Плотина из грунтовых материалов

Условия фильтрационной прочности выполняются, фильтрационная прочность грунта тела плотины обеспечена.

для основания плотины

,                                                                               (4.10)

,

0,111<0,365.

Условия фильтрационной прочности выполняются, фильтрационная прочность грунта основания  обеспечена.

для места выхода фильтрационного  потока в нижний бьеф

 

4.2 Расчет статической устойчивости откосов

Рассматривается устойчивость низового откоса для основного расчетного случая. В верхнем бьефе – НПУ, в теле плотины – установившаяся фильтрация, в нижнем бьефе –  СВУНБ, т.к. при этом уровне глубина  воды в нижнем бьефе не превышает 0,2 от высоты плотины (если превышает, то расчетный уровень РУ – 0,2 от высоты плотины).

Поверхность обрушения рассматривается  в виде кругло цилиндрической кривой. Условно рассматривается одна кривая обрушения. Схема к расчету представлена на рисунке 9.

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – Схема к расчету устойчивости низового откоса 

 

Критерием устойчивости откоса плотины  является следующее условие:

     (4.11)

где  - коэффициент устойчивости наиболее опасной кривой обрушения;

- коэффициент надежности по нагрузке по[1, табл. 9], ;

- коэффициент сочетания нагрузок по[1, табл. 10], ;

- коэффициент условий работы  по[1, табл. 11], .

Для вычисления условно проводится одна кривая обрушения. Вычисление ведётся по следующей формуле:

  (4.12)

где  - вес i-го отсека;

- угол внутреннего трения;

- радиус кривой обрушения;

- плечо центра тяжести площади зоны обрушения ниже кривой депрессии;

- плотность воды;

Y - средний уклон фильтрационного потока в пределах зоны обрушения;

      (4.13)

Так как  на 2,5% откос можно считать устойчивым, и заложение откоса выбрано экономичным.

 

 

Таблица 1 – К расчету устойчивости низового откоса плотины

№
9	0,9	0,43	2,9	2,9	1,68	4,87	-	1,09	-	-	1,84	-	-	1,05	-	-	1,09	-	4,87	2,09	4,38	0,48	1,01	3,3	7,67
8	0,8	0,60	7,8	7,1	1,68	11,93	-	1,09	-	0,7	1,84	1,29	-	1,05	-	-	1,09	-	13,22	7,93	10,57	0,42	3,33	2,3	3,83
7	0,7	0,71	11,4	7,1	1,68	11,93	-	1,09	-	4,3	1,84	7,91	-	1,05	-	-	1,09	-	19,84	14,09	13,89	0,42	5,92	2,3	3,24
6	0,6	0,80	13,1	6,2	1,68	10,42	1,8	1,09	1,96	5,1	1,84	9,38	-	1,05	-	-	1,09	-	21,76	17,41	13,06	0,42	7,31	2,3	2,88
5	0,5	0,87	14,0	5,3	1,68	8,90	3,3	1,09	3,60	4,4	1,84	8,10	1,0	1,05	1,05	-	1,09	-	21,65	18,83	10,82	0,42	7,91	2,3	2,64
4	0,4	0,92	14,4	4,5	1,68	7,56	3,3	1,09	3,60	3,8	1,84	6,99	2,5	1,05	2,63	0,3	1,09	0,33	20,77	19,11	8,31	0,42	8,03	2,3	2,50
3	0,3	0,95	14,3	3,6	1,68	6,05	3,3	1,09	3,60	3,2	1,84	5,89	2,5	1,05	2,63	1,7	1,09	1,85	18,16	17,25	5,45	0,42	7,25	2,3	2,42
2	0,2	0,98	13,8	2,7	1,68	4,54	3,3	1,09	3,60	2,6	1,84	4,78	2,5	1,05	2,63	2,7	1,09	2,94	15,54	15,23	3,11	0,42	6,40	2,3	2,35
1	0,1	0	12,9	1,8	1,68	3,02	3,3	1,09	3,60	2,0	1,84	3,68	2,5	1,05	2,63	3,3	1,09	3,60	12,93	0,00	1,29	0,42	0,00	2,3	0,00
0	0	1	11,6	1,0	1,68	1,68	3,3	1,09	3,60	1,4	1,84	2,58	2,5	1,05	2,63	3,4	1,09	3,71	10,48	10,48	0,00	0,42	4,40	2,3	2,30
-1	-0,1	0	9,9	0,3	1,68	0,50	3,3	1,09	3,60	0,6	1,84	1,10	2,5	1,05	2,63	3,2	1,09	3,49	7,83	0,00	-0,78	0,42	0,00	2,3	0,00
-2	-0,2	0,98	9,9	-	1,68	-	2,7	1,09	2,94	-	1,84	-	2,5	1,05	2,63	2,7	1,09	2,94	5,57	5,46	-1,11	0,42	2,29	2,3	2,35
-3	-0,3	0,95	5,4	-	1,68	-	1,2	1,09	1,31	-	1,84	-	2,5	1,05	2,63	1,7	1,09	1,85	3,93	3,74	-1,18	0,42	1,57	2,3	2,42
-4	-0,4	0,92	2,9	-	1,68	-	-	1,09	-	-	1,84	-	2,5	1,05	2,63	0,4	1,09	0,44	2,63	2,42	-1,05	0,42	1,01	2,3	2,50
-5	-0,5	0,87	1,0	-	1,68	-	1,0	1,09	1,09	-	1,84	-	-	1,05	-	-	1,09	-	1,09	0,95	-0,55	0,42	0,40	2,3	2,64
			143				29,8			28,1			23,5			19,4					66,21		56,82		39,75

 

4.3 Подбор обратного  фильтра для трубчатого дренажа

4.3.1 Проектирование первого слоя обратного фильтра

Проектируется обратный фильтр для русловой земляной плотины III класса из связного грунта с каменным банкетом.

Плотина, каменный банкет и слои обратного фильтра  отсыпаются в воду; расчетный размер пор материала каменного банкета  не должен превышать 5 мм.

На основании  фильтрационного расчета плотины  действительный градиент фильтрационного  потока, выходящего из грунта в первый слой обратного фильтра каменного  банкета, определен величиной  , а угол между направлением силы тяжести и скорости фильтрации составляет .

Проектирование  обратных фильтров дренажей, защищающих связные грунты, начинается с определения  расчетного диаметра пор грунта первого  слоя фильтра  [8, с.86].

Так как плотина  III класса, то при проектировании первого слоя обратного фильтра возможно допущение некоторого отслаивания агрегатов частиц связного грунта в поры обратного фильтра и в этом случаем расчетный диаметр пор грунта первого слоя обратного фильтра определяется по формуле:

    (4.14)

где    коэффициент при расчете дренажей плотин и фильтровой подготовки под крепление откосов;

расчетный градиент напора;

коэффициент надежности для плотины  III класса;

действительный  градиент фильтрационного потока, выходящего из грунта в первый слой фильтра;

;

угол между направление силы тяжести и скорости фильтрации.

мм

Обратный  фильтра подбирается для каменного  банкета русловой плотины, ремонт которого в процессе эксплуатации сопряжен со значительными капитальными затратами. В этих условиях расчетный диаметр  пор грунта первого слоя обратного  фильтра  должен быть ограничен и не превышать 6 – 8 мм [8, с.87].

Для дальнейших расчетов принимается  мм.

С тем, чтобы  отслаивание агрегатов частиц связного грунта в зоне контакта с крупнозернистым  материалом фильтра не создавало  опасных деформаций в грунтах плотины, материал фильтра должен быть подобран такого гранулометрического состава, чтобы удовлетворять основное условие [8, с.88]

,            (4.15)

        (4.16)

Исходя из этого основного условия, в дальнейшем определяется размер диаметра фракций и проводится весь последующий расчет по подбору первого слоя обратного фильтра, защищающего связный грунт.

Расчет проводится в следующей последовательности:

1. Принимается коэффициент разнозернистости грунта первого слоя обратного фильтра. Принимаем (допустимый ).

В зависимости от по графику [9, с.36] – определяется допустимая пористость грунта, укладываемого в обратный фильтр, . Принимаем для расчета .

2. Для принятой ранее величины расчетного размера диаметра пор грунта первого слоя обратного фильтра мм определяется размер фракций первого слоя фильтра [8, с.88]

,    (4.17)

где  для грунтов с ;   (4.18)

       .       (4.19)

 мм

3. Действующий диаметр фракций первого слоя обратного фильтра определяется по зависимости [8, с.88]

,    (4.20)

где коэффициент, определяемый в зависимости от по графику [///, с.89].

Для принятого значения имеем и соответственно

 мм

4. Контролирующий диаметр фракций первого слоя фильтра определяется из условия [8, с.88]

 мм         (4.21)

5. Максимальный размер фракций первого слоя фильтра определяется из условия [8, с.88]

,                       (4.22)

где    

 мм.

6. По полученным размерам частиц фракций , , и строится расчетная кривая гранулометрического состава грунта первого слоя обратного фильтра (рис.2, кривая №2).
7. Далее определяется «зона допустимого отклонения гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра» (рис.2, кривая №2 и №3).

В назначенной «зоне допустимого  отклонения гранулометрического состава  грунта для укладки в первый слой фильтра» принимается расчетная  кривая грунта №4 (как некоторая  средняя между кривыми №2 и  №3), которая используется для дальнейших расчетов.

Так как обычно в слоях обратного  фильтра не применяются грунты с  максимальным размером фракций более 200 мм, то при построении расчетной  кривой грунта (кривой №4) в диапазоне  фракций более 100 мм кривая №4 ограничивается размерами фракций 200 мм, выходя из «допустимой  зоны» в сторону уменьшения размеров крупных фракций.

В соответствии с расчетом (кривая №4) в качестве грунта первого слоя фильтра используется грунт галечниковый.

8. Назначается толщина первого слоя обратного фильтра.

Она должна быть не менее [8, с.34]:

а) по фильтрационным условиям (с кривой №4 мм)

    ;

б) по условиям производства работ (фильтр отсыпается насухо)

    .

Принимаем толщину первого слоя обратного фильтра – 0,85 м.

9. Оценка необходимости второго слоя обратного фильтра (между первым слоем фильтра и каменным банкетом).

Сначала определяется диаметр сводообразующих частиц грунта первого слоя фильтра . Он определяется по расчетной кривой №4 при обеспеченности (как среднее между ) [8, с.30 и 9,рис.2] в зависимости от коэффициента разнозернистости грунта первого слоя обратного фильтра . Получаем мм.

Затем определяется величина для отводящей части дренажа плотины – дренажный каменный банкет. Для каменной наброски мм.

Из условия непросыпаемости грунта обратного фильтра в отводящую часть дренажа решается вопрос о втором слое фильтра на основании рекомендаций [8:

а) если второй слой обратного фильтра не нужен;

б) если второй слой необходим.

Для данного расчета имеем

 мм.

Следовательно, второй слой обратного  фильтра не нужен.

 

5 Водопропускные сооружения при плотинах из грунтовых материалов.

5.1 Расчет трубчатого  водоспуска с башенным водосбросом

Трубчатые водосбросы устраиваются в теле грунтовых плотин в основанном небольшой высоты и  значительно реже в плотинах высотой  до 60-80 м. Важным преимуществом этих водосбросов является возможность  их комплексного использования  - сначала  для пропуска строительных расходов, а затем, в период эксплуатации гидроузла, в качестве водосбросов и водоспусков.

В состав трубчатого водосброса входят:

а) головная часть в виде водослива или башни, оборудованных затворами;

б) донная труба, укладываемая в грунт основания;

в) выходной оголовок с устройством для гашения энергии потока в виде водобойного колодца, трамплина или гасителя другого типа.

Донные трубы  выполняются обычно из железобетона с круглым, овальным или прямоугольным  поперечным сечением. При необходимости  укладки нескольких труб их объединяют в общую монолитную многоочковую конструкцию. Трубы следует располагать  на плотном основании и надежно  сопрягать как с основанием, так  и с телом плотины с устройством  двух  - трех противофильтрационных  диаграмм по их периметру. По длине  трубы разрезают температурно–осадочными швами через 20-25 м, выполняя в них водонепроницаемые шпонки для исключения выноса грунта фильтрационным потоком.

Для определения  основных размеров водосброса необходимо выполнить гидравлические расчеты.

Периметр  башни в плане вычисляется  по формуле водослива с тонкой стенкой [6, п.3.6.2]:

, м,     (5.1)

где   максимальный расчетный расход водосброса, м³/с;

– коэффициент расхода;

– напор на пороге водослива, м.

м         (5.2)

м

Площадь поперечного  сечения отводящих труб [6, п.3.2.2]:

, м²                                          (5.3)

где     μ=0,6…0,7 – коэффициент расхода;

м.

м²

Для определения  числа труб нужно задаться стандартным  диаметром одной трубы  м (принимаем м) и вычислить площадь сечения одной трубы м². Тогда число труб будет:

                                          (5.4)

Принимаем 2 трубы диаметром м.

Конструктивно трубчатый водосброс можно совместить с водоспуском, если устроить в башне отверстие, перекрываемое затвором.

Площадь отверстия  водоспуска может быть определено по формуле:

, м²,                                             (5.5)

где     м.

м²

5.2 Расчет гасителя энергии потока воды

Избыточная  кинетическая энергия потока воды за водосбросами должна быть уменьшена  до пределов, при которых невозможно размывание грунтов основания. Это  осуществляется с помощью специального элемента водосброса – гасителя, одним  из которых является водобойный колодец.

Его длина  может быть определена по формуле [6]:

, м                              (5.6)

где    – площадь живого сечения потока при входе в гаситель, м²;

         – ширина гасителя, м.

м

Глубина водобойного  колодца вычисляется по формуле:

, м                            (5.7)

где    м

м

Схема трубчатого водоспуска с башенным водосбросом представлена на рисунке 10.

 

 

 

 

Рисунок 10 – Схема башенного водосброса, совмещенного с водоспуском

 

6 Компоновка сооружений гидроузла

Проектируемый гидроузел расположен на реке Луга. Створ гидроузла находится перпендикулярно к руслу реки. Ось плотины совпадает с осью гидроузла. Трубчатый водосброс с башней расположен на левой пойменной части реки. Ось водоспуска пересекается с осью плотины на ПК1. Вдоль гребня плотины проходит автодорога II категории.

 

 

7 Очередность  строительства

Строительство гидроузла ведётся  в две очереди. В первую очередь  возводится пойменная часть плотины, то есть та её часть, которая находится  выше строительного уровня.