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

Подождите немного. Документ загружается.

-41-

1. Среднюю высоту

, м и средний период волн в глубоководной зоне

(d>0,5

) необходимо определить по верхней огибающей кривой (рисунок 17).

По значениям безразмерных величин

и верхней огибающей кривой

необходимо определить значение

и по меньшим их величинам при-

нять среднюю высоту и средний период волн.

2. Среднюю длину волн

, м при известном значении

следует опре-

делять по формуле

. (7)

3. Высоту волны i %-ной обеспеченности в системе h

d,i

, м, следует опре-

делять умножением средней высоты волн на коэффициент k

, принимаемый по

графикам рис. 18 для безразмерной величины

VgL

i %

= k

. (8)

Рисунок 18 - Графики значений коэффициента k

Элементы волн с обеспеченностью по режиму 1; 2; 4% необходимо при-

нимать по функциям распределения, определяемым по натурным данным, а

Примечание. При переменных скоростях ветра вдоль разгона волн допускается принимать h

по результатам последова-

тельного определения высоты волны для участков с постоянными значениями скорости ветра.

-42-

при их отсутствии или недостаточности - по результатам обработки синоптиче-

ских карт.

ПРИМЕР

Определить отметку гребня плотины при следующих исходных данных:

- НПУ = 100 м, ФПУ = 101 м;

- глубина воды перед сооружением d = 30 м;

- заложение верхового откоса плотины m=3;

- расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды V

= 20 м/с;

- продолжительность непрерывного действия ветра t = 6 час в сутки;

- длина разгона волны L = 22 км;

- откос с креплением бетонными плитами;

- угол между продольной осью водоема и действием ветра α

= 0.

1. Определяем элементы волн в глубоководной зоне. Безразмерные вели-

чины

10800

2160081,9

⋅

;

550

2200081,9

⋅

По значениям

и верхней огибающей кривой (рисунок 17) опре-

деляем значения

а)

08,0

;

0,4=

;

б)

0375,0

;

5,2=

Принимаем среднюю высоту и средний период волн по меньшим их ве-

личинам.

5,1

200375,0

⋅

м;

5,220

⋅

с.

2. Средняя длина волны

8,39

14,32

510

⋅

м.

3. Определяем высоту волн заданной обеспеченности по формулам (8)

согласно таблице 7 для сооружений откосного профиля с креплением бетон-

ными плитами Р=1%.

-43-

Таблица 7

Гидротехнические сооружения Расчетная обеспеченность

высот волн в системе, %

Сооружения вертикального профиля 1

Сквозные сооружения и обтекаемые прегра-

ды класса:

I 1

II 5

III, IV 13

Берегоукрепительные сооружения класса:

I,II 1

III, IV 5

Оградительные сооружения откосного про-

филя с креплением:

бетонными плитами 1

каменной наброской, обыкновенными или

фасонными массивами

Тогда при

550

, k

=2,22,

1 %

=1,5⋅2,22 = 3,33 м.

4. Определяем высоту наката на откос волн при h

1 %

по формуле (4),

предварительно определив все коэффициенты по графику (рисунок 16) при ctg

=m=3.

= 1,0; k

= 0,9; k

=1,5;

33,3

8,39

; k

run

= 1,4;

run 1%

= 1⋅0,9⋅1,5⋅1,4⋅3,33 = 6,249 м.

Определяем h

run 50%

по формуле (6)

run 50%

= 0,68 ⋅ 6,294 =4,28 м.

5. Высота ветрового нагона определяется по формуле (5)

063,01

)063,030(81,9

2200020

101,2

=⋅

+⋅

⋅

⋅=∆

−

set

м.

6. Отметка гребня плотины

∇

Гр.пл. = 100 + 6,294 + 0,063 + 0,5 = 106,86 м;

∇

Гр.пл. = 101 + 4,28 + 0,063 = 105,34 м.

Принимаем наиболее высокую отметку гребня плотины

∇

Гр.пл.=106,86 м.

-44-

5.4 Конструкции гребня и крепления откосов

Гребень плотины укрепляют одеждой в соответствии с типом устраивае-

мой на нем дороги (шоссе, мостовая, асфальтированная), он имеет обочины для

пешеходного движения. С напорной стороны устраивают парапет в виде перил

или сплошной стенки для защиты от всплесков воды (рисунок 20в). В некото-

рых случаях применяли стенку специального вогнутого профиля, отбрасываю-

щую волну.

Ширину гребня плотины, если по нему не предусмотрен проезд, назна-

чают не менее 3 м для плотин низких и средних и не менее 6 м - для плотин

высоких. Если же по плотине предусмотрен проезд автомобильного транспор-

та, гребень выполняют как дорогу в насыпи, и ширину его принимают в зави-

симости от категории дороги. Ориентировочно ширину гребня можно прини-

мать по таблице 8.

Таблица 8 - Ширина гребня плотины

Класс дорог Высота плотины

до 15 м свыше 15 м

1. Дорога в две ленты движения, хо-

зяйственная с обочинами

6 7

2. Дорога в две ленты движения с

тротуарами

9 11

3. Дорога в две ленты движения, ма-

гистральная

12 15

Гребень плотины конструктивно оформляют в соответствии с типом до-

роги, прокладываемой по плотине.

На рисунке 19 приведена схема конструктивного оформления гребня.

Рисунок 19 - Конструкция гребня плотины (размеры в м):

1 - проезжая часть; 2 - обочины, покрытые щебнем

-45-

С низовой стороны в целях безопасности гребень плотины ограждают

перилами или просто надолбами, т.е. отдельными столбами, закопанными в

грунт.

Крепления откосов. Согласно СНиП 2.06.05-84 «Нагрузки и воздействия

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

верхового откоса допускается предусматривать следующие виды креплений:

• каменные (насыпные);

• бетонные монолитные, железобетонные сборные и монолитные с обыч-

ной и предварительно напряженной арматурой;

• асфальтобетонные;

• биологические.

Крепление верхового откоса плотины делится на основное, располагае-

мое в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в

эксплуатационный период, и на облегченное, ниже и выше основного крепле-

ния, вплоть до гребня плотины.

Верховой откос укрепляют от действия волн в пределах сработки верхне-

го бьефа и на 2-5 м выше и ниже крайних горизонтов воды верхнего бьефа в

малых плотинах посредством двойной мостовой (0,4-0,5 м) из крупных камней

(в невысоких плотинах небольших водохранилищ может быть одиночная мос-

товая) на слое щебня толщиной 0,15-0,2 м (рисунки 20а, 21), или наброской не-

скольких рядов камня, так же на щебенистой или гравелистой подготовке (ри-

сунок 20б). При отсутствии камня, и в крупных сооружениях, где особенно не-

обходимо применять механизацию работ, крепление следует выполнять либо

из готовых бетонных плит, укладываемых на слое щебня или гравия (рисунок

20), либо из крупных железобетонных плит, бетонируемых на месте; применя-

ют также железобетонные плиты иногда с волнобойными гребнями (рисунок

20в).

Рисунок 20 - Крепления откосов и гребня

а)

б)

в)

-46-

Рисунок 21 - Пример крепления откоса каменной наброски (размеры в м):

1 - обратный фильтр, 2 - гравий или щебень (толщина слоя 0,3 м);

D - диаметр камня крепления

Низовой откос обычно крепится путем посева трав или покрытия дерном

с предварительной укладкой слоя растительной земли в 20-30 см; в более ред-

ких случаях низовой откос укрепляют одиночной мостовой. В случае возмож-

ности волнения в нижнем бьефе, низовой откос приходится крепить до высоты

подъема (вкатывания) волн с некоторым запасом, аналогично верховому.

Защитные, или отепляющие, слои на откосах для защиты глинистого

грунта экрана или тела плотины от промерзания, если грунт пучинистый, уст-

раивают из песчаного или песчано-гравелистого грунта, толщина слоя 2-3 м.

Нижнюю границу основного крепления следует назначать ниже УМО

(уровня мертвого объема) на величину 2h

(где h

- высота волны 1 % обеспе-

ченности).

Каменные материалы для крепления откосов следует применять из плот-

ных изверженных и метаморфических пород. Каменную наброску следует

применять во всех случаях, когда на месте строительства или вблизи имеется

камень, пригодный для крепления, так как каменная наброска позволяет меха-

низировать работы и получить достаточно гибкое крепление.

Каменное крепление устраивается при высоте волны до 2,5 м. При зало-

жении откоса m=1÷3 расчетный вес камня, согласно СНиП 2.06.04-82 можно

определять по формуле

1)1( m

+−

⋅⋅⋅

λγ

, (9)

где k

- коэффициент, равный для бетонных массивов 0,021 и каменной набро-

ски 0,025;

-47-

- объемный вес отдельных камней или массивов;

- объемный вес воды;

m - заложение откоса;

- соответственно расчетные значения высоты и длины волны.

Толщина слоя камня в наброске из несортированного камня

Dt 3

≥

, где

- диаметр камня весом Q , приведенного к шару (условно)

⋅

524,0

. (10)

В сортированной наброске допускается 25% камней, неполномерных по

весу, в несортированной наброске - камней расчетного размера и крупнее - не

менее 50% от общего количества. Покрытия из наброски камня укладывают на

однослойную подготовку из щебенистого материала с коэффициентом неодно-

родности η=5÷20 и максимальным размером фракций 100 мм и более. Толщину

подготовки принимают в зависимости от высоты волны не менее 35 см и не

менее 10 D

Каменное мощение по слою гравийной или щебенистой подготовки тре-

бует значительно меньше камня, его толщина определятся по формуле

⋅

−

)2(

7,1

γγ

. (11)

Это крепление менее гибко, требует большей затраты ручного труда,

толщина дверного мощения t=0,2÷0,5 м. Это крепление применяют при малой

высоте волны и наличии дешевого камня.

Бетонные и железобетонные покрытия выполняют в виде монолитных

плит или сборных плит. Целесообразно применять бетонное покрытие при

крупности камня D

> 0,4-0,5 м.

Монолитные плиты толщиной 15-50 см имеют размеры от 5

5 до 20

20 и

более, швы между ними бывают открытые и закрытые. Сборные плиты делают

толщиной от 8-10 до 15-20 см и размерами 1,5

1,5 до 5

5 м. Плиты укладыва-

ются на сплошном обратном фильтре. Плиты соединяются друг с другом шар-

нирно (рисунок 22).

-48-

Рисунок 22 - Пример конструкции крепления откоса бетонными плитами (размеры в м):

1 - доски (просмоленные); 2 - втрамбованный щебень толщиной 0,1 м; 3 - ленточный дренаж

под швом; 4 - мелкий камень; 5 - гравий или щебень толщиной 0,2 м; 6 - плиты

Толщина железобетонных плит определяется по формуле

07,0

hжt

γγ

⋅

−

, (12)

где t

- толщина плиты;

В - длина плиты по нормали к урезу воды;

- коэффициент запаса, равный 1,25-1,51;

- объемный вес бетона (обычно 2,4 т/м

Под температурно-осадочными швами железобетонных покрытий уст-

раивают многослойные подготовки типа обратных фильтров. В этом случае

под покрытие укладывают слой однородного материала, с

≤2 и коэффициен-

том межслойности со следующим слоем подготовки D

=3÷4. Размер наи-

меньшей фракции верхнего слоя подготовки должен удовлетворять условию

0,6 D

min

≥b, где b - размер поперечного сечения отверстий в покрытии. Для

нижнего слоя, как и при однослойной подготовке, используют материал с

≤20. Толщина слоев фильтра принимается 20-30 см и не менее 8·D

соответ-

ствующего слоя.

-49-

6 УСТРОЙСТВА, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ФИЛЬТРАЦИЮ

В ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИНАХ

Наиболее часто применяемыми противофильтрационными устройствами

в теле плотины являются экраны, понуры и ядра, диафрагмы. Противофильтра-

ционные устройства выполняются из суглинков, супесей, глин и пылевых мел-

козернистых песков с коэффициентом фильтрации k

<A⋅10

-3

см/с.

Минимальный размер экрана или ядра поверху назначается из условий

производства работ, но не менее 0,8 м (обычно 2-4 м), а понизу из того, что

градиенты фильтрационного потока для глинобетона, глины и суглинка не бо-

лее J=12 м и не менее 2, обычно

ян

=(0,2 - 0,5) Н

пл

(рисунок 23), определяется из

условия

∆

, (13)

где

∆

Н - падение напора в противофильтрационном устройстве.

В первом приближении

∆

Н=Н.

Рисунок 23 - Схемы устройства ядра (а) и экрана (б)

Уклон низовой поверхности экрана по условиям устойчивости назнача-

ется не круче 1:3. Сверху экран обязательно прикрывается защитным слоем

(рисунок 23).

Возвышение экрана и ядра C, м над расчетным уровнем воды в водохра-

нилище в зависимости от класса капитальности плотины и должно быть не ме-

нее величин, указанных в таблице 9.

а)

б)

-50-

Таблица 9 - Возвышение противофильтрационных устройств над расчет-

ным уровнем воды

Тип противофильтра-

ционного устройства

Величина С при классе плотин, м

1, 2 класс 3, 4 класс

Экран 0.7 0.5

Ядро 0.5 0.3

6.1 Экраны и понуры

Пластичные экраны и понуры устраивают из глины, глинобетона, суг-

линка, торфа и асфальта. Материал и толщина экрана должны удовлетворять

тем же требованиям, которые предъявляются и к материалам понуров плотин

на нескальных основаниях. В верхней части глинистый экран должен быть

толщиной не менее 0,75-1 м, книзу он утолщается, достигая максимума толщи-

ны на высоте начала кривой депрессии за экраном (1/4÷1/8)h, где h - высота

плотины. Уклон низовой поверхности экрана для придания ему устойчивости

против оползания делается обычно не круче 1:3 и поверяется расчетом. Сверху

экран обязательно покрывают защитным слоем во избежание размыва и размо-

кания, а также промерзания в период зимней сработки водохранилища (рису-

нок 24).

Битумные экраны обладают нужной водонепроницаемостью и гибкостью

на случай деформаций откоса, легко ремонтируются и по стоимости дешевле

бетонных. В осуществленных конструкциях они представляют собой асфаль-

тобетонные покрытия толщиной 7-10 см, с арматурной сеткой, на слое гравий-

ной подготовки. Состав покрытия - 8-9% асфальта, остальное - заполнитель из

песка и щебня.