Определение основных размеров плотины

Плотина – водоподпорное сооружение, перегораживающее водоток для подъема в нем уровня воды.

При устройстве прудов на местном стоке получили распространение глухие насыпные плотины, которые возводят послойной отсыпкой и послойным уплотнением однородного грунта. Насыпные плотины строят из маловодопроницаемых грунтов (суглинки). Такие плотины отличаются простотой конструкции и позволяют полностью механизировать процесс строительства.

Поперечному профилю плотины придают форму трапеции. Основными элементами плотины являются гребень, мокрый откос, сухой откос и основание. При проектировании плотины необходимо рассчитать высоту сооружения, ширину гребня, ширину основания, а также определить коэффициенты заложения откосов.

Проектную высоту Н_{пл. пр.}, м, вычисляют по формуле:

Н_{пл. пр} = Н_фпу + ∆h_гр, (20)

где Н_фпу – глубина воды у плотины на отметке ФПУ, м;

∆h_гр – превышение гребня плотины над форсированным подпорным уровнем воды, м.

Н_{пл. пр} = 10,1 + 1,7 = 11,8 м

Превышение гребня плотины над уровнем воды на отметке ФПУ рассчитывают по зависимости:

∆h_гр = h_нак + z, (21)

где h_нак – высота наката волны на мокрый откос, м;

z – конструктивный запас. Принимается в интервале 0,8-1,0.

∆h_гр = 0,8 + 0,9 = 1,7 м

Высоту наката волны находим по уравнению Н. Н. Джунковского:

h_нак = 3,2 × h_вол × k_ш × tgα, (22)

где h_вол – высота волны, м;

k_ш – коэффициент, зависящий от шероховатости откоса. Если не предусмотрено крепление мокрого откоса, то коэффициент принимаем равным 1,0.

tgα – тангенс угла, между мокрым откосом плотины и горизонтальной осью.

h_нак = 3,2 × 0,853 × 1 × 0,3 = 0,8 м

Тангенс угла, образуемого мокрым откосом плотины с горизонтальной осью, определяем через коэффициент заложения этого откоса:

tgα = , (23)

где - коэффициент заложения мокрого откоса.

tgα = = 0,3

Коэффициент заложения откоса показывает во сколько раз проекция откоса на горизонтальную ось больше высоты насыпи или глубины выемки. Коэффициенты заложения откосов плотины принимаем в зависимости от гранулометрического состава грунта тела плотины и максимальной глубины воды у плотины (таблица 5).

Таблица 5 – Коэффициенты заложения откосов плотины

Гранулометрический состав грунта тела плотины	Глубина воды у плотины при ФПУ
до 4 м	4-7 м	7-10 м
мокрый откос m1	сухой откос m2	мокрый откос m1	сухой откос m2	мокрый откос m1	сухой откос m2
Суглинки	2,0	1,75	2,5	2,0	2,5	2,0
Супеси	2,25	2,0	2,5	2,0	3,0	2,5

Высоту волны рассчитывают по упрощенной формуле Е. А. Замарина:

h_вол = 0,75 + 0,1L, (24)

где L – длина разгона волны, км.

h_вол = 0,75 + 0,1 × 1,03 = 0,853 м

Длину разгона волны принимают равной длине зеркала пруда на отметке НПУ. Длину зеркала пруда замеряют на плане в горизонталях от створа плотины и по масштабу переводят в километры.

Зная высоту плотины, определяем отметку гребня vГр, м:

vГр = vТал + Н_{пл. пр.}, (25)

где vТал – отметка тальвега балки в створе плотины, м.

vГр = 75,6 + 11,8 = 87,4 м

По гребню плотины предусматривают прокладку эксплуатационной дороги с проезжей частью шириной 3 м. на закрайки отводят 1,5 м. таким образом, общая ширина гребня составит 6 м.

При проектировании плотины проводят расчет фильтрационных характеристик грунта тела плотины. В результате этих расчетов устанавливают положение депрессионной кривой в теле плотины, скорости фильтрации и фильтрационные расходы через тело плотины и ее основание.

Депрессионной кривой называется линия пересечения свободной поверхности фильтрационного потока с вертикальной плоскостью в направлении этого потока. Поперечные размеры плотины должны быть такими, чтобы линия депрессии заканчивалась в теле плотины не ближе 3-4 м от подошвы сухого откоса. В легкосуглинистом и супесчаном грунтах линия депрессии образует угол с уровнем воды 15-20^о.

Если линия депрессии выходит в пределах сухого откоса, то при значительном фильтрационном потоке будет происходить вынос мелких частиц грунта из тела плотины. Это снижает устойчивость не только сухого откоса, но и всей плотины.

Построение сечений и плана насыпной плотины

В соответствии с установленными размерами плотины вычерчивают план, продольное и поперечное сечения плотины.

Продольное сечение плотины строят в следующей последовательности.

В прямоугольной системе координат по оси плотины строят поперечное сечение балки. Отметки поверхности земли и заложения между горизонталями берут с плана (М 1:5000) в точках пересечения горизонталей со створом плотины.

Заложение – это длина проекции склона поверхности земли между двумя точками или откоса сооружения на горизонтальную ось. На плане в горизонталях все расстояния между точками, горизонталями или сооружениями представляют собой заложения.

Продольное сечение плотины строят в искаженном масштабе. В зависимости от длины плотины горизонтальный масштаб принимают 1:1000 или 1:2000, а вертикальный 1:100 или 1:200.

На поперечное сечение балки наносят линию гребня плотины, отметка которого известна.

По гребню плотины разбивают пикетаж через 100 м. На каждом пикете выписывают отметки поверхности земли.

Отметки поверхности земли на нулевом (ПК0) и последнем (ПК2+83) пикетах известны, так как они совпадают с отметкой гребня плотины. Заложение между нулевым (или последнем) пикетом и ближайшей горизонталью с меньшей отметкой l_пк, м, вычисляем по формуле:

l_пк = , (26)

где - превышение нулевого (или последнего) пикета над ближайшей горизонталью с меньшей отметкой, м. Определяют по разности отметок гребня плотины с ближайшей горизонталью с меньшей отметкой;

– заложение между горизонталями на участке, где размещается нулевой (или последний) пикет, м. Значения заложений между горизонталями берут с рисунка 5;

∆h_гор – высота сечения горизонталей, м.

Отметка гребня плотины составляет 87,4 м. определим заложение между нулевым пикетом плотины и 86-й горизонталью, если высота сечения горизонталей 2 м, а заложение между 86 и 88 горизонталями составляет 20 м (рисунок 2).

Используя формулу 26, рассчитаем заложение между нулевым пикетом плотины и 86-й горизонталью:

l_пк = = 14 м.

После разбивки пикетажа заложения между пикетными точками и ближайшими горизонталями известны. Отметки поверхности земли на пикетах vПКn, м, вычисляем по зависимости:

vПКn = vГор + , (27)

где n – номер пикета;

vГор – отметка ближайшей горизонтали с меньшим значением, м;

∆h_пк – превышение отметки поверхности земли на данном пикете над отметкой ближайшей горизонтали, м.

Превышение ∆h_пк находят из формулы 26:

∆h_пк = , (28)

Заложение между 78 и 80 горизонталями составляет 10 м (рисунок 2). При разбивке пикетажа заложение между первым пикетом (ПК1) и 78 горизонталью получилось равным 6,5 м. определим отметку поверхности земли на первом пикете.

Используя формулы 28 и 27, найдем отметку поверхности земли на первом пикете:

∆h_пк1 = = 1,3 м

vПК1 = 78 + 1,3 = 79,3 м

На каждом пикете вычисляем проектную высоту плотины. Для этого из отметки гребня вычитаем отметку поверхности земли на данном пикете.

Все полученные значения отметок поверхности земли, высот плотины, заложений, а также пикеты выписываем под профилем плотины.

План плотины (рисунок 3) также вычерчиваем в искаженном масштабе. Для длины плотины масштаб принимаем 1:2000, для ее ширины – 1:500. Построение плана плотины проводим в следующей последовательности.

Наносим ось плотины. От оси откладываем в обе стороны половину ширины гребня. Длину гребня плотины определяем по рисунку 2, используя разбитый по гребню пикетаж. На каждом пикете от бровки гребня плотины откладываем в сторону верхнего бьефа заложение мокрого откоса, а в сторону нижнего бьефа – заложение сухого откоса.

Заложения мокрого и сухого откосов на каждом пикете l_пк, м, вычисляем по формуле:

l_пк = m × H_{пр. пк}, (29)

где m – коэффициент заложения соответствующего откоса плотины (таблица 5);

H_{пр. пк} – проектная высота плотины на данном пикете, м (рисунок 2).

Мокрый откос:

l_пк0+14 = 3,0 × 1,4 = 4,2 м;

l_пк0+31,5 = 3,0 × 3,4 = 10,2 м;

l_пк0+61,5 = 3,0 × 5,4 = 16,2 м;

l_пк0+96,5 = 3,0 × 7,4 = 22,2 м;

l_пк1 = 3,0 × 8,1 = 24,3 м;

l_пк1+6,5 = 3,0 × 9,4 = 28,2 м;

l_пк1+19 = 3,0 × 11,4 = 34,2 м;

l_пк1+36,5 = 3,0 × 11,8 = 35,4 м;

l_пк1+49 = 3,0 × 11,4 = 34,2 м;

l_пк1+69 = 3,0 × 9,4 = 28,2 м;

l_пк1+89 = 3,0 × 7,4 = 22,2 м;

l_пк2 = 3,0 × 6,7 = 20,1 м;

l_пк2+21,5 = 3,0 × 5,4 = 16,2 м;

l_пк2+49 = 3,0 × 3,4 = 10,2 м;

l_пк2+69 = 3,0 × 1,4 = 4,2 м.

Сухой откос:

l_пк0+14 = 2,5 × 1,4 = 3,5 м;

l_пк0+31,5 = 2,5 × 3,4 = 8,5 м;

l_пк0+61,5 = 2,5 × 5,4 = 13,5 м;

l_пк0+96,5 = 2,5 × 7,4 = 18,5 м;

l_пк1 = 2,5 × 8,1 = 20,25 м;

l_пк1+6,5 = 2,5 × 9,4 = 23,5 м;

l_пк1+19 = 2,5 × 11,4 = 28,5 м;

l_пк1+36,5 = 2,5 × 11,8 = 29,5 м;

l_пк1+49 = 2,5 × 11,4 = 28,5 м;

l_пк1+69 = 2,5 × 9,4 = 23,5 м;

l_пк1+89 = 2,5 × 7,4 = 18,5 м;

l_пк2 = 2,5 × 6,7 = 16,75 м;

l_пк2+21,5 = 2,5 × 5,4 = 13,5 м;

l_пк2+49 = 2,5 × 3,4 = 8,5 м;

l_пк2+69 = 2,5 × 1,4 = 3,5 м.

Полученные точки соединяем прямыми линиями, оконтуривая площадь основания плотины.

Используя рассчитанные значения заложений откосов, аналогично проводим построение плотины на плане в горизонталях.

Поперечное сечение плотины (рисунок 3) вычерчиваем в месте пересечения створа плотины с тальвегом балки, то есть для наиболее глубокого места балки. Масштаб для горизонтальных и вертикальных размеров сечения принимаем одинаковым – 1:400.

На поперечном профиле проставляем все необходимые размеры и отметки, а также наносим линию депрессии.

Ширину основания плотины b_осн, м, вычисляем по формуле:

b_осн = b_гр + Н_{пр. пл} × (m₁ + m₂), (30)

где b_гр – ширина гребня плотины, м;

Н_{пр. пл} – проектная высота плотины в месте пересечения створа плотины с тальвегом балки, м;

m₁, m₂ – коэффициенты заложения соответственно мокрого и сухого откосов (таблица 5).

b_осн = 6 + 11,8 × (3,0 + 2,5) = 70,9 м

На продольном и поперечном профилях плотины (рисунки 2, 4) показываем уровни воды на отметках ФПУ, НПУ и УМО.