Установление основных размеров поперечного профиля плотины

При проектировании поперечного профиля плотины необходимо установить очертание откосов плотины, ширину и отметку гребня, а также его конструкцию, конструкцию и размеры крепления верхового и низового откосов, размеры противофильтрационных устройств в теле плотины и в основании, тип, конструкцию и размеры дренажных устройств. Схема поперечного профиля земляной плотины показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Поперечное сечение земляной плотины

1 – тело плотины; 2 – подошва плотины; 3 – берма верхового откоса; 4 – упор крепления верхового откоса; 5 – крепление верхового откоса; 6 – гребень плотины; 7 – крепление низового откоса; 8 – берма низового откоса; 9 – дренаж плотины; 10 – замок; 11 – естественная поверхность грунта; 12 – водопроницаемый грунт; 13 – водоупор.

Очертание откосов плотины. При проектировании земляных насыпных плотин коэффициенты заложения откосов принимаются в зависимости от типа плотины, её высоты, вида грунта тела плотины и основания по данным практики.

Предварительно назначенные откосы плотин впоследствии подвергаются поверочному расчету устойчивости.

Верховой откос, насыщенный водой и находящийся под действием волн и льда устраивается обычно более пологим, а низовой - более крутым.

Заложение откосов плотины назначается с учетом следующих основных факторов:

а) характера грунта, из которого сложен откос;

б) характера грунта основания;

в) сил действующих на откос;

г) условий производства работ и эксплуатации плотины;

д) типа плотины;

е) высоты плотины.

На начальной стадии проектирования сооружения для предварительного определения коэффициентов заложения откосов можно использовать данные, приведенные в таблице 2.2 [4].

Откосы плотин высотой до 15 м обычно принимаются не изменяющимися по высоте. При большей высоте обычно принимается ломаное очертание верхового и низового откосов, постепенно уменьшая их уклон от гребня к основанию. Переломы откосов устраиваются через 7¸15 м по высоте плотины.

Рекомендуемые коэффициенты заложения откосов земляных плотин

Таблица 2.2

Откосы плотин высотой до 15 м обычно принимаются не изменяющимися по высоте. При большей высоте обычно принимается ломаное очертание верхового и низового откосов, постепенно уменьшая их уклон от гребня к основанию. Переломы откосов устраиваются через 7¸15 м по высоте плотины. Обычно коэффициент заложения верхового откоса ниже точки перелома на 0.5 больше, чем коэффициент заложения откоса выше точки перелома. Для низового откоса – на 0.25.

На откосах плотины могут устраиваться горизонтальные площадки – бермы обычно в местах перелома откоса. Бермы предназначены:

1) для надзора за откосом;

2) для ремонта откоса и его покрытия;

3) для увеличения общей устойчивости откоса;

4) для увеличения ширины плотины по низу с целью удлинения пути фильтрации в основании;

5) для включения в тело плотины предварительно построенных перемычек, под защитой которых возводится плотина;

6) для заглубления под поверхностью откоса кривой депрессии на глубину, большую глубины промерзания;

7) для устройства в случае необходимости дороги по откосу;

8) для предохранения низового откоса от размыва его стекающими атмосферными осадками.

Ширина берм принимается не менее 2-3 м из условия производства работ. Обычно ширина берм составляет 3-5 м. Они устраиваются через 7-15 м по высоте.

На верховом откосе устраивается берма для создания упора крепления откоса. На низовом откосе бермы используются для устройства служебных проездов, а также для отвода атмосферных вод.

В курсовом проекте необходимо принять коэффициенты заложения верхового и низового откосов, установить отметки переломов откосов, принять размеры берм.

Конструкция гребня плотины. Ширина гребня земляной плотины устанавливается в зависимости от условий производства работ и эксплуатации, но не менее 4.5 м (СНиП 2.06.05-84 [10]). В случае если гребень плотины используется для проезда автомобильного транспорта, ширину его следует назначать равной ширине земляного полотна в соответствии с нормами проектирования (ДБН В.2.3.-4:2007 [6]) в зависимости от категории дороги проходящей по гребню (табл. 2.3). Схема гребня плотины показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Основные размеры земляного полотна

Параметры поперечного профиля автомобильных дорог

Таблица 2.3

Дорожное покрытие гребня плотины принимается в зависимости от категории дороги.

Для обеспечения стока атмосферных осадков, гребень плотины выполняют двускатным с поперечным уклоном и в обе стороны от оси равным 0.02-0.04. С таким же уклоном выполняются обочины земляного полотна. Вдоль проезжей части по гребню плотины устанавливаются железобетонные надолбы, служащие ориентирами при движении транспорта. Надолбы располагаются на расстоянии 2 м один от другого и принимаются высотой 0.8-1.0 м. Варианты конструкции гребня плотины показаны на рис. 8.

Определение отметки гребня плотины. Отметку гребня плотины следует назначать с учетом возвышения его над расчетным уровнем воды. Возвышение гребня плотины h_s определяется для двух расчетных случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе:

а) при нормальном подпорном уровне (НПУ), соответствующем основному сочетанию нагрузок и воздействий;

б) при форсированном подпорном уровне (ФПУ), соответствующем основному сочетанию нагрузок и воздействий.

Рис. 2.5. Конструкции гребня плотины

а) покрытие гребня железобетонными плитами;

б) покрытие гребня мощением

Возвышение гребня плотины в обоих случаях определяется с учетом высоты наката ветровых волн и ветрового нагона воды в водохранилище (рис. 2.6) по формуле (СНиП 2.06.05-84 [10]).

h_s = ∆h_set + h_run1% + , (2.6)

где ∆h_set – высота ветрового нагона воды в водохранилище, м; h_run1% – высота наката ветровых волн на откос обеспеченностью 1% в системе волн, м; – запас возвышения гребня, значение которого для плотин всех классов принимается не менее 0.5 м.

Рис. 2.6. Схемы к определению отметки гребня плотины

а – без парапета; б – с парапетом; 1 – расчетный статический уровень; 2 – средняя волновая линия; 3 – гребень плотины; 4 – гребень парапета

При определении первых двух слагаемых формулы (2.6), как уже указывалось в 2.1, следует принимать обеспеченности скорости ветра расчетной скорости ветра в зависимости от расчетного сочетания нагрузок и воздействий. При основном сочетании нагрузок и воздействий (НПУ в верхнем бьефе) обеспеченность скорости ветра следует принимать для сооружений I, II классов – 2% (1 раз в 50 лет) и III, IV классов – 4% (1 раз в 25 лет). Для особого сочетания нагрузок и воздействий (при ФПУ в верхнем бьефе) обеспеченность скорости ветра следует принимать для сооружений I, II классов – 20% , для III класса – 30% и для IV класса – 50%.

Методика определения высоты ветрового нагона воды в водохранилище ∆h_set и параметров волн h_1%, λ_m для рассматриваемых расчетных случаев была изложена выше (см. 2.1).

Высота наката ветровых волн на откос обеспеченностью 1% в системе волн согласно нормам проектирования (СНиП 2.06.05-84 [10]) определяется по формуле

h_run1% = k_r · k_p · k_sp · k_run· h_1%, (2.7)

где h_1% – высота волны обеспеченностью 1% в системе волн; k_r, и k_p – соответственно коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл. 2.4; k_sp – коэффициент, учитывающий скорость ветра и заложение верхового откоса, принимаемый по табл. 2.5; k_run – коэффициент, учитывающий пологость волны и заложение верхового откоса и определяемый по формуле (в СНиП 2.06.05-84 [10] приведен соответствующий график)

, (2.8)

λ_m – средняя длина волны; m₁ – коэффициент заложения верхового откоса; a – угол подхода фронта волны к сооружению (в курсовом проекте принимается a = 0).

Определенное таким образом значение h_run1% подставляется в формулу (2.6).

Следует отметить, что значение k_sp зависит от вида крепления откоса (бетонное, железобетонное, каменное). Рекомендации по выбору типа крепления приведены ниже.

Из двух полученных результатов расчетов (для основного сочетания нагрузок и воздействий при НПУ и особого сочетания нагрузок и воздействий при ФПУ) выбирается более высокая отметка гребня.

Значения коэффициентов k_r, и k_p

Таблица 2.4

Значения коэффициента k_sp

Таблица 2.5

Иногда при значительной высоте волн для уменьшения высоты плотины на ее гребне устраивается парапет, который должен быть рассчитан на воздействие волн. Возвышение верха парапета над уровнем верхнего бьефа принимается не ниже значений, полученных по формуле (2.6) (см. рис. 2.6 б). Возвышение гребня плотины в этом случае следует назначать на 0.3 м над НПУ, но не ниже отметки ФПУ. На рис. 2.7 приведен пример конструкции гребня плотины с парапетом

Рис. 2.7. Пример конструкции гребня плотины с парапетом

1 – железобетонные плиты крепления; 2 – ливнесток; 3 – парапет; 4 – канал для прокладки кабелей; 5 – асфальтобетонное покрытие; 6 – надолбы; 7 – подготовка из песчано-гравийного грунта

Пример 2.2. Определение отметки гребня плотины

Исходные данные

1. Данные о расчетных уровнях воды в водохранилище

1.1. Отметка нормального подпорного уровня (НПУ) м

1.2. Отметка форсированного подпорного уровня (ФПУ) м

2. Данные о расчетных скоростях ветра

2.1. Расчетная максимальная скорость ветра при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий м/с

2.2. Расчетная максимальная скорость ветра при ФПУ в водохранилище для особого сочетания нагрузок и воздействий м/с

3. Данные о высоте ветрового нагона воды в водохранилище

3.1. Высота ветрового нагона воды при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий м

3.2. Высота ветрового нагона воды при ФПУ в водохранилище для особого сочетания нагрузок и воздействий м

4. Данные о параметрах волн в водохранилище

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

4.2. Средняя длина волны при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий м

4.3. Высота волны 1% обеспеченности в системе волн при ФПУ в водохранилище для особого сочетания нагрузок и воздействий h_1%2 = 1.211 м.

4.4. Средняя длина волны при ФПУ в водохранилище для особого сочетания нагрузок и воздействий м

5. Коэффициент заложения верхового откоса плотины

6. Тип крепления верхового откоса - железобетонные плиты

7. Запас возвышения гребня плотины м

Расчет

1. Определяется отметка гребня плотины , м, для основного сочетания нагрузок и воздействий при НПУ в водохранилище

1.1. Принимаются значения коэффициентов шероховатости и проницаемости откоса в зависимости от типа крепления, а также коэффициента, учитывающего скорость ветра и значение коэффициента заложения откоса

, , .

1.2. Находится значение коэффициента , который учитывает пологость волны и коэффициента заложения откоса

.

1.3. Вычисляется высота наката волны на откос обеспеченностью 1% в системе волн при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий , м

.

1.4. Определяется возвышение гребня плотины над НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий , м

м.

1.5. Находится отметка гребня плотины , м, для основного сочетания нагрузок и воздействий при НПУ в водохранилище

м.

2. Определяется отметка гребня плотины , м, для особого сочетания нагрузок и воздействий при ФПУ в водохранилище

2.1. Принимаются значения коэффициентов шероховатости и проницаемости откоса в зависимости от типа крепления, а также коэффициента, учитывающего скорость ветра и значение коэффициента заложения откоса

, , .

2.2. Находится значение коэффициента , который учитывает пологость волны и коэффициента заложения откоса

.

2.3. Вычисляется высота наката волны на откос обеспеченностью 1% в системе волн при ФПУ в водохранилище для особого сочетания нагрузок и воздействий , м

.

2.4. Определяется возвышение гребня плотины над НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий , м

м.

2.5. Находится отметка гребня плотины , м, для особого сочетания нагрузок и воздействий при ФПУ в водохранилище

м.

3. Принимается отметка гребня плотины , м, как большая величина из и , округляя в большую сторону с точностью до 10 см

м, м.

Крепления откосов. Крепление откосов земляных насыпных плотин производится для защиты от следующих воздействий:

1. Размыв течением или волнами в верхнем и нижнем бьефах.

2. Разрушение льдом.

3. Размыв фильтрационным потоком, вытекающим из тела плотины (при снижении горизонта воды или при откате волн).

4. Размыв дождевыми и талыми водами, стекающими по откосу.

5. Разрушение под воздействием ветра.

6. Прорастание растений с сильно развитой корневой системой (после отмирания и гниения корней в теле плотины могут раскрыться сосредоточенные пути фильтрации).

7. Проникновение землеройных животных.

8. Пучение глинистого грунта в зимний период или усадка его летом, когда грунт надводной части откоса может пересыхать и давать трещины.

В соответствии со СНиП 2.06.05-84* [10] по основному виду используемых материалов для защиты верхового откоса земляных плотин могут применяться следующие типы креплений:

1) каменные (насыпные);

2) бетонные монолитные;

3) железобетонные сборные и монолитные с обычной и предварительно напряженной арматурой;

4) асфальтобетонные;

5) биологические.

Иногда применяются гравийно-галечниковые, грунтоцементные и др. крепления.

Тип крепления определяется на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом следующих фильтров:

1) максимальное использование средств механизации;

2) использование местных строительных материалов;

3) характер грунта тела плотины;

4) агрессивность воды;

5) долговечность крепления в условиях эксплуатации.

В курсовом проекте выбор типа крепления верхового откоса производится в зависимости от высоты ветровой волны 1% обеспеченности в системе волн h_1%, определенной для основного сочетания нагрузок и воздействий при НПУ в водохранилище. При высоте волны h_1% < 1.2 м принимается каменное крепление в виде наброски. В случае h_1% > 1.2 м выбирается крепление в виде железобетонных плит.

Крепление верхового откоса плотины делится на основное, располагаемое в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и на облегченное – ниже и выше основного крепления, вплоть до гребня плотины. Границы основного крепления верхового откоса плотины показаны на рис. 4.8.

Рис. 2.8. Границы основного крепления верхового откоса плотины

Верхней границей основного крепления обычно считают отметку гребня плотины. В случае значительного возвышения гребня плотины над расчетным уровнем воды основное крепление может заканчиваться ниже гребня на отметке высоты наката волны h_run; далее до гребня доводится облегченное крепление.

Нижнюю границу основного крепления в соответствии со СНиП 2.06.05-84 [10] следует назначать на глубине h = 2·h`<sub>1%</sub>, считая от минимального уровня сработки водохранилища (обычно УМО). Здесь h`_1% – высота волны 1% обеспеченности, значение которой должно определяться при расчетной скорости ветра, для длины разгона волны и глубины водохранилища, которые соответствуют минимальному уровню воды. В курсовом проекте следует принять h`_1% = 0.5 · h_1%, где h_1% – высота волны 1% обеспеченности, определенная для основного сочетания нагрузок и воздействий при НПУ в водохранилище. Кроме того нижняя граница основного крепления должна быть ниже минимального уровня сработки водохранилища на 1.5·t_л, где t_л – расчетная толщина ледяного покрова.

Облегченное крепление верхового откоса, которое располагается ниже границы основного крепления, обычно доводится до дна водохранилища. Это связано с тем, что облегченное крепление должно защищать откос от повреждений при воздействии льда, волн и течений не только в процессе нормальной эксплуатации, но и в периоды наполнения и опорожнения водохранилища. Облегченное крепление выполняется в виде слоя гравия или щебня толщиной от 25 до 40 см.

При сопряжении основного и облегченного креплений предусматриваются конструктивные меры в виде упора из камня и бетона. На рис, 2.9 показаны конструкции упоров крепления верхового откоса.

Рис. 2.9. Конструкции упоров крепления верхового откоса

Каменное крепление применяют в основном при наличии на месте строительства камня из прочных изверженных, осадочных или метаморфических пород. Такое крепление хорошо работает при значительной неравномерности осадки основания, при большой агрессивности среды, при резких колебаниях уровней, в суровых климатических условиях, практически при любой расчетной высоте волн. Каменное крепление допускает полную механизацию работ по устройству крепления. Работы по устройству каменного крепления могут производиться в течение круглого года, в том числе и в зимнее время.

Каменное крепление выполняется из рванного камня обязательно на обратном фильтре. Толщина каменной наброски принимается не менее 3·d_s,85, где d_s,85 – диаметр камня, масса которого составляет 85% массы всей каменной наброски крепления.

Диаметр приведенного к шару камня d_s,85 может быть найден по формуле

, (2.9)

где m_st – расчетная масса камня, соответствующая состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн; ρ_st – плотность камня, значение которой может быть принято в пределах от 2400 кг/м³ до 2700 кг/м³.

Значение m_st согласно СНиП 2.06.04-82* [11] может быть определено по формуле

, (2.10)

где h_1% – высота волны 1% обеспеченности в системе волн, значение которой должно определяться при расчетной скорости ветра; λ_m – средняя длина волны; ρ_w – плотность воды; m – коэффициент заложения верхового откоса; k_fr – коэффициент, значение которого принимается равным k_fr = 0.025. Параметры волн h_1% и λ_m принимаются для основного сочетания нагрузок и воздействий при НПУ в водохранилище.

Обратный фильтр под каменной неброской может быть двухслойным или однослойным в зависимости от грунта тела плотины. Если тело плотины выполнено из глинистых грунтов, проектируется двухслойный обратный фильтр. При этом нижний слой выполняется из крупнозернистого песка с гравием, а верхний – из гравия со щебнем. Толщина каждого слоя обратного фильтра принимается в пределах от 15 см до 25 см. В случае, если тело плотины выполнено из крупных песков, проектируется однослойный обратный фильтр из смеси гравия со щебнем.

На рис. 2.10 приведен пример конструкции крепления верхового откоса плотины каменной наброской.

Ниже приведен пример проектирования и расчета каменного крепления.

Рис. 2.10. Конструкция крепления откоса плотины каменной наброской

1 – обратный фильтр; 2 – гравий или щебень (толщина слоя 0.3 м)

Пример 2.3. Расчет каменного крепления верхового откоса плотины

Исходные данные

1. Высота волны 1% обеспеченности в системе волн при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий h_1% = 0.87 м

2. Средняя длина волны при НПУ в водохранилище для основного сочетания нагрузок и воздействий λ_m = 9.65 м.

3. Коэффициент заложения верхового откоса m = 3.0.

4. Плотность камня ρ_st = 2520 кг/м³.

5. Плотность воды ρ_w = 1000 кг/м³.

6. Коэффициент k_fr = 0.025.

7. Вид грунта тела плотины – суглинок.

Расчет

1. Определяется масса камня m_st, кг, соответствующая состоянию его предельного равновесия от действия волн

м.

2. Находится диаметр камня приведенного к шару d_s,85, м

м.

3. Принимается толщина каменного крепления t_st, м

t_st = 3 · d_s,85 = 3 · 0.261 = 0.783 м.

Окончательно принимается толщина каменного крепления, округляя полученное значение в большую сторону с точностью до 0.1 м.

t_st = 0.80 м.

4. Под каменной наброской проектируется двухслойный обратный фильтр:

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

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

Бетонное и железобетонное крепление верхового откоса. Такое крепление выполняется в виде монолитных плит, бетонируемых на месте, или сборных плит.

Монолитные плиты толщиной от 15 до 50 см имеют размеры от 5 5 до 20 20 м. Швы между ними могут быть открытые и закрытые. С целью предотвращения выноса грунта тела плотины при волновых воздействиях в зоне открытых швов между плитами предусматривается двухслойный или трехслойный обратный фильтр (рис. 2.11). Для обеспечения водонепроницаемости закрытых швов их уплотняют асфальтобетоном или фасонной резиной.

Сборные плиты выполняют толщиной от 8 до 20 см и размерами от 1.5 1.5 до 5 5 м. их укладывают на сплошном обратном фильтре с шарнирным соединением между ними.

Обратный фильтр под железобетонным креплением, котрый может быть двухслойным или однослойным, проектируется так же, как и под каменным креплением в зависимости от грунта тела плотины.

Рис. 2.11. Железобетонное крепление верхового откоса плотины

Толщина бетонных и железобетонных плит t_b предварительно может быть принята равной

, (2.11)

где h_1% – высота волны 1% обеспеченности в системе волн, значение которой должно определяться при расчетной скорости ветра; B – длина ребра плиты или карты в направлении перпендикулярном урезу аоды; – средняя длина волны; ρ_b – плотность материала плиты; ρ_w – плотность воды; m – коэффициент заложения верхового откоса; η – коэффициент запаса, принимаемый равным η = 1 для монолитных плит и η = 1.1 для сборных плит.

В дальнейшем выполняются поверочные расчеты по определению устойчивости плит на откосе, а также по определению требуемого армирования. При этом учитываются нагрузки и воздействия на плиту, которые следует принимать согласно СНиП 2.06.04-82* [11]. В курсовом проекте следует ограничиться определением толщины бетонных плит.

Ниже приведен пример проектирования и расчета крепления верхового откоса плотины бетонными и железобетонными плитами.

Пример 2.4. Расчет крепления верхового откоса плотины бетонными плитами.

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:

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 ÑВЭ следует принимать не ниже уровня воды в водохранилище с учетом ветрового нагона воды и наката волны на откос. Кроме того, отметка верха экрана ÑВЭ должна быть ниже отметки гребня плотины ÑГП 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 ÑВЯ следует принимать не ниже уровня воды в водохранилище с учетом ветрового нагона воды. Кроме того, отметка верха экрана ÑВЭ должна быть ниже отметки гребня плотины ÑГП 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)