Грунтовая плотина на реке

Р Е Ф Е Р А Т

на тему:

ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА на реке

Выполнил:

КАЛИНИНГРАД 2012 г.

Содержание

Введение

1.  Грунтовая плотина

1.1 Тип и конструкция плотины

1.1.1 Тип плотины

1.1.2 Сопряжение тела плотины с основанием и берегами

1.1.3 Противофильтрационные устройства

1.1.4 Гребень плотины

1.1.5 Откосы и бермы

1.1.6 Дренажи и обратные фильтры

1.2 Фильтрационные расчеты

1.2.1 Задачи и методы расчета

1.2.2 Расчетные схемы и способ расчета

1.2.3 Депрессионная поверхность фильтрационного потока

1.2.4 Фильтрационный расход

1.2.5 Оценка фильтрационной прочности

1.3 Расчет устойчивости откоса

1.3.1 Расчетные случаи и методы расчета

1.3.2 Исходные данные

1.3.3 Коэффициент устойчивости для произвольной кривой обрушения

1.3.4 Оценка устойчивости откоса

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного реферата является проектирование грунтовой плотины. Общий комплекс гидротехнических сооружений, объединенных по расположению и условиям их совместной работы.

Если имеется совокупность гидротехнических сооружений, объединенных территориально и служащих общим водохозяйственным целям, то эта совокупность называется гидротехнической системой.

Неотъемлемой частью водохранилищного гидроузла является плотина. Простота конструкции, широкое использование местных строительных материалов, возможность постройки почти на любых основаниях обусловили широкое распространение земляных плотин во всех странах. Земляные плотины подразделяются по множеству признаков. Так по способу возведения они бывают: насыпные, намывные, полунамывные. По конструкции поперечного профиля земляные плотины делятся: из одного грунта, с вертикальным ядром или диафрагмой, с экраном, из разнородных грунтов.

Для возведения земляных плотин применяют различные грунты, имеющиеся на территории постройки плотины. Лучшими грунтами для однородной плотины считаются суглинки и супеси. Вполне пригодными является песчаные и песчано-гравелистые грунты, но в этом случае необходимо применять противофильтрационные устройства: экраны, ядра и понуры. Для противофильтрационных элементов плотины применяются связные, пластичные малопроницаемые грунты: глины, суглинки, а также торф при степени разложения не менее 50%.

При достаточном количестве в районе строительства относительно водонепроницаемых грунтов строят плотину из однородного грунта. Их преимущества – простота и быстрота возведения, возможность применения комплексной механизации, что значительно снижает стоимость работ по сравнению с другими типами плотин.

При недостаточном количестве малопроницаемых грунтов плотину насыпают из имеющихся на месте песчаных грунтов, супесей или других проницаемых материалов. Для предупреждения фильтрации воды через тело плотины применяют противофильтрационные устройства.

Основные элементы профиля плотины приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Элементы профиля земляной плотины:

НПУ – нормальный подпертый уровень; ГП – отметка гребня плотины;

1 – верховой откос; 2 – подошва плотины;

3 – берма; 4 – низовой откос; 5 – тело плотины.

1. ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА

1.1 Тип и конструкция плотины

1.1.1 Тип плотины

По назначению плотины бывают 3 видов:

                  водоподъемные;

                  водохранилищные;

                  комбинированные.

По способу перекрытия плотины делятся на 2 основные группы:

                  глухие плотины, пропуск воды в которых через створ осуществляется водопроницаемыми сооружениями в теле плотины, имеющие весьма малую ширину по сравнению с длиной плотины;

                  водосбросные (водопропускные) плотины, по длине которых устраивают достаточно широкие водопропускные отверстия.

По строительному материалу: земляные, каменно-набросные, деревянные, бетонные, каменные. По виду пропуска воды через водохранилище: водосливные, водосбросные, глухие. Согласно классификации плотин – это глухая грунтовая гравитационная однородная насыпная плотина.

Для отсыпки тела плотины используется грунт №3 – суглинок с коэффициентом фильтрации Кф = 0,001 м/сут., так как этот грунт обладает малой водопроницаемостью.

1.1.2 Сопряжение тела плотины с основанием и берегами

По данному подпункту рассматривается подготовка основания плотины:

                  перенос построек, расположенных вблизи места строительства плотины;

                  осуществляется выравнивание местности прилегающей к строительству плотины (выкорчевка пней, срез деревьев и кустарников);

                  снятие растительного слоя (30 см);

                  проводится планировка поверхности.

1.1.3 Противофильтрационные устройства

Противофильтрационные устройства делятся на 2 основные группы по месту нахождения в плотине:

                  противофильтрационные устройства в теле плотины;

                  противофильтрационные устройства в основании плотины.

В грунтовой плотине для уменьшения фильтрационных потерь и снижения кривой депрессии в низовой части откоса в теле плотины устраивают противофильтрационные устройства. Основные противофильтрационные устройства: ядра, экраны, диафрагмы. Для их создания применяют такие грунты, как суглинки, глины, глинобетон, асфальтобетон.

Противофильтрационные устройства в основании плотины могут быть глухими и висячими. Так как основание плотины сложено глинистыми грунтами с малым коэффициентом фильтрации, противофильтрационных устройств в основании плотины не требуется.

1.1.4 Гребень плотины

Гребень плотины (см. рисунок 3) используется для проезда автомобильного транспорта.

Рисунок 3 – Элементы профиля гребня плотины:

А – ширина проезжей части; Б – ширина обочины;

В – ширина гребня плотины.

Для IV категории автомобильной дороги предусмотрены следующие размеры: А = 6 м, Б = 2 м, В = 10 м.

Отметка гребня плотины рассчитывается по следующей формуле:

ГП = УВБ + d , м  (3)

Расчет отметки гребня плотины ведется для двух случаев:

                  для основного случая: ГП1 = НПУ + d1;

                  для особого случая: ГП2 = ФПУ + d2.

Необходимо было определить отметку ФПУ:

ФПУ = НПУ + Нф, м,  (4)

где Hф = 0,75 м – для принятого типа водосбросного сооружения.

Таким образом:

ФПУ = 218,1 + 0,75 = 218,75 м.

Для расчёта гребня плотины принимаем отметку ФПУ равной 218,75 м. Возвышение гребня над расчетным уровнем воды верхнего бьефа d определяется по формуле:

d = hн + h + a, м,  (5)

где hн – высота наката ветровой волны на откос плотины, м;

h – высота ветрового нагона волны, м; определяется по формуле:

, м,  (6)

где Кв – коэффициент зависящий от скорости ветра; так как скорость ветра не превышает 20 м/с, то Кв = 2,110-6;

W – расчётная скорость ветра, м/с;

D – длина разгона ветровой волны, м;

Н – условная расчетная глубина воды в водохранилище.

 - угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, принимается равным 0°.

а – конструктивный запас высоты, принимается равным 0,5 м.

Расчёт выполнялся для двух случаев: основного и особого.

Основной случай:

W1 = W4% = 20,5 м/с;

Н1 = НПУ – Дна =

=218,1 – 208,0 = 10,1 м;

D1 = 3400 м;

.

Особый случай:

W2 = W50% = 12,6 м/с;

Н2 = ФПУ – Дна =

= 218,85 –208,00 = 10,85 м.

D2 = 3800 м.

Высота наката волны на откос плотины определялась по формуле:

hн = h1%  K  KНП  КС  К  КНГ  КН, м, (7)

где h1% – высота волны 1% вероятности превышения, м;

K и KНП – коэффициенты зависящие от типа и относительной шероховатости верхового откоса, крепления откоса; K = 1, KНП = 0,9 ;

КС – коэффициент, зависящий от скорости ветра и заложения откоса; КС = =1,3;

К - коэффициент, зависящий от угла подхода фронта волны к плотине; К = 1, т.к.  = 0;

КН – коэффициент вероятности превышения по накату; для 1% вероятности превышения КН = 1;

КНГ – коэффициент, зависящий от заложения верхового откоса и параметров ветровой волны; принимается по графику.

Для определения параметров ветровой волны вычисляются безразмерные комплексы:

и ,  (8)

где g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м2/с;

t – продолжительность действия ветра, равная 21600 с;

W – скорость ветра, м/с;

D – длина разгона волны, м.

Для вычисления h1% необходимо выполнить следующие операции:

Основной случай:

;

.

Особый случай:

;

.

Далее по графику для каждого из найденных комплексов определялись значения относительных параметров:

и ,  (9)

где  – средний период волны, с-1;

– средняя высота волны, м.

Основной случай:

Для a1 : , ;

Для b1: , .

Особый случай:

Для a2: , ;

Для b2: , .

Из найденных двух пар значений параметров за расчётные принимаются наименьшие. Таким образом, по графику:

Основной случай:

Особый случай:

Далее определялась средняя высота волны и средний период волны :

Основной случай:

с-1;

м.

Особый случай:

с-1;

м.

Средняя длина волны :

, м  (10)

Основной случай:

Особый случай:

Высота 1% вероятности превышения будет равна:

,  (11)

где Ki – коэффициент, устанавливаемый по графику при 1% вероятности превышения в зависимости от значения безразмерного комплекса b.

Основной случай:

Ki = 2,1

м

Особый случай:

Ki = 2,1

м

По формуле (7):

Основной случай:

м;

Особый случай:

м;

По формуле (5):

Основной случай:

d1 = 0,03+2,41+0,5 = 2,94 м;

Особый случай:

d2 = 0,01+1,34+1 = 2,35 м;

По формуле (3):

Основной случай:

ГП1 = 218,1+ 2,94 = 221,04 м;

Особый случай:

ГП2 = 218,85 + 2,35 = 221,2 м.

Так как отметка гребня плотины при расчёте на особый случай получилась больше, чем при расчёте на основной случай, то в качестве расчетной отметки гребня плотины принимается:

ГП2 = 221,2 м; высота плотины при расчетной отметке гребня плотины равна: Hпл = ГП2 – Дна = 221,2 – 108,0 = 13,2 м.

1.1.5 Откосы и бермы

Заложение откоса принимается в зависимости от высоты плотины, вида грунта тела плотины и наличия дренажа в теле плотины. Принимаем следующие значения:

Коэффициент заложения верхового откоса – m1 = 3

Для защиты верхового откоса от разрушающего действия атмосферных осадков, ветра, волн, льда и других факторов предусматривают крепление откосов. Крепление верхового откоса бывает основное в зоне максимальных волновых воздействий и облегчённое – ниже и выше этой зоны. Верхнюю границу основного крепления принимают на отметке гребня плотины. Нижняя граница основного крепления принимается на глубине

h = 2∙h1% ниже УМО. Для защиты верхового откоса принимают следующие виды крепления:

                  каменная наброска или отсыпка;

                  бетонные, монолитные, железобетонные, сборные;

                  асфальтобетонные;

                  биологические;

Для крепления низового откоса с целью защиты его от атмосферных воздействий применяют биологическую защиту – посев трав толщиной 0,2-0,3 м и отсыпка щебня или гравия толщиной 0,2 м.

Для крепления верхового откоса применяются сборные железобетонные плиты размером 22 м, толщиной 10 см. При производстве работ плиты укладываются в карты толщиной 88 м путём омоноличивания швов.

Толщина плиты определялась по формуле:

, м, (12)

где пл – коэффициент, равный для сборных плит - 1,1;

h – высота ветровой волны, м;

 - длина волны, м;

В – размер плиты, м;

m1 – заложение верхового откоса;

0 – объемный вес воды, равный 1 т/м3;

пл – объемный вес бетона, равный 2,5 т/м3;

Таким образом:

м.

Полученное значение δпл сравнивается с принятой толщиной плиты – 0,1 м. Так как 0,07<0,1, принимается толщина плиты, равная 0,1 м. Под плитами расположен слой песчано-гравийной подготовки толщиной 0,2 м. Затем железобетонное крепление плитами предусматривают от гребня плотины до УМО не ниже 2∙h1%. Ниже этой отметки принимается облегчённое крепление из гравелисто-галечных грунтов. Если отметка конца крепления и отметка дна меньше 3 м, то дальше можно не вести облегчённое крепление.

КК = УМО – 2∙h1% = 213,0 – 20,41 = 212,18 м.

где h1% – высота волны, равная 0,41 м.

Так как разница между отметкой конца крепления, равной 212,18 м и дном реки, равной 108,00 м, не превышает 3 метров, то облегченное крепление не предусматриваем и КК = Дна = 108,00 м.

В нижней части крепления железобетонными плитами устраивается упор в виде бетонного массива размерами 0,80,4 м. Для крепления низового откоса используется растительный грунт, снятый с основания плотины. Толщина покрытия – 0,2 м. Также производится посев многолетних трав. На низовом откосе могут располагаться горизонтальные площадки – бермы. Ширина их не менее 3 м. Служат для повышения устойчивости откоса. Так как максимальная высота плотины составляет 13,2 м, то бермы не предусматриваются.

1.1.6 Дренажи и обратные фильтры

Дренаж – это устройство для приема и ее организованного отвода воды, профильтровавшейся через тело и основание плотины и обладающее повышенной водопроводимостью. Также дренаж предназначен для предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию.

Существует русловой и пойменный дренаж. Русловой дренаж устраивается в виде дренажной призмы. В дренажной призме внутренний откос m3 принимается равным 1,5, верховой откос – m4 = m2 = 2.

Глубина заложения руслового дренажа в тело плотины определяется по формуле:

, м,  (13)

где Hдр – высота дренажной призмы, определась по формуле:

Hдр = ГДП – Дна, м,  (14)

где ГДП – отметка гребня дренажной призмы, м, определялась по формуле:

ГДП = УНБ5% + 0,5, м,  (15)

где УНБ5% – отметка уровня воды в нижнем бьефе, м.

Для определения УНБ5% использовался график зависимости расхода от уровня воды в реке Q = (H). При Q5% = 29,0 м3/с УНБ5% = 209,55 м.

Тогда по формуле (15):

ГДП = 209,55 + 0,5 = 210,05 м.

Высота дренажной призмы по формуле (14):

Hдр = ГДП – Дна = 210,05 – 108,00 = 2,05 м.

Глубина заложения руслового дренажа по формуле (13):

м.

Пойменный дренаж – горизонтальный трубчатый. Выполнен из асбестоцементных перфорированных труб, диаметром 200 мм. Отводящий трубопровод – 100 мм.

Глубина заложения пойменного дренажа в тело плотины определяется по формуле:

, м,  (16)

где Впл – ширина плотины, м, вычисляется по формуле:

Впл = В + Нпл∙(m1 + m2),  (17)

Таким образом:

Впл = 10 + 13,2∙ (3+2) = 76 м;

Тогда по формуле (16):

м.

Главным недостатком дренажа является возможность возникновения фильтрационных деформаций грунта тела плотины и основания. Для борьбы с фильтрационными деформациями применяют обратные фильтры.

Обратный фильтр – это устройство, предотвращающее вымыв мелких частиц грунта. Благодаря обратным фильтрам скорость фильтрационного потока сокращается. Они оберегают дренажные системы от попадания частиц грунта. Обратный фильтр устраивается на контакте дренажа и дренируемого тела и основания плотины.

1.2 Фильтрационные расчеты

1.2.1 Задачи и методы расчета

К задачам фильтрационных расчетов можно отнести:

                  определение общего фильтрационного расхода через тело плотины и основание;

                  построение депрессионной поверхности фильтрационного потока;

                  проверка общей фильтрационной прочности грунта тела плотины.

Методы, которыми решаются данные задачи:

                  гидравлические;

                  гидромеханические;

                  экспериментальные методы.

В курсовом проекте в основу фильтрационных расчетов положен гидравлический метод.

1.2.2 Расчетные схемы и способы расчета

В расчетах используется гипотеза академика Н.Н.Павловского о независимости фильтрации в теле плотины и ее основании: Q = qтела + qосн.

При использовании гипотезы делается ряд допущений:

                  рассматривается плоская схема фильтрации;

                  водоупор принимается плоским, горизонтальным и абсолютно водонепроницаемым;

                  грунт тела плотины и основания считается однородным и изотропным;

                  слой воды в нижнем бьефе считается равным нулю;

                  положение кривой депрессии не зависит от вида и фильтрационных свойств грунта тела плотины. Определяется оно положением уровней воды в бьефах и геометрическими размерами тела плотины.

Осуществляем выбор расчетной схемы. Для этого проводим ряд операций:

                  разбиваем продольный профиль плотины на 3 части: одну русловую и две пойменные;

                  в каждой из частей проводим сечение. Сечение I проводится в самой глубокой точки русловой части. В каждом сечении должен быть уровень воды в верхнем бьефе;

                  составляем расчетную схему.

При расчете рассматриваем наполнение водохранилища до НПУ.

1.2.3 Депрессионная поверхность фильтрационного потока

Координаты кривой депрессии рассчитываются по формуле:

  (18)

Для расчета координат депрессионной кривой необходимо иметь следующие исходные данные:

Сечение I-I

                  высота плотины в сечении:

Нпл = ГП – Дна = 221,2–108,0 =13,2 м;

                  глубина воды в верхнем бьефе:

Н1 = НПУ – Дна = 218,1– 208,0 = 10,1 м;

d = Hпл – H1 = 13,2 – 10,1 = 3,1 м;

                  горизонтальная проекция депрессионной кривой:

L = d∙m1 + B + Hпл∙m2 – Sдр = 3,1∙3 + 10 + 13,2∙2 – 7,18 = 38,52 м;

Lр = ∆l + L = 4,34 + 38,52 = 42,86 м,

где ∆l = β ∙ H1 = 0,43∙10,1 = 4,34 м,

где ;

                  коэффициент фильтрации через тело плотины: Кф = 0,001 м/сут;

                  координаты кривой депрессии, рассчитанные по формуле (18):

Сечение II-II

                  высота плотины в сечении:

Нпл = ГП – Дна = 221,2 – 215,2 = 6 м;

                  глубина воды в верхнем бьефе:

Н1 = НПУ – Дна = 218,1– 215,2 = 2,9 м;

d = Hпл – H1 = 6 – 2,9 = 3,1 м;

                  горизонтальная проекция депрессионной кривой:

L = d∙m1 + B + Hпл∙m2 – Sдр = 3,1∙3 + 10 + 6∙2 – 9,5 = 21,8 м;

Lр = ∆l + L = 1,25 + 21,8 = 23,05 м,

где ∆l = β ∙ H1 = 0,43∙2,9 = 1,25 м,

где ;

                  коэффициент фильтрации через тело плотины: Кф = 0,001 м/сут.

                  координаты кривой депрессии, рассчитанные по формуле (18):