Крепление верхового откоса плотины подразделяется на основное (в зоне наиболее интенсивного волнового и ледового воздействий) и облегченное, располагаемое ниже основного крепления.
Верхней границей основного крепления, как правило, является
гребень плотины. Нижняя граница основного крепления принимается на отметке (рис.3.1), заглубленной на величину Нкр = 2h1% под минимальный уровень воды в водохранилище (УМО). Нижняя граница облегченного крепления принимается на отметке, где донные волновые скорости не превышают размывающих скоростей для грунта откоса плотины. Ориентировочно нижнюю границу облегченного крепления можно принимать на отметке, заглубленной на величину Нкр под нижнюю границу основного крепления.
Часть низового откоса земляных плотин, подверженная воздействию льда и волн со стороны нижнего бьефа, крепится аналогично верховому. Остальная часть низового откоса защищается от разрушения атмосферными осадками, либо посевом трав по слою растительного грунта толщиной 0,2...0,3 м, либо отсыпкой гравия или щебня толщиной 0,2 м.
Противофильтрационные устройства. Противофильтрационные устройства выполняются из материалов значительно менее водопроницаемых, чем материал тела плотины. Это либо слабоводопроницаемые грунты (глины, суглинки и др.) и их смеси, либо негрунтовые материалы (бетон, железобетон, асфальтобетон, полимерные пленки и т.д.).
В земляных плотинах чаще всего применяются грунтовые противофильтрационные устройства в виде экранов, а при глубоком залегании водоупора - экранов в сочетании с понуром и вертикальных ядер (рис. 3.1). Наклонные ядра применяются редко.
Толщина ядер и экранов принимается переменной, увеличивающейся сверху вниз. Минимальная толщина ядра или экрана поверху назначается в зависимости от используемых для их возведения машин и механизмов, но во всех случаях должна быть не менее
0,8 м (при использовании современных средств механизации обычно не менее 3 м). Толщина понизу назначается таким образом, чтобы градиенты фильтрационного потока были меньше их критических значений
, (3.11)
где J - действующий средний градиент напора в ядре или экране;
dн я - толщина ядра (экрана) понизу;
Н - напор на плотину;
kн - коэффициент надежности, принимаемый в зависимости от класса капитальности плотины (табл.3.9);
JКр - критический средний градиент напора, принимаемый по табл.3.8.
Таблица 3.8
| Грунт |
Значение критических средних градиентов напора JКр для |
||
| понура |
ядра и экрана |
тела и призмы плотины |
|
| Глина, глинобетон |
15 |
12 |
8...2 |
| Суглинок |
10 |
8 |
4...1,5 |
| Супесь |
3 |
2 |
2. ..1 |
| Песок: средний |
- |
- |
1 |
| мелкий |
- |
- |
0,75 |
Отметка гребня ядра и экрана должна быть не ниже отметки ФПУ с учетом высоты наката и ветрового нагона уровня воды. Сверху гребень ядра и экрана покрывается защитным слоем песка толщиной не менее глубины промерзания грунта в районе строительства плотины.
Если тело плотины отсыпается из крупнозернистых грунтов (галька, гравий), то по границам с ядром и экраном с верховой и низовой стороны укладывают переходные слои по типу обратного фильтра. .
С верховой стороны экран покрывается защитным слоем. Заложение откосов экрана назначается из условия обеспечения устойчивости на сдвиг защитного слоя по экрану и экрана вместе с защитным слоем по грунту тела плотина. При этом наклон верхового откоса экрана к горизонту должен быть больше угла внутреннего трения грунта тела плотины; заложение верхового откоса принимается не менее 2,5...3.
При глубоком залегании в основании плотины водоупора экран и ядро может устраиваться с понуром. Как правило, понур выполняется из того же материала, что и экран. Длина понура назначается в соответствии с фильтрационными расчетами, чаще всего она равняется Ln = (1...2)Н. Толщина понура определяется из условия (3.11), причем минимальное ее значение должно быть больше 0,5 м. Для обеспечения хорошего сопряжения понура с экраном толщина его увеличивается по направлению к экрану. Сверху понур пригружается защитным слоем из несвязного грунта толщиной не менее 1...2 м.
Если понур укладывается на крупнозернистый грунт или сильно трещиноватую скалу, под ним устраивается обратный фильтр.
. Дренажные устройства. Дренажные устройства в теле земляной плотины предназначены для сбора и организованного отвода в нижний бьеф фильтрационного потока, недопущения его выхода на незащищенный низовой откос плотины и в зону, подверженную промерзанию, а также ускорения консолидации глинистых грунтов и уменьшения порового давления в теле плотины и основании.
Обычно дренаж состоит из двух частей: приемной, которая выполняется в виде обратного фильтра, и отводящей, выполняемой из камня, дренажных труб, пористого бетона и т.д. По длине плотины могут устраиваться дренажи различной конструкции. Наиболее распространенные конструкции дренажей тела земляных плотин приведены на рис.3.3.
Дренажная призма (банкет) устраивается чаще всего на русловых участках плотины. Превышение гребня дренажной призмы над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе hs определяется с запасом на волнение и должно быть не менее 0,5 м. Минимальная ширина призмы поверху 1 м. Для предотвращения выноса фильтрационным потоком мелких частиц грунта тела плотины и основания в дренажную призму сопряжение ее с телом плотины и основанием выполняется в виде одного или нескольких слоев обратного фильтра.
Наслонный дренаж применяется, как правило, на участках плотины, перекрывающих затапливаемую пойму. Толщина наслонного дренажа назначается из условий производства работ, но не менее
t = 5 d 85 + tf (3.12)
где tf - толщина обратного фильтра, принимаемая не менее 20 см для каждого слоя.
Превышение гребня наслонного дренажа hs над максимальным уровнем НБ принимается как для дренажной призмы.
Трубчатый дренаж используется на тех участках плотины, где отсутствует вода в нижнем бьефе. Выполняется он из гончарных, перфорированных бетонных или асбестоцементных труб, в также труб из пористого бетона, уложенных с уклоном параллельно подошве низового откоса и обсыпанных обратным фильтром. Поперечное сечение дренажных труб определяется гидравлическим расчетом из условия обеспечения в них безнапорного движения воды. Минимальный диаметр дренажных труб 200 мм. По длине трубчатого дренажа через каждые 50...200 м устраиваются смотровые колодцы.
Сопряжение тела плотины с основанием, берегами и бетонными сооружениями. Для обеспечения надежного контакта тела плотины с основанием предусматриваются следующие мероприятия:
а) При скальном основании с поверхности удаляются аллювиальные отложения и верхний сильнотрещиноватый слой скалы. Крупные тектонические трещины очищаются и заделываются бетоном. Противофильтрационные устройства тела плотины врезаются в основание в виде зуба, а в грунте основания устраивается противофильтрационная завеса (глубина ее обычно равна (0,5..0,8)Н);
б) При нескальном основании удаляется верхний растительный слой грунта, пронизанный корневищами деревьев и кустарников (0,3 ...0,5 м). Сопряжения ядра или экрана с водонепроницаемым основанием выполняется в виде зуба. Если плотина располагается на водопроницаемом слое небольшой мощности, то сопряжение тела плотины или ее противофильтрационных устройств с водоупором осуществляется при помощи глубокого зуба, стенки, шпунта или инъекционной завесы. При значительной мощности водопроницаемого слоя могут выполняться шпунтовые ряды, буробетонные или траншейные стенки, инъекционные завесы или устраивают плотины с экраном и понуром. Противофильтрационные устройства в основании плотины всегда должны сопрягаться с противофильтрационными элементами тела плотины.
Сопряжение тела плотины с берегами осуществляется по наклонным плоскостям, при планировке которых необходимо избегать резких переломов и нависающих участков.
Для обеспечения хорошего контакта грунта тела плотины с бетонными сооружениями (плотины, водосбросы, здания ГЭС и т.д.) их примыкающим поверхностях придается уклон в сторону земляной плотины не более чем 10:1. Для борьбы с контактной фильтрацией сопряжение бетонных сооружений с земляной плотиной осуществляется при помощи противофильтрационных диафрагм из бетона, железобетона или металлического шпунта, врезающихся в тело плотины. Диафрагмы располагают в зоне противофильтрационных элементов, а в однородных плотинах - в пределах верхового клина или центральной части плотины.
3. 2. Фильтрационные расчеты.
Фильтрационные расчеты земляных плотин выполняются с целью определения положения депрессионной кривой, установления градиентов и скоростей фильтрационного потока и определения фильтрационного расхода.
Для выполнения этих расчетов плотина со всеми элементами вычерчивается на миллиметровой бумаге, устанавливаются коэффициенты фильтрации грунта основания (kос
), тела плотины (kт
) и противофильтрационного устройства, а также местоположение водоупора. За водоупор принимается грунт, соответствующий условию kт
/ kос 
25. Расчеты выполняются для двух поперечных сечений плотины с различными конструкциями дренажных устройств: в русле (максимальная высота плотины и наличие воды в НБ) и на пойме (при отсутствии воды в НБ). В качестве расчетных уровней воды принимаются: в верхнем бьефе - НПУ; в нижнем бьефе (для руслового сечения) - максимально возможный уровень, но не более 0,2 Нпл
(Нпл
- высота плотины), т.к. результаты фильтрационных расчетов в дальнейшем будут использоваться для проверки устойчивости откосов плотины.
В соответствии с принятым типом плотины, конструкцией противофильтрационных и дренажных устройств выбирается расчетная схема плотины и соответствующий ей метод фильтрационного расчета. Расчетные схемы и методы приведены в литературе [1,2,4]. Фильтрационные расчеты выполняются на ЭВМ.
3. 3. Расчеты устойчивости откосов.
Целью расчета является определение минимальных коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины для принятого поперечного профиля. Найденный минимальный коэффициент должен быть равным или большим (но не более чем на 10%) допустимого коэффициента запаса устойчивости откоса, принимаемого по табл. 3.9.
Расчеты устойчивости откосов земляных плотин всех классов выполняются для плоской задачи (на 1 п.м. длины плотины) по методам плоских или круглоцилиндрических поверхностей скольжения.
Таблица 3.9
| Сочетание нагрузок |
Значение [ K] для плотин класса |
|||||
| и воздействий |
I |
II |
III |
IV |
||
| Основное |
1,25 |
1,2 |
1,15 |
1,10 |
||
| Особое |
1,1 |
1,1 |
1,05 |
1,05 |
||
Расчет устойчивости экрана и защитного слоя. Этот расчет выполняется по методу плоских поверхностей скольжения, проходящих по контакту защитного слоя и экрана (проверка устойчивости защитного слоя) и по контакту экрана и тела плотины (проверка устойчивости экрана вместе с защитным слоем).
Коэффициент запаса устойчивости защитного слоя или экрана вместе с защитным слоем определяется как отношение пассивного ЕП и активного Еа давлений, действующих соответственно слева и справа от вертикали АВ (рис.3.4)
К
= 
,
(3.13)
Еа = G1 cosq1 sinq1 , (3.14)
ЕП = G1 cos2 q1 tgj + G2 tg(j + q2 ) + C(L1 cosq1 + L2 cosq2 ). (3.15)
Здесь G1 - вес защитного слоя (или экрана с защитным слоем)
справа от вертикали АВ;
q1 - угол наклона защитного слоя или экрана к горизонту;
j - угол внутреннего трения (не контакте двух грунтов принимается меньшее значение);
G2
- вес части защитного слоя (или экрана с защитным слоем) слева от вертикали АВ, дающий минимальное значение слагаемого G2
tg(j+
2
). Минимальное значение этого слагаемого определяется подбором, задаваясь различными значениями угла q2
c интервалом 50
, начиная c q2
=0°;
С - сцепление (при расчете защитного слоя С =0);
L1 = BD - длина плоскости скольжения защитного слоя по экрану (или экрана вместе с защитным слоем по телу плотины);
L2 - длина основания защитного слоя (или экрана вместе с защитным слоем) слева от вертикали АB, соответствующая, минимальному значению слагаемого
G2
tg(j+2
) .
Если G2
tg(j+2
)min
при q2
= 0, то L2
= ВС.
Расчет устойчивости низового откоса. Расчет устойчивости низового откоса плотины выполняется по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения для основного расчетного случая, соответствующего установившейся фильтрации в теле плотины, когда уровень воды в BБ равен НПУ, а в нижнем бьефе - максимально возможному уровню, но не более 0,2 Нпл .
На миллиметровой бумаге в масштабе вычерчивается поперечное сечение плотины в русловой ее части (рис. 3.5), наносится кривая депрессии, а низовой откос с переменным заложением или при наличии на нем берм усредняется. Из середины этого откоса (точка "с") проводится вертикаль СД и линия СЕ под углом 850 к откосу. Из точек "А" и "В" как из центров очерчиваются две дуги окружности с радиусом R0 , которые пересекаются в точке "0". Значение радиуса определяется как
R0
= 
(3.16)
Величины RH и RB определяются по табл. 3.10 в долях высота плотины.
Проведя из точки "с" дугу радиусом r = ОС/2 до пересечения с линиями СД и СЕ, находится многоугольник Oedba, в котором располагаются центры наиболее опасных поверхностей скольжения.
Расчетная кривая скольжения радиусом R должна пересекать гребень плотины и захватывать часть основания плотины, если в основании расположен нескальный грунт. В случае скального грунта основания кривая скольжения должна касаться его поверхности.
Таблица 3.10
| Значения радиусов RH и RB |
Заложение откоса ,м |
||||||
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
| RH /Hпл |
1,1 |
1,4 |
1.9 |
2,5 |
3,3 |
4,3 |
|
| RB /Hпл |
2,2 |
2,5 |
3,2 |
4,7 |
5,8 |
6,7 |
|
Выделенная призма обрушения разбивается на "n" отсеков шириной b = 0,1 R. Разбивку на отсеки начинают с нулевого, середина которого располагается на вертикали, проходящей через центр кривой скольжения,
Коэффициент запаса устойчивости низового откоса определяется по формуле А.А.Ничипоровича
Ks
= 
, (3.17)
где Gi - вес грунта и воды в пределах i -го отсека;
Рi - равнодействующая давления воды по подошве i -го отсека;
ji - угол внутреннего трения грунта i -го отсека;
ai - угол между вертикалью и линией, соединяющей центр кривой скольжения с серединой i -го отсека;
ci - удельное сцепление грунта i-го отсека по линия кривой скольжения
В общем случае, если в пределах рассматриваемого отсека проходит кривая депрессии, а над отсеком имеется столб воды, вес его определяется по формуле
Gi
= (
gi +
g н
i
т
.
п
. + 
+ hi
) bi
, (3.18)
где 
- высота части отсека, от линии откоса до кривой депрессии, измеренная по его середине;
- высота части отсека, насыщенного водой (от подошвы плотины до кривой депрессии);
- высота части отсека от кривой скольжения до подошвы плотины;
hi - высота столба воды над отсеком;
, g н
i
т.п., 
- удельный вес грунта естественной влажности и грунта тела плотины и основания насыщенного водой ;
- удельный вес воды.
Равнодействующая давления воды по подошве отсека определяется как сумма взвешивающего, фильтрационного и порового давления
Рi =PВЗ +РФ +РК (3.19)
Поровое давление РК необходимо учитывать при расчетах устойчивости откосов плотин высотой более 40м, а также при расчетах плотин высотой менее 40 м в следующих случаях: при намыве грунта или отсыпке его в воду, при возведении плотин из маловодопроницаемого грунта, при наличии в основании плотины глинистых грунтов мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции.
При расчете устойчивости низового откоса в условиях установившейся фильтрации равнодействующая давления воды будет состоять из фильтрационного и взвешивающего давления и определяется по формуле:
Рi =
(
+ 
)
bi
/cosai
(3.20)
Расчеты по определению коэффициента запаса устойчивости удобно вести в табличной форме следующего вида.
Таблица 3.11
| № отсеков |
sin a |
cos a 29-04-2015, 01:00 Разделы сайта |