Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Грунтовая плотина. Учебное пособие.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
(СИБСТРИН)
Ю.А. Кузнецова, О.И. Губанова
ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА
Учебное пособие
НОВОСИБИРСК 2024
УДК 627.8
ББК 38.772
К 891
Кузнецова, Ю. А.
Грунтовая плотина : учеб. пособие / Ю. А. Кузнецова, О. И. Губанова ;
М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Новосиб. гос. архитектур.-строит. ун-т (Сибстрин). – Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин),
2024. – 1 CD-ROM. – Минимальные систем. требования : операционная
система Windows 7 ; Adobe Acrobat Reader X ; дисковод CD-ROM 4x ;
разрешение экрана 1024×768 с глубиной цвета 24 бит ; 60 Мбайт свободного места на жестком диске ; оперативная память 1 Гб ; мышь. –
Загл. с титул. экрана. – Текст : электронный.
ISBN 978-5-7795-0974-9
Учебное пособие посвящено проектированию грунтовой плотины
комплексного гидроузла в рамках дисциплин «Расчет и проектирование гидротехнических сооружений», «Речные гидротехнические сооружения», «Гидротехнические сооружения», «Проектирование и исследования по профилю подготовки».
Предназначено для студентов всех форм обучения направлений
подготовки 08.03.01, 08.04.01 «Строительство» (профиль «Гидротехническое строительство») и 20.03.02 «Природообустройство и водопользование» (профиль «Комплексное использование и охрана водных
ресурсов»).
Рецензенты:
Л.Ф. Дзюбенко, канд. техн. наук, доцент
(НГАСУ (Сибстрин));
А.В. Легонцев, начальник гидротехнического отдела
Якутского научно-исследовательского и проектного
института алмазодобывающей промышленности
«Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО)
ISBN 978-5-7795-0974-9 Кузнецова Ю.А., Губанова О.И., 2024
Новосибирский государственный
архитектурно-строительный
университет (Сибстрин), 2024
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................... 4
1. СОСТАВ СООРУЖЕНИЙ ГИДРОУЗЛА
И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ..................... 5
2. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ......................................... 6
3. КОМПОНОВКА ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ ................... 8
4. ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА.......................................................12
4.1. Проектирование поперечного профиля
грунтовой плотины ..........................................................12
4.1.1. Противофильтрационные устройства ...................14
4.1.2. Дренаж низового откоса ........................................16
4.2. Определение отметки гребня грунтовой плотины .........17
4.3. Крепление верхового откоса ........................................... 20
4.4. Фильтрационные расчеты ...............................................23
4.4.1. Оценка фильтрационной прочности грунта
тела плотины и основания .....................................25
4.4.2. Обратные фильтры ................................................28
4.5. Расчет осадки тела и основания плотины ......................31
4.6. Расчет устойчивости откосов..........................................37
4.6.1. Устойчивость экрана и защитного слоя ................44
4.6.2. Расчет устойчивости поперечного профиля
намывной плотины с ядром...................................45
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .........................................48
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ........................................................................50
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ........................................................................51
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ........................................................................55
3
ВВЕДЕНИЕ
В учебном пособии подробно изложены общие принципы
разработки конструкции грунтовой плотины, отвечающей требованиям надежности и безопасности, на основе комплекса расчетов по заданным геологическим, топографическим и климатическим условиям.
Плотины из грунтовых материалов (земляные насыпные,
земляные намывные, каменно-земляные, каменно-набросные) –
наиболее распространенный тип водоподпорных сооружений –
входят в состав многих гидроузлов водохозяйственного, мелиоративного, а также энергетического назначения. Для возведения
плотин из местных материалов можно использовать практически любые грунты, находящиеся вблизи створа.
В пособии рассматриваются вопросы компоновки гидротехнических сооружений в составе гидроузла, выбора типа
грунтового сооружения, конструирования поперечного профиля
плотин из грунтовых материалов и выполнения необходимого
комплекса расчетов для обоснования конструкции сооружения.
Представленные расчеты плотины соответствуют действующим
нормативным документам в области гидротехнического, водохозяйственного строительства.
В приложениях к учебному пособию приводятся материалы, позволяющие правильно выбрать тип плотины и ее конструкцию; характерные кривые гранулометрического состава;
примеры построенных сооружений. Все разделы пособия сопровождаются необходимыми пояснениями, формулами, схемами,
ссылками на учебную и нормативную литературу.
4
1. СОСТАВ СООРУЖЕНИЙ ГИДРОУЗЛА
И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В состав проектируемого гидроузла входят следующие сооружения:
земляная плотина;
строительный водосброс;
береговой паводковый водосброс.
Приступая к работе над проектом, необходимо внимательно
ознакомиться с заданием, объемом требований и проанализировать исходные данные.
Основные этапы проектирования:
1) выбор типа конструкции;
2) приближенное определение (назначение) основных раз-
меров сооружения;
3) конструирование элементов сооружения;
4) разработка расчетной схемы;
5) расчет конструкции в соответствии с принятой расчет-
ной схемой;
6) анализ полученных результатов в соответствии с дей-
ствующими нормативными документами в области гидротехнического, водохозяйственного строительства;
7) перепроектирование сооружения в случае неудовлетво-
рительных результатов и возврат к этапу 3, а в некоторых случаях изменение типа сооружения и возврат к этапу 1.
Оценивая преимущества и недостатки той или иной конструкции, рекомендуется использовать ее аналоги, имеющиеся
в учебной и научно-технической литературе. Отдельные решения при этом могут не иметь аналогов, а определяться только
идеями автора проекта.
5
2. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Рельеф местности в районе строительства гидроузла задан
топографическим планом, геологические условия – поперечным
разрезом с указанием напластований грунтов. Основные физико-механические характеристики грунтов приведены в прил. 1.
Важнейшей характеристикой реки является график связи расходов и уровней в бытовых (естественных) условиях – кривая
. Используя этот график, можно определить отметку
уровня воды в нижнем бьефе (НБ) проектируемого гидроузла
для любого расхода. В верхнем бьефе (ВБ) задаются:
У – отметка нормального подпорного уровня;
– отметка форсированного подпорного уровня (вре-
менное краткосрочное повышение уровня в ВБ в период прохождения половодья или паводка);
О – отметка уровня мертвого объема, ниже которой
водохранилище никогда не срабатывается.
Для расчета водосбросных сооружений заданы характерные
расчетные расходы воды:
– основной расчетный максимальный расход весеннего
половодья, необходимый для определения размеров эксплуатационного (паводкового) водосброса;
– поверочный максимальный (катастрофический) рас-
ход;
– расчетный строительный расход весеннего паводка,
принимаемый в расчетах на период строительства гидроузла,
необходимый для определения размеров временного водосбросного сооружения (строительного водосброса);
– расчетный расход перекрытия, т.е. расход в реке
в летне-осеннюю межень, когда производят перекрытие русла;
– расчетный расход, пропускаемый через водовыпуски
(в зависимости от назначения) на пропуск в напорном режиме
санитарного расхода
или расхода водозабора
.
В реальном проектировании все характерные расходы при-
нимаются в результате гидрологических расчетов, обеспе-
6
ченность расходов зависит от класса сооружений по
СП 58.13330.2019 [1, табл. 1.3].
Для расчета параметров ветровых волн в проектируемом
водохранилище заданы следующие характеристики:
– расчетная скорость ветра, м/с;
– длина разгона волны, м.
По гребню грунтовой плотины обычно прокладывают ав-
томобильные дороги той или иной категории [1, табл. 1.5], теплотрассы, газопроводы, ЛЭП, габариты которых необходимо
принимать во внимание при назначении ширины гребня.
Для учета климатических особенностей при разработке
конструкций сооружений в задании указан район строительства
гидроузла.
Сведения о карьерах грунтов в задании не приводятся. Счи-
тается, что для возведения грунтовой плотины могут быть использованы все грунты, указанные на геологическом разрезе.
При анализе исходных данных рекомендуется на топогра-
фическом плане отметить уровни воды, соответствующие от-
метке (для ВБ) и уровням воды при
и
(для НБ).
Это поможет вести компоновочные проработки гидроузла
в дальнейшем.
Представление о наибольшей высоте плотины дает разность
отметок гребня плотины и дна русла, причем за отметку дна
принимается отметка «нуля» графика
.
7
3. КОМПОНОВКА ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Взаимное расположение сооружений (компоновка гидроуз-
ла) влияет на организацию работ, надежность и безопасность
эксплуатации и на экономичность проектных решений. При
размещении сооружений должны быть обеспечены необходимые условия для их функционирования. При проектировании
принимается, что геологические условия в пределах участка
строительства одинаковы и основным фактором, влияющим на
выбор створа (оси плотины), является рельеф местности.
Створ плотины следует выбирать на основании технико-
экономического сопоставления вариантов в увязке с компоновкой гидроузла и в зависимости от топографических, гидрологических, инженерно-геологических и инженерно-геокриологических условий площадки строительства и правил охраны природной среды [2]:
а) объем земляных работ по возведению плотины должен
быть минимальным;
б) обязательно выполнение требований, предъявляемых
к трассировке водопропускных сооружений.
При этом следует принимать во внимание:
1) необходимость расположения водопропускных соору-
жений таким образом, чтобы исключить возможность опасных
размывов и термоабразии берегов, подмыва плотины при сбросе
воды в НБ и отложения продуктов размыва в размерах, ухудшающих условия эксплуатации гидроузла;
2) возможность пропуска воды через створ плотины в пе-
риод ее строительства, а также возможность прокладки по плотине и на подходах к ней дорог различного назначения (как
в период строительства, так и в период эксплуатации);
3) целесообразность включения в тело плотины перемычек
(банкетов), необходимых для перекрытия русла реки в период
строительства;
4) режим расходов и уровней водотока;
5) условия пропуска льда, наносов, леса, судов, рыбы,
а также другие специальные требования, предъявляемые к проектируемому объекту;
8
6) возможность образования незамерзающей зимой полыньи в НБ и ее влияние на повышение влажности воздуха
и туманообразования на прилегающей территории.
В курсовом проекте в первом приближении допустимо счи-
тать, что минимум земляных работ по плотине соответствует
минимальной длине напорного фронта гидроузла, определенной
как расстояние между горизонталями, проведенными на обоих
берегах речной долины на отметке . При этом ось плотины
предварительно можно наметить в месте наименьшей длины
напорного фронта (не обязательно самое узкое место в русле).
Для правильного взаимного расположения сооружений
необходимо иметь приблизительное представление об их габаритах. Наибольшие размеры поперечное сечение земляной плотины будет иметь в русловой части, ориентировочно они могут
быть определены следующим образом:
высота плотины
где …м
– принятое в первом приближении превыше-
, (3.1)
ние гребня плотины над У;
ширина подошвы плотины , (3.2)
где – принятое в первом приближении заложение верхового
и низового откосов плотины.
Ширина эксплуатационного водосброса в зависимости от
величины удельного расхода
может достигать 20…50 м.
Ширина строительного водосброса обычно не более 8…15 м,
а длина
.
Имея представление о габаритах сооружений, можно приступить к вписыванию грунтовой плотины на план и прокладке
осей водосбросов – паводкового и строительного. При этом
необходимо руководствоваться следующими требованиями,
предъявляемыми к трассировке водосбросов:
трасса должна быть по возможности короткой, пересе-
кать горизонтали под углом, близким к 90° (экономичность),
и прямолинейной, при необходимости поворот трассы лучше
выполнять на верховых участках водосброса со спокойным ре-
9
жимом движения потока (простота конструкции, благоприятная
гидравлика потока);
угол между осью водосброса и руслом в НБ должен быть
по возможности меньшим (не более 30°);
трасса водосброса должна проходить на достаточном
удалении от низового откоса плотины, исключающем ухудшение условий его устойчивости;
трасса строительного водосброса должна прокладывать-
ся на отметках, незатопляемых строительным расходом
;
бетонные сооружения водосбросов следует размещать на
наиболее прочных коренных грунтах.
Паводковый и строительный водосбросы могут проектироваться либо на одном, либо на разных берегах. В любом случае
нужно стремиться избегать их взаимного влияния, ухудшающего условия эксплуатации, особенно концевых устройств (водобойных частей).
На топографическом плане по выбранной (в первом приближении) оси плотины необходимо нанести ориентировочный
контур плотины, отложив в русловой части (в обе стороны от
оси) проекции откосов, равные , и соединив их прямы-
ми линиями с концами оси плотины на отметке гребня. Ориентировочная отметка гребня плотины
. (3.3)
Далее следует провести ось паводкового водосброса (он не
должен входить в тело плотины), учитывая указанные выше
требования. Возможно, при этом потребуется скорректировать
ось плотины (несколько развернуть ее или переместить в ту или
иную сторону). После увязки осей плотины и паводкового водосброса намечается ось строительного водосброса (см. рисунок).
Схема к вписыванию плотины на топографическом плане представлена в [1, прил. 5].
10