19. Кріплення укосів та конструкція гребеня земляної греблі.(60ст)

Укоси земляних гребель облаштовуються спеціальними кріпленнями від руйнуючої дії хвиль, льоду, течій води, зміни рівнів води, кліматичних умов (вітер, атмосферні опади) та інших чинників, що призводять до руйнування укосів (проникнення землерийних тварин, здимання глинистого грунту в зимовий період). Вибір кріплення в кожному конкретному випадку проводиться на основі техніко-економічного порівняння варіантів з врахуванням максимального використання засобів механізації і місцевих матеріалів, грунту тіла греблі і основи, агресивності води, довговічності кріплення в умовах експлуатації, архітектурних вимог.

Для захисту верхового укосу застосовуються, як правило, такі види кріплень: а) кам'яні (накидні); б) бетонні монолітні, залізобетонні збірні і монолітні із звичайною і попередньо напруженою арматурою; в) асфальтобетонні; г) біологічні [8]. При наявності даних, що обґрунтовані дослідами або досвідом будівництва і експлуатації гребель, допускається застосовувати інші види кріплень, наприклад, гравійно-галькові, грунто-цементні, з металургійних шлаків або влаштовуються похилі – хвилестійкі (пляжні) укоси. Кріплення укосу складається з таких основних конструктивних частин: а) власне кріплення, яке захищає укіс від механічних пошкоджень; б) підготовка, яка закладається під кріплення для вирівнювання поверхні укосу, дренування укосу при коливаннях рівня води у водосховищі і захисту від виносу дрібнозернистих частинок грунту при хвильових діях (в останньому випадку підготовка виконується у вигляді зворотного фільтра); в) упор, який захищає нижню частину кріплення від підмиву і забезпечує його стійкість.

У зв'язку з неоднаковими умовами роботи кріплення в різних зонах укосу воно поділяється на полегшене і основне. Основне кріплення розташовується в зоні хвильових і льодових дій, що виникають в експлуатаційний період. Це кріплення може мати різну товщину, яка зменшується з глибиною. Укіс нижче основного кріплення, а інколи і дно перед укосом, у випадку необхідності, захищаються полегшеним кріпленням. Верхнею межею кріплення, 61 як правило, вважається відмітка гребеня греблі. Нижня межа основного кріплення розташовується на глибині h = 2h1% нижче мінімального рівня води у водосховищі, як правило, рівня мертвого об'єму (РМО) (h1% - висота хвилі 1% ймовірності перевищення розрахована для даного рівня води у водосховищі). В той же час ця межа повинна бути нижча за мінімальний рівень води у водосховищі не менше, ніж на 1,5tл, де tл – розрахункова товщина льоду для даного району. Нижня межа полегшеного кріплення визначається з умови недопущення розмиву грунту греблі течією або хвилями.

20. Протифільтраційні пристрої земляної греблі.

Гребля з екраном. У відповідності із збільшенням глибини води у верхньому б'єфі екрани влаштовуються з поступовим потовщенням до нижньої частини укосу греблі (рис. 4.9), але для спрощення фільтраційного розрахунку товщину екрана приймають середньою, що визначається за залежністю

Рис. 4.9. Схеми до фільтраційного розрахунку греблі з екраном:

а – задана; б – приведена

tcp  t1  t2  2 ,

де t1 – товщина екрана на рівні води верхнього б'єфа нормально до укосу; t2 – товщина екрана біля підошви греблі. М. М. Павловський, розглядаючи рух фільтраційного потоку через екран в двох зонах: через верхню частину екрана (вище кривої депресії) і через нижню

екрана (нижче кривої депресії), для визначення повної фільтраційної витрати через екран отримав рівняння

sint z h Н к q cp е 2 20 2 3 2 1   

де Н1 – глибина води перед греблею; h3 – глибина фільтраційного потоку в тілі греблі безпосередньо за екраном; α – кут нахилу екрана до основи греблі; z0 = tcpcosα.

За екраном рух фільтраційного потоку проходить так, як і в однорідній греблі з напором h3 (замість Н1), отже для визначення фільтраційної витрати і побудови кривої депресії можна скористатися рівняннями для однорідної греблі.

Грунтові греблі з екраном можна розраховувати як і з ядром – віртуальним методом. У відповідності з цим методом від похилої осі екрана W1W1 відкладається по горизонталі вліво (рис. 4.10) віртуальна товщина

. (4.32)  sinе г р cp в к к t l 

Рис. 4.10. Схема до розрахунку фільтрації через греблю з екраном

Для розрахунку дійсний профіль греблі з екраном (рис. 4.9) замінюється віртуальним профілем (рис. 4.10), який виконується з однорідного грунту з коефіцієнтом фільтрації кгр. Отриманий віртуальний профіль розраховується, як однорідна гребля. Низова гілка кривої депресії КL, побудованої для віртуального профілю, буде кривою депресії для дійсного профілю (в межах тіла греблі).

Гребля з екраном і понуром. При розрахунках таких гребель втратами напору в захисному шарі нехтують. Екран і понур вважаються водонепроникними, коефіцієнт екрана визначають по середній лінії, а падіння напору по довжині понура вважається лінійним.

Фільтраційна витрата q в межах понура і частини греблі на довжині mhhe (рис.4.11) визначається за залежністю

Рис. 4.11. Схема до фільтраційного розрахунку греблі з екраном і понуром

де к0 – коефіцієнт фільтрації грунту основи; Т - товщина водопроникного шару основи; п - поправочний коефіцієнт, який вибирається з таблиці 4.1 із заміною в ній відношення L/Т на відношення Lпд/Т.

21

Дренажні пристрої в земляних греблях проектуються для:а)організованого відводу води, яка проходить через тіло греблі і основу в нижній б'єф; б) попередження виходу фільтраційного потоку на низовий укіс і зону, що може проморожуватися; в) економічно обґрунтованого пониження депресійної поверхні для підвищення стійкості низового укосу (внутрішній дренаж); г) підвищення стійкості верхового укосу при швидкому спорожненні водосховища, а також для того, щоб зняти поровий тиск, який виникає при сейсмічних діях; д) відведення води, що профільтрувалася крізь протифільтраційні пристрої (екран, ядро).

Найбільш поширеними конструкціями дренажів, які позитивно зарекомендували себе в практиці будівництва гребель, є:

а) дренажний банкет; б) приставний (похилий); в) трубчастий; г) горизонтальний; д) комбінований.

Д р е н а ж н и й б а н к е т (він також називається дренажною призмою) (рис. 3.7) досить

поширений вид дренажу, влаштовується, як правило, на руслових ділянках гребель. Укладається банкет з кам'яного накиду, діаметр каменю при наявності хвиль в нижньому б'єфі визначається згідно розрахунку.

Рис. 3.7. Дренажний банкет: 1 – кам'яний накид; 2 – крива депресії; 3 – зворотний фільтр

Перевищення гребеня дренажного банкету над максимальним рівнем води нижнього б’єфа приймається у відповідності з розрахунком [8], але не менше 0,5 м. Ширина банкету верхом вибирається з виробничих умов, але не меншою 1,0 м. По внутрішньому укосу банкету вкладається зворотний фільтр. Внутрішній укіс банкету mв необхідно приймати як і природній укіс матеріалу, з якого влаштовується зворотний фільтр. Коефіцієнт закладання зовнішнього укосу дренажу m3 задається з умови стійкості (як правило – 1,5).

• випадку розташування в основі греблі дрібнозернистих грунтів

• при значних вихідних градієнтах напору під дренажним банкетом необхідно також влаштовувати горизонтальний зворотний фільтр. Банкет проектується так, щоб крива депресії була заглиблена під поверхнею низового укосу d1 на величину більшу, ніж глибина промерзання для даного району (d1 >tпр).

П р и с т а в н и й д р е н а ж (рис. 3.8) криву депресії не знижує, а тільки захищає низовий укіс в місці виходу фільтраційного потоку від можливих фільтраційних деформацій, і в конструктивному відношенні має вигляд зворотного фільтра, який розташовується на поверхні укосу. Його рекомендується влаштовувати на ділянках греблі, які перекривають заплаву, що у відповідні періоди може бути затоплена. Матеріал приставного дренажу повинен спрягатися з матеріалом зворотного фільтра і захищати низовий укіс від дії хвиль в нижньому б’єфі і від промерзання.

Рис. 3.8. Приставний дренаж:1 – кам'яний накид; 2 – крива депресії; 3 – зворотний фільтр

Т р у б ч а с т и й д р е н а ж (3.9) застосовується на тих ділянках греблі, де в період її експлуатації вода в нижньому б'єфі відсутня.

Приймальна частина дренажу виконується з перфорованих бетонних або азбоцементних труб, які укладаються паралельно

підошві укосу, наслідуючи її вигини і забезпечуючи при цьому односторонній уклон. По периметру приймальної частини

закладається зворотний фільтр.

Рис. 3.9. Трубчастий дренаж:

1 – перфорована труба; 2 – крива депресії; 3 - зворотний фільтр

Останнім часом стали застосовувати збірні труби з пористого бетону, які працюють без зворотного фільтра. З приймальної частини дренажу вода відводиться трубами в нижній б'єф.

Г о р и з о н т а л ь н и й д р е н а ж (рис. 3.10) виконується у вигляді суцільного дренажного шару або окремих горизонтальних поперечних або повздовжніх дренажних стрічок, що відсипаються з крупнозернистого матеріалу і захищені зворотними фільтрами. Влаштовується на ділянках греблі, де відсутня вода в нижньому б'єфі.

Простота виконання, механізація укладки дренажного матеріалу забезпечили досить широке його застосування в практиці будівництва.

Рис.3.10. Горизонтальний дренаж: 1 – стрічка незернистого матеріалу; 2 – крива депресії; 3 – зворотний фільтр; 4 – відвідна труба; 5 – відвідний канал

К о м б і н о в а н и й д р е н а ж (рис. 3.11 а,б) проектується як на руслових, так і на заплавних ділянках, які можуть бути затоплені. Відмітка гребеня банкету в обох випадках визначається з умови перекриття русла річки. У випадку, коли рівень води нижнього б'єфа піднімається вище гребеня банкету, навіть на незначний період, застосовується схема 3.11 а.

Рис. 3.11. Комбіновані дренажі: а – поєднання дренажної призми з приставним дренажем; б - поєднання призми з горизонтальним дренажем; 1 – дренажна призма; 2 – крива депресії; 3 – зворотний фільтр

Поєднання дренажного банкету з горизонтальним дренажем найбільш доцільно, коли необхідно провести дренаж основи греблі, якщо основа складена насиченими зв'язними грунтами (рис. 3.11 б).

В умовах, коли депресійна поверхня розташована досить далеко від низового укосу за рахунок дренажних властивостей основи, то дренаж греблі може і не влаштовуватись, але це потребує спеціального обґрунтування.

22

Гребінь греблі. Ширина гребеня греблі визначається взалежності від умов виконання робіт і експлуатації. Якщо на гребені передбачається проїзд автомобільного транспорту, то гребінь проектується як дорога, що проходить по насипному грунту, і ширина його приймається в залежності від категорії дороги (рис. 3.4). Для забезпечення стоку атмосферної води гребінь виконується з поперечним уклоном в обидві сторони від осі. Значення поперечних уклонів залежать від типу покриття і знаходяться в межах 2-4%. Поперечні уклони обочин при двосхилому поперечному профілі приймаються на 10-30% більші за поперечні уклони проїжджої частини і залежать від типу кріплення обочин. Проїжджа частина дороги покривається кріпленням, до складу якого входить покриття і підготовка під нього. Тип покриття залежить від категорії дороги, але, незалежно від типу покриття, в основу його закладаються піщані або гравійні грунти. Вони необхідні для більш рівномірного розподілу тиску від сконцентрованих вантажів і швидкого відводу води, яка просочилася крізь покриття. Вода виводиться через дренажні отвори, що розміщуються нормально до осі дороги, і стікає на укіс. Вздовж дороги по краях обочин розташовуються огороджувальні пристрої стовпи-надовбні, інколи низькі стінки, парапет – для попередження з'їзду автомобілів з насипу.

Якщо на гребені проїзд не передбачено, то ширина його вибирається з умов виконання робіт, але не менше 4,5 м, при цьому гребінь греблі спеціально не закріплюється, а лише проводиться засів багаторічних трав або відсипка щебеню.

Рис. 3.4. Гребінь греблі: 1 – покриття гребеня; 2 – дренажна труба із зворотним фільтром; 3 – надовбні

Визначення відмітки гребеня греблі. Перевищення гребенягреблі над розрахунковим рівнем води у водосховищі визначається за залежністю

(3.1)

деΔhset – висота вітрового нагону води; hrun1% – висота накочування вітрової хвилі 1% ймовірності перевищення; а – запас висоти греблі. Значення Δhset визначається за залежністю

(3.2)

де κw – коефіцієнт, який приймається в залежності від швидкості вітру; Vw – розрахункова швидкість вітру; L– довжина розгону вітрової хвилі; d– глибина води перед греблею (залежно від розрахункового випадку); g – прискорення сили тяжіння; αw – кут між поздовжньою віссю водойми і напрямком пануючих вітрів.

Значення hrun1% визначається відповідно до нормативних положень [8, 14, 16]. Конструктивний запаса вибирається як більше із значень 0,5 м або 0,1 h1% (h1% - висота хвилі 1% ймовірності перевищення). Розрахунок за формулою (3.1) проводиться для двох рівнів – нормального підпірного рівня води (НПР) і форсованого підпірного рівня (ФПР). Розрахунковою відміткою гребеня вибирається більша з обчислених.

Якщо на гребені греблі буде влаштовано парапет, то відмітка верху парапету визначається як відмітка гребеня греблі. При цьому відмітка гребеня греблі повинна бути не менше, ніж на 0,3 м вище НПР і не нижче ФПР [8]. Висота парапету вибирається в межах

1,2...1,5 м.

Визначаючи hs при НПР, швидкість вітруVw приймається 1% забезпеченості, яка спостерігається протягом року, а при ФПР - 20-50% забезпеченості в залежності від класу [8].

23

Фільтрація через однорідну греблю на водонепроникній основі

Під дією напору Н, який створює гребля, виникає рух фільтраційного потоку з верхнього б'єфа в нижній через тіло греблі і основу, якщо вона водопроникна. Рух ґрунтового потоку в тілі греблі буде безнапірним, тому що він обмежений зверху вільною поверхнею, наякій у всіх точках тиск дорівнює атмосферному. Вільна поверхня фільтраційного потоку називається поверхнею депресії, а лінія перетину цієї поверхні з вертикальною площиною

— депресійною кривою або кривою депресії (рис. 4.1, крива АБ). Нижче поверхні депресії грунт насичений водою, а вище неї знаходиться зона капілярного підняття води. Висота капілярного підняття над кривою депресії залежить від складу грунту. Вищекапілярної зони грунт знаходиться в умовах природної вологості, яка залежить від кліматичних умов району.

Фільтрація води черезгрунтові греблі відіграє дуже важливу роль. Статистика показує, що більше 50% аварій ґрунтових гребель виникли як наслідок фільтраційних деформацій в тілі греблі. Тому при проектуванні ґрунтових гребель необхідно проводити фільтраційний розрахунок, в процесі якого визначаються: а) положення депресійної поверхні фільтраційного потоку в тілі греблі; б) фільтраційна витрата; в) напори (або градієнти фільтраційного напору) у відповідних частинах тіла греблі.

Відомі методи розрахунків фільтрації можна розділити на експериментальні, гідромеханічні і гідравлічні. З експериментальних методів найбільшого поширення набув метод ЕГДА. Він використовується при складних геологічних умовах основ споруди або складній конструкції греблі, а також при необхідності вирішення планових і просторових задач.

Гідромеханічні методи розрахунків, які базуються на розв'язку рівняння Лапласа при заданих граничних умовах, дають можливість визначити параметри потоку в довільно вибраній точці досить точно, але ці розв'язки надзвичайно складні, тому їх практичне використання досить обмежене.

Рис. 4.1. Схема фільтрації води через земляну греблю: 1 – крива депресії; 2 - капілярна зона

Найбільш поширеними є гідравлічні методи розрахунку, в яких розглядається усталений фільтраційний потік в умовах плоскої задачі. Гідравлічні розрахунки дозволяють визначати положення кривої депресії, вираховувати фільтраційну витрату, середні значення градієнтів і швидкостей фільтраційного потоку.

Для розрахунків проектний профіль греблі зводиться до розрахункової схеми, в якій виключаються всі незначні деталі і не враховуються втрати напору в крупнозернистих привантаженнях, що укладені зверху малопроникних елементів.

Рівні води в розрахункових схемах повинні відповідати їх фізично можливому поєднанню, при яких характеристики фільтраційного потоку будуть найменш сприятливими з точки зору міцності і стійкості греблі, а також втрат води на фільтрацію.

У відповідності з загальним гідравлічним методом розрахунку фільтрації, який був розроблений М. М. Павловським, поперечний профіль греблі розбивається на три характерні частини: верховий клин, середню частину і низовий клин (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Розрахункова схема фільтрації

Верховий клин обмежений верховим укосом греблі і вертикальним перерізом 1-1, який проходить через верхню бровку гребеня греблі; середня частина – від перерізу 1-1 до перерізу 2-2, який проходить через точкуС виходу кривої депресії на низовому укосі греблі; низовий клин, обмежений низовим укосом і перерізом 2-2. При цьому всі три частини складають одне гідравлічне ціле, тому що кожна з них пропускає одну і ту ж питому витрату q.

24

Найбільш поширеними є гідравлічні методи розрахунку, в яких розглядається усталений фільтраційний потік в умовах плоскої задачі. Гідравлічні розрахунки дозволяють визначати положення кривої депресії, вираховувати фільтраційну витрату, середні значення градієнтів і швидкостей фільтраційного потоку.

Для розрахунків проектний профіль греблі зводиться до розрахункової схеми, в якій виключаються всі незначні деталі і не враховуються втрати напору в крупнозернистих привантаженнях, що укладені зверху малопроникних елементів.

Рівні води в розрахункових схемах повинні відповідати їх фізично можливому поєднанню, при яких характеристики фільтраційного потоку будуть найменш сприятливими з точки зору міцності і стійкості греблі, а також втрат води на фільтрацію.

У відповідності з загальним гідравлічним методом розрахунку фільтрації, який був розроблений М. М. Павловським, поперечний профіль греблі розбивається на три характерні частини: верховий клин, середню частину і низовий клин (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Розрахункова схема фільтрації

Верховий клин обмежений верховим укосом греблі і вертикальним перерізом 1-1, який проходить через верхню бровку гребеня греблі; середня частина – від перерізу 1-1 до перерізу 2-2, який проходить через точкуС виходу кривої депресії на низовому укосі греблі; низовий клин, обмежений низовим укосом і перерізом 2-2. При цьому всі три частини складають одне гідравлічне ціле, тому що кожна з них пропускає одну і ту ж питому витрату q.

Верховий клин.Лінія верхового укосу є лінією рівного напору,тому що в довільно взятій точці, яка лежить на цій лінії, напір буде дорівнювати Н.

Рис. 4.3. Розрахункова схема фільтрації черезверховий клин

Наприклад, в точці М (рис. 4.3а), ордината якої над горизонтальною площиною порівняння (вісь х) дорівнює у і тиск в якій р, значення напору буде Н=р/ρg+у=const. Фільтраційні струминки при вході їх в межі верхового клину повинні бути розташовані нормально до верхового укосу, але при виведенні фільтраційного рівняння для верхового клину М. М. Павловський криволінійні струминки ас (рис. 4.3 б) замінює прямолінійними і горизонтальними dв. Струминки при цьому будуть більш видовженими і, тим самим, ніби зменшується пропускна спроможність верхового клину. Це обумовлюється тим, що струминки, які розташовані на більшій глибині (наприклад, струминка ef) близько підходять до водонепроникної основи і у відповідній частині верхового укосу (заштрихована на рис. 4.3 б зона D) має місце досить повільна фільтрація і тому зменшується пропускна спроможність верхового клину. Крім того, криволінійні фільтраційні струминки зустрічають більший опір на одиницю довжини, перетинаючи ущільнені горизонтальні шари тіла греблі. Тому, при виведенні фільтраційного рівняння для верхового клину, М. М. Павловський знайшов можливим криволінійні струминки замінити розрахунковими прямолінійними і горизонтальними. Втакому випадку розрахункова схема фільтрації для верхового клину буде мати вигляд, який показано на рис. 4.3 а. При фільтрації в межах верхового клину виникають гідравлічні опори, на подолання яких втрачається деяка частина напору. Тому крива депресії в межах верхового клину знижується від початкової точкиА з напором, що дорівнює Н, до точки В, яка розташовується на перерізі 1-1, де глибина фільтраційного потоку дорівнює h. Позначивши втрату напору в межах верхового клину через а, отримаємоа=Н- h. Довжина розрахункової струминки, що

розташована під рівнем води верхнього б'єфа на глибині z, буде

де mh – коефіцієнт закладання верхового укосу; d – перевищення гребеня греблі над розрахунковим рівнем води.

В межах верхового клина втрата напору складає а, відповідно градієнт напору

25

26

З а давшісь вагою частинки P і враховуючи, що коефіцієнт внутрішнього тертя грунтів  , Отримаємо;   ;   , Звідки   або  при α = φ в ідеально сипучих грунтах кут природного укосу - α дорівнює куту внутрішнього тертя грунту. 

28-29

Останнім часом набули широкого поширення кам'яно-земляні греблі з пластичним екраном або ядром [128]. Майже всі до-клади на VIII Міжнародному конгресі з великим греблях »про-ходівшем в Единбурзі в 1964 р., були присвячені кам'яно-земляних гребель [61].

Кам'яно-земляні греблі менш вимогливі до основи, по ¬ того їх можна зводити на більш стискаються грунтах і породах. Ці греблі будують за наявності на місці достатньої кількості каменю, водонепроникних грунтів для влаштування ядра або екрана, а також грунтів, придатних для створення перехідних зон в тілі греблі близько екрану або ядра.

Після 1950 р. збудовано та будують близько 40 високих кам'яно-земля ¬ них гребель, з яких 20 з пластичним екраном і 19 з пластичним ядром.

Ухили укосів цих гребель більш пологі порівняно з камен-нонаброснимі, і майже завжди напірні укоси положе низових. Напір ¬ ні укоси греблі з пластичним екраном зазвичай мають закладення 1:2,2-1:2,5, іноді 1:3 (Браунлі в Каліфорнії, Нріклінская в СРСР на Уралі); греблі з вертикальним ядром - 1: 1,75 - 1: 2,25, але деякі греблі мають закладення 1: 2,5-1: 3 (Марморера в Швей ¬ царії, Парадіс в Каліфорнії). Низові укоси гребель з екраном мають закладення від 1: 1,3 до 1,75, а привертикальному ядрі для ство ¬ ня більшого упору з боку низової призми укоси роблять п-оло-ж - 1: 1,75 - 1: 2, 0, іноді 1: 2,5. Г • Для попереднього призначення ухилів укосів кам'яно-земля-них гребель можна користуватися графіком В. Н. Поспєлова [149] (рис. 125), складеним їм за даними добудованих та запроектованих гребель.

Протифільтраційний конструкцію вибирають з урахуванням очікуваного ¬ мій її опади, наявності матеріалів для будівництва греблі, вироб ¬ ництва робіт, умов експлуатації та очікуваного порового тиску. в насипу.

Греблі з екраном і похилим ядром мають деякі переваж ¬ пільства перед греблею з вертикальним ядром; вони стійкіші проти зсуву, оскільки зрушенню пручається основна маса начерки; бо ¬ леї рівномірно передається навантаження на основу, можливо випереджаючи ¬ ня у виконанні начерки або відсипання порівняно із зведенням екрану і захисного шару. Однак гребля з вертикальним ядром мо ¬ же виявитися економічніше греблі з екраном, оскільки має менший обсяг матеріалу, менш чутлива до нерівномірним опадів на ¬ кидки, тобто менш вимоглива до основи греблі і якості начерки. Греблі з вертикальним ядром краще забезпечують опору-

ються з крутими схилами ущелини, де було б скрутно забезпе-чити надійне сполучення похилого екрана.

Після 1960 будуються близько 10 кам'яно-земляних та кам'яно-на-Бросно гребель заввишки більше 100 м з вертикальним Пластичним отрута ¬ ром, у тому числі: Фурнас (Бразилія) висотою Л20 м, Дербенд Кхан (Іран) -135 м, Гепатч (Австрія) - 150 М9 Нурек (СРСР) -300 м (рис. 126) та ін

30

31