Гидротехнические сооружения

Расчёт крепления верхового откоса каменной наброскойМинимальная масса камня, устойчивого на откосе при действии волн, в соответствии с СП 38.13330.2018 [1] определяется по формуле:где – коэффициент, учитывающий материал, способ укладки и форму массивов,,– плотность соответственно материала камня и воды;– высота расчетной волны;– заложение откоса.Для каменной наброски =0,025.Чтобы оценить габариты устойчивого камня, определяется диаметр эквивалентного по массе шара:В нашем случае заложение верхового откоса плотины составляет . Примем плотность камня .Тогда минимальная масса камня, устойчивого на откосе, по формуле (6.5) составитДиаметра эквивалентного шара по формуле (6.6) составляетКамня такого размера в районе строительства нет, поэтому принимают крепление откоса железобетонными плитами.Расчёт крепления верхового откоса железобетонными плитамиПри применении крепления железобетонными плитами необходимо определить его толщину. Из условия всплытия всей плиты минимальная её толщина должна составлять не менеегде – коэффициент надёжности, – плотность железобетона,B – длина плиты по нормали к урезу воды (вдоль откоса).Примем крепление плитами длиной 15 м.По формуле (6.7) толщина плиты составит.Определение высоты наката волныВысота накатана откос волны обеспеченностью 1%вычисляется по формуле в соответствии с СП 38.13330.2018 [1]:где – коэффициент, выражающий высоту наката в долях от высоты волны.– коэффициент, учитывающий скорость ветра и заложение откоса, – коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности откоса, – коэффициент, учитывающий водонепроницаемость откоса.По графику в СП 38.13330.2018 [1] при заложении верхового откоса mв=3 и пологости волны коэффициент =1.При заложении верхового откоса mв=3 и скорости ветра >20 м/с .Для крепления из бетонных плит , =0,9.Тогда высота наката волн по формуле (6.8).Выбор отметки гребня плотиныОтметка верха крепления по формуле (6.1) составит.Принимаем отметку гребня грунтовой плотины 68 м.6.2 Расчет фильтрации через тело однородной земляной плотиныОсновными задачами расчёта фильтрации через грунтовую плотину являются:1) определение максимально высокого положения депрессионной кривой в плотине, а особенно положения точки высачивания,2) определение величины фильтрационного расхода через плотину.Для решения этих двух задач рассматривают разные расчётные случаи. При расчёте положения кривой депрессии за расчётный принимается случай прохождения через гидроузел расчётного паводка, когда уровни бьефов максимальны (в ВБ – НПУ). При определении потерь воды из водохранилища за счёт фильтрации, как правило, рассматривается случай с максимальным напором на плотину: УВБ находится на отметке НПУ, а УНБ соответствует минимальному расходу в НБ. В нашем случае основной задачей расчёта фильтрации через однородную плотину является определение максимально высокого положения депрессионной кривой, поэтому рассматривается случай с максимальным уровнем нижнего бьефа.Расчёт фильтрации выполняем гидравлическим методом. Методика расчёта фильтрации гидравлическим методом основана на уравнении Дюпюи [11]:Где q – удельный фильтрационный расход, – коэффициент фильтрации грунта, – расчётная длина пути фильтрации, – глубина верхнего бьефа, – глубина потока при выходе в нижний бьеф.Глубина верхнего бьефа при НПУ составляет , а глубина нижнего бьефа составляет . По чертежу горизонтальное расстояние между урезом воды в верхнем и в нижнем бьефов составляет Верховой клин заменяется на прямоугольный участок эквивалентной ширины. Ширина прямоугольного участка, на который заменяется верховой клин можно определить по формуле [11]Где – параметр, который вычисляется через заложение верхового откосаПри заложении верхового откоса, равном 3, по формуле (6.10) получаем . Тогда ширина прямоугольного участка по формуле (6.9):.Расчетная длина пути фильтрации в первом приближении равна:По формуле (6.11)Определяем отношение по формуле (6.9):Определим высоту высачивания депрессионной кривой на низовом откосе.Высота высачивания кривой депрессии на низовой откос определяется по формуле [11]:где– глубина нижнего бьефа относительно дна,а – параметр, – функция заложения низового откоса.Для этого необходимо определить следующую величинуПри заложении низового откоса, равном 3, по формуле (6.13) получаем Параметр a вычисляется по формуле [11]:По формуле (6.14)По формуле (6.13) высота высачиванияГлубина потока в точке высачивания на низовом откосе:По формуле (6.15) полная глубина потока при выходе в нижний бьефНаличие в профиле низового клина при расчёте учитывать не будем. Тогда с учётом полученной высоты высачивания расчётная длина пути фильтрации составитПо формуле (6.16) расчётная длина пути фильтрации во втором приближенииС учётом изменений по формуле (6.9) уточняем во втором приближении Т.к. это значение не совпадает с предыдущим, то необходимо произвести уточнение. Дальнейшие расчёты проводим последовательными приближениями, результаты которых представлены в табличной форме (таблица 6.1). Видим, что в третьем – четвёртом приближении получаем достаточно точные значениеТаблица 6.1.Номер приближения123458,19,439,309,329,320,001,331,201,221,2255,7651,7752,1552,1152,11q/kф1,711,611,621,621,62A-1,56-1,72-1,70-1,71-1,71Окончательно принимаем высоту высачивания .Построение кривой депрессии ведём по формуле (6.17), которая позволяет определить глубину фильтрационного потока в любом вертикальном сечении [11]:где x – координата от оси y.Для построения кривой депрессии задаемся значениями х от 0 до Расчет кривой депрессии ведём в табличной форме (таблица (6.2)):Таблица 6.2. К расчёту положения депрессионной кривойx0102030405052,1116,7315,7314,6713,5212,2610,8610,54При и коэффициенте фильтрации грунта плотины м/с получаем удельный фильтрационный расход равным.Определим общий фильтрационный расход, для всей длины плотины .Фильтрационный расход через тело плотины мал, можно считать, что выполнение противофильтрационного элемента в плотине не является обязательным.6.3 Расчёт устойчивости низового откосаРасчёт устойчивости низового откоса выполнялся методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения, в котором принимается, что обрушение откоса происходит в форме поворота бесконечно длинного массива обрушения вокруг некоторой горизонтальной оси. При этом в плоском сечении плотины кривая скольжения представляет собой дугу окружности.В этом методе условие устойчивости массива обрушения записывается через моменты сил, действующих на поверхности скольжения, относительно центра дуги окружности. Расчёт заключается в определении запаса сил, удерживающих откос от обрушения, по отношению к силам, вызывающим обрушение. Этот запас выражается коэффициентом устойчивости, который определяется как отношение момента предельных значений удерживающих сил к моменту опрокидывающих сил.Условие устойчивости круглоцилиндрической поверхности выводится из условия первого предельного состояния и записывается следующем образом:где – коэффициент надёжности, – коэффициент сочетания нагрузок, – коэффициент условий работы, – момент опрокидывающих сил, – момент удерживающих сил.Отсюда условие устойчивости может быть выражено через коэффициент устойчивостиУсловие (6.18) имеет видгде – нормативный коэффициент устойчивости, который определяется по формулеВ нашем случае рассматривается сооружение I класса, поэтому .Проводим расчёт для основного сочетания нагрузок .Коэффициент условий работы для приближённых способов расчёта .По формуле (6.21) нормативный коэффициент устойчивости.Наиболее сложной проблемой расчёта является определение предельных значений удерживающих сил. При определении сил сопротивления сдвигу, действующих на поверхности скольжения, обычно используют условие прочности Кулона-Мора, т.к. в этом случае необходимо знать только две характеристики грунта – угол внутреннего трения и удельное сцепление c, которые известны из геологических изысканий.Из-за неопределённости сил, действующих на поверхности скольжения, используют различные допущения, разработаны несколько способов расчёта.Нами используется наиболее простой способ расчёта устойчивости откосов – способ Терцаги. В нём принимается гипотеза отвердевшего массива обрушения, которое позволяет принять, что нормальные напряжения на поверхности скольжения определяются только весом вышележащей толщи грунта и углом наклона поверхности скольжения к горизонту. Т.к. поверхность скольжения – криволинейна, то массив обрушения разбивают на ряд вертикальных отсеков, в пределах каждого из которых напряжения на поверхности скольжения и угол её наклона принимаются постоянными.В способе Терцаги коэффициент устойчивости откоса для заданной поверхности скольжения выражается формулой [11]:где – вес i-ой элементарной части массива обрушения;– взвешивающая сила в i- ой элементарной части массива обрушения; – удельное сцепление на i-ом участке поверхности скольжения;–длина i-ого участка поверхности скольжения; – значение угла внутреннего трения на i- ом участке поверхности скольжения.Положение опасной поверхности скольжения заранее неизвестно, поэтому требуется осуществлять её поиск. С этой целью рассматривается множество поверхностей скольжения, с разными центрами и радиусами, из которых выбирается одна, наиболее опасная, запас устойчивости для которой – минимален. По коэффициент устойчивости, рассчитанному для этой кривой, оценивается запас устойчивости откоса.В силу трудоёмкости расчётов коэффициентов запасов для множества поверхностей скольжения мы выполним расчёт только для одной поверхности скольжения, приближенной к наиболее опасной.Данные о расчетных характеристиках грунтов были составлены на основе исходных данных, они представлены в таблице 6.3. Номера слоев грунта показаны на рисунке.1.2.Таблица.6.3.Номер слояПлотность скелета грунта (т/м3)Угол внутреннего трения грунта, градУдельное сцепление грунта (кПа)1 –Песок разнозерстый (сухой)1,62300,02 –Песок разнозерстый (водонасыщенный)2,02300,03 –Песок пылеватый (водонасыщенный)1,98280,04 – камень (сухой)2,0450,05 –суглинок (водонасыщенный)2,2450,0Рис.6.2 Схема нумерации грунтов для расчёта устойчивости откосов Расчёт представлен в табличной форме.Расчётный коэффициент устойчивости составил 1,5. Он больше нормативного (1,316). Отсюда следует вывод, что низовой откос обладает высоким запасом устойчивости, который выше нормативного.ЗаключениеЗапроектированы основные сооружения гидроузла на равнинной реке: бетонная водосливная плотинаи грунтовая плотина.Водосливная бетонная плотина практического профиля имеет 5 пролётов по 14 м. Порог плотины оснащён затворами.Для предотвращения размыва русла за водосливной плотиной предусмотрено крепление, состоящее из водобойной плиты, рисбермы и ковша. Выполнены необходимые гидравлические расчёты включая расчёты сопряжения бьефов за водосливной плотины.Для гашения энергии потока предусмотрены водобойные устройства.Для борьбы с фильтрацией в основании бетонной плотины предусмотрены противофильтрационные устройства. Расчёт устойчивости бетонной плотины по схеме плоского сдвига показал, что устойчивость плотины обеспечена. Расчёты контактных напряжений показали, что осадки плотины будут происходить равномерно.В качестве основного водоподпорного сооружения запроектирована однородная земляная плотина. Она выполнена из песка. Фильтрационный расчёт показал, что необходимости в устройстве специального противофильтрационного элемента нет. Расчёт устойчивости низового откоса земляной плотины по круглоцилиндрической поверхности показал, что плотина обладает необходимым запасом устойчивости.Принята пойменная компоновка гидроузла, что позволяет удобно осуществлять возведение бетонной плотины и пропуск воды в период строительства.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКСП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*. – М.: ФАУ «ФЦС», 2012. – 112 с.СП 58.13330.2019 Гидротехнические сооружения. Основные положения СНиП 33-01-2003СП 23.13330.2011. Основания гидротехнических сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.02-85. – Москва, ОАО «ЦПП», 2011. – 111с.Справочник по гидравлическим расчетам / под ред. П. Г. Киселева. М.: Энергия, 1974Штеренлихт Д.В. Гидравлика: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984.СП 41.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооруженийГидротехнические сооружения: Учеб. для вузов: В 2 ч. Т2 / Подред. Л.Н. Рассказова. – М.: АСВ, 2011. – 535 c.: илл.Расчет и проектирование бетонных водосливных плотин на нескальном основании [Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие к выполнению курсовой работы, практических занятий и самостоятельной работы для обучающихся по направлению 08.03.01 Строительство, Профиль «Строительство инженерных, энергетических, гидротехнических и природоохранных сооружений» / [сост.: М.П. Саинов, Ф.В. Котов]; Москва : Изд-во Моск. гос. строит. ун-та, 2018Гидравлические расчёты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 624 с.: ил.СП 39.13330.2012. Плотины из грунтовых материалов. Актуализированная редакция СНиП 2.06.05-84*. – Москва. ФАУ «ФЦС», 2012. – 86 с.Саинов, М. П. Грунтовые плотины: конструирование, строительство, эксплуатация : учебное пособие / М. П. Саинов. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2022. — 295 c. — ISBN 978-5-4497-1567-8. — Текст : электронный // Цифровой образовательный ресурс IPR SMART : [сайт]. — URL: https://www.iprbookshop.ru/118719.html