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

Подождите немного. Документ загружается.

-81-

Минимальные допускаемые коэффициенты запаса устойчивости откосов

при основном и особом сочетании нагрузок, установленные СНиП в зависимо-

сти от классов капитальности сооружения приведены в таблице 10.

Таблица 10

Сочетание

нагрузок

Допускаемые коэффициенты запаса

устойчивости откосов плотины

I II III IV

Основное 1,3–1,25 1,2–1,15 1,15–1,1 1,1–1,05

Особое 1,1–1,05 1,1–1,05 1,05 1,05

Предполагается, что в грунте плотины и основания может образоваться

поверхность обрушения, принимаемая за круглоцилиндрическую, по которой

под действием сил веса грунта откоса произойдет сползание его и выпучивание

основания. Оползание будет иметь место, если момент веса G грунта в преде-

лах, отсекаемых круговой поверхностью, относительно центра вращения О

M=Gg будет больше момента сил трения и сцепления по поверхности скольже-

ния.

1) Выбор радиусов и положения центров кривых скольжения

Обычно расчет производится для ряда точек центров кривых скольжения,

выбираемых в области центров наиболее опасных кривых.

По В.В.Фандсеву, эта область расположена между двумя прямыми, вос-

становленными из центра откоса (рисунок 38) под углом 85° и перпендикуляр-

но к основанию плотины.

Между этими прямыми из центра откоса проводятся две дуги окружно-

сти радиусами, зависящими от заложения откоса и высоты плотины Н

пл

(таблица 11).

Таблица 11

Относительные

радиусы

Заложение откосов

1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6

/Н

пл

0,75 0,75 1,0 1,5 2,2 3,0

/Н

пл

1,5 1,75 2,3 3,75 4,8 5,5

-82-

Рисунок 38 - Области центров наиболее опасных поверхностей скольжения

При промежуточных значениях заложения откосов величины r

/Н

пл

/Н

пл

принимаются по интерполяции. В этой области и принимаются ряд точек

центров, последовательно приближаясь к наиболее опасной области. Лучше

всего в начале принимать первым центром точку О

на расстоянии 0,5(r

+ r

)

по прямой, проведенной под углом 85° к откосу. Затем точку О

(рисунок 20) и

точку О

между ними. Если при этом величина k

растет, то переходят за об-

ласть точки О

во внешнюю сторону. После нахождения минимума на этой

прямой от центра с минимальным значением k

выбирают ряд точек в направ-

лении прямой 2-2 до тех пор, пока не отыщется центр с минимальным значени-

ем k

Для каждой точки значение предельных радиусов кривых скольжения,

больше которых принимать не следует, определяется по таблице 12.

Таблица 12

Т/Н

пл

Т-глубина

залегания

водоупора

Значение R/Н

пл

при заложении откосов

1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6

0,25 1,5–2,0 1,6–2,2 2,3–3,0 3–4,5 4–5,5 5–6,5

0,5 1,5–2,3 1,8–2,6 2,4–3,2 3–4,5 4–5,5 5–6,5

7.3 Метод определения коэффициента устойчивости откоса

После выбора начальной точки центра кривой скольжения принимается

один из методов расчета коэффициента устойчивости.

-83-

Метод ВОДГЕО. В пределах кривой скольжения откос и основание

плотины разбиваются на ряд столбиков одинаковой ширины, равной b=0,1R,

где R - радиус кривой скольжения. На вертикали, опущенной из центра кривой

скольжения, находится центр начального столбика. Нумерация расчетных

столбиков вверх по откосу положительная, вниз по откосу - отрицательная. На-

чальный столбик имеет номер 0.

Для каждого столбика устанавливается объемный вес каждого слоя

(приложение) грунта, угол внутреннего трения (по заданию) и высота каждого

слоя грунта. При указанных выше размерах по ширине столбика, равных 0,1R ,

угол

между вертикалью, опущенной из центра кривой скольжения, и линией,

проведенной из этого центра к центру основания каждого столбика, будет оп-

ределяться синусом угла

1,0

sin =

⋅

, (84)

где n - порядковые номер столбика (рисунок 39). Тогда

01,01sin1cos n

−=−=

αα

. (85)

Коэффициент устойчивости для всей массы грунта выше кривой сколь-

жения запишется в виде

lctgG

nnnn

сдв

уд

ϕα

⋅+

⋅+⋅

∑

sin

cos

, (86)

где G

- общий вес n-го столбика, определяемый как

bhhhG

nnnn

)(

'''

γγγ

++=

. (87)

Значения

'''

определяются графически по масштабу (рисунок 39),

с - коэффициент сцепления грунта (по заданию), l

- длина дуги в пределах n -

го столбика, по которой происходит сдвиг.

В расчетах при одинаковом коэффициенте сцепления вдоль кривой

скольжения можно длину дуги (рисунок 39) определить

360

βπ

⋅

. (88)

JW ⋅⋅=

γω

ϕϕ

произведение площади фильтрационного потока выше кривой

скольжения (

) на объемный вес воды

и средний уклон J фильтрационного

потока выше уровня воды в нижнем бьефе; а

- расстояние от центра тяжести

до центра кривой скольжения (рисунок 21).

-84-

c·l

Рисунок 39 - К расчету устойчивости низовых откосов плотин

l, м с,

т/м

∑h

·γ

sinα

∑h

·γ

cosα·

tgϕ

∑h

·γ

cosα

∑h

′

′′

·γ

′′

·γ

′

·γ

′′′

,м h

′′

,м h

′

,м cos

sin

Но

мер

отс.

-85-

При вычислении k

по формуле (36) объемный вес грунта в зоне насыще-

ния водой должен приниматься с учетом взвешивания водой, т.е.

взв

ест

- (1 - n)

, (89)

где

ест

- объемный вес грунта в естественном состоянии (приложение А);

- объемный вес воды, 1 т/м

;

n - пористость грунта (приложение А).

Расчет удобно сводить в таблицу (форма таблицы на рисунок 39).

Полученный по расчету k

должен удовлетворять условию

> [k

доп

]. (90)

Если k

превышает значение коэффициента запаса k

доп.

по таблице 5 более

чем на 15%, то предварительно назначенный профиль плотины надо полагать

неэкономичным и необходимо его обжать (уменьшить).

7.4 Расчет устойчивости экрана и защитного слоя

Расчет устойчивости экрана рассматривают для 1 м длины плотины, он

сводится к определению коэффициента запаса на устойчивость экрана.

, (91)

где F - сила трения от веса экрана на 1 п.м,

Т - сдвигающая сила от веса экрана (рисунок 40).

] = 1,15 - 1,25.

Пренебрегая отпором грунта призмы АВС величины Т и F определятся

по формулам

T=G

⋅

sin

; (92)

F=G

⋅

cos

⋅

, (93)

где

- угол внутреннего трения грунта экрана,

- угол наклона экрана к горизонту;

G =

⋅

ср

⋅

l - вес 1 п.м экрана или защитного слоя.

Коэффициент запаса на устойчивость экрана

допзз

k ][≥=

. (94)

Рисунок 40 - Схема к расчету устойчивости экрана

-86-

8 КАМЕННО-3ЕМЛЯНЫЕ И КАМЕННО-НАБРОСНЫЕ

ПЛОТИНЫ

Плотины из каменных материалов без применения вяжущего являются

одним из весьма экономичных типов водонапорных сооружений в районах,

удаленных от существующей дорожной сети и богатых камнем.

Плотины этого типа известны были еще в 16 и 17 вв., когда для прудово-

го хозяйства и других целей строились невысокие плотины из речного галеч-

ника. Применение камня, получаемого из карьеров, началось значительно поз-

же - в 70-х годах прошлого столетия, с начала 20 в. строительство плотин из

камня без применения вяжущего стало распространяться во всех странах, осо-

бенно богатых камнем.

8.1 Виды плотин из камня

Тело таких плотин может быть образовано:

− наброской камня или мелких каменных материалов - щебня, галечника и

пр. (рисунок 41а);

− правильной сухой кладкой (рисунок 41б), когда камни подбираются так,

чтобы получить более или менее плотное каменное тело с перевязкой швов в

рядах камня;

− тем и другим способом. В соответствии с этим различают: а) плотины из

каменной наброски, или каменнонабросные, или просто набросные; б) плотины

из каменной сухой кладки, или из кладки камня насухо; в) плотины, тело кото-

рых образовано и тем и другим видом каменной кладки, называются наброс-

ными со стенкой из сухой кладки (рисунок 41в), или полунабросными.

Поперечное сечение каменнонабросных плотин и плотин из сухой кладки

представляет собой обычно трапецию, откосы которой зависят от характера

укладки камня и бывают в пределах от 1:0,5 до 1:2.

-87-

Рисунок 41 - Типы набросных, из сухой кладки, полунабросных и смешанных плотин

Наброска и сухая кладка камня имеют крупные пустоты и, естественно,

проницаемы для воды. Водонепроницаемость плотин обеспечивается поэтому

специальными устройствами: экранами по напорному откосу плотины (рису-

нок 41а, б, в, г), диафрагмами или ядрами внутри тела плотины (рисунок 41д,

е).

Экраны выполняются или из жестких материалов (бетона, железобетона,

дерева, металла) или из пластичных (глины, суглинка, торфа, асфальта) (рису-

нок 41г). Обычно экраны из жестких материалов укладывают не непосредст-

венно на наброску, а на слой подэкрановой сухой кладки, располагаемый на

ж) з)

е)

а) б)

в) г)

д)

-88-

наброске (рисунок 41а). Пластичные экраны можно, как показали новейшие

исследования, укладывать иногда непосредственно по каменной наброске, но

лучше между ними прокладывать переходной слой из каменной мелочи, а еще

лучше - обратный фильтр.

8.2 Плотины набросные смешанные - из каменной наброски и других

материалов

Помимо типов плотин, указанных выше, в практике встречаются плоти-

ны смешанного типа: из каменной наброски и земли, играющей роль расши-

ренного экрана (рисунок 41ж), из каменной наброски и бутобетонной или бе-

тонной кладки (рисунок 41з), возможны плотины из каменной наброски и ря-

жей и др. Во всех этих типах каменная наброска занимает большую часть сече-

ния плотины.

8.3 Возможность пропуска воды набросными плотинами

Каменнонабросные плотины строятся, как правило, глухими, недопус-

кающими перелива воды через их гребень; водосбросные устройства в теле

плотины так же нежелательны, как и в земляных плотинах. Плотины неболь-

ших напоров уже давно строились водосливными (рисунок 42а), а последние

данные указывают на возможность строить и более высокие набросные плоти-

ны водосливными (рисунок 42б) с соответственным укреплением водосливной

грани.

Рисунок 42 - Переливные и фильтрующие набросные плотины

8.4 Материал для набросных плотин и его укладка. Общие

требования к камню для наброски в плотины

Как всякий материал в плотиностроении, камень в данном случае должен

обладать достаточной прочностью, водоустойчивостью и стойкостью против

выветривания (морозоупорностью).

Прочность скальных пород, пригодных для набросных плотин, необ-

ходима для восприятия нагрузок от собственного веса плотины и давления во-

а)

б)

в)

-89-

ды; вместе с тем, как правило, высокая прочность обеспечивает и более высо-

кую водоустойчивость и стойкость против выветривания. Технические условия

требуют, чтобы камень после 24-кратного замораживания обладал пределом

прочности при сжатии для плотин высотой до 15 м-500-600 кг/см

, а для более

высоких плотин - 700-800 кг/см

; твердость по шкале Мооса должна быть не

менее 3.

Дополнительной характеристикой камня является его вязкость, придаю-

щая ему способность сопротивляться динамическим нагрузкам - ударам при

сбрасывании его в тело набросной плотины и ударам обрабатывающих инст-

рументов при теске, расклинцовке его (для сухой кладки) без раскалывания на

мелкие куски и отдельности.

При выполнении указанных выше требований прочности, камень облада-

ет обычно и достаточным объемным весом и сопротивлением физическому вы-

ветриванию, морозоупорен.

Для плотин менее ответственных можно допустить камень и с меньшим

пределом прочности на раздавливание, например, до 400 кг/см

, при условии

достаточного сопротивления выветриванию.

Водоустойчивость камня характеризуется сопротивляемостью его хими-

ческим разрушениям (выщелачиванию, распаду под влиянием фильтрационных

и атмосферных вод) и потерей прочности под влиянием насыщения водой

(размокание, размягчение); необходимость водоустойчивости для постоянных

сооружений из камня очевидна.

8.5 Размеры и форма камня

Кроме приведенных общих характеристик для набросных плотин важны

еще размеры и форма камня, получаемого в карьере. Эти оба свойства влияют

на пористость или, как говорят, пустотность наброски, величину осадки тела

плотины и крутизну устойчивого откоса. Чем ближе по форме камни к шару,

тем лучше они будут опираться друг на друга в наброске, тем меньше будет

опасность смятия и окалывания острых выступов, раскалывания на части и,

тем, стало быть, меньше будут деформации кладки, в результате которых про-

исходит осадка тела плотины. Чем крупнее камень, тем меньше (числом) по

высоте плотины точек соприкосновения камней, в которых происходят мест-

ные смятия, и пр., тем меньше общая осадка сооружения. Наконец, чем крупнее

камень, тем более крутым откосом он ложится в наброске.

Поэтому следует требовать, чтобы соотношения размеров камня - наи-

меньшего и наибольшего, применяемого в наброску, отличались друг от друга

не более чем в 3-3,5 раза. Минимальный вес отдельных камней должен быть не

ниже 80 кг; для высоких плотин камни такого веса должны быть лишь в из-

вестном проценте (20-30%), а остальные должны быть крупнее. В современные

плотины укладывают камни весом 0,5-1 т, а на низовом откосе (для создания

упора) в несколько тонн. Конечно, можно построить плотину и из мелкого

камня, щебня, гальки и гравия, но эта плотина потребует более пологих отко-

-90-

сов, т.е. потребует большего объема материала и даст более значительную

осадку, с которой надо считаться.

Заполнение пустот наброски каменной мелочью, т.е. обычными при раз-

работке карьеров отходами камня, весьма полезно, так как увеличивает вес на-

броски и уменьшает ее осадку, поскольку заполнители пустот препятствуют в

известной мере деформациям крупных камней. Но, вместе с тем, чрезмерное

количество каменной мелочи может привести к тому, что нагрузка в плотине

будет передаваться не крупным камням, а мелочи, что поведет к увеличению

осадки плотины и уменьшению устойчивости ее откосов. Поэтому объем ка-

менной мелочи в плотине ограничивается обычно 3-5, реже 7%, хотя при тща-

тельном распределении мелочи и хорошем надзоре можно без вреда уложить

иногда и больший процент мелкого материала.

Для плотины из сухой кладки, в частности для подэкрановой кладки,

камни по форме должны быть постелистыми, по возможности правильной

формы, с соотношением ширины к толщине не менее 2 и длины к толщине не

более 3-4; минимальная толщина камня - 0,2 м.

8.6 Породы камня, пригодные для наброски и сухой кладки

Исходя из требований, изложенных выше, можно считать вполне при-

годными для набросных плотин:

а) изверженные породы - гранит, сиенигг, габбро, диоригг, порфир, пор-

фирит (если нет следов выветривания), диабаз и базальт (последний - в зависи-

мости от степени выветренности, зернистости, характера отдельностей) и др.;

б) осадочные - песчаники кремнистые (не глинистые и не мергелистые),

кварциты, плотные известняки и плотные доломиты (для плотин ограниченной

высоты).

Некоторые из этих пород иногда обладают не совсем благоприятными

качествами, например, гранит иногда содержит пирит в большом количестве,

что недопустимо, порфирит иногда сильно разрушен выветриванием, базальт

обладает часто столбчатой отдельностью и вообще непостоянством своих тех-

нических качеств. Поэтому качества породы должны быть хорошо изучены в

лаборатории и путем полевого обследования, а также путем опытной разработ-

ки в карьере для выяснения вязкости, характера дробления при взрыве и коли-

чества отходов, которое оказывает значительное влияние на экономичность со-

оружения.

Непригодными для наброски являются сланцевые породы, раскалы-

вающиеся тонкими слоями, мергели, опоки и другие полускальные породы;

гнейсы, кварцитовые и другие более прочные сланцы в отдельных случаях

можно использовать в неответственных плотинах. Непригодны также различ-

ные лавы, туфы, брекчии, вследствие малого объемного веса и слабой сцемен-

тированности, трахиты - из-за легкой выветриваемости.