Устойчивость откосов плотины

Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин сводится к сопоставлению минимального расчетного значения К_з и нормального К доп коэффициентов устойчивости.

Минимальный расчетный коэффициент устойчивости К_з определяется по СНиП 2.06.05-84 по зависимости:

,

где, К_Н – коэффициент надежности (см.таб.2.7); К_С – коэффициент, зависящий от сочетания – К_С =1,0, для особого – К_С = 0,9, для строительного – К_С = 0,95; К_М – коэффициент равный 0,9.

При проверке устойчивости необходимо рассматривать три расчетных случая [СНиП 2.06.05-84; 5 стр. 136]. Однако в основном сочетании нагрузок и воздействий, нормальном подпертом уровне /НПУ/ в верхнем бьефе (ВБ) и отсутствии воды в нижнем бьефе (НБ), для поперечного сечения плотины с наибольшей высотой, то есть для такого сечения, у которого отметка дна находится на отметке дна тальвега.

Рекомендуется расчет выполнять графоаналитическим способом, основанным на использовании расчетной модели обрушения по круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Коэффициент устойчивости откоса следует определять для 3-4 поверхностей скольжения и в качестве расчетного принимать его минимальное значение.

Если расчетное значение коэффициента устойчивости откоса акжется меньше нормального, то есть К₃>К_доп то необходимо предусмотреть мероприятия по повышению устойчивости откоса, сделать его более пологим или предусмотреть пригрузку.

Рис 7.9 Расчетное схемы устойчивости низового откоса

а – при отсутствии дренажа; б – составные части отсека; в – при наличии дренажа; г – для расчета с применением ЭВМ.

Методика расчета по определению коэффициента устойчивости приведена ниже [5 стр. 137-141].

Вычерчивается поперечный профиль плотины, при этом горизонтальный и вертикальный масштаб одинаковы. Следует провести осредненную линию низового откоса. А и В (см.рисунок 7.9). На профиль наносят кривую депрессионной поверхности фильтрационного потока в теле плотины.

Действующие силы определяют в такой последовательности. Профессор В.В.Фандеев рекомендует центры кривых скольжения располагать в секторе ББ' ЖЖ'. Для построения этого прямоугольника из середины низового откоса (точки С) прочерчивают вертикаль и линию под углом 850 к откосу. Затем пользуясь таблицей 7.7 вычисляют радиусы и и проводят дуги ББ' и ЖЖ'.

Таблица 7.7 К построению кривой скольжения.

Коэффициент откоса
СБ/Нпл=R1	0,75	0,75	1,0	1,5	2,2	3,0
СЖ/Нпл=R2	1,5	1,75	2,3	3,75	4,8	5,5

В секторе ББ'ЖЖ' выбирают центр скольжения «0», из которого радиусом «R» очерчивают кривую скольжения «АД» с таким расчетом, чтобы она проходила между осью плотины и бровкой низового откоса плотины.

Для выявления всех действующих на откосе плотины массив АА' ЕВДА делят на вертикальные полосы шириной 0,1R. Разбивкой полос начинают с нулевой, которая располагается по обе стороны от вертикали, опущенной из точки «0»до пересечения с кривой скольжения АД.

Подсчет действующих сил производим в табличной форме (см.таб 7.8).

Порядок заполнения таблицы 7.8 следующий: sinб для рассматриваемой полосы равен ее порядковому номеру, поделенному на 10. Для полос, расположенных от нулевой полосы влево, sinб – положительные, а для полос, расположенных вправо – отрицательные. При этом sinб первой и последней полосы принимается в зависимости от доли полосы по отношению к полной ее ширине, например в полосе 9 sinб=0,82, в полосе 5 sinб=0,43. cosб – вычисляют по формуле.

Таблица 7.8 Подсчет действующих сил на откосе грунтовых плотин

№полосы

sin a

cos a

hест, м

hнас, м

hпр, м

hпр, sin a

hпр, cos a

ф0

tg ф0

hпр, cos atgф0

С, т/м2

L, м

C L, кн

;

По оси полосы измеряют среднюю высоту ее. От поверхности откоса плотины (АД) до линии депрессии грунт находится в состоянии естественной влажности, поэтому средняя высота этих полос составляет h_ест. От линии депрессии до линии скольжения (АД) грунт насыщен водой, поэтому средняя высота полосы в этой зоне обозначается h_нас.

Приведенную высоту полосы определяют по формуле:

где, - объемная масса грунта при естественной влажности, т/м³; - объемная масса грунта насыщения водой, т/м³; - относительная пористость грунта; гr – плотность грунта определяется в зависимости от рода грунта, т/м³; гВ – плотность воды, т/м³; К – коэффициент, зависящий от влажности грунта, % при коэффициент.

Если полоса включает еще и грунт основания, то

,

где, h₀ – глубина слоя воды над отсеком, м.

Угол внутреннего трения «ц» и удельное сцепление «С» применяются по зонам, соответственно, состоянию и физико-техническим характеристикам грунтов, по таблице 7.9. Например: в зоне прохождения кривой скольжения от «А» до «М» принимается «ц1С1»; от «М» до «К»; «ц2С2»; от «К» до «Д» - «ц3С3».

Таблица 7.9 Допустимые значения и С

Грунты	фест при естественной влажности	фнас при насыщенной водой	С удельное сцепление, т/м2
Глинистые	40-45	12-18	9-10
Суглинистые	35-40	19-25	2-5
Песчаные	30-35	20-27	0-0,5

Длину дуги кривой скольжения вычисляют по формуле:

,

где, R – радиус кривой скольжения, м; - центральные углы АМ; МК и КД.

Заполнив таблицу 7.8, следует просуммировать данные по графам.

Развернутая формула для определения коэффициента запаса на устойчивость выглядит так:

,

где, - сила трения; -сила сцепления; - сдвигающая сила от собственного веса; - сдвигающая сила от гидравлического давления фильтрационного потока; r – плечо силы площадь фильтрационного потока в зоне оползаемого массива; - средний градиент в этой зоне; , - параметры градиента фильтрационного потока в зоне оползаемого массива.

Далее делают вывод об устойчивости откоса и правильности принятого его заложения (m2). Откос считается устойчивым, если

,

где, К_н – коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимается в зависимости от класса сооружения – для I кл – К_н=1,25; II кл – К_н=1,20; III кл – К_н=1,15 и IV кл – К_н=1,10; К_с – коэффициент, зависящий от сочетания нагрузок и равный для основного сочетания – 1,0; для особого сечения – 0,9; для строительного периода -0,95; К_м – коэффициент, равный 0,95 при упрощенных методах расчета и 1,0 – при удовлетворяющих условиях равновесия.

Лотковые каналы.

В Казахстане лотковые каналы впервые было использована в 1960 году. Тогда использовали седловые лотки длиной 4-6 м, глубиной 40-80 см. Этие лотки назывались ЛС-40, ЛС-60, ЛС-80. Начиная в 1970 года выпускали лотки марки ЛР-40, ЛР-60 до ЛР-120. Такие лотки пропускает расход воды до 5 м³/с.

Лотковые каналы можно построить на любой почве. Особенно выгодно их строить в предгорьях.

Лотковые каналы имеют следующие преимущество:

- уменьшается потери воды;

- подлине канала наносы не оседают и они не зарастают;

- повышается КЗИ;

- сокращается длине каналов.

По сравнению с бетонным каналом потери воды в лотковых каналов на 5-15% меньше. Особенность этого канала это быстрота их сбора и простота механизмов по их строительству.

При неправильном выборе уклоне по длине лотковый сеть и в водораспределительных колодцах отлагаются наносы. На юге Казахстана на 1 км длине лотковый сеть за один год отлагаются 900 м³ наносов. На некоторых местах толщине наносов достигала до 50 см. Поэтому при строительстве лотковых каналов надо принимать большие уклона, чтобы скорость течения воды не позволяла наносов. Но скорость течения воды по лотковой сети не должна превышать 5 м/с.

При хорошей изоляции стоков лотков можно достичь коэффициент полезного действия до 0,97-0,98. Толщина лотка 4-6 см. В зависимости от рельефа местности лотки устанавливается на низком, среднем и высоком опорах (рис 7.10).

Рис 7.10 Параболические лотки.

а – на высоких стоиках; б – на сваиах; в- на бетонных опорах; г – в земле; 1 – лотки;

2 – сваи; 3 – толщина; 4 – опора; 5 – цементный раствор; 6 – плита; 7 – песчаная подготовка t=6-10 см; 8 – плиточная опора.

С помощью лотков можно автоматизировать подачу вода в борозды, в полоса. В этом случая хозяйственные и участковые каналы устраиваются из лотков. Длина участковых каналов обычно составляет 1-1,2 км. Расстояния между этими каналам составляет 400 м. Один участковый канал может поливать 40-80 га земли. По длине участковых каналов через 70-100 метров устраивается перемычка и через 0,70 м устраиваются водовыпускные отверстия с пробками. (рис 7.11)

На этих отверстиях устраиваются трубчатые водовыпуски, через которых вода попадает в борозды или полосы.

Рис 7.11 Участковые лотковые каналы.

9 – водовыпускное отверстия; 10 – канал; 11 – вентиль; 12 – поливная шланга.

Гидравлический расчет лотковых каналов.

Лотковые каналы рассчитывается на равномерной режим при шероховатости 0,012-0,013. Расход нетто определяется по формуле:

, м³/с;

где, - гидравлический радиус, , м; живое сечение , м²; , м;

здесь, - ширина по уровню воды в почве; - глубина воды в лотки, м; - смоченный периметр, м;

; ; .

где, - показатель парабола, ;

Незаиляющая скорость определяется по формуле:

м/с

Пример расчета лоткового канала:

Известны следующие показатели лотка м; м; ; ; . Необходимо определить скорость течения воды в лотковом канале; расход вод, смоченный периметр, и координаты поперечного сечения лотка.

Решения. Находим ; Из справочных книг при и находим ; и ; отсюда находим т.е. .

Исходя из этих данных находим значении соответствующий и , и м/с.

Также находим ;

м/с.

После находим длину смоченного периметра лотка

м.

По данным и находим координаты поперечного сечения лоткового канала (таблица 7.6, рис 7.12).

Таблица 7.10 Поперечное сечения лоткового канала

	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
	0,51	0,643	0,736	0,81	0,973	0,927	0,975	1,02	1,061	1,1

Рис 7.12 Поперечное сечения лоткового канала.

Эксплуатация лотковых каналов. На лотковом канала в начале и в конце должен быть написана красной краской номер канала и номера пикетов. При эксплуатации строго следить за отложением наносов, своевременно очистить от наносов водораспределительные колодцы, следить за утечкой воды на стыках. Все наблюдения заиливается в журнал.

В лотковых каналах закрепляется содержания, хранения и раствора минеральных удобрении. В зимнее время по лотковому каналу запрешается транспортировать воду. К зиме в лотках и в колодцах не должно быть воды. Все автоматические устройство должен находиться в поднятом положении.

Закрытая оросительная сеть

При закрытой оросительной системе транспортировка воды, распределения осуществляется напорными трубопроводами. По конструкции и расположению бывает: стационарная, подвижная и полустационарная.

При стационарной закрытой сети все трубопроводы и поливная техника находится в стационаре.

При полустационарной системе – вся сеть располагается стационарно а поливная техника находится в движений. Воду к поливной технике доставляет передвижной быстроразбирающейся трубопроводами. После полива это труба быстро собираются и переноситься на другой участке.

При передвижной закрытой системе все трубопровода и поливная техника находится в движении. Они находится на поверхности земли.

В настоящее время закрытая система устраиваются по «Т», «Ш», «П» образной форме. На закрытых системах вода на любой участок земли доставляется равномерно. Отмечается высокий КПД и КЗИ. Однако закрытая система очень дорого. Закрытая оросительная сеть в основном используется при поливе дождеванием. Все элементы закрытой сети должна быть обосновано расчетами.

Расход воды нетто в трубопроводах обычно определяются по формуле.

или

где, - площадь орошаемой из данного трубопровода, га;

- максимальная ордината гидромодуля;

- число агрегата;

Потери воды по длине трубопровода

,

где, - потери напора по длине трубопровода, м;

- коэффициент гидравлического сопротивление;

- длина трубопровода, м;

- скорость течения воды, м/с;

- внутренний диаметр трубопровода, м;

м/с.

,

где, - наружный диаметр трубопровода, л

Полной напор в трубопровода

,

где, - геодезическая высота орошаемой территории;

- потери напора по длине трубопровода, м;

- местности потери напора, м

- вольный напор гидранта, м

Диаметр трубопровода

или , мм

Диаметр трубопровода рассчитывается на различные скорости течения воды. (1-2 м/с). Потом их подгоняет до стандартного диаметра.

После повторно определяет скорость течения воды

, м/с

Этот скорость течения воды должен быть меньше максимального ( ) и меньше максимальной ( )

Этие скорости определяются по формулам

где, - время прохождения наносов по трубопровода, сут;

- объем наносов, м³;

- мутность воды, кг/м³;

Потребную мощность насосной станции.

Определяют по формуле

кВт

где, - объемный вес воды кг/м³;

- расчетный расход насосной станции, м³/сек;

- полный напор насосной станции, м

- КПД насоса. Центр насос=

- КПД двигателя.

Затем согласно , и подбирается насосно-силовые оборудования.

Затем строится продольный профиль по трассам трублироваться с учетом:

1) минимальная глубина заложения трубопроводов в грунт находя из глубины промерзать 0,7-0,8 м.

2) Не допускать переломных участков.

3) Не допускать обратный уклон.

4) В нижних отметках устраивать специальные водоовыпуски.

5) На высших точных перегиба устраивать вантузы.

6) В местах разветвления устраиваются смотровая колодцы.

Сооружения на каналах

Все сооружения на каналах можно сгруппировать:

- водорегулирующие сооружения к ним относится шлюзы-регуляторы, подпорное сооружения, сбросные сооружения;

- соопрегаюшие сооружения к ним относится перепады и быстротоки;

- проводящие сооружения к ним относится дюкер и акведук.

Шлюзы-регуляторы могут быть открытие (рис 7.13) или закрытие (трубчатые, рис 7.14). Отверстие регулятора перекрывают щитом, высота подъема которого определяет величину подаваемого через регулятор расхода.

Подпорные сооружения на каналах могут быть щитового или водосливного типов.

Рис 7.13 Распределительный узел

Рис 7.14 Закрытый трубчатый шлюз регулятор:

1-затвор; 2-подъемник.

Перепады и быстротоки применяются при прокладке оросительных каналов на участках с большим уклоном местности, чтобы избежать размыва каналов (рис 7.15, 7.16). В некоторых случаях при этом целесообразно строить гидроэлектростанции.

Если оросительный канал пересекается с водным потоком, оврагами, дорогами или в случае неровного рельефа местности, когда проведение канала в обход невозможно или очень дорого, строят акведуки, дюкеры, гидротехнические туннели, желоба и трубы.

Рис 7.15 Перепад (продольный разрез)

Рис 7.16 Быстроток (продольный разрез)

Акведуки применяют при переходе канала через естественные понижения местности (балки, овраги и др.) или другие водотоки (рис 7.17). Акведук представляет собой открытый железобетонный, деревянный или металлический лоток прямоугольного (реже полукруглого) сечения.

Если необходимо провести канал на небольшой высоте через дорогу или другой канал, часто используют дюкеры (рис 7.18). В этом случае воду проводят по трубе под препятствием (другим каналом или дорогой).

Рис 7.17 Акведук

Рис 7.18 Продольный разрез по оси дюкера

Учет воды в каналах

В условиях платного водопользования немаловажную роль сыграет учет воды в поливной сети. Существует следующие методы учета воды:

1. Русловой метод. Здесь с помощью различных гидрометрических приборов определяют показателей поперечного сечения канала по которым течет вода и среднюю скорость движения воды а далее расход воды.

2. Гидравлический метод. Здесь расход воды протекающий по каналу определяются с использованием водосливов. Этие водосливы группируется на 3 группы:

а) для измерения расхода воды: Здесь расход воды измеряются водосливами треугольной и трапециидальной формы. К ним относиться водосливы Иванова, Чиполетти и Томпсона.

б) для измерения и регулирования расхода воды. Здесь устройства выполняет две функции: измеряет расход воды и ее регулирует. В устройстве имеется специальные измерители, которые показывает расход воды. К ним относится ВПГ-58; ВДГ-58, ДРС-60.

в) автоматические водоизмерители. К ним относится Баку, Ташкент, Валдай и др.

Водосливы треугольным вырезом с углом 40⁰ и 90⁰ самые простые (рис 7.19). Они измеряет расход воды до 20 л/с.

Рис 7.19 Треугольные водосливы.

При измерении расхода воды должны соблюдаться:

- водослив должен быть установлен перпендикулярно к течению воды;

- уровень воды в нижнем бьефе должно быть на 3-5 см ниже треугольного выреза;

- точная величина расхода будет в случае соблюдения Н+Р>3Н (Н=0,06-0,65 м)

где, Н – уровень воды в верхнем бьефе водослива, м;

Р – высота подача выреза от дна канала, м.

Расход воды протекающий через треугольного выреза с углом 45⁰ определяется по формуле:

, м³/с

где, - расход воды, м³/с;

- коэффициент расхода воды;

- показатель треугольника;

- уровень воды, над водосливом, м;

- 9,81.

Для водослива с углом 90⁰ расход воды определяется по формуле:

, м³/с

Для водослива с 90⁰ вырезом расход воды в зависимости от Н приведены в таблице 7.11.

Таблица 7.11 Расход воды через треугольного водослива 90⁰ углом.

Н, см	Q, л/с	Н, см	Q, л/с	Н, см	Q, л/с
3,0	0,2330	8,0	2,62!	2,5	43,82
3,5	0,3405	8,5	3,227	27,5	55,36
4,0	0,4745	9,0	3,512		69,67
4 Ч	0,6332	9,5	4,011		100,4
5,0	0,8219		5,550		139,9
5.,5	1,039		7.140		186,9
6,0	1,289		10,45		242,7
6,0.	1,540		14,54		306,8
7,0	1,886		19,43		380,1
7,5	2,224		25,29		463,2

Водослив Чиполетти представляет вырез трапециидальной формы (рис 7.20).

Боковой откос трапеции 1:4. Водослив предназначен для измерения расходов на более крупных каналов. Они также устанавливаются поперек течения воды в канале.

Рис 7.20 Водослив Чиполетти

В зависимости от ширины и высоты выреза водослив Чиполетти бывают 5 видов (таблица 7.12).

Таблица 7.12 Показатели водослива Чиполетти

Показатели	Порог трапециодального выреза (в) , см
водослива
Высота выреза, һ
Ширина выреза, в	24,25	30,65	32,5	35,95	38,45
Общая высота, Н	4,5
Ширина верхней грани выреза, ℓ	32,1	59,8	89,8	118,1	148 ,1

Для измерения расхода воды необходимо измерить высоту воды над порогом водослива, потом по формуле определяется расход воды:

, л/с

Или воспользоваться данными таблицы 7.13.

Таблица 7.13 Расход воды через водослива Чиполетти.

Н, см	Расход воды, л/с	Н, см	Расход воды, л/с
в=0,5	в=0,6	в=08	в=0,5	в=0,6	в=08
1,0	0,93	1,1/	1,72	13,5	46,25	55,50	73,80
1,5	1,77	2,05	2,76	14,0	48,85,	58,62	77,92
2,0	2,73	3,24	4,28	14,5	51,49	61,78	82,16
2,5	3,68	4,42	5,80	15,0	54,17	68,01	86,48
3,0	4,84	5,81	7,76	15,5	56,00	68,28	90,80
3,5	6,10	7,32	9,68	16,0	59,63	71,62	95,20 !
4,0	7,46	8,95	11,92	16,5	62,50	75,08	99,74
4,5	8,90	10,68	14,64	17,0	65,35	78,43	104,32
5,0	10,42	12,51	16,64	17,5		81,92	108,92
5,5	12,03	14,43	19,20	18,0		85,45	113,68
6,0	13,70	16,44	21,84	18,5		89,04	118,40
6,5 .	15,45	18,54	24,64	19,0		-92,62	123,28
7,0	17,27	20,72	27,60	19,5		96,36	133,12
7 5	19,15	22,98	30,56	20,0		100,08	139,10
8,'о	21,10	25,32	33,68	20,5			149,28
8,5	23,10	27.73	36,88	21,0			148,48
9,0	25,17	30,21	40,16	21;5			153,68
9,5	27,30	32,76	43,56	22,0			158,92
10,0	24,48	35,38	47,04	22,5			158,92
10,5	31,72	38,07	50,67	23,0			164,16
11,0	34,02	40,82	54,32	23,5			169,56
11,5	36,36	43,63	58,00	24,0			174,96
12,0	38,76	46,15	61,84	24,5			180,0
12,5	41,21	49,45	65,74	25,0			186,0
13,0	43,71	52,45	69,70	25,5

Для измерения расхода воды в каналах также используется водоизмерительная насадка (рис 7.21).

Рис 7.21 Насадки.

Насадки конусообразной формы. Для точного учета воды должны быть соблюдены следующие требования:

- Обе стороны конуса должны быть затоплены водой;

- Уровень воды впереди насадки (Н) и после (h) изменяются в пределах 4-30 см;

- Насадки устанавливается вертикально и по средине канала.

Уровень воды (Н и h) измеряется с помощью реек. Насадки бывают круглые, прямоугольные и квадратные. Поэтому расходы воды определяются разной формулой:

для насадки с круглым сечением

для четырехугольной формы

для квадратной формы

здесь, - расход воды, м³/с;

- диаметр выходного отверстия насадки;

- ширина и длина отверстия на выходе насадки.

, м

Во многих каналах Казахстана для измерения расходе воды применяют реечный метод (рис 7.22).

Рис 7.22 Измерение расхода воды рейками

Рядом с каналам (с боку) устраивается колодец. Этот колодец имеет сообщение с каналом. Уровень воды в колодце показывает спокойной уровня воды в канале. С помощью рейки измеряет высоту уровня воды в колодце и с помощью тарированных таблиц определяет расход воды.

Переносный прибор водоучета (ПВУ-П).Прибор устанавливается на тонкостенных водосливах Томпсона, Чиполетти, Иванова и предназначен для автоматического учета оросительной воды поданной в оросители с небольшими расходами. Переносной прибор может использоваться как средство учета водоподачи потребителям одного орошаемого массива, для которого осуществляется поочередная водоподача на поливные участки.

Техническая характеристика прибора

Принцип работы	автономный
Режим работы	автоматический
Измеряемый расход	1-50 л/с
Уровень воды	0-30 мм
Точность измерения уровня	±3 мм
Частота измерения	1-30 изм/час
Погрешность измерения расхода	1%
Питание автономное	Элемент АА (R6)-2 шт
Продолжительность работы	6 мес

Рис 7.23 Прибор ПВУ-П

Автономный прибор водоучета (ПВУ-А).Предназначен для контроля и учета стока вод на водомерных гидропостах и специальных суженых водомерных сооружениях на каналах для автоматического измерения режимов водоподачи по расчетному интервалу времени (рис 7.24).

Рис 7.24 Автономный прибор ПВУ-А

Техническая характеристика прибора

Принцип работы	автономный
Режим работы	автоматический
Измеряемый расход	более 100 л/с
Уровень воды	0-3000 мм
Точность измерения уровня	±3 мм
Частота измерения	1-30 изм/час
Погрешность измерения расхода	1%
Питание авто номное от эле мента АА-2 шт	Режим измерения	ток потребления не более 25 мА
Режим ожидания	ток потребления не более 10 мкА
Продолжительность работы	6 мес

Прибор с дистанционным съемом информации (ПВУ-Д).Прибор предназначен для автоматического измерения ровня воды в заданном режиме, накопление показателей уровня воды в памяти датчика и передача их на пульт дистанционного доступа (рис 7.25).

Отображает уровень, расход и сток на индикаторе пульта дистанционного доступа. Пульт управления дистанционного доступа может обслуживать массив орошения с 1000 водопользователей.

Рис 7.25 Прибор ПВУ-Д

Техническая характеристика прибора

Принцип работы	автономный
Режим работы	автоматический
Измеряемый расход	50-100 л/с
Уровень воды	0-2800 мм
Точность измерения уровня	±3мм
Частота измерения	1-30 изм/час
Дискретность измерения расхода	1 мм
Питание автономное	Элемент АА (R6)-2 шт
Продолжительность работы	10 мес