Плотина из грунтовых материалов

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

 

Инженерно - строительный факультет

Кафедра гидротехнических сооружений

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту:

«Плотина  из грунтовых материалов»

 

 

 

Выполнил, студент 3 курса гр. 289         Мартынов Р. Е.

Проверил, ассистент            Красильников В. М.

доцент                                                                             Битюрин А.К.

 

 

 

Нижний  Новгород, 2012 

 

Оглавление

Введение 5

1  Исходные данные для проектирования 6

2  Выбор типа плотины 8

3  Конструирование профиля плотины 11

3.1 Очертание откосов 11

3.2 Ширина гребня 12

3.3 Отметка гребня 12

3.4 Крепление откосов 17

3.5 Дренажные устройства 19

3.6 Прогноз зернового состава и расчет границ зон фракционирования грунта в намывных плотинах 21

4  Расчеты плотины 23

4.1. Фильтрационные расчеты плотины 23

4.1.1. Расчетные случаи и схемы 24

4.1.2. Положение поверхности фильтрационного потока в теле плотины 24

4.1.3 Фильтрационный расход воды через тело и основание плотины 29

4.1.4 Фильтрационная прочность грунтов тела и основания плотины 30

4.2  Расчет статической устойчивости откосов 32

4.3 Подбор обратного фильтра для трубчатого дренажа 37

4.3.1 Проектирование первого слоя обратного фильтра 37

5 Водопропускные сооружения при плотинах из грунтовых материалов. 42

5.1 Расчет трубчатого водоспуска с башенным водосбросом 42

5.2 Расчет гасителя энергии потока воды 44

6 Компоновка сооружений гидроузла 46

7 Очередность строительства 47

8 Объемы работ 48

Заключение 52

Литература 53

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Учебным планом направления 270100 –  «Строительство» с профилем специальных  дисциплин «Гидротехническое строительство» и специальности 270104 – «Гидротехническое  строительство» предусмотрено выполнение курсового проекта «Плотина из грунтовых  материалов».

В проекте требуется осуществить  выбор типа и конструирование  профиля плотины, выполнить фильтрационные и статические расчеты, разработать  конструктивные решения основных элементов  плотины, предложить вариант компоновки гидроузла, в состав которого входит проектируемая плотина, наметить очередность  его строительства, определить объемы основных работ. 

1  Исходные данные для проектирования

Исходные данные представлены в  виде: плана района строительства  гидроузла р. Луга в горизонталях, кривой расходов воды, кривой гранулометрического  состава. Изучение задания на проектирование даёт представление об инженерно-геологических  условиях створа плотины и карьеров грунта, топографии места строительства  плотины, колебаниях уровней воды в  верхнем и нижнем бьефах плотины, величинах паводкого и строительного расходов воды реки и полезного пропуска воды из водохранилища.

Характерные уровни и отметки водохранилища:

1. Отметка нормального подпорного уровня НПУ = 55,0 м.
2. Отметка форсированного подпорного уровня ФПУ = 56,0 м.
3. Отметка уровня мёртвого объёма УМО = 50,0 м.
4. Отметка самого низкого уровня нижнего бьефа СНУНБ = 43,5 м.
5. Отметка самого высокого уровня нижнего бьефа СВУНБ = 44,5 м.
6. Отметка строительного уровня СУ = 43,5 м.
7. Отметка дна реки = 41,0 м.

Расчетная длина  водохранилища по направлению господствующих ветров:

при НПУ    L=0,8 км;

при ФПУ     L=0,9 км.

Расчетная скорость ветра:

при НПУ    V=14 м/с;

при ФПУ    V=16 м/с.

Угол между  продольной осью водоема и направлением ветра =13⁰.

Назначение  гидроузла и состав основных сооружений:

Назначение  гидроузла: водоснабжение.

Состав  сооружений: земляная плотина, автодорога Г-7 II категории.

План  гидроузла представлен на рис.1. 

Рисунок 1 – Генеральный план гидроузла

 

2. Выбор типа плотины

Тип плотины следует выбирать в  зависимости от топографических  и инженерно-геологических условий  основания и берегов, гидрологических  и климатических условий района строительства, величины напора воды, наличия грунтовых строительных материалов, сейсмичности района, общей  схемы организации строительства  и производства работ, особенностей пропуска строительных расходов воды, сроков ввода в эксплуатацию и  условий эксплуатации плотины [ 4, табл. 1, п.1.4].

В данном курсовом проекте к рассмотрению принимаются земляные насыпные и  намывные плотины. Определяющими факторами  выбора типа плотины условно приняты: инженерно-геологические условия  основания и берегов, наличие  местных грунтовых строительных материалов и их физико-механические характеристики.

В соответствии с гранулометрическим составом грунтов, из которых предполагается возводить плотину (грунт первого  слоя основания), выбирается тип плотины  по условиям ее строительства [4, табл. 1.1, п. 2.5, п. 3.9; 6, п.6.3]. В данном случае выбираем земляную насыпную плотину.

Оценку пригодности карьерного грунта для намывных и насыпных плотин в зависимости от зернового состава  следует производить по графикам рис.2. Тип плотины определяется по кривой гранулометрического состава карьерного грунта в зависимости от области, в которой находится данная кривая.

 

 

При расположении кривой гранулометрического  состава в области I и II (рис.2) намывных плотин следует определить вид плотины – однородная или неоднородная (с ядром) в зависимости от коэффициента разнозернистого грунта η:

для намывных однородных плотин

< 2,5 или η=< 5

для намывных неоднородных (с ядром) плотин

 ≥ 2,5 или η=≥ 5,

где , - коэффициенты разнозернистости;

       , , – диаметры частиц, содержание которых в грунте составляет 10, 60 и 90% соответственно.

При расположении кривой гранулометрического  состава в области III и IV (рис.2) плотина проектируется насыпной однородной, в области V (рис.2) – с противофильтрационными элементами в теле (ядро, диафрагма, экран) и в основании (понур, зуб, цементационная завеса).

В данном случае:

Кривая гранулометрического состава  располагается в области III и IV (рис.2), поэтому плотина проектируется насыпной однородной.

 

3  Конструирование профиля плотины

Конструирование поперечного профиля  плотины – это подбор устойчивого, наиболее экономичного профиля и  определение параметров его основных элементов.

3.1 Очертание откосов

Крутизну (заложение) откосов (m_в - верхового и m_н - низового) плотины надлежит назначать, исходя из условия устойчивости с учетом: а) физико-механических характеристик грунтов откосов и основания; б) действующих на откосы сил; в) высоты плотины; г) производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации [4, п.2.9 – 2.37].

При предварительном назначении крутизны откосов можно воспользоваться  данными табл. А.1, А.2, А.3 прил. А, выполнив последующую проверку статической  устойчивости откосов.

По табл. А.1 принимаем:

заложение верхового откоса m_в=1:3,0;

заложение низового откоса m_н=1:2,5.

На откосах плотины, как правило, следует предусматривать устройство берм, определяя их число в зависимости  от высоты плотины, условий производства работ, типов крепления откоса и  его общей устойчивости [4, п.2.10; 6, п. 6.4.1]. Бермы следует предусматривать  на верховом откосе у нижней границы  его крепления для создания необходимого упора. На низовом откосе – для  служебных проездов, сбора и отвода атмосферных вод, размещения контрольно-измерительной  аппаратуры (КИА) – бермы располагают  через 10 – 15 м по высоте. Устройство берм не должно вести к уположению откоса, определенного расчетом. Ширина берм (В_б) определяется их назначением и составляет не менее 3 м, если берма предназначена для проезда, и не менее 2 м, если проезд не предусмотрен [6, п.6.4.1].

Принимаем ширину берм, равную 3 м.

3.2 Ширина гребня

Ширину гребня плотины (В_Г) следует устанавливать в зависимости от условий производства работ и эксплуатации (использования гребня для проезда, прохода и других целей), но не менее 4,5 м [3, п.2.11]. Устраиваем автомобильную дорогу II категории и по табл. А.4 прил. А назначаем: число полос движения – 2; ширину полосы движения – 3,75 м; ширину проезжей части – 7,5 м; ширину обочин – 3,75 м; ширину земляного полотна – 15 м.

3.3 Отметка гребня

Отметку гребня плотины (>Гр) следует назначать на основе расчета возвышения его над расчетным уровнем воды [4, п.2.12].

Возвышение гребня плотины надлежит определять для двух случаев стояния  уровня воды в вернем бьефе:

а) при НПУ или при более  высоком уровне, соответствующем  пропуску максимального паводка, входящего  в основное сочетание нагрузок и  воздействий;

б) при ФПУ, при пропуске максимального  паводка, относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий.

                

Рисунок 3 – Схема для определения гребня плотины

Возвышение  гребня плотины h_s (рис. 3.1а) в обоих случаях определяется по формуле [4, ф.1]:

,                                                                       (3.1)

где - ветровой нагон воды в верхнем бьефе, м;

       - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м;

       - запас возвышения гребня плотины, м.

При определении первых двух слагаемых  формулы (3.1) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов  волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) для сооружений I, II  классов – 2 % и III, IV классов – 4 %; при особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности следует принимать для сооружений I, II классов 20 %, для III класса – 30 %, для IV класса – 50 %. Запас для всех классов плотин следует принимать не менее 0,5 м.

Величину ветрового нагона следует определять методом последовательных приближений по формуле [2, прил.1, ф. 148*]:

,                                                              (3.2)

где (рис.4) - угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град.;

                   V_* – расчетная скорость ветра, м/с;

                  L – длина водохранилища по направлению господствующих ветров (разгон), м;

                   K_* – коэффициент, принимаемый по табл. А.6 прил. А;

                  d – глубина воды перед плотиной, м;

                   =9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Рисунок 4 – К определению △h_set

 

На стадии курсового проектирования мы пренебрегаем величиной 0,5Δ в знаменателе формулы (3.2), приняв ее равной 0.

Рассчитаем  для НПУ:

так как V_*=14 м/c; d=>НПУ->ДР=55-41=14 м; K_*=2; =13⁰; =0,979; L=800 м, получаем

=0,002 м.

Рассчитаем  для ФПУ:

так как V_*=16 м/c; d=>ФПУ->ДР=56-41=15 м; K_*=; =13⁰; =0,979; L=900 м, получаем

=0,003 м.

Высоту наката ветровых волн обеспеченностью 1 % следует определять по формуле [2, п. 1.14*]:

,                                                   (3.3)

где и - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл. А. 7 прил. А, зависящие от характеристик откоса;

       – коэффициент, зависящий от заложения верхового откоса m_в и от V_*, принимаемый по табл. А. 8 прил. А;

       - коэффициент, принимаемый по графикам рис. А. 1 прил. А, в зависимости от показателя пологости волн ;

       - высота волны 1 % обеспеченности.

Высоту волны i % -ой обеспеченности следует определять умножением средней высоты волн на коэффициент k_i, принимаемый по графикам рис. А.3 прил. А для безразмерной величины . При сложной конфигурации береговой черты значение должно приниматься по величине и верхней огибающей кривой рис. А. 2 прил. А.

 Среднюю высоту, м, и средний период волн , с, в глубоководной зоне необходимо определять по верхней огибающей кривой рис. А.2 прил. А. По значениям безразмерных величин и и верхней огибающей кривой необходимо определять значения и и по меньшим их величинам вычислить среднюю высоту и средний период волн.

Среднюю длину волн , м, при известном значении следует определять по формуле [2, прил. 1,п. 13 ф. 150]:

                                                                                                    (3.4)

Вычислим  для НПУ:

=1,23; ==1,76 с.

=0,012; ==0,24 м.

==4,84 м.

Так как =1 и =0,9 (крепление откосов бетонными плитами); =1,26 (при ctg φ=m=3 и при V_*=14 м/с); k_i=2,85 (==40,04); = k_i=2,85*0,24=0,684 м; =1,15 (==7,08), получаем

=0,892 м.

Вычислим  для ФПУ:

=1,18; ==1,93 с.

=0,011; ==0,29 м.

==5,82 м.

Так как =1 и =0,9 (крепление откосов бетонными плитами); =1,34 (при ctg φ=m=3 и при V_*=16 м/с); k_i=2,82 (==34,49); = k_i=2,82*0,29=0,818 м; =1,15 (==7,12), получаем

=1,135 м.

Определяем возвышение гребня плотины  при а=0,5 м для НПУ:

.

Определяем возвышение гребня плотины  при а=0,5 м для ФПУ:

.

Отметку гребня плотины проектируют  с учетом строительного подъема  по прогнозируемой осадке плотины и  ее основания.

При наличии на гребне плотины сплошного  парапета, рассчитанного на воздействие  волн,  возвышение его верха над  уровнем верхнего бьефа надлежит принимать не ниже значений, полученных по формуле (3.1). Возвышение гребня плотины  в этом случае назначают на 0,3 м  над НПУ или на отметке ФПУ, причем, принимают высшую из них. [4, п.2.13;6, с.166].

Их двух полученных результатов  расчета выбирают более высокую  отметку гребня: