Проектирование бетонной гравитационной плотины

Сверху глиняный понур  пригружается защитным слоем грунта толщиной 1,5 м, который предохраняется от размыва креплением в виде бетонных плит.

Шпунт – вертикальная противофильтрационная преграда, которая является гасителем напора фильтрационного потока. Шпунт располагается со стороны напорной грани плотины, в ее верховом зубе. Глубина забивки шпунта .

Дренажные устройства

Горизонтальный дренаж выполняется  из крупнозернистого материала (щебня), защищенного обратным фильтром. Обратный фильтр устраивается из 2-х слоев несвязных грунтов различной крупности (песок крупнозернистый и щебень). Толщина каждого слоя – 40 см.

5.3.6 Конструкция водобоя

 

Водобой выполняется в  виде массивной железобетонной плиты, заканчивающейся зубом. Для интенсификации гашения кинетической энергии потока в пределах водобоя располагается  водобойная стенка. Ширина водобоя  по течению увеличивается, что способствует лучшему гашению избыточной кинетической энергии потока. Угол отклонения береговых  устоев от оси водобоя составляет 11^о.

Толщина водобойной плиты  определяется из условия ее устойчивости и прочности:

 

V_с=Q/(B_c·h_c)= 448,8/(40·0,75)=15 м/с – скорость течения в сжатом сечении;

h_c=0,75 м – глубина в сжатом сечении.

Для снятия фильтрационного  давления на водобойную плиту под  ней устраивают плоский дренаж с  обратным фильтром. Профильтровавшаяся вода через дренажные колодцы  отводится в НБ. Дренажные колодцы  имеют диаметр 1 м и располагаются в шахматном порядке через 5 м в ряду с расстоянием между рядами 5 м.

Плиту водобоя отделяют конструктивным швом от тела плотины. В свою очередь, водобойная плита разрезается вдоль  течения продольными вертикальными  температурно-осадочными швами, которые  совпадают с осями быков.

5.3.7 Конструкция рисбермы

 

Конструкция рисбермы гибкая, при возможных деформациях русла  сохраняет свою прочность. Рисберма выполняется из сборных железобетонных плит толщиной 0,5 м и проницаема для фильтрационного потока выходящего в НБ. Плиты с размерами 3х4 м укладываются в шахматном порядке, длинной стороной по течению.

Концевой участок рисбермы выполняется в виде предохранительного ковша с заложением верхового  откоса 1:4. Ковш загружается галькой  крупностью 30÷100 мм.

В пределах рисбермы подводная  часть берегового откоса крепится аналогично самой рисберме.

5.3.8 Конструкция быков

 

Толщина быков (перегородок  между трубами) – 2 м. Отметка верха быков назначается с учетом отметки гребня глухой плотины, наличия мостового перехода и его габаритов по высоте. Исходя из этих условий, высота быка принимается на 2 м выше ФПУ.

Длина быка назначается из условия  размещения транспортного моста. Ширина проезжей части моста определяется его габаритом и шириной тротуаров. Габарит моста Г-8, ширина проезжей части – 6 м, ширина тротуаров 2х0,75 м, ширина полос безопасности 2х1,0 м.

С учетом выше сказанного длина  быка L_б=10 м.

5.3.9 Конструкция береговых устоев

 

Лицевая грань устоев в  пределах водослива делается аналогичной  граням быков.

Береговой устой состоит  из трех частей: вертикальной продольной стенки, параллельной быкам на всю  длину водослива; верховой и низовой  сопрягающих стенок.

Продольная вертикальная стенка объединяется с водосливной  частью плотины в единую конструкцию. Отметка гребня вертикальной продольной стенки равна отметке верха быка.

Верховой и низовой  открылки выполняются в виде уголковых  подпорных стен. Продольная стенка отрезается от открылков конструктивными  швами, которые в свою очередь  разрезаются температурно-осадочными швами на секции длиной 10 м. Водонепроницаемость швов обеспечена при помощи гидроизоляционных шпонок. Верховые и низовые открылки расширяются в плане под углом 11^о. Толщина открылков по верху – 0,5 м.

5.4. Расчет фильтрации в основании бетонной плотины

 

Фильтрация под плотиной является напорной.

На подошву плотины  действуют взвешивающее и фильтрационное давление. Суммарное давление (противодавление) на подошву плотины вычисляется  по формуле:

 

 

 

 

γ – удельный вес воды;

l=1 м – длина расчетной секции плотины;

S_вз, S_ф – площадь эпюры взвешивающего и фильтрационного давления, соответственно;

α₂ – коэффициент эффективной площади противодавления.

Фильтрационный расчет подземного контура плотин на нескальном основании  выполняется по методу коэффициентов  сопротивлений. Подземный контур приводится к расчетной схеме путем исключения различного рода деталей, существенно  не влияющих на результаты расчета. Расчет выполняется на 1 погонный метр плотины.

Глубина активной зоны фильтрации определяется по зависимости:

 – при 

l₀ – длина горизонтальной проекции подземного контура;

S₀ – длина вертикальной проекции подземного контура.

Так как Т_д= ∞ > Т^’_ак=15,78 м, то Т^’_рас = Т^’_ак=15,78 м.

Схематизированный подземный  контур разбивается на ряд участков, для которых вычисляются коэффициенты сопротивления.

1. Плоский вход и уступ.

2. Горизонтальный участок 1.

3. Уступ.

4. Горизонтальный участок 2.

Т. к. , то

5. Шпунт.

6. Горизонтальный участок 3.

Т. к. , то

7. Уступ и плоский выход.

Сумма коэффициентов сопротивления  всех участков контура 

Потеря напора на каждом участке контура определяется по зависимости: , а каждая следующая ордината эпюры фильтрационного давления определяется путем вычитания из предыдущей ординаты потерь напора на рассматриваемом участке.

  

   

   

   

   

   

   

Фильтрационная прочность  грунта будет обеспеченна при  выполнении условия  .

Контролирующий градиент: .

Допустимый градиент: .

5.5 Расчеты плотины на устойчивость и прочность

5.5.1 Нагрузки и воздействия на плотину

 

В основное сочетание нагрузок входят: собственный вес плотины  с учетом веса находящихся на ней  постоянных устройств, гидростатическое, фильтрационное и волновое давления воды, активное давление грунта и давление наносов со стороны ВБ.

Нагрузки определяются для  выделенной расчетной секции. Длина  расчетной секции равна 1 м.

Собственный вес плотины  находится путем разбивки поперечного  профиля плотины на ряд элементов  правильной формы, определения их объема и умножения на удельный вес бетона. Аналогично определяется пригрузка  воды и грунта.

Гидростатическое давление воды определяется обычными методами гидравлики. Так сила гидростатического  давления со стороны ВБ равна  ;

Со стороны НБ –  .

Для определения волнового  давления необходимо знать расчетную  высоту волны h в ВБ.

Высота волны 1%-й обеспеченности . k_1%=2,1

 – средняя высота волны,  которая зависит от безразмерных  величин gt/V_w и gL/ V_w².

V_w=19 м/с – расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем водоема.

L=6000 м – длина разгона волны.

  

 

 

Сила волнового давления равна 

Активное давление грунта (гор. составляющая):

Давление наносов со стороны  ВБ:

Сила взвешивающего давления: .

Сила фильтрационного  давления: .

В соответствии со СНиП 2.06.06–85 коэффициенты надежности по нагрузке принимаются равными единице, следовательно, расчетные нагрузки будут нормативными.

5.5.2 Определение контактных напряжений

 

Определение нормальных напряжений на контакте бетонная плотина –  основание необходимо для расчета  прочности сооружения, а также  оценки несущей способности основания.

 

Расчет удобно выполнять  в табличной форме.

 

Наименование  сил	Буквенное обозначение	Расчетные формулы	Величина  силы, кН	Плечо, м	Момент  относительно т. О, кН·м
Собственный вес плотины	Р1	0,5*10*7,4*1*24	888	-1	-888
	Р2	0,5*7,4х5*1*24	444	-4,3	-1909,2
	Р3	10*4*1*24	960	-1	-960
	Р4	0,5*2*3*1*24	72	-6,7	-482,4
	Р5	2*2*1*24	96	-7	-672
	Р6	1*2*1*24	48	-5	-240
	Р7	0,5*1*1*1*24	12	-3,7	-44,4
	Р8	0,5*1*1*1*24	12	3,7	44,4
	Р9	4*3,6*1*24	345,6	6	2073,6
	Р10	0,5*2*1,4*1*24	33,6	4,5	151,2
Пригрузка воды в ВБ	GВБ	0,5*(11+8)*2*1*9,81	186,39	-7	-1304,73
Пригрузка воды в НБ	GНБ	0,5*4*1,4*1*9,81	27,468	6,7	184,0356
Пригрузка грунта	Gгр	0,5*1*1,6*1*2,66 (1–0,4)	1,2768	-7,7	-9,83136
Сумма			3126,3348
Сила  взвешивающего давления	Wвз	(4*16+1*9)*1*9,81	716,13	0	0
Сила  фильтрационного давления	Wф	(2*5,37+3 *1,67)*1*9,81	154,5075	-6,2	-957,9465
Сумма			870,6375
Сила  гидростат. давления со стороны ВБ	W1	0,5*132*1*9,81	828,9	4,4	3647,358
Сила  волнового давления	Wв	0,5*9,8*0,9*1*9,81	43,2621	11,4	493,18794
Сила  активного давления грунта	Еа	0,5*15,7* 3,62*tg2(45–30/2)*1	33,91	1,2	40,692
Давление  наносов	Ен		3	4	12
Сумма			909,1
Сила  гидростат. давления со стороны НБ	W2	0,5*52*1*9,81	122,6	-1,6	-196,2
Сумма			122,625	Сумма М	-1018,2343

 

Нормальные напряжения в  основании плотины определяются по формуле внецентренного сжатия: .

N=2255,7 кН – равнодействующая всех вертикальных сил;

F=bL=16·1=16 м² – площадь подошвы секции плотины;

ΣМ=-1018,2343 кН·м – суммарный момент всех сил относительно точки О;

 – момент сопротивления  подошвы секции плотины.

 > 0;

 

n_с=1 – коэффициент сочетания нагрузок;

m=1 – коэффициент условий работы;

k_н=1,1 – коэффициент надежности (IV класс капитальности);

R₀=270 кПа – расчетное сопротивление грунта основания плотины.

Коэффициент неравномерности  нагрузок:

 

5.5.3 Расчет устойчивости плотины на сдвиг

 

Для оснований сложенных  глинистыми грунтами расчет по схеме  плоского сдвига можно выполнять  при выполнении условия:

σ_max – максимальное нормальное напряжение в основании плотины;

b – ширина плотины по основанию;

γ_вз – удельный вес грунта основания во взвешенном состоянии;

Б – безразмерный критерий, принимаемый равным 3 для всех грунтов  кроме плотных песков.

За расчетную поверхность  сдвига принимается плоскость, проходящая по подошвам зубьев.

Определение нагрузок и воздействий  на расчетную секцию плотины удобно вести в табличной форме.

Наименование сил	Буквенное обозначение	Расчетные формулы	Величина  силы, кН
Собственный вес плотины	Р1	0,5*10*7,4*1*24	888
	Р2	0,5*7,4х5*1*24	444
	Р3	10*4*1*24	960
	Р4	0,5*2*3*1*24	72
	Р5	2*2*1*24	96
	Р6	1*2*1*24	48
	Р7	0,5*1*1*1*24	12
	Р8	0,5*1*1*1*24	12
	Р9	4*3,6*1*24	345,6
	Р10	0,5*2*1,4*1*24	33,6
Пригрузка воды в ВБ	GВБ	0,5*(11+8)*2*1*9,81	186,39
Пригрузка воды в НБ	GНБ	0,5*4*1,4*1*9,81	27,468
Пригрузка грунта	Gгр	0,5*1*1,6*1*2,66 (1–0,4)	1,2768
Сумма			3126,3348
Сила  взвешивающего давления	Wвз	(4*16+1*9)*1*9,81	716,13
Сила  фильтрационного давления	Wф	(2*5,37+3 *1,67)*1*9,81	154,5075
Сумма			870,6375
Сила  гидростат. давления со стороны ВБ	W1	0,5*132*1*9,81	828,945
Сила  волнового давления	Wв	0,5*9,8*0,9*1*9,81	43,2621
Сила  активного давления грунта	Еа	0,5*15,7* 3,62*tg2(45–30/2)*1	33,91
Давление  наносов	Ен		3
Сумма			909,1
Сила  гидростат. давления со стороны НБ	W2	0,5*52*1*9,81	122,63
Сумма горизонтальных сил			786,5