Вертикальной напорной грани с консолью;

1.  Вертикальной напорной грани с консолью;

2.  Криволинейного участка (дуга окружности радиусом r₁=3 м);

3.  Прямолинейного участка;

4.  Дуги окружности, описанной радиусом R и сопрягающей поверхность водобоя с прямолинейным участком.

3.3 Конструкция гравитационной плотины

Во избежание появления трещин при температурных деформациях или при неравномерной осадке плотина разрезается на отдельные секции по оси быков.

Для предотвращения фильтрации воды через тело плотины вдоль ее напорной грани устраивается дренаж в виде системы вертикальных дрен круглого сечения, которые располагаются на расстоянии . Дрены имеют диаметр 20 см и располагаются с шагом 2 м.

Для отвода дренажной воды, контроля за работой дрен и состоянием бетона плотины, прокладки коммуникаций, установки конторольно-измерительной аппаратуры, проведения цементации швов, а также ремонтно-восстановительных работ устраиваются продольную галерею. Она располагается выше меженного уровня воды в НБ для обеспечения самотечного отвода воды. Ширина галереи – 2 м, высота – 3 м.

Пол галереи – с уклоном 1/50 в сторону водосбросного кювета, который устраивается у стены галереи.

3.4 Выбор схемы подземного контура плотины

Так как плотина располагается на песчаных грунтах бесконечной мощности, то подземный контур состоит из понура, висячего шпунта и дренажа под телом плотины.

3.5 Конструирование элементов подземного контура плотины 3.5.1 Понур

Понур – водонепроницаемое покрытие в ВБ, которое устраивается для удлинения путей фильтрации. Анкерный понур помимо основного назначения повышает устойчивость плотины.

Длина понура устанавливается в соответствии с расчетом фильтрационной прочности грунта основания и устойчивости плотины. Предварительно длина понура назначается равной . Z=8 м – разность отметок НПУ и минимального уровня НБ.

Понур устраивается из жирной и пластичной глины, укладываемой слоями толщиной 10÷25 см с последующим уплотнением. Толщина понура в начальном сечении – 0,6 м, в месте примыкания понура к телу плотины – 2 м.

Сверху глиняный понур пригружается защитным слоем грунта толщиной 1,5 м, который предохраняется от размыва креплением в виде бетонных плит.

3.5.2 Шпунт

Шпунт – вертикальная противофильтрационная преграда, которая является гасителем напора фильтрационного потока. Шпунт располагается со стороны напорной грани плотины, в ее верховом зубе. Глубина забивки шпунта .

3.5.3 Дренажные устройства

Горизонтальный дренаж выполняется из крупнозернистого материала (щебня), защищенного обратным фильтром. Обратный фильтр устраивается из 2‑х слоев несвязных грунтов различной крупности (песок крупнозернистый и щебень). Толщина каждого слоя – 40 см.

3.6 Конструкция водобоя

Водобой выполняется в виде массивной железобетонной плиты, заканчивающейся зубом. Для интенсификации гашения кинетической энергии потока в пределах водобоя располагается водобойная стенка. Ширина водобоя по течению увеличивается, что способствует лучшему гашению избыточной кинетической энергии потока. Угол отклонения береговых устоев от оси водобоя составляет 11^о.

Толщина водобойной плиты определяется из условия ее устойчивости и прочности:

V_с=Q/(B_c·h_c)= 448,8/(40·0,75)=15 м/с – скорость течения в сжатом сечении;

h_c=0,75 м – глубина в сжатом сечении.

Для снятия фильтрационного давления на водобойную плиту под ней устраивают плоский дренаж с обратным фильтром. Профильтровавшаяся вода через дренажные колодцы отводится в НБ. Дренажные колодцы имеют диаметр 1 м и располагаются в шахматном порядке через 5 м в ряду с расстоянием между рядами 5 м.

Плиту водобоя отделяют конструктивным швом от тела плотины. В свою очередь, водобойная плита разрезается вдоль течения продольными вертикальными температурно-осадочными швами, которые совпадают с осями быков.

3.7 Конструкция рисбермы

Конструкция рисбермы гибкая, при возможных деформациях русла сохраняет свою прочность. Рисберма выполняется из сборных железобетонных плит толщиной 0,5 м и проницаема для фильтрационного потока выходящего в НБ. Плиты с размерами 3х4 м укладываются в шахматном порядке, длинной стороной по течению.

Концевой участок рисбермы выполняется в виде предохранительного ковша с заложением верхового откоса 1:4. Ковш загружается галькой крупностью 30÷100 мм.

В пределах рисбермы подводная часть берегового откоса крепится аналогично самой рисберме.

3.8 Конструкция быков

Толщина быков (перегородок между трубами) – 2 м. Отметка верха быков назначается с учетом отметки гребня глухой плотины, наличия мостового перехода и его габаритов по высоте. Исходя из этих условий, высота быка принимается на 2 м выше ФПУ.

	10м

Длина быка назначается из условия размещения транспортного моста. Ширина проезжей части моста определяется его габаритом и шириной тротуаров. Габарит моста Г‑8, ширина проезжей части – 6 м, ширина тротуаров 2х0,75 м, ширина полос безопасности 2х1,0 м.

С учетом выше сказанного длина быка L_б=10 м.

3.9 Конструкция береговых устоев

Лицевая грань устоев в пределах водослива делается аналогичной граням быков.

Береговой устой состоит из трех частей: вертикальной продольной стенки, параллельной быкам на всю длину водослива; верховой и низовой сопрягающих стенок.

Продольная вертикальная стенка объединяется с водосливной частью плотины в единую конструкцию. Отметка гребня вертикальной продольной стенки равна отметке верха быка.

Верховой и низовой открылки выполняются в виде уголковых подпорных стен. Продольная стенка отрезается от открылков конструктивными швами, которые в свою очередь разрезаются температурно-осадочными швами на секции длиной 10 м. Водонепроницаемость швов обеспечена при помощи гидроизоляционных шпонок. Верховые и низовые открылки расширяются в плане под углом 11^о. Толщина открылков по верху – 0,5 м.

4. Расчет фильтрации в основании бетонной плотины

Фильтрация под плотиной является напорной.

На подошву плотины действуют взвешивающее и фильтрационное давление. Суммарное давление (противодавление) на подошву плотины вычисляется по формуле:

γ – удельный вес воды;

l=1 м – длина расчетной секции плотины;

S_вз, S_ф – площадь эпюры взвешивающего и фильтрационного давления, соответственно;

α₂ – коэффициент эффективной площади противодавления.

Фильтрационный расчет подземного контура плотин на нескальном основании выполняется по методу коэффициентов сопротивлений. Подземный контур приводится к расчетной схеме путем исключения различного рода деталей, существенно не влияющих на результаты расчета. Расчет выполняется на 1 погонный метр плотины.

Глубина активной зоны фильтрации определяется по зависимости:

 – при

l₀ – длина горизонтальной проекции подземного контура;

S₀ – длина вертикальной проекции подземного контура.

Так как Т_д= ∞ > Т^’_ак=15,78 м, то Т^’_рас = Т^’_ак=15,78 м.

Схематизированный подземный контур разбивается на ряд участков, для которых вычисляются коэффициенты сопротивления.

1.  Плоский вход и уступ.

2.  Горизонтальный участок 1.

3.  Уступ.

4.  Горизонтальный участок 2.

Т. к. , то

5.  Шпунт.

6.  Горизонтальный участок 3.

Т. к. , то

7.  Уступ и плоский выход.

Сумма коэффициентов сопротивления всех участков контура

Потеря напора на каждом участке контура определяется по зависимости: , а каждая следующая ордината эпюры фильтрационного давления определяется путем вычитания из предыдущей ординаты потерь напора на рассматриваемом участке.

Фильтрационная прочность грунта будет обеспеченна при выполнении условия .

Контролирующий градиент: .

Допустимый градиент: .

5. Расчеты плотины на устойчивость и прочность 5.1 Нагрузки и воздействия на плотину

В основное сочетание нагрузок входят: собственный вес плотины с учетом веса находящихся на ней постоянных устройств, гидростатическое, фильтрационное и волновое давления воды, активное давление грунта и давление наносов со стороны ВБ.

Нагрузки определяются для выделенной расчетной секции. Длина расчетной секции равна 1 м.

Собственный вес плотины находится путем разбивки поперечного профиля плотины на ряд элементов правильной формы, определения их объема и умножения на удельный вес бетона. Аналогично определяется пригрузка воды и грунта.

Гидростатическое давление воды определяется обычными методами гидравлики. Так сила гидростатического давления со стороны ВБ равна ;

Со стороны НБ – .

Для определения волнового давления необходимо знать расчетную высоту волны h в ВБ.

Высота волны 1%-й обеспеченности . k_1%=2,1

 – средняя высота волны, которая зависит от безразмерных величин gt/V_w и gL/ V_w².

V_w=19 м/с – расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем водоема.

L=6000 м – длина разгона волны.

Сила волнового давления равна

Активное давление грунта (гор. составляющая):

Давление наносов со стороны ВБ:

Сила взвешивающего давления:.

Сила фильтрационного давления:.

В соответствии со СНиП 2.06.06–85 коэффициенты надежности по нагрузке принимаются равными единице, следовательно, расчетные нагрузки будут нормативными.

5.2 Определение контактных напряжений

Определение нормальных напряжений на контакте бетонная плотина – основание необходимо для расчета прочности сооружения, а также оценки несущей способности основания.

Расчет удобно выполнять в табличной форме.

Наименование сил	Буквенное обозначение	Расчетные формулы	Величина силы, кН	Плечо, м	Момент относительно т. О, кН·м
Собственный вес плотины	Р1	0,5*10*7,4*1*24	888	-1	-888
	Р2	0,5*7,4х5*1*24	444	-4,3	-1909,2
	Р3	10*4*1*24	960	-1	-960
	Р4	0,5*2*3*1*24	72	-6,7	-482,4
	Р5	2*2*1*24	96	-7	-672
	Р6	1*2*1*24	48	-5	-240
	Р7	0,5*1*1*1*24	12	-3,7	-44,4
	Р8	0,5*1*1*1*24	12	3,7	44,4
	Р9	4*3,6*1*24	345,6	6	2073,6
	Р10	0,5*2*1,4*1*24	33,6	4,5	151,2
Пригрузка воды в ВБ	GВБ	0,5*(11+8)*2*1*9,81	186,39	-7	-1304,73
Пригрузка воды в НБ	GНБ	0,5*4*1,4*1*9,81	27,468	6,7	184,0356
Пригрузка грунта	Gгр	0,5*1*1,6*1*2,66 (1–0,4)	1,2768	-7,7	-9,83136
Сумма			3126,3348
Сила взвешивающего давления	Wвз	(4*16+1*9)*1*9,81	716,13	0	0
Сила фильтрационного давления	Wф	(2*5,37+3 *1,67)*1*9,81	154,5075	-6,2	-957,9465
Сумма			870,6375
Сила гидростат. давления со стороны ВБ	W1	0,5*132*1*9,81	828,9	4,4	3647,358
Сила волнового давления	Wв	0,5*9,8*0,9*1*9,81	43,2621	11,4	493,18794
Сила активного давления грунта	Еа	0,5*15,7* 3,62*tg2(45–30/2)*1	33,91	1,2	40,692
Давление наносов	Ен		3	4	12
Сумма			909,1
Сила гидростат. давления со стороны НБ	W2	0,5*52*1*9,81	122,6	-1,6	-196,2
Сумма			122,625	Сумма М	-1018,2343

Нормальные напряжения в основании плотины определяются по формуле внецентренного сжатия:.

N=2255,7 кН – равнодействующая всех вертикальных сил;

F=bL=16·1=16 м² – площадь подошвы секции плотины;

ΣМ=-1018,2343 кН·м – суммарный момент всех сил относительно точки О;

 – момент сопротивления подошвы секции плотины.

 > 0;

n_с=1 – коэффициент сочетания нагрузок;

m=1 – коэффициент условий работы;

k_н=1,1 – коэффициент надежности (IV класс капитальности);

R₀=270 кПа – расчетное сопротивление грунта основания плотины.

Коэффициент неравномерности нагрузок:

5.3 Расчет устойчивости плотины на сдвиг

Для оснований сложенных глинистыми грунтами расчет по схеме плоского сдвига можно выполнять при выполнении условия:

σ_max – максимальное нормальное напряжение в основании плотины;

b – ширина плотины по основанию;

γ_вз – удельный вес грунта основания во взвешенном состоянии;

Б – безразмерный критерий, принимаемый равным 3 для всех грунтов кроме плотных песков.

За расчетную поверхность сдвига принимается плоскость, проходящая по подошвам зубьев.

Определение нагрузок и воздействий на расчетную секцию плотины удобно вести в табличной форме.

Наименование сил	Буквенное обозначение	Расчетные формулы	Величина силы, кН
Собственный вес плотины	Р1	0,5*10*7,4*1*24	888
	Р2	0,5*7,4х5*1*24	444
	Р3	10*4*1*24	960
	Р4	0,5*2*3*1*24	72
	Р5	2*2*1*24	96
	Р6	1*2*1*24	48
	Р7	0,5*1*1*1*24	12
	Р8	0,5*1*1*1*24	12
	Р9	4*3,6*1*24	345,6
	Р10	0,5*2*1,4*1*24	33,6
Пригрузка воды в ВБ	GВБ	0,5*(11+8)*2*1*9,81	186,39
Пригрузка воды в НБ	GНБ	0,5*4*1,4*1*9,81	27,468
Пригрузка грунта	Gгр	0,5*1*1,6*1*2,66 (1–0,4)	1,2768
Сумма			3126,3348
Сила взвешивающего давления	Wвз	(4*16+1*9)*1*9,81	716,13
Сила фильтрационного давления	Wф	(2*5,37+3 *1,67)*1*9,81	154,5075
Сумма			870,6375
Сила гидростат. давления со стороны ВБ	W1	0,5*132*1*9,81	828,945
Сила волнового давления	Wв	0,5*9,8*0,9*1*9,81	43,2621
Сила активного давления грунта	Еа	0,5*15,7* 3,62*tg2(45–30/2)*1	33,91
Давление наносов	Ен		3
Сумма			909,1
Сила гидростат. давления со стороны НБ	W2	0,5*52*1*9,81	122,63
Сумма горизонтальных сил			786,5

При выполнении условия  плотина будет устойчива на сдвиг.

n_с=1 – коэффициент сочетания нагрузок;

k_н=1,1 – коэффициент надежности;

m=1 – коэффициент условий работы;

N_р=786,5 кН – расчетное значение сдвигающей силы;

 – расчетное значение силы предельного сопротивления при сдвиге;

Устойчивость на сдвиг обеспечена.

5.4 Расчет прочности тела плотины методами сопротивления материалов

Расчет прочности материала тела плотины выполняется для эксплутационного случая при основном сочетании нагрузок. Расчетное сечение II–II проходит в месте ослабления профиля продольной галереей.

Все силы и нагрузки действующие на плотину сводятся в таблицу.

Наименование сил	Буквенное обозначение	Расчетные формулы	Величина силы, кН	Плечо, м	Момент относительно т. О1, кН·м
Собственный вес плотины	Р1	0,5*10*7,4*1*24	888	0	0
	Р2	0,5*7,4х5*1*24	444	-3,3	-1465,2
Сумма			1332
Сила гидростат давления со стороны ВБ	W’1	0,5*82*1*9,81	313,9	2,7	847,53
Сила волнового давления	Wв	0,5*9,8*0,9*1*9,81	43,3	6,4	277,12
Сумма			357,2	Сумма М	-340,55

Нормальные напряжения в расчетном сечении определяются по формуле внецентренного сжатия:.

N=1332 кН – равнодействующая всех вертикальных сил;

F=(10–2)·1=8 м² – площадь сечения расчетной секции плотины;

ΣМ=-340,55 кН·м – суммарный момент всех сил относительно точки О₁;

 – момент сопротивления расчетного сечения.

Главные нормальные напряжения, действующие по площадкам, нормальным к граням плотины, определяются по зависимостям:

На напорной грани плотины  > 0;

На низовой грани плотины.

,  – нормальные напряжения, соответственно, на напорной и низовой гранях плотины.

m₁, m₂ – заложения напорной и низовой граней плотины, соответственно.

у=8 м – заглубление расчетного сечения под НПУ;

γ=9,81 кН/м³ – удельный вес воды.

Прочность в расчетном сечении обеспечена.

n_с=1 – коэффициент сочетания нагрузок;

k_н=1,15 – коэффициент надежности;

m=0,9 – коэффициент условий работы бетона;

R_пр=8,5 МПа=850 кПа – расчетное сопротивление бетона на осевое сжатие.

6. Соображения по пропуску строительных расходов

Пропуск строительных расходов осуществляется без отвода реки из ее бытового русла. Строительство гидроузла ведется в 2 очереди:

1.  Под защитой строительной перемычки 1‑й очереди сифонный водосброс. Пропуск строительных расходов осуществляется через левый рукав реки.

2.  Под защитой строительной перемычки 2‑й очереди отсыпается грунтовая плотина. Пропуск строительных расходов осуществляется через трубы уложенные в левом рукаве реки.

3.  После возведения сифонного водосброса и грунтовой плотины трубы забиваются бетонной пробкой.

Литература

1.  Методическое пособие к курсовому проекту «Бетонная водосбросная плотина» для студентов специальности Т.29.04 – «Гидротехническое строительство» Г.Г. Круглов. Минск 1994.

2.  Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие / Под ред. Д.Д. Лаппо. – М.: Энергоатомиздат, 1988. –432 с.

3.  СНиП 2.06.04 – 82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). – М.: Стройиздат, 1982. –40 с.

4.  СНиП 2.06.06 – 85 Плотины бетонные и железобетонные. – М.: Стройиздат, 1986. –37 с.