ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное образовательное учреждение

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Ушакевич А. Н.

Гидравлика гидротехнических сооружений.

Фильтрационный расчёт грунтовой плотины с ядром на водонепроницаемом основании

Санкт-Петербург

2013

УДК 532

ББК

Рецензент:

Заведующий кафедрой портов, строительного производства, оснований и фундаментов Государственного университета морского и речного флота

им. адмирала С.О.Макарова

кандидат технических наук доцент Смирнов В.Н.

Ушакевич А. Н. Гидравлика гидротехнических сооружений. Фильтрационный расчёт грунтовой плотины с ядром на водонепроницаемом основании: методические указания к выполнению расчётно-графической работы. – СПб.: ГУМРФ, 2013. – 25 с.

Расчётно-графическая работа «Фильтрационный расчёт грунтовой плотины с ядром на водонепроницаемом основании» предназначена для выработки у учащихся навыков выполнения гидравлических расчётов фильтрационных потоков в теле грунтовых плотин.

Для студентов и бакалавров очной и заочной формы обучения по направлениям 270800.62 «Строительство», 280100.62 «Природообустройство и водопользование».

УДК 532

ББК

© Государственный университет морского

и речного флота имени адмирала

С.О.Макарова, 2013

© А. Н. Ушакевич, 2013

В В Е Д Е Н И Е

Расчётно-графическая работа «Фильтрационный расчёт грунтовой плотины с ядром на водонепроницаемом основании» предназначена для выработки у обучающихся навыков выполнения гидравлических расчётов фильтрационных потоков в теле грунтовых плотин. Выполнение таких расчётов производится на этапах проектирования большинства гидротехнических сооружений, поэтому методические указания могут быть использованы студентами, специальность которых связана с проектированием гидротехнических сооружений, при изучении соответствующих дисциплин, а также в ходе дипломного проектирования.

Оформление расчётно-графической работы должно производиться в соответствии с требованиями преподавателя. Пояснительная записка и чертежи должны содержать необходимые расчёты, графики и чертежи.

Основные понятия и определения.

Удельным фильтрационным расходом называется расход фильтрационного потока, приходящийся на единицу ширины рассматриваемого фильтрационного потока:

,

где – величина фильтрационного расхода рассматриваемого потока, .

Кривая депрессии – кривая линия, являющаяся фронтальной проекцией свободной поверхности фильтрационного потока (депрессионной поверхности).

Промежуток высачивания – расстояние, отсчитываемое по вертикали от уровня воды в нижнем бьефе до точки выхода депрессионной кривой на поверхность низового откоса. Промежуток высачивания образуется вследствие возникновения области с резко изменяющимся характером движения грунтовых вод в области выхода фильтрационного потока в нижний бьеф.

Коэффициент фильтрации – величина, характеризующая род грунта, в котором происходит движение грунтовых вод. Коэффициент фильтрации численно равен величине скорости фильтрации при величине пьезометрического уклона, равной единице, и имеет размерность скорости.

Уравнение Дюпюи – уравнение, которое описывает движение плавно изменяющегося фильтрационного потока на горизонтальном водоупоре, и наиболее часто используемое в практике выполнения фильтрационных расчётов. Уравнение Дюпюи, записанное для двух рассматриваемых плоских вертикальных сечений фильтрационного потока, имеет следующий вид:

,

где – величина удельного фильтрационного расхода рассматриваемого потока, ;

– коэффициент фильтрации;

– глубина потока в первом рассматриваемом сечении по направлению движения фильтрационного потока, м;

– глубина потока во втором рассматриваемом сечении по направлению движения фильтрационного потока, м;

– расстояние между рассматриваемыми плоскими вертикальными сечениями потока, м.

1. Цель работы

Выполнить фильтрационный расчёт грунтовой плотины по способу Шаффернака:

• определить величину удельного фильтрационного расхода и промежутка высачивания;

• выполнить построение кривой депрессии;

• определить величину фильтрационного расхода и объем воды профильтровавшейся через плотину за сутки.

2. Исходные данные

1. Глубина воды в верхнем бьефе – ,м.

2. Глубина воды в нижнем бьефе – , м.

3. Превышение гребня – , м.

4. Ширина плотины по гребню – , м.

5. Ширина ядра по верху – , м.

6. Ширина продольного профиля плотины – , м.

7. Заложение верхового откоса – .

8. Заложение низового откоса – .

9. Коэффициент фильтрации грунта тела плотины – , .

10. Коэффициент фильтрации материала грунта – , .

Рис. 1. Схема плотины с ядром

3.Порядок выполнения работы

Довольно часто в конструкциях грунтовых плотин для уменьшения величины фильтрационного расхода устраивают ядро из грунта с малым коэффициентом фильтрации. Для выполнения фильтрационного расчёта таких плотин можно поступить следующим образом: ядро из грунта с малым коэффициентом фильтрации мысленно заменяется виртуальным массивом грунта, состоящим из грунта тела плотины. При такой замене в качестве характерного размера принимается средняя ширина ядра. Результатом выполнения фильтрационного расчёта является определение величины удельного фильтрационного расхода, величины промежутка высачивания и построение кривой депрессии для рассматриваемого поперечного сечения тела плотины.

В выбранном масштабе в соответствии с исходными данными вычерчивается поперечный разрез плотины с указанием основных размеров. Впоследствии, по мере выполнения расчёта на этот чертёж наносятся соответствующие дополнения.

Назначается отметка поверхности ядра – на 0,5 м выше уровня воды в верхнем бьефе, и определяется высота плотины:

.

3.1. Построение условного расчётного профиля

Для определения величины удельного фильтрационного расхода действительный трапецеидальный профиль плотины (профиль плотины, получившийся на чертеже, построенном в начале выполнения работы) необходимо заменить условным трапецеидальным профилем, имеющим вертикальный откос со стороны верхнего бьефа (рис. 2). Этот вертикальный откос располагается на некотором расстоянии ( ) от уреза воды в верхнем бьефе действительного профиля плотины. При такой замене ширина верхней горизонтальной стороны условного трапецеидального профиля может быть определена по формуле:

где – ширина действительного гребня плотины;

– глубина воды в верхнем бьефе;

– коэффициент, который зависит от крутизны верхового откоса действительного профиля плотины, его величина может быть определена по выражению:

.

Таким образом, вместо действительного профиля плотины расчёту подвергается условный профиль, параметры которого соответствуют следующим условиям:

а) Фильтрационный расход, соответствующий условному профилю, оказывается примерно равным фильтрационному расходу, соответствующему действительному профилю плотины.

б) Кривая депрессии для условного профиля на значительном своём протяжении совпадает с кривой депрессии, относящейся к действительному профилю плотины.

Полученный условный профиль плотины показывается на чертеже с изображением действительного профиля плотины (рис. 2).

Поскольку такой условный профиль включает ядро, состоящее из грунта, отличного от грунта тела плотины, он является неоднородным в отношении коэффициента фильтрации. Для выполнения фильтрационного расчёта воспользуемся «виртуальным» способом, позволяющим заменить неоднородный массив грунта однородным.

Рис. 2. Построение условного профиля плотины

Для этого вместо действительного ядра плотины будем рассматривать виртуальное ядро, состоящее из грунта тела плотины, с шириной , определяемой по зависимости:

,

где – средняя ширина ядра плотины

,

– ширина ядра по основанию, которая может быть снята с чертежа действительного профиля плотины, или определена по зависимости:

.

В этой зависимости для определения величины B_я заложено предположение о том, что высота ядра равна (H₁ + 0,5), и заложение ядра – .

Условный профиль плотины, в котором действительное ядро заменено виртуальным, далее будем называть виртуальным профилем. Виртуальный профиль является однородным в отношении коэффициента фильтрации и может быть подвергнут фильтрационному расчёту. Ширина виртуального профиля по гребню равна

.

Полученный виртуальный профиль изображается на отдельном чертеже. Возможно, в связи с большой шириной виртуального профиля при построении чертежа возникнет необходимость в использовании искаженных масштабов, то есть разных масштабов чертежа в вертикальном и горизонтальном направлении. При использовании таких масштабов линии на чертеже изменяют свой наклон в соответствии с соотношениями между горизонтальным и вертикальным масштабами.

Рис. 3. Виртуальный профиль плотины

Одним из характерных размеров виртуального профиля, необходимых для выполнения фильтрационного расчёта, является расстояние L₀ по горизонтали между верховым вертикальным откосом и точкой пересечения низового откоса с линией уровня воды в нижнем бьефе. Величина L₀ может быть снята с чертежа виртуального профиля, или определена на основании геометрических соотношений:

.

Далее выполняется фильтрационный расчёт виртуального профиля, как однородной плотины на непроницаемом основании.