Проектирование основных элементов земляной плотины

Земляной (грунтовой) плотиной называют водоподпорное сооружение, возводимое из однородных или неодонородных по механическому составу грунтов. Все постоянные гидротехнические сооружения делятся на четыре класса. Класс плотины устанавливается в зависимости от народно-хозяйственного значения с учетом последствий при их аварии или нарушении при эксплуатации [3].

Один из основных вопросов проектирования плотины из грунтовых материалов - определение устойчивого и экономически выгодного ее профиля. Разрез водохранилищной плотины показан на рис. 3. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характеристик грунта тела плотины и ее основания, а также условий строительства и эксплуатации.

Рисунок 3. Поперечный профиль плотины.

1 - тело плотины; 2 - подошва плотины; 3 - берма верхового откоса; 4 - упор крепления; 5 - крепление верхового откоса; 6 - гребень плотины; 7 - крепление низового откоса; 8 - берма низового откоса; 9 - дренаж; 10 - замок; 11 - водоупор.

 

Гребень плотины конструируется из условий производства работ и эксплуатации плотины [4]. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники. Поэтому ширину гребня принимают в зависимости от категории дороги по прил. 4, но не менее 4,5 м. При устройстве по гребню железной дороги ширина его должна быть не менее 13...15,5 м.

Для отвода поверхностных вод гребню плотины придается односторонний или двусторонний поперечный уклон, а на обочинах устраиваются ливнестоки [4].

По прил. 4 рис. 1-4 выбирается конструкция гребня плотины в зависимости от категории дороги. Покрытие проезжей части автодороги укладывается на подготовку из гравийно-песчаного или щебеночного грунта. Если гребень плотины сложен из глинистых грунтов, то для его защиты от промерзания укладывается слой несвязного (песчаного) грунта, толщина которого, включая и покрытие гребня, должна быть не менее глубины промерзания грунта в районе строительства.

По краям гребня устраивается ограждение в виде надолб (бетонные столбики размерами 1 0,3 0,3 м с шагом 4 м и более). Со стороны верхнего бьефа может устраиваться сплошной волнозащитный парапет.

Далее производится определение высоты плотины и заложения откосов.

Высоту плотины назначают с превышением над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующем отсутствие перелива воды через гребень.

Приблизительная высота плотины определяется как, м:

Нпл=Н+1,5…3,0, м

где Н – высота воды в верхнем бьефе (при отметке НПУ).

Ориентировочные значения заложения откосов земляных насыпных плотин при прочности грунтов, в основании не меньшей, чем в теле плотины, приведены в прил. 5.

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и др. (рис. 3).

На высоких откосах при необходимости примерно через 10 м устраивают бермы, размеры которых определяются условиями производства работ, эксплуатационного проезда, сбора и отвода ливневых вод на низовом откосе. На верховом откосе берму можно располагать в конце крепления для создания необходимого упора (рис. 3). Ширину берм земляных плотин назначают в пределах 1...3м, а для плотин из каменных материалов - не менее 3 м. При необходимости проезда по берме ее ширину определяют по нормам проектирования дорог.

Отметка гребня плотины (ОГП) назначается на основе расчета необходимого возвышения над уровнем воды в верхнем бьефе и равна:

ОГП=НПУ+d,

где d - возвышение гребня плотины, определяется по формуле [4]:

, м (9)

где hн – высота наката на откос ветровой волны, м;

∆h – высота ветрового нагона волны, м;

α – запас, принимаемый не менее 0,5 м (в работе принять α = 0,5 м).

На рис. 4 представлены характерные расчетные параметры, используемые при определении отметки гребня плотины.

 

Рисунок 4. Схема определения отметки гребня плотины

 

Величина hн определяется из соотношения [5]:

м (10)

где Kш – коэффициент шероховатости и проницаемости покрытия верхового откоса (прил. 6);

m – заложение верхового откоса (прил. 5);

h и λ – соответственно высота и длина ветровой волны (рис. 4), м, которые можно найти по зависимостям В.Г. Андреянова [5]:

(11)

, (12)

где W - максимальная скорость ветра в м/сек, измеренная по флюгеру ближайшей к берегу метеорологической станции, расположенной на ровной открытой местности (по заданию);

Д - длина разгона волны по направлению господствующих ветров, км (по заданию).

По этой формуле определяется средневысокая волна (примерно 2—10%-ной обеспеченности) в глубоководном водоеме и при условии, что Д<30 км.

Высота ветрового нагона (∆h) волны, м ориентировочно определяется по формуле [4]:

(13)

где H – глубина в водоеме при НПУ, м;

θ – угол между продольной осью водоема и господствующим направлением ветра (по заданию), градусы.

В одной и той же плотине верховой и низовой откосы испытывают различные нагрузки. Верховой откос подвержен главным образом действию ветровых волн и льда (термическое давление, навал и удар). Низовой откос подвержен размыву талыми и дождевыми водами, выветриванию, вспучиванию, разрушению землеройными животными. Нагрузки на верховой откос могут быть значительными, в связи с чем требуется прочное покрытие [4].

Верховой откос может иметь несколько конструктивных решений: основное крепление, облегченное крепление, без крепления. Основное крепление размещается в зоне максимальных нагрузок. Верхней границей основного крепления обычно служит гребень плотины, нижняя граница принимается на глубине h=2h_1% (рис. 5), считая от наинизшего уровня воды в водохранилище (обычно УМО). Здесь h_1% - высота волны 1%-ной обеспеченности, в курсовой работе можно принять h_1%»h по формуле (11). Ниже основного устраивается облегченное крепление, которое может доходить до дна и покрывать его при возможном размыве (рис. 5).

Тип крепления назначают по экономическим соображениям в зависимости от наличия местных материалов и других факторов [3]. Чаще всего верховой откос укрепляется бетонными плитами (толщиной 0,15-0,5 м, размерами от 5х5 до 20х20), каменной наброской (минимальной толщиной слоя 2,5-3,0Д, где Д – диаметр камня, который равен 0,25-0,3h, где h – высота волны по формуле (11)), мостовой кладкой (толщиной 0,25-0,3м).

Защитное покрытие низовых откосов в зонах с умеренным климатом выполняется в виде одерновки или посева многолетних трав по растительному слою грунта толщиной 0,2–0,3 м. При ограниченных возможностях получения растительного грунта, дерна или семян посев трав производится в клети из дерна, заполненные растительным грунтом, толщиной 0,15–0,2 м. В северных широтах или в районах с сухим жарким климатом защитная одежда низового откоса может выполняться из слоя уплотненного щебня или гравийно-галечникового грунта толщиной 0,15–0,2м [4].

Рисунок 5. Схема крепления верхового откоса

1 – основное крепление; 2 – облегченное крепление; 3 – упор; 4 – подготовка под крепление; 5 – тело плотины; 6 – основание плотины;

7 - парапет