Проект волнозащитной плотины

метки: Плотина, Откос, Конструкция, Крепление, Высота, Принимать, Таблица, Грунт

гидротехническим сооружением (ГТС) понимаются сооружения, подвергающиеся воздействию водной среды, предназначенные для использования и охраны водных ресурсов, предотвращения вредного воздействия вод, включая плотины, здания гидроэлектростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники; сооружения, предназначенные для защиты от наводнений и разрушений берегов водохранилищ, берегов и дна русел рек, сооружения, ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, сооружения морских нефтегазопромыслов и т. д.

По назначению ГТС подразделяются на:

1) водоподпорные (плотины и дамбы) — сооружения, перекрывающие естественные водотоки или рельеф овражно-балочного типа с целью накопления поверхностного стока (воды) с последующим его перераспределением во времени для подачи водопотребителям;

2) водосбросные (сифоны, шахтного типа, открытые сооружения, служащие для сброса излишков воды из прудов и водохранилищ (в основном в паводковый период) или для их частичного или полного опорожнения. Эти сооружения должны иметь пропускную способность не допускающую перелива воды через гребень плотины или дамбы (на прудах и малых водохранилищах обычно применяются водосбросы сифонные и шахтного типа с пропускной способностью до 150 м ³ /с, на больших водохранилищах — открытые водосбросы с пропускной способностью до 2−3 тыс. м³ /с);

3) водопроводящие — сооружения, служащие для переброски воды в нужные для производственного цикла места (каналы, туннели, лотки, трубопроводы, водоотводные тракты);

4) водозаборные — сооружения, служащие для забора воды из источников и подачи ее потребителям (шпоры — из прямого тока реки, башенные — из водохранилищ);

5) регуляционные (выправительные) — сооружения, улучшающие естественные условия протекания водотоков и защищающие русла и берега рек от размыва, отложения наносов, воздействия льда и т. д. (спрямляющие каналы, берегоукрепительные сооружения, струенаправляющие дамбы);

6) специальные — сооружения, служащие для складирования отходов переработки минерального сырья (шламонакопители, хвостохранилища, рассолохранилища и др.), сооружения гидрои селезащиты, пруды-охладители, градирни, брызгальные бассейны и т. д.

В данном курсовом проекте проведено проектирование грунтовой плотины, водосбросов, водобойного колодца и водовыпуска (байпаса).

Гидротехнические сооружения и их воздействие на окружающую среду

... гидротехнические сооружения: водоподпорные (плотины, дамбы и др.), которые перегораживают водоток или ограждают водохранилище и воспринимают напор воды. Участок водотока (водоема) выше водоподпорного сооружения называется ... непосредственно около сооружения называется напором на сооружении; водопроводяшие (каналы, трубопроводы, гидротехнические туннели, лотки и др.), служащие для подачи воды к местам ...

В качестве исходных данных выданы характеристики грунтов основания, расчётные уровни воды в проектируемом водохранилище, расчётные расходы воды в реке на строительный и эксплуатационный периоды, длина разгона волны, скорость ветра, а также физико-технические данные о грунтах ближайших к створу проектируемой плотины карьеров.

1. Теоретический раздел

1.1 Плотина

Плотина — это основной тип водоподпорных сооружений, перегораживающих водоток и его долину для подъема уровня воды, сосредоточения напора и создания водохранилища. Водное пространство, расположенное выше плотины, называется верхним бьефом, ниже плотины — нижним бьефом. Разность уровней верхнего и нижнего бьефов называется напором. Грань плотины, обращенная к воде, называется напорной, или верхней, а грань, обращенная к нижнему бьефу, — низовой. Верх плотины называется гребнем, а линия сопряжения ее с основанием — подошвой, по способу пропуска через них воды — на глухие (не допускающие перелива воды через их гребень) и водосливные.

Согласно [СНиП 33−01−2003], тип и конструкция плотины выбирается на основании технико-экономического сравнения вариантов в зависимости от ее функционального назначения, инженерно-геологических, топографических, гидрологических и климатических условий, с учетом сейсмичности района, компоновки гидроузла, параметров сооружения, схемы организации производства работ, наличия местных строительных материалов, сроков строительства и условий эксплуатации плотины.

Плотины из грунтовых материалов следует применять для глухих участков напорного фронта гидроузлов, бетонные плотины — преимущественно для створов со скальным основанием для водосбросных участков напорного фронта гидроузлов, железобетонные плотины — преимущественно для створов с нескальным и вечномерзлым нескальным основаниями с оттаиванием для водосбросных участков напорного фронта гидроузлов.

При выборе конструкции дамб следует отдавать предпочтение однородным насыпным и намывным сооружениям. Плотины, поддерживающие напор лишь в меженный период, при соответствующем обосновании допускается проектировать затапливаемыми.

Плотины из грунтовых материалов в зависимости от материала их тел и противофильтрационных устройств, а также способов возведения, подразделяют на основные типы [СНиП 2.06.05−84], указанные в табл. 1.

Плотины из грунтовых материалов являются наиболее распространенным типом водоподпорных сооружений. Профиль поперечного сечения подобных плотин представляет собой трапецию, боковые стороны которой называются откосами, верхняя горизонтальная сторона — гребнем, нижняя сторона — подошвой. Откос, обращенный к верхнему бьефу, называется напорным или верховым, водным, мокрым, (рис. 1) а обращенный к нижнему бьефу — низовым или сухим. Коэффициент откосов плотины, m , зависит от состава и физико-механических свойств грунтов плотины и ее высоты и определяется по формуле:

m = a /Н _пл = ctg , (1)

где а — заложение основания;

Н _пл — высота плотины; рис. 1.

Таблица 1. Основные типы плотины из грунтовых материалов

Тип плотины	Отличительные признаки
Земляная насыпная	Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых; отсыпают насухо с уплотнением или в воду
Земляная намывная	Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых; намывают средствами гидромеханизации
Каменно-земляная	Грунты тела — крупнообломочные; противофильтрационных устройств — от глинистых до мелкопесчаных
Каменно-набросная	Грунты тела — крупнообломочные; противофильтрационные устройства — из негрунтовых материалов

Насыпные плотины возводят послойной отсыпкой грунтов насухо с последующим уплотнением механическими средствами или отсыпкой в воду в случае применения просадочных лессовидных грунтов .

Намывные плотины возводят гидромеханизированным способом. В этом случае разработку грунта в карьере, его транспортировку и укладку в сооружение проводят гидравлическим способом при помощи гидромониторов, земснарядов, пульпопроводов и других средств гидромеханизации.

Полунамывные плотины возводят частично отсыпкой грунта, а частично намывом (центральная зона или низовая призма).

По высоте земляные плотины делят на низкие (напор менее 15 м), средней высоты (напор 15 — 50 м) и высокие (напор более 50 м).

Рис. 1. Поперечный профиль земляной плотины из однородного грунта: 1 — верховой откос; 2 — гребень; 3 — низовой откос; 4 — основание Земляные насыпные плотины подразделяют на различные типы в зависимости от конструкции поперечного профиля, конструкции противофильтрационных устройств в основании и способа возведения Выбор конструкции производится с учетом состава и объемов грунтов близлежащих карьеров, а также с учетом их расположения относительно строительного участка. При строительстве плотин из двух видов грунта размеры каждой призмы при строительстве выбирается в зависимости от соотношения объемов грунтов в карьерах.

1.2 Расчет отметки гребня плотины

При проектировании земляной плотины необходимо подобрать устойчивый и наиболее экономичный профиль сооружения.

Отметку гребня плотины следует назначать согласно [СНиП 2.06.05−84] на основе расчета возвышения его над расчетным уровнем воды для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе:

• а) при нормальном подпорном уровне (НПУ) или при более высоком уровне, соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий;
• б) при форсированном подпорном уровне (ФПУ), при пропуске максимального паводка, относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий.

Проектную отметку гребня плотины назначают по наиболее неблагоприятному расчетному случаю, округлив полученный результат в сторону запаса. Возвышение гребня плотины h _s (рис. 2), в обоих случаях определяется по формуле:

h _s = h _set + h _{run 1%} + a, (2)

где h _set — ветровой нагон воды в верхнем бьефе;

h _{run 1%} — высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%;

а — запас возвышения гребня плотины, следует принимать не менее 0,5 м.

При определении первых двух слагаемых из формулы (1) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) для сооружений I — II классов 20%, для III класса — 30%, для IV класса — 50%.

Рис. 2. Схемы к определению отметки гребня плотины: а — без парапета; б — с парапетом; 1 — расчетный статический уровень; 2 — уровень воды при ветровом нагоне; 3 — средняя волновая линия; 4 — сквозные ограждения на гребне; 5 — отметка гребня; 6 — парапет; 7 — отметка верха парапета При наличии на гребне плотины сплошного парапета (его высота обычно равна 1,2 — 1,5 м), рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем верхнего бьефа надлежит принимать не ниже значений, полученных, по формуле (2).

Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают максимальную из них.

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату, h _run1% , м, для фронтально подходящих волн при глубине перед сооружением d 2•h _1% надлежит определять по формуле:

h _run1% = k _r •k _p •k _sp •k _run •h _1% , (3)

где k _r и k _p — коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл. 2;

k _sp — коэффициент, принимаемый по табл. 3;

k_run — коэффициент, принимаемый по рис. 3 в зависимости от пологости волны на глубокой воде. При глубине перед сооружением d < 2h_1% коэффициент k_run необходимо принимать для значений пологости волны, указанной на рис. 3 в скобках и определяемой при глубине d = 2•h_1% ;

h _1% — высота волны при обеспеченности равной 1%.

Таблица 2. Значения коэффициентов шероховатости и проницаемости откоса

Конструкция крепления откоса	Относительная шероховатость, r/h1%	Коэффициент, kr	Коэффициент kp
Бетонные (железобетонные) плиты	;		0,9
Гравийно-галечниковое, каменное крепление или крепление бетонными (железобетонными) блоками	Менее 0,002		0,9
	0,005−0,01	0,95	0,85
	0,02	0,9	0,8
	0,05	0,8	0,7
	0,1	0,75	0,6
	Более 0,2	0,7	0,5
Примечание: характерный размер шероховатости r, м, следует принимать равным среднему диаметру зерен материала крепления откоса или среднему размеру бетонных (железобетонных) блоков

Таблица 3. Значения коэффициента k _sp

Значение ctg	1 — 2	3 — 5	Более 5
Коэффициент ksp при скорости ветра Vw, м/с:
20 и более	1,4	1,5	1,6
	1,1	1,1	1,2
5 и менее		0,8	0,6
Примечание: — угол наклона откоса к горизонту, град.

Высоту наката на откос волн обеспеченностью i , h _{run i %} , %, необходимо определять умножением значения h _run1% , м, полученного по формуле (3), на коэффициент k _i принимаемый по табл. 3.4 в зависимости от угла наклона откоса к горизонту:

h _{run i %} = h _run1% •k _i . (4)

Таблица 4. Значения коэффициента k _i

Обеспеченность по накату i, %	0,1
Коэффициент ki	1,1		0,96	0,91	0,86	0,76	0,68

При подходе фронта волны к сооружению под углом б _i , град, со стороны открытой акватории величину наката волн на откос следует уменьшать умножением на коэффициент k , принимаемый по табл. 5.

h _{run i % (при ?0)} = h _{run i %} •k (5)

Таблица 5. Значения коэффициента k

Значение угла, град
Коэффициент k		0,98	0,96	0,92	0,87	0,82	0,76

1.3 Расчетные уровни воды

Расчетный уровень воды — уровень, назначаемый с учетом сезонных и годовых колебаний, ветрового нагона воды, приливов и отливов. При определении нагрузок и воздействий, на гидротехнические сооружения обеспеченности расчетных уровней должны быть по наивысшим годовым уровням в безледный период не более: для сооружений I класса -1% (1 раз в 100 лет); II и III классов — 5% (1 раз в 20 лет); IV класса -10% (1 раз в 10 лет).

1.4 Расчетные характеристики ветра

Высоту ветрового нагона h _set , м, следует принимать по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии (без учета конфигурации береговой линии и при постоянной глубине дна d ) допускается определять по формуле

(6)

где _w — угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град;

v _w — расчетная скорость ветра;

L — разгон, м;

d — глубина воды в верхнем бьефе, м.;

k _w — коэффициент, принимаемый по табл. 3.6.

Таблица 6. Значения коэффициента k _w

Vw, м/с
kw 10−6	2,1		3,9	4,8

Расчетную скорость ветра v _w (м/с) следует определять по формуле:

v _w = k _fl k _l v _l , (7)

где v _l — скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (водоема), соответствующая 10-минутному интервалу осреднения и обеспеченности, принимаемой для сооружений I, II классов — 2% обеспеченности (1 раз в 60 лет) и III, IV классов — 4% (1 раз в 25 лет.);

k _fl — коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеренным по флюгеру, принимаемый по формуле (8), но не более 1;

; (8)

k _l — коэффициент приведения скорости ветра к условиям водной поверхности для водоемов (в том числе проектируемых) с характерной протяженностью до 20 км, принимаемый: равным единице при измерении скорости ветра v _l над водной поверхностью, над ровной песчаной (пляжи, дюны и прочее) или над покрытой снегом местностью; по табл. 7 — при измерении скорости ветра над местностью типа А, В или С, устанавливаемого в соответствии с ветровыми нагрузками:

• А — открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;

• В — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
• С — городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Разгон волн, L, м — протяженность охваченной ветром акватории, измеренная по направлению ветра до расчетной точки. При предварительном определении элементов волн среднее значение разгона для заданной расчетной скорости ветра v _w допускается определять по формуле:

(9)

где k _vis — коэффициент, принимаемый равным 510¹¹ ;

• коэффициент кинематической вязкости воздуха, принимаемый равным 10 ^-5 м² /с.

Таблица 7. Значения коэффициента k _l

Скорость ветра vl, м/с	Значения коэффициента kl при типе местности
	А	В	С
	1,1	1,3	1,47
	1,1	1,28	1,44
	1,09	1,26	1,42
	1,09	1,25	1,39
	1,09	1,24	1,38
	1,09	1,22	1,36
	1,08	1,21	1,34
Значения предельного разгона, Lu, допускается принимать по табл. 3.8 для заданной расчетной скорости ветра vw.

Таблица 8. Значения предельного разгона L _u

Скорость ветра vw, м/с
Значения предельного разгона Lu 10−3,м

1.5 Расчет элементов волн

Волны бывают нерегулярные, регуля р ные, поступательные, стоячие. Нерегулярные волны — волны, элементы которых изменяются случайным образом. Р е гулярные волны — волны, высота и период которых остаются неизменными в данной точке пространства. Поступательные (бегущие) волны — волны, видимая форма которых перемещается в пространстве. Стоячие волны — волны, видимая форма которых в пространстве не перемещается.

Профиль волны (главный) — линия пересечения взволнованной поверхности с вертикальной плоскостью в направлении луча волны показан на рис. 4. Ниже приведен ряд определений элементов волны.

Высота волны — превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле.

Длина волны — горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле.

Период волны — интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль.

Гребень волны — часть волны, расположенная выше средней волновой линии.

Рис. 3. Профиль и элементы волны

Средняя волновая линия — линия, пересекающая запись волновых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы. Для регулярной волны — горизонтальная линия, проведенная на уровне полусуммы отметок ее вершины и подошвы.

Вершина волны — наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны — часть волны, расположенная ниже средней волновой линии.

Подошва волны — наинизшая точка ложбины волны.

Фронт волны — линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны.

Луч волны — линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке.

Скорость волны — скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения.

Основными элементами волн являются: высота ( h , м), период (Т , с), длина (, м) и скорость распространения (v, м/с).

Различают следующие основные характеристики волнения: геометрические — с размерностью длины (средняя высота и высоты h _i заданной обеспеченности F _% , средняя длина и длины _i заданной обеспеченности F _% ); частотные — с размерностью времени (средний период и периоды заданной обеспеченности Т _i ); частота (); кинематические — с размерностью длины и времени (средняя скорость распространения.

Средние параметры волн определяются в следующем порядке. Предварительно определяются безразмерные параметры о и ф по формулам:

(10),

(11),

где t — продолжительность действия ветра, предварительно допускается принимать равной 6 ч=21 600 с.

По значениям о и ф по кривой c рис. 3.5 получим по два значения о = / и ф = , и по меньшим из полученных величин принимаем среднюю высоту и средний период волн по следующим формулам.

Рис. 4. Величина безразмерной средней высоты волны По меньшему значению з _min вычисляем высоту волны h :

(12)

По меньшему значению е _min вычисляем средний период волн Т :

(13)

Среднюю длину волны (м) при известном значении следует определять по формуле:

• (14)

Высоту волны i %-ной обеспеченности в системе h _{d, i} , м, следует определять умножением средней высоты волн на коэффициент k _i , принимаемый исходя из зависти для безразмерной величины, по графику составленному в результате выполнения лабораторных и натурных измерений элементов ветровых волн в глубоководной и мелководной зонах.

1.6 Учет осадки при расчете высоты плотины

При назначении проектной отметки гребня осадка плотины и ее основания в эксплуатационный период не учитывается. В связи с этим отметка гребня сооружения в момент окончания строительства должна превышать проектную на ожидаемую эксплуатационную осадку (25, «https:// «).

Для приближенной оценки вертикальных деформаций гребня грунтовой плотины можно использовать эмпирические зависимости, предложенные различными авторами на основании обработки данных натурных наблюдений. Если осадку грунтовой плотины определяют к концу заданного промежутка времени, когда она полностью еще не завершена, то ее называют нестаб и лизированной , S _t , м.

Размер конечной (стабилизированной) осадки гребня, S _c , м, и ее распределение во времени можно определить по эмпирическим формулам:

S _c = — 0,453

• (1 — ехр (0,08•H _пл )) (15)

S _t = H _пл h _c • ехр (-0,693• t ^-1,157 ) (16)

где Н _пл — высота плотины, м;

t — продолжительность осадки, лет.

Для предварительных расчетов ориентировочно запас на осадку тела плотины можно принимать: для плотин высотой до 10…15 м из песчаных и гравелистых грунтов — 0,01 Н _пл ; для плотин из связных грунтов — 0,02 Н _пл .

Запас на осадку основания S _c принимают: для низких плотин на плотных песчаных или суглинистых грунтах мощностью более 0,25 Н _пл — (0,01…0,02) Н _{пл ,} при менее плотных несвязных грунтах — (0,02…0,03) Н _пл в зависимости от плотности грунтов. Нестабильную осадку основания можно определить по эмпирической формуле

S _t =S _c • (1−2,7^{-0.5 t} ) (17)

где S _t — осадка за время от начала приложения нагрузки;

S _c — стабилизированная осадка.

1.7 Подбор поперечного профиля плотины

Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характера грунтов в основании, а также условий строительства и эксплуатационных требований.

Обычно на гребне плотины устраивают автомобильную или железную дорогу, размеры которых назначают, руководствуясь требованиями соответствующих нормативных документов, но не менее 4,5 м. Приближенно ширина плотины, b, м, может быть определена по формуле:

(18)

где Н _пл — высота плотины, м.

При устройстве по гребню железной дороги ширина однопутного железнодорожного полотна должна быть не менее 5 и, двухпутного — не менее 7,5 м; ширина гребня мотивы с учетом инспекционных проездов шириной 4 м по обе стороны железнодорожного полотна составляет не менее 13,0−15,5 м. Одежда автомобильной дороги состоит из основания и покрытия. В основании укладываются песчаные или гравийные грунты, для равномерного распределения давлений от сосредоточенных грузов и лучшего дренажа. При устройстве по гребню автомобильной дороги ее параметры и тип покрытия выбирают в зависимости от категории дороги (табл. 9 и 10).

Таблица 9. Категория дорог

Категория дороги	Расчетная интенсивность движения, авт/сут	Народнохозяйственное и административное значение автомобильных дорог
	приведенная к легковому авто	в транспортных единицах
I-а	Св. 14 000	Св. 7000	Магистральные автомобильные дороги общегосударственного значения (в том числе для международного сообщения)
I-б	Св. 14 000	Св. 7000	Автомобильные дороги общегосударственного (не отнесенные к I-a категории), республиканского, областного (краевого) значения
II	Св. 6000 до 14 000	Св. 3000 до 7000
III	Св. 200 до 2000	Св. 100 до 1000	Автомобильные дороги общегосударственного, областного (краевого) значения (не отнесенные к I-б, и II категориям), дороги местного значения
IV	Св. 200 до 2000	Св. 100 до 1000	Автомобильные дороги республиканского, областного (краевого) и местного значения (не отнесенные к I-б, II и III категориям)
V	До 200	До 100	Автомобильные дороги местного значения (кроме отнесенных к III и IVк-ям

Таблица 10. Параметры дорог

Параметры элементов дорог	Категории дорог
	I-a	I-б	II	III	IV	V
Число полос движения	4; 6; 8	4; 6; 8
Ширина полосы движения, м	3,75	3,75	3,75	3,5		;
Ширина проезжей части, м	27,5; 211,25;	27,5; 211,25;	7,5			4,5
Ширина обочин, м	3,75	3,75	3,75	2,5		1,75
Наименьшая ширина укрепленной полосы обочины, м	0,75	0,75	0,75	0,5	0,5	;
Наименьшая ширина разделительной полосы между разными направлениями движения, м			;	;	;	;
Наименьшая ширина укрепленной полосы на разделительной полосе, м			;	;	;	;
Ширина земляного полотна, м	28,5; 36; 43,5	27,5; 35; 42,5

Типы дорожных одежд, основные виды покрытий и область их применения приведены в таблице 11.

Схема поперечного профиля земляного полотна и дорожной одежды автомобильной дороги с нежестким покрытием приведен на рис. 5.

Рис. 5. Покрытия автомобильной дороги на гребн е плотины: а — покрытие гравием 10…15 см; б — покрытие мостовой из рваного камня; 1 — мостовая верхового откоса; 2 — гравийно-песчаный фильтр; 3 — деревянные надолбы диаметром 15…18 см; 4 — гравийное покрытие; 5 — дренажная канава; 6 — тело плотины; 7 — мостовая из рваного камня; 8 -железобетонные надолбы; 9 — обратный фильтр.

Таблица 11. Виды покрытий дорог

Типы дорожных одежд	Основные виды покрытий	Категории дорог
Капитальные	Цементобетонные монолитные	I-IV
	Железобетонные или армобетонные сборные	I-IV
	Асфальтобетонные	I-IV
Облегченные	Асфальтобетонные	III, IV и на первой стадии двухстадийного строительства дорог II категории
	Дегтебетонные
	Из щебня, гравия и песка, обработанных вяжущими	IV и V
Переходные	Щебеночные и гравийные из грунтов и местных малопрочных каменных материалов, обработанных вяжущими	IV, V и на первой стадии двухстадийного строительства дорог III категории
Низшие	Из грунтов, укрепленных или улучшенных добавками	V и на первой стадии двухстадийного строительства дорог IV категории

Выбор дорожных одежд нужно проводить с учетом глубины промерзания грунтов в данном районе (рис. 8) при помощи карты-схемы глубины промерзания глинистых и суглинистых грунтов (для песков и супесей значение глубины промерзания, указанное на карте, следует увеличить в 1,2 раза).

По краям проезжего полотна дороги предусматривают обочины или тротуары для пешеходов. Для организованного стока поверхностных вод гребню придают односторонний или двусторонний поперечный уклон (1,5−4,0 ^о ), по краям устраивают сигнальные столбики или низкие стенки, а на обочинах — ливнестоки. Покрытие проезжей части выполняют в соответствии с категорией дороги. Его укладывают на подготовку из песчаных, гравийных или щебенистых грунтов.

Если гребень плотины сложен из глинистых грунтов, для защиты его от промерзания или высыхания укладывают слои несвязного грунта. Толщина защитного слоя, включая покрытие гребня, должна быть не менее глубины сезонного промерзания грунта в данном районе. По краям гребня предусматривают ограждения в виде волнозащитного парапета (со стороны верхнего бьефа) или различных ограждающих устройств по обочинам дороги (надолбы, стенки и пр.).

Пример конструкции гребня показан на рис. 9.

В сейсмических районах ширину гребня плотины и его превышение над расчетным уровнем воды обычно назначают несколько большими, чем при нормальных условиях эксплуатации, имея в виду возможность дополнительной осадки сооружения при сейсмических воздействиях, а в особых случаях возможность образования волны при обвалах береговых массивов грунта в водохранилище.

1.8 Заложение откосов земляных плотин

На предварительных стадиях проектирования заложения откосов земляных плотин назначают, основываясь на опыте строительства и эксплуатации аналогичных сооружений.

Рис. 6. Пример конструкции гребня плотины: 1 — железобетонные плиты крепления; 2 — ливнесток; 3 — парапет; 4 — канал для прокладки кабелей; 5 — а с фальтобетонное покрытие; 6 — надолбы; 7 — подготовка из песчано-гравийного грунта Назначенные заложения откосов проверяют расчетами статической устойчивости с учетом действующих на откос сил, физико-механических характеристик грунтов тела плотины и основания, конструктивных особенностей сооружения, условий строительства и эксплуатации и в случае необходимости уточняют. Ориентировочные значения заложений откосов земляных насыпных плотин из глинистых и песчаных грунтов при наличии в основании грунтов с прочностью не меньшей, чем в теле плотины, приведены в табл. 12.

Для предварительного назначения заложений откосов намывных плотин средней высоты можно пользоваться данными табл. 13 с последующей корректировкой по данным начального этапа намыва. Низовой откос, формируемый принудительно путем отсыпки дамб попутного обвалования, обычно имеет заложение 3−4.

Таблица 12. Ориентировочные значения заложений откосов земляных насыпных плотин из глинистых и песчаных грунтов

Откос	Высота плотины, м
		5−10	10−15	15−50
Верховой	2,0−2,5	2,25−2,75	2,5−3,0	3,0−4,0	4,0−5,0
Низовой	1,75−2,0	1,75−2,25	2,0−2,5	2,5−4,0	4,0−4,5

На откосах высоких и средней высоты плотин устраивают бермы исходя из производственных и эксплуатационных условий. На верховом откосе бермы служат для создания необходимого упора креплению и обеспечения возможности его осмотра и ремонта. На низовом откосе бермы используют для обеспечения служебного проезда и предотвращения размывов откоса талыми и дождевыми водами. С этой целью бермы располагают через 10−15 м по высоте, а из внутренней их стороне для сбора и организованного отвода стекающих вод устраивают кюветы или лотки. Устройство берм позволяет увеличить ширину плотины по основанию и удлинить пути фильтрации, а в случае необходимости заглубить депрессионную кривую таким образом, чтобы она прошла вне зоны промерзания. Во всех случаях устройство берм не должно вести к общему положению откоса против расчетного.

Таблица 13. Значения заложений откосов намывных плотин

Вид плотины	Грунты основания	Крутизна откоса
Однородная песчаная	Песчаные, супесчаные	1:3,5 — 1:5
	Статичные отложения, торф, ил	1:5 — 1:8
Неоднородная гравийно-песчаная с ядром	Скальные, плотные глины	1:3 — 1:4

Рис. 7. План контура плотины по основанию, полученный в результате разбивки: 1…8 — поперечники; 9 — верховой откос; 10 — гребень плотины; 11 — борозда по подошве откоса Ширина берм составляет не менее 3 м, если берма предназначена для проезда, и не менее 1−2 м, если проезд не предусмотрен.

Нахождение граничных точек контура плотины (рис. 10) в тех случаях, когда поверхность земли поперечника горизонтальна, сводится к откладыванию от ее оси расстояния, равного:

с верховой стороны плотины

l ₁ =b /2+Н _пл •m ₁ , (19)

с низовой стороны плотины

l ₂ =b /2+Н _пл •m ₂ . (20)

Если по поперечнику имеется однообразный уклон местности т ₁ в сторону нижнего бьефа, тогда точки контура находят по зависимостям (рис. 11):

с верховой стороны плотины

l ₁ =m ₀ •(b /2+Н _пл •m ₁ )/(m ₀ -m ₁ ), (21)

с низовой стороны плотины

l ₂ = m ₀ •(b /2+Н _пл •m ₂ )/(m ₀ -m ₁ ).

(22)

Рис. 8. Профиль плотины Крутизну неукрепленного волноустойчивого грунтового откоса следует принимать в соответствии с расчетным волновым воздействием. При этом очертание откосов должно быть принято с учетом «профиля динамического равновесия». применение неукрепленных откосов должно быть обосновано исследованиями и технико-экономическим сопоставлением с вариантами укрепленных откосов.

1.9 Определение крутизны волноустойчивого неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта при «профиле динамического равновесия»

В некоторых случаях экономически целесообразно устройство пологих волноустойчивых верховых откосов без специального крепления или с облегченным креплением. Предварительная оценка параметров динамически устойчивого при воздействии волн профиля неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта («профиля динамического равновесия») может быть выполнена по формуле:

(23)

где m — коэффициент откоса;

m _в — коэффициент естественного откоса грунта тела плотины под водой;

h _cdl — высота расчетной волны, м;

• длина расчетной волны, м;

d _o — средневзвешенный диаметр частиц грунта тела плотины, м;

(24)

где d _i — размер фракций, м;

р _i — доля фракций, % по массе;

k _l — коэффициент, принимаемый:

k _l = 0,37 для подводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды в водохранилище (или в реке) до нижней границы размывающего действия волн (h ₁ ), определяемой по формуле:

; (25)

k _l = 0,17 для надводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды до верхней границы размывающего действия волн (h ₂ ), зависящей от высоты наката, определяемой по [СНиП 2.06.04−82]. В первом приближении можно принять h ₂ = 0,5 h _cdl (рис. 9).

Рис. 9. Профиль и параметры плотины: 1 — расчетный уровень воды; 2 — участок откоса при k _l = 0,37; 3 — то же, при k _l = 0,17

При определении крутизны динамически устойчивого откоса необходимо учитывать размывающее влияние косого подхода волн, особенно сильно проявляющееся при углах подхода в = 45−57°.

1.10 Крепление откосов плотины

гребень волнозащитный плотина откос Откосы плотин подвержены разрушающим воздействиям ветровых волн, течений воды, льда , атмосферных осадков и других факторов (пучение и усадка глинистых грунтов, воздействие ветра, жизнедеятельного землеройных животных и пр.).

Крепление верхового откоса плотины делится на основное , расположенное в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и облегченное — ниже основного крепления. Верхней границей основного крепления, как правило, следует считать отметку гребня плотины. В случае значительного возвышения гребня над расчетным уровнем воды основное крепление следует заканчивать ниже гребня на отметке высоты наката h _run ; далее до гребня доводят облегченное крепление.

Нижнюю границу основного крепления следует назначать, считая от минимального уровня сработки водохранилища на глубине:

h = 2•h _1% . (26).

При этом нижняя граница основного крепления должна быть ниже минимального уровня сработки водохранилища не менее чем на 1,5 t , где t — расчетная толщина ледяного покрова.

Для защиты верхового откоса рекомендуют крепления следующих видов:

• а) каменную наброску из несортированного камня (сортированный камень допускается применять при соответствующем обосновании);
• б) бетонные монолитные, железобетонные сборные и монолитные с обычной и предварительно-напряженной арматурой;
• в) асфальтобетонные;
• г) биологические.

Чаще всего применяют крепления из каменной наброски, бетона и железобетона. Асфальтобетонные крепления одновременно являются экраном плотины. Они могут быть однослойными или двухслойными. Как показывает опыт эксплуатации плотин с асфальтобетонными экранами, устройство однослойного крепления предпочтительнее, поскольку двухслойные часто разрушаются из-за вспучивания верхнего слоя. Толщину слоя обычно принимают в пределах 8−12 см. Водонепроницаемые защитные покрытия верхового откоса из асфальтобетона следует укладывать от подошвы до гребня с минимальным количеством швов.

Для предотвращения старения асфальтобетона под влиянием ультрафиолетовых лучей его поверхность покрывают слоем мастики со стабилизирующими добавками или светлой краской. Грунтоцементное крепление выполняют из грунта с добавкой цемента (до 10%) и воды. Грунтоцементную смесь укладывают слоями толщиной до 15 см и уплотняют катками. Крепления из грунтоцемента применяют при высоте волны до 1. Применение конструкций такого типа требует проведения мероприятий по борьбе с противодавлением; к числу их недостатков относится растрескивание при промерзании.

При косом подходе волн может происходить перемещение грунта по пологому откосу. Для предотвращения этого явления целесообразно устраивать на откосе в один или несколько рядов продольные буны или волноломы, покрытые бетонными плитами или камнем. Иногда на пологих волноустойчивых откосах предусматривают дополнительно облегченнее крепление из гравийно-галечникового грунта или посадку древесно-кустарниковой растительности.

Низовой откос плотин в зоне волновых и ледовых воздействий со стороны нижнего бьефа крепится так же, как верховой. Остальную часть низового откоса защищают от атмосферных воздействии и в случае необходимости от разрушения землеройными животными. Для крепления низового откоса из песчаных или глинистых грунтов применяют посев трав по растительному слою толщиной 0,2−0,3 м, отсыпку щебня или гравия слоем толщиной 0,2 м и другие виды облегченных покрытий. Чаще всего низовой откос укрепляют посевом многолетних трав по слою растительного грунта толщиной 20−30 см (сплошным или в клетках из дерна) или одерновкой.

В районах с сухим жарким климатом низовые откосы покрывают уплотненным слоев щебня или гравийно-галечникового грунта толщиной 15−20 см либо применяют другие виды облегченных покрытий.

В северной строительно-климатической зоне толщину слоя крепления низового откоса плотины, отсыпаемого из щебня или гравия, принимают в соответствии с теплотехническими расчетами. Если низовой откос подвержен воздействию льда и волн со стороны нижнего бьефа, его крепление следует рассчитывать так же, как и для верхового откоса.

На низовом откосе необходимо предусматривать организованный отвод поверхностных вод. Для этого по линии сопряжения плотины с берегами и на бермах размешают водопроводящие лотки и кюветы.

Для крепления откосов каменной наброской следует применять, как правило, несортированный камень. Каменные материалы для крепления откосов следует применять из изверженных, осадочных и метаморфических пород, обладающих необходимой прочностью, морозостойкостью и водостойкостью.

При проектировании сооружений откосного профиля и креплений откосов из рваного камня, обыкновенных и фасонных бетонных или железобетонных блоков массу и размеры отдельных камней, число камней размером менее расчетного, а также толщину наброски определяют расчетом согласно [СНиП 2.06.04−82]. Толщину каменной наброски следует принимать с учетом возможности частичного выноса мелких частиц из наброски при волновом воздействии, подвижки крупных камней, уплотнения материала крепления, а также опыта эксплуатации аналогичных креплений, но не менее 3 d _0,85 , где d _0,85 — диаметр камня, масса которого вместе с массой более мелких фракций составляет 85% массы всей каменной наброски крепления.

Массу отдельного элемента m или m _z , т, соответствующую состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн, необходимо определять: при расположении камня или блока на участке откоса от верха сооружения до глубины z = 0,7•h по формуле:

; (27)

то же, при z > 0,7

• h по формуле

; (28)

где k _fr — коэффициент, принимаемый по табл. 3.14; при > 15, а также при наличии бермы k _fr следует уточнять по опытным данным;

р — плотность воды, т/м³ ,

р _m — плотность камня, т/м³ .

Для берегозащитных сооружений за рубежом те же значения рекомендуется определять в соответствии с действующими там нормативными документами. Так, вес защитного элемента, находящегося на откосе может быть определен:

(29)

где W _r — вес отдельного защитного элемента,

р _m — плотность материала защитного элемента,

л — угол наклона откоса,

К _D — безразмерный коэффициент (приведен в таблице 15 для откосов с заложением от 1/1,5 до 1/3).

Таблица 14. Значения коэффициента k _fr

Элементы крепления	Коэффициент kfr
	при наброске	при укладке
Камень	0,025	;
Обыкновенные бетонные блоки	0,021	;
Тетраподы и другие фигурные блоки	0,008	0,006

Из таблицы видно, что значение К _D , а соответственно и минимальный вес элемента существенным образом зависят от формы защитного элемента. Очевидным недостатком приведенной формулы является отсутствие учета длины волны, воздействующей на сооружение.

Толщина слоя защитных элементов обычно принимается равной максимальному размеру двух элементов, т. е. в защитном слое предполагается наличие двух элементов. Рекомендуемая ширина сооружения по гребню составляет три максимальных размера защитных элементов.

При проектировании крепления откосов из несортированной каменной наброски необходимо, чтобы значение коэффициента k _gr зернового состава находилось в границах заштрихованной зоны, приведенной на графике для определения допустимого зернового состава несортированной каменной наброски для крепления откосов рис. 9.

Таблица 15. Значения коэффициента К _D

Толщина защитного элемента	Откос	Волна
		Разбивающаяся	Неразбивающаяся
Тетрапод		4,5	5,5
Долос		8,0	16,0
Рваный камень		1,6	2,8

Значение коэффициента k _gr должно определяться по формуле:

(30)

где m — масса камня, т;

m _i — масса камня, большая или меньшая расчетной, т;

D _{b , i} и D _b — диаметры фракций камня, см, приведенные к диаметру шара, имеющего массу соответственно m _i и m .

При пологости откосов ctg > 5, укрепляемых несортированной разнозернистой каменной наброской, расчетную массу камня m , т, соответствующую состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн, необходимо определять по формуле при с умножением результатов на коэффициент k , определяемый по табл. 16.

Таблица 16. Значения коэффициента k

ctg
Коэффициент k при	0,78	0,52	0,43	0,25	0,2

Минимальное содержание фракций диаметром D _ba , соответствующим расчетной массе камня в несортированной разнозернистой наброске, должно приниматься в соответствии с табл. 17.

Таблица 17. Минимальное содержание фракций диаметром D _ba

Коэффициент разнозернистости D60/D10				40 — 100
Минимальное содержание фракций диаметром Dba, % (по весу)

Монолитные железобетонные крепления откосов следует проектировать, как правило, в виде секций размером не более 4545 м каждая, разделенных между собой температурными поперечными и осадочными продольными швами. Секции крепления следует проектировать состоящими из отдельных плит.

Плиты, как правило, следует принимать прямоугольной формы с соотношением сторон 1 2, где b _sl — меньшая сторона, располагаемая перпендикулярно урезу воды; размер b _sl назначается, равным 0,4, где — расчетная длина волны, но не более 20 м. В пределах каждой секции армирование должно быть непрерывным.

Крепление откосов из сборных железобетонных плит следует проектировать с омоноличиванием их в секции. При соответствующем обосновании допускается крепление из неомоноличенных плит.

Максимальный размер плит следует устанавливать исходя из условий транспортирования и удобства укладки их на откос. Толщину монолитных и сборных железобетонных креплений следует определять расчетом, а также при соответствующем обосновании — по имеющимся аналогам. Толщину плит крепления рекомендуется определять по формуле:

(31)

где — угол наклона плит к горизонту;

К — коэффициент, принимаемый для сплошных плит равным 0,14, для щелевых — 0,07;

• удельный вес воды;

_m1 — удельный вес материала плиты;

l — длина плиты в направлении нормальном к урезу воды.

Обратные фильтры под креплением откосов, выполненным в виде каменной наброски, плит с открытыми швами или со сквозными отверстиями и т. п. , могут состоять из одного слоя разнозернистого материала или двух слоев материалов с различными по крупности частицами, а также из искусственных водопроницаемых материалов (стекловолокна, минеральной ваты и др.).

Под обратными фильтрами на откосах из глинистых, мелкозернистых песчаных или разжижающихся при динамических нагрузках грунтов следует укладывать песчаную пригрузку, зерновой состав и толщину которой устанавливают на основании данных исследований и расчетов. Под креплениями из монолитных или сборных железобетонных плит (с уплотненными швами или замоноличенных в секции) на откосах из песчаных или глинистых грунтов следует, как правило, укладывать однослойный обратный фильтр. Допускается применение монолитных железобетонных бесфильтровых креплений при соблюдении условий, обеспечивающих надежную работу конструкции.

2. Расчетный раздел

2.1 Расчет отметки гребня плотины

Цель работы: Закрепить знания по разделу «Действующие силы, нагрузки, воздействия на сооружения» курсов «Водохозяйственное строительство» и «Инженерные сооружения». Научиться определять волновые и ветровые расчетные характеристики, рассчитывать отметку гребня плотины и корректировать высоту плотины с учетом конечной (стабилизированной) осадки тела и основания сооружения.

Исходные данные для расчетов при НПУ:

1. Коэффициент заложения верхового откоса .

2. Откос крепится бетонными плитами.

3. Отметки НПУ (от речного дна) приведены в табл. 18.

4. Расчетная глубина воды перед плотиной d ₁ =25,0 м.

5. Скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды v _l =13,5 м/c.

6. Длина разгона ветровой волны L ₁ по направлению ветра приведены в табл. 3.18.