Проект волнозащитной плотины

Таблица 3.13

Значения заложений откосов намывных плотин

Вид плотины	Грунты основания	Крутизна откоса
Однородная  песчаная	Песчаные, супесчаные	1:3,5 – 1:5
	Старичные отложения, торф, ил	1:5 – 1:8
Неоднородная  гравийно-песчаная с ядром	Скальные, плотные  глины	1:3 – 1:4

Рис. 3.10. План контура плотины по основанию, полученный в результате разбивки: 1...8 – поперечники; 9 – верховой откос; 10 – гребень плотины; 11 – борозда по подошве откоса

Ширина берм составляет не менее 3 м, если берма  предназначена для проезда, и  не менее 1–2 м, если проезд не предусмотрен.

Нахождение граничных точек контура плотины (рис. 3.10) в тех случаях, когда поверхность земли поперечника горизонтальна, сводится к откладыванию от ее оси расстояния, равного:

с верховой стороны  плотины

 

l₁=b/2+Н_пл ∙m₁,            (3.19)

с низовой стороны  плотины

 

l₂=b/2+Н _пл ∙m₂.           (3.20)

 

Если по поперечнику имеется однообразный уклон местности т₁ в сторону нижнего бьефа, тогда точки контура находят по зависимостям (рис. 3.11):

с верховой стороны плотины

 

l₁=m₀ ∙(b/2+Н _пл ∙m₁)/(m₀-m₁),  (3.21)

с низовой стороны  плотины

l₂= m₀∙(b/2+Н _пл∙m₂)/(m₀-m₁).  (3.22)

Рис. 3.11. Профиль плотины

 

Крутизну неукрепленного волноустойчивого грунтового откоса следует принимать в соответствии с расчетным волновым воздействием. При этом очертание откосов должно быть принято с учетом «профиля динамического равновесия». применение неукрепленных откосов должно быть обосновано исследованиями и технико-экономическим сопоставлением с вариантами укрепленных откосов.

 

 

2.9 Определение крутизны волноустойчивого неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта при «профиле динамического равновесия»

 

В некоторых  случаях экономически целесообразно  устройство пологих волноустойчивых  верховых откосов без специального крепления или с облегченным креплением. Предварительная оценка параметров динамически устойчивого при воздействии волн профиля неукрепленного откоса плотин из песчаного грунта («профиля динамического равновесия») может быть выполнена по формуле:

 

    (3.23)

 

где m – коэффициент откоса;

m_в – коэффициент естественного откоса грунта тела плотины под водой;

h_cdl – высота расчетной волны, м;

l – длина расчетной волны, м;

d_o – средневзвешенный диаметр частиц грунта тела плотины, м;

 

      (3.24)

 

где d_i – размер фракций, м;

р_i – доля фракций, % по массе;

k_l – коэффициент, принимаемый:

k_l = 0,37 для подводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды в водохранилище (или в реке) до нижней границы размывающего действия волн (h₁), определяемой по формуле:

 

;    (3.25)

 

k_l = 0,17 для надводной части пляжного откоса от расчетного уровня воды до верхней границы размывающего действия волн (h₂), зависящей от высоты наката, определяемой по [СНиП 2.06.04-82]. В первом приближении можно принять h₂ = 0,5 h_cdl (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Профиль и параметры плотины: 1 – расчетный уровень воды; 2 – участок откоса при k_l = 0,37; 3 – то же, при k_l = 0,17

 

При определении крутизны динамически устойчивого откоса необходимо учитывать размывающее влияние косого подхода волн, особенно сильно проявляющееся при углах подхода β = 45–57°.

 

2.10 Крепление откосов плотины

 

Откосы плотин подвержены разрушающим воздействиям ветровых волн, течений воды, льда, атмосферных осадков и других факторов (пучение и усадка глинистых грунтов, воздействие ветра, жизнедеятельного землеройных животных и пр.).

Крепление верхового откоса плотины делится на основное, расположенное в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и облегченное – ниже основного крепления. Верхней границей основного крепления, как правило, следует считать отметку гребня плотины. В случае значительного возвышения гребня над расчетным уровнем воды основное крепление следует заканчивать ниже гребня на отметке высоты наката h_run; далее до гребня доводят облегченное крепление.

Нижнюю границу  основного крепления следует  назначать, считая от минимального уровня сработки водохранилища на глубине:

 

h = 2∙h_1%.       (3.26).

 

При этом нижняя граница основного крепления должна быть ниже минимального уровня сработки водохранилища не менее чем на 1,5t, где t – расчетная толщина ледяного покрова.

Для защиты верхового  откоса рекомендуют крепления следующих  видов:

а) каменную наброску из несортированного камня (сортированный камень допускается применять при соответствующем обосновании);

б) бетонные монолитные, железобетонные сборные и монолитные с обычной и предварительно-напряженной арматурой;

в) асфальтобетонные;

г) биологические.

Чаще всего  применяют крепления из каменной наброски, бетона и железобетона. Асфальтобетонные крепления одновременно являются экраном плотины. Они могут быть однослойными или двухслойными. Как показывает опыт эксплуатации плотин с асфальтобетонными экранами, устройство однослойного крепления предпочтительнее, поскольку двухслойные часто разрушаются из-за вспучивания верхнего слоя. Толщину слоя обычно принимают в пределах 8–12 см. Водонепроницаемые защитные покрытия верхового откоса из асфальтобетона следует укладывать от подошвы до гребня с минимальным количеством швов.

Для предотвращения старения асфальтобетона под влиянием ультрафиолетовых лучей его поверхность покрывают слоем мастики со стабилизирующими добавками или светлой краской. Грунтоцементное крепление выполняют из грунта с добавкой цемента (до 10 %) и воды. Грунтоцементную смесь укладывают слоями толщиной до 15 см и уплотняют катками. Крепления из грунтоцемента применяют при высоте волны до 1. Применение конструкций такого типа требует проведения мероприятий по борьбе с противодавлением; к числу их недостатков относится растрескивание при промерзании.

При косом подходе  волн может происходить перемещение  грунта по пологому откосу. Для предотвращения этого явления целесообразно  устраивать на откосе в один или несколько рядов продольные буны или волноломы, покрытые бетонными плитами или камнем. Иногда на пологих волноустойчивых откосах предусматривают дополнительно облегченнее крепление из гравийно-галечникового грунта или посадку древесно-кустарниковой растительности.

Низовой откос плотин в зоне волновых и ледовых воздействий со стороны нижнего бьефа крепится так же, как верховой. Остальную часть низового откоса защищают от атмосферных воздействии и в случае необходимости от разрушения землеройными животными. Для крепления низового откоса из песчаных или глинистых грунтов применяют посев трав по растительному слою толщиной 0,2–0,3 м, отсыпку щебня или гравия слоем толщиной 0,2 м и другие виды облегченных покрытий. Чаще всего низовой откос укрепляют посевом многолетних трав по слою растительного грунта толщиной 20–30 см (сплошным или в клетках из дерна) или одерновкой.

В районах с  сухим жарким климатом низовые откосы покрывают уплотненным слоев  щебня или гравийно-галечникового  грунта толщиной 15–20 см либо применяют другие виды облегченных покрытий.

В северной строительно-климатической  зоне толщину слоя крепления низового откоса плотины, отсыпаемого из щебня или гравия, принимают в соответствии с теплотехническими расчетами. Если низовой откос подвержен воздействию льда и волн со стороны нижнего бьефа, его крепление следует рассчитывать так же, как и для верхового откоса.

На низовом  откосе необходимо предусматривать  организованный отвод поверхностных  вод. Для этого по линии сопряжения плотины с берегами и на бермах размешают водопроводящие лотки и кюветы.

Для крепления  откосов каменной наброской следует  применять, как правило, несортированный  камень. Каменные материалы для крепления откосов следует применять из изверженных, осадочных и метаморфических пород, обладающих необходимой прочностью, морозостойкостью и водостойкостью.

При проектировании сооружений откосного профиля и  креплений откосов из рваного камня, обыкновенных и фасонных бетонных или железобетонных блоков массу и размеры отдельных камней, число камней размером менее расчетного, а также толщину наброски определяют расчетом согласно [СНиП 2.06.04-82]. Толщину каменной наброски следует принимать с учетом возможности частичного выноса мелких частиц из наброски при волновом воздействии, подвижки крупных камней, уплотнения материала крепления, а также опыта эксплуатации аналогичных креплений, но не менее 3d_0,85, где d_0,85 – диаметр камня, масса которого вместе с массой более мелких фракций составляет 85 % массы всей каменной наброски крепления.

Массу отдельного элемента m или m_z, т, соответствующую состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн, необходимо определять: при расположении камня или блока на участке откоса от верха сооружения до глубины  z = 0,7∙h по формуле:

 

;   (3.27)

то же, при z > 0,7∙h по формуле

 ;    (3.28)

 

где k_fr – коэффициент, принимаемый по табл. 3.14; при > 15, а также при наличии бермы k_fr следует уточнять по опытным данным;

р – плотность воды, т/м³,

р_m – плотность камня, т/м³.

Для берегозащитных сооружений за рубежом те же значения рекомендуется определять в соответствии с действующими там нормативными документами. Так, вес защитного элемента, находящегося на откосе может быть определен:

 

,    (3.29)

 

где W_r – вес отдельного защитного элемента,

р_m – плотность материала защитного элемента,

λ – угол наклона откоса,

К_D – безразмерный коэффициент (приведен в таблице 3.15 для откосов с заложением от 1/1,5 до 1/3).

 

 

 Таблица 3.14

Значения коэффициента k_fr

Элементы крепления	Коэффициент kfr
	при наброске	при укладке
Камень	0,025	-
Обыкновенные  бетонные блоки	0,021	-
Тетраподы и другие фигурные блоки	0,008	0,006

 

Из таблицы видно, что значение К_D, а соответственно и минимальный вес элемента существенным образом зависят от формы защитного элемента. Очевидным недостатком приведенной формулы является отсутствие учета длины волны, воздействующей на сооружение.

Толщина слоя защитных элементов обычно принимается равной максимальному размеру двух элементов, т. е. в защитном слое предполагается наличие двух элементов. Рекомендуемая ширина сооружения по гребню составляет три максимальных размера защитных элементов.

При проектировании крепления откосов из несортированной каменной наброски необходимо, чтобы значение коэффициента k_gr зернового состава находилось в границах заштрихованной зоны, приведенной на графике для определения допустимого зернового состава несортированной каменной наброски для крепления откосов рис. 3.13.

Таблица 3.15

Значения коэффициента К_D

Tолщина защитного элемента	Откос	Волна
		Разбивающаяся	Неразбивающаяся
Тетрапод	2	4,5	5,5
Долос	2	8,0	16,0
Рваный камень	2	1,6	2,8

 

Значение коэффициента k_gr должно определяться по формуле:

 

,     (3.30)

где m – масса камня, т;

m_i – масса камня, большая или меньшая расчетной, т;

D_ba,i и D_ba  – диаметры фракций камня, см, приведенные к диаметру шара, имеющего массу соответственно m_i и m.

 

При пологости откосов ctg j > 5, укрепляемых несортированной разнозернистой каменной наброской, расчетную массу камня m, т, соответствующую состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн, необходимо определять по формуле при с умножением результатов на коэффициент k_j, определяемый по табл. 3.16.

Таблица 3.16

Значения коэффициента k_j

ctg j	6	8	10	12	15
Коэффициент kj при	0,78	0,52	0,43	0,25	0,2