Головной гидроузел с каменно-земляной плотиной и водосбросным сооружением

При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем ВБ следует принимать не ниже значений, полученных, по формуле (3-3).

Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают наибольшую из них. Парапет уменьшает объем насыпи (Рис.1, б), но появляются затраты на железобетон парапета.

Высота ветрового нагона определяется по формуле:

Dhset= Kw Vw2cos aw/gH= 0,00000282х282х3000хcos0°/9,81х58,5=0,011 м (6.4)

где aw - угол между направлением господствующего (расчетного) ветра и продольной осью водохранилища, град.; L - длина разгона волны по направлению господствующих ветров, м; Vw - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над НПУ, м/с; H - условная расчетная глубина воды в водохранилище, м; g = 9,81 м/с2; K - безразмерный коэффициент, зависящий от скорости ветра Vw по формуле:

K = 3 (1+0,3Vw) 107=0,00000282 (3)

При определении элементов ветровых волн водоемы делят на отдельные зоны. В ВБ обычно имеют место глубоководная зона (), где дно не влияет на основные характеристики волн, или мелководная зона (), в которой дно оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристики (H1 - расчетная глубина воды;  - средняя длина волны в глубоководной зоне; Нкр - критическая глубина воды, при которой происходит первое обрушение волн).

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (hrun 1%, м) для волн 1% обеспеченности (h1%) при глубине воды перед сооружением H12h1% определяют по формуле:

=0,72х0,55х1,6х2,02х1х2,29=2,93 (4)

где значения высоты бегущей волны обеспеченностью 1% (h1%) и коэффициентов Кr, Кp, Ksp и Krun определяются либо по номограммам и таблицам СНиП 2.06.04-82* [2] с погрешностью до 10%, либо точнее по нижеследующим зависимостям, полученным на основе обработки этих номограмм и таблиц. Это позволяет избежать ошибок при интерполяции данных номограмм и таблиц и проанализировать влияние отдельных факторов на высоту наката.

Для нахождения высоты волны обеспеченностью 1% (h1%) следует знать среднюю высоту , средний период Т и среднюю длину волн  в глубоководной или мелководной зоне.

В глубоководной зоне указанные параметры волн находятся по следующим новым расчетным зависимостям:

средняя высота волны. (hd, м)

 (5)

где  находится по зависимости:

 (6)

в которой параметр А равен меньшему значению из величин (L/Vw) или (0,5 t); Vw - расчетная скорость ветра, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; L - расчетная длина разгона волн, м; t - продолжительность действия ветра, принимаемая для предварительных расчетов t= 21600 с. Средний период волны (Т, с)

 (7),

где  =  (8)

средняя длина волны (, м)

 (9)

В расчетах устойчивости и прочности креплений откосов из бетонных плит и каменной наброски расчетная обеспеченность i% высоты волн равна, соответственно, 1 и 2%, а при определении наката волн i=1%.

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне равна:

 (10)

где Кi - коэффициент, определяемый по следующей формуле:

 (11)

в которой i - принятая обеспеченность, %; L - длина разгона волны, м; а - показатель степени равный:

при i1 а = 0,14 (1 + 0,01i); (12)

при i<1 a=0,14i 0.25; (13)

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне (hd 1%) будет равна:

 (14)

где K1% находится по формулам (6.13 - 6.16) при i = l, т.е.

 (15)

В формуле (6.17) Кr и Кp - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, зависящие от типа крепления, могут быть определены по следующим зависимостям:

 = (16)

где r - средний размер шероховатости, м (средняя крупность материала крепления или средний размер бетонных блоков).

В формуле (16) при значениях r/hd1%0,002 и r/hd1% 0,2, соответственно, следует принимать Кr = 1 и Кp = 0,9.

При r/hd1%=0,13 принимаю Кr = 0,72 и Кp = 0,55.

Кp = (0,9 - r/hd1%) Кr (17)

в которой при значениях выражения (0,9-r/hd 1%) <0,7 следует принимать (0,9 - r/hd1%) = 0,7; Кr - определяется по (16).

Коэффициент Кsp в формуле (3-6), зависящий от расчетной скорости ветра и крутизны верхового откоса, может быть определен по формуле (18):

Кsp =0,11 [0,15 - Vw (l+0,4m1) - 0,6m1 + 8,5] =0,11 [0,15х28 (1+0,4х1,8) - 0,6х1,8+8,5] =1,6 (18)

в которую при скорости ветра Vw>20 м/с и Vw<10 м/с следует подставлять, соответственно Vw=20 м/с и Vw =10 м/с, а при заложениях верхового откоса m1>5 величину Кsp=1,6 для значений Vw >20 м/c и Ksp =1,2 для значений Vw <10 м/с.

Коэффициент пологости волны Krun в формуле (5) зависит от крутизны (заложения m1) верхового откоса и может быть определен при глубине воды перед сооружением H12 hd 1% по следующим зависимостям:

при m1 1,5

Krun = l,25 + lg (l + 6) (19)

при m1>1,5

 (20)

При глубине воды перед сооружением H1<2 hd1% и при значениях m1>l,5 вместо формулы (3-22) действует формула:

 (21)

Полученные по формулам (20) и (21) значения Krun следует ограничивать величиной Krun  2,6 - 2,7.

Коэффициент Kβ в формуле (3-6), учитывающий угол β подхода фронта волны к плотине (угол β можно принять равным углу αw между продольной осью водохранилища и направлением ветра, β=αw), определяется по зависимости:

=1 (22)

где β =0 - угол подхода фронта волны, град.

Высота наката на откос волн, произвольной обеспеченности i,% по накату определяется по формуле:

 м (23)

где Кнi - коэффициент, учитывающий обеспеченность по накату, значения которого определяют по формуле:

 (24)

в которой i - заданная обеспеченность по накату,%.

В случае мелководной зоны (H1) для определения высоты наката волны пользуются формулой (6.6), а высоту и длину волны корректируют по зависимостям:

 (25)

 (26)

где  и  - средние значения высоты и длины волны;

 и  - коэффициенты, определяемые по формулам:

= 1,06 { [2-H1/] H1/] }0,38 (27)

= { [2,15 - H1/] H1/}0,42 (28)

2.3 Прогноз геотехнических характеристик грунтов в материалах плотины: в ядре (суглинок)

При проектировании грунтовых плотин необходимо знать физико-механические (геотехнические) свойства грунтовых материалов, приготавливаемых из местных грунтов карьеров или полезных выемок гидросооружений (последнее обычно предпочтительнее).

В грунтовых плотинах свойства грунтов можно регулировать, изменяя их зерновой состав, влажность, метод укладки (послойная статическая или вибрационная укатка, наброска без укатки, отсыпка в воду), которые определяют плотность укладки грунтов и как следствие, их прочность, деформируемость и водопроницаемость.

В грунтовых плотинах глинистый грунт обычно используют в водоупорных элементах (ядре или экране), в нашем случае в ядре. В плотину глинистый грунт стремятся укладывать при оптимальной влажности Wonт, при которой при выбранном методе уплотнения (тип катка, число его проходок, толщина слоя) достигается максимальная плотность сухого грунта γсухмакс. В общем случае Wonт грунта зависит от типа катка и числа его проходок. В нашем случае Wonт=10,68%. .

Оптимальную влажность глинистого грунта определим методом Проктора (стандартного), т.к у нас легкий каток.

Согласно методу Проктора (табл.6.6) грунт испытывают в лаборатории на уплотнение ударной нагрузкой. Опыты проводят в стальном цилиндре диаметром 100, 150 и 350 мм в зависимости от максимальной крупности частиц грунта (соответственно, 20, 32 и 60 мм), в который укладывают последовательно 3 или 5 слоев грунта и утрамбовывают его падающим грузом массой, соответственно, 2,5, 4,5 и 15 кг. Число ударов и высота падения груза подобраны так, чтобы интенсивность уплотнения 1 м3 грунта по стандартному Проктору была эквивалентна легким каткам, а по модифицированному Проктору - тяжелым каткам.

Допустимое значение плотности сухого глинистого грунта γсух при укатке можно приближенно определить по формуле (6.69 Приложения 6.12):

Определение плотности сухого грунта:

γсух = γч γв (1 - V) / (γв + Wрасч γч) = 2,7*1 (1-0,04) / (1+11,68*2,7) = 1,9 т/м3

где γч - плотность частиц грунта (т/м3); γв - плотность воды; V - объем защемленного в грунте воздуха в долях 1,0 (в глине 0,03, суглинке 0,04, супеси 0,05, лёссе 0,07); Wрасч - расчетная влажность грунта (в долях 1,0).

Обычно в каменно-земляных плотинах 1 и 2 классов расчетное значение плотности глинистого грунта при укатке γсухрасч принимается не менее γсухмакс по стандартному Проктору.

Вместо формулы (6.69) для определения γсухмакс суглинистых грунтов каменно-земляных плотин можно использовать корреляционную зависимость (6.70), полученную по натурным данным в виде:

γсухмакс = 1,44 + 0,88 ln [γч/ (1+eТ)] = 1,44+0,88 ln [2,7/ (1+0,675)] =1,86 т/м3

WТ =Wпл. + Wp = 7+18=25%

Тогда eТ = γчWТ = 2,7*0,25= 0,675

γч/ (1+eТ) - плотность сухого грунта при влажности WТ.

Определение оптимальной влажности грунта

Wопт = 11,83 ln (eопт WТ) + 37,07,% = 11,83 ln (0,43*0,25) +37,07= 10,68%

eопт = (2,75 - 1,86) / 1,86 =0,45

Определение коэффициента фильтрации для плотины

По формуле Жарницким В.Я. для коэффициентов фильтрации суглинков ряда каменно-земляных плотин в следующем виде:

kф =0,574 [e/ (P<5 мм WТ)] 3,22 10-7, см/с

kф =0,574 [0,42/ (0,63* 0,25)] 3,22 10-7 = 1,35* 10-6 см/с

Определение расчетных параметров.

На основе этих исследований был обоснован безразмерный эквивалент физических параметров - обобщенный коэффициент физических характеристик обломочно-пылевато-глинистого грунта Мτ в качестве меры связей физических характеристик с механическими. Безразмерный эквивалент грунта Мτ определяется как:

Мτ = p1 [IP (1+IL)] / p2

где р1 - процентное содержание заполнителя (частицы <2 мм) в грунте; р2 - то же, обломков (частицы ≥2 мм); IP - число пластичности заполнителя; IL - показатель текучести заполнителя.

Мτ = p1 [IP (1+IL)] / p2 =0,63 [0,07 (1+0,25)] /0,37=0,15

Нормативные значения углов внутреннего трения крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с крупными включениями при консолидированном срезе φп (град) определяют по степенной зависимости:

φп = k1 kφ 46,0 (0,3) Mτ

где k1 - коэффициент окатанности обломков для угла φп грунтов с окатанными обломками k1; для грунтов с острыми обломками k1 =1; kφ - коэффициент, учитывающий прочность обломков; Мτ - физический эквивалент грунта.

k1=0,88

φп = k1 kφ 46,0 (0,3) Mτ =0,88*1*46* (0,3) 0,15 =33,79

Нормативные значения сцепления крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с обломками для схемы консолидированного среза Сn (кПа) определяют по формуле:

Сn = k2 kγ 79,0 Мτ0,32/ (1 + IL) 3,62

где k2 - коэффициент окатанности обломков для сцепления: для грунтов с окатанными обломками, k2=0,9.

Сn = k2 kγ 79,0 Мτ0,32/ (1 + IL) 3,62=0,9*1,1*79*0,150,32/ (1+0,25) 3,62=18,64КПа≈1,9т/м2

Нормативные значения модулей деформации Е, МПа, крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с обломками определяют по формуле:

E = kE kL kp (E) / (0,07 Мτ + 0,017)

где Мτ - физический эквивалент грунта; kE - коэффициент, учитывающий прочность крупных обломков; kL - коэффициент, зависящий от процентного содержания обломков Р2 и показателя текучести пылеватого или глинистого заполнителя IL; kp (E) - коэффициент, учитывающий плотность грунта, принимается в зависимости от соответствия фактической плотности грунта γф, т/м3, ее нормированным значениям γn.

γn = ks γn1=2,16

E = kE kL kp (E) / (0,07 Мτ + 0,017) =1*0,75*1,05/ (0,07*0,15+0,017) =29,78

в боковых призмах (галечник)

Определение минимальной плотности сухого грунта

γсухмин = А γч /2,65 [∆Р (K1/2)] 0,05

=  

γсухмакс = 1,794 +0,125 ln [1 - n) k γч], т/м3

По Жарницкому В. определение пористость горной массы, n

n = 0,45- 0,1 lg (d60/d10) = 0,45- 0,1 lg (3/0,007) =0,186

определение коэффициент неравномерности раскладки частиц грунта в слое, k

k=1+ 0,05 (d60/d10) = 1+ 0,05 (3/0,007) =22,42

определение максимальной плотности сухой горной массы

γсухмакс = 1,794 +0,125 ln [1 - n) k γч] = 1,794 +0,125 ln [1 - 0,186) 22,42*2,65] =2,2 т/м3

emax=γч-γсухмин/ γсухмин =0,65

emin= γч- γсухмакс/ γсухмакс=0,2

e= emax- ID (emax-emin) =0,65-0,87 (0,65-0,2) =0,26

где Id - коэффициент плотности уплотнения

γсухмин = А γч /2,65 [∆Р (K1/2)] 0,05=1,6

Определение расчетных параметров

ψ0 = θ + α IkD =40 º +8 º.0,870,9 = 47,06

tgφрасч = tgφнорм/1,15= tg47/1,15= 0,93

φ=43º

Заложение откосов плотины определяется расчетами устойчивости и зависит от конструкции плотины, расчетных характеристик прочности грунтов тела плотины, условий эксплуатации, геологического строения основания и т.п. На предварительных стадиях проектирования заложения откосов назначается на основе опыта проектирования и эксплуатации существующих плотин. Предварительно назначаем угол заложения откосов m1 и m2: m2 - Низовой откос сtg αн =1,3/tgφрасч = 1,4, m1-Верховой откос сtg αв= сtg αн+0,2=1,6

2.4 Расчет устойчивости откосов

Расчет был произведен с помощью программа UST.

1. Основные характеристики программы UST

Программа UST предназначена для нахождения коэффициента запаса откосов по КЦПС. Большим преимуществом UST по сравнению с другими подобными программами является то, что она требует малого времени машинного счета, что обеспечивает возможность эффективно увеличить количество граничных линий для различных грунтов и вариантов кругов скольжения. Эта программа, в частности, полезна для тех, кто имеет небольшой опыт в расчетах устойчивости. С ее помощью может быть исследована большая зона и получен минимальный коэффициент запаса. Основные особенности этой программы формулируются следующим образом:

1. Могут рассматриваться откосы любой конфигурации при наличии большого числа различных слоев грунта (до 25).

2. Фильтрация может быть учтена как введением пьезометрической поверхности, так и коэффициентом порового давления. Можно одновременно рассматривать несколько различных случаев фильтрации.

3. Могут быть вычислены коэффициенты запаса как статической, так и сейсмической устойчивости откосов.

4. Число точек описывающих геометрию области - до 125.

5. Число отсеков обрушения шириной "b" - до 200.

6. Максимальное число центров вращения - до 400.

7. Допускается большая гибкость при назначении радиусов. Для проверяемых зон можно устанавливать один или большее число радиусов и указывать количество кругов для каждой зоны.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7