Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Грунтовая плотина. Учебное пособие.pdf
Схема для выбора осей сооружений
11
4. ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА
4.1. Проектирование поперечного профиля грунтовой плотины
Тип и конструкция плотины в проекте принимаются в зависимости от топографических, инженерно-геологических, гидрологических и климатических условий района строительства,
наличия грунтовых строительных материалов, с учетом максимального использования грунта из полезных выемок (подводящего и отводящего каналов, котлованов бетонных сооружений),
сейсмичности района, общей схемы организации строительства
и производства работ, особенностей пропуска воды для нужд
строительства, сроков ввода в эксплуатацию и условий эксплуатации плотины (руководствуясь соображениями о преимуществах и недостатках той или иной конструкции [3, с. 187;
4, с. 123]). В реальном проектировании осуществляется вариантная проработка при выборе типа и конструкции грунтовой
плотины.
Важным шагом в проектировании, определяющим экономичность и надежность сооружений, является назначение класса
сооружения. В курсовом проекте класс плотины можно установить по упрощенной схеме, руководствуясь только высотой
плотины и характеристикой основания по [1, табл. 1.1; 5]. В реальном проектировании учитываются и другие классификационные признаки, такие как назначение и условия эксплуатации
и последствия возможных гидродинамических аварий (а если
грунтовые сооружения являются защитными, то максимальный
напор на водоподпорном сооружении) [6].
Ширину гребня плотины надлежит устанавливать в зависимости от условий производства работ и эксплуатации (использования гребня для проезда, прохода и других целей), но не менее 4,5 м [2].
12
В случае использования гребня для проезда ширина гребня
плотины принимается равной ширине земляного полотна автомобильной дороги соответствующей категории по [1, табл. 1.5].
Пример конструкции гребня плотины представлен в [1,
прил. 4, рис. 2; 3].
Крутизну откосов плотины следует назначать исходя из
условий их устойчивости, с учетом:
физико-механических характеристик грунтов тела пло-
тины и основания;
действующих на откосы сил – собственного веса грунтов
тела плотины, воздействия воды (фильтрационных сил, взвешивающего, капиллярного давления), сейсмических и динамических воздействий, внешних нагрузок на гребне и откосах и др.;
высоты плотины;
производства работ по возведению плотины;
свойств материалов и особенностей конструкции проти-
вофильтрационных устройств.
При назначении крутизны откосов плотины ( и
) до-
пускается пользоваться данными построенных сооружений
с последующей проверкой расчетом устойчивости откосов
[1, табл. 1.6].
На откосах плотин, как правило, нужно предусматривать
устройство берм, определяя их число в зависимости от высоты
плотины, условий производства работ, общей устойчивости
и типов крепления откосов.
Бермы следует предусматривать на верховом откосе у нижней границы его крепления для создания необходимого упора,
на низовом откосе – для служебных проездов, сбора и отвода
атмосферных вод, размещения контрольно-измерительной аппаратуры.
При большой высоте плотины на низовом откосе также
устраиваются бермы (через 8…15 м по высоте). Они повышают
устойчивость откоса, служат для ремонта откосов, иногда используются для проездов. Имеют минимальную ширину 3…4 м.
13
На бермах должны быть предусмотрены кюветы для сбора
и отвода ливневых вод. Одной из берм является гребень дренажа низового откоса. На верховом откосе бермы обычно устраиваются на отметке нижней границы основного крепления (для
повышения его устойчивости против оползания по откосу),
а также на отметке гребня верховой перемычки, если она включается в тело плотины.
4.1.1. Противофильтрационные устройства
Противофильтрационные устройства следует выполнять из
слабопроницаемых грунтов (глинистых и мелкозернистых песчаных, глинобетона, а также торфа) или негрунтовых материалов (бетона, железобетона, стали, полимерных и битумных материалов и др.) в виде верховой или центральной противофильтрационной призмы, экрана, диафрагмы, ядра, понура, шпунта,
стенки (в том числе и создаваемой методом «стена в грунте»),
цементационной и других завес, а при соответствующем обосновании – в виде комбинированной конструкции из грунтовых
и негрунтовых материалов, что позволяет возводить сооружение
без создания перемычек.
Противофильтрационные устройства надлежит выбирать
в зависимости от вида земляной плотины, характеристик грунтов ее тела и основания, наличия необходимых грунтовых или
негрунтовых материалов для противофильтрационных устройств,
наличия вечномерзлых грунтов в основании, высоты плотины,
положения водоупора основания и условий производства работ
по результатам технико-экономического сопоставления вариантов [2].
В качестве противофильтрационных устройств в теле земляных плотин чаще всего применяются грунтовые ядра и экраны (рис. 4.1).
14
Рис. 4.1. Элементы поперечного профиля
Толщину грунтового экрана или ядра плотины следует увеличивать сверху вниз.
Минимальную толщину экрана или ядра поверху назначают
из условий производства работ, но не менее 0,8 м (практически
из условий производства работ обычно 3…4 м), а понизу – такую, чтобы градиенты напора фильтрационного потока, принимаемые для глинобетона, глины, суглинка и супеси, удовлетворяли критерию фильтрационной прочности [2, п. 9.5]:
где
– наибольший напор на ядре или экране. Предвари-
тельно можно считать
– критический средний градиент фильтрационного
, (4.1)
;
напора, принимаемый по [1, табл. 3.4; 2, табл. 8];
– коэффициент надежности по ответственности соору-
жения в зависимости от его класса, определяемый по [1,
табл. 1.7; 5].
Гребень грунтового экрана (после окончательной осадки
плотины) должен быть выше с учетом высоты волны
и ветрового нагона воды; гребень ядра и диафрагм из негрунто-
15
вых материалов – выше с учетом нагона, но без учета
наката волны.
При глубоком залегании водоупора следует при экране (ядре) предусматривать устройство понура или завесы в сопряжении с экраном или ядром. Понур, как правило, выполняют
из того же материала, что и экран (ядро).
Длину понура необходимо назначать в зависимости от
фильтрационных расходов, а также по условию недопущения
опасных фильтрационных деформаций грунта основания плотины.
Толщину понура следует принимать исходя из условий
обеспечения его фильтрационной прочности [2, п. 9.5].
Наименьшая конструктивная толщина грунтового понура – не
менее 0,5 м [2, п. 5.42].
4.1.2. Дренаж низового откоса
При проектировании дренажных устройств необходимо
учитывать физические характеристики грунтов тела и основания
плотины, их суффозионность и условия фильтрации в области
дренажа, а также работу дренажа в зимних условиях [2].
Подробно с конструкциями и условиями работы дренажей
различных типов можно ознакомиться в [1, прил. 7; 2; 3, с. 172;
4, с. 172; 7].
В русловой части плотины чаще всего применяется дренажный банкет (дренажная призма).
Отметка гребня дренажного банкета определяется с запасом
на волнение в НБ и принимается выше его максимального уровня не менее чем на 0,5 м. Ширина банкета поверху назначается
не менее 1 м, а с учетом условий производства работ – 3…4 м.
Заложение откосов дренажной призмы =
= 1,5…2,0.
На контакте дренажа и тела плотины; ядра, экрана и тела
плотины; дренажа и основания плотины – следует предусматривать устройство обратных фильтров. Обратные фильтры допускается не устраивать при специальном обосновании.
Размеры и конструкцию основных элементов плотины
необходимо определить расчетами прочности и устойчивости.
16
4.2. Определение отметки гребня грунтовой плотины
Отметку гребня плотины следует назначать на основе расчета его возвышения над расчетным уровнем воды.
Возвышение гребня плотины надлежит определять для двух
случаев стояния уровня воды в ВБ.
Из двух полученных результатов расчета выбирается более
высокая отметка гребня:
где
– превышение гребня плотины над расчетным уровнем
; (4.2)
, (4.3)
в ВБ, в обоих случаях определяется по формуле [2]
где
– высота наката волн на откос расчетной обеспечен-
, (4.4)
ности 1 %;
– ветровой нагон воды в ВБ, м;
– конструктивный запас, принимаемый как бо
значений 0,5 м и (
– высота волны 1%-ной вероятно-
льшее из
сти превышения).
При определении ветрового нагона и высоты наката волн
следует принимать обеспеченность скорости ветра при основ-
ном сочетании нагрузок (при ) для сооружений I класса –
1 %; II класса – 2 %; III, IV классов – 4 %. При особом сочетании
нагрузок и воздействий (при ): I, II классов – 20 %; III –
30 %; IV – 50 %.
Высоту ветрового нагона
, м, при постоянной глуби-
не акватории и без учета конфигурации береговой линии до-
пускается определять по формуле [8, прил. Б]
, (4.5)
где
– расчетная скорость ветра, м/с;
– длина разгона волны, м;
– угол между продольной осью водохранилища и на-
правлением господствующих ветров (в проекте принимается
);
17
, (4.6)
здесь – коэффициент кинематической вязкости воздуха
(
м2/с);
– ускорение свободного падения, = 9,8 м/с
2
;
– условная расчетная глубина воды в водохранилище,
в условиях курсового проекта
, (4.7)
здесь – отметка уровня воды в ВБ для соответствующего
расчетного случая (при реальном проектировании – согласно
рекомендациям [8]).
Высоту наката волн на откос
, м, рекомендуется
определять по формуле
, (4.8)
где – коэффициенты шероховатости и проницаемости
откоса, принимаемые по [1; 8, табл. Д.1];
– коэффициент, принимаемый по [1; 8, табл. Д.2];
– коэффициент обеспеченности по накату, принимаемый
по [1; 8, табл. Д.3];
– коэффициент, принимаемый в зависимости от угла
между урезом воды и фронтом волны [1; 8, табл. Д.4];
– высота волн обеспеченностью 1 % в системе;
– коэффициент, зависящий от глубины воды перед
сооружением и пологости волны
чения параметра
=
и принимаемый по графикам [1; 8, рис. Д.1]. Зна-
, указанные без скобок, относятся
к случаю . При глубине перед сооружением
коэффициент
следует принимать по значению
ствующему глубине при значениях параметра
в глубоководной зоне
, соответ-
указанного на графиках в скобках.
Высоту волны 1%-ной обеспеченности, м, следует опреде-
лять умножением средней высоты волн на коэффициент
18
,
,
принимаемый по графикам [1; 8, рис. А.2] для безразмерной ве-
Скорость ветра
, м/с
20
25
30
40
50
Значение длины предельного
разгона
, м
1600
1200
600
200
100
личины
Среднюю высоту волн
:
. (4.9)
, м, и средний период волн
, с,
в глубоководной зоне необходимо определять по верхней оги-
бающей кривой (с глубиной
, где дно не влияет на ос-
новные характеристики волн) [1; 8, рис. А.1]. По значениям без-
и верхней огибающей
и
и по меньшему
размерных параметров
и
кривой следует найти значения
из них принять среднюю высоту и средний период волн.
В случае если
водной зоны. Вычисляются безразмерные параметры
и
. По графику [1; 8, рис. Д.1] определяются параметры
и
. Затем находят средний период волн
и среднюю высоту волн
, расчет выполняется для мелко-
[8].
Длину разгона волны , м, устанавливают по картографиче-
скому материалу с учетом направления ветра.
Значение длины предельного разгона
, м, допускается
принимать по табл. 4.1 для заданной расчетной скорости ветра
, м [8, прил. А].
Таблица 4.1
Отметку гребня плотины проектируют с учетом строительного подъема, назначаемого сверх определенного возвышения
. Величину строительного подъема определяют по прогнози-
руемой осадке гребня согласно [2].
У неоднородных плотин с ядром или экраном из глинистых,
суглинистых грунтов над отметкой ядра (экрана) должен быть
защитный слой не менее глубины промерзания для данного района строительства. Отметка гребня плотины уточняется с учетом глубины промерзания.
19
Согласно рекомендациям [2], при возведении плотины
в сейсмических районах отметку гребня следует назначать
с учетом высоты гравитационной волны, возникающей в водохранилище в случае образования в нем сейсмотектонических
деформаций при землетрясении и определяемой соответствующими расчетами.
4.3. Крепление верхового откоса
Откосы земляных насыпных плотин необходимо защищать
специальными креплениями, рассчитанными на воздействие
волн, льда, течений воды, изменение уровня воды, атмосферных
осадков, ветра и влияние прочих климатических и других разрушающих откос факторов.
Для защиты верхового откоса обычно принимают следующие виды креплений: каменные (насыпные); бетонные монолитные; железобетонные сборные и монолитные; асфальтобетонные; биологические; с габионовыми конструкциями; грунтоцементные; из камня, залитого асфальтом, и др.
Крепление верхового откоса плотины делится на основное,
расположенное в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, и облегченное – ниже основного крепления.
Верхней границей основного крепления, как правило, следует считать отметку гребня плотины.
В случае значительного возвышения гребня над расчетным
уровнем воды основное крепление заканчивают ниже гребня на
отметке высоты наката
, далее до гребня доводят облегчен-
ное крепление.
Нижнюю границу основного крепления следует назначать,
считая от минимального уровня сработки водохранилища на
глубине
.
Нижняя граница основного крепления должна быть ниже
минимального уровня сработки водохранилища не менее чем на
( – расчетная толщина ледяного покрова).
При сопряжении основного и облегченного крепления
необходимо предусматривать конструктивные меры, например
устройство в виде упора из камня или бетона [2].
20