Плотины с ядром

Плотины с ядром состоят из двух элементов: тела и ядра. Они возводятся на скальных и глинистых грунтах.

Тело плотины с ядром имеет ту же конструкцию и размеры, что и тело однородной плотины.

Ядро располагается посредине поперечного сечения плотины и устраивается из материала, имеющего малый коэффициент фильтрации (глина, суглинок). Назначение ядра – уменьшить скорость фильтрации через него и понизить уровень грунтовых вод в плотине с ядром (рис. 17). Верх ядра располагается ниже гребня на глубину промерзания грунта в данном районе (1,20-1,50 м на Северо-Западе России), так как при замерзании глинистые грунты теряют свои свойства. Одновременно верх ядра должен возвышаться над НПУ ВБ не менее, чем на высоту капиллярного подъема воды, составляющую 0,20-0,25 м, чтобы вода не переливалась через ядро. Толщина ядра в его верхней части δ_яв принимается равной 1,00-1,50 м, в нижней части δ_ян – , где Н_пл – высота плотины, равная Н_пл=Гребень – Дна. Ядро заглубляется в грунт основания на 1-2 м. При скальных грунтах по оси ядра устраивается цементационная завеса такого же размера, что и при бетонной плотине (см. практическую работу № 3). При нескальных грунтах по оси ядра забивается шпунт на глубину, достаточную для создания преград фильтрационному потоку воды (10-20 м).

После конструирования элементов плотины с ядром выполняется рисунок ее поперечного сечения в масштабе 1:200, 1:500, 1:1000 с указанием размеров и высотных отметок (рис. 17).

Фильтрационный расчет грунтовых плотин

Целью фильтрационного расчета грунтовых плотин является определение положения уровня грунтовых вод в теле плотины. Линия, показывающая изменение уровня грунтовых вод по поперечному сечению плотины, называется кривой фильтрации. Разработано несколько способов расчета кривой фильтрации: Н.Н. Павловского, Р.Р. Чугаева, В.П. Недриги,

В.И. Аравина, С.Н. Нумерова и др. [4, 7, 8]. В практической работе № 6 рассматривается приближенный способ Р.Р. Чугаева.

При фильтрационном расчете однородной грунтовой плотины можно придерживаться следующих рекомендаций

Поперечное сечение плотины приводится к расчетному профилю путем осреднения уклонов верхового 1:m₁ и низового 1:m₂ откосов по формулам:

среднее заложение m_1ср верхового откоса

(53)

где , … - заложения верхового откоса, считая их сверху вниз;

, … - высоты участков верхового откоса с заложениями ,…….

среднее заложение m_2ср низового откоса

(54)

где , … - заложения низового откоса, считая их сверху вниз;

, … - высоты участков низового откоса с заложениями ,………

С использованием полученных значений m_1ср, m_2ср, а также известных Н_пл, В, строится расчетное сечение плотины, имеющее вид трапеции в том же масштабе, что и исходная плотина (рис. 18). На нем

показываются отметки НПУВБ, НПУНБ, дна, гребня. Дренажная призма в расчете кривой фильтрации не учитывается.

Натурные измерения и теоретические расчеты показали, что потери фильтрационного напора малы на верховом участке плотины от верхового откоса до створа 1-1, проведенного через начало гребня плотины. Р.Р. Чугаев предложил заменить треугольное сечение верхового участка плотины на равновеликое прямоугольное, отнеся створ 1-1 на расстояние S₁ в сторону верхнего бьефа:

, м, (55)

где - превышение гребня плотины над НПУВБ, равное d_о=НПУВБ-Дна, м;

- высота столба воды в верхнем бьефе над дном, равная, h=Гребня-НПУВБ, м.

Оси координат х и у помещаются в начало нового (условного) сечения плотины (рис. 18, 19). В точке А₁ пересечения оси у и уровня верхнего бьефа – начало условной кривой фильтрации. В точке С пересечения низового откоса и уровня нижнего бьефа – окончание кривой фильтрации. Длина расчетного участка S кривой фильтрации по оси х

(56)

где - глубина в нижнем бьефе при НПУ, равная h_о=НПУНБ – Дна, м.

Расчет координат кривой фильтрации в осях х, у осуществляется по формуле Дюпуи, преобразованной для данной расчетной схемы к виду [7]

, (57)

где - координата вдоль оси х, изменяющаяся от О до S, м. Для получения достаточно плавной кривой фильтрации рекомендуется выполнить расчет для 10-12 точек.

Кривая фильтрации строится вначале на расчетном сечении плотины. Затем эта кривая по координатам х, у переносится на исходную однородную плотину. Контролем правильности выполнения расчета и построения кривой фильтрации является положение точки С: на исходной плотине она должна располагаться на уровне нижнего бьефа в пределах дренажной призмы. Кривая фильтрации в верхней части исходной плотины проводится в виде плавной линии от точки А пересечения уровня воды верхнего бьефа с верховым откососм (урез воды) до точки кривой филтрации при х=S₁.

При фильтрационном расчете плотины с ядром материал ядра заменятся на материал тела плотины из условия равенства потерь напора на ядре и вставке из материала плотины .

, м (58)

После замены материала ядра на материал тела плотины получается однородная грунтовая плотина.

При выполнении фильтрационного расчета плотины с ядром можно придерживаться следующих рекомендаций.

Определяется средняя толщина ядра

, м

где - толщина ядра соответственно верхней и нижней его части.

Из условия (58) определяется толщина вставки из материала тела плотины вместо материала ядра по формуле

, м (59)

где - коэффициенты фильтрации соответственно материала тела плотины и ядра, м/сут.

Рассматривается однородная приведенная грунтовая плотина, в которой толщина вставки в средней части (вместо ядра) равна . Ширина гребня этой плотины будет складываться из трех частей: В₁ от створа 1-1 до начала вставки, вставки , В₂ от конца вставки до конца гребня (рис. 19). Размеры В₁, В₂ определяются по формуле

, м (60)

где В – ширина гребня исходной плотины с ядром, м.

Фильтрационный расчет приведенной однородной грунтовой плотины выполняется в той же последовательности, что и расчет рассмотренной ранее исходной однородной плотины. При этом учитывается то обстоятельство, что соотношение коэффициентов фильтрации тела плотины и ядра составляет не менее 100. Размер вставки получается равным нескольким сотням метров. При выполнении чертежа приведенной однородной грунтовой плотины и ее расчетного сечения можно сделать разрыв в месте расположения вставки. При выполнении фильтрационного расчета приведенной грунтовой плотины необходимо определить положение точек кривой фильтрации при ее входе во вставку (ядро) при , и при ее выходе из вставки (ядра) при . Остальные 10-12 точек на кривой фильтрации можно взять в тех же точках, которые рекомендованы ранее при расчете однородной грунтовой плотины. Расчет точек кривой фильтрации выполняется по формуле (57), в которой величина S определена с учетом вставки

, м (61)

Из-за малой толщины ядра расчеты промежуточных точек кривой фильтрации внутри ядра (и вставки) можно не выполнять.

После выполнения фильтрационного расчета приведенной однородной грунтовой плотины кривая фильтрации переносится на исходную плотину с ядром по координатам х, у. Контроль правильности выполнения фильтрационного расчета тот же, что и ранее для однородной грунтовой плотины.