную прямую до пересечения с кривой, соответствующей углу внутреннего трения грунта тела плотины. Точку пересечения проектируем на горизонтальную шкалу и получаем безопасный угол откоса и = 25?. Сравниваем полученный угол с углом наклона низового откоса : и ? б - откос устойчив. Примем m₂ = 2,0.

2. Фильтрационный расчет плотины и основания

Фильтрационные расчеты земляных плотин позволяют получить: характеристики фильтрационного потока, необходимые для проверки фильтрационной прочности тела плотины, расчет устойчивости ее откосов и обоснования рациональных параметров. Этими расчетами определяются:

- положение депрессионной кривой в теле плотины;

- градиенты напора фильтрационного потока;

- фильтрационный расход через тело плотины, основание плотины и берега.

Фильтрационные расчеты выполняются при характерных уровнях воды в верхнем и нижнем бьефах, при которых характеристики фильтрационного потока получаются наиболее не благоприятными с точки зрения прочности и устойчивости плотины, а также потерь воды на фильтрацию.

2.1 Расчет фильтрации через однородную грунтовую плотину на водонепроницаемом основании с дренажным банкетом при наличии воды в нижнем бьефе

1) ось X проводим по уровню дна в нижнем бьефе.

2) ось Y проводим на пересечении УВБ с откосом в верхнем бьефе

Расчет фильтрации ведется по формулам:



Построение кривой депрессии проводится по формуле:

где x - произвольная величина

где =2.07

Удельный фильтрационный расход через тело плотины равен:

.

k_пл - коэффициент фильтрации через грунт тела плотины, для песка k_пл =2,5 (м/сут)

Данный расчет фильтрации был произведен при УНБ_min.

2.2 Расчет фильтрации через плотину с ПФУ, выполненным в виде экрана

В этом случае фильтрационный расчет ведут без учета защитного слоя экрана, принимая среднюю толщину экрана

где и - ширина экрана поверху и понизу;

- средняя толщина экрана;

2. Определим коэффициент n

3.Определим вершину проектируемой средней толщины экрана

где б - угол наклона низовой грани экрана к горизонту; б = 19°

4.Задаемся значением h_эк , для каждого значения измеряем расстояние L и определяем для каждого значения ординату кривой депрессии над точкой К:

5. Вычисляем значение двух функций

Оформим результаты в виде таблицы:

№	hэк	L	F1	F2
1	2,5	68	0,07	0,03
2	5	63	0,27	0,026
3	6,25	58	0,427	0,0025
4	7,5	53	0,61	0,002
5	10	48	1,08	0,001
6	11,25	45	1,36	0,0005

Кривую депрессии строим по уравнению:

.

Координаты кривой депрессии записываем в табличной форме:

x	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	45,5
y	0	0,57	0,81	0,99	1,15	1,3	1,4	1,51	1,62	1,72	1,73

По данным таблицы строим кривую депрессии (Рис. 1 ).

Рис. 1 «Построение кривой депрессии»

Удельный фильтрационный расход через тело плотины равен:

.

k_пл - коэффициент фильтрации через грунт тела плотины, для песка k_пл =2,5*10^-2 (м/сут)

Данный расчет фильтрации был произведен при УНБ_min.

2.3 Расчет фильтрации через основание плотины

К_Т - коэффициент фильтрации грунта тела плотины (=0,1 м³/сут)

Т - толщина водопроницаемого слоя, которая принимается Т=0,5*В

В - ширина плотины по основанию (=108м)

H_c - напор, действующий на плотину (7,5м)

n - коэффициент, принимаемый в зависимости от отношения B/Т

При проектирование плотины потеря воды из водохранилища складывается из потерь воды через плотину и из потерь воды из водохранилища через основание:

q=q_пл+q_осн = 0,083+0,51=0,59 м³/сут.

3. Расчет крепления откосов плотины

3.1 Построение эпюры волнового давления на откос

Определяем максимальное волновое давление P_d по формуле:

,

где k_s - коэффициент который зависит от заложения напорного откоса, высоты и длины волны, определяется по формуле:

;

k_f - коэффициент который зависит от пологости волны (k_f = 1,07), табл.10 [1];

P_rel - максимальное относительное волновое давление на откос (P_rel = 2,3), табл.11[1];

с - плотность воды = 1·10³ (кг/м³);

Определяем ординату z₂ т.2 (т.2 - находится под уровнем воды, которая зависит от заложения откоса, высоты и длины волны) по формуле:

,

где А и В -величины, м, вычисляемые по формулам:

;

.

Ордината z₃, м, соответствует высоте наката волн на откос. На участках крепления по откосу выше и ниже т.2 ординаты эпюры волнового давления принимаются р, кПа, на расстояниях, м:

,

при и ;

при (м) и (м) .

3.2 Построение эпюры волнового противодавления

Ординаты эпюры волнового противодавления Р_с на плиты крепления откосов следует определять по формуле:

где P_c,rel - относительное волновое противодавление, принимается по графикам 12 [1], в зависимости от отношений и ;

b_f - размер плит в плане, 6 (м);

- средняя длина волны, ;

х - расстояние, м, от оси OZ до точки в которой определяется значение эпюры волнового противодавления.

x = -8,5 (м), отсюда следует что P_crel = 0,2 следовательно

;

x = 3,5 (м), отсюда следует что P_crel = 0,16 следовательно

;

х = 9,5 (м), отсюда следует что P_c,rel = 0,13 следовательно

;

х = 11,75 (м), отсюда следует что P_crel = 0,11 следовательно

;

По найденным данным строим эпюру противодавления (Рис. 2 ).

Рис 2 «Построение эпюры противодавления»

3.3 Определение толщины плит крепления опорного откоса

Толщина плит крепления зависит от волнового противодавления, если плиты не связаны между собой , то среднюю толщину плиты можно определить по формуле:

где Рс^ср - среднее значение волнового противодавления, кПа, определяем по формуле:

;

m₁ - заложение напорного откоса;

с_пл, с_в - плотность материала плиты и воды, т/м³.

При анкерном соединении всех плит толщина плиты вычисляем по формуле:

.

4. Расчет устойчивости низового откоса плотины графоаналитическим способом

Для расчета устойчивости откосов земляных плотин предложено несколько методов, основанных на двух разных теориях: теории «предельного равновесия», согласно которой считается, что во всех точках сдвигающейся массы грунта существует предельное равновесие, и теории, которая основывается на использовании модели отвердевшего отсека обрушения грунта.

В инженерной практике чаще применяют вторую теорию. В основу расчета по этой теории положены следующие соображения и допущения:

а) поверхность обрушения АВ (рис. 11), по которой под действием собственного веса грунта Q может произойти его сползание, принимается криволинейной, кругло-цилиндрической, описанной радиусом R из центра вращения О;

б) сползающая масса отсека обладает как силой трения Р, так и силой сцепления С.

Рис. 11 Общая схема сил, действующий на сползающий массив

Расчет производим по кругло - цилиндрическим поверхностям скольжения. Степень устойчивости откосов оценивается отношением момента удерживающих сил к моменту сдвигающих сил относительно некоторой произвольно выбранной точки.

1.Удерживающая сила определяется по формуле:

,

где - нормальная составляющая собственного веса Q призмы обрушения;

- коэффициент внутреннего трения грунта.

2. Удерживающая сила сцепления определяется по формуле:

,

где с - удельное сцепление грунта, принимаемое в зависимости от рода грунта и его влажности;

L - длина дуги кривой скольжения, м.

3. Сдвигающая сила - касательная составляющая собственного веса определяется по формуле:

,

4. Сдвигающая сила - давления фильтрационного потока определяется по формуле:

,

где щ - площадь призмы обрушения, ограниченная кривыми скольжения и депрессии, м²;

J - гидравлический уклон.

Сползание призмы обрушения будет иметь место в том случае, если сумма моментов сдвигающих сил М_сд будет больше суммы моментов удерживающих сил М_уд.

Для определения центров наиболее опасных поверхностей скольжения из точек А и В, как из центров, проводят две дуги окружности с радиусом R до пересечения в точке О. Радиус R определяем по формуле:

,

где R_н = 15,2 м и R_в = 27,2 м - нижний и верхний предел радиуса поверхности скольжения.

.

Далее проводим дугу из точки С радиусом до пересечения с линиями CD и CE.

1) Призму обрушения, ограниченную кривой скольжения и внешним очертанием плотины, разбиваем на отсеки, шириной равной: (рис.11)

Расчет ведем в табличной форме.

№	sin	cos	ест	нас	ос	ВОД	пр	пр*sin	пр*cos	tg	пр*tg*cos	c	L	c*L
-3	-0.3	0.95	0.00	0.0	0.70	1.50	2.20	-0.66	2.10	0.38	0.81	0.500	3.4	1.7000
-2	-0.2	0.98	0.00	0.0	1.40	1.50	2.90	-0.58	2.84	0.38	1.09	0.500	2.5	1.2500
-1	-0.1	0.99	0.00	0.0	1.70	1.50	3.20	-0.32	3.18	0.38	1.22	0.500	2.4	1.1750
0	0.0	1.00	0.00	1.5	1.80	1.50	5.06	0.00	5.06	0.84	4.24	0.500	2.3	1.1500
1	0.1	0.99	2.20	1.5	1.70	1.50	7.16	0.72	7.12	0.84	5.97	0.100	2.4	0.2350
2	0.2	0.98	2.50	1.5	1.40	1.50	7.16	1.43	7.01	0.84	5.88	0.100	2.4	0.2400
3	0.3	0.95	3.60	1.5	0.80	1.50	7.66	2.30	7.30	0.70	5.11	0.100	2.5	0.2500
4	0.4	0.92	4.70	1.4	0.00	0.00	6.34	2.54	5.81	0.70	4.06	0.100	2.6	0.2600
5	0.5	0.87	6.00	0.0	0.00	0.00	6.00	3.00	5.20	0.70	3.64	0.100	2.7	0.2700
6	0.6	0.80	5.70	0.0	0.00	0.00	5.70	3.42	4.56	0.70	3.19	0.100	2.9	0.2900
7	0.7	0.71	4.90	0.0	0.00	0.00	4.90	3.43	3.50	0.70	2.45	0.100	3.3	0.3300
8	0.8	0.60	3.30	0.0	0.00	0.00	3.30	2.64	1.98	0.70	1.39	0.100	3.9	0.3900
								?=17.91			?=39.04			?=7.54

Приведенную высоту отсека определяем по формуле:

.

Вычисляем площади фильтрационных потоков:

, .

Определяем градиенты напора:

, .

г_n - коэф-т соответственности сооружения, применяемый по таблице 9 [2] =1,15;

г_fc -коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый по табл.10[2] =1;

г_c-коэффициент условий работы, принимаемый по табл.1 [2] =1.

Находим коэффициент устойчивости по формуле:

,

,

=> Откос устойчив

Список используемой литературы

плотина гидроузел фильтрационный

1. СниП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) /Минстрой России М.: ГП ЦПП, 1995.

2. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов /Госстрой СССР. М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1991.

3. СниП 2.05.02-85. Автомобильные дороги Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

4. СНиП 2.06.01-86 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования Госстрой СССР. М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1989

5. Проектирование плотин из грунтовых материалов. Метод указания /Сост. Н.Я. Кичигина, А.П. Назаров; СамГАСА, Самара, 2002.

6. Гидротехнические сооружения: Справочник проектировщика /Под общ. ред. В.П. Недриги М.: Стройиздат, 1983.

Размещено на Allbest.ru

...