1 Обоснование выбора створа и типа грунтовой плотины

Район строительства плотины г.Тула, метод постройки насыпной. Створ плотины располагается в наиболее узкой части водотока, нормально к горизонталям, что обеспечивает минимальный объем работ. Топографические условия определяют длину и высоту плотины.

Для принятого створа делаем продольный профиль с фиксацией отметок поверхности земли на пикетах и промежуточных точках (приложение 1А).

По типовым проектам подбираем наиболее целесообразный тип плотины. Принципиальная схема представлена на рисунке 1.

При проектировании плотин учитываем и форму речных долин, в которых наблюдаются два характерных участка: русловой, где протекает вода в меженное время, и пойменный, затапливаемый в паводок. Толщина льда на реке 0,4 м. На горных участках рек и в руслах малых водотоков поперечное сечение обычно имеет очертание, близкое к треугольному, и здесь пойменных участков нет.

Лучшее строительные грунты суглинки и супеси. В данной курсовой работе тело плотины – суглинок, основания – песок 4 м, глина, поэтому создается однородная плотина.

Гидроузел противоэрозионного пруда создается с помощью плотины из грунтовых материалов. Различаем три уровня поверхности воды: форсированный подпорный ФПУ=101,55м, нормальный подпорный НПУ=100,55м и мертвого объема УМО=98,30м. Отметки этих уровней устанавливают с помощью водохозяйственных расчетов.

2 Конструирование поперечного профиля плотины

2.1 Определение ширины гребня плотины

Один из основных вопросов проектирования плотины из грунтовых материалов — определение устойчивого, и экономически выгодного ее профиля. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характеристик грунта тела плотины и ее основания, а также условий строительства и эксплуатации.

Гребень плотины конструируют из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта. Поэтому ширину гребня принимают в зависимости от категории дороги, но не менее 4,5м). Для данной работы принимаем: категория дороги – IV; ширина проезжей части (А) 6,0 м; ширина обочин (Б) 2,0 м; ширина земляного полотна 10 м.

В поперечном направлении дороге придают двусторонний уклон, принимая его равным при асфальтобетонном покрытии 1,5%, при булыжном или грунтовом покрытии — 3%. Обочинам обычно придают несколько больший уклон. В пределах обочин в соответствии с ГОСТ 23457—79 устраивают ограждения в виде надолб, низких стенок или парапетов, как показано на рисунке 2.

а – без парапета; 1 – проезжая часть; 2 – обочина; 3 – столбы-надолбы;

Рисунок 2 – Конструкция гребня плотины

Гребень плотины делают из глинистых грунтов, поэтому во избежание его пучения при морозах предусматривают защитный слой из песчаного грунта. Толщину защитного слоя, включая толщину покрытия дороги, следует назначать не менее глубины сезонного промерзания в данном районе.

Отметку гребня определяют по методике из условия недопущения перелива воды через гребень плотины.

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и др. Коэффициенты заложения откосов предварительно назначают по рекомендациям, а также опыту строительства и эксплуатации плотин-аналогов; затем их устойчивость проверяют специальным расчетом.

В данном случае при высоте плотины до 15 м коэффициент заложения верхового откоса принимают равным 3, а низового- 2.

2. Определение отметки гребня плотины

Высоту плотины назначают с превышением d над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующем отсутствие перелива воды через гребень и равным:

, м (1)

где — высота ветрового нагона воды, м;

— высота наката волн на откос плотины, м;

а — конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0,5 м и ; — высота волны 1%-ной вероятности превышения.

Расчеты по формуле (1) проводим для двух расчетных случаев:

1) уровень воды на отметке НПУ или выше него (основное сочетание нагрузок и воздействий);

2) уровень воды, на отметке ФПУ при пропуске максимального поверочного расхода воды (особое сочетание нагрузок и воздействий).

Расчетную скорость ветра в первом случае принимаем 1%-ной вероятности превышения, наблюдаемую в течение года, а во втором — 50%-ной вероятности превышения, наблюдаемую во время форсировки уровня. При определении элементов ветровых волн и ветрового нагона согласно СНиП 2.06.04 — 82 принимаем вероятность превышения шторма для сооружений класса IV —4%.

В качестве расчетной отметки гребня плотины принимают большую из отметок:

Z_Гр = Z_HПУ + d_ФПУ, м (2)

Z_Гр = Z_ФПУ + d_ФПУ, м (3)

где Z_HПУ и Z_ФПУ — отметки нормального и форсированного подпорных уровней, м.

Расчет:

При НПУ:

Высоту ветрового нагона определяют по зависимости:

, (4)

где К_в – коэффициент, зависящий от скорости ветра; К_в=2,4*10^-6

W — расчетная скорость ветра на высоте 20 м над уровнем воды, м/с;

W=23 м/с;

D — длина разгона ветровой волны, м. D=2,6 км=2600м;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

H — условная расчетная глубина воды в водохранилище; H=6,55 м

ά_в— угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, град. ά_в=0⁰, cos 0⁰=1

Расчет формулы (4) проводят по известным значениям W, D, Н и ά_в, первоначально полагая значение , стоящее в знаменателе, равным нулю ввиду его малости по сравнению с величиной Н.

Подставляют все параметры в формулу (4) и рассчитывают высоту ветрового нагона:

Δh=2,4*10^-6*23²*2600*1/9,81(6,55+0)=0,051 м.

Высоту наката ветровой волны для вероятности превышения расчетного шторма вычисляют по формуле:

h_н = ·K_НП·K_c·K_НГ·K_Hj·K_β·h_1% , (5)

где h_1% – высота волны 1% обеспеченности;

и K_НП – коэффициенты, зависящие от типа и относительной шероховатости крепления откоса; =1,0, K_НП =0,9 (табл.4[4])

К_с – коэффициент, зависящий от скорости ветра и коэффициента заложения откоса m₁; K_c=1,5 ( при откосе 3,0 и скорости ветра 23,0 м/с); (табл.5[4])

К_НГ – коэффициент, зависящий от пологости волны. Значение коэффициента К_НГ определяют по графикам. Для пользования ими предварительно устанавливают значение пологости волны: λ/h_1%

К_НГ=1,4 (рис.9 [4])

K_Hi – коэффициент, учитывающий вероятность превышения по накату, j(%). К_Hj=0,92 (табл.6[4])

K_β – коэффициент, зависящий от угла β подхода фронта волны к плотине. К_β=1при β=0⁰

Определим элементы волны:

Вычислим безразмерные комплексы gt/W и gD/W²,

где t — продолжительность действия ветра, принимаемая при отсутствии

фактических данных 6 ч=21 600 с;

Длина разгона ветровой волны D=2,6км=2600м

gt/W=9,81*21600/23=9212,87

gD/W²=9,81*2600/23²=48,22

По графику для каждого из найденных комплексов определяем значения относительных параметров и ;

gt/W : =3,75 =0,075

gD/W²: =1,2 =0,01

Из найденных двух пар и значений параметров выбирают наименьшие и из них устанавливают среднюю высоту волны и средний

период волны .

=0,01 h=0,54м

=1,2 τ=2,81

Вычисляем среднюю длину волны:

(6)

λ=9,81*2,81²/2*3,14=12,33 м

Высоту волны 1%-ной вероятности превышения определяют по формуле:

(7)

где K_i — коэффициент, устанавливаемый по графику при 1%-ной вероятности превышения в зависимости от значения безразмерного комплекса gD/W². [1] K_i=2,15

h_1%=0,54*2,15=1,16 м

_{Определяем мелководная или глубоководная зона перед плотиной, для этого проверяем следующие условия, если:}

_{- глубоководная зона:}

_6,55>2,32

_H>0,5λ

_{0,5λ=0,5*12,33=6,17}

_6,55>6,17

По найденным выше значениям рассчитывают величину высоты наката ветровой волны:

h_H=1*0,9*1,5*1,4*0,92*1,0*1,16=2,02 м

Конструктивный запас а=0,5

Подставляют найденные параметры h_H и Δh в формулу (1) и рассчитывают превышение d над уровнем воды:

d=0,51+2,017+0,5=3,027 м

Вычисляют расчетную отметку гребня плотины:

Z_гр=100,55+3,027=103,577м

При ФПУ:

Высоту ветрового нагона определяют по зависимости:

, (8)

где К_в – коэффициент, зависящий от скорости ветра; К_в=2,1*10^-6;

W — расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с. W=3,7 м/с;

D — длина разгона ветровой волны, м; D=2,75км=27500м,

g — ускорение свободного падения, м/с²;

H — условная расчетная глубина воды в водохранилище. H=7,55 м;

ά_в— угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, град. ά_в=0⁰, cos 0⁰=1

Расчет формулы (8) проводят по известным значениям W, D, Н и ά_в, первоначально полагая значение , стоящее в знаменателе, равным

нулю ввиду его малости по сравнению с величиной Н.

Рассчитывают высоту ветрового нагона:

Δh=2,1*10^-6*3,7²*2750*1/9,81(7,55+0)=0,0011 м

Высоту наката ветровой волны для вероятности превышения расчетного шторма вычисляют по формуле:

h_н = ·K_НП·K_c·K_НГ·K_Hj·K_β·h_1% , (9)

где h_1% – высота волны 1% обеспеченности;

и K_НП – коэффициенты, зависящие от типа и относительной шероховатости крепления откоса; =1,0; K_НП =0,9;

К_с – коэффициент, зависящий от скорости ветра и коэффициента заложения откоса m₁; K_c=1.5 ( при откосе 3 и скорости ветра 8,5 м/с);

К_НГ – коэффициент, зависящий от пологости волны. Значение коэффициента К_НГ определяют по графикам. Для пользования ими предварительно устанавливают значение пологости волны:

λ/h_1%=2,14/0,177=12,09:

К_НГ=1,4

K_Hi – коэффициент, учитывающий вероятность превышения по накату, j (%); К_Hj=0,92;

K_β – коэффициент, зависящий от угла подхода фронта волны к плотине, К_β=1 при β=0⁰

Определим элементы волны:

Вычислим безразмерные комплексы gt/W и gD/W²,

где t — продолжительность действия ветра, принимаемая при отсутствии фактических данных 6 ч=21600 с;

Длина разгона ветровой волны D=2750 км=2750м

gt/W=9,81*21600/3,7=57269,19

gD/W²=9,81*2750/3,7²=1970,60

По графику для каждого из найденных комплексов определяем значения относительных параметров и ;

gt/W : =4,8 =3,1

gD/W²: =0,117 =0,058

Из найденных двух пар и значений параметров выбирают наименьшие и из них устанавливают среднюю высоту волны и средний период волны .

=0,058 h=0,081

=3,1 τ=1,17

Вычисляем среднюю длину волны:

(10)

λ=9,81*1,17²/2*3,14=2,14 м

Высоту волны 1%-ной вероятности превышения определяют по формуле:

(11)

где K_i — коэффициент, устанавливаемый по графику при 1%-ной вероятности превышения в зависимости от значения безразмерного комплекса gD/W² [1] K_i=2,18

h_1%=0,081*2,18=0,177 м

Расчет высоты наката выполняют, предполагая, что перед плотиной имеется глубоководная зона (глубина воды ) и при .

7,55>0,5*2,14 7,55>1,07

7,55>2*0,177 7,55>0,354

По найденным выше значениям рассчитывают величину высоты наката ветровой волны:

h_H=1*0,9*1,1*1,1*0,92*1*0,177=0,177 м

Конструктивный запас а=0,5

Подставляют найденные параметры h_H и Δh в формулу (8) и рассчитывают превышение d над уровнем воды:

d=0,0011+0,177+0,5=1,38 м

Вычисляют расчетную отметку гребня плотины:

Z_гр=101,55+1,38=102,93 м

Итак, в качестве расчетной отметки гребня плотины принимают большую из отметок вычисленных по формулам (2) и (3), округленную с шагом 0,5 м в большую сторону.

Z_гр=104 м

Расчетная высота плотины может быть определена следующим образом

Н_пл = Z_ГР – Z_дна, (12)

где Z_дна – минимальная отметка дна в створе плотины.

H_пл=104-94=10 м

2.3 Назначение отметок и размеров берм

На откосах плотины устраиваем бермы, исходя из требований производства работ и эксплуатационных условий. На верховом откосе бермы устраиваем для размещения упора крепления, для осмотра и ремонта откоса плотины. Проезд на берме предусматриваем, ее ширина будет составлять 4 м.

На низовом откосе берма служит для предотвращения размыва откоса дождевыми и талыми водами, а также для размещения приборов по наблюдению за положением кривой депрессии в теле плотины. Ее обычно устраивают посередине откоса. Отметка бермы низового откоса определяем по формуле:

, м (13)

Со стороны верхового откоса берму устраивают ниже уровня мертвого объема. Это позволяет сделать плотину шире по основанию и удлинить пути фильтрации. Положение бермы со стороны верхнего бьефа определяем уровнем мертвого объема:

, (14)

где - высоту волны 1%-ной вероятности превышения при УМО.

2.4 Крепление откосов

Для защиты верхового откоса земляной плотины от разрушающего воздействия ветровых волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов СНиП 2.06.05–84 рекомендует крепление следующих видов: каменное, бетонное и железобетонное, асфальтобетонное, биологическое.

Крепление верхового откоса делится на основное и облегченное. Верхней границей основного крепления обычно служит гребень плотины. Нижнюю границу основного крепления принимают на глубине считая от наинизшего уровня воды в водохранилище (обычно УМО). В то же время эта граница должна быть не выше, наинизшего уровня, уменьшенного на 1,5t, где t – расчетная толщина льда в водохранилище. Отметка нижней границы основного крепления , м выбирается как наименьшая из отметок, вычисленных по формулам (15) и (16).

(15)

(16)

Нижняя граница облегченного крепления определяется условиями неразмываемости грунта плотины течением или волнами. Она соответствует глубине водохранилища, на которой волновые скорости не превышают скоростей трогания частиц грунта откоса при любых сочетаниях отметок воды и соответствующих им элементов волн.

Отметка нижней границы облегченного крепления определяем следующим образом:

(17)

где - расчетный уровень воды (как правило, УМО, НПУ и ФПУ);

- глубина, на которой скорость волнового движения равна неразмывающей скорости v_доп, м. Значение допустимой донной скорости определяем по рис.13. [4].

(18)

где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от пологости волны (табл.8 [4]).

Отметку нижней границы облегченного крепления определяем по формуле (1 ) при ФПУ, НПУ и УМО, при этом в формулу (1 ) вводятся значения элементов волн ( и ) для соответствующих уровней.

Определение отметки гребня плотины при УМО:

Выбираем минимальные из полученных значений:

и

Из полученных значений выбирается наименьшая отметка. Если она оказывается меньше отметки дна, то облегченное крепление доводится до уровня дна.

Облегченные крепления обычно выполняются из одного слоя разнозернистого щебня, гравия, галечника или наброски из мелкого камня и лишь иногда из железобетонных плит.

Задавшись типом крепления, определяем его границы, основные параметры (размеры камня, плит и др.) и подбираем состав подготовки под покрытие.

Бетонное и железобетонное крепление выполняют в виде монолитных или сборных плит. Монолитные плиты толщиной 0,15... 0,5 м имеют размеры от 5x5 до 20x20 м и более. Сборные плиты делают толщиной от 0,08...0,1 до 0,15...0,2 м и размером от 1,5X1,5 до 5x5 м, в зависимости от грузоподъемности 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.

Наибольшее распространение из бетонных креплений получило монолитное покрытие. Крупные монолитные плиты применяют тогда, когда не ожидается значительных деформаций откоса плотины. В противном случае откос предпочтительнее покрывать плитами меньших размеров, сборными или сборно-монолитными. На выбор типа и размера плит также влияют сроки выполнения крепления и производственные возможности строительства.

Расчет устойчивости бетонных и железобетонных покрытий на вырывающее действие ледяного покрова выполняют в том случае, когда, толщина льда превышает или 0,5 м и возможен поворот покрытия вокруг нижнего упора.

Подготовка под проницаемым креплением из бетонных и железобетонных плит может состоять из одного слоя разнозернистого материала, из которого сформируется обратный фильтр, или двух-трех слоев материала с различными по крупности частицами. Толщина однослойной подготовки обычно составляет не менее 0,2 м. Многослойные подготовки устраивают под температурно-осадочными швами железобетонных покрытий. Для упрощения производства работ их делают сплошными. В этом случае непосредственно под покрытие укладывают слой однородного материала с . Отношение средних диаметров соседних слоев принимают равным 3...4. Размер наименьшей фракции верхнего слоя подготовки должен удовлетворять соотношению , где S – размер поперечного сечения отверстий в покрытии. Для нижнего слоя, как и при однослойной подготовке, используют разнозернистый материал с .

Если верховой откос выполнен из разжижающихся грунтов (глина, мелкий песок), то под плиты облицовки следует уложить слой пригрузки из песка.

Низовой откос крепят посевом трав по растительному слою грунта толщиной 0,2...0,3 м, сплошной одерновкой, одерновкой в клетку или отсыпкой гравия (щебня) слоем толщиной 0,2 м.

При сплошной одерновке для лучшего прорастания по откосу сначала укладывается слой растительного грунта толщиной 0,1-0,15 м. Размеры клеток при одерновке в клетку 1х1 м. клетки заполняются растительным грунтом, в который высеваются семена трав. К откосу дерн прикрепляется деревянными колышками-спицами длиной 0,25-0,3 м.

В случаях, когда в нижнем бьефе возможны волнообразование и воздействие льда, нижнюю часть откоса крепят до высоты наката волны так же, как и верховой откос.

2.5 Выбор дренажных и противофильтрационных устройств

Дренажами называют устройства, предназначенные для приема и отвода воды, профильтровавшейся через тело или основание грунтовой плотины, и имеющие повышенную водопроницаемость по отношению к контактируемому с ним грунту. Дренаж состоит из двух частей: приемной и отводящей. Задачи дренажей – понижение отметок кривой депрессии и недопущение выхода фильтрационного потока на низовой откос. Их применяют для дренирования тела плотины и основания, а также для перехвата фильтрационного потока, обтекающего плечи плотины. Отсутствие дренажей в плотине должно быть обосновано.

Местоположение дренажей и их типы устанавливают, исходя из условий устойчивости низового откоса. Приемную часть дренажа целесообразно приближать к оси плотины, но – больше объем работ по дренажу, больше градиенты напора и фильтрационные потери.

Нормальная работа дренажей обеспечивается, если приемная часть их расположена выше уровня воды в НБ. Начало дренажа располагают на таком расстоянии от подошвы плотины низового откоса, чтобы было обеспечено расстояние от кривой депрессии до плоскости низового откоса более глубины промерзания.

Основными конструкциями дренажей грунтовых плотин являются наслонный, дренажная призма, плоский горизонтальный, ленточный, трубчатый горизонтальный и вертикальный, комбинированный.

Исходя из наших условий целесообразно применить трубчатый дренаж. Его применяют обычно на тех участках плотины, где воды в нижнем бьефе нет или она появляется на короткое время (пойменные участки плотины). Приемную часть дренажа выполняют из перфорированных труб или труб с незаделанными стыками (гончарных, бетонных или асбестоцементных). Трубы укладывают параллельно низовому откосу, следуя за ее изгибами на расстоянии от его подошвы не больше 1/4...1/3 ширины плотины по основанию и не меньше глубины промерзания. При этом должен быть обеспечен односторонний уклон. Диаметр труб определяют расчетом исходя из условия обеспечения безнапорного движения воды в трубах, но не меньше 0,2 м. По периметру приемной части трубы укладывают обратные фильтры. Общая толщина слоев составляет 0,4 – 0,6 м. Из приемной части дренажа вода отводится неперфорированными трубами в кювет в нижнем бьефе. Кювет устраивают параллельно подошве плотины.

Обратные фильтры дренажей

Обратные фильтры располагают на контакте дренажа (или пригрузки) и дренируемого тела плотины, ядра, экрана или основания плотины. Их допускается не устраивать при контакте дренажа с телом плотины, если оно сложено гравелистыми песками, гравийными грунтами и др. Отказ от устройства обратных фильтров должен быть обоснован.

Для обратного фильтра используют имеющиеся карьерные грунты или искусственные материалы. Их подбирают из условия обеспечения фильтрационной прочности сопрягающих грунтов в месте контакта. Если естественный карьерный грунт оказывается непригодным, то проводят его обогащение или отсев мелких фракций.

Коэффициент разнозернистости (неоднородности) материалов обратных фильтров дренажей и переходных зон должен иметь следующие значения:

- если защищаемый грунт несуффозионный сыпучий, то , где меньшее значение следует принимать для окатанных частиц песчаных и гравийных грунтов, а большее– для щебенистых грунтов фильтров;

- если защищаемый грунт суффозионный сыпучий, то ;

- если защищаемый грунт глинистый с числом пластичности не меньше 0,07, то ;

- для фильтров, устраиваемых из пористого бетона, ;

- для фильтров, выполняемых отсыпкой материала в воду, .

Так как грунт глинистый с числом пластичности не меньше 0,07, то принимаем ;

Число слоев обратного фильтра и их состав определяем на основе технико-экономического сравнения различных вариантов. При этом стремимся к созданию однослойных фильтров.

При расчете однослойного или первого слоя многослойного обратного фильтра используем следующие обозначения: размер фракции защищаемого грунта, масса которого вместе с массой более мелких фракций составляет массы всего грунта; – размер фракций первого слоя обратного фильтра, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет массы всего грунта; – коэффициент неоднородности защищаемого грунта; – коэффициент неоднородности первого слоя обратного фильтра; – коэффициент междуслойности.

Практически несуффозионным можно считать такой грунт, из которого фильтрационным потоком может быть вынесено не более 3...5 % по массе мельчайших частиц. Такой грунт должен удовлетворять зависимости:

(19)

где ;

n – пористость грунта в долях единицы.

На участках восходящего фильтрационного потока, в случае песчаного основания плотины со средним диаметром частиц =0,15 ... 0,7 мм, состав первого слоя фильтра подбирают из условия недопущения контактного выпора и вдавливания частиц грунта в поры фильтра по графику.

При фильтрационном потоке, направленном вдоль контакта защищаемого грунта и фильтра, контактный размыв грунта будет предотвращен, если точка, соответствующая координатам и , располагается ниже кривой.

Для плотин из глинистого грунта или плотин на глинистом основании состав первого слоя фильтра подбирают из условия недопущения отслаивания (контактного выпора) глинистого грунта на контакте с крупнозернистым несвязным грунтом. Материал фильтра считается пригодным, если соответствующая ему точка располагается в области допустимых характеристик и при нисходящем фильтрационном потоке градиент напора , а при восходящем – . Для плотин III и IV класса и временных сооружений допускается отслаивание глинистого грунта в порах фильтра на глубину, не влияющую на его прочность (на половину диаметра пор фильтра).

Подбор зернового состава второго и последующих слоев многослойного фильтра ведут по тем же графическим зависимостям , полагая, что через и соответственно обозначены размеры фракций предыдущего и последующего слоев фильтра.

Для всех слоев фильтра, образующих с основанием (по направлению из верхнего бьефа в нижний) угол не менее 90° (например, в наслонных и комбинированных дренажах, в каменно-земляных плотинах с ядром), должно выполняться условие , при котором исключается контактный размыв. Если слои фильтра имеют наклон к основанию менее 90° (например, в дренажных банкетах и в плотинах с экраном), проверку непросыпаемости каждого предыдущего слоя фильтра в последующий проводят по формуле:

(20)

где а_п – коэффициент, учитывающий пористость грунта и определяемый по графику в зависимости от η_ф последующего слоя.

Толщину слоев обратного фильтра назначают с учетом производства работ и технико-экономических расчетов. По фильтрационным условиям толщина каждого слоя должна быть не менее 5D₈₅, но не меньше 0,2 м.

Насыпную плотину с дренажным банкетом возводим на глинистом основании. Тело плотины суглинок кривая №4.