Проектирование водохранилищного гидроузла

 

3.2 Оценка суффозиозной устойчивости низового откоса плотины

Суффозия механическая – это перемещение мелких частиц грунта через крупные поры под  воздействием фильтрационного потока.

Проверка устойчивости грунта на механическую суффозию заключается  в сравнении скорости фильтрационного  потока на выходе с допускаемой скоростью для грунта тела плотины .

Суффозия отсутствует, если:

                                                (4.13)

 

Скорость фильтрационного  потока при выходе на низовой откос:

, м/с

 где – коэффициент фильтрации грунта тела плотины;

  – уклон кривой  депрессии (градиент напора) при  выходе на низовой откос:

, м                                         (4.15)

где – падение депрессионной кривой на интервале , равном разности   

      абсцисс  двух последних расчетных точек  при построении кривой депрессии.

 Допускаемая скорость  выхода фильтрационного потока:

 

= 0,082, м/с                                        (4.16)

Если , то необходимо предусмотреть дренаж.

3.3. Фильтрационный  расчет через основание плотины

Фильтрационный расход через основание плотины определяют по формуле:

, м³/сут

где К₀ – коэффициент фильтрации основания плотины, м/сут.

Т – глубина водопроницаемого основания, м.

В_пл – ширина плотины по основанию, м.

n – поправочный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения

 

	20	5	4	3	2	1
n	1,15	1,18	1,23	1,30	1,44	1,87

Рис. 3.2. Расчет фильтрации через основания земляных плотин

 

 

Суффозия отсутствует, если выполняется условие:

 

Суффозионную устойчивость основания определяем по формуле:

=0.2*0.12=0.024

где - скорость фильтрационного потока при выходе в нижний бьеф, м/с;

- уклон кривой депрессии  при выходе из основания, определяемая как:

 

 

  =0.082

Условие выполняется, следовательно суффозии через основание плотины не будет.

 

4. Предварительная проверка устойчивости плотины

Принятые  откосы плотины необходимо проверить  на устойчивость против сползания. С  этой целью пользуются графиками  ВНИИ Водгео, инженера Б.М. Лолиза и физико-механическими характеристиками грунтов, приведенными в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Физико-механические характеристики грунтов

Грунты	Угол внутреннего трения, φ 0		Удельное сцепление, С, т/м2	Относи-тельная пористость	Удельный вес, т/м3	Объемный вес, т/м3
	при естественной влажности	при насыщении
Глина	40 – 45	12 – 18	2,5 – 8,0	0,45– 0,60	2,74	1,75– 1,90
Суглинок	35 – 40	19 – 25	1,5 – 4,0	0,40– 0,50	2,71	1,80– 2,10
Супесь	20 – 23	25 – 30	0,5 – 1,2	0,30– 0,45	2,70	1,95– 2,10
Песок	20 – 27	30 – 35	0,1 – 0,8	0,30– 0,40	2,66	1,90– 2,05
Растительный ил	–	–	–	–	–	1,40– 1,60

 

Задавшись коэффициентом  запаса на устойчивость , вычисляют выражение:

гдеС – удельное сцепление грунта, т/м²;

γ – удельный вес грунта, т/м³;

η – принятый коэффициент запаса на устойчивость;

Н_П – высота плотины, м.

Пользуясь полученным значением  и углом внутреннего трения (φ), по графику (рис. 4.1.) находим безопасный угол откоса и сравниваем с принятым ранее: .

Оползание отсутствует  если:

 

В случае, если откос неустойчивый, то необходимо:

1) увеличить заложение  откоса;

2) устройство упорной  призмы;

3) замена грунта (другой  карьер)

 

 

 

 

 

При наличии бермы и  откосов различной крутизны, заложение  откоса осредняется. Для проверки откоса по графику Б.М. Лолиза предварительно вычисляют значения: и , где и , по которым находят допустимое заложение откоса и сравнивают с ранее принятым (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. График для расчета  устойчивости откосов

 

 

 

 

 

 

36°>30°

 

_{Откосы  устойчивы.}

 

5. Расчет  величины осадки основания земляной плотины

Расчет осадки тела и основания  плотины проводят для определения  требуемого строительного подъема  плотины, а также для уточнения  объема работ по ее возведению. Его  выполняют в характерных поперечных сечениях плотины по нескольким вертикалям, проходящим в элементах плотины  из различных материалов (ядре, экране, призме и др.).

В процессе возведения плотины насыпь уплотняется до объемной массы скелета  γ=1,6÷1,7 т/м³. Поэтому считается, что дальнейшее уплотнение под действием собственного веса не происходит. Основные деформации возникают из-за уплотнения грунтов основания весом плотины. Расчет величины осадки основания (рис. 5.1) выполняется по формуле:

, м

 

гдеТ – толщина сжимаемого слоя, м;

ε₁ – коэффициент пористости грунта основания до возведения плотины;

ε₂ – коэффициент пористости грунта основания после возведения плотины.

 – определяется по  компрессионной кривой (рис. 5.1).

Напряжение в середине сжимаемого слоя грунта основания до возведения плотины:

, МПа,        

где - объемный вес грунта основания.

 МПа, 

Зная Р₁ по компрессионной кривой находят ε₁ (кривая 1 рис. 5.1) ε₁= 0,7

Рис. 5.1. Компрессионные кривые

Для определения ε₂ необходимо знать Р₂.

Напряжение в середине сжимаемого массива после возведения плотины (Р₂ ) определяется методом проф. Н.А. Цытовича. Чтобы найти Р₂ вычисляют напряжения в точке В и точке С (рис. 5.2).

Напряжение в точке В:

,   МПа,

где γ_П  – объемный вес грунта тела плотины.

, =9,7*1,65=16=0,16  МПа

Рис. 5.2.  Расчет величины осадки основания земляной плотины

 

Для определения напряжения в точке С пользуются табличными значениями вертикальных напряжений σ_z, выраженных в долях от интенсивности нагрузки, распределенной по треугольнику (табл. 5.1) и от интенсивности равномерно распределенной нагрузки (табл. 5.2).

Для пользования таблицами  находим отношения: и

где – вершина основания фигуры представляющей часть нагрузки от       насыпи плотины;

 – для левого треугольника;

=1,75*9,7=17– для правого треугольника;

=7,2– для средней части;

y – расстояние от подошвы до оси плотины.

 

 

=0

 

Напряжение  в точке С находится отдельно от левого, правого треугольников и средней части.

 

1)По отношениям  и   интерполяцией находим (табл. 5.1).

Напряжение от левого треугольника:

 

 

 

2)По отношениям  и   по табл. 5.2 находим .

Таблица 5.1

 

Величины напряжений σ_z  в долях от интенсивности нагрузки, изменяющиеся по треугольнику

	- 1,50	- 1,00	- 0,50	0,00	0,25	0,50	0,75	1,00	1,50	2,00	2,50
0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,25	0,50	0,75	1,00	0,00	0,00	0,00
0,25	–	–	0,004	0,075	0,256	0,48	0,643	0,424	0,015	0,003	–
0,50	0,002	0,003	0,023	0,127	0,263	0,41	0,477	0,353	0,056	0,017	0,003
0,75	0,006	0,016	0,042	0,153	0,248	0,335	0,361	0,293	0,108	0,024	0,009
1,00	0,014	0,025	0,025	0,061	0,159	0,223	0,275	0,241	0,129	0,045	0,013
1,50	0,020	0,048	0,096	0,145	0,178	0,200	0,202	0,185	0,124	0,082	0,041
2,00	0,033	0,061	0,092	0,127	0,146	0,155	0,163	0,153	0,108	0,069	0,050
3,00	0,050	0,064	0,080	0,096	0,103	0,104	0,108	0,104	0,090	0,071	0,050
4,00	0,051	0,060	0,067	0,075	0,078	0,085	0,082	0,075	0,073	0,060	0,049

3)Напряжение от средней части: 

 

 

 

По отношениям  и по табл. 5.1 находим

Напряжение  от правого треугольника:

 

 

Суммарное напряжение:

 

 

Напряжение в грунте основания  под гребнем плотины:

 

 

Общее напряжение:

  МПа

На компрессионной кривой напряжению Р₂ соответствует коэффициент пористости ε₂₌0,64

 

Величины напряжений выраженные в долях от интенсивности

равномерно-распределенной нагрузки

Таблица 5.2

y/b z/b	0,00	0,25	0,50	1,00	1,50	2,00
0,00	1,00	1,00	0,50	0,00	0,00	0,00
0,25	0,96	0,90	0,50	0,02	0,00	0,00
0,50	0,82	0,74	0,48	0,08	0,02	0,00
0,75	0,67	0,61	0,45	0,15	0,04	0,02
1,00	0,55	0,51	0,41	0,19	0,07	0,03
1,25	0,46	0,44	0,37	0,20	0,10	0,04
1,50	0,40	0,38	0,33	0,21	0,11	0,06
1,75	0,35	0,34	0,30	0,21	0,11	0,07
2,00	0,31	0,31	0,28	0,20	0,13	0,08
3,00	0,21	0,21	0,20	0,17	0,135	0,10
4,00	0,16	0,16	0,15	0,14	0,12	0,10
5,00	0,13	0,13	0,12	0,12	0,11	0,09
6,00	0,11	0,10	0,10	0,10	0,10	–

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчет  устойчивости низового откоса графоаналитическим способом

Откосы грунтовой плотины должен иметь крутизну, удовлетворяющую  требованиям как устойчивости, так и экономичности плотины. Статические расчеты плотины включают проверку устойчивости верхового и низового откосов, а также экрана и его защитного слоя.

На грунтовой массив низового клина  плотины действует ряд сил. Основная сдвигающая сила - составляющая собственного веса грунта. Кроме того, уменьшают  устойчивость сила взвешивания и  динамическое воздействие фильтрационного  потока, а также дополнительные силы, например снеговая нагрузка, силы инерции  при землетрясении и др.

Обрушение (оползание) откосов происходит по некоторой криволинейной поверхности  в пределах откоса или с захватом грунтового основания. Форма границы  обрушения откоса (поверхности сдвига) обычно близка к цилиндрической.

Существует несколько методов  расчета устойчивости откосов. В  гидромелиоративной практике широко используют метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения грунтового массива с разбивкой его на отсеки (рекомендуемый СНиП 2.06.05-84).

Расчет заключается в определении коэффициента устойчивости полученного как отношение сил удерживающих (трения и сцепления) к моменту сил сдвигающих относительно центра скольжения.

 

Расчет выполняется в условиях плоской задачи, когда рассматривается  отрезок плотины длиной, равной единице. Грунт плотины выше кривой депрессии имеет естественную влажность, а ниже ее находится в насыщенном водой состоянии).

При расчете проводятся несколько  кривых скольжения из разных центров  и соответственно вычисляют коэффициенты устойчивости.

Расчеты устойчивости носят вероятностный  характер, т.к. заранее неизвестно положение  наиболее опасной поверхности обрушения. Задача расчетов – поиск этой поверхности и определение наименьшего коэффициента устойчивости k_у.

Порядок расчета:

1. Вычерчиваем поперечный профиль  низового откоса с частью верхового  откоса, гребня и основания в  одинаковом масштабе (горизонтальном  и вертикальном).

Принять М 1:100 На миллиметровой бумаге А3 – располагать вдоль листа по 420 мм (снизу основания плотины оставить 3 см под кривую скольжения)

2. Из середины откоса (точка Б)  проводим две линии: вертикальную вверх и под углом 85° к линии откоса.

3. По таблице 6.1 находим радиусы  и , которыми очерчиваем часть кольцевой площадки MZM´Z´.

Например:

Н_п=9,7м

m₂=1,75

БМ=0,75*9,7=7,3 м

БZ=1,75*9,7=17,0 м

Таблица 6.1

Коэффициент	Заложение откосов
	1	2	3	4	5	6
	0,75	0,75	1,00	1,50	2,20	3,00
	1,50	1,75	2,30	3,75	4,80	5,50

 

4. В площадке MZM´Z´ располагают центр скольжения О и из него радиусом R проводят кривую (через низовой откос и основание произвольно захватывая гребень и нижний бьеф).