В формуле (7) х – абсцисса кривой депрессии. Задаём величину х в пределах от 5 м до 55 м .
Для каждого значения хп определяем величину уп по формуле (7). Расчёт ведём в табличной форме (табл. 1.7).
Табл. 1.7.Координаты кривой депрессии
 |
5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 |
 |
9,52 | 9,02 | 8,49 | 7,92 | 7,31 | 6,64 | 5,90 | 5,05 | 4,03 | 2,64 |
По полученным координатам на поперечном профиле плотины строим кривую депрессии (рис. 2).
1.3.1 Фильтрация в теле плотины с ядром на водонепроницаемом основании
Для расчёта такой плотины можно применять виртуальный метод, в котором ядро с заданными размерами и коэффициентом фильтрации Кя заменяют приведённым ядром призматической формы с коэффициентом фильтрации КТ . Плотина тем самым приводится к эквивалентной по фильтрационным свойствам однородной плотине.
Порядок расчёта:
1). Находим среднюю толщину ядра:
δср. = ( δ1 + δ2 ) / 2 , (14)
где δ1 иδ2 – толщина ядра поверху и понизу.
δср. = (6 + 3) / 2 = 4,5 м
2). Определяем приведённую толщину эквивалентного ядра:
Lпр.я. = δср. * Кт / Кя , (15)
Lпр.я. = 4,5 * 0,3 / 0,1 = 13,5 м.
3). Вычисляем приведённую ширину гребня плотины:
bпр.гр = bгр + Lпр.я – δср. (16)
bпр.гр = 7 + 13,5 – 4,5 = 16 м.
4). Величину L определяем по следующей зависимости:
L = m1 * d + bпр.гр + m2 * (H + d) , (17)
гдеm1 и m2 - коэффициенты заложения верхового и низового откосов:
m1 = 3, m2 = 2,5;
bпр.гр - ширина гребня плотины:bгр = 7 м;
d– превышение над расчётным уровнем воды:d = 2,96 м.
L = 3 * 2,96 + 16 + 2,5 * (13 + 2,96) = 57,28 м.
Lp – ширина эквивалентного профиля плотины по основанию:
(18)
м
Рассчитаем высоту выхода депрессионной кривой на низовой откос над уровнем основания плотины в нижнем бьефе:
м (19)
Кривую депрессии строим только на участках плотины до и после ядра, задавая значения x от x = ∆L до x = ∆L + xв и от x = ∆L + xв + Lпр.я. до x = Lр .
Строим кривую депрессии по уравнению, полученному с учётом эмпирических параметровﮈ h и q :
(20)
где: Н – напор воды в верхнем бьефе, м;
kт - коэффициент фильтрации тела плотины, м/сут;
ﮈ h - потери напора фильтрационного потока, м;
q – удельный расход фильтрационного потока, м3 /сут.
Табл. 1.8.Значения произведения параметра ξ и удельного расхода q
| kт | 1.0 | 0.5 | 0.3 | 0.08 |
| q | 1.0 | 1.0 | 0.9 | 0.4 |
При kф = 0.3 м/сут., q = 0.9
Для определения пути фильтрации используется фактическая длина подошвы плотины с учетом рельефа местности и уклона русла реки. Расположение осей координат: ось Y принимаем перпендикулярно линии поверхности воды при отметке НПУ таким образом, чтобы ось Y проходила через точку пересечения поверхности воды при отметке НПУ с верховым откосом плотины; ось Х принимаем по основанию плотины перпендикулярно оси Y. Разбиваем ось Х на интервалы 10 м и для каждого значения Хn определяем Yn по формуле. Расчет производим в табличной форме, кривая депрессии представлена на (рис. 3).
Табл. 1.9.Координаты кривой депрессии
| Xn | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 45 | 50 |
| Yn | 6,12 | 4,52 | 2,25 | 0,51 | -0,95 | -1,16 | -2,24 |
По полученным координатам на поперечном профиле плотины строимкривую депрессии (рис. 3).
1.3.2 Фильтрация в теле плотины с экраном на водонепроницаемом основании
При расчёте виртуальным методом экран заданных размеров, выполненный из грунта с коэффициентом фильтрации Кэ , заменяют на эквивалентную в фильтрационном отношении призму с коэффициентом фильтрации Кт .
Порядок расчёта:
1). По формуле (14) находим среднюю толщину экрана δср . :
δср. = (6 + 3) / 2 = 4,5 м
2). Определяем приведённую (виртуальную) толщину эквивалентного экрана:
Lпр.э. = δср. * Кт / (Кэ * sinΘ ) , (21)
где Θ – угол наклона средней линии экрана к основанию плотины.
Кэ = 0,1 м/сут.
Lпр.э. = 4,5 * 0,3 / (0,1 * sin45˚) = 19,0 м
3). Вычисляем приведённую ширину гребня плотины:
b пр.гр = b гр + L пр.э. – δ ср, (22)
bпр.гр = 7 + 19,0 – 4,5 = 21,5 м.
4). Величину L определяем по следующей зависимости:
L = m1 * d + b пр . гр + m2 * (H + d) , (23)
гдеm1 и m2 - коэффициенты заложения верхового и низового откосов:
m1 = ctgΘ, m2 = 2,5;
bпр.гр - ширина гребня плотины:bгр = 7 м;
d – превышение над расчётным уровнем воды:d = 2,96 м.
L = ctg45˚ * 2,96 + 21,5 + 2,5 * (13+ 2,96) = 51,36 м
- ширина эквивалентного профиля плотины по основанию:
, (24)
;
м
Рассчитаем высоту выхода депрессионной кривой на низовой откос над уровнем основания плотины в нижнем бьефе:
м (25)
Строим кривую депрессии по уравнению:
(26)
где: у – ордината кривой депрессии;
Н – глубина воды в верхнем бьефе;
q – расход фильтрационного потока через тело плотины:
(27)
где Кф - коэффициент фильтрации тела плотины. Кф = 0,3 м/сут
Табл. 2.10.Координаты кривой депрессии
 |
5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 |
|
9,52 | 9,02 | 8,49 | 7,92 | 7,31 | 6,64 | 5,90 | 5,05 | 4,03 | 2,64 |
По полученным координатам на поперечном профиле плотины строимкривую депрессии (рис. 4).
1.4 Расчет устойчивости низового откоса
Проверка устойчивости низового откоса плотины осуществляется согласно СНиП 2.06.05–84.
Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин всех классов следует выполнять для круглоцилиндрических поверхностей скольжения. При использовании метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения выполняют следующее:
1). Строят область нахождения центров поверхностей скольжения;
2). Проводят круглоцилиндрические поверхности сдвига;
3) . Вычисляют значения коэффициентов устойчивости откоса для множества поверхностей сдвига по формуле:
Куст = R удер. / F сдвиг , (28)
где R удер , F сдвиг - равнодействующие моментов удерживающих сил и сдвигающих сил.
4) .Делают вывод об устойчивости откоса и правильности принятого его заложения. Откос считается устойчивым, если:
Куст Кн * Кс / Км , (29)
где Кн – коэффициент надёжности по классу сооружения, для плотин 3-го класса Кн = 1.15 ;
Кс - коэффициент сочетания нагрузок, для основного сочетания равен 1 ;
Км - коэффициент равный 0.95 .
Для построения области нахождения центра поверхности сдвига предложено несколько методов. Один из наиболее простых метод В.В. Фандеева, в котором рекомендуется центры круглоцилиндрических поверхностей сдвига располагать в криволинейном четырёхугольнике. Этот четырёхугольник образуется следующими линиями, проведёнными из середины откоса: вертикалью и прямой под углом 85˚ к откосу, а также двумя дугами радиусов:
и 
, (30)
где К1 и К2 - коэффициенты внутреннего и внешнего радиусов, которые определяются в зависимости от заложения откоса.
При коэффициенте заложения низового откоса m2 = 2.5, К1 = 0,875 и К2 = 2,025
Т. о.: R1 = 0,875 * 15,0 = 13,1 м;R2 = 2,025 * 15,0 = 30,3 м.
Поверхность сдвига на поперечном профиле плотины представляет собой дугу окружности радиуса 
, проведённую таким образом, чтобы она пересекала гребень плотины и захватывала часть основания. Проведём окружность радиусом R = 30 м
.
Значение коэффициента устойчивости откоса для кривой сдвига вычисляем для 1 м длины плотины в такой последовательности:
(1) Область, ограниченную кривой сдвига и внешним очертанием плотины (массив обрушения), разбиваем вертикальными прямыми на отсеки. Ширина отсеков равна b . При расчёте «вручную» удобно величину b принимать равной 0,1R , центр нулевого отсека размещать под центром кривой сдвига, а остальные отсеки нумеровать с положительными знаками при расположении их вверх по откосу и с отрицательными – вниз к подошве плотины, считая от нулевого отсека.
(2)
Для каждого отсека вычисляем siną
и cos
ą
, где ą
– угол наклона подошвы отсека к горизонту. При b = 0,1*R
значение siną = 0,1*N
, где N
– порядковый номер отсека с учётом его знака; 
.
Рассчитаем величину b :
Далее считаем величины siną , cos ą и вносим в таблицу 2.2. Порядковый номер N определяем по чертежу (рис. 5).
(3)
Определяем средние высоты составных частей каждого отсека, имеющих различные плотности (рис. 5): 
– слоя грунта тела плотины при естественной влажности; 
- слоя грунта тела плотины при насыщении водой; 
- слоя грунта основания при насыщении водой; 
- слоя воды (на рисунке не показан). В качестве средних высот принимаем высоты частей, замеренные по чертежу в середине отсека. При наличии по краям массива обрушения неполных отсеков их эквивалентная средняя высота:
где 
- площадь неполного отсека, определяемая графически. (31)
Определим площади неполных отсеков 10 и –7:
ω 10 = 3,75 м2 ; ω -7 = 0,5 м2 .
Отсюда определяем средние высоты отсеков:
h 10 = ω 10 / b = 3,75 / 3,0 = 1,25 м; h -7 = ω -7 / b = 0,5 / 3 = 0,16 м.
(4) Вычисляем плотность грунта каждого слоя по формулам:
; 
; 
, (32)
где 
- плотность грунта тела плотины при естественной влажности;
- плотность грунта тела плотины при насыщении его водой;
- плотность грунта основания при насыщении водой;
- пористость грунта;
- коэффициент, зависящий от влажности грунта – при влажности, равной 12…18%, 
- плотность воды;
- удельная плотность частиц грунта тела плотины;
- удельная плотность частиц грунта основания плотины.
Физико-механические характеристики грунта следует устанавливать по данным натурных исследований, но так как они отсутствуют, то для предварительных расчётов используем данные таблицы 2.1.
Пользуясь таблицей, указанной в исходных данных, вычислим плотность грунта каждого слоя:
поскольку в основании залегают те же грунты, из которых состоит тело плотины.Табл. 2.1.Характеристики грунта тела плотины
| Грунт | Удельная плотность частиц, т/м3 |
Пористость |
Удельное сцепление грунта, кПа. |
Угол внутреннего трения грунта, град. |
||
естествен- ной влажности |
насыщен- ного водой |
естествен- ной влажности |
насыщен- ного водой |
|||
| Глина | 2,74 | 0,35…0,50 | 3,0…6,0 | 2,0…3,5 | 20…26 | 12…16 |
| Супесь | 2,70 | 0,3…0,45 | 0,5…1,3 | 0,3…0,5 | 25…30 | 20…23 |
| Суглинок | 2,71 | 0,35…0,45 | 2,0…4,0 | 1,5…3,0 | 21…27 | 15…20 |
(5) Определяем приведённые высоты отсеков:
(33)
где - глубина слоя воды над отсеком.
Т. к. 
и , то уравнение можно представить в следующем виде:
(34)
Величины 
и определяем графически по рисунку и вносим в таблицу 2.2. В этой же таблице рассчитываем величину 
Табл. 2.2. Определение действующих сил
| Номер отсека |  |
 |
 |
|
 |
м |
 |
м |
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 |
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0 -0,10 -0,20 -0,30 -0,40 -0,50 -0,60 -0,70 |
0 0,44 0,50 0,71 0,80 0,86 0,92 0,95 0,98 0,99 1,00 0,99 0,98 0,95 0,92 0,86 0,80 0,71 |
3,0 5,0 6,5 7,5 6,6 5,4 4,3 3,1 2,9 2,2 2,0 1,5 1,3 0,8 0,0 0,0 0,0 0,0 |
0,0 5,0 6,5 7,5 8,0 8,3 8,6 9,5 9,7 10,5 10,0 9,5 9,0 8,4 7,0 5,5 3,2 2,5 |
3,0 5,0 7,3 9,5 10,5 11,3 11,0 10,9 9,6 9,2 9,0 8,4 7,5 6,2 4,2 2,9 1,7 1,3 |
2,4 3,5 5,8 7,5 7,8 8,6 8,1 7,3 7,0 6,9 0,0 -0,8 -0,7 -0,8 -0,9 -0,9 -0,7 -0,3 |
30 30 30 25 25 25 22 22 22 22 22 20 20 20 19 18 17 15 |
0,1 1,7 2,7 5,3 5,8 6,1 5,7 5,2 5,1 4,8 4,3 2,4 2,9 2,6 1,8 1,7 0,6 0,7 |
| | 128,7 | 59,8 | 43,9 |
м
(6) Устанавливаем силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения, по следующей формуле:
(35)
Угол внутреннего трения 
зависит от вида грунта и его влажности в зоне кривой сдвига, при отсутствии фактических данных его принимают по таблице 2.1. Значения угла указаны в таблице 2.2.
Величина 
рассчитана для каждого отсека также в таблице 2.2.
Рассчитаем силу трения 
:
.
(7) Подобным образом вычислим касательную составляющую веса массива обрушения:
. (36)
Величина 
рассчитана в табл. 2.2 (для каждого отсека).
Рассчитываем силу 
:
(8) Определим силу сцепления, возникающую на подошве массива обрушения по следующей зависимости:
(37)
где: с1 - удельное сцепление грунта тела плотины при естественной влажности;
с2 - удельное сцепление грунта тела плотины при насыщении водой;
с3 - удельное сцепление грунта основания, насыщенного водой;
l1 – длина дуги AB;
l2 - длина дуги BC;
l3 - длина дуги CD.
Длины дуг кривой сдвига вычисляются по общей формуле:
(38)
где 
– центральный угол круглоцилиндрической поверхности сдвига, опирающийся на дугу l
.
Углы 
измеряются по чертежу (рис. 5):
, 
, 
.
Подставляем измеренные углы в формулу:
; 
; 
.
Рассчитаем силу сцепления 
:
.
(9) Рассчитываем фильтрационную силу:
, (39)
где 
- площадь фигуры KBCDE:
. (40)
- средний градиент фильтрационного потока
, (41)
где 
- падение депрессионной кривой в пределах массива обрушения;
- расстояние, на котором произошло падение депрессионной кривой на .
Определяем эти величины по рисунку 5.
, 
.
.
Подставим найденные величины в формулу
.
(10) Вычисляем значение коэффициента устойчивости откоса:
, (42)
где 
- плечо фильтрационной силы, равное расстоянию от центра кривой сдвига до центра тяжести площади , которое измеряют по чертежу. 
(рис. 5).
Вывод об устойчивости откоса:окончательно можно сделать вывод, что значение, найденное по формуле превышает нормативное, а, значит, обрушение откоса по рассматриваемой поверхности сдвига невозможно.
1.5 Окончательное проектное решение
При проектировании тела плотины в курсовом проекте были выполнены следующие расчёты: определение параметров плотины, фильтрационный расчёт, а также расчёт устойчивости низового откоса методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения.
На основании проведённых расчётов окончательно принимаем следующие размеры плотины: 
, 
, 
, 
. Кроме того, в основании плотины устраиваем зуб.
В ходе выполнения фильтрационного расчёта было определено положение депрессионной кривой, фильтрационный расход воды через тело плотины, высота выхода фильтрационного потока на низовой откос. По результатам этого расчёта проектируем наслонный дренаж. Эта конструкция наиболее проста, доступна для осмотра и ремонта. Наслонный дренаж выполняют после возведения плотины из 2–3 слоёв обратного фильтра, пригруженного слоем каменной наброски. Он не понижает депрессионную кривую, но, являясь пригрузкой, увеличивает устойчивость низового откоса против обрушения и оплывания.
Для того, чтобы защитить верховой откос земляной плотины от воздействия ветра, льда, течения воды, осадков и других факторов СНиП 2.06.05–84 рекомендует следующие крепления: каменное, бетонное, железобетонное, асфальтобетонное и биологическое.
Выполним крепление верхового откоса железобетонными плитами размером 1,51,5 м и толщиной 0,1 м. В нижней части крепления устраиваем упор в виде бетонного массива.
Низовой откос покрываем слоем растительного грунта толщиной 0,2 м с посевом трав.
2. Водосбросные сооружения при грунтовой плотине
Водосбросслужит для пропуска в нижний бьеф паводковых расходов. Для гидроузлов с глухими плотинами можно привести основные типы водосбросов: открытые (с быстротоком или перепадом); закрытые (трубчатые, туннельные); комбинированные.
По конструкции входной части открытые водосбросы различают на фронтальные, траншейные, полигональные и др. Закрытые водосбросы бывают шахтные, трубчато-ковшовые, туннельные, башенные и др.
По условиям управления водосбросы подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.
2.1. Выбор варианта водосброса
Выбор варианта водосброса – это один из наиболее ответственных вопросов проектирования. Тип и конструкция водосброса должны основываться на учёте природных, гидрологических и инженерно-геологических условий района строительства, а также эксплуатации проектируемых сооружений.
На практике оптимальный вариант принимают на основе технико-экономического сравнения различных вариантов. Около 75% построенных сооружений для наиболее вероятных условий низконапорных водохранилищных гидроузлов запроектированы по типовым проектам.
Однако целью данного курсового проекта является самостоятельный выбор типа и конструкции водосброса, а также расчёт его оптимальных размеров.
Исходя из особенностей рельефа (рис. 1), наиболее выгодно конструировать открытый береговой водосброс.
В расчёт берегового водосброса входит определение размеров входного оголовка на пропуск максимального расхода, а также определение размеров водопропускного тракта сооружения и устройств нижнего бьефа сооружения.
Этот расчёт мы будем рассматривать далее.
2.2 Гидравлический расчёт сооружения
2.2.1 Расчёт входного оголовка водослива
Проектируем береговой водосброс с полигональным входным оголовком.
Рассчитаем ширину каждой грани оголовка. Для этого определим его периметр:
(43)
где m – коэффициент расхода водослива, который определяется по формуле Ребока:
, (44)
где Н – напор над оголовком. Н = 0,4 м.
Р – высота входного оголовка. Р = 1,5 м.
Подставим эти значения в формулу (44):
.
В формуле (43) σ
29-04-2015, 00:43