- •Тверской государственный технический университет а.Н. Болтушкин, о.В. Пухова, а.Е. Тимофеев гидротехника
- •Введение
- •1. Основные сведения из гидрологии и гидрогеологии.
- •Круговорот воды в природе. Водный баланс
- •1.2. Факторы стока
- •1.3. Гидрологический режим рек
- •1.4. Измерение скоростей течения воды в водотоках
- •1.5. Приборы для измерения скоростей
- •1.6. Определение расхода воды
- •1.7. Определение расходов гидравлическими способами
- •1.8. Теоретическое определение скорости течения воды и расходов
- •1.9. Характеристики речного стока
- •1.10. Методы расчета речного стока
- •Подземные и грунтовые воды
- •Грунтовые воды и их образование
- •2.2. Капиллярные и фильтрационные свойства грунтов
- •2.3.Методы определения коэффициента фильтрации
- •Осушение торфяных месторождений
- •Гидрологические особенности болот
- •Цели и задачи осушения
- •Методы осушения и способы осушения
- •Осушительные системы и их составные элементы
- •Схемы открытой осушительной сети
- •Основные правила проложения осушительной сети
- •Продольный профиль каналов
- •Поперечный профиль каналов
- •Откосы каналов и обеспечение их устойчивости
- •Гидравлический расчет каналов
- •Осадка торфяной залежи
- •Движение грунтовой воды к осушительным каналам и дренам
- •Расчет осушителей
- •Этапы осушения
- •Специальные способы осушения торфяных месторождений
- •Водоприемники и их регулирование
- •Противопожарное водоснабжение
- •Схемы противопожарного водоснабжения
- •Гидротехнические сооружения
Откосы каналов и обеспечение их устойчивости
Одной из главных задач при проектировании осушительных каналов является установление такого угла наклона откосов, чтобы последние могли противостоять силам, стремящимся их разрушить, т.е. чтобы они были устойчивыми.
Под устойчивостью грунтовых откосов каналов понимается способность сохранять заданную и выполненную в натуре форму и размеры как в поперечном, так и в продольном профиле.
Устойчивость поперечных сечений каналов определяется качеством слагающих грунтов, глубиной каналов и коэффициентом откоса m. Силами, разрушающими откос канала являются:
- внешняя нагрузка (например, вес машины и кавальер);
- собственный вес грунта;
- силы гидродинамического давления и течения воды.
Гидродинамическое давление представляют силу давления фильтрационного потока на частицы грунта. Его величина D, отнесенная к единице объема, равна
D = ΔΙ , (3.13)
где Δ – объемный вес воды; I – гидравлический градиент фильтрационного (грунтового) потока.
Гидродинамическое давление направлено по касательной к поверхности грунтового потока (рис 3.26). Так как градиент имеет наибольшее значение в первоначальный момент после вскрытия канала, когда он только что начинает заполняться водой, то и гидродинамическое давление в это время имеет наибольшее значение, увеличивающееся с приближением к откосу. Этим объясняется неустойчивость глубоких каналов, выполненных в водонасыщенном грунте сразу на всю глубину выемки. Неосушенный грунт обладает ничтожными силами сцепления и поэтому давлением воды у подошвы откоса вытесняется в выемку.
Такое явление можно предотвратить, если устраивать канал постепенно, углубляя его в несколько приемов (подробнее см. п. ).
Рис. 3.26. Направление гидродинамического давления
Удерживающими от обрушения откоса силами являются:
-силы внутреннего трения;
- силы сцепления грунта.
Условием предельной устойчивости откоса будет равенство сил удерживающих и сил сдвигающих. Если же последние будут более первых, то откос обрушится по некоторым плоским или (что чаще) по кривым поверхностям, близким в случае однородного грунта к круглоцилиндрическим.
С увеличением глубины канала угол, под которым держится неукрепленный откос, уменьшается. То же явление наблюдается и при повышении влажности грунта, так как водонасыщенные грунты обладают меньшей силой сцепления и меньшим углом внутреннего трения, чем более сухие.
Рис. 3.27. Схема сил, действующих на откос канала
Ниже приведена упрощенная методика определения устойчивого положения откосов каналов, необходимая для принципиального понимания механизма взаимодействия сил, действующих на призму обрушения [6]. Схема действующих сил и обрушения откоса канала по плоскости без учета действия гидродинамических сил приведена на рисунке 3.27, где Р – вес слоя грунта АВМ, приложенный в точке О. Разложим вес Р на две составляющие: нормальную N и тангенциальную Т. Вес слоя грунта АВМ можно выразить формулой
, (3.14)
где γ0 – объемный вес грунта.
Сдвигающая сила Т будет равна
. (3.15)
Нормальная сила , а вызываемая ею сила трения Fтр будет равна
, (3.16)
где tg φ – коэффициент трения, а φ – угол внутреннего трения.
Сила сцепления по плоскости АМ равна
. (3.17)
Приравняв сумму сил удерживающих силам сдвигающим, будем иметь
Fсц + Fтр = Т, (3.18)
или . (3.19)
После ряда преобразований и исследования функции на максимальное значение α, получим, что высота откоса Н при которой грунт с углом откоса θ будет находится в равновесии найдется из уравнения
(3.20)
Что касается форм поверхностей, по которым происходит обрушение откосов, то опыт показывает, что очертание этих поверхностей может быть весьма разнообразным. В общем случае линия сползания откосов в верхней его части может быть принята вертикальной, ниже они приближаются к линии боковой поверхности цилиндра, а у основания откоса угол наклона линии скольжения приближаются к нулю.
Более подробная методика расчета устойчивости откосов каналов приведена в учебном пособии [18].
Осушительные каналы, устраиваемые в торфяном грунте в целях добычи торфа, как правило, имеют высоту откоса меньшую по сравнению с высотой, определенной по формуле (3.20) и относятся к классу сооружений, разрушение которых не несет за собой катастрофических последствий и поэтому крутизна (угол ) или коэффициент заложения откоса m таких каналов может назначаться на основании данных практики и опыта проектирования (табл. 3.8) [7].
Таблица 3.8.
Коэффициенты заложения откосов каналов
Наименование каналов |
Коэффициент заложения откосов, m |
||
В минеральном грунте |
В торфяном грунте |
||
залежь низинного типа |
залежь верхового типа |
||
Магистральные |
по данным материалов изысканий в зависимости от физико-механических свойств грунта (глина, суглинки m = 1...1,5; песок m = 2…2,5; супесь m = 3…3,5) |
1,0 |
Степень разложения до 25 % m = 0,75. |
1.25 |
Степень разложения 25 – 35% m = 1. |
||
1,5 |
Степень разложения свыше 35% m = 1,25 |
||
Валовые |
то же |
0,5 |
0,5 |
Оградительные |
то же |
Внутренние (по отношению к массиву) m = 1,0; наружные на 0,5 больше внутренних |