Исходные данные

1. Высота волны 1% обеспеченности в системе волн при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий h_1% = 1.68 м

2. Средняя длина волны при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий λ_m = 17.43 м.

3. Коэффициент заложения верхового откоса m = 3.0.

4. Плотность бетона ρ_b = 2400 кг/м³.

5. Плотность воды ρ_w = 1000 кг/м³.

6. Длина плиты в направлении, перпендикулярном урезу воды, B = 3.0 м.

7. Коэффициент запаса для сборных плит η = 1.1.

8. Вид грунта тела плотины – мелкие пески.

Расчет

1. Определяется толщина плиты t_b, м

м.

Принимается толщина плиты, округляя полученное значение в большую сторону с точностью до 1 см. t_b = 0.16 м.

2. Под плитами проектируется сплошной двухслойный обратный фильтр:

– нижний слой толщиной 0.2 м – смесь крупного песка с гравием;

– верхний слой толщиной 0.2 м – смесь гравия со щебнем.

Крепление низового откоса земляных плотин. Крепление низового откоса земляных плотин производится для защиты его от атмосферных воздействий и разрушения землеройными животными.

Применяются следующие виды крепления низового откоса:

1) одерновка всплошную или в клетку; 2) посев многолетних трав по слою растительного грунта толщиной 0.2-0.3 м; 3) отсыпка щебня или гравия слоем толщиной 0.2 м и др. виды облегченных креплений.

Если низовой откос подвержен воздействию льда и волн со стороны нижнего бьефа, то его крепление следует предусматривать таким же, как и верхового откоса.

Конструкции крепления низового откоса земляных плотин показаны на рисунках 2.12, 2.13.

Рис. 2.12. Виды крепления низового откоса плотины

а – залужение; б - залужение в дерновых клетках; в – дерновое крепление плашмя; г – то же, уступами; то же в стенку (кладка); 1 – слой растительного грунта с посевом трав; 2 – борозды, параллельные бровке плотины; 3 – дерновые полосы, прикрепленные к откосу; 4 – деревянные спицы

Рис. 2.13. Крепление низового откоса плотины одерновкой в клетку

Дренажные устройства плотин. Дренаж тела земляной плотины следует предусматривать с целью:

а) недопущения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону подверженную промерзанию;

б) экономически оправданного снижения депрессионной кривой для повышения устойчивости низового откоса;

в) отвода воды, фильтрующейся через тело плотины и основание в нижний бьеф;

г) предотвращения возникновения фильтрационных деформаций.

При проектировании земляных плотин применяются следующие типы конструкций дренажей (рис. 2.14): дренажная призма (дренажный банкет); наслонный; трубчатый; плоский; комбинированный.

Рис. 2.14. Основные типы конструкций трубчатых дренажей

а – дренажная призма (дренажный банкет); б – комбинированный (сочетание дренажной призмы с наслонным дренажем); в – плоский; г – комбинированный (сочетание дренажной призмы с плоским дренажем); д – наслонный; е - комбинированный (сочетание ленточного дренажа с наслонным дренажем); ж – трубчатый

Выбор типа и конструкции дренажа производится на основании технико-экономического сравнения вариантов и в зависимости от следующих факторов:

а) типа плотины и инженерно-геологических условий в основании и берегах;

б) характеристик и количества материалов дренажа;

в) условий производства работ;

г) климатических условий района строительства;

д) условий эксплуатации сооружений.

В курсовом проекте в качестве дренажных устройств рекомендуется принимать:

а) на русловом участке – дренажную призму (дренажный банкет);

б) на пойменном – наслонный или трубчатый дренаж

Дренажная призма (рис. 2.14 а) устраивается на русловом участке плотины из камня диаметром 20 – 30 см.

Отметка верха дренажной призмы принимается выше максимального уровня воды в нижнем бьефе с учетом наката волны на откос дренажной призмы, но не менее чем на 0.5 м. В курсовом проекте превышение верха дренажной призмы над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе целесообразно принять равным 1.0 м.

Ширина дренажной призмы по верху назначается из условий производства работ, но не менее 1.0 м. В курсовом проекте ширину дренажной призмы по верху целесообразно принять равной 1.5 -2.0 м.

Коэффициент заложения внутреннего откоса дренажной призмы, примыкающего к плотине принимается в пределах от 1.3 до 1.5, а наружного – от 1.0 до 1.3.

Для защиты грунтов тела плотины и основания от механической суффозии обязательно предусматривается обратный фильтр. Число слоев обратного фильтра и их гранулометрический состав определяется специальными расчетами. В курсовом проекте следует принять двухслойный обратный фильтр. Слой обратного фильтра, примыкающий к телу плотины или к основанию, проектируется из смеси крупнозернистого песка и гравия, а примыкающий к дренажу – из смеси гравия со щебнем. При этом толщину каждого слоя обратного фильтра следует принять равной 0.15- 0.25 м.

Наслонный дренаж (рис. 2.14 д) устраивается на участках плотины, на которых отметка подошвы плотины выше максимального уровня нижнего бьефа. Наслонный дренаж выполняется из камня диаметром 15 – 25 см или крупнообломочного грунта.

Необходимо обязательно предусмотреть устройство обратного фильтра для защиты грунтов тела плотины и основания от механической суффозии. В курсовом проекте следует принять двухслойный обратный фильтр. Толщины и гранулометрический состав слоев обратного фильтра такие же, как и в случае дренажной призмы.

Общая толщина наслонного дренажа должна быть больше глубины промерзания.

Отметка верха наслонного дренажа различная в различных сечениях плотины. В каждом сечении плотины эта отметка определяется на основе фильтрационных расчетов в зависимости от высоты выклинивания кривой депрессии на низовой откос. При этом должно быть обеспечено заглубление кривой депрессии под поверхность откоса на глубину не меньшую, чем глубина промерзания.

Трубчатый дренаж (рис. 2.14 ж) также устраивается на участках плотины, на которых отметка подошвы плотины выше максимального уровня нижнего бьефа.

Трубчатый дренаж выполняется из перфорированных дренажных труб, уложенных с соответствующим уклоном. Вокруг дренажных труб укладывается обратный фильтр.

Положение оси трубчатого дренажа определяется из условия требуемого заглубления кривой депрессии под низовой откос.

Дренажные трубы могут быть бетонными, железобетонными, асбоцементными, гончарными. Трубы перфорируются. Минимальный допускаемый диаметр труб – 0,2 м. Уклон и диаметр труб подбирается таким образом, чтобы движение воды в трубах было безнапорным.

По длине трубчатого дренажа через каждые 50 – 200 м устраиваются смотровые колодцы.

В курсовом проекте следует предусмотреть устройство трехслойного обратного фильтра вокруг дренажных труб. При этом

– слой, примыкающий к грунту тела плотины и основания, должен быть выполнен из смеси крупнозернистого песка и гравия;

– промежуточный слой должен быть выполнен из смеси гравия со щебнем;

– слой, примыкающий к дренажной трубе, должен быть выполнен из щебня.

Толщина каждого слоя обратного фильтра принимается в пределах от 0,15 до 0.25 м.

Противофильтрационные устройства плотины. Противофильтрационные устройства в теле плотины в виде грунтового экрана или ядра предназначены для уменьшения фильтрационного расхода, недопущения фильтрационных деформаций грунта плотины и ее основания, а также для повышения устойчивости низового откоса.

Для указанных устройств используются суглинистые и глинистые грунты.

В курсовом проекте противофильтрационные устройства следует проектировать в случае, если грунты карьеров, из которых отсыпается тело плотины, представляют собой средние и крупные пески. Тип противофильтрационного устройства может быть принят по усмотрению студента.

При выборе варианта противофильтрационного устройства из грунтовых материалов в земляных насыпных плотинах необходимо учитывать следующие достоинства и недостатки экрана по сравнению с ядром.

Недостатки экрана по сравнению с ядром:

1. На устройство экрана требуется существенно больше водонепроницаемых грунтов, чем на устройство ядра.

2. Экран требует возведения плотины с более пологим верховым откосом, чем ядро, т.е. использование экрана увеличивает объем земляных работ.

3. Применение экрана ухудшает условие сопряжения противофильтрационного устройства с берегами и другими сооружениями.

4. Экран более чувствителен к неравномерным осадкам тела плотины и основания.

Достоинства экрана по сравнению с ядром:

1. Экран более удобен с точки зрения производства работ.

2. Наличие экрана позволяет устроить в случае необходимости понур.

3. Экран более доступен для осмотра и ремонта.

4. Под экраном проще делать инъекционную завесу в основании.

Грунтовые экраны. Конструкция грунтового экрана имеет вид, показанный на рис. 2.15 а. Грунтовый экран устраивается переменной толщины. Толщина экрана по верху t_э.в. принимается по условию производства работ, но не менее 0.8 м. Толщина экрана по низу t_э.н назначается по условию обеспечения допустимого градиента напора. Предварительно эта толщина в случае экрана из суглинков может быть принята равной t_э.н = 0.1 · Н, где Н - расчетный напор, равный Н = Z_НПУ – Z_УНБ.; Z_НПУ - отметка НПУ; Z_УНБ - отметка уровня нижнего бьефа.

Отметку верха экрана ВЭ следует принимать не ниже уровня воды в водохранилище с учетом ветрового нагона воды и наката волны на откос. Кроме того, отметка верха экрана ВЭ должна быть ниже отметки гребня плотины ГП на глубину не меньшую глубины промерзания для района возведения сооружения для предотвращения морозного пучения глинистых грунтов.

Экран сверху прикрывается защитным слоем толщиной не меньшей, чем глубины промерзания. Между грунтом экрана и грунтом тела плотины предусматривается устройство переходной (промежуточной) зоны в виде слоя обратного фильтра толщиной 0.5- 0.8 м из смеси песка, гравия и щебня.

Угол наклона экрана к горизонту находится из условия его устойчивости против сдвига в соответствии с неравенством

, (2.12)

где k – коэффициент запаса, равный 1.2-1.4; φ – угол внутреннего трения грунта экрана.

С основанием экран сопрягается зубом, глубина которого зависит от качества основания.

Иногда в случае песчаного основания большой мощности экран продолжается перед плотиной, образуя понур.

Грунтовые ядра. Конструкция грунтового ядра имеет вид, показанный на рис. 2.15 б. Обычно ось ядер насыпных плотин вертикальная и совпадает с осью поперечного сечения плотины.

Толщина ядра по верху t_я.в. принимается по условию производства работ. Толщина экрана по низу t_я.н. принимается по условию обеспечения допустимого градиента напора так же как и экрана.

Отметку верха ядра ВЯ следует принимать не ниже уровня воды в водохранилище с учетом ветрового нагона воды. Кроме того, отметка верха экрана ВЭ должна быть ниже отметки гребня плотины ГП на глубину не меньшую глубины промерзания для района возведения сооружения.

Обязательно устройство переходных (промежуточных) зон между ядром из глинистых грунтов и боковыми призмами из песчаных или крупнообломочных грунтов. Такие переходные слои выполняются по типу обратных фильтров в виде слоя толщиной 0.5- 0.8 м из смеси песка, гравия и щебня.

Иногда ядро устанавливается наклонным (например, при особых топографических и геологических условиях, а также при строительстве плотины в несколько очередей).

Рис. 2.15. Конструкции грунтовых противофильтрационных устройств в теле земляной плотины (а – экран; б – ядро)

Сопряжение плотины с основанием и берегами. Подготовка берегов и основания плотины сводится к удалению растительного слоя грунта толщиной не менее 0.3-0.5 м. Поверхность подготовленного нескального основания должна плавно следовать за уклоном местности (рис. 2.16 а). На участках берегов с крутыми склонами или при скальных берегах сопряжение производится при помощи наклонных уступов с горизонтальными площадками шириной 3-5 м. Уклон наклонных уступов в случае скального основания должен быть не круче 1:10. При более крутых или вертикальных уступах возможно образование поперечных трещин по вертикальным плоскостям, проходящим через бровки уступов.

Рис. 2.16. Сопряжение плотины с берегами

Сопряжение плотины с основанием производится в зависимости от типа плотины и характера грунта основания.

Если основание плотины является непроницаемым (глины, суглинки), а плотина однородная то сопряжение производится с помощью зуба, глубиной не менее 0.75 м. Коэффициент заложения откосов зуба m = 1.5-2.0 (рис. 2.2 а).

В случае небольшой мощности проницаемого слоя 2-4 м в основании однородной плотины устраивается замок (рис. 2.2 б ).

Если толщина проницаемого слоя 4-6 м, а ниже его малопроницаемый нескальный грунт, то сопряжение производится путем устройства зуба глубиной 1-1.5 м и шпунта заглубляемого в нижележащий водоупор на глубину 0.5-1.0 м (рис. 2.2 г).

При глубоком залегании водоупора 8-15 м и более устраиваются понуры. Толщина понура в верховом конце должна быть не менее 0.5 м, а в месте примыкания к плотине или экрану 0.1 Н, но не менее 2,0 м. Длина понура выбирается в пределах (3-5) · Н, причем большее значение принимается при больших значениях коэффициента фильтрации грунта основания.

Эффективность понура будет достигнута в том случае, если отношение коэффициентов фильтрации грунта основания к₀ и понура к_n будет в пределах 50-80. Сверху понур прикрывают защитным слоем песка толщиной 0.75-1.2 м (рис. 2.2 ж).

Конструкция плотины. После определения размеров всех элементов необходимо вычертить поперечный разрез тела плотины со всеми необходимыми размерами и отметками элементов в принятом стандартном масштабе (одинаковом вертикальном и горизонтальном) (см. рис. 2.17).

Указанный чертеж будет необходим при дальнейших расчетах, а также при изготовлении графической части проекта.

Рис. 2.17. Поперечное сечение плотины на русловом участке

Построение плотины на плане. После определения размеров основных элементов поперечного профиля плотины, ее необходимо расположить на плане (т.е. вписать в местность). Порядок выполнения работы следующий.

1. В обе стороны от оси плотины в масштабе плана откладывается полуширина земляного полотна (точки а и б рис. 2.18). Прямые, проведенные через точки а и б параллельно оси в обе стороны до пересечения с горизонталями, имеющими отметку гребня, будут верховой и низовой бровками гребня.

2. Используя рис. 2.18, проводятся на плане прямые линии с отметками гребня плотины Z_ГП, переломов откосов Z_пер, берм Z_берм и верха дренажа Z_др .

Положение указанных линий на плане определяется следующим образом.

Верховой откос. Определяется разность отметок гребня плотины и перелома откоса h. От верхней бровки гребня по нормали к ней в масштабе плана откладывается размер m₁ · h (точка b на рис. 2.18), где m₁ – коэффициент заложения откоса плотины на этом участке. Линия АВ, проведенная через точку b параллельно бровке до пересечения с соответствующими горизонталями на обоих берегах будет линией перелома верхового откоса.

Низовой откос. Аналогично определяется местоположение бермы (линия СD) (размер m₂ · h_б), где m₂ – коэффициент заложения низового откоса, h_б – превышение отметки гребня над отметкой бермы. От линии CD откладывается ширина бермы b_б и получают линию EF. Линии KL и MN (бровок дренажа) получают аналогичным способом.

На всех промежуточных горизонталях положение каждой из точек подошвы плотины может быть получено следующим образом. Необходимо сначала получить величину, равную произведению разности отметок ближайшей линии перелома и соответствующей горизонтали на коэффициент заложения откоса на данном участке. Полученные величины откладываются по нормали к линиям перелома до пересечения с горизонталями. Точки пересечения соединяются отрезками прямых линий.

Рис. 2.18. Построение плотины в плане (вписывание в местность)