Проектирование плотины в Крыме

V_Z – максимальная скорость ветра, измеренная на высоте Z.

При  НПУ V_Z – 4% обеспеченности, при ФПУ – 50% обеспеченности.

V_40% = 16 м/с, V_50% = 7,3 м/с.

 

 

 

 

 

 

Расчеты при     НПУ     ФПУ

 

Расчетная скорость ветра: V_Р = 1·1·16 = 16 м/с      V_Р = 1·1·7,3 = 7,3 м/с

 

Средние параметры волны в глубоководной  зоне определяем в следующем порядке:

 

Определяем безразмерные величины:

 

         и        (4.3)

 

где   - ускорение свободного падения = 9,81 м/с²;

            - продолжительность действия ветра. Для предварительных расчетов

принимаем = 6 часов;

           - расчетная длина волны, = 5,6 км.

 

= 5,6 км       = 6,2 км

 

 = = 13237     = = 29027

 

 = = 176,3                      = = 937

 

 

По  графику 1.5 [Л1] с 23 по найденным величинам находим:

 

                                      и         (4.4)

 

 

 = 0,09 = 4,4                     = 0,12 = 5,3

 

 = 0,025 = 1,8                  = 0,045 = 2,9

 

 

 

 

Среднюю величину высоты волны  и период Т определяем по минимальным значениям.

 

 = 0,025 = 1,8            = 0,45;    = 0,24

 

= =   = 0   = =   = 0

 

Т = = = 2,94 с  Т = = = 2,16 с

 

 

Средняя длина волны определяется по формуле:

 

λ_d =       (4.5)

λ_d = = = 13,5 м  λ_d = = =7,3 м

 

 

Обеспеченность  высоты волны при определении  высоты каната принимается равной 1% обеспеченности. Высоту волны при  этой обеспеченности определяем по формуле:

 

= К_i ·      (4.6)

 

где  К_i – коэффициент принимается по графику1.6 [Л1] с 24

 

при  = 176,3   К_i = 2,07    = 937   К_i = 2,13

 

= 2,07 · 0,65 = 1,35 м   = 2,13 · 0,24 = 0,51 м

 

 

 

 

 

 

 

Высоту  наката волны для глубоководной  зоны определяем по формуле:

 

= К_т · К_р · К_sр · К_гип · ·                              (4.7)

 

где  К_т и К_р – коэффициент принимается по таблице 1.4 [Л1] с 24,

в зависимости от вида покрытия откоса. Для железобетонных плит К_т= 1,0; К_р= 0,9.

К_sр – коэффициент зависящий от крутизны откоса и скорости ветра.

Принимаем по таблице 1.5 [Л1] с 25,

К_sр = 1,5    К_sр = 1,1

 

К_гип - коэффициент принимается по графику ……… в зависимости

от  отношения λ_d/

₌ =10; К_гип =1,38   ₌ =14,5; К_гип =1,7

 

 

 – коэффициент, учитывающий угол между фронтом волны и

             нормалию к оси плотины. Принимаем =0, тогда = 1,0.

 

Подставляем данные в формулу 1.7, получим:

= 1·0,9·1,5·1,38·1·1,35 =2,52   = 1·0,9·1,1·1,7·1·0,51 =0,86

 

Высоту  ветрового нагона определяем по формуле:

 

∆h = =      (4.8)

 

где   – коэффициент принимается в зависимости от скорости ветра,

 = 2 · 10^-6;

 - глубина воды перед плотиной

  при НПУ  = НПУ -    дна = 74,5 – 51,5 = 23 м;

  при ФПУ  = ФПУ -    дна = 78,2 – 51,5 = 26,7 м.

 

 

∆h = 2 · 10^-6 =0,013 м  ∆h = 2 · 10^-6 =0,003 м

 

 

Подставляем найденные величины в формулу 4.1, получим:

  h = 2,51 + 0,013 + 0,5 = 3,023 м    h = 0,86 + 0,003 + 0,5 = 1,363 м

 

Отметка гребня плотины:

ГП = НПУ+ h =74,5+3,023=77,523м       ГП = ФПУ+ h =78,2+1,36=79,56м

 

Из двух значений принимаем большее значение. Окончательно принимаем отметку гребня ГП = 79,60 м.

 

Определяем  проектную высоту плотины:

 

Н_пр. =       ГП -      осн.,  м     (4.9)

 

где        осн.  – отметка основания плотины, м.

 

  осн. =      тальв. –  t_р.с., м     (4.10)

где       тальв. – отметка тальвега, равная 51,6 м;

t_р.с. – толщина снятия растительного слоя в тальвеге,

t_р.с. = 0,2 м.

 

  осн. = 51,6 – 0,2 = 51,4 м

 Н_пр. = 79,6 – 51,4 = 28,2 м

 

В первые годы эксплуатации плотина даст осадку. Принимая величину осадки для  хорошо укатанных плотин равной 2% от Н_пр., определим строительную высоту плотины:

 

 

Н_стр. = 1,02 · Н_пр. = 1,02 · 28,2 = 28,76 м   (4.11)

 

 

 

 

 

4.1.2 Проектирование гребня плотины

 

Гребень плотины необходим для придания устойчивости поперечному профилю  плотины. Ширину гребня назначаем, исходя из категории проектируемой дороги, равной 8 м. Длина плотины по гребню составляет 199 м. Проезжую часть дороги укрепляем одеждой, в состав которой  входят покрытие и основание. Покрытие выполняем щебенистым, толщиной 0,2 м. Основание выполняет роль дренирующего слоя. Вода из дренирующего слоя корытного  профиля отводится через дренажные  воронки на откосы. Воронки располагаются  по обеим сторонам корыта в шахматном  порядке на расстоянии 4 м друг от друга. Для стока поверхностных  вод гребень выполняем с поперечным уклоном 4% в обе стороны от оси. По краям гребня с обеих сторон устанавливаем сигнальные столбики через 3 м друг от друга. Отметка гребня определена расчетом и составляет 79,6 м.

 

4.1.3 Проектирование откосов плотины.

 

Откосы  плотины ломаного очертания. Крутизна их зависит от высоты плотины, грунтов  тела плотины и основания, способов производства работ. Принимаем следующее  заложение откосов:

верхового – m₁ = 3,0

низового -    m₂ = 2,5

На  обоих откосах проектируем бермы  на отметке 67,00 шириной по 4 м. Берма  низового откоса отводит в нижний бьеф дождевые и талые воды. Для  этого ей придаем поперечный уклон 2% в сторону откоса и устраиваем на внутренней стороне кювет-канаву. Эта берма также служит для  надзора и ремонта откоса.

Верховой  откос плотины подвергается действию волн пруда, ледяного покрова, атмосферному влиянию, поэтому укрепляем его  от отметки 67,00 до отметки 59,10 гравийно-галечниковой обсыпкой, а выше до отметки гребня плотины – железобетонными плитами  ПКО-10 (4×2). Плиты укладываем на подготовку из щебня толщиной 0,2 м и омоноличиваем  в карты. Крепление верхового  откоса производится как с гребня, так и с бермы верхового  откоса.

Низовой откос засеваем многолетними травами  по слою растительного грунта толщиной 0,2 м для ослабления разрушающего действия атмосферных осадков и  ветров. Чтобы грунт не оползал, нарезаем на откосах борозды.

 

4.1.4 Проектирование дренажа

 

Дренаж  плотины предназначен для:

 

• недопущения выхода фильтрационного  потока на низовой откос;
• понижения кривой депрессии, а следовательно, повышения устойчивости низового откоса;

 

• отвода воды, фильтрующейся через  тело плотины и основание в  нижний бьеф;
• предотвращения возникновения фильтрационных деформаций.

В проекте принято дренажное устройство в виде дренажной призмы из камня. Со стороны тела плотины дренаж окружен  обратным фильтром из щебня 

d = 20-40 мм  и разнозернистого песка. Толщина  слоев фильтра 20 см. Дренаж имеет  форму трапеции со следующими  разрезами:

- высота – 4м;

- ширина по верху – 2 м;

- заложение откосов m₁ = 1,5; m₂ = 2,5.

 

 

4.1.5 Проектирование противофильтрационных  устройств

 

Противофильтрационным  устройством является ядро в центральной  части плотины. Ось ядра совмещена  с осью плотины. Ядро отсыпается из суглинков. В поперечном сечении оно имеет форму трапеции с размерами: ширина поверху – 3м, понизу в русловой части – 16 м, крутизна откосов 1:0,25. Верх ядра возвышается над ФПУ на высоту капиллярного поднятия.

 

 

4.1.6 Проектирование сопряжения  тела плотины с основанием и берегами

 

Для предотвращения вредных последствий  фильтрации в основании плотины  и для повышения её устойчивости против плоского сдвига проектируем  в основании замок. Врезка осуществляется в коренные породы на глубину от 1,0 до 9,6 м. Ширина замка по дну 4 м, крутизна откосов 1:1,0.

Сопряжение  тела плотины с берегами выполняется  планировкой откосов наклонными уступами. Перед насыпкой тела плотины  в основании удаляется растительный грунт и грунты с высоким коэффициентом  фильтрации. Затем пропашным плугом рыхлится основание и уплотняется  кулачковыми катками толщиной слоя 20-30 см.

 

 

4.2 Расчет плотины на фильтрацию

 

Целью фильтрационного расчета является определение положения кривой депрессии  в теле плотины и полного фильтрационного  расхода.

Расчет  ведем при отметке НПУ в  пруде.

Определяем  напор по формуле:

 

Н =       НПУ -       тальв. = 74,5 – 51,25 = 23,25 м  (4.12)

 

 

Определяем  положение раздельного сечения:

 

ΔL = · Н = · 23,25 = 9,96 ≈ 10 м  (4.13)

 

Аналитически  определяем расстояние от раздельного  сечения до начала дренажа и проверяем его графически:

 

L=ΔL+(    ГП-    НПУ)·+В_гр+В_бер+(     ГП -     др.)· - (     др –

-     осн.)· =10+(79,6-74,5)·3+8+4+(79,6-55,25)·2,5-(55,25-51,25)·1,5=

= 92,18 м           (4.14)

 

где  ΔL – раздельное сечение, м;

        ГП – отметка гребня плотины, м;

        НПУ – отметка нормального подпорного уровня, м;

В_гр – ширина гребня, м;

В_бер – ширина бермы, м;

 - заложение низового откоса;

- заложение верхового откоса;

       осн. – отметка основания, м;

        др – отметка верха дренажа, м;

 – заложение внутреннего откоса дренажа.

 

Приводим  грунт тела ядра к грунту тела плотины:

 

Я = · = · 10 = 2500 м   (4.15)

 

где   - коэффициент фильтрации грунта тела плотины, =0,08м/сут;

 - коэффициент фильтрации грунта тела ядра, =0,08 м/сут;

 - средняя толщина ядра, м.

 

= = = 10 м

 

Определяем  приведенную длину:

 

  L_пр. = L + Я - = 92,18 + 2500 – 10 = 2582,18 м  (4.16)

 

Определяем  ординату кривой депрессии на входе  в дренаж:

 

   h₁ = - = - 2582,18 = 0,1 м (4.17)

 

Определяем  заход кривой депрессии в дренаж:

 

I = = = 0,05 м     (4.18)

 

Строим  кривую депрессии по уравнению:

 

   y² = 2 h₁· х, м²     (4.19)

 

Задаемся  значением «х» и вычисляем «у», сводя расчеты в таблицу 4.1

 

Таблица 4.1

х	4	8	12	16	20	24	28	32	36	40	44	48	52
у2	0,8	1,6	2,4	3,2	4	4,8	5,6	6,4	7,2	8	8,8	9,6	10,4
у	0,89	1,26	1,55	1,79	2	2,19	2,34	2,53	2,68	2,83	2,97	3,1	3,22

 

Строим  кривую депрессии в системе координат  ХОУ.

Определяем удельный фильтрационный расход через тело плотины:

 

   q_ф = К_ф · h₁ = 20 · 0,1 = 2 м³/сут/м    (4.20)

 

где  К_ф – коэффициент фильтрации грунта тела плотины,

К_ф= 20 м/сут.

 

Полный  фильтрационный расход будет:

 

   Q_ф = q_ф·L_пл= 0,5·2·199 = 199 м³/сут   (4.21)

 

где  L_пл – длина плотины по гребню, м.

 

 

 

 

 

4.3 Расчет  низового откоса на устойчивость

 

Расчет  низового откоса на устойчивость проводим с целью проверки достаточности  заложения низового откоса. Расчет проводим по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

Вычерчиваем низовой клин плотины с осредненным  откосом. В полученный профиль переносим  кривую депрессии. Из середины откоса проводим вверх вертикальную линию  и другую линию под углом 85°  к откосу. Между этими лучами находится  область центров кривых скольжения. Откладываем отрезки АВ и АД в  зависимости от проектной высоты и заложения низового откоса. Проводим дуги ВС и ДF. Получили криволинейный 4-х угольник ВСДF – область центров  кривых скольжения. Расчет ведем, располагая поочередно в этой области 3 центра кривых. Выбираем радиусы R₁=64 м, R₂=72 м и R₃=56 м так, чтобы дуги, соответствующие им, захватили половину гребня, часть поперечного профиля плотины и основания и вышли за низовым откосом.