ПЛОТИНЫ В ЛАНДШАФТНОЙ АРХИТЕКТУРЕ

Поперечный профиль сечения грунтовой плотины (рис. 8.1) напоминает собою трапецию, верхняя часть которой - гребень плотины, нижняя часть - подошва плотины. Часть поперечного профиля, обращенную в сторону водохранилища (или верхнего бьефа), называют верховым откосом (в литературе этот откос называют также напорным, мокрым), коэффициент заложения его m (котангенс прилежащего угла а); часть, обращенную в сторону нижнего бьефа, - низовым откосом (его называют также сухим), коэффициент заложения ггц (котангенс прилежащего угла ос).

Поперечный профиль грунтовой плотины

Рис. 8.1. Поперечный профиль грунтовой плотины:

1 - тело плотины; 2 - основание плотины; 3,8- бермы; 4 - упор; 5,7- крепление верхового и низового откосов; 6 - гребень; 9 - дренаж; 10 - замок; 11 - снятие растительного грунта; 12 - прослойка аллювия; 13 - водонепроницаемое основание; b - ширина плотины по гребню; Ьо - ширина бермы

В земляных плотинах, высотой превышающих 20 м, на верховых и низовых откосах через каждые 7... 12 м по высоте обычно предусматривают горизонтальные участки (бермы) с небольшим уклоном к телу плотины для сбора и отвода поверхностных осадков. Устройство берм позволяет увеличить ширину плотины по основанию. Ширину берм принимают из условия проезда не менее 3 м; если проезд не предусмотрен, то ширина берм не менее 1...2 м. На низовом откосе высотное положение бермы уточняют после проведения фильтрационных расчетов для заглубления депрессионной кривой ниже глубины промерзания со стороны сухого откоса.

В водохранилище при грунтовых плотинах в качестве характерных (расчетных) имеются три уровня поверхности воды: ФПУ - форсированный подпорный уровень, максимально возможный при данных условиях, наблюдающийся обычно кратковременный период, т.е. при прохождении паводка (половодья) в нижнем бьефе УНБщах - максимальный уровень воды; НПУ - нормальный подпорный уровень, применительно к которому проводят фильтрационные расчеты устойчивости откосов и принимают расчетные коэффициенты надежности, в нижнем бьефе УНБщт - наименьший уровень воды; УМО - уровень мертвого объема, до которого осуществляют срабатывание водохранилища, то есть ниже его подача воды потребителю из водохранилища прекращается. Отметки уровней поверхности воды в водохранилище обычно устанавливают водохозяйственными расчетами.

Гребень. Обычно он служит проезжей частью для автомобильного транспорта. Согласно СНиП, ширину по гребню в этом случае для дорог II категории назначают - 15 м; III категории - 12 м; IV категории - 10 м; V категории -8 м. Если проезд по гребню не предусмотрен, то его ширина b > 4,5 м.

Отметку гребня плотины из грунтовых материалов следует назначать на основе расчета возвышения его над расчетным уровнем воды при НПУ и ФПУ.

Превышение отметки гребня плотины, м, над расчетным уровнем воды в водохранилище вычисляют по зависимости

где hгр - превышение отметки гребня плотины над расчетным уровнем воды в верхнем бьефе; hH - высота наката ветровых волн на верховой откос; ДИ - высота ветрового нагона; а - запас, принимаемый не менее 0,5 м = 0,5... 1,0 м) [6].

При определении первых двух слагаемых формулы (8.1) при отметке НПУ обеспеченность расчетного шторма для расчета элементов волн и ветрового нагона для сооружений I, II классов следует принимать 2 % (1 раз за 50 лет). Для сооружений I и II класса при надлежащем обосновании обеспеченность расчетного шторма допускается принимать 1 % (1 раз в 100 лет). При особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) обеспеченность для сооружений I, II классов следует принимать 20 % (1 раз в 5 лет), III класса - 30 % (1 раз в 3 года), IV класса - 50 % (1 раз в 2 года). Для этих условий должны быть известны данные по скорости ветра (по розе ветров) и по длине разгона волны.

Для грунтовых плотин III и IV классов можно использовать следующую зависимость (формула Н. Н. Джунковского):

где Кш - коэффициент шероховатости верхового откоса плотины, равный 1,0 для гладкой поверхности (гладкий грунтовый откос, крепление откоса бетонными плитами) и 0,775 для шероховатой поверхности (каменная наброска из крупного камня, «рваный» откос); hi % - амплитуда ветровой волны 1 % обеспеченности; m - коэффициент заложения верхового откоса.

Высоту ветрового нагона, м, определяют по зависимости

где Кв - коэффициент, зависящий от скорости ветра: Кв « 6 х 10'3; Vio - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водохранилища, м/с; D - длина разгона ветровой волны (наибольшая длина по зеркалу водохранилища по направлению ветра), км; g - ускорение свободного падения, м/с2; Hi - глубина воды в водохранилище при расчетном уровне, м; /? - угол между продольной осью водохранилища и направлением господствующих ветров, град.

Следует заметить, что в этой формуле длина разгона волны принимается в километрах (км).

Высоту ветровой волны, м, приближенно для небольших водохранилищ (прудов) можно рассчитать (для оценки порядка вычислений) по формуле В. А. Марьина:

Особенность этой формулы заключается в том, что длина разгона ветровой волны D подставляется в километрах, а результат по h - в метрах; перевод осуществляется коэффициентом 0,37. То же самое в формулах (8.5) и (8.6).

Высоту волны для открытых водохранилищ при D от 3 до 30 км и скорости ветра до 15 м/с можно определить по формуле В. Г. Андреянова [6]:

здесь Л - длина ветровой волны, м.

Для использования формулы (23.2) необходимо знать коэффициент заложения верхового откоса т. Ориентировочное значение его для насыпных песчано-глинистых грунтов можно принимать по таблице 8.1.

Таблица 8.1

Ориентировочные коэффициенты заложения откосов для насыпных плотин

Высота плотины, м

Верховой m

Низовой mi

без дренажа

с дренажом

до 5

2,0

1,5

1,5

5...10

2,5

2,0

1,5...2,0

12...15

2,5...3,0

2,5

2,0...2,5

20...30

3,0...3,5

2,5...3,0

2,0...2,5

Вначале откладывается от статического расчетного уровня высота ветрового нагона. На перекошенной водной поверхности водоема возникают ветровые волны, и на мелководной зоне примыкания к верховому откосу (в прибойной зоне) появляется накат ветровой волны h„, определяемый по формуле (8.3). Завершает высоту гребня запас не менее 0,5 м и не более 1,0 м. Следует заметить, что перечисленные величины следует откладывать не по направлению верхового откоса, а по вертикали.

Превышение отметки гребня плотины из грунтовых материалов ведут на расчетные уровни воды в верхнем бьефе (НПУ и ФПУ). В качестве расчетной отметки гребня принимают наибольшую из отметок, округлив полученный результат в сторону запаса.

Осадка земляных плотин может быть принята в соответствии с

формулой Лаутона и Лестера (Канада) S = 0,001 нf, м, в приближенных расчетах, которая пригодна для оценки осадки земляных плотин высотой до 150 м. Эту величину необходимо добавлять к отметке гребня плотины.

Откосы плотин. Крутизну откосов грунтовой плотины (коэффициент их заложения) надлежит назначать из условия их устойчивости с учетом показателей нормально эксплуатируемых грунтовых плотин:

  • 1) физико-механических характеристик грунтов откосов и основания;
  • 2) действующих на откосы сил: собственного веса, влияния воды (взвешивающих, фильтрационных сил, капиллярного поднятия), сейсмических, динамических, внешних нагрузок на гребне и откосах и др.;
  • 3) высоты плотины;
  • 4) производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации.

Верховой откос плотины может быть неукрепленным (из грунта тела плотины) и укрепленным. Крепление откоса защищает его от волновых воздействий и ледовых сил. Крепление подразделяется на основное, располагаемое в зоне действия высоты наката волны на откос, и облегченное, размещаемое ниже и выше основного. Толщину облегченного крепления обычно делают вполовину основного. На верховом откосе для защиты от перелива воды через гребень грунтовой плотины часто выполняют примерно на высоте наката ветровой волны «волногасящую берму» - горизонтальный участок шириной 5...8 м. Наличие такой бермы обеспечивает естественное растекание волны, потерю ее энергии, и на оставшуюся часть откоса обеспечивается только небольшой волновой всплеск.

Для крепления верхового откоса применяют каменную наброску (каменное мощение), наброску из гравийно-галечниковых грунтов, бетонные и железобетонные плиты (монолитные или сборные), грунтоцементные плиты, биологическое крепление [6].

Каменное крепление (наброска) обычно выполняется из камня изверженных и осадочных пород. Крепления должны быть прочные и морозоводостойкие, легко осуществимы с применением средств механизации. Их можно выполнять в любое время года. Они гибки и легко восстанавливаются.

Покрытие в виде одиночной мостовой выполняют при высоте ветровой волны менее 1,5 м.

При высоте волны не более 1,5 м применяют бетонные монолитные плиты.

Железобетонные сборные, или монолитные, плиты используют при высоте ветровой волны более 1,5 м. Принятые расчетные размеры сборных железобетонных плит должны быть увязаны с грузоподъемностью транспортных средств и кранов. Плиты после их укладки объединяют в карты. Швы между плитами замоноличивают, а между картами делают деформационно-осадочные швы, позволяющие картам иметь небольшие перемещения в случае неравномерной осадки и температурных деформаций. Плиты должны размещаться на слое подготовки из песчано-гравийной смеси (ПГС). Это выравнивающий слой. Таких слоев может быть 2 или 3. Толщина каждого слоя обычно составляет не менее 0,1...0,25 м.

Грунтоцементное крепление (рис. 8.3) выполняют из местного грунта с добавкой цемента (до 10 % по массе) и воды. Грунтоцементную смесь укладывают слоями толщиной 10... 15 см и уплотняют гладкими катками или поверхностным вибратором. Крепление из грунтоцемента применяют при высоте ветровой волны до 1,0... 1,5 м; толщина крепления должна составлять перпендикулярно к откосу не менее 1 м. Чтобы избежать снижения прочности грунтоцементной смеси, транспортировку ее от смесительной установки, разравнивание и уплотнение следует производить в короткое время. Согласно зарубежному опыту применения данного покрытия (плотина Меррит, США), рекомендуется проводить такие операции за 2...3 часа [6].

Грунтоцементное крепление

Рис. 8.3. Грунтоцементное крепление

Биологическое крепление сводится к посадке на верховом откосе черенков кустарника (ивы или других водолюбивых кустарниковых растений).

Верхнюю границу основного крепления верхового откоса обычно доводят до гребня плотины или заканчивают на отметке наката волны на откос и далее до гребня доводят в облегченном виде; нижнюю границу основного крепления устраивают на отметке, соответствующей двум величинам высот ветровой волны ниже отметки УМО и ниже подводной кромки льда. Облегченное крепление применяют ниже основного; его нижняя граница проходит до той отметки, где волновые скорости потока воды не опасны для неукрепленного грунта верхового откоса. Иногда облегченное крепление доводят до основания. Для того чтобы основное крепление не могло смещаться вниз по откосу, на его нижней границе делают упор (или на откосе плотины, или на берме).

При высоте волны до 1,5 м для различных грунтов можно делать пологие пляжные откосы с заложением от 1:10 до 1:50 без крепления.

На откосах, как правило, следует предусматривать устройство берм (как уже упоминалось ранее), определяя их число в зависимости от высоты плотины. Бермы на низовом откосе с помощью кюветов перехватывают дождевые и ливневые атмосферные осадки. Низовой откос закрепляют для защиты от выветривания, разрушения поверхности откоса стекающими осадками посевом трав по растительному слою или одерновкой, чаще всего «в клетку» под углом 45° к бровке гребня плотины или бермы на низовом откосе с засевом травой внутриклеточных пространств по растительному грунту размером 1,5 х 2,5 м.

Противофильтрационные устройства в теле плотины. Для

снижения ординаты депрессионой кривой в теле плотины в начальной части после проверки тела однородной плотины по градиентам, когда плотину отсыпают из достаточно проницаемых грунтов (с коэффициентом фильтрации 15...20 м/сут.), для снижения фильтрационных потерь через плотину и возможности суффозия применяют противофильтрационные устройства. Для создания противофиль- трационных устройств используют маловодопроницаемые грунты (глины, суглинки, глинобетон, торф), а также битумные составы, асфальтобетон, бетон и полимерные пленки.

Экран из грунта. Экран располагают по верховому откосу плотины под защитным слоем 1..2 м, обеспечивающим его непромора- живание. Экран представляет собой круто наклоненную трапецию. Толщину экрана поверху, перпендикулярно любому откосу экрана, следует назначать 0,8... 1,0 м, минимальный размер экрана по основанию принимается более 0,l#i, но не менее 3,5 м. Здесь Hi - глубина воды перед плотиной со стороны верхнего бьефа (ВБ). Превышение отметки гребня экрана над отметкой ФПУ для плотины II класса не менее 0,7 м, III класса - 0,6 м, IV класса - 0,5 м; при этом гребень экрана заглубляется под гребень плотины на величину не менее глубины промерзания для данного района строительства (для Республики Марий Эл она равна 1,8 м). Отметка гребня плотины может быть увеличена исходя из необходимости проектирования противофильтрационных устройств, например экрана. Если гребень экрана (ядра) будет проморожен, то он потеряет все свои свойства.

Экраны могут быть пластичными и жесткими. В данной работе речь будет идти о пластичных экранах, поскольку они следят за деформациями тела плотины (горизонтальными перемещениями, осадками). Их возводят:

а) из суглинков;

  • б) смеси глины (не более 40 % по массе) и песка;
  • в) глинобетона (глина - 24 %, песок - 36 %, гравий - 40 % по объему);
  • г) грунтоцемента;
  • д) торфа:
    • - сплошные экраны, составляющие 2. .4 м у основания плотины;
    • - слоистые экраны из 2...3 слоев толщиной не менее 0,5 м. Между слоями слой песка 10...20 см. Торф должен быть хорошо разложившийся - не менее 50 %, не промороженный, не высохший до воздушно-сухого состояния;
  • е) асфальтобетона. Особенность такого экрана в следующем: откос плотины не круче 1:2, экран укладывают на верховой откос. Он выполняет комплексную задачу: защищает откос от воздействий волн и льда и действует на фильтрационный поток в теле плотины как экран:

При напоре 10, 20, 50 метров средняя толщина асфальтобетона составляет соответственно 6, 8, 12 см;

ж) полимерных пленок толщиной 0,1...2 мм, требующих для своего использования слоя подготовки из просеянного песка толщиной не менее 0,3...0,5 м, а также защитного песчаного слоя толщиной не менее 1... 1,5 м. Песок не должен иметь острых включений (гравия) для предотвращения возможности прорыва.

Пластичные экраны обычно врезаются в основание плотины зубом.

Ядро из грунта. Его можно располагать посредине поперечного профиля тела плотины или смещать в сторону верхового откоса с целью повышения устойчивости низового откоса (большая часть поперечного сечения плотины будет сухой).

Отметка гребня ядра должна быть ниже глубины промерзания для района строительства и в то же время выше отметки ФПУ на величину не менее 0,5 м для I, II классов и не менее 0,3 м для III, IV классов плотины. Ширину ядра по верху принимают обычно

1,0... 1,6 м, а по низу она должна быть не меньше 3,5 м. Врезка зубом в водоупор или в проницаемый грунт обязательна.

Экран и понур из грунтовых материалов. Понур является продолжением экрана по основанию и предназначен для защиты проницаемого основания от опасных фильтрационных деформаций. Он выполняется из таких же материалов, что и экран. Толщина его в начальной части не менее 0,7... 1,0 м, а в месте сопряжения с экраном не меньше толщины экрана. Длина понура обычно (3...5) Ятах и более, где Ятах - максимальный напор плотины. Понур может быть и продолжением ядра по основанию со стороны водохранилища.

Противофшътрационные устройства в основаниях плотин. Такие устройства необходимы, если грунтовые плотины возводят на проницаемых основаниях для уменьшения фильтрационных потерь и снижения градиентов напора. Эти устройства могут прорезать весь проницаемый слой до водоупора или быть висячими, не достигающими водоупора.

Замок и зуб. Замок применяют, если водонепроницаемое устройство прорезает всю мощность водопроницаемого слоя (при ее небольшой толщине менее 3...4 м) и входит в водоупор. Зуб применяют, если данное устройство не доходит до водоупора. Зуб часто применяют в комбинации со шпунтовой стенкой. Замок выполняют, укладывая в траншею плотный суглинок, глину, глинобетон. Зуб, особенно в комбинации со шпунтом, выполняют из бетона. В скальных основаниях рекомендуется устраивать цементационные завесы. Сопряжение противофильтрационных устройств тела грунтовой плотины и основания должно обеспечивать непрерывный водонепроницаемый фронт сооружения и основания. Обычно его выполняют из одного и того же грунта (см. рис. 8.1).

Дренаж грунтовой плотины. Дренаж - это конструктивный элемент для понижения ординаты депрессионной кривой на выходе из сооружения, для сбора и отвода воды, фильтрующейся через тело плотины. Дренаж имеет повышенную проницаемость по сравнению с грунтами тела плотины и основания, состоит из двух частей: приемной и отводящей.

Тип дренажа и его местоположение выбирают из условия обеспечения устойчивости низового откоса. Приемную часть дренажа целесообразно заглублять в тело плотины, хотя нужно иметь в виду, что это повышает стоимость дренажа, увеличивает градиенты и расход фильтрации. С другой стороны, желательно дренаж располагать так, чтобы расстояние от депрессионной кривой до поверхности низового откоса было больше глубины промерзания. Основные конструкции дренажных устройств приведены на рис. 8.4.

Основные виды дренажей

Рис. 8.4. Основные виды дренажей:

а - наслонный; б - дренажная призма (банкет); в - комбинированный наслон- ный с дренажной призмой); г - плоский; д - плоский с вертикальной или наклонной приемной частью; е - ленточный; ж - комбинированный, ленточный с дренажной призмой; з — трубчатый; 1 - заглушки; 2,3 - приемные (перфорированные) и отводящие трубы; 4 - депрессионная кривая

Наслонный дренаж не понижает ординату кривой депрессии, а только отводит фильтрационный поток. Он должен защищать низовой откос от промораживания и обеспечивать устойчивость грунта откоса.

Дренажную призму (банкет) применяют широко из-за простоты конструкции, надежной работы при любых уровнях нижнего бьефа. Ширину поверху дренажной призмы обычно назначают 1...2 м. Гребень призмы должен быть выше максимального уровня воды в нижнем бьефе на величину не менее 0,5 м. Коэффициенты заложения откосов дренажной призмы: внутренний откос может быть крутым, вплоть до 1,0; наружный откос может сохранять коэффициент заложения низового откоса грунтовой плотины или быть круче. Дренажная призма обеспечивает отвод воды из тела плотины и основания в комбинации с наслонным дренажом: в паводок работает наслонная часть, в остальное время - призма.

Плоский горизонтальный дренаж в виде тюфяка, уложенный по типу обратного фильтра, устраивают в пойменной части, когда воды в нижнем бьефе нет или при очень низких уровнях воды в русловой части.

Ленточный дренаж - разновидность плоского горизонтального дренажа, в котором приемная часть, имеющая вид ленты и расположенная вдоль плотины по основанию пойменной части, соединена с дренажной канавкой отводящими участками, также имеющими вид лент.

Дренажная призма в сочетании с ленточным дренажом имеет преимущества обоих типов дренажа. При низких уровнях в нижнем бьефе работает ленточная часть, при высоких - дренажная призма.

Трубчатый горизонтальный дренаж имеет приемную часть, выполненную с отверстиями в верхней половине трубы (перфорацию), диаметр трубы * 0,2 м и более, оснащенной обратным фильтром; неперфорированная нижняя половина трубы отводит воду от приемной части.

Обратные фильтры дренажей предназначены для предотвращения фильтрационных деформаций, которые могут иметь место при входе фильтрационного потока в дренаж, так как в месте входа градиенты напора возрастают. Смысл обратных фильтров сводится к тому, чтобы частицы предыдущего слоя по направлению движения фильтрационного потока не могли бы пройти через поры последующего слоя. Для подбора обратных фильтров существуют графики В. С. Истоминой.

Фильтрационные расчеты. Фильтрация е однородных плотинах на водонепроницаемом основании

Примем способ возведения насыпной. Однородная грунтовая плотина располагается на водонепроницаемом основании (на водо- упоре).

Фильтрационную прочность тела плотины, а также противофиль- трационных устройств оценивают на основе соответствующих расчетов и экспериментальных исследований грунтов при действующих в сооружении градиентах напора с учетом напряженно-деформированного состояния сооружения и его основания, особенностей конструкции, методов возведения и условий эксплуатации. Расчеты фильтрационной прочности надлежит выполнять исходя из наибольшего напора, действующего на грунтовую плотину. При оценке фильтрационной прочности необходимо выполнение условия

где д - действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации; lcfp - критический средний градиент напора, принимаемый на основании исследований грунтов, отвечающих реальным условиям эксплуатации сооружения; К„ - коэффициент, отвечающий за надежность сооружения. В предварительных расчетах и при отсутствии необходимых исследований значения 1^ могут быть приняты в соответствии с имеющимися аналогами по таблице 8.2.

В результате проверки фильтрационной прочности уточняют конструкцию плотины, в частности местоположение дренажа или берм.

Таблица 8.2

Значения критических средних градиентов напора для различных грунтов

Грунт

Значения критических средних градиентов напора 1^

для понура

для экрана и ядра

для тела и призмы плотины

Глина, глинобетон

15

12

8...2

Суглинок

10

8

4... 1,5

Супесь

3

2

2...1

Песок:

средний

-

-

1

мелкий

-

-

0,75

Проверку фильтрационной прочности тела или призмы плотины из грунтовых материалов выполняют для поперечного профиля, назначенного исходя из расчетов устойчивости откосов.

Фильтрационный расчет заключается в определении положения депрессионной кривой в теле плотины, оценке высоты капиллярного поднятия, проверке градиентов фильтрационного потока (см. табл. 8.2) и вычислении фильтрационного расхода по сечениям, что позволяет найти потери воды из водохранилища.

Расчеты фильтрации проводят с учетом следующих допущений: движение фильтрационного потока рассматривают плоским, грунт тела плотины принимают однородно-изотропным, положение кривой депрессии не зависит от типа грунта, а является функцией геометрических размеров поперечного профиля грунтовой плотины и уровней воды верхнего и нижнего бьефов, линию основания водо- упора принимают горизонтальной. Следует отметить, что грунтовые плотины имеют два граничных условия со стороны нижнего бьефа: на пойменных участках створа воды в нижнем бьефе воды нет (h0 = 0); в русловой части створа есть вода hD > 0 (рис. 8.5).

Расчетные случаи:

1. Русловая часть: нормальный случай - АНТТУ и АУНБЛШМ;

  • 2. Русловая часть: форсированный случай ДФПУ и ДУНБ,иакс;
  • 3. Пойма: нормальный случай - ДНПУ, уровень воды в нижнем бьефе равен 0;
Разрез по створу, вид с нижнего бьефа (на рисунке приведены только для нормального расчетного случая

Рис. 8.5. Разрез по створу, вид с нижнего бьефа (на рисунке приведены только для нормального расчетного случая: для русловой части и поймы)

4. Пойма: форсированный случай - АФПУ, уровень воды в нижнем бьефе равен 0.

Проектирование глухой (не допускающей перелива через гребень) однородной грунтовой плотины начинается с русловой части створа (ho > 0), вычисляется отметка гребня плотины, вычерчивается чертеж плотины в одном масштабе (вертикальном и горизонтальном), наносятся уровни воды со стороны верхнего и нижнего бьефов. В зависимости от расчетных уровней воды ВБ, при котором следует вести расчет устойчивости низового откоса, при соответствующем уровне воды в нижнем бьефе, по этой линии “срезается поперечный профиль плотины”, верхняя часть профиля соответствует сечению плотины в пойменной части. В этом случае характерные размеры будут другими: высота плотины и глубина перед плотиной будут меньше на величину глубины воды в нижнем бьефе (рис. 8.6).

При фильтрационных расчетах используются закон Дарси (закон ламинарной фильтрации) V = KI и уравнение Дюпюи

где V - средняя скорость фильтрационного потока, м/сут.; к - коэффициент фильтрации, м/сут.; I-уклон (напорный градиент); q - удельный фильтрационный расход, приходящийся на единицу длины поперечного профиля плотины, м2/сут.; h - ордината фильтрационного потока в раздельном сечении, проходящем через верховую бровку гребня плотины, м; hi - ордината выхода кривой депрессии на низовой откос плотины, м; Li - расстояние от начала координат до ординаты выхода депрессионной кривой на низовой откос.

Поперечный профиль грунтовой плотины в пойменной части

Рис. 8.6. Поперечный профиль грунтовой плотины в пойменной части: в - ширина плотины по гребню; гр - превышение отметки гребня плотины над расчетным уровнем воды ВБ; m ,mi - коэффициенты заложения верхового и низового откосов соответственно

Область фильтрации в теле земляных плотин, по рекомендации акад. Н. Н. Павловского, подразделяют на три характерных фрагмента: I - верховой клин, ограниченный верховым откосом плотины и раздельным сечением, проходящим через верховую бровку гребня плотины; II - средняя часть - от раздельного сечения, проходящего через верховую бровку гребня плотины, включая гребень плотины, часть низового откоса, до раздельного сечения, проходящего через ординату выхода депрессионной кривой на низовой откос; III - низовой клин ограничен раздельным сечением, проходящим через ординату выхода депрессионной кривой на низовой откос, и низовым откосом. По методике Н. Н. Павловского, начало координат располагают так: ось ординат OY - в раздельном сечении, проходящем через верховую бровку гребня плотины; ось абсцисс ОХ - по линии основания в сторону нижнего бьефа. Каждый фрагмент пропускает один и тот же удельный фильтрационный расход q, причем в средней части возникает неравномерное, медленно изменяющееся движение фильтрационного потока, представляющее собой кривую спада. При этом глубина фильтрационного потока постепенно уменьшается, следовательно, средние скорости фильтрации естественно возрастают.

При использовании методики акад. Е. А. Замарина, по которой верховой клин заменяется эквивалентным прямоугольником с длиной Ц от раздельного сечения, проходящего через урез воды с верховым откосом, в сторону верхнего бьефа; в итоге рассчитывается земляная плотина с вертикальным верховым откосом. Положение раздельного сечения L: находят по зависимости Г. К. Михайлова

В этом же сечении располагаются оси координат: ось OY - в раздельном сечении, вертикально вверх; ось ОХ - по линии основания в сторону нижнего бьефа. По чертежу можно определить величину L от начала координат до подошвы низового откоса. Эта же величина (для контроля) будет, если воспользоваться формулой

Тогда

Расстояние от начала координат до ординаты выхода депрессионной кривой hi на низовой откос составит

Кривую депрессии можно построить по уравнению

где у - ординаты кривой депрессии на расстоянии х от начала координат.

Удельный фильтрационный расход может быть найден из уравнения Дюпюи:

Русловая часть (h0 >0). Фильтрационный расчет производится так же, как и для пойменной части, по тем же самым уравнениям, за исключением (8.11). Ордината выхода депрессионной кривой на низовой откос с учетом глубины воды в нижнем бьефе ho

Следует заметить, что величины Ц и L будут больше; все остальные уравнения по написанию остаются такими же, только численные значения будут несколько иными.

Уравнение кривой депрессии

Вычислив ординаты у в зависимости от х, проверяем фильтрационную устойчивость грунта тела плотины. Пусть по оси абсцисс последняя точка будет х„ = Ц, при этом ордината у„ соответствует hi. Расчетный градиент (или уклон) будет примерно соответствовать

Если это условие соблюдается, то механическая суффозия отсутствует, т.е. фильтрационных деформаций заданных грунтов тела плотины нет, при несоблюдении условия (8.19) вносятся конструктивные изменения в однородный профиль грунтовой плотины (назначаются бермы, дренажи или возникает необходимость применения противофильтрационных устройств).

Фильтрационные расчеты е однородных плотинах, оборудованных дренажными устройствами, на водонепроницаемом основании

Пойменная часть, воды в нижнем бьефе нет, h0 = 0. При отсутствии воды в нижнем бьефе применяется трубчатый или тюфячный дренаж. Проектирование таких дренажей ведем следующим образом: проектируем низовой откос на линию основания, проекцию делим на три одинаковые части и на расстоянии одной трети от подошвы низового откоса размещаем перфорированную трубу или начало тюфячного дренажа. При этом оборудуется дренажная канавка - заглубление в основании сразу за подошвой низового откоса для отвода профильтровавшейся воды (дренажная канавка может быть треугольного или трапецеидального поперечного сечения, с приемной трубой дренажа соединяется отводными трубами через каждые 10... 15 м, иногда и более). Дренажная канавка отводит профильтровавшуюся воду с пойменной части в русловую. Таким образом, местоположение «закрытой» трубы, тюфяка определены в поперечном профиле однородной плотины. Фильтрационный расчет ведем по методике акад. Н. Н. Павловского: в расчете будут участвовать верховой клин и средняя часть, низовой клин будет отсутствовать.

Схема поперечного профиля однородной плотины, оборудованной закрытым дренажом (трубой), представлена на рис. 8.7.

Поперечное сечение однородной плотины, оборудованное дренажной трубой с дренажной канавкой

Рис. 8.7. Поперечное сечение однородной плотины, оборудованное дренажной трубой с дренажной канавкой: а - расположение трубы; б - график определения Ьмстс

Составляем уравнение для верхового клина и средней части:

В уравнении Дюпюи Н. Н. Павловский пренебрегает величиной hi ввиду малого диаметра трубы (d « 0,2 м), тем более что половина трубы (неперфорированная часть) заглублена в грунт основания. Получаем два уравнения и две неизвестные величины q и h. Левые части одинаковы, должны быть одинаковы и правые. Приравняем правые части уравнений (8.20) и (8.21). Получаем одно уравнение с неизвестным h.

Обозначим подкоренное выражение через F. Тогда выражение h = Vf" удобнее решать графоаналитическим путем. Задаваясь несколькими значениями h, высчитываем соответственно Vf" , наносим на график (8.1, б). Секущая, проведенная из начала координат под углом 45°, при пересечении с полученной кривой определит искомую величину. Следует заметить, что на графике необходимо откладывать одинаковые по численной величине размеры по h и VF” . При пересечении секущей должен получиться квадрат (это своего рода проверка). По оси абсцисс определяется lw.

Удельный фильтрационный расход определится из уравнения для средней части

Уравнение кривой депрессии будет выглядеть следующим образом:

Задаваясь значениями по эг с шагом 10...20 м, определяем ординаты у.

Проверка по градиентам обязательна, причем желательно ее проводить для кривой депрессии при входе в дренажную трубу (вокруг трубы создается обсыпка 2...3 слоями песчаной смеси в форме шестиугольника по типу обратного фильтра) или дренажный тюфяк. Проверкой правильности вычислений является следующее условие: при подстановке в уравнение кривой депрессии вместо эг = Sдр, в этом случае у = 0.

Русловая часть, h0 > 0. Расчетная схема представлена на рис. 8.1.

При наличии воды в нижнем бьефе в фильтрационном расчете участвуют верховой клин и средняя часть. Пренебрегая гидравлическими сопротивлениями дренажного банкета, считаем, что hi « ho. Тогда для верхового клина

для средней части

Окончательно получаем следующее выражение для h:

Как и для пойменной части, обозначаем подкоренное выражение

через F, получаем уравнение для одного неизвестного h = VF. В дальнейшем h находится так же, как и при отсутствии воды в нижнем бьефе, т.е. на пойме (рис. 8.7, б).

Расчетная схема однородной плотины с дренажным банкетом на водонепроницаемом основании

Рис. 8.8. Расчетная схема однородной плотины с дренажным банкетом на водонепроницаемом основании

Удельный фильтрационный расход получается из уравнения для средней части

Уравнение кривой депрессии

Проверка по градиентам обязательна; дренажная призма (банкет) со стороны тела плотины оснащается 2-3 слоями песчаной смеси по типу обратного фильтра. Может быть предусмотрен наслонный дренаж по низовому откосу, чтобы не промораживался грунт тела земляной плотины в связи с зоной капиллярного поднятия от депресси- онной кривой, если капиллярное поднятие насыщает низовой откос.

Фильтрационные расчеты в земляных плотинах, оборудованных экранами, на водонепроницаемом основании

Фильтрационный расчет начинается с конструирования экрана в русловой части створа, вычерчивается поперечный профиль грунтовой плотины и вписывается экран из маловодопроницаемого грунта. По одному из расчетных уровней верхнего бьефа, а соответственно, и уровню нижнего бьефа «срезается» поперечный профиль грунтовой плотины. Верхняя часть профиля соответствует пойменному участку створа, линия основания будет проходить по одному из уровней нижнего бьефа. Требования к конструированию экрана изложены ранее, по транспортиру определяется угол внутреннего откоса экрана р.

Пойменная часть створа, h0 = 0. Для пойменной части, как и для русловой, при фильтрационном расчете не учитывается защитный слой, зуб. В расчетах используется средняя толщина экрана Scp = Se. Применяем уравнение Н. Н. Павловского:

где Hi,поймы - глубина перед плотиной на пойме; he - ордината де- прессионной кривой за внутренним откосом экрана; z - проекция средней толщины экрана на вертикальную плоскость: z = 8е со$Р

дл + Sj

де - средняя толщина экрана: Se = —--; п - отношение коэффициентов фильтрации тела плотины к к коэффициенту фильтрации экрана кэ, т.е. п = к / кэ; (5-угол наклона экрана к основанию, град. Используем уравнение Е. А. Замарина:

где hi - ордината выхода депрессионной кривой на низовой откос; Li - расстояние по основанию от tv до ординаты hi.

Расчетная схема фунтовой плотины, оборудованной экраном, на пойменной части створа (hi = 0); основание водонепроницаемо

Рис. 8.9. Расчетная схема фунтовой плотины, оборудованной экраном, на пойменной части створа (hi = 0); основание водонепроницаемо: а - расположение экрана; б - график для нахождения he, иск.

Расчет заключается в следующем: уравнения (8.30) и (8.31) имеют одинаковые левые части, а значит, одинаковыми должны быть и правые части. Обозначим выражение (8.30) через А, значения по

  • (8.30) - через о, а выражение (8.31) - через А, численные значения по
  • (8.31) - через х Используем график (рис. 8.9, б): по оси ординат откладываем значения А и Б, по оси абсцисс - he. Задаваясь значением he, откладываем значения А - о и Б - х, проводим соответствующие кривые, точка пересечения определяет he, иск.. На чертеже откладываем he, иск. под внутренним откосом экрана. Здесь располагаются оси координат: ось ординат OY - вертикально вверх в месте расположения he, иск., ось ОХ - по линии основания в сторону нижнего бьефа. От начала координат измеряем L до подошвы низового откоса и высчитываем величину hi, ординату выклинивания депрессионной кривой на низовой откос.

где mi - коэффициент заложения низового откоса грунтовой плотины.

Кривую насыщения плотины, оборудованной экраном, можно построить по уравнению кривой депрессии:

Задаваясь величиной „т = 10...20 м, определяем ординату у.

Проверка по фильтрационным деформациям обязательна для грунта тела плотины и для грунта экрана. Для экрана расчетный уклон (градиент)

Условие (8.35) должно удовлетворять условию (8.19) (см. табл. 8.2).

После проведения фильтрационных расчетов и проверки по градиентам уточняют конструкцию запроектированной грунтовой плотины, оборудованной экраном (утолщение экрана, наличие берм, у положение откосов, дренажных устройств и т.п.). Если грунтовая плотина в конструктивном отношении коренным образом изменилась, то фильтрационный расчет повторяют.

Русловая часть, h0 > 0. Фильтрационный расчет выполняют точно таким же образом, что и для пойменной части при h0 > 0, за исключением выражения (8.32). После нахождения по уравнениям (8.30) и (8.31) ht,ucK (с построением графика), определения начала координат ординату выхода депрессионной кривой на низовой откос плотины определяют следующим выражением:

Уравнение кривой депрессии строится по выражению (8.34), проверка по фильтрационным деформациям грунта тела плотины и экрана обязательны. Расчетная схема приведена на рис. 8.10.

Расчетная схема грунтовой плотины, оборудованной экраном, в русловой части створа (hi > 0); основание водонепроницаемо

Рис. 8.10. Расчетная схема грунтовой плотины, оборудованной экраном, в русловой части створа (hi > 0); основание водонепроницаемо

Уравнение кривой депрессии строится по выражению (8.34), проверка по фильтрационным деформациям грунта тела плотины и экрана обязательны.

Фильтрационный расчет грунтовых плотин, оборудованных ядрами (основание водонепроницаемо)

Фильтрационный расчет сводится к использованию метода «виртуальной замены», т.е. проводят эквивалентную замену коэффициента маловодопроницаемого грунта ядра кя на коэффициент проницаемого грунта тела плотины к (допускается такая замена и при расчете плотин, оборудованных экраном).

Трапецеидальный поперечный профиль ядра заменяется на эквивалентный ему прямоугольный шириной

где ti, t2 - ширина ядра по гребню и по основанию соответственно.

Тогда «виртуальная замена» будет иметь следующие размеры:

Конструирование ядра приведено в пункте «Противофильтраци- онные устройства в теле грунтовых плотин». Чертеж грунтовой плотины начинают с вычерчивания однородной плотины и конструирования (вписывания в поперечный профиль) ядра в русловой части створа. Желательно, чтобы пунктирная линия, проходящая через tcp со стороны верхового откоса проходила бы в раздельном сечении через верховую бровку гребня плотины, что значительно упрощает расчет. По расчетному уровню воды в нижнем бьефе «срезается» поперечный профиль плотины. Как уже ранее упоминалось, верхняя часть профиля соответствует наибольшей глубине на плотине в пойменной части, воды в нижнем бьефе нет.

Пойменная часть h0 = 0 . Вычертив поперечный профиль грунтовой плотины с вписыванием ядра, оформляем его с заглублением в грунт основания - зубом. Заглубляется зуб на 0,7... 1,0 м. В фильтрационном расчете он не участвует, однако упоминание о зубе свидетельствует о том, что ширина ядра на пойме у основания несколько меньше, чем в русловой части. Определив среднюю ширину ядра и вычислив соотношение коэффициентов фильтрации, можно найти ширину «виртуальной замены». Таким образом, перед нами стоит задача по выполнению фильтрационного расчета однородной плотины с коэффициентом фильтрации К, м/сут.

Фильтрационный расчет может быть выполнен по одному из способов расчета однородных грунтовых плотин. Ординаты кривой депрессии определяются для пунктирных линий, заменяющих трапецию на прямоугольник с шириной tcp при оценке градиента в ядре и желательно на выходе из тела плотины для определения напорного градиента в плотине. Расчет однородных земляных плотин рассмотрен ранее.

Расчетная схема грунтовой плотины, оборудованной ядром (основание водонепроницаемо)

Рис. 8.11. Расчетная схема грунтовой плотины, оборудованной ядром (основание водонепроницаемо): а - реальный профиль плотины; б - эквивалентное ядро, «виртуальная замена»

Русловая часть, h0 > 0. Фильтрационный расчет таких плотин не отличается от расчета в пойменной части. Эквивалентная «виртуальная ширина» ядра будет больше для русловой части, чем для поймы. Расчет сводится к определению фильтрации в однородной плотине при наличии воды в нижнем бьефе; проверка по градиентам напора для ядра и тела плотины обязательны.

Фильтрационные расчеты грунтовых плотин на водопроницаемом основании

При приближенных расчетах можно использовать метод Н. Н. Павловского: общий фильтрационный удельный расход определяется как сумма удельных расходов воды через тело плотины и проницаемое основание. Вначале считают, что плотина водопроницаема, а основание водонепроницаемо, и для этой схемы определяют удельный фильтрационный расход через тело плотины q и строят кривую депрессии. Затем принимают схему, в которой плотину считают водонепроницаемой, а основание водопроницаемым, и определяют удельный фильтрационный расход через основание qo по формуле

где q0 - удельный фильтрационный расход через проницаемое основание, м2/сут.; ко - коэффициент фильтрации проницаемого основания, м/сут.; Hi - расчетная глубина воды в верхнем бьефе, м; h0 - расчетная глубина воды в нижнем бьефе, м; Т - мощность (глубина) водопроницаемого основания, м; В - ширина плотины по основанию, м; По - поправочный коэффициент, учитывающий кривизну фильтрационных струек в основании, определяется в зависимости от отношения В/Т (табл. 8.3, рис. 8.12).

Таблица 8.3

Значения п0, зависящие от мощности проницаемого основания

В/Т

20

5

4

3

2

1

По

1,15

1,18

1,23

1,30

1,44

1,87

Общий удельный фильтрационный расход составит

При проектировании сооружений необходимо выполнять проверки на общую и местную фильтрационную прочность грунтов основания.

Расчетная схема определения общего фильтрационного расхода воды на водопроницаемом грунте основания

Рис. 8.12. Расчетная схема определения общего фильтрационного расхода воды на водопроницаемом грунте основания

Расчет общей фильтрационной прочности нескальных оснований в соответствии с рекомендациями проводят по формуле

где ljac4 - осредненный фактический градиент напора в расчетной

области фильтрации; к,/ - коэффициент надежности; 1^ - осредненный критический градиент напора, расчетные значения которого зависят от грунта основания (табл. 8.4):

Таблица 8.4

Критические градиенты напора в зависимости от грунтов основания (СНиП)

Грунт основания

1ср- кр?

Глина

1,20

Суглинок

0,65

Песок:

крупный

0,45

средней крупности

0,38

мелкий

0,29

Следовательно, в однородных грунтовых плотинах, грунтовых плотинах с дренажными устройствами, земляных плотинах с экраном или ядром на водопроницаемом основании удельный фильтрационный расход может быть подсчитан по формуле (8.39).

Фильтрационные расчеты грунтовых плотин, оборудованных экраном и понуром, на водопроницаемом основании

При расчетах фильтрации в плотинах с экраном и понуром принимают следующее допущение: экран и понур водонепроницаемы или маловодопроницаемы, что не является большой погрешностью; угол наклона экрана берут по его средней толщине; потерями напора в защитном слое пренебрегают.

При ограниченной мощности проницаемого основания Т с коэффициентом фильтрации ко наибольшую длину понура можно определить по формуле М. 3. Гузова:

где Яшах - максимальная длина понура, м; Т- глубина проницаемого основания, м; <7 - отношение коэффициента фильтрации основания ко к коэффициенту фильтрации понура к„, т.е. а= ко / кп 8ср - средняя толщина понура, м.

Особенностью фильтрационного расчета плотин с экраном и понуром является то, что сразу можно определить суммарный удельный расход через тело плотины и проницаемое основание.

Пойменная часть, h„ = 0. В виду малой величины hi акад. Е. А. Замарин приравнивает ее нулю в уравнении Дюпюи, Li = L. Остальные параметры показаны на рис. 8.13.

Подбор ординаты he может быть осуществлен по выражению

Следует воспользоваться графоаналитическим способом, т.е. расчет выполнить так же, как в расчетах с экраном: пересечение кривых на оси абсцисс покажет ординату hе.иск (см. график на рис. 8.13, б).

Расчетная схема земляной плотины с экраном и понуром на пойменной части (основание водопроницаемо), ho = О

Рис. 8.13. Расчетная схема земляной плотины с экраном и понуром на пойменной части (основание водопроницаемо), ho = О

Поправочный коэффициент п0 можно определить по таблице 8.5.

Таблица 8.5

20

5

4

3

2

1

По

1,15

1,18

1,23

1,30

1,44

1,87

Откладываем hew сразу за экраном, в этом же сечении располагаем координатные оси: ось ординат OY - вверх, ось абсцисс ОХ - по основанию в сторону НБ.

Теперь определим ординату выхода депрессионной кривой на низовой откос - величину hi:

Удельный расход воды, проходящей через тело плотины, может быть определен по формуле

Величина удельного расхода составляет часть расхода по уравнению (8.44): левая или правая часть, умноженная на ко, представляет удельный фильтрационный расход в плотине, оборудованной экраном и понуром, на водопроницаемом основании.

Построить кривую депрессии можно по уравнению

Наносятся ординаты этой кривой на рис. 8.13 с шагом 10...20 м и проверяется фильтрационная деформация грунтов тела плотины, грунта понура и экрана, основания по градиентам; необходимо выполнение условия (8.19).

Русловая часть, h0 > 0. Фильтрационный расчет не отличается от расчета в пойменной части, только в уравнение (8.44) к величине he добавляется глубина воды в нижнем бьефе; другими словами, ось абсцисс проходит по уровню воды в нижнем бьефе в сторону нижнего бьефа. В этом случае уравнение (8.44) преобразуется в следующим образом:

Подбором определяется he. В месте ее размещения под экраном располагаем ось ординат OY вертикально вверх, ось абсцисс ОХ - по уровню воды в НБ.

После нахождения he.^ удельный фильтрационный расход для русловой части через тело плотины с экраном и понуром и проницаемое основание может быть определен путем умножения левой или правой части выражения (8.47) на коэффициент фильтрации основания ко.

Расчетная схема фунтовых плотин, оборудованных экраном и понуром, в русловой части; основание водопроницаемо

Рис. 8.14. Расчетная схема фунтовых плотин, оборудованных экраном и понуром, в русловой части; основание водопроницаемо

Проверка по градиентам обязательна.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >