2 Конструирование поперечного профиля плотины

2.1 Определение ширины гребня плотины

Один из основных вопросов проектирования плотины из грунтовых материалов — определение устойчивого и экономически выгодного ее профиля. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характеристик грунта тела плотины и ее основания, а также условий строительства и эксплуатации.

Гребень плотины конструируют из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта. По­этому ширину гребня принимают в зависимости от категории дороги, но не менее 4,5 м. Для данной работы принимаем: категория дороги – IV; ширина проезжей части (А) 6,0 м; ширина обочин (Б) 2,0 м; ширина земляного полотна 10 м.

В поперечном направлении дороге придают двусторонний уклон, принимая его равным при асфальтобетонном покрытии 1,5%, при булыжном или грунтовом покрытии — 3%. Обочинам обычно придают несколько больший уклон. В пределах обочин в соответствии с ГОСТ 23457— 79 устраивают ограждения в виде надолб, низких стенок или парапетов.

Если гребень плотины делают из глинистых грунтов, то во избежание его пучения при морозах предусматривают защитный слой из песчаного или гравийного грунта (щебня). Толщину защитного слоя, включая толщину покрытия дороги, следует назначать не менее глубины сезонного промерзания в данном районе.

Отметку гребня определяют по методике из условия недопущения перелива воды через гребень плотины.

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и др. Коэффициенты заложения откосов предварительно назначают по рекомендациям, а также опыту строительства и эксплуатации плотин-аналогов; затем их устойчивость проверяют специальным расчетом.

При высоте насыпных плотин от 10 до 15 м коэффициент заложения верхового откоса принимают равным 3,0, а низового — 2,5. Если на верховом откосе плотины устроен экран из материала, имеющего более низкие значения угла внутреннего трения и коэффициента сцепления, чем грунт основного тела плотины, заложение верхового откоса следует назначать с учетом не только обрушения откоса в целом, но и сдвига экрана по поверхности откоса, а также сдвига защитного слоя по поверхности экрана..

На высоких откосах при необходимости примерно через 10 м устраивают бермы, размеры которых определяются условиями производства работ, эксплуатационного проезда, сбора и отвода ливневых вод на низовом откосе. На верховом откосе берму можно располагать в конце крепления для создания необходимого упора. Ширину берм земляных плотин назначают в пределах 1 ... 3 м, а для плотин из каменных материалов — не менее 3 м. При необходимости проезда по берме ее ширину определяют по нормам проектирования дорог. Во всех случаях устройство берм не должно приводить к общему уположению откоса по сравнению с расчетным.

2.2 Определение отметки гребня плотины

Высоту плотины назначают с превышением d над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующем отсутствие перелива воды через гребень и равным:

, (1)

где — высота ветрового нагона воды;

—высота наката волн на откос плотины;

—конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0,5 м и 0,1;

—высота волны 1%-ной вероятности превышения.

Расчеты по формуле (1) следует проводить для двух расчетных случаев:

1) уровень воды на отметке НПУ или выше него (основное сочетание нагрузок и воздействий);

2) уровень воды на отметке ФПУ при пропуске максимального поверочного расхода воды (особое сочетание нагрузок и воздействий).

Расчетную скорость ветра в первом случае принимают 1%-ной вероятности превышения, наблюдаемую в течение года, а во втором — 50%-ной вероятности превышения, наблюдаемую во время форсировки уровня. При определении элементов ветровых волн и ветрового нагона согласно СНиП 2.06.04 — 82 следует принимать вероятность превышения шторма для сооруже­ний I, П класса 2% и III, IV — 4%.

В качестве расчетной отметки гребня плотины принимают большую из отметок:

(2)

(3)

где ,- отметки нормального и форсированного подпорных уровней.

1) при НПУ

Высоту ветрового нагона определяют по зависимости:

(4)

где К_в — коэффициент, зависящий от скорости ветра;

W — расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с;

D— длина разгона ветровой волны, м;

g — ускорение свободного падения, м/с² ;

Н — условная расчетная глубина воды в водохранилище;

—угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, град.

Расчет по формуле (4) проводят по известным значениям W, D, H и , первоначально полагая значение, стоящее в знаменателе, равным нулю ввиду его малости по сравнению с величиной Н.

В нашем случае:

К_в = 2,1∙10^-6

Н = НПУ -Д = 119,5-110,5 = 9,0 м

α_в = 0⁰, cos 0⁰ = 1

W = 19,8 м/с

Определяем высоту наката ветровой волны для вероятности превышения расчетного шторма 4%:

^,(5)

где h_1%- высота волны 1% обеспеченности;

К_∆и К_НП– коэффициенты, зависящие от типа и относительной шероховатости крепления откоса;

К_с– коэффициент, зависящий от скорости ветра и коэффициента заложения откосаm₁;

К_НГ– коэффициент, зависящий от пологости волны;

К_Нj– коэффициент, учитывающий вероятность превышения по накату,j(%);

К_β– коэффициент, зависящий от угла подхода фронта волны к плотине.

Определим элементы волны:

Вычислим безразмерные комплексы и ,

где t — продолжительность действия ветра, принимаемая при отсутствии фактических данных 6 ч=21600 с;

Длина разгона ветровой волны D = 5,0 км =5000 м

По графику для каждого из найденных комплексов определяем значения относительных параметров gτ /W и g /;

:

:

Из найденных двух пар значений параметров выбираем минимальные и из них устанавливают среднюю высоту волны и средний период волны τ

τ = 3,26

= 0,76

Вычисляем среднюю длину волны

(6)