Установление основных размеров поперечного профиля плотины

 

При проектировании поперечного профиля плотины необходимо установить очертание откосов плотины, ширину и отметку гребня, а также его конструкцию, конструкцию и размеры крепления верхового и низового откосов, размеры противофильтрационных устройств в теле плотины и в основании, тип, конструкцию и размеры дренажных устройств. Схема поперечного профиля земляной плотины показана на рис. 2.3.

 

Рис. 2.3. Поперечное сечение земляной плотины

1 – тело плотины; 2 – подошва плотины; 3 – берма верхового откоса; 4 – упор крепления верхового откоса; 5 – крепление верхового откоса; 6 – гребень плотины; 7 – крепление низового откоса; 8 – берма низового откоса; 9 – дренаж плотины; 10 – замок; 11 – естественная поверхность грунта; 12 – водопроницаемый грунт; 13 – водоупор.

 

Очертание откосов плотины. При проектировании земляных насыпных плотин коэффициенты заложения откосов принимаются в зависимости от типа плотины, её высоты, вида грунта тела плотины и основания по данным практики.

Предварительно назначенные откосы плотин впоследствии подвергаются поверочному расчету устойчивости.

Верховой откос, насыщенный водой и находящийся под действием волн и льда устраивается обычно более пологим, а низовой - более крутым.

Заложение откосов плотины назначается с учетом следующих основных факторов:

а) характера грунта, из которого сложен откос;

б) характера грунта основания;

в) сил действующих на откос;

г) условий производства работ и эксплуатации плотины;

д) типа плотины;

е) высоты плотины.

На начальной стадии проектирования сооружения для предварительного определения коэффициентов заложения откосов можно использовать данные, приведенные в таблице 2.2 [4].

Откосы плотин высотой до 15 м обычно принимаются не изменяющимися по высоте. При большей высоте обычно принимается ломаное очертание верхового и низового откосов, постепенно уменьшая их уклон от гребня к основанию. Переломы откосов устраиваются через 7¸15 м по высоте плотины.

 

Рекомендуемые коэффициенты заложения откосов земляных плотин

Таблица 2.2

Высота плотины, м	Заложения откосов
верхового	низового
менее 5	2.0 – 2.5	1.50 – 1.75
от 5 до 10	2.25 – 2.75	1.75 – 2.25
от 10 до 15	2.50 – 3.00	2.00 – 2.50
от 15 до 50	3.00 – 4.00	2.50 – 4.00
более 50	4.00 – 5.00	4.00 – 4.50

 

Откосы плотин высотой до 15 м обычно принимаются не изменяющимися по высоте. При большей высоте обычно принимается ломаное очертание верхового и низового откосов, постепенно уменьшая их уклон от гребня к основанию. Переломы откосов устраиваются через 7¸15 м по высоте плотины. Обычно коэффициент заложения верхового откоса ниже точки перелома на 0.5 больше, чем коэффициент заложения откоса выше точки перелома. Для низового откоса – на 0.25.

На откосах плотины могут устраиваться горизонтальные площадки – бермы обычно в местах перелома откоса. Бермы предназначены:

1) для надзора за откосом;

2) для ремонта откоса и его покрытия;

3) для увеличения общей устойчивости откоса;

4) для увеличения ширины плотины по низу с целью удлинения пути фильтрации в основании;

5) для включения в тело плотины предварительно построенных перемычек, под защитой которых возводится плотина;

6) для заглубления под поверхностью откоса кривой депрессии на глубину, большую глубины промерзания;

7) для устройства в случае необходимости дороги по откосу;

8) для предохранения низового откоса от размыва его стекающими атмосферными осадками.

Ширина берм принимается не менее 2-3 м из условия производства работ. Обычно ширина берм составляет 3-5 м. Они устраиваются через 7-15 м по высоте.

На верховом откосе устраивается берма для создания упора крепления откоса. На низовом откосе бермы используются для устройства служебных проездов, а также для отвода атмосферных вод.

В курсовом проекте необходимо принять коэффициенты заложения верхового и низового откосов, установить отметки переломов откосов, принять размеры берм.

Конструкция гребня плотины. Ширина гребня земляной плотины устанавливается в зависимости от условий производства работ и эксплуатации, но не менее 4.5 м (СНиП 2.06.05-84 [10]). В случае если гребень плотины используется для проезда автомобильного транспорта, ширину его следует назначать равной ширине земляного полотна в соответствии с нормами проектирования (ДБН В.2.3.-4:2007 [6]) в зависимости от категории дороги проходящей по гребню (табл. 2.3). Схема гребня плотины показана на рис. 2.4.

 

 

Рис. 2.4. Основные размеры земляного полотна

 

Параметры поперечного профиля автомобильных дорог

Таблица 2.3

Показатель	Категории дорог
II	III	IV	V
Число полос движения, шт.
Ширина полосы движения, м	3.75	3.5	3.0	-
Ширина проезжей части Вп.ч ., м	7.5	7.0	6.0	4.5
Ширина обочины, м	3.75	2.5	2.0	1.75
Ширина земляного полотна Вз.п ., м	15.0	12.0	10.0	8.0

 

Дорожное покрытие гребня плотины принимается в зависимости от категории дороги.

Для обеспечения стока атмосферных осадков, гребень плотины выполняют двускатным с поперечным уклоном и в обе стороны от оси равным 0.02-0.04. С таким же уклоном выполняются обочины земляного полотна. Вдоль проезжей части по гребню плотины устанавливаются железобетонные надолбы, служащие ориентирами при движении транспорта. Надолбы располагаются на расстоянии 2 м один от другого и принимаются высотой 0.8-1.0 м. Варианты конструкции гребня плотины показаны на рис. 8.

Определение отметки гребня плотины. Отметку гребня плотины следует назначать с учетом возвышения его над расчетным уровнем воды. Возвышение гребня плотины h_s определяется для двух расчетных случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе:

а) при нормальном подпорном уровне (НПУ), соответствующем основному сочетанию нагрузок и воздействий;

б) при форсированном подпорном уровне (ФПУ), соответствующем основному сочетанию нагрузок и воздействий.

 

 

 

Рис. 2.5. Конструкции гребня плотины

а) покрытие гребня железобетонными плитами;

б) покрытие гребня мощением

Возвышение гребня плотины в обоих случаях определяется с учетом высоты наката ветровых волн и ветрового нагона воды в водохранилище (рис. 2.6) по формуле (СНиП 2.06.05-84 [10]).

h_s = ∆h_set + h_{run 1%} + , (2.6)

где ∆h_set – высота ветрового нагона воды в водохранилище, м; h_{run 1%} – высота наката ветровых волн на откос обеспеченностью 1% в системе волн, м; – запас возвышения гребня, значение которого для плотин всех классов принимается не менее 0.5 м.

 

Рис. 2.6. Схемы к определению отметки гребня плотины

а – без парапета; б – с парапетом; 1 – расчетный статический уровень; 2 – средняя волновая линия; 3 – гребень плотины; 4 – гребень парапета

 

При определении первых двух слагаемых формулы (2.6), как уже указывалось в 2.1, следует принимать обеспеченности скорости ветра расчетной скорости ветра в зависимости от расчетного сочетания нагрузок и воздействий. При основном сочетании нагрузок и воздействий (НПУ в верхнем бьефе) обеспеченность скорости ветра следует принимать для сооружений I, II классов – 2% (1 раз в 50 лет) и III, IV классов – 4% (1 раз в 25 лет). Для особого сочетания нагрузок и воздействий (при ФПУ в верхнем бьефе) обеспеченность скорости ветра следует принимать для сооружений I, II классов – 20%, для III класса – 30% и для IV класса – 50%.

Методика определения высоты ветрового нагона воды в водохранилище ∆h_set и параметров волн h _1%, λ_m для рассматриваемых расчетных случаев была изложена выше (см. 2.1).

Высота наката ветровых волн на откос обеспеченностью 1% в системе волн согласно нормам проектирования (СНиП 2.06.05-84 [10]) определяется по формуле

h_{run 1%} = k_r · k_p · k_sp · k_run · h _1%, (2.7)

где h _1% – высота волны обеспеченностью 1% в системе волн; k_r, и k_p – соответственно коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл. 2.4; k_sp – коэффициент, учитывающий скорость ветра и заложение верхового откоса, принимаемый по табл. 2.5; k_run – коэффициент, учитывающий пологость волны и заложение верхового откоса и определяемый по формуле (в СНиП 2.06.05-84 [10] приведен соответствующий график)

, (2.8)

λ_m – средняя длина волны; m ₁ – коэффициент заложения верхового откоса; a – угол подхода фронта волны к сооружению (в курсовом проекте принимается a = 0).

Определенное таким образом значение h_{run 1%} подставляется в формулу (2.6).

Следует отметить, что значение k_sp зависит от вида крепления откоса (бетонное, железобетонное, каменное). Рекомендации по выбору типа крепления приведены ниже.

Из двух полученных результатов расчетов (для основного сочетания нагрузок и воздействий при НПУ и особого сочетания нагрузок и воздействий при ФПУ) выбирается более высокая отметка гребня.

 

Значения коэффициентов k_r, и k_p

Таблица 2.4

Конструкция крепления откоса	Относительная шероховатость r / h 1%	kr	kp
Бетонные (железобетонные) плиты			0.9
Гравийно-галечниковое, каменное или крепление бетонными (железобетонными) блоками	Менее 0.002 0.005 – 0.01 0.02 0.05 0.1 более 0.2	0.95 0.9 0.8 0.75 0.7	0.9 0.85 0.8 0.7 0.6 0.5

 

 

Значения коэффициента k_sp

Таблица 2.5

Скорость ветра Vw. м/с	Коэффициент ksp при заложении откоса m 1
1 – 2	3 – 5	Более 5
20 и более	1.4	1.5	1.6
	1.1	1.1	1.2
5 и менее		0.8	0.6

 

Иногда при значительной высоте волн для уменьшения высоты плотины на ее гребне устраивается парапет, который должен быть рассчитан на воздействие волн. Возвышение верха парапета над уровнем верхнего бьефа принимается не ниже значений, полученных по формуле (2.6) (см. рис. 2.6 б). Возвышение гребня плотины в этом случае следует назначать на 0.3 м над НПУ, но не ниже отметки ФПУ. На рис. 2.7 приведен пример конструкции гребня плотины с парапетом

 

Рис. 2.7. Пример конструкции гребня плотины с парапетом

1 – железобетонные плиты крепления; 2 – ливнесток; 3 – парапет; 4 – канал для прокладки кабелей; 5 – асфальтобетонное покрытие; 6 – надолбы; 7 – подготовка из песчано-гравийного грунта

 

Пример 2.2. Определение отметки гребня плотины