Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Грунтовая плотина. Учебное пособие.pdf
В курсовом проекте рекомендуется ограничиться креплением из каменной наброски (горная масса) и бетонными плитами
(монолитными или сборными железобетонными). Границы зоны
крепления верхового откоса устанавливаются в соответствии со
схемой (см. рис. 4.1). Толщина основного крепления опреде-
ляется расчетом, облегченного – принимается конструктивно:
.
При расположении камня или блока на участке откоса от
верха сооружения до глубины массу отдельного элемента или
следует определять по формуле
(4.10)
(то же, при – по формуле
),
где
при наброске принимает значения: для камня 0,025; для
бетонных блоков 0,021; для тетраподов 0,008;
– плотность камня (2700…2900 кг/м
3
) и плотность
воды соответственно;
– высота волны 1%-ной обеспеченности, м;
– заложение верхового откоса;
– средняя длина волны, м.
Расчетный диаметр камня
. (4.11)
Толщина крепления
.
Под креплением из каменной наброски обязательно устраивается подготовка в виде обратного фильтра.
Монолитные железобетонные плиты целесообразно использовать при высоте волны более 2 м.
В случае применения бетонного монолитного крепления
толщина плиты определяется из условия устойчивости ее против всплытия по формуле [2]
21
, (4.12)
где – коэффициент запаса, принимаемый в пределах
1,25…1,5;
– высота волны 1%-ной обеспеченности;
– плотность материала плиты;
– средняя длина волны;
– размер плиты в направлении, перпендикулярном урезу
воды (рекомендуется принимать
– заложение откоса.
Вычисленную величину
округляют в большую сторону
);
кратно 5 см. Рекомендуется принимать толщину монолитных
плит не менее 20…25 см. В плане плиты разрезаются температурными и температурно-осадочными швами.
Для снижения фильтрационного давления снизу на крепление под плитой устраивается сплошной или ленточный дренаж,
снабженный обратными фильтрами [3, с. 215]. При соответствующем обосновании можно полностью отказаться от дренажа.
Сборные железобетонные плиты имеют толщину 10…30 см
и размеры в плане от 1,5×1,5 до 5×5 м, укладываются на сплошном обратном фильтре. Размеры плит определяются величиной
и характером действующих нагрузок, грузоподъемностью кранового оборудования. Между собой отдельные плиты соединяются шарнирно. Расчет крепления из сборных железобетонных
плит приведен в [4, с. 190].
Под креплением из монолитных или сборных железобетонных плит (с уплотненными швами или замоноличенных в секции) на откосах из песчаных или глинистых грунтов, как правило, следует укладывать однослойный обратный фильтр.
Обратные фильтры под креплением откосов, выполненном
в виде каменной наброски, плит с открытыми швами или сквозными отверстиями и т.п., могут состоять из одного слоя разнозернистого материала или двух материалов с различными по
крупности частицами, а также из искусственных водопроницаемых материалов (стекловолокно, минеральная вата и др.).
22
Крепление низового откоса следует выбирать в зависимости от материала, из которого возведена низовая призма плотины, с целью защиты его от атмосферных воздействий и разрушения землеройными животными. Для укрепления низового
откоса из песчаных или глинистых грунтов, как правило, необходимо применять посев трав по растительному слою толщиной
0,2…0,3 м, отсыпку щебня или гравия слоем толщиной 0,2 м
и другие виды облегченных покрытий.
Для сбора и отвода ливневых и паводковых (от снеготаяния) вод на низовом откосе и бермах земляных плотин важно
предусмотреть систему продольных и поперечных водосборных
лотков.
Если низовой откос подвержен воздействию льда и волн со
стороны НБ, его крепление рассчитывают так же, как и для верхового откоса [2].
Примеры конструкций откосного крепления представлены
в [1, прил. 8; 2; 9].
4.4. Фильтрационные расчеты
Расчеты плотин во всех случаях следует выполнять для основных и особых сочетаний нагрузок в эксплуатационный период работы плотин и для сочетаний нагрузок в период их возведения (строительный период).
Расчеты плотин, возводимых в сейсмических районах,
должны осуществляться согласно требованиям [10].
Фильтрационные расчеты тела плотины, основания и берегов необходимы для определения:
а) положения поверхности фильтрационного потока (депрессионной поверхности) в теле плотины и берегах;
б) фильтрационного расхода воды через тело плотины, основание и берега;
в) градиентов напора фильтрационного потока в теле плотины, основании, в местах выхода фильтрационного потока
в дренаж, в НБ за подошвой низового откоса, на границах противофильтрационных устройств.
23
Расчетные случаи назначаются согласно [2] в зависимости
от конечной цели расчетов.
1. Для расчета устойчивости низового откоса плотины
в курсовом проекте следует принять основное сочетание нагрузок в эксплуатационный период следующим: в ВБ – отметка
, в НБ – максимальный уровень
– для основного сочетания нагрузок). Для этих уровней
(соответствует
и выполняется расчет кривой депрессии.
2. Расчеты фильтрационной прочности необходимо осу-
ществлять исходя из наибольшего напора, действующего на
плотину, т.е. в этом случае основное сочетание нагрузок в экс-
плуатационный период: в ВБ – отметка , в НБ – минимальный уровень
). Также нужно выполнить расчет кривой депрессии
(в курсовом проекте соответствует
и дополнительно определить градиенты напора фильтрационного потока в наиболее опасных местах.
В курсовом проекте задаются характерные расчетные рас-
ходы:
– основной расчетный максимальный расход весеннего
половодья;
– поверочный максимальный (катастрофический) рас-
ход;
– расчетный строительный расход весеннего полово-
дья, принимаемый в расчетах на период строительства гидроузла, необходим для определения размеров временного водосбросного сооружения (строительного водосброса);
– расчетный расход перекрытия, т.е. расход в реке
в летне-осеннюю межень, когда производят перекрытие русла;
– расход водовыпусков;
– расчетный расход, пропускаемый через ГЭС.
В реальном проектировании все характерные расходы при-
нимаются в результате гидрологических расчетов, обеспеченность расходов зависит от класса сооружений [5].
Применяемые в практике расчетные фильтрационные схе-
мы для различных конструкций плотин приводятся в [3, 4,
24
11, 12], менее сложные расчетные формулы и схемы для основных типов плотин – в [1, п. 3].
При выборе расчетных схем необходимо руководствоваться
следующими соображениями. Ядра считаются тонкими, если
. В противном случае их относят к толстым.
Толстые ядра в каменно-земляных плотинах рассчитывают-
ся аналогично однородным земляным плотинам без дренажа,
причем уровень воды перед ядром принимается равным ,
за ядром –
.
Тонкие ядра можно рассчитывать по формуле Н.А. Шанки-
на [1].
При соотношении коэффициентов фильтрации тела плоти-
ны и ядра
(4.13)
может применяться виртуальный метод Н.Н. Павловского, в соответствии с которым действительная толщина ядра (экрана)
заменяется приведенной. И расчет выполняется как для однородной плотины с уширенным гребнем [1]:
. (4.14)
4.4.1. Оценка фильтрационной прочности
грунта тела плотины и основания
Фильтрационную прочность тела плотины, а также проти-
вофильтрационных устройств оценивают на основе соответствующих расчетов и экспериментальных исследований грунтов
при действующих в сооружении градиентах напора с учетом
напряженно-деформированного состояния сооружения и его
основания, особенностей конструкции, методов возведения
и условий эксплуатации.
Предварительно следует выполнить расчет кривой депрес-
сии при уровне в ВБ, равном , а в НБ –
.
Как отмечалось ранее, расчеты фильтрационной прочности
осуществляют исходя из наибольшего напора, действующего на
плотину.
25
При оценке фильтрационной прочности необходимо обес-
Грунт
Понур
Экран и ядро
Тело и призма
плотины
Глина, глинобетон
15
12
8…2
Суглинок
10 8 4…1,5
Супесь 3 2
2…1
Песок средний
– – 1
Песок мелкий
– – 0,75
печение условия
, (4.15)
где
– действующий средний градиент напора в расчетной
области фильтрации;
– критический средний градиент напора, принимае-
мый на основании исследований грунтов в условиях, отвечающих реальным условиям эксплуатации сооружения (в предварительных расчетах и при отсутствии опытных данных значения
могут быть приняты по табл. 4.2 [1; 2, табл. 8]);
– коэффициент надежности по ответственности соору-
жений [1, табл. 1.7; 5].
Таблица 4.2
Значения критического среднего градиента напора
Примечания. 1. Проверку фильтрационной прочности тела или призмы
плотины из грунтовых материалов выполняют для поперечного профиля, назначенного исходя из расчетов устойчивости откосов.
2. В результате проверки фильтрационной прочности уточняют конструкцию плотины, в частности местоположение дренажа. 3. Значения
критического среднего градиента принимают в зависимости от физико-механических свойств грунта и способа его укладки, причем
бо
льшие значения
назначают для более плотного грунта [2].
В курсовом проекте можно ограничиться проверкой фильтрационной прочности плотины, основания и места выхода депрессионной кривой в дренаж. Если есть ядро или экран, то
оценивается фильтрационная прочность ядра или экрана.
Расчетные значения критического среднего градиента
напора
в основании сооружения следует принимать по
табл. 4.3 [1, 2].
26
Таблица 4.3
Глина
Суглинок
Супесь
Песок
крупный
средний
мелкий
1,35
0,80
0,60
0,48
0,42
0,32
20 5 4 3 2
1 1,15
1,18
1,23
1,3
1,44
1,87
Критический средний градиент напора
для грунтов основания
Действующие средние градиенты напора определяются
следующим образом. В основании плотины:
, (4.16)
где Н1 – глубина воды в верхнем бьефе, м;
Н2 – глубина воды в нижнем бьефе, м;
– поправочный коэффициент, определяемый по
табл. 4.4 ( – толщина проницаемого основания, L – см. [1]).
Впл – ширина плотины понизу [1, рис. 3.19–3.21]
Таблица 4.4
В теле однородной плотины :
, (4.17)
где , S – см. [1].
Для ядра или экрана:
, (4.18)
где
– потери напора на ядре или экране;
– средняя толщина ядра или экрана.
В месте выхода депрессионной кривой в дренаж:
, (4.19)
где м;
y – см. [1].
Если условие (4.15) выполняется не во всех случаях, то
необходимо внести соответствующие коррективы в конструкцию плотины.
27
4.4.2. Обратные фильтры
Обратные фильтры надлежит предусматривать на контакте
дренажа (или пригрузки) и дренируемого тела плотины, ядра
(экрана) и тела плотины или основания плотины и дренажа,
а также в любом месте искусственно созданного напорного
фронта, где возможна механическая суффозия на контакте между разнородными грунтами. Материалы обратного фильтра подбирают из условия обеспечения фильтрационной прочности сопрягающихся грунтов в месте контакта в процессе возведения
и в период эксплуатации плотин.
Число слоев обратного фильтра и их гранулометрический
состав следует назначать из условия недопущения суффозионного выноса и кольматации грунта основания плотины и определять с помощью технико-экономического сравнения вариантов, при этом необходимо стремиться к назначению возможно
меньшего числа слоев фильтра.
Обратные фильтры могут быть однослойными или многослойными [2].
Для устройства обратных фильтров используются имеющиеся карьерные грунты или специально приготовленные.
В соответствии с [2], коэффициент неоднородности матери-
алов обратных фильтров
должен иметь следую-
щие значения:
– если защищаемый грунт не суффозионный,
сыпучий;
– если защищаемый грунт суффозионный;
– если защищаемый грунт глинистый;
– если фильтр отсыпается в воду.
Грунт считается суффозионным при . Для обратных
фильтров гидротехнических сооружений рекомендуется применять не суффозионные грунты.
При подборе обратных фильтров используются графики
В.С. Истоминой в координатах
для различного направ-
ления фильтрационного потока (рис. 4.2) [1, рис. 1.1].
28
а б
Рис. 4.2. Графики для подбора обратных фильтров:
а – нисходящий фильтрационный поток;
б – восходящий фильтрационный поток
(1 – область допустимых характеристик; 2 – область недопустимых
характеристик; 3 – для материалов с окатанными частицами;
4 – для материалов с угловатыми частицами)
Величина
слойности. Здесь
называется коэффициентом между-
– размер фракций предыдущего слоя, мас-
са которых вместе с массой более мелких фракций составляет
50 % массы всего грунта;
– то же самое, но для грунта по-
следующего слоя.
Если точка, соответствующая некоторым значениям и ,
располагается ниже кривой на рис. 4.2, то такой материал считается пригодным для фильтра. Кроме того, для первого слоя
фильтра необходимо, чтобы был обеспечен свободный отток
профильтровавшейся воды. Это условно выполняется, если
29
. (4.20)
В курсовом проекте фильтры подбираются следующим образом. В прил. 2 [1, прил. 3] приведены кривые гранулометрического состава грунтов из разных карьеров. Номера карьеров
грунтов для возведения плотины указаны в индивидуальном задании. Для подбора обратных фильтров можно использовать все
карьеры из прил. 2 [1, прил. 3].
Порядок расчета
1. По кривой гранулометрического состава (прил. 2 и [1,
прил. 3]) для защищаемого грунта (№ кривой) снять величины
и
и вычислить коэффициент неоднородности
. (4.21)
Сделать вывод о суффозионности грунта.
2. Для материала фильтра средний диаметр должен быть
в 8…10 раз больше среднего диаметра защищаемого грунта. Исходя из этого условия, в качестве первого слоя фильтра подбирается грунт некоторого карьера № Х (прил. 2 и [1, прил. 3]).
3. Для первого слоя фильтра определить
и
, вычис-
лить коэффициент неоднородности
. (4.22)
Коэффициент неоднородности сравнивается с рекомендуемыми выше значениями (если он является подходящим, то приступают к оценке коэффициента междуслойности).
4. По соответствующим кривым гранулометрического со-
става (тела плотины или дренажа и обратного фильтра) –
№ кривой и № Х – установить и
и
, далее по рис. 4.2 [1, рис. 1.1] для полученных
определить зону. Если точка лежит ниже кривой в области
. Вычислить
допустимых характеристик, то достаточно одного слоя обратного фильтра из грунта карьера № Х. Если точка лежит выше кривой в области недопустимых характеристик, необходим подбор
следующего слоя фильтра.
30