Конструирование тела плотины

1.2 Конструирование тела плотины

 

Грунтовая плотина представляет собой насыпь трапецеидального сечения. Общий вид плотины показан на рис. 1.

Один из основных вопросов проектирования грунтовой плотины – определение устойчивого и экономически выгодного её профиля. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, её высоты, характеристик грунта тела плотины и её основания, а также условий строительства и эксплуатации.

При конструировании гребня плотины руководствуются условиями производства работ и эксплуатации плотины. Т.к. необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники, то назначаем его ширину в соответствии с нормами на проектирование дорог. По СНиП 2.06.05–84 ширина гребня плотины должна быть не менее 4,5 м. Принимаем её равной 7,0 м по таблице (в зависимости от категории дороги) /1/.

Так как в нашем случае гребень плотины состоит из глинистого грунта, то во избежание его пучения при морозах необходимо предусматривать защитный слой из песчаного грунта или щебня.

Отметку гребня плотины мы определили в разделе 1.1.

При выборе коэффициентов заложения откосов руководствуются тем, что они должны быть устойчивыми при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и прочих нагрузок.

Верховой откос устраивают более пологим, чем низовой, так как он больше насыщен водой.

Заложение откосов назначают в зависимости от рода грунта, высоты плотины и свойств основания. В соответствии с таблицей 1.6. для однородных плотин из глинистого грунта при высоте менее 15 м коэффициент заложения верхового откоса m₁ = 3, коэффициент заложения низового откоса m₂ = 2,5.

 

Табл. 1.6. Среднее заложение откосов земляных плотин

Высота
	5	5…10	10…15	15…50	50
Верховой откос m1	2.0…2.5	2.25…2.75	2.5…3.0	3.0…4.0	4.0…5.0
Низовой откос m2	1.75…2.0	1.75…2.25	2.0…2.5	2.5…4.0	4.0…4.5

Следует отметить, что в данном курсовом проекте используются средние по высоте заложения откосов. Реальные откосы, особенно у плотин значительной высоты, обычно имеют ломаное очертание с постепенным увеличением пологости к подошве, что позволяет запроектировать более экономичный профиль сооружения.

Для предохранения низового откоса от размыва сосредоточенным потоком дождевых и талых вод через 10 – 15 м по высоте устраивают горизонтальные площадки – бермы шириной 2 – 3 м, а при необходимости проезда по ним – шириной до 6 м. У внутреннего края бермы устраивают кювет для перехвата дождевых и талых вод и отводу их в общую систему дренажа плотины.

Однако в данном курсовом проекте мы не будем предусматривать устройство берм.

Противофильтрационные устройства проектируют из грунтовых и негрунтовых материалов. Конструктивно их выполняют в виде экрана, понура, ядра, диафрагмы, зубьев, шпунтовых стенок и др.

При проектировании противофильтрационных устройств необходимо обеспечить их сопряжение друг с другом, с основанием по подошве и в береговых примыканиях, то есть создать противофильтрационную завесу, конструкцию которой принимают на основе технико-экономического сравнения различных вариантов /1/.

1.3 Фильтрационный расчет тела плотины

В соответствии со СНиП 2.06.05–84 фильтрационные расчёты следует выполнять для определения фильтрационной прочности тела плотины; расчёта устойчивости низового откоса плотины; обоснования необходимости противофильтрационных устройств.

В ходе выполнения расчётов определяют положение депрессионной кривой, фильтрационный расход воды через тело плотины и её основание, место выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф.

Способы и схемы фильтрационных расчётов с большой надёжностью разработаны для плотин, расположенных на водонепроницаемом основании. Под водонепроницаемым понимают такое основание, коэффициент фильтрации которого по сравнению с коэффициентом фильтрации плотины настолько мал, что может быть приравнен к нулю.

Рассчитаем фильтрацию через тело плотины методом эквивалентного профиля для основных типов плотин. В этом методе реальный поперечный профиль плотины заменяют эквивалентным в фильтрационном отношении профилем. В соответствии со СНиП предполагают два допуска:

1) фильтрация в теле плотины не зависит от вида грунта, а только от геометрических размеров;

2) трапецеидальный профиль плотины условно превращают в призму.

Строим кривую депрессии по уравнению:

 (7)

где: у – ордината кривой депрессии;

Н – глубина воды в верхнем бьефе;

q – расход фильтрационного потока через тело плотины:

 (8)

где: К_ф - коэффициент фильтрации тела плотины. К_ф = 0,3 м/сут.

L_p – ширина эквивалентного профиля плотины по основанию:

 (9)

Величину ΔL определяем по формуле:

 (10)

где β – коэффициент, учитывающий крутизну верхового откоса, определяемый по формуле Г.К. Михайлова:

 (11)

где: m₁- коэффициент заложения верхового откоса. m₁ = 3

;

Величину L определяем по следующей зависимости:

, (12)

где: m₂- коэффициент заложения низового откоса. m₂= 2,5

b_гр – ширина гребня плотины. b_гр = 7 м

d – превышение над расчётным уровнем воды. d = 2,96 м

;

.

Рассчитаем высоту выхода депрессионной кривой на низовой откос над уровнем основания плотины в нижнем бьефе:

, (13)

Рассчитаем расход фильтрационного потока через тело плотины:

В формуле (7) х – абсцисса кривой депрессии. Задаём величину х в пределах от 5 м до 55 м.

Для каждого значения х_попределяем величину у_ппо 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 К_я заменяют приведённым ядром призматической формы с коэффициентом фильтрации К_Т. Плотина тем самым приводится к эквивалентной по фильтрационным свойствам однородной плотине.

Порядок расчёта:

1). Находим среднюю толщину ядра:

δ_ср. = (δ₁ + δ₂) / 2, (14)

где δ₁и δ₂ – толщина ядра поверху и понизу.

δ_ср. = (6 + 3) / 2 = 4,5 м

2). Определяем приведённую толщину эквивалентного ядра:

L_пр.я. = δ_{ср. *} К_т / К_я, (15)

L_пр.я. = 4,5 * 0,3 / 0,1 = 13,5 м.

3). Вычисляем приведённую ширину гребня плотины:

b_пр.гр = b_гр + L_пр.я – δ_ср. (16)

b_пр.гр = 7 + 13,5 – 4,5 = 16 м.

4). Величину L определяем по следующей зависимости:

L = m₁ * d + b_пр.гр + m₂ * (H + d), (17)

где m₁и m₂- коэффициенты заложения верхового и низового откосов:

m₁ = 3, m₂= 2,5;

b_пр.гр- ширина гребня плотины: b_гр = 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.

L_p – 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 + x_в и от x = ∆L + x_в + L_пр.я. до x = L_р.

Строим кривую депрессии по уравнению, полученному с учётом эмпирических параметровﮈ^h и q:

 (20)

где: Н – напор воды в верхнем бьефе, м;

k_т- 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 строим кривую депрессии (рис. 3).