Иванов В.М. и др. Расчет и проектирование гидротехнических сооружений для гидроэлектростанций малой мощности и объектов водоснабжения и водоотведения

Подождите немного. Документ загружается.

-31-

Рисунок 12 - Зерновые составы различных грунтов

-32-

4.4 Основные характеристики грунтов тела плотины, необходимые

для проектирования

Основные характеристики грунтов тела плотины, которые необходимо

определять и использовать при проектировании:

− гранулометрический состав;

− объемный и удельный веса;

− пористость и влажность грунта с ненарушенной структурой (в карьере);

− компрессионные свойства, характеризующие сжимаемость грунта (необ-

ходимо для насыпных укатываемых плотин);

− угол внутреннего трения и сцепление;

− коэффициент фильтрации (целесообразно определять коэффициент

фильтрации в условиях грунта, уплотненного или преобразованного намывом

до состояния, которое он будет иметь в будущей плотине);

− пределы консистенции для связных грунтов;

− высота капиллярного поднятия воды (в грунте, уплотненном до заданной

степени);

− содержание водорастворимых и органических примесей в грунте.

Последние три характеристики необходимы для плотин среднего и

большого напора, в остальных случаях они необязательны.

-33-

5 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЗЕМЛЯНЫХ

ПЛОТИН

5.1 Общие положения

Земляная плотина, правильно сконструированная и построенная, должна

удовлетворять следующим условиям:

• плотина и ее основание должны быть устойчивы при всех возможных

условиях их работы;

• фильтрация воды через тело плотины и ее основание не должна вести к

значительным потерям воды из подпертого бьефа (водохранилища) и не долж-

на вызывать внутренний размыв грунта плотины (суффозию) или разрушение

грунта при выходе фильтрационного потока в нижний бьеф;

• водопропускные устройства в гидроузле и высота гребня плотины над

самым высоким горизонтом воды в подпертом бьефе должны при всех услови-

ях гарантировать плотину от перелива воды через ее гребень;

• тело плотины должно быть защищено от вредного на него воздействия

климатических и иных факторов;

• сооружение должно быть максимально экономичным.

Устойчивость плотины достигается правильным выбором материалов и

рациональным распределением их в теле плотины, а также назначением соот-

ветствующих размеров профиля (ширина, откосы) с учетом качества основа-

ния. При выполнении тела плотины из различных материалов надо стремиться

укладывать наиболее прочный и устойчивый грунт к откосам. С этой точки

зрения тип плотины, в котором откосы выполнены из пористого крупнозерни-

стого грунта с большим углом трения, один из лучших (рисунок 6в).

Во избежание нежелательных и опасных проявлений фильтрации необ-

ходимо:

− обеспечить достаточную водонепроницаемость плотины;

− избегать всего, что может облегчить фильтрацию в отдельных местах и

увеличить ее скорость: неравномерной плотности тела плотины и образования

водопроницаемых прослоек, устройства в теле плотины водосбросных труб,

галерей и пр.; особо тщательно следует уплотнять грунт в примыкании плоти-

ны к стенкам водосбросов и других сооружений гидроузла; в некоторых случа-

ях необходимо предусматривать меры борьбы с землеройными животными

(каменные крепления, диафрагмы);

− не допускать выхода (высачивания) фильтрационных вод на откос, для

чего применять в соответствующих случаях дренажные устройства;

− принимать все меры к снижению депрессионной поверхности фильтра-

ционных вод в плотине для увеличения устойчивости откосов плотины (распо-

лагать водонепроницаемые грунты или устройства ближе к напорному откосу,

применять дренаж тела плотины и пр.).

-34-

5.2 Назначение основных размеров профиля плотины

Форма профиля плотины - обычно неравнобокая трапеция, стороны ко-

торой, т.е. откосы, прямолинейны или представляют собой ломаные линии,

уполаживающиеся книзу (рисунок 13).

Уклоны и форма откосов плотины назначаются в зависимости от высоты

ее и рода грунта, из которого они выполнены, от свойств основания и фильтра-

ционных условий. В современной практике откосы подвергаются статическому

расчету, обязательному для проектов плотин высотой более 25-30м при всех

видах оснований, а при основаниях слабых - для плотин высотой более 10 м.

Для предварительной ориентировки можно пользоваться заимствованными из

практики плотиностроения данными табл.1 в примерных величинах откосов

однородных плотин из песчано-глинистого грунта при плотных грунтах осно-

ваний.

Таблица 1 - Примерные откосы земляных плотин

Высота плотины, м Верховой откос

Низовой откос

без дренажа с дренажом

5-10 2,5 2,0 1,5-2,0

11-15 2,75-3,0 2,5 2,0-2,25

15-20 3,0-3,25 2,5-2,75 2,25-2,5

20-30 3,25-3,5 2,75-3,0 2,5-2,75

Верховой откос делается обычно более пологим, что объясняется тем,

что он насыщен водой почти на всю высоту и устраивается обычно из водоне-

проницаемого суглинистого или глинистого грунта. Пологость откосов вообще

должна возрастать с увеличением высоты плотины, но в этом случае переходят

к ломаному очертанию откосов, увеличивая пологость их книзу. В производст-

венном отношении такое очертание усложняет работы, но дает экономию в

объеме тела плотины.

Рисунок 13 - Схема профиля плотины с переменной крутизной откосов

Величины m

и m

в таблице 1 при суглинистых грунтах требуется увеличить на 0,5 м.

-35-

Нередко на откосах плотин высотой более 20 м (в частности в местах пе-

релома уклона откосов) устраивают горизонтальные площадки – бермы (нем.

Berme), имеющие назначение уменьшить средний уклон откоса, служить упо-

ром для вышележащей части откоса или одежды последнего, безопасно отво-

дить поступающие сверху ливневые и дождевые воды и, наконец, облегчать

производство ремонта одежды откосов и осмотр ее в период эксплуатации пло-

тины. Обычно бермы располагают не чаще чем через 9-15 м по высоте, а в не-

высоких плотинах вообще не устраивают.

Ширина берм обычно 1,5-2 м, но достигает и 6 м; наружный край бермы

делается выше внутреннего во избежание перелива дождевой воды на нижеле-

жащую часть откоса. Для отвода воды у внутреннего края бермы устраивают

кювет, по которому собранная бермой вода отводится или в систему дренажа

плотины или к сборным лоткам на откосах берегов (рисунок 14).

Рисунок 14 - Схема устройства бермы на низовом откосе

Гребень плотины предназначается для сообщения по плотине. В зависи-

мости от этого назначают и ширину его, руководствуясь нормами для проекти-

рования дорог и мостов и ожидаемым характером движения по плотине. Ми-

нимальная ширина гребня обычно 3-4 м, при двустороннем движении по пло-

тине - 6-8 м и более. В крупных современных плотинах ширина гребня дости-

гает 10-12 м и более.

Возвышение гребня над горизонтом воды верхнего бьефа принимается в

зависимости от высоты ожидаемой волны и высоты ее вкатывания по откосу;

определяется согласно п.4 настоящего раздела. Обычно возвышение гребня

принимается равным не менее 2-2,5 м, а в ответственных больших плотинах до

3-5 м и более.

5.3 Отметка гребня плотины

Отметку гребня плотины в соответствии со СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и

воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)»

следует назначать на основе расчета возвышения его над расчетным статиче-

ским уровнем воды в водохранилище. Возвышение гребня плотины определя-

ем по формуле

-36-

ahhh

runsets

++∆=

, (1)

где

∆

set

- ветровой нагон воды в верхнем бьефе;

run 1%

- высота наката ветровых волн обеспеченностью 1 %;

а - запас возвышения гребня плотины.

При определении первых двух слагаемых формулы (1) следует прини-

мать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов волн, наката и на-

гона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при нормальном под-

порном уровне (НПУ)) по СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и воздействия на гидро-

технические сооружения (волновые, ледовые и от судов)» при особом сочета-

нии нагрузок и воздействий (при форсированном подпорном уровне (ФПУ))

эти обеспеченности следует принимать для сооружений I - II классов 20 %, для

III класса - 30 %, для IV класса - 50%. Запас а для всех классов плотин следует

принимать не менее 0,5 м (рисунок 15).

Рисунок 15 - Возвышение гребня над расчетным уровнем

При возведении плотины в сейсмических районах отметку гребня следу-

ет назначать с учетом высоты гравитационной волны, возникающей в водохра-

нилище в случае образования в нем сейсмотектонических деформаций при

землетрясении, определяемой в соответствии с требованиями СНиП II-7-81*.

При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на

воздействие волн, возвышение его верха над уровнем верхнего бьефа надлежит

принимать не ниже значений, полученных по формуле (1). Возвышение гребня

плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, при-

чем принимают высшую из них.

В случае расположении автодороги на гребне плотины, ограждения и на-

правляющие устройства следует выполнять в соответствии с требованиями

ГОСТ 23457-86.

Если гребень плотины или ее откосы сложены из глинистых грунтов,

следует предусматривать их защиту от сезонного промерзания слоем песчано-

го, гравийного или щебенистого грунта. Толщину защитного слоя следует на-

значать в соответствии с теплотехническими расчетами. При соответствующем

обосновании допускается не предусматривать устройство защитного слоя.

Возвышение гребня плотины надлежит определять для двух случаев

стояния уровня воды в верхнем бьефе:

-37-

а) при НПУ или при более высоком уровне, соответствующем пропуску

максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздейст-

вий;

б) при ФПУ при пропуске максимального паводка, относимого к особым

сочетаниям нагрузок и воздействий.

∇

Гр.пл

∇

НПУ +

∆

set 1%

+ h

run 1%

+a; (2)

∇

Гр.пл

∇

ФПУ +

∆

set 50%

+ h

run 50%.

Отметку гребня плотины следует назначать по менее благоприятному

расчетному случаю, т.е. назначить более высокую отметку гребня.

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (h

run 1%

) для

фронтально подходящих волн (h

) при глубине перед сооружением d ≥ 2h

согласно СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические со-

оружения (волновые, ледовые и от судов)» надлежит определять по формуле

run1%

= k

·k

run

·h

, (3)

где k

и k

- коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, прини-

маемые по таблице 2;

- коэффициент, принимаемый по таблице 3;

run

- коэффициент, принимаемый по графикам (рисунок 16), в зависимости

от пологости волны

на глубокой воде.

При глубине перед сооружением d < 2h

коэффициент k

run

необходимо

принимать для значений пологости волны, указанной на рисунке 15 в скобках и

определяемой при глубине d = 2h

Высоту наката на откос волн обеспеченностью i, %, по накату необходи-

мо определять умножением полученного по формуле (3) значения h

run1%

, м на

коэффициент k

, принимаемый по таблице 4.

run i%

= k

run1%

(4)

Таблица 2

Конструкция крепления откоса Относительная шеро-

ховатость r/h

Коэффици-

ент, k

Коэффици-

ент, k

Бетонными (железобетонными) плита-

ми

- 1 0,9

Гравийно-галечниковое, каменное Менее 0,002 1 0,9

или крепление бетонными 0,005-0,01 0,95 0,85

(железобетонными) блоками 0,02 0,9 0,8

0,05 0,8 0,7

0,1 0,75 0,6

Более 0,2 0,7 0,5

Примечание. Характерный размер шероховатости r, м, следует принимать равным среднему

диаметру зерен материала крепления откоса или среднему размеру бетонных (железобетон-

ных) блоков.

-38-

Таблица 3

Значение ctg

1 - 2 3 - 5 Более 5

Коэффициент k

при скорости ветра V

, м/с:

20 и более 1,4 1,5 1,6

10 1,1 1,1 1,2

5 и менее 1 0,8 0,6

Примечание.

- угол наклона откоса к горизонту, град.

Таблица 4

Обеспеченность по накату i, % 0,1 1 2 5 10 30 50

Коэффициент k

1,1 1 0,96 0,91 0,86 0,76 0,68

Рисунок 16 - Графики значений коэффициента k

run

При подходе фронта волны к сооружению под углом

, град. со стороны

открытой акватории величину наката волн на откос следует уменьшать умно-

жением на коэффициент k

, принимаемый по таблице 5.

-39-

Таблица 5

Значение угла α, град

0 10 20 30 40 50 60

Коэффициент k

1 0,98 0,96 0,92 0,87 0,82 0,76

Высоту ветрового нагона

∆h

set

, м, следует, как правило, принимать по

данным натурных наблюдений, а при их отсутствии (без учета конфигурации

береговой линии и при постоянной глубине дна d) методом последовательных

приближений по формулам

set

wset

hdg

cos

)(

∆+

=∆

, (5)

где

- угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град;

- расчетная скорость ветра, определяемая по формуле (6), м/с;

L - разгон, м.

коэффициент, принимаемый по табл. 6

Таблица 6

, м/с 20 30 40 50

2,1 3 3,9 4,8

Расчетную скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема V

м/с, следует определять по формуле

= k

(6)

где V

- скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (водоема), со-

ответствующая 10-минутному интервалу осреднения и обеспеченности;

- коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеренным по

флюгеру, принимаемый по формуле

5,4

675,0 +=

, но не более1;

- коэффициент приведения скорости ветра к условиям водной поверх-

ности для водоемов (в том числе проектируемых) с характерной протя-

женностью до 20 км, принимаемый равным единице при измерении скоро-

сти ветра V

над водной поверхностью, над ровной песчаной (пляжи, дюны

и прочее) или в покрытой снегом местностью.

Элементы волн в глубоководной зоне. При определении элементов

волн на открытых и огражденных акваториях необходимо учитывать следую-

щие волнообразующие факторы: скорость ветра (её величину и направление

, м/с), продолжительность непрерывного действия ветра над водой (t, c), раз-

меры и конфигурацию охваченной ветром акватории (L, км); рельеф дна и глу-

бину водоема (d, м) с учетом колебаний водной поверхности.

-40-

Рисунок 17 - Графики для определения элементов ветровых волн в глубоководной и мелководной зонах