Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

плоский горизонтальный;

ленточный;

трубчатый горизонтальный;

трубчатый вертикальный.

Дренажные устройства обычно включают приемную и отводящую части. Приемная часть дренажа выполняется в виде фильтра (обратного фильтра), предназначенного для исключения фильтрационных деформаций грунта тела и основания плотины в месте выхода фильтрационного потока в дренаж. В качестве отводящей части используются крупнообломочные грунты тела дренажа выводные ленты и трубы. Принципиальное отличие береговых участков плотины, расположенных на отметках, превышающих максимальный уровень нижнего бьефа, от русловых и пойменных участков заключается в отсутствии необходимости защиты низового откоса от волновых воздействий со стороны нижнего бьефа, поэтому применяемые на незатопляемых береговых участках дренажи могут выполняться облегченной конструкции.

При выборе типа и предварительном назначении параметров дренажей учитывают следующее /38/: при наличии достаточного количества каменного материала предпочтение для русловых и пойменных дренажей следует отдавать дренажной призме (дренажному банкету), так как этот тип дренажа обладает рядом достоинств, в числе которых: дренажная призма хорошо дренирует тело плотины в основание во всем диапазоне колебаний уровней нижнего бьефа; является одновременно креплением низового откоса в зоне волновых воздействий нижнего бьефа; имеет простую конструкцию; дополнительно повышает устойчивость низового откоса за счет высоких сдвиговых характеристик грунтов, применяемых при ее возведении; она может использоваться в отдельных случаях для перекрытия русла реки в период строительства плотины.

При проектировании дренажа необходимо также учитывать физические характеристики грунтов тела и основания плотины, их суффозионность и условия фильтрации в области дренажа.

Наслонный дренаж не понижает кривую депрессии, а только предохраняет низовой откос в месте выхода фильтрационного потока от возможных фильтрационных деформаций.

Дренажная призма широко применяется в грунтовых плотинах благодаря простоте конструкции; работе при любых переменных уровнях воды в НБ; использованию как перемычки при пропуске строительного расхода. Недостаток – требуется относительно большой объём крупного камня.

Так как наслонный дренаж не понижает кривую депрессии, то выполняем дренаж в виде дренажного банкета из грунта №17 (крупнообломочный, глыбовый).Отметка верха дренажной призмы () должна превышать максимальный уровень нижнего бьефа на величину а = 0,5... 1,0 м (принимаю 1м). Обычно высота дренажной призмы составляет  от высоты плотины. Ширина дренажной призмы поверху  зависит от условий производства работ и должна быть не менее 3...4 м. Коэффициент заложения внешнего откоса дренажной призмы , а внутреннего . Толщина и количество слоев обратного фильтра со стороны тела плотины и основания зависит от вида защищаемого грунта и характеристик материала призмы.

Определяем отметку верха дренажа:

Превышение гребня дренажного банкета над УНБmax = 102,7 м при  определяют с запасом наводнения, равного в расчете 1м.

=103,7-100=3,7

,

следовательно, проектируем дренаж в виде дренажного банкета.

Ширину банкета поверху назначают из условий производства работ, но не менее 1 м (СНиП 2.06.05-84 п.п.2.54). В данном курсовом проекте ширину банкета принимаем из условия проезда машины и равной 2 м.

Заложения наружного откоса дренажа задают из условий устойчивости (обычно 1,5).

Коэффициент заложения внутреннего откоса обычно составляет 1,25, в данном проекте он составляет 1,25.

Для понижения кривой депрессии дренажный банкет комбинируем с плоским дренажом длиной 7м, с коэффициентом заложения внешнего откоса 1.

Конструкция дренажа показана на рисунке 6.

2.2.6 Проектирование обратных фильтров

Обратные фильтры – грунты определенного гранулометрического состава, укладываемые по мере возрастания крупности по направлению движения фильтрационного потока.

Обратные фильтры располагают на контакте дренажа с дренируемым телом плотины, с основанием, на контакте тела плотины с креплением верхового откоса каменной наброской и иногда на контакте ПФУ и боковых призм.

Для обратного фильтра используют имеющиеся карьерные грунты или искусственные материалы. Их подбирают из условия обеспечения фильтрационной прочности сопрягающих грунтов в месте контакта. Если естественный карьерный грунт оказывается непригодным, то проводят его обогащение или отсев крупных фракций.

Коэффициент неоднородности материалов обратных фильтров дренажей должен иметь следующие значения:

1.  если з < 10 – грунт несуффозионный (допустим в качестве обратного фильтра),

2.  если з = 10…20 – грунт полусуффозионный (допустим в качестве обратного фильтра при определенных условиях),

3.  если з > 20 – грунт суффозионный (не допустим в качестве обратного фильтра).

Число слоев обратного фильтра и их состав необходимо определять на основе технико-экономического сравнения различных вариантов. При этом следует стремиться к созданию однослойных фильтров и только в исключительных случаях проектировать многослойные фильтры с возможно меньшим числом слоев.

При расчете однослойного или первого слоя многослойного обратного фильтра используют следующие обозначения:

D50 - размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 50% массы всего грунта;

d50 - средний размер фракций I слоя обратного фильтра;

D60 - размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 60% массы всего грунта;

D10 - размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 10% массы всего грунта;

-

коэффициент неоднородности защищаемого грунта;

-

коэффициент неоднородности первого слоя обратного фильтра;

-

коэффициент междуслойности.

Зерновой состав фильтра должен исключать проникание (просыпаемость) защищаемого грунта в поры фильтра, выпор и вдавливание частиц грунта в поры фильтра, размыв защищаемого грунта на границе с фильтром, отслаивание глинистого грунта на контакте с материалом фильтра, а также суффозию фильтра. В зависимости от типа плотины, а также грунтов ее тела и основания подбор первого слоя обратного фильтра выполняют исходя из различных условий.

При подборе фильтров возможны два случая:

1.  первый – известны параметры карьерного грунта и заданы кривые гранулометрического состава, расчетом устанавливают применимость этих грунтов для фильтра;

2.  второй — данные гранулометрического состава отсутствуют, кривые их определяют из условия отсутствия фильтрационных деформаций.

Обратные фильтры можно подобрать по графикам, разработанным В. С. Истоминой.

Принцип их построения основан на разделении поля графика на две области - допускаемых (ниже кривой) и недопускаемых (выше кривой) характеристик. По осям графиков откладывают характеристики грунтов; если они пересекаются в области допускаемых значений, грунт можно использовать для фильтра, если же они пересекаются в области недопускаемых значений, то грунт нельзя использовать для фильтра.

Подбор зернового состава второго и последующих слоев многослойного фильтра ведут по тем же графическим зависимостям полагая, что через di и Di соответственно обозначены размеры фракций предыдущего и последующего слоев фильтра.

Толщину слоев обратного фильтра назначают с учетом производства работ и технико-экономических расчетов. По фильтрационным условиям толщина каждого слоя должна быть не менее 3D85, но не меньше 0,2 м.

Подбор обратных фильтров

Земляную плотину с комбинированным дренажем в виде банкета в сочетании с ленточным возводят на супесчаном основании. Грунт тела плотины супесь с d50 = 0,15 мм, основание – крупный песок с d50 = 0,15 мм. Тело дренажа - глыбовый грунт с D50 = 330 мм, =15.

Проверяем необходимость устройства обратного фильтра:

Тело плотины – тело дренажа

Так как контактируют связный грунт тела плотины с несвязным грунтом тела дренажа, то необходимость устройства обратного фильтра будем определять по первому графику Истоминой. Для этого вычисляем значения коэффициента неоднородности грунта дренажа

 и .

Определяем местоположение точки с координатами (15; 330) по третьему графику Истоминой.

Так как точка попадает в область недопустимых характеристик, то нужен обратный фильтр на контакте тела плотины с телом дренажа.

Первый слой обратного фильтра:

Для обратного фильтра используем карьерный грунт 14 (галечниковый), который подбирается из условий обеспечения фильтрационной прочности сопрягающих грунтов в месте контакта.

Так как по контакту защищаемого грунта тела дренажа с проектируемым обратным фильтром будет восходящий фильтрационный поток, то проверку выполняем по графику [3], рис. 3.13б, стр. 134. При этом грунт фильтра не должен быть суффозионным.

Проверяем характеристики подобранного грунта:

грунт несуффозионный,

.

Соответствующая им точка располагается в области допустимых характеристик см. [3], рис. 3.13б, стр. 134,  и , следовательно, для этой контактной зоны карьерный грунт 14 применим.

Проверяем, контактирует ли подобранный слой с телом дренажа:

Проверяем контакт 14 грунта с телом дренажа по второму графику Истоминой [3], рис. 3.13б, стр. 134. Для этого вычисляем значения коэффициента неоднородности карьерного грунта

и коэффициента междуслойности

грунт несуффозионный.

Определяем местоположение точки с координатами (17,3; 9) по второму графику Истоминой.

Так как точка попадает в область допустимых характеристик, следует, что подобранный слой фильтра контактирует с телом дренажа.

Проверяем, контактирует ли подобранный слой с телом плотины:

Для проверки отсутствия фильтрационных деформаций по контакту обратного фильтра дренажа с телом плотины пользуемся Истоминой [3], рис. 3.13б, стр. 134. Точка, имеющая координаты

 и ,

попадает в область недопустимых характеристик, следует, что тело плотины не контактирует с подобранным слоем фильтра.

Второй слой обратного фильтра:

Для второго слоя обратного фильтра используем крупный песок (9 грунт), который подбирается из условий обеспечения фильтрационной прочности сопрягающих грунтов в месте контакта.

Так как по контакту защищаемого грунта тела дренажа с проектируемым обратным фильтром будет восходящий фильтрационный поток, то проверку выполняем по графику [3], рис. 3.13б, стр. 134. При этом грунт фильтра не должен быть суффозионным.

Проверяем характеристики подобранного грунта:

грунт несуффозионный,

.

Соответствующая им точка располагается в области допустимых характеристик см. [3], рис. 3.13б, стр. 134,  и , следовательно, для этой контактной зоны грунт 9 применим.

Проверяем, контактирует ли второй подобранный слой с первый слоем обратного фильтра:

Проверяем контакт 9 грунта с первым слоем обратного фильтра по второму графику Истоминой [3], рис. 3.13б, стр. 134. Для этого вычисляем значения коэффициента неоднородности карьерного грунта

и коэффициента междуслойности

грунт несуффозионный.

Определяем местоположение точки с координатами (21,25; 7,5) по второму графику Истоминой.

Так как точка попадает в область допустимых характеристик, следует, что подобранный слой фильтра контактирует с первым слоем.

Проверяем, контактирует ли подобранный слой с телом плотины:

Для проверки отсутствия фильтрационных деформаций по контакту обратного фильтра дренажа с телом плотины пользуемся Истоминой [3], рис. 3.13б, стр. 134. Точка, имеющая координаты

 и ,

попадает в область допустимых характеристик, следует, что тело плотины контактирует с подобранным слоем фильтра.

На основе проведённых расчётов делаем вывод о том, что карьерный грунт с  и  = 17 мм, и местный грунт с ,  можно использовать для обратного фильтра комбинированного дренажа.

Таким образом, обратный фильтр состоит из двух слоев, которые контактируют и с телом дренажа, и с телом плотины и состоят из галечникового грунта и крупного песка.

Тело дренажа – основание плотины

Расчёт такой же исходя из того, что основание, на котором возводится плотина, состоит также из супеси – 5го грунт – что и тело плотины.

Таким образом, обратный фильтр состоит из двух слоев, которые контактируют и с телом дренажа, и с телом плотины и состоят из галечникового грунта и крупного песка.

2.2.7 Проектирование ПФУ в теле и основании плотины

В грунтовых плотинах, теле которых выполнено из водопроницаемых грунтов, применяются противофильтрационные устройства.

Назначение их – уменьшить фильтрационные потери воды через тело плотины, а также повысить устойчивость низового откоса.

Основные противофильтрационные устройства в теле плотины – ядра, экраны диафрагмы. Для создания их применяют суглинки, глины, глинобетон, торф, находят применение и битумные составы, асфальтобетон, бетон и полимерные плёнки.

Плотина устраивается из малопроницаемого грунта (супесь) с

kф осн=0,3 = kф т, , ПФУ в теле плотины не устраиваем.

В основании грунтовых плотин часто залегают водопроницаемые скальные или нескальные грунты. Фильтрация через них может приводить к потерям воды из водохранилища, а также к опасным фильтрационным деформациям и, как следствие, к неравномерным осадкам основания и разрушению плотины. ПФУ в основании снижают фильтрационные расходы и обеспечивают фильтрационную прочность основания. ПФУ могут быть глухими (доходят до водоупора) или висячими (не доходят до водоупора).

Так как в основании плотины находится ПФУ в виде замка (зуб из связных грунтов до водонепроницаемого слоя с врезкой в последний на 0,5 – 1м) с коэффициентом фильтрации  (суглинок), который в несколько десятков раз меньше коэффициента фильтрации основания, то фильтрацией через основание плотины пренебрегаем. Расчётной схемой в таком случае будет плотина на водоупоре.

2.2.8 Расчёт фильтрации в теле и основании плотины

В соответствии со СНиП 2.06.05—84 фильтрационные расчеты следует выполнять для определения:

1.  фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов;

2.  расчета устойчивости откосов плотины и берегов;

3.  обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций плотины, ее противофильтрационных и дренажных устройств.

В ходе выполнения расчетов, определяют:

1.  положение депрессионной кривой;

2.  фильтрационный расход воды через тело плотины и ее основание;

3.  скорости и градиенты напора фильтрационного потока в теле плотины, основании, а также в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границах противофильтрационных устройств.

Фильтрационные расчёты грунтовых плотин ведут при следующих допущениях:

1.  грунт тела плотины принимается однородным и изотропным;

2.  водоупор считается водонепроницаемым и горизонтальным;

3.  рассматривается плоское движение фильтрационного потока, поэтому расчет ведем на один погонный метр;

4.  движение фильтрационного потока подчиняется закону Дарси.

В данном проекте расчёт производим по методу Замарина Е.А.

Ординаты кривой депрессии  при указанном на схеме, приведённый на рисунке 10, положение центра координат – точка  (при наличии воды в нижнем бьефе, т.е. при ) определяются по уравнению:

где  - глубина воды перед плотиной при НПУ

,

 - глубина воды со стороны нижнего бьефа при  

,

 - текущая координата;

 - расчётная длина, определяемая по выражению:

 - коэффициент, принимаемый равным 0,3…0,4;

 - длина захода кривой депрессии в дренаж, определяемая по выражению:

 - длина, определяемая по чертежу на миллиметровке; эта длина отсчитывается от уреза воды при НПУ до начала пересечения уровня воды нижнего бьефа с внутренним откосом дренажной призмы, .

При этом центр координат размещается на уровне верхнего бьефа на расстояние  от пересечения уровня воды верхнего бьефа при НПУ с верховым откосом тела плотины.

Для построения кривой депрессии задаемся значениями  в пределах от 0 до , а полученные значения ординат заносим в таблицу 5.

Таблица 5

Таблица для построения кривой депрессии

По полученным результатам на поперечном профиле плотины наносим депрессионную кривую (рис.7), положение которой исправляем визуально в месте её примыкания к верховому откосу пунктирной линией.

Фильтрационный расход через тело плотины  определяется по формуле Дюпюи:

где  - коэффициент фильтрации грунта тела плотины (принимается в соответствии с колонкой 8 таблицы задания на проектирование),

 - глубина воды со стороны нижнего бьефа,

Так как кривая депрессии приближается к низовому откосу ближе, чем на 2 м, то следует спроектировать дренаж в виде сочетания комбинированного и ленточного дренажа.

Фильтрация через основание плотины:

Т – активная глубина фильтрации

Суммарный фильтрационный расход:

2.2.9 Оценка общей фильтрационной прочности тела и основания плотины

В курсовом проекте ограничимся только оценкой общей прочности грунтов, считая, что местная будет обеспечена за счёт устройства обратных фильтров в соответствующих местах выхода фильтрационного потока на контакте грунтов с разными свойствами.

2.2.9.1 Оценка общей фильтрационной прочности тела однородной плотины

Фильтрационная прочность тела плотины оценивается в соответствии со СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов по условию:

где: - действующий градиент напора в теле плотины;

 - критический средний градиент напора (принимается по таблице 8 СНиП 2.06.05-84*);

Страницы: 1, 2, 3, 4