виды_и_устройства_плотин[1]

3.1) Грунтовые плотины.

3.2) Конструкция грунтовой плотны.

3.3) Фильтрационный режим плотин.

3.4) Фильтрационная суффозия в плотинах.

3.5) Дренаж в плотинах.

3.6) Устойчивость откосов в плотинах.

3.7) Наблюдения за фильтрационным режимом и деформациями.

Грунтовые плотины классифицируются по следующим основным признакам.

По материалам, используемым для возведения плотин:

земляные, в которых основной объем тела плотины (более 50 %) выполняется из мелкозернистых глинистых, песчаных или песчано-гравийных грунтов;

каменные, в которых основное тело плотины выполняется из крупнозернистого

материала;

из разнородных грунтов.

По конструкции плотин:

однородные, не имеющие специальных противофильтрационных элементов;

неоднородные, состоящие их двух или нескольких видов грунтов. Они, в свою очередь, делятся, по расположению противофильтрационного грунтового устройства на плотины с центральным ядром, с наклонным ядром и с экраном.

Если противофильтрационное устройство выполняется из негрунтового материала, то по

его положению в теле плотин различают диафрагму, расположенную по оси плотины, и экран, расположенный со стороны верхового откоса.

а— д — на нескальном основании: а — однородная; б — с центральным ядром;

в— с наклонным ядром; г — с экраном и понуром; д — с экраном: 1 — ядро; 2 — зуб; 3 — переходные слои; 4 — защитный слой; 5 — экран; 6 — понур; е — и — на скальном основании: е — с жестким экраном из каменной кладки; ж — с экраном из пластичных материалов; з — с диафрагмой; и — с ядром;

1 — экран; 2 — подэкрановая кладка; 3 — каменная наброска; 4 — пригрузка грунтом; 5 — пластичный

экран; 6 — обратный фильтр; 7 — диафрагма; 8 — ядро

По способу производства работ:

насыпные, возводимые насухо или отсыпкой грунта в воду;

намывные, возводимые с использованием средств гидромеханизации;

набросные;

взрывонабросные;

из сухой кладки камня.

По высоте плотины:

низкие, высотой до 30 м;

средние — от 30 до 75 м;

высокие — от 75 до 125 м;

сверхвысокие — более 125 м.

По условиям пропуска воды:

глухие, не пропускающие воду;

фильтрующие, через которые проходит фильтрационный расход, соизмеримый с расходом воды через водосбросные сооружения;

переливные, у которых на гребне и откосах располагаются безнапорные водосбросные сооружения для пропуска сберегательных и эксплуатационных расходов.

3.2) Конструкция грунтовой плотны.

Важной характеристикой грунтовых плотин является заложение ее откосов, которые в общем случае зависят от грунтов тела и основания плотин, а также условий работы откоса (под водой или в подводной части сооружения).

Рис. 8.2. Поперечное сечение земляной плотины: 1 — берма

Обычно заложение откосов сооружения лежит в пределах от 2,5 до 6 и определяется, в первую очередь, необходимостью обеспечения их устойчивости.

Бермы устраивают на откосах плотины для более удобных условий для надзора за их состоянием и выполнения ремонтных работ (рис. 8.3). Кроме того, устройство берм повышает устойчивость откоса, а бермы на низовом откосе позволяют отодвинуть границу откоса от кривой депрессии на величину промерзания. Бермы на низовом откосе также позволяют предотвратить размыв откоса стекающими водами. Бермы обычно устраивают через каждые 7÷15 м по высоте, а их ширину b / назначают не менее 1÷2 м.

Высота плотины в общем случае определяется:

Pпл НПУНБ Zдн а h 1% h н 1% , где а — запас, принимаемый обычно 0,5 ÷ 1,0 м;

h 1% — высота ветрового нагона воды с расчетной вероятностью превышения 1%. Величиной Δh во многих случаях пренебрегают в виду отсутствия такого явления.hí 1% — расчетная высота наката волны на верховой откос плотины с расчетной вероятностью превышения 1%; hí 1% 2hâ , где hâ — высота волны.

Ширина земляных плотин по верху b назначается в зависимости от типа транспортного перехода. Например, при наличии только автомобильного переезда в зависимости от класса автодороги может достигать 12 м, а при совместном размещении автомобильной и железной дорог до 22,1 м.

Конструкция однородной земляной плотины в общем случае состоит из следующих элементов (рис. 8.7):

гребня плотины шириной b, на котором, как правило, размещаются авто- и железнодорожные переезды;

верхового и низового откосов с уклоном от 1:2 до 1:4 (реже до 1:6);

берм, устраиваемых на откосах плотины с шагом 7÷15 м;

креплений верхового и низового откосов;

волноотбойной стенки;

дренажного устройства для организованного отвода фильтрующей воды и понижения кривой депрессии.

Рис. 8.7. Однородная земляная плотина:

1 — крепление верхового откоса; 2 — волноотбойная стенка; 3 — обратный фильтр; 4 — дренажный банкет (каменная призма); 5 — крепление низового откоса; 6 — кривая депрессии

3.3) Фильтрационный режим плотин.

Условие фильтрационной прочности грунтовой плотины.

Плотины из грунтовых материалов по условию:

где: - действующий градиент напора в теле плотины;

- критический средний градиент напора

- коэффициент надежности по ответственности сооружений, определяемый по СНиП

2.06.01.86 в зависимости от класса сооружений; для IV класса сооружений .)

Сравнивают давление с допускаемым фильтрационным. Градиент ниже критического Чтобы определить градиент на каком-либо участке необходимо рассмотреть гидродинамическую сетку (это линии равного напора и тока).

Линии тока – линии, в каждой точке которых касательная совпадает с направлением скорости.

Уравнение Дарси:

.

– скорость фильтрации, характерная для определенного вида грунта, при градиенте равном 1.

– градиент (потеря напора по длине)

3.4) Фильтрационная суффозия в плотинах.

Фильтрационная суффозия – вынос мельчайших частиц песчанного или вообще несвязного грунта в месте контакта с более крупным грунтом (контактная суффозия) или перемещение мелких частиц из одной толщи разнозернистого грунта в другую – внутр. суффозия. При наличии в грунтах солей возможно их растворениехимическая суффозия.

Это самый распространенный вид фильтрационных деформаций и может иметь место в основании бетонных плотин, и в грунтовых плотинах, и в каменных креплениях откосов. Защита:

Песчаные частицы могу выноситься в поры более крупного грунта дренажа восходящим фильтрационным потоком. При этом разрушается основание и ―загрязняется‖ дренаж. Для предотвращения следует уложить фильтр, который бы предотвратил суффозию. Следует предусмотреть непросыпаемость грунта из слоя в слой.

Для построения критерия непросыпаемости необходимо знать соотношения между размераи частиц, слагающих грунт, и образуемыми ими порами. Для практических целей пользуются предположением, что размеры пор грунта зависят от его гранулометрического состава и кривая распределения размера пор в грунте подобна кривой гранулометрического состава. В этом случае

неоднородности. В большинстве случаев его можно принимать 0,155, имея в виду, что он соответствует уплотненному грунту. При отсутствии уплотнения . Придельное значение 0,41 соответствует предельно рыхлому сложению или однородному грунту.

3.5) Дренаж в плотинах.

Дренаж низового откоса плотин устраивается для осуществления следующих целей:

понижения кривой депрессии для увеличения устойчивости низового откоса и устранения опасности пучения грунта тела плотины в зимний период;

защиты от внешней суффозии грунта.

Различают следующие типы дренажей (рис. 8.11).

ж

Рис. 8.11. Основные типы дренажа низового клина плотины:

1 — кривая депрессии; 2 — дренажный банкет; 3 — обратный фильтр; 4 — наслонный дренаж; 5

— труба; 6 — горизонтальная продольная дренажная лента; 7 — отводящая труба

Дренажный банкет (рис. 8.11, а), как правило, выполняют, на русловых участках плотины при ее возведении без перемычек и при перекрытии реки отсыпкой камня в воду. Диаметр камней, слагающих дренажный банкет, устанавливают, исходя из устойчивости откосов при волновом воздействии.

Величина превышения гребня банкета над максимальным уровнем нижнего бьефа устанавливается с учетом нагонной волны и наката на откос, но не менее 0,5 м. Ширину поверху назначают по условиям производства работ, но не менее 1,0 м.

Банкет должен быть запроектирован таким образом, чтобы расстояние от поверхности низового откоса до кривой депрессии было не менее:

a hпр hкп

где hпр — наибольшая глубина промерзания грунта в районе строительства;

hкп — высота максимального капиллярного поднятия для данного грунта (для песка

0,5÷1,0 м).

Наслонный дренаж (рис. 8.11, б) следует выполнять на участках плотины, перекрывающих затопляемую пойму, а также при отсутствии на месте строительства достаточного количества камня.

Толщину наслонного дренажа назначают по условиям производства работ.

Трубчатый дренаж (рис. 8.11, в) следует применять, как правило, на тех участках плотины, где в период ее эксплуатации вода в нижнем бьефе отсутствует или присутствует кратковременно.

Трубчатый дренаж следует предусматривать из бетонных или пластиковых перфорированных труб с заделанными или незаделанными стыками, с обсыпкой обратным фильтром.

Сечение дренажных труб следует определять гидравлическими расчетами. Диаметр дренажной трубы следует принимать не менее 200 мм.

По длине трубчатого дренажа необходимо предусматривать смотровые колодцы. Комбинированные схемы дренажа (рис. 8.11, г—ж) представляют собой одну из возможных комбинаций дренажей, указанных выше. Отметку гребня банкета комбинированного дренажа (см. рис. 8.11, д) следует назначать с учетом условий перекрытия русла реки.

3.6) Устойчивость откосов в плотинах.

Устойчивость откосов в плотинах выполняется по методу круглоцилиндрической кривой. Расчет производится в предположении, что сползающий грунтовый массив обрушения в теле плотины ограничен круглоцилиндрической поверхностью и разделен на отсеки обрушения вертикальными плоскостями. Расчет выполняется в предположении плоской деформации на участке плотины 1 м. массив обрушения разделен на столбики шириной b и выражается коэффициент устойчивости как отношение момента реактивных сил к моменту активных сил.

Сила трения определяет устойчивость. Заложение откосов зависит от угла внутреннего трения.

Коэффициент устойчивости должен быть не меньше 1,1-1,25 в зависимости от класса капитальности сооружения.

;- коэф. Безопасности по нагрузке.

;

; с – коэф. Сцепления

∑

∑

3.7) Наблюдения за фильтрационным режимом и деформациями.

1.На плотинах из однородного грунта ПМ (поверхностные марки) должны быть расставлены так,

чтобы глубина была ниже глубины промерзания. Вертикальные перемещения сооружения определяются методом геометрического нивелирования высотного положения марок. Полная осадка земляных сооружений определяется с помощью поверхностных марок, осадка основания – с помощью глубинных. Наблюдения за послойным сжатием грунтов осуществляется с помощью многоярусных марок, которые устанавливаются с шагом 50-100 м. Опорные части этих марок устанавливаются в нескольких точках по высоте сооружения. При возведении сооружения плиты укладываются на выровненную поверхность грунта на заданных отметках. Диаметр труб каждой из последующих плит увеличивается с таким расчетом, чтобы они свободно входили одна в другую.

2. На плотинах с ядром пм устанавливаются на оси ядра и в переходных зонах.

Натурные наблюдения за фильтрационным состоянием грунтовой плотины подразделяются на контрольные наблюдения и специальные исследования.

Контрольные наблюдения (визуальные и инструментальные) проводятся с целью текущего эксплуатационного контроля фильтрационных процессов и состояния сооружения. Визуальный осмотр всех доступных для обозрения частей сооружения позволяет отметить все признаки связанных с фильтрацией неблагоприятных для сооружения проявлений.

В задачу инструментального контроля, проводимого на сооружениях I - III класса, входит выявление изменений параметров потока внутри области фильтрации.

Специальные наблюдения выполняются по отдельной программе проектными или научно-исследовательскими организациями для уточнения изменившейся гидрологической обстановки, оценки состояния сооружения или разработки и использования дополнительных средств и методов натурных наблюдений. В ряде случаев необходимость специального контроля определяется при обследовании дефектного сооружения или его элемента комиссией экспертов.

Примеры размещения пьезометрической КИА в грунтовых плотинах различных конструкций приведены на рис..