 |
Определение параметров и конструктивных
|
|
|
|
Элементов плотины
Цель занятия: закрепление знаний по конструкциям земляных плотин.
Материальное обеспечение: методические разработки.
Основными техническими требованиями, которым должен удовлетворять створ плотины, являются: возможность создания и сохранения в пруду необходимой емкости, низкая водопроницаемость грунтов ложа, возможность надежного сброса или задержания многоводных паводков, соблюдение санитарных требований.
Выбор типа плотины производится в зависимости от топографических, инженерно-геологических, гидрологических, климатических условий и величины напора, максимального расхода воды, хозяйственно-строительных условий и технической эксплуатации плотины на основании технико-экономического сравнения вариантов.
Тип и конструкцию земляной плотины выбирают так, чтобы можно было использовать грунты из полезных выемок для тела плотины (например, с трассы водосброса) и местные грунтовые материалы для противофильтрационных устройств. При атмосферных осадках более 300 — 400 мм в год и продолжительной зиме (более полугода) целесообразнее устраивать плотины из более легких по мехсоставу грунтов.
Земляные плотины возводят из однородных и неоднородных грунтов на водопроницаемых и водонепроницаемых основаниях. Лучшими строительными грунтами считаются легкие и средние суглинки, супеси. Используются пески (кроме пылеватых, плывучих при намокании), тяжелые суглинки, лессовидные суглинки с соответствующими обоснованиями и защитой. Исключение составляют глины (разбухающие от воды) и грунты, содержащие растворимые соли более 5% по массе, а также грунты, содержащие слаборазложившиеся органические вещества (торф) более 5% по массе. Все указанные грунты в большей или меньшей степени водопроницаемы, т.е. подпор воды перед плотиной вызывает фильтрационный поток в теле плотины, в ее основании и берегах. По конструкции поперечного профиля, в зависимости от грунтового материала и противофильтрационных устройств, насыпные плотины классифицируются на следующие типы (рис.2).
|
|
|
Рисунок 2 – Типы земляных насыпных плотин
1.1 – из однородного грунта; 1.2 – с ядром; 1.3 – с экраном из грунта; 1.4 – из неоднородного грунта.
1- верховой (мокрый) откос; 2 – бровка гребня; 3 – гребень; 4 – низовой (сухой) откос; 5 – тело плотины; 6 – подошва; 7 – ядро; 8 – экран; 9 – защитный слой; 10 – переходные зоны; 11 - центральная призма.
Для предупреждения фильтрации между телом плотины и ее основанием, а также через само основание, в зависимости от мощности водопроницаемой толщи, выработаны следующие виды сопряжений тела плотины с основанием (рис.3; табл. 2).
Рисунок 3 – Конструкции противофильтрационных устройств
1 – замок; 2 – зуб; 3 – шпунтовый (свайный ряд); 4 – ядро;
5 – переходные зоны
Таблица 2 - Рекомендуемые типы низконапорных земляных плотин
и противофильтрационных устройств
| Строительные грунты, Кф — коэф. фильтрации, м/сут. | |||||
| Грунты оснований, мощность, м | легкий суглинок, супесь Кф =0.05 — 0.7 | пески крупно-, средне-, мелкозернистые Кф= 1 — 0.75 | средние и тяжелые суглинки Кф = 0.005 —0.05 | ||
| Водонепроницаемые (глинистые) 10 м и более | Однородная плотина с дренажем | Плотина с ядром и зубом, дренажем | Однородная плотина с дренажем и защитным покрытием откосов | ||
| Водонепроницаемые до 2 м, водопроницаемые ниже песчаные или трещиноватые грунты | Однородная плотина с дренажем | Плотина с ядром и замком, дренажем | Однородная плотина с дренажем и защитным покрытием откосов | ||
| Если водонепроницаемость меньше 2 метров, возможен шпунтовый ряд | |||||
| Водопроницаемый до 2 м | Однородная плотина с замком и дренажем | Плотина с ядром и замком, дренажем | Однородная плотина с замком, дренажем и защитным покровом откосов | ||
| Водопроницаемые от 0 до 5 м | Однородная плотина с зубом, шпунтовым рядом (или понуром) и дренажем | Плотина с ядром, зубом и шпунтовым рядом (или понуром) и дренажем | Однородная плотина с зубом, шпунтовым рядом (или понуром) дренажем и защитным покрытием откосов | ||
| Водопроницаемые более 5 м | Однородная плотина с зубом и понуром, с дренажем | Плотина с ядром, зубом и понуром, и дренажем | Однородная плотина с зубом, понуром и защитным покрытием откосов, дренажем | ||
| Сложные по водопроницаемости (слоистые) грунты | Однородная плотина с дренажем | Плотина с ядром, дренажем | Однородная плотина с дренажем и защитным покрытием откосов | ||
| Конструкции требуют особого выбора и обоснования | |||||
|
|
|
Кратко охарактеризуем типы плотин и противофильтрационные устройства. Однородная плотина возводится из однородного, относительно водонепроницаемого грунта (суглинок и др.), имеющегося в достаточном количестве на месте строительства.
Плотина с ядром из грунтовых материалов возводится при наличии относительно водопроницаемого грунта на месте строительства (песок и др.). Грунт для водонепроницаемого ядра добывается в районе строительства, допускаются достаточно трудоемкие вскрышные работы по добыче этих грунтов в месте строительства плотины. Плотины с экраном возводить не рекомендуется в связи с удорожанием строительства и недостатками экрана — подверженностью деформации при осадке тела плотины и основания под тяжестью плотины.
Для уменьшения потерь воды из водохранилища через тело плотины и грунты оснований устраивают специальные противофильтрационные преграды из глинистых грунтов. Приводимые размеры выработаны исходя из строительных условий, широкой механизации работ, условий промерзания тяжелых грунтов и других, над которыми в конечном итоге главенствует экономичность.
Ядро размещают вертикально в средней части плотины по возможности (условия промерзания) ближе к верховому откосу. Толщина поверху не менее 0.8 — 1.0 м, понизу — минимально 3 м, окончательный размер контролируется фильтрационными расчетами. Гребень ядра не ниже ФПУ водохранилища. Если строительный грунт тела плотины суффозионный, то устраивают переходные слои по боковым границам ядра (обратный фильтр) от основания до места пересечения линией депрессии ядра. С водопроницаемым основанием мощностью более 2-х метров ядро сопрягается зубом, глубина которого зависит от качества основания.
|
|
|
Замок как и зуб — это канава с естественными откосами, заполняемая глинистым грунтом. Располагается, желательно, ближе к середине верхового откоса и заглубляется в водоупор на 0.5 м. Водопроницаемое основание мощностью более 3-х метров перекрывается с помощью 1 — 1.5 метровой глубины зубом и шпунтовым рядом с заглублением в водоупор. Шпунт может быть и “висячим”. Шпунтовый ряд представляет собой забитые в грунт, тесно прислоненные друг к другу, сосновые пластины (распиленные по длине бревна с диаметром 16 — 18 см в верхнем отрубе). При мощности водопроницаемого основания плотины более 5 метров устраивается глинистый понур. Это — “пол“, протянутый от ядра или экрана (если плотина однородная — то от верхового откоса) в сторону водохранилища по дну и берегам овраго-балки. Длину понура назначают по расчету казуальной фильтрационной прочности основания плотины. Наименьшая конструктивная толщина грунтового понура — 0.5 м.
При сооружении плотины из средних и тяжелых суглинков предусматривается защитное покрытие откосов толщиной, равной глубине промерзания. Защитное покрытие устраивается из песчано-гравелистых грунтов (рис. 2).
Все однородные плотины, а иногда и плотины с ядром оборудуются дренажными сооружениями в низовом клине плотины для организованного отвода профильтровавшейся воды. Для облегчения выбора типа и конструкции плотины предлагается таблица 2, которой можно воспользоваться после тщательного анализа геологических скважин проектного задания. Входами в таблицу служат имеющийся гидростроительный грунт и грунт оснований.
При проектировании тела плотины отметки НПУ и ФПУ должны быть рассчитаны. Гребень плотины располагают выше расчетного уровня воды водохранилища:
|
|
|
Нпл = Н + d, (2.1)
где Н — расчетная глубина воды (на отметке НПУ), м;
d — возвышение гребня над расчетным уровнем воды, м.
Примечание:
1. Выбор типа и конструкции плотины обязательно увязывается с преподавателем.
2. Создание водонепроницаемой преграды, сопрягающей тел плотины с водоупором основания, имеет смысл только в том случае, когда грунт основания до водоупора более водопроницаем, чем грунт тела плотины.
СНиП рекомендует несколько вариантов нахождения d. Воспользуемся рекомендациями профессора К.В. Попова для определения превышения гребня, но уже над уровнем ФПУ:
d = C + Z, (2.2)
где С — высота ветровой волны при самом сильном ветре, м;
Z — конструктивный запас в пределах 0.25 — 0.75 м.
Для открытых мелких водохранилищ глубиной 5 — 7 м значение С определим по формуле Д.Л. Соловьева:
С = 0,073V, (2.3)
где V — скорость ветра, м/с (для конкретной области).
В нашем примере получаем:
С = 0.073х 14 = 1,0 м
Принимая Z = 0.5 м, определяем превышение гребня плотины
d = 1,0 + 0,5 = 1,5 м над уровнем ФПУ.
Обычно по гребню плотины строят дорогу. Для небольших плотин и внутрихозяйственных дорог ширина гребня плотины равна 6,5 м (ширина проезжей части 3,5 м). Иногда гребень используется для межхозяйственных дорог. Тогда, согласно СНиП П-53-73, параметры дороги нормируются Y классом. В любом случае проезжую часть устраивают в виде каменного мощения или асфальто-бетонного покрытия через 1 — 2 года после устройства плотины (усадка). Для стока воды гребень плотины делается выпуклым с уклоном в обе стороны от оси плотины (i = 0,015 — 0,030). Предусматривается ограждение дорог.
Откосы плотин при относительно небольшой высоте плотины назначают на основании данных практики. Слишком крутые — могут обрушиться, а излишне пологие повлекут за собой увеличение объема тела плотины. Поэтому крутизна откосов выбирается тщательно, а для плотин с конструктивной высотой более 15 м проверяется специальным расчетом. СНиП рекомендует следующие коэффициенты заложения откосов (табл. 3)
Таблица 3 - Коэффициенты заложения откосов
| Откос | Расчетная высота и грунт плотины | |||||
| до 5 м | 5... 10 м | 10... 15 м | ||||
| глинистый | песчаный | глинистый | песчаный | глинистый | песчаный | |
| верховой (мокрый) m1 | 2,0 | 2,5 | 2,5 | 3,0 | 3,0 | 3,0 |
| низовой с дренажем, m2 | 1,5 | 2,0 | 1,75 | 2,0 | 1,75 | 2,0 |
| низовой без дренажа, m2 | 1,75 | 2,0 | 2,0 | 2,25 | 2,25 | 2,25 |
Верховой откос (мокрый), находящийся под постоянной нагрузкой воды принимается более пологим. При этом имеют ввиду, что
|
|
|
m = ctga = 
(величина обратная уклону),
где a — угол, образованный линией основания и линией откоса.
После назначения коэффициентов заложения откосов, ширины гребня, расчета конструктивной высоты плотины строят поперечный профиль плотины.
|
|
|
