Земляная плотина с паводковым водосбросом

Г.Г.Круглов, П.М.Богославчик, Н.В.Сурма

Методическое пособие к курсовому проекту по курсу "Гидротехнические сооружения" для студентов специальности Т19.04. ”Водохозяйственное строительство”

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусская государственная политехническая академия

Кафедра ”Гидротехническое и энергетическое строительство”

Минск 1997

Введение

Курсовой проект "Плотина из грунтовых материалов с паводковым водосбросом" выполняется студентами в 7-м семестре при изучении дисциплины "Гидротехнические сооружения". Задачей курсового проекта является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта плотины из грунтовых материалов с паводковым водосбросом, а также закрепление знаний, полученных студентами при изучении соответствующих разделов курса, и приобретение опыта и навыков проектирования.

Состав проекта

В курсовом проекте необходимо разработать следующие основные вопросы:

компоновка сооружений гидроузла;

конструирование поперечного профиля и элементов плотины: гребня, берм, откосов, дренажа, противофильтрационных устройств, креплений верхового и низового откосов и др.;

фильтрационный расчет земляной плотины;

расчет устойчивости низового и верхового откосов плотины;

выбор и обоснование конструкции паводкового водосброса;

гидравлические расчеты водосброса;

выбор схемы пропуска строительных расходов.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки, иллюстрированной соответствующими расчетными схемами, вычерченными в масштабе на миллиметровой бумаге, и чертежей. На чертежах разрабатывается компоновка гидроузла, поперечные (по русловой и пойменной частям) и продольный разрезы по плотине, план и продольный разрез по оси водосбросного сооружения и его характерные поперечные разрезы.

В расчетно-пояснительной записке приводится краткая характеристика запроектированных сооружений, их обоснование и расчеты.

2. Компоновка гидроузла

В настоящее время проектируют и строят гидроузлы комплексного назначения, в состав которых входят сооружения общие (плотины, водосбросы) и специальные (здания ГЭС, судоходные шлюзы, водозаборы и др.). Специальные сооружения изучаются в соответствующих дисциплинах, по которым студенты также выполняют курсовые проекты, вследствие чего в настоящем проекте разрабатываются только два сооружения: плотина из грунтовых материалов и паводковый водосброс.

Так как план стройплощадки студенту задается, то его первой задачей является выбор створа плотины и оси водосбросного сооружения с учетом топографических, инженерно-геологических условий, а также требований охраны окружающей среды.

При прочих равных условиях предпочтение следует отдавать тому варианту компоновки сооружений, который дает минимальную длину плотины и водосбросного тракта, а также исключает возможность опасных размывов берегов и подмыва плотины при сбросе воды в нижний бьеф.

Водосбросные сооружения бывают открытые или закрытые (туннельные и трубчатые).

Трубчатые водосбросы располагают в теле плотины таким образом, чтобы они могли использоваться также и для пропуска строительных расходов в период возведения плотины.

Открытые водосбросы располагают или вне тела плотины, или они прорезают тело плотины в ее береговых частях.

Примеры компоновок гидроузлов с плотинами из грунтовых материалов и береговыми водосбросами приведены в литературе [1,2,3].

Плотина из грунтовых материалов

Выбор типа и конструкции .плотины является основным вопросом проектирования, который решается на основании технико-экономического сопоставления различных вариантов исходя из топографических, инженерно-геологических, гидрологических и климатических условий, и прежде всего наличия грунтовых строительных материалов в близлежащих карьерах и максимального использования материалов из полезных выемок.

Земляные насыпные плотины можно возводить из всех грунтов, кроме грунтов, содержащих растворимые включения хлоридных солей более 5% по массе и содержащих не полностью разложившиеся органические вещества также более 5% по массе.

Для строительства однородных плотин чаще всего используются суглинки и супеси, а также мелкозернистые и среднезернистые пески, обладающие достаточной водонепроницаемостью и фильтрационной прочностью.

Песчаные и гравийно-галечниковые грунты применяются для устройства тела (верховый и низовой призм) всех типов земляных плотин.

Противофильтрационные элементы плотины (ядра, экраны, понуры, зубья) устраиваются из маловодопроницаемых грунтов (глинистые грунты, торф, грунтовые смеси) с коэффициентом фильтрации менее 10^-4 м/с.

Конструирование поперечного профиля и элементов плотины

Основной задачей проектирования поперечного профиля плотины является определение отметки гребня плотины и его ширины, а также назначение заложения и очертания откосов плотины.

1. Гребень плотины обычно используется для устройства автомобильной или железной дороги, размеры которых назначают, руководствуясь требованиями соответствующих нормативных документов. Основные параметры гребня плотины при устройстве на нем автомобильной дороги приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

При устройстве по гребню железной дороги ширина его должна быть не менее 13...15,5 м.

Если проезд по гребню плотины не предусматривается, минимальная ширина его должна быть 4,5 м. В месте сопряжения земляной плотины с водосбросным сооружением гребень плотины уширяется с целью размещения на нем монтажной площадки (для производства ремонтных и монтажных работ по затворам) и затворохранилища. Длина монтажной площадки назначается равной (1,5...2,5)в где в - ширина водосбросного отверстия.

Для отвода поверхностных вод гребню плотины придается односторонний или двусторонний поперечный уклон (рис.3.1), а на обочинах устраиваются ливнестоки.

Покрытие проезжей части автодороги выбирается в зависимости от ее категории и 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 10,30,3 м с шагом 4 м и более). Со стороны верхнего бьефе может устраиваться сплошной волнозащитный парапет.

Отметка гребня плотины назначается на основе расчета необходимого возвышения его над уровнем воды в верхнем бьефе . При этом рассматриваются два случая стояния уровня воды в верхнем бьефе:

1. Нормальный подпорный уровень (НПУ).

2. Форсированный подпорный уровень (ФПУ).

Возвышение гребня плотины h_S в обоих случаях определяется по формуле

, (3.1)

где а - запас возвышения гребня плотины, принимаемый для всех классов плотин не менее 0,5 м;

- ветровой нагон воды в верхнем бьефе

(3.2)

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

- расчетная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема, м/с;

L - длина разгона волны, м;

d - глубина воды в ВБ при расчетном уровне, м;

- коэффициент, определяемый по табл. 3.2.

Таблица 3.2

- высота наката на откос волн обеспеченностью 1%, м.

. (3.3)

Здесь - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл.3.3

Таблица 3.3

Примечание. Размер шероховатости " r " (м) принимается равным среднему диаметру зерен материалов крепления откоса.

K_sp - коэффициент, определяемый по табл.3.4.

Таблица 3.4

k_run - коэффициент, определяемый по графику рис.3.2а , в зависимости от пологости волны на глубокой воде;

h_1% - высота волны 1% -й обеспеченности, м

. (3.4)

Здесь k_1% - коэффициент, принимаемый по графику рис .3.2б;

- средняя высота волны, определяемая для глубоководной зоны, которая чаще всего имеет место в ВБ земляных плотин, по верхней огибающей кривой графика рис. 3.2в в зависимости от безразмерных величин и . Из двух найденных значений принимают в качестве расчетного меньшее.

При подходе фронта волны к сооружению под углом a величина наката волны на откос уменьшается умножением на коэффициент, определяемый по табл. 3.5.

Таблица 3.5

Средняя длина волны определяется по формуле

(3.5)

Здесь период волны, определяемый по графику рис.3.2в. При определении и по формуле (3.1) обеспеченность скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) принимается для сoopужений I и П классов - 2%, а Ш и IУ классов - 4%. При особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности принимаются: для I и П классов-20%, Ш класса - 30%, IУ класса - 50%.

Из двух полученных результатов расчета (при НПУ и ФПУ) выбирается более высокая отметка гребня.

Если на гребне плотины устраивается сплошной волнозащитный парапет (его высота обычно рввна1,2...1,5 м), то возвышение его верха над расчетным уровнем ВБ определяется по формуле (3.1), а отметка гребня плотины в этом случае назначается наибольшей из следующих двух значений: отметка ФПУ или отметка НПУ плюс 0,3 м.

Откосы плотины. Выбор заложения (крутизны) откосов плотины производится на основе опыта строительства и эксплуатации аналогичных сооружений с учетом физико-механических характеристик грунтов тела плотины и основания, действующих на откосы сил, высоты плотины, методов производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации. Назначенные заложения откосов затем проверяются расчетами статической устойчивости и при необходимости корректируются.

Ориентировочные значения заложений откосов земляных плотин из глинистых и песчаных грунтов при наличии в основании

грунтов с прочностью, не меньшей, чем в теле плотины, приведены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Приведенные в табл.3.6 данные относятся к средним по высоте значениям заложения откосов. В высоких плотинах откосы могут иметь переменное заложение, увеличивающееся сверху вниз, что позволяет запроектировать более экономичный профиль плотины, обеспечивая устойчивость его откосов.

На откосах высоких и средней высоты плотин устраиваются бермы (рис.3.1). На верховом откосе бермы устраиваются в конце основного крепления, создавая ему необходимый упор и обеспечивая возможность его осмотра и ремонта, и в местах изменения заложения откоса. На низовом откосе бермы служат для сбора и отвода дождевых и талых потоков, предохраняя тем самым. низовой откос от размыва, а также для обеспечения проезда в период строительства плотины. Иногда по бермам низового откоса могут прокладываться автомобильные или железные дороги. Как правило, бермы устраивают в местах изменения заложения откоса и сопряжения тела плотины со строительными перемычками. Расстояние между бермами по высоте плотины принимается равным 10...15 м.

Ширина бермы назначается не менее 3 м, если по ней предусматривается проезд, и не менее 1...2 м, если проезд не предусмотрен.

На внутренней стороне бермы устраивается кювет, служащий для сбора и организованного отвода дождевых и талых вод.

Крепления откосов. Откосы земляных плотин подвержены разрушающим воздействиям ветровых волн, течений воды, льда,

атмосферных осадков и т.д. Для предотвращения их разрушения предусматриваются соответствующие виды креплений.

Наиболее распространенными видами креплений верхового откоса плотины являются:

а) Каменная наброска из несортированного камня. Такое крепление обычно применяется на откосах с заложением m ³ 2,5...3 при расчетной высоте волны до 2,5...3 м. Необходимая из условия устойчивости масса отдельных камней в тоннах определяется по зависимости:

, (3.6)

где r_m , r - соответственно плотность камня и воды, т/м³ ;

- угол наклона откоса к горизонту,

Расчетный диаметр камня в метрах, приведенный к шару, вычисляется по формуле

(3.7)

В составе наброски из несортированного камня должно быть по объему не менее 50% материала с расчетным диаметром D_ш . Толщина покрытия в этом случае принимается

t ³3D₈₅ , (3.8)

где D₈₅ - диаметр камня, масса которого вместе с массой более мелких фракций составляет 85% массы всей каменной наброски;

б) Железобетонные крепления из монолитных или сборных плит.

Монолитные железобетонные плиты используются для крепления откосов плотин на крупных водохранилищах при высоте волны от 2 до 4м. В плане они имеют прямоугольную форму с соотношением сторон 1 2 , где b_sl - меньшая сторона, располагаемая

перпендикулярно урезу воды, принимаемая равной 0,4 , но не более 20 м. Швы между плитами могут быть открытыми или закрытыми с уплотнениями в виде резиновых диафрагм, просмоленных деревянных или железобетонных досок.

Толщина монолитных железобетонных плит может определяться из условия их устойчивости по формуле Шанкина П.А.

, (3.9)

где k - коэффициент, принимаемый равным 0,083 при открытых швах и 0,11 - при закрытых швах;

r_n - плотность материала плиты.

Сборные железобетонные плиты имеют размеры в плане от 1,5´1,5 м до 5´5 м в зависимости от условий их транспортировки и удобства укладки на откос. В процессе укладки плиты омоноличиваются в

секции размером в плане 20´20 м и более. Применяются они обычно при высоте волны до 2,5...3 м.

Толщина сборных плит может быть определена по формуле Шайтана B.C.

, (3.10)

где - относительная длина ребра плиты;

w - коэффициент полноты погружения, определяемый по

табл. 3.7.

Таблица З.7

Все виды креплений верхового откоса плотины укладываются на подготовку в виде обратного фильтра, материал, число слоев и толщина которого выбирается в зависимости от грунта откоса и наличия местных строительных материалов.

Обратный фильтр под каменной наброской и плитами с открытыми швами может состоять из одного слоя разнозернистых материалов или двух слоев материалов с различными по крупности частицами, а также из искусственных водопроницаемых


29-04-2015, 01:00