Обоснование конструкции плотины

 

Выбор типа плотины обусловливается топографическими и геологическими условиями в створе и наличием в достаточном количестве необходимого грунта как строительного материала для тела плотины, противофильтрационных устройств и дренажных конструкций, а также схемой организации и технологии работ. Согласно [1] грунтовые плотины подразделяют на четыре типа: земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные.

Ширину гребня плотины принимают в зависимости от условий производства работ, категории и типа дороги, устраиваемой по гребню, но не менее 4,5 м. Ширина земляного полотна принимается для автомобильной дороги I категории 27,5 м; II – 15 м; III – 12 м; IV – 10 м; V – 8м [4;6;8]. Проезжая часть гребня плотин укрепляется одеждой в зависимости категории дороги. Гребень плотин без дороги специально не укрепляется. Для обеспечения стока атмосферной воды гребень плотин делается с поперечным уклоном в обе стороны от оси. По краям проезжего полотна автомобильной дороги предусматривают обочины или тротуары для пешеходов, а по краям гребня плотины ограждения (надолбы высотой 1 – 1,2 м на расстоянии 2 – 3 м друг от друга, стенки-парапет).Необходимо и устройство освещения гребня. Пример конструктивного решения гребня плотины представлен на (рис. 1).

При конструировании профиля плотины заложение откосов назначается в зависимости от способов ее возведения, высоты плотины, вида грунта.

Заложение откосов (m=ctg α) должно обеспечивать их статическую устойчивость. При проектировании земляных плотин высотой более 25-30 м выполняется статический расчет устойчивости откосов независимо от вида основания, а при слабых основаниях – и для плотин высотой более 10 м.

Верховой откос обычно принимают более пологим, чем низовой, так как грунт откоса насыщен водой почти на всю высоту.

В плотинах средней и большой высоты откосы имеют ломаное очертание (более пологие в нижней части). При переменном заложении откосов объем тела плотины уменьшается.

На откосах плотины (в частности, в местах перелома уклона) устраивают горизонтальные площадки – бермы, которые предназначаются для уменьшения среднего уклона откосов, упора одежды (крепления) вышележащей части откоса, безопасного и организованного отвода дождевых вод, проезда подъемно-транспортных средств при производстве каких-либо работ по креплению откосов (бетонирование, укладка плит и т.п.) и всевозможных ремонтных работ.

Верховой откос плотины испытывает различные нагрузки: гидростатическое давление воды; динамическое давление воды (волновое давление); взвешивающее давление воды; ветровое давление; воздействие атмосферных осадков; температурные воздействия. Для защиты откосов от разрушения применяют различные покрытия в зависимости от класса сооружения, величины и характера нагрузок.Наибольшее распространение получили каменные, бетонные и железобетонные покрытия, реже – асфальтовые и биологические (дёрн, посадка кустов).

Крепление верхового откоса осуществляют в пределах сработки уровня верхнего бьефа и на 2-5 м выше и ниже крайних горизонтов воды.

Откосы малых плотин обычно крепятся каменной наброской по слою обратного фильтра или естественной песчано-гравийной смеси толщиной 15-20 см. Толщина каменной наброски зависит в основном от высоты волны, коэффициента заложения откоса, крупности веса камня. Более надежно крепление верхового откоса из одиночной и двойной каменной мостовой по слою щебеночной или гравелистой подготовки толщиной 15 – 20 см. Толщина каменной мостовой обычно 25 – 30 см и более.

Для повышения устойчивости крепления применяют упоры, располагая их в местах перехода к неукрепленному откосу и на бермах. Бермы упрощают устройство упоров и делают их более надежными.

Низовой откос земляных плотин обычно крепится путем посева трав, покрытия дерном по слою растительной земли в 20 – 30 см. На крупных плотинах низовые откосы крепятся слоем гравия 10 – 20 см, в более ответственных случаях – одиночной мостовой. В зоне волнения в нижнем бьефе откос плотины крепится аналогично верховому на высоту вкатывания волны и с некоторым запасом.

При назначении заложений откосов нужна высота, м, плотины и она в первом приближении определяется по формуле:

 

Н_пл=↓НПУ-↓дна+(2÷4), (1)

 

где 2÷4 м – предварительно назначенное превышение отметки гребня

плотины над статическим уровнем воды в верхнем бьефе (ВБ).

После расчетов по определению отметки плотины высота должна быть уточнена. Заложение откосов (m=ctg α) должно обеспечивать их статическую устойчивость. При проектировании земляных плотин высотой более 25-30 м выполняется статический расчет устойчивости откосов независимо от вида основания, а при слабых основаниях – и для плотин высотой более 10 м.

Для предварительного назначения заложения откосов можно использовать рекомендации [6;9] или табл. 1.1 с последующим расчетом их статической устойчивости.

 

 

Таблица 1.1

Высота плотины, м	Коэффициенты заложения откосов
верхового т1	низового т2
без дренажа	с дренажом
	2,0	1,5	1,5
5 – 10	2,5	2,0	1,5 – 2,0
10 – 15	2,5 – 3,0	2,5	2,0 – 2,5
15 – 20	3,0 – 3,25	2,5 – 2,75	2,0 – 2,5
20 – 30	3,5	2,75 – 3,0	2,0 – 2,5

 

Отметка гребня грунтовой плотины определяют из условий полного исключения перелива воды через него при накате волны и ветровом нагоне по формулам:

 

↓ГП = ↓НПУ + h _1% ,

(2)

↓ГП = ↓ФПУ + h _50%,

 

 

где h _1% и h _50% – превышения гребня плотины над расчетными уровнями

воды в ВБ, м;

↓НПУ– нормальный подпорный уровень;

↓ФПУ– форсированный подпорный уровень.

 

Превышение гребня плотины h , м, в обоих случаях определяется по формуле (1) [1]:

 

h _s = ∆h _set + h _{rип 1%} + а, (3)

 

где ∆ h _set – ветровой нагон воды в верхнем бьефе, м;

h _{rип 1%} - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м;

а – запас возвышения гребня плотины, м, которую определяют как

большую из величин 0,5 м и 0,1 h_1% (h_1% - высота волны 1%-ой

вероятности превышения).

 

 

 

 

Рис. 1. Конструкция гребня плотины

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату для фронтально подходящих волн при глубине перед сооружением d ≥2 h_1% определяют по формуле 25 [3]; рекомендациям [6,10,11] или по формуле:

 

H _{rип 1%} = k _r ∙k _р ∙ k _sp ∙ k _rип ∙ h _1%, (4)

 

где k _r; k _р – коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса,

(принимаются по табл. 6[3] или табл. 2).

 

Таблица 2

Конструкция крепления откоса	Относительная шероховатость r/h1%	Коэффициент kr	Коэффициент kp
Бетонными (железобетонными) плитами	—		0,9
Гравийно-галичниковое, каменное или крепление бетонными (железобетонными) блоками	Менее 0,002		0,9
0,005 – 0,01	0,95	0,85
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

П р и м е ч а н и е. Характерный размер шероховатости r, м, следует принимать равным среднему диаметру зерен материала крепления откоса или среднему размеру бетонных (железобетонных) блоков.

 

k _sp – коэффициент, принимаемый по табл. 7[3] или по табл. 3.

 

Таблица 3

Значение ctg φ	1 – 2	3 – 5	Более 5
Коэффициент k sp при скорости ветра V w, м/с: 20 и более 5 и менее	1,4 1,1	1,5 1,1 0,8	1,6 1,2 0,6

П р и м е ч а н и е. φ – угол наклона откоса к горизонту, град.

 

k _rип – коэффициент, принимаемый по графикам рис.10 [3] или по рис. 2, в зависимости от пологости волны λ_d/h_1% на глубокой воде.

 

Рис. 2. График значений коэффициента k _rип

 

При глубине перед сооружениями d < 2h_1% коэффициент k _rип необходимо принимать для значений пологости волны, указанной в скобках и определяемый при глубине d = 2h_1%.

h_1% – высота бегущей волны обеспеченностью 1%, м.

Высота бегущей волны, м, обеспеченностью 1% вычисляется по формуле:

 

h_1% = k _i ∙ h _d, (5)

 

где h _d – средняя высота волны в глубоководной зоне, м;

k_i – коэффициент, принимаемый по рис. 2 [3] или по рис. 3 для безразмерной величины .

 

 

Рис. 3. График значений коэффициента k­_i

 

Для определения средней высоты находят безразмерные величины ; ; ,

где – непрерывная продолжительность действия ветра, ч;

– длина разгона ветровой волны по направлению ветра, м;

– расчетная скорость ветра, м/c;

– глубина воды перед плотиной, м.

 

По графику рис. 1 [3] или рис. 4 находим значения соответствующих величин и и по меньшему значению из этих величин находим среднюю высоту волны , м, и средний период волны , с.

 

 

Рис.4. График для определения элементов ветровых волн в глубоководной и мелководной зонах

Средняя длина волны, м, определяем по формуле

. (6)

 

Высоту наката на откос обеспеченностью i, %, по накату необходимо определить умножением полученного по формуле (4) значением h _{rип 1%}, м, на коэффициент , принимаемый по табл. 8 [3] или табл. 4.

 

Таблица 4

Обеспеченность по накату ,%	0,1
Коэффициент	1,1		0,96	0,91	0,86	0,76	0,68

При подходе фронта волны к сооружению под углом α, град., со стороны открытой акватории величину наката волн на откос следует уменьшать умножением на коэффициент k _α, принимаемый по табл. 9 [3] или табл. 5.

 

Таблица 5

Значение угла α, град
Коэффициент kα		0,98	0,96	0,92	0,87	0,82	0,76

 

Высота ветрового нагона, м, принимается по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии допускается определять ее методом приближений по формулам (148^*) [3]:

, (7)

 

где α_w – угол между продольной осью водоема и направлением ветра;

V_w – расчетная скорость ветра, м/с принимаемый по табл. 7;

k_w – коэффициент, принимаемый по табл. 2^* [3] или по табл. 6.

 

Таблица 6

, м/с
∙10^-6	2,1		3,9	4,8

 

Таблица 7

Обеспеченность расчетной скорости ветра в процентах

класс уровень	I	II	III	IV
НПУ
ФПУ

 

Для небольших водохранилищ, когда ветровой нагон незначительно изменяет глубину воды и разгон волны, высоту ветрового нагона, м, можно определить по формуле

. (8)

 

Из двух полученных результатов определения отметки гребня плотины выбирают наиболее высокую отметку.

На откосах плотины следует предусматривать устройство берм, определяя их число в зависимости от высоты плотины, типов креплений откосов, условий производства работ и общей устойчивости откосов плотин (п 2.10. [1]).

Бермы устанавливаются через 10-15 м по высоте, ширина их 2-3 м (если по берме не устраивается проезд), с учетом прокладки дороги – 4,5 и более метров. На верховом откосе также устраивается берма, которая располагается на 1,5 -2 высоты волны ниже уровня мертвого объема (УМО) для упора крепления верхового откоса. Для сбора стекающих с гребня и с низового откоса ливневых и талых вод по внутренней стороне бермы устраивают кюветы с выпуском воды из них в лотки, уложенные по ниже расположенному откосу.

В процессе конструирования профиля плотины решается вопрос о выборе креплений (покрытий) верхового и низового откосов плотин. Верховой откос плотины испытывает различные нагрузки: гидростатическое давление воды; динамическое давление воды (волновое давление); взвешивающее давление воды; ветровое давление; воздействие атмосферных осадков; температурные воздействия.

Крепление земляных откосов устраивают для защиты их от следующих воздействий:

а) верхового откоса: от волнового воздействия воды; ледового воздействия и от течения воды вдоль плотины в верхнем бьефе; от размыва фильтрационным потоком воды, вытекающим из плотины при снижении уровня воды в бьефе и при откате волн;

б) низового откоса: от размыва дождевыми водами, стекающими по откосу; разрушения под воздействием ветра; проникновения землеройных животных.

Для защиты откосов от разрушения применяют различные покрытия в зависимости от класса сооружения, величины и характера нагрузок.

В качестве крепления верхового откоса можно использовать: каменную наброску из несортированного камня, бетонные и железобетонные монолитные и сборные плиты, асфальтобетонные и биологические покрытия. Допускается при соответствующем обосновании применять облегченные крепления откосов: грунтово-цементные, из гравийно-галечниковых материалов и т. п.

Крепления верхового откоса плотины подразделяют на основное, расположенное в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, и облегченное – ниже основного крепления.

Верхней границей основного крепления считают отметку гребня плотины.

Нижнюю границу основного крепления назначают ниже минимального уровня сработки водохранилища на = , по не менее чем на ( – расчетная толщина ледяного покрова). На нижней границе основного крепления или при сопряжении основного и облегченного креплений предусматривают бермы, упоры из камня или бетона. Размеры упора назначают в зависимости от коэффициента заложения откоса, коэффициента трения крепления и упора по грунту откоса.

Откосы малых плотин обычно крепятся каменной наброской по слою обратного фильтра или естественной песчано- гравийной смеси толщиной 15-20 см. Толщина каменной наброски зависит в основном от высоты волны, коэффициента заложения откоса, крупности и веса камня. Более надежно крепление верхового откоса из одиночной и двойной каменной мостовой по слою щебеночной или гравелистой подготовки толщиной 15–20 см. Толщина каменой наброски обычно 25-30 см и более. Для крепления откосов каменной наброской применяют в основном несортированный камень (горную массу).

Крепление откосов монолитными и сборными бетонными и железобетонными плитами устраивают при высоте волн более 2-2,5 м. Монолитные железобетонные крепления в основном проектируют в виде секций размером не более 45×45 м каждая, разделенных температурными поперечными и осадочными продольными швами.

Швы (конструктивные, осадочные, температурные) между плитами могут быть открытые и закрытые.

Плиты, как правило, соединяются между собой или шарнирно или жестко, для чего в торцах плит выпускается арматура

Крепление откосов сборными железобетонными плитами проектируют с омоноличиванием их в секции. Размеры плит устанавливают в зависимости от транспортного оборудования в пределах от 1,5×1,5 м до 5×5 м и толщиной 8-20 см.

Расчет бетонных и железобетонных плит крепления производятся на прочность и устойчивость и сводится к определению необходимой толщины плит, проверке их устойчивости на опрокидывание относительно верхнего и нижнего их ребра и на всплывание от взвешивающего волнового давление и других воздействий.

Расчеты по определению толщин монолитных и сборных железобетонных плит крепления и каменной наброски приведены в разделе 3.

Для повышения устойчивости крепления применяют упоры, располагая их в местах перехода к неукрепленному откосу и на бермах. Бермы упрощают устройство упоров и делают их более надежными. Бетонные упоры выполняются монолитными или сборными.

Низовой откос земляных плотин обычно крепится путем посева трав, покрытия дерном по слою растительной земли в 20 – 40 см. На крупных плотинах низовые откосы крепятся слоем гравия 10 – 20 см, в более ответственных случаях – одиночной мостовой. В зоне волнения в нижнем бьефе откос плотины крепится аналогично верховому на высоту вскатывания волны с некоторым запасом.

Крепление низового откоса плотины следует выбирать в зависимости от грунта низовой призмы плотины и в качестве крепления можно рекомендовать:

а) посев трав по слою растительного грунта толщиной 0,2-0,4 м;

б) одерновку в клетку по слою растительного грунта толщиной 0,2-0,4 м;

в) отсыпку гравия толщиной 0,2-0,4 м.

При воздействии на низовой откос льда и волн его крепление рассчитывается так же, как и для верхового откоса.

Обратные фильтры под каменной наброской, плитами с открытыми швами или со сквозными отверстиями выполняют или из одного слоя разнозернистого материала, или двух слоев материалов с различными по крупности частицами, или из искусственных водопроницаемых материалов.

Под обратными фильтрами на откосах из глинистых и мелкозернистых песчаных грунтов применяют песчаную подготовку.

Под монолитными или сборными плитами с уплотненными швами или замоноличенных в секции укладывают однослойный обратный фильтр, а при соответствующем обосновании можно применять монолитные железобетонные бесфильтровые крепления.