Расчет крепления откосов грунтовых плотин

Грунтовые плотины

Плотины возводятся в целях создания искусственных водоемов. Одним из самых распространенных типов плотин является грунтовая их разновидность, само ее название говорит о том, что в качестве основного материала для возведения плотины служит грунт.

Такой тип плотин достаточно распространен, в основном потому, что грунт — это тот материал, который не требует использования дорогостоящей технологии добычи. Немаловажен и тот факт, что грунтовая плотина может возводиться в практически любом климатическом поясе, также её строительство не имеет ограничений по высоте и ширине.

Несправедливым было бы утверждать, что грунтовые плотины лишены недостатков. Конечно же, они есть. Сюда можно отнести и то, что в теле строения имеется в наличии фильтрационный поток, кроме того, довольно большие объемы воды могут быть утрачены в результате того, что грунт имеет высокую водопроницаемость.

Отметим и сложности, сопряженные со строительством грунтовых плотин в условиях длительных по времени отрицательных температур воздуха, неравномерных осадков по продольному и поперечному профилям.

Типы земляных плотин

Все грунтовые плотины можно подразделить на несколько типов в зависимости от того, как именно осуществлялись работы. Так, выделяют конструкции с отсыпкой грунта насухо, с отсыпкой в воду, с механическим уплотнением материала, намывные плотины и те, что создаются при помощи направленных взрывов.

Ещё одно подразделение на типы зависит от конструкции препятствующих фильтрации устройств и тела самой плотины. Тут принято выделять плотины из неоднородного и, напротив, однородного грунта, с экраном из негрунтового или грунтового материала, с диафрагмой, выполненной из негрунтового материала и ядром из грунтового материала.

В зависимости от того, какие именно противофильтрационные меры были приняты при строительстве плотины, выделяют плотины с диафрагмой, замком, зубом, инъекционной или висячей завесой, со шпунтовой стенкой. Могут также использоваться комбинации из этих конструкций.

Если говорить о разделении грунтовых плотин на классы в соответствии со СНиП, то такая классификация подразумевает наличие четырех классов. От того, какой класс имеет плотина, напрямую зависят используемые расчетные характеристики.

Рисунок: Противофильтрационные устройства в основании грунтовых плотин:

a — зуб; б — замок; в — шпунтовая стенка; г — шпунтовая стенка в сочетании с зубом; д — инъекционная завеса, доведенная до водоупора; e — висячая инъекционная завеса; ж — понур в сочетании с экраном

При строительстве грунтовой плотины основополагающим этапом принято считать выбор вида её створа. Располагают створ в зависимости от того, каковы в данной местности топографические, инженерно-геологические и гидрогеологические условия. Такие условия влияют на водопроницаемость грунта, а также на его прочностные качества. Для определения объемов воды и расчетных расходов требуется проведение гидрологических изысканий, в процессе которых намечают несколько мест для расположения створов. Выбирается один из них на основе анализа технико-экономических показателей, а сам результат изысканий оформляется как чертеж с пояснительной запиской.

В плотинных водоемах, которые были созданы при помощи грунтовых плотин, различают 3 уровня поверхности воды. УМО — уровень мертвого объема, НПУ — так называют нормальный подпорный уровень и ФПУ — аббревиатура от словосочетания «форсированный подпорный уровень» (самый верхний).

Принято обозначать специальными терминами верхнюю и нижнюю часть поперечного сечения плотины, которое образует трапецию. Верхняя часть этой трапеции называется гребнем, нижняя же — подошвой.

Огромное значение при строительстве плотины имеют характеристики грунта. Нормативы предписывают исключать из применяемых материалов грунты с содержанием более пяти процентов водорастворимых солей, к ним относят хлоридные и сульфатно-хлоридные типы, содержание же сульфатных солей не должно превышать двух процентов общей массы грунта. Ещё один тип грунтов, не используемый в строительстве плотин — грунт в котором содержится более восьми процентов неразложившихся органических соединений.

Геология и оценка грунтов

Во время проведения оценки грунтов, используемых для основания плотины, следует обращать внимание на наличие суффозионных грунтов, а также на избыточное поровое давление при консолидации грунта. Если в месте расположения плотины имеются иловые грунты, нужно предусмотрите систему дренирования основания, также этот фактор должен сигнализировать об ограничении плотины по высоте и более низких темпах возведения плотины. Если в основании имеется торф, то плотина должна возводиться с учетом его осадки, степень же разложения торфа должна быть не менее пятидесяти процентов. Грунты с имеющимися в них корневыми системами растений и ходами животных-землероев следует удалить.

Что касается создания противофильтрационных систем, то их следует выполнять из грунтов с низкими характеристиками водопроницаемости — глин, суглинков, глинобетона. Ещё в таких целях нередко используют асфальт, бетон, полимерные материалы. Допускается использование торфа со степенью разложения не менее пятидесяти процентов для экранов и понуров.

Откосы плотин из грунта испытывают давление со стороны волн, и показатели этого давления нужны для определения оптимальной высоты конструкции. При определении показателей используют специальную формулу, которую можно найти в справочных изданиях.

Основные расчеты

Для этого следует знать высоту волны, ее длину и период повторяемости. Кроме высоты наката волны, требуется определить ещё и высоту ветрового нагона волны. Для этого существует формула вида h= 2*10-6 W2D/gH*cos a₃

За W принимают скорость ветра заданной вероятности превышения, измеряемую в м/с; D — длина разгона волны в метрах; g — ускорение силы тяжести, м/c 2 ; Н—средняя глубина воды в зоне ветрового нагона в метрах; α_B — угол между продольной осью водоема и направлением ветра, измеряемый в градусах.

При расчете показателей конструктивных элементов плотины обращают внимание на максимальную высоту плотины и ширину её гребня. Гребень обычно применяется для прохода и проезда транспорта. В таком случае ширина гребня определяется той категорией дороги, которая по нему будет проходить, однако в любом случае она должна быть не менее пяти метров. Если на гребне не планируется проезд транспорта, его ширина может составлять от трех метров.

При расчете отметки гребня плотины, исходя из условия о недопустимости перелива воды, то есть превышения d над расчетным форсированным уровнем, используется формула

где h_H — величина наката волны на мокрый откос в метрах; h — величина ветрового нагона волны в метрах; α— конструктивный запас. Последний берется как большее из значений 0,5 метра или 0,1/г 1% (высоты волны в метрах с вероятностью превышения 1 %).

Рисунок: Поперечное сечение грунтовой плотины:

1 — верховой откос; 2 — берма верхового откоса; 3 — упор крепления; 4 — крепление верхового откоса; 5 — гребень плотины; 6 — тело плотины; 7 — низовой откос; 8 — берма низового откоса; 9 — крепление низового откоса; 10 — дренажная призма; 11 — естественная поверхность грунта; 12 — основание плотины; 13 — замок; 14 — водопроницаемое основание плотины; 15 — водопроницаемое основание плотины; H — высота плотины

Мокрый откос плотины, подверженный воздействию волн, как правило, укрепляют прочными материалами. На крупных сооружениях часто применяют бетонные и железобетонные плиты, толщину которых также высчитывают по специальной формуле.