Плотина из грунтовых материалов
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное
государственное бюджетное
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет
Инженерно - строительный факультет
Кафедра гидротехнических сооружений
Пояснительная записка
к курсовому проекту:
«Плотина из грунтовых материалов»
Выполнил, студент 3 курса гр. 289 Мартынов Р. Е.
Проверил, ассистент Красильников В. М.
доцент
Нижний
Новгород, 2012
Оглавление
Введение 5
1 Исходные данные для проектирования 6
2 Выбор типа плотины 8
3 Конструирование профиля плотины 11
3.1 Очертание откосов 11
3.2 Ширина гребня 12
3.3 Отметка гребня 12
3.4 Крепление откосов 17
3.5 Дренажные устройства 19
3.6 Прогноз зернового состава и расчет границ зон фракционирования грунта в намывных плотинах 21
4 Расчеты плотины 23
4.1. Фильтрационные расчеты плотины 23
4.1.1. Расчетные случаи и схемы 24
4.1.2. Положение поверхности фильтрационного потока в теле плотины 24
4.1.3 Фильтрационный расход воды через тело и основание плотины 29
4.1.4 Фильтрационная прочность грунтов тела и основания плотины 30
4.2 Расчет статической устойчивости откосов 32
4.3 Подбор обратного фильтра для трубчатого дренажа 37
4.3.1 Проектирование первого слоя обратного фильтра 37
5 Водопропускные сооружения при плотинах из грунтовых материалов. 42
5.1 Расчет трубчатого водоспуска с башенным водосбросом 42
5.2 Расчет гасителя энергии потока воды 44
6 Компоновка сооружений гидроузла 46
7 Очередность строительства 47
8 Объемы работ 48
Заключение 52
Литература 53
ВВЕДЕНИЕ
Учебным планом направления 270100 –
«Строительство» с профилем специальных
дисциплин «Гидротехническое
В проекте требуется осуществить
выбор типа и конструирование
профиля плотины, выполнить фильтрационные
и статические расчеты, разработать
конструктивные решения основных элементов
плотины, предложить вариант компоновки
гидроузла, в состав которого входит
проектируемая плотина, наметить очередность
его строительства, определить объемы
основных работ.
1 Исходные данные для проектирования
Исходные данные представлены в виде: плана района строительства гидроузла р. Луга в горизонталях, кривой расходов воды, кривой гранулометрического состава. Изучение задания на проектирование даёт представление об инженерно-геологических условиях створа плотины и карьеров грунта, топографии места строительства плотины, колебаниях уровней воды в верхнем и нижнем бьефах плотины, величинах паводкого и строительного расходов воды реки и полезного пропуска воды из водохранилища.
Характерные уровни и отметки водохранилища:
- Отметка нормального подпорного уровня НПУ = 55,0 м.
- Отметка форсированного подпорного уровня ФПУ = 56,0 м.
- Отметка уровня мёртвого объёма УМО = 50,0 м.
- Отметка самого низкого уровня нижнего бьефа СНУНБ = 43,5 м.
- Отметка самого высокого уровня нижнего бьефа СВУНБ = 44,5 м.
- Отметка строительного уровня СУ = 43,5 м.
- Отметка дна реки = 41,0 м.
Расчетная длина водохранилища по направлению господствующих ветров:
при НПУ L=0,8 км;
при ФПУ L=0,9 км.
Расчетная скорость ветра:
при НПУ V=14 м/с;
при ФПУ V=16 м/с.
Угол между продольной осью водоема и направлением ветра =130.
Назначение гидроузла и состав основных сооружений:
Назначение гидроузла: водоснабжение.
Состав сооружений: земляная плотина, автодорога Г-7 II категории.
План
гидроузла представлен на рис.1.
Рисунок 1 – Генеральный план гидроузла
Выбор типа плотины
Тип плотины следует выбирать в
зависимости от топографических
и инженерно-геологических
В данном курсовом проекте к рассмотрению
принимаются земляные насыпные и
намывные плотины. Определяющими факторами
выбора типа плотины условно приняты:
инженерно-геологические
В соответствии с гранулометрическим составом грунтов, из которых предполагается возводить плотину (грунт первого слоя основания), выбирается тип плотины по условиям ее строительства [4, табл. 1.1, п. 2.5, п. 3.9; 6, п.6.3]. В данном случае выбираем земляную насыпную плотину.
Оценку пригодности карьерного грунта для намывных и насыпных плотин в зависимости от зернового состава следует производить по графикам рис.2. Тип плотины определяется по кривой гранулометрического состава карьерного грунта в зависимости от области, в которой находится данная кривая.
При расположении кривой гранулометрического состава в области I и II (рис.2) намывных плотин следует определить вид плотины – однородная или неоднородная (с ядром) в зависимости от коэффициента разнозернистого грунта η:
для намывных однородных плотин
< 2,5 или η=< 5
для намывных неоднородных (с ядром) плотин
≥ 2,5 или η=≥ 5,
где , - коэффициенты разнозернистости;
, , – диаметры частиц, содержание которых в грунте составляет 10, 60 и 90% соответственно.
При расположении кривой гранулометрического состава в области III и IV (рис.2) плотина проектируется насыпной однородной, в области V (рис.2) – с противофильтрационными элементами в теле (ядро, диафрагма, экран) и в основании (понур, зуб, цементационная завеса).
В данном случае:
Кривая гранулометрического
3 Конструирование профиля плотины
Конструирование поперечного профиля плотины – это подбор устойчивого, наиболее экономичного профиля и определение параметров его основных элементов.
3.1 Очертание откосов
Крутизну (заложение) откосов (mв - верхового и mн - низового) плотины надлежит назначать, исходя из условия устойчивости с учетом: а) физико-механических характеристик грунтов откосов и основания; б) действующих на откосы сил; в) высоты плотины; г) производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации [4, п.2.9 – 2.37].
При предварительном назначении крутизны откосов можно воспользоваться данными табл. А.1, А.2, А.3 прил. А, выполнив последующую проверку статической устойчивости откосов.
По табл. А.1 принимаем:
заложение верхового откоса mв=1:3,0;
заложение низового откоса mн=1:2,5.
На откосах плотины, как правило,
следует предусматривать
Принимаем ширину берм, равную 3 м.
3.2 Ширина гребня
Ширину гребня плотины (ВГ) следует устанавливать в зависимости от условий производства работ и эксплуатации (использования гребня для проезда, прохода и других целей), но не менее 4,5 м [3, п.2.11]. Устраиваем автомобильную дорогу II категории и по табл. А.4 прил. А назначаем: число полос движения – 2; ширину полосы движения – 3,75 м; ширину проезжей части – 7,5 м; ширину обочин – 3,75 м; ширину земляного полотна – 15 м.
3.3 Отметка гребня
Отметку гребня плотины (>Гр) следует назначать на основе расчета возвышения его над расчетным уровнем воды [4, п.2.12].
Возвышение гребня плотины надлежит определять для двух случаев стояния уровня воды в вернем бьефе:
а) при НПУ или при более высоком уровне, соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий;
б) при ФПУ, при пропуске максимального паводка, относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий.
Рисунок 3 – Схема для определения гребня плотины
Возвышение гребня плотины hs (рис. 3.1а) в обоих случаях определяется по формуле [4, ф.1]:
,
где - ветровой нагон воды в верхнем бьефе, м;
- высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м;
- запас возвышения гребня плотины, м.
При определении первых двух слагаемых
формулы (3.1) следует принимать
Величину ветрового нагона следует определять методом последовательных приближений по формуле [2, прил.1, ф. 148*]:
,
где (рис.4) - угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град.;
V* – расчетная скорость ветра, м/с;
L – длина водохранилища по направлению господствующих ветров (разгон), м;
K* – коэффициент, принимаемый по табл. А.6 прил. А;
d – глубина воды перед плотиной, м;
=9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
Рисунок 4 – К определению △hset
На стадии курсового проектирования мы пренебрегаем величиной 0,5Δ в знаменателе формулы (3.2), приняв ее равной 0.
Рассчитаем для НПУ:
так как V*=14 м/c; d=>НПУ->ДР=55-41=14 м; K*=2; =130; =0,979; L=800 м, получаем
=0,002 м.
Рассчитаем для ФПУ:
так как V*=16 м/c; d=>ФПУ->ДР=56-41=15 м; K*=; =130; =0,979; L=900 м, получаем
=0,003 м.
Высоту наката ветровых волн обеспеченностью 1 % следует определять по формуле [2, п. 1.14*]:
, (3.3)
где и - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл. А. 7 прил. А, зависящие от характеристик откоса;
– коэффициент, зависящий от заложения верхового откоса mв и от V*, принимаемый по табл. А. 8 прил. А;
- коэффициент, принимаемый по графикам рис. А. 1 прил. А, в зависимости от показателя пологости волн ;
- высота волны 1 % обеспеченности.
Высоту волны i % -ой обеспеченности следует определять умножением средней высоты волн на коэффициент ki, принимаемый по графикам рис. А.3 прил. А для безразмерной величины . При сложной конфигурации береговой черты значение должно приниматься по величине и верхней огибающей кривой рис. А. 2 прил. А.
Среднюю высоту, м, и средний период волн , с, в глубоководной зоне необходимо определять по верхней огибающей кривой рис. А.2 прил. А. По значениям безразмерных величин и и верхней огибающей кривой необходимо определять значения и и по меньшим их величинам вычислить среднюю высоту и средний период волн.
Среднюю длину волн , м, при известном значении следует определять по формуле [2, прил. 1,п. 13 ф. 150]:
Вычислим для НПУ:
=1,23; ==1,76 с.
=0,012; ==0,24 м.
==4,84 м.
Так как =1 и =0,9 (крепление откосов бетонными плитами); =1,26 (при ctg φ=m=3 и при V*=14 м/с); ki=2,85 (==40,04); = ki=2,85*0,24=0,684 м; =1,15 (==7,08), получаем
=0,892 м.
Вычислим для ФПУ:
=1,18; ==1,93 с.
=0,011; ==0,29 м.
==5,82 м.
Так как =1 и =0,9 (крепление откосов бетонными плитами); =1,34 (при ctg φ=m=3 и при V*=16 м/с); ki=2,82 (==34,49); = ki=2,82*0,29=0,818 м; =1,15 (==7,12), получаем
=1,135 м.
Определяем возвышение гребня плотины при а=0,5 м для НПУ:
.
Определяем возвышение гребня плотины при а=0,5 м для ФПУ:
.
Отметку гребня плотины проектируют с учетом строительного подъема по прогнозируемой осадке плотины и ее основания.
При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем верхнего бьефа надлежит принимать не ниже значений, полученных по формуле (3.1). Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем, принимают высшую из них. [4, п.2.13;6, с.166].
Их двух полученных результатов расчета выбирают более высокую отметку гребня:
>, или
>
> м,
> м.
Принимаем отметку гребня при ФПУ:> м.
Высота плотины - III класс плотины.
3.4 Крепление откосов
Откосы земляных плотин следует защищать специальными креплениями, рассчитанными на воздействие волн, льда, течений воды, изменения уровня воды, атмосферных осадков, ветра, прочих климатических и других разрушающих откос факторов.
Для защиты верхового откоса применяются следующие виды крепления:
- каменные;
- железобетонные и бетонные плиты;
- асфальтобетонные;
- биологические.
Крепления верхового откосов делятся на основные, расположенные в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и облегченные - ниже основного крепления.
Верхней границей основного крепления следует считать отметку гребня плотины. В случае же значительного возвышения гребня над расчетным уровнем воды основное крепление следует заканчивать ниже гребня на отметке высоты наката hrun; далее до гребня доводят облегченное крепление. Нижнюю границу основного крепления следует назначать, считая от минимального уровня сработки водохранилища, на глубине:
h = 2h1% (3.7)
При этом нижняя граница
основного крепления должна
В качестве основного крепления
принимаются монолитные железобетонные
плиты 5*5*0,2. Швы между плитами
закрытые водонепроницаемые. Упор основного
крепления принимаем в виде железобетонного
бруса заглубленного в грунт
на 0,8 м. и шириной 0,6 м. Под упор укладывается
подготовка, толщиной 15 см. Нижний ряд
основного крепления
В качестве облегченного крепления принимается один слой разнозернистого щебня, толщиной 30 см.
Крепление низового откоса
следует принимать в
3.5 Дренажные устройства
Устройство дренажа тела земляной плотины следует проектировать с целью:
а) организованного отвода воды, фильтрующейся через тело и основание плотины в нижний бьеф;
б) для предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию;
в) для экономически обоснованного снижения депрессионной поверхности для повышения устойчивости низового откоса (внутренний дренаж);
г) для повышения устойчивости верхового откоса при быстрой сработке водохранилища, а также для снятия порового давления, возникающего при сейсмических воздействиях;
д) для отвода воды, профильтровавшейся через ядро.
В русловой части плотины будем применять комбинированный дренаж (каменный банкет с наслонным дренажом). В частях плотины перекрывающих незатопленную пойму применяем трубчатый дренаж.
Дренажный банкет (рис.6) следует выполнять, как правило, на русловых участках плотины при ее возведении без перемычек и при перекрытии реки отсыпкой камня в воду. Превышение гребня дренажного банкета hs ( при отсутствии наслонного дренажа) над строительным уровнем определяем с запасом на максимальное волнение – 0,5 м. Ширину банкета поверху Bб назначаем из условий производства работ – 3 м. Заложение откосов банкета принимаем верхового - 1:1,5,низового – 1:2. При сопряжении тела плотины с дренажным банкетом обеспечиваем фильтрационную прочность сопряжения за счет устройства обратного фильтра по внутреннему откосу банкета. Гребень дренажного банкета (↓Грб) защищаем от засорения поверхностными стоками. Так как в основании мелкозернистый грунт, под дренажным банкетом надо предусматривать горизонтальный обратный фильтр толщиной 0,85 м.
Наслонный дренаж выполняем на участках плотины, перекрывающих затопляемую пойму. Толщину наслонного дренажа с обратным фильтром назначаем из условий производства работ,но не менее:
где - диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 85 % массы грунта всего дренажного слоя;
- толщина обратного фильтра.
.
Материал наслонного дренажа сопрягается с материалом обратного фильтра и защищает низовой откос от волнового воздействия в нижнем бьефе. Превышение гребня наслонного дренажа hs над максимальным уровнем нижнего бьефа принимаем с учетом высоты выклинивания фильтрационного потока на низовой откос плотины и глубины промерзания – 2,7 м.
Каменный банкет принимается с отметкой гребня:
>ГрБ=>СУ+0,5 м;
>ГрБ=43,5+0,5=44,0 м.
Наслонный дренаж принимается с отметкой гребня:
>ГРнасл.дрен. = >СВУНБ + 2,7 м;
>ГРнасл.дрен. =44,5+2,7=47,2 м.
На участках плотины, перекрывающих незатопляемую пойму проектируем трубчатый дренаж.
3.6 Прогноз зернового состава и расчет границ зон фракционирования грунта в намывных плотинах
В данном случае проектируется однородная
насыпная плотина, поэтому прогноз
зернового состава и расчет зон
фракционирования грунта не производится.
Рисунок 7 – Профили русловой и пойменной части земляной плотины
4 Расчеты плотины
При проектировании плотин из грунтовых материалов следует проводить следующие расчеты [4, п. 5.1]:
а) фильтрационные;
б) фильтрационной прочности;
в) обратных фильтров, дренажей и переходных слоев;
г) устойчивости откосов, экрана и защитного слоя.
4.1. Фильтрационные расчеты плотины
Фильтрационные расчеты тела плотины, основания и берегов следует выполнять для [4, п. 5.3]:
а) определения фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов;
б) расчета устойчивости откосов плотины и берегов;
в) обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций плотины, ее противофильтрационных и дренажных устройств.
Фильтрационными расчетами (а также
исследованиями) надлежит определять
следующие параметры
а) положение поверхности
б) фильтрационный расход воды через тело плотины, основание и берега;
в) напоры (или градиенты напора) фильтрационного потока в теле плотины, основании, а также в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф за подошвой низового откоса, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границах противофильтрационных устройств.
4.1.1. Расчетные случаи и схемы
В соответствии с требованиями СНиП 33-01-2003 воздействие фильтрующейся воды определятся для двух расчетных случаев расхода - основного и поверочного.
Указанное воздействие, соответствующее
пропуску расхода воды основного
расчетного случая, определяют при
НПУ в верхнем бьефе. Его следует
учитывать в составе основного
сочетания нагрузок и воздействий.
Воздействие фильтрующейся
В данном курсовом проекте фильтрационные
расчеты выполняются для
- Основной – в верхнем бьефе - НПУ, в нижнем бьефе – СНУНБ (максимальный напор на плотину).
- Особый – В верхнем бьефе ФПУ, в нижнем бьефе – СВУНБ.
4.1.2. Положение поверхности фильтрационного потока в теле плотины
Положение кривой депрессии определяем
аналитическим способом для расчетной
схемы [6, стр. 125] – плотина однородная
на водопроницаемом основании
Выбор той или иной расчетной схемы зависит от инженерно-геологических условий основания, строения тела плотины и свойств слагающего его грунта. При выборе схемы руководствуемся следующими соображениями:
грунт основания считается водоупором, если выполняется условие
,
где и - коэффициенты фильтрации грунтов тела и снования плотины, соответственно.
=0,00864 м/сут;
=0,864 м/сут.
- условие не выполняется, грунт основания не считается водоупором.
Определение положения кривой депрессии с использованием расчетных схем [6, стр. 125] сводится к вычислению ординат этой кривой при задаваемых значениях абсциссы. Расчет удобно вести в табличной форме.
- Основной расчетный случай – НПУ и СНУНБ.
Расчет ведем по схеме №12:
,
где ;
;
;
;
;
;
.
м2/сут
Ординаты кривой депрессии:
а) между сечением 1-1 и дренажом
,
где
x |
56,3 |
hx |
2,81 |
б) между сечением 1-1 и осью ординат
(4.4)
x |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
hx |
10,52 |
8,92 |
7,30 |
5,66 |
4,04 |
- Особый расчетный случай – ФПУ и СВУНБ.
Расчет ведем по схеме №13:
Значения и определяют подбором из уравнений
, (4.5)
где ;
;
;
;
;
;
.
Решая совместно два уравнения получаем значения:
м2/сут
Ординаты кривой депрессии:
, (4.6)
x |
10 |
20 |
30 |
40 |
hx |
11,62 |
9,93 |
8,32 |
6,66 |
4.1.3 Фильтрационный расход воды через тело и основание плотины
Установление фильтрационного
расхода воды через тело и основание
плотины проводится для определения
потерь воды из водохранилища и расчетов
специальных дренажных
В курсовом проекте расчеты водного
баланса водохранилища и
,
- Основной расчетный случай – НПУ и СНУНБ.
,
,
м2/сут,
м2/c,
Суммарный расход, проходящий через тело плотины:
м2/cут.
Тогда общий расход:
м3/cут.
- Особый расчетный случай – ФПУ и СВУНБ.
,
,
м2/сут,
м2/c,
Суммарный расход, проходящий через тело плотины:
м2/cут.
Тогда общий расход:
м3/cут.
4.1.4 Фильтрационная прочность грунтов тела и основания плотины
В соответствии с указаниями [4, п.5.5*] расчеты фильтрационной прочности надлежит выполнять исходя из наибольшего напора, действующего на плотину (1 расчетный случай).
При оценке фильтрационной
;
где: - действующий средний градиент напора в расчётной области фильтрации;
- критический средний градиент
напора, принимаемый на основании
исследований грунтов в
- коэффициент надёжности по ответственности сооружений, определяемый по СНиП 33-01-2003: =1,15 (для III класса сооружения).
Выполнения условия требуется как при проверке общей, так и местной фильтрационной прочности.
При оценке общей фильтрационной прочности грунта величину в формуле (4.9) определяем по зависимостям:
для тела плотины
где L- длина основания плотины, м; L=56,88 м;
Нmax=↓НПУ-↓СНУНБ=55-43,5=11,5 м – максимальный напор
.
.
.