2.Конструирование профиля плотины

Конструирование поперечного профиля плотины – это подбор устой-чивого, наиболее экономичного профиля и определение параметров его основныхэлементов.

2.1 Очертание откосов

Крутизну (заложение) откосов (mв – верхового и mн - низового) плотины надлежит назначать, исходя из условия их 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.

Таблица 1. Среднее заложение откосов земляных плотин

(Приложение 1)

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. 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 (Вб) определяется их назначением и составляет не менее 3 м, еслиберма предназначена для проезда, и не менее 2 м, если проезд не предусмотрен.

2.2 Ширина гребня плотины

Ширину гребня и промежуточных берм плотины следует назначать по возможности меньшей для достижения экономии в объеме, однако при этом она должна удовлетворять условиям производства работ и эксплуатации. В подавляющем большинстве случаев гребень плотины, а часто и бермы, используются для проезда, поэтому ширина их должна назначаться в соответствии с требованиями норм и технических условий проектируемых на гребне и бермах дорог.

При всех условиях ширина гребня должна быть не менее 3 м. Такой же минимум ширины следует принимать и для берм. Из опыта строительства высоких плотин данного типа ширина по гребню принимается обычно 8—12 м.

2.3 Определение высоты тела плотины, отметки гребня плотины

Высоту плотины назначаем с превышением d над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующем отсутствие перелива воды через гребень равным:

d=∆h +h _n+ a (1)

где: ∆h- высота ветрового нагона волны;

h _n- высота наката волн на откос плотины;

a- конструктивный запас ,принимаемый как большее из значений 0,5 м и 0,1h_0,1%;

0,1h_0,1%-высота волны 1%-ной вероятности превышения.

Расчеты о формуле(1)проводим для двух расчетных случаев:

1. Уровень воды на отметке НПУ;

2. Уровень воды на отметке ФПУ.

Расчетную скорость ветра в первом случае принимаем 1%-ной вероятности превышения, наблюдаемую в течении года, а во втором – 50%-ной вероятности превышения, наблюдаемую во время форсировки уровня. При определении элементов ветровых волн и ветрового нагона согласно СНиП 2.06.04-82 следует принимать вероятность превышения шторма для сооружения III класса 4%.

В качестве расчетной отметки гребня плотины принимают большую из отметок:

Z_гр= Z_нпу + d_нпу (2)

Z_гр= Z_фпу + d_фпу(3)

Где Z_нпу и Z_фпу – отметки нормального и форсированного подпорных уровней.

Задача. Вариант №7

Необходимо определить высоту и размер плотины.

Отметка НПУ=16

Отметка ФПУ=17

Грунты- супесь

Напор на гребне водослива земляной плотины H=1 м

Рассчитаем высоту ветрового нагона воды по следующей зависимости:

∆h=K_B∙(W²∙D/g(H+∆h))∙cos_a , (4)

Где: W-расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды.

При НПУ: W=25 м/с; при ФПУ: W=9 м/с.

K_B- коэффициент, зависящий от скорости ветра.

D- длина разгона ветровой волны. При НПУ: D=5.5 км

g- ускорение свободного падения. g=9,81 м/с²;

H-условная расчетная глубина воды в водохранилище, H=13 м;

a_B - угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, a_B= 60⁰

Значение квадратичного коэффициента К_в в зависимости от расчетной скорости ветра

W,м/с	20
Кв	2,1∙10-6

Т.к. величина ∆h,стоящая в знаменателе, мала по сравнению с величиной H,то полагаем, что ∆h=0.

Таким образом, высота ветрового нагона, вычисленная по формуле (4) при уровне воды в водохранилище на отметке НПУ, равна:

∆h=2,1∙10^-6∙ (25² ∙5500/9,81∙13)∙cos60⁰=2,8∙10^-2 м

То же при отметке ФПУ:

∆h=2,1∙10^-6∙(9² ∙5500/9,81∙13)∙cos60⁰=0,3∙10^-2 м

Высоту наката волны определяют по формуле:

h_н=h_1% ∙ k_∆ ∙ k_{нп ∙} k_c ∙ k_ß ∙ k_нГ ∙ k_нj,(5)

Высоту наката волны 1%-ной вероятности превышения, определим в следующей последовательности:

1. Вычисляем безразмерные комплексы:

g ∙ t/W и g ∙ D/W ²;

где t- продолжительность действия ветра, принимая при отсутсвии фактических данных 6_ч=21600_с ;

а) при НПУ: g ∙ t/W= 9,8*21600/25=8467,2 ;

g ∙ D/W ²=9,81*5500/25 ²=86,32;

б) при ФПУ: g ∙ t/W= 9,8∙21600/9=23544;

g ∙ D/W ²=9,81∙5500/9 ²=666,1;

2. По графику для каждого найденного комплекса определяем значения параметров gt/W и gh/W ²,

Где, t- средний период волны;

h- средняя высота волны;

При НПУ: gt/W=1,9 gh/W ²=0,03

При ФПУ: gt/W=2,7 gh/W ²=0,045

3. Из найденных двух пар значений параметров выберем наименьшее и по ним установим параметры t h:

При НПУ: h=25²∙0,03/9,81=1,9 ; t = 25∙1,9/9,81=4,84;

При ФПУ: h=9²∙0,045/9,81=0,37 ; t = 9∙2,7/9,81=2,47;

4. Вычисляем среднюю длину волны:

При НПУ: ƛ=g∙t/2π=9,81∙(4,84)²/2∙3,14=36,6(м);

При ФПУ: ƛ=g∙t/2π=9,81∙(2,47)²/2∙3,14=9,5(м);

5. Определяем высоту волны 1%-ной вероятности превышения:

h_1%=h∙k₁, (6)

где k₁- коэффициент, устанавливаемый по графику при 1%-ной вероятности превышения в зависимости от значения безразмерного комплекса g ∙ D/W ²

при НПУ: h₁=1,9∙2=3,8;

при ФПУ: h₁=0,37∙2,2=0,8;

Коэффициенты k_∆ k_нп зависят от типа и относительной шероховатости крепления откоса и определяются по таблице 2.(Приложение 2)

Из таблицы при креплении откоса железобетонными плитами коэффициенты k_∆ и k_нп принимаем равными k_∆ =0,8 k_нп=0,7.

Значения коэффициента k_c (Приложение 3)

а)так как при НПУ скорость ветра W=25 м/с,то по таблице находим

k_c=1,5

б) так как при ФПУ скорость ветра W=9 м/с,то по таблице находим

k_c=0,8

Значение коэффициента k_ß принимается в зависимости от угла α подхода фронта волны к плотине.(Приложение 5)

Примем его равным НПУ: k_ß=0,87

ФПУ: k_ß=0,87

Коэффициент k_нГ определяется по графикам. Для того, чтобы его определить, рассчитаем величину ƛ/h₁;

При НПУ: ƛ/h₁=36,6/3,8=9,6; k_нГ =1,33

При ФПУ: ƛ/h₁=9,5/0,8=11,87; k_нГ =1,58

Коэффициент k_нj учитывает вероятность превышения J(%) по накату. Как уже упоминалось ранее, по СНиП для третьего класса сооружений J принимается равным 4%.Соответсвенно, k_нj=0,93

Значения коэффициента k_нj(Приложение 4)

Подставим все коэффициенты в формулу (5) и определим высоту наката волны 4%-ной вероятности превышения:

При НПУ: h_н=3,8∙0,8∙0,7∙1,5∙0,87∙1,33∙0,93=3,43

При ФПУ: : h_н=0,8∙0,8∙0,7∙0,8∙0,87∙1,58∙0,93=0,46

По зависимости (1)вычисляем требуемое превышение гребня плотины над расчетным уровнем:

При НПУ: d=3,8+3,43+0,5=7,73м

При ФПУ: : d=0,8+0,46+0,5=1,76м

Отметка гребня плотины соответственно должна быть равна:

При НПУ: Z_гр=7,73+16=23,73

При ФПУ: Z_гр=1,76+17=18,76

В качестве расчетного значения отметка гребня плотины принимаем

Z_{гр ср}=21 м

Т.к. отметка берега равна 0 (м) относительно Балтийской системы, можно определить расчетную высоту плотины:

H_пл=0+18,0=21,0 м