Глава 2. Вариант гидроузла с каменно-земляной плотиной
2.1 Паспорт гидроузла. Определение отметки гребня грунтовой плотины
2.3 Прогноз геотехнических характеристик грунтов в материалах плотины: в ядре (суглинок)
2.4 Расчет устойчивости откосов
2.5 Пропуск строительных расходов
2.6 Водосбросное сооружение
2.6.1 Выбор водосброса
2.7 Гидравлический расчет открытого берегового водосброса-быстротока
Глава 3. Плотина из укатанного бетона (УБ-2) (вариант Б)
3.1 Основные характеристики "укатанный бетон" (УБ)
3.1.1 Физико-механические характеристики укатанного и обычного бетонов
3.1.2 Основные факторы, влияющие на прочность на сдвиг в швах УБ
3.1.3 Современное состояние строительства плотин из укатанного бетона в мире
3.2. Современные тенденции в проектировании плотин из укатанного бетона
3.3 Определение отметки гребня плотины из укатанного бетона
3.4 Гидравлический расчет водосбросного сооружения
3.5 Расчеты устойчивости и напряжений в плотине по СНиПу Расчет плотины из укатанного бетона на прочность и устойчивость на сокращенный состав нагрузок (СНиП 2.06.06-85)
Литература

Глава 1
Курсовая работа охватывает дисциплины: гидротехнические сооружения, специальные подземные сооружения, механика грунтов, инженерная гидравлика.

Цель и задачи работы:

Тема данной работы - головной высоконапорный гидроузел на горной реке, сооружаемый для подачи воды в деривационную ГЭС (вопросы гидроэнергетики здесь не рассматриваются). Основными сооружениями гидроузла являются: каменно-земляная плотина на скальном основании, отводящий (строительный) туннель и береговой эксплуатационный водосброс (туннельного или открытого типа). Студент должен разработать рациональную компоновку гидроузла на основе заданных параметров водохранилища, гидрологических и геологических данных; с учетом прогноза геотехнических характеристик грунтовых материалов разработать рациональную конструкцию каменно-земляной плотины, выполнить необходимые суффозионно-фильтрационные и статические расчеты плотины, запроектировать основные элементы ее конструкции с учетом геотехнических характеристик грунтов плотины и основания, а также разработать схему пропуска расходов реки во время строительства и эксплуатации гидроузла, выполнить требуемые гидравлические расчеты и запроектировать водосбросные сооружения гидроузла.

Руководитель работы: проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Консультанты по разделам:

Каменно-земляная плотина - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Водосбросные сооружения - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

II. Исходные данные для проектирования (задание 11)

а) Топографические данные:

1. План места строительства гидроузла и геологический разрез по его створу /Приложение I/.

б) Гидрологические данные:

Максимальные расчетные расходы реки: строительный расход: Q10% = 400 м3/сек, эксплуатационный расход; Q1% = 1200 м3/сек.

2. Кривая связи расходов и уровней воды в створе гидроузла

Расходы воды, м3/сек

100

200

500

800

1200

Уровни НБ,

87,0

91,0

91,8

93,0

93,7

94,0

3. Отметка минимального уровня воды НБ: 91,0 м

4. Отметка максимального уровня воды НБ: 94,0 м

5. Расчетная скорость ветра: 28,0 м/сек

6. Максимальная сейсмичность района строительства: 8 баллов

7. Длина водохранилища по направлению господствующих ветров: 3км

в) Задаваемые параметры гидроузла:

1. Класс гидроузла: II

2. Состав основных сооружений: (плотина, водосбросы)

3. Отметка нормального подпорного уровня (НПУ): 145,5 м

4. Отметка уровня мертвого объема: 135,0 м

5. Кривая объемов водохранилища:

Отметки уровней воды ВБ, м	87,0	100	120	135	140	145,5
Объем водохранилища, 106м3	0	0,1	0,2	1,8	3,7	8,4

г) Геологические условия в створе гидроузла:

1. Физические расчетные характеристики грунтов и скальных пород основания

№ пород	Наименование породы и плотность ее частиц, г ч, т/м3	Степень трещиноватости, (модуль, Мт)	Степень выветрелости (коэфф. - т, Квс)	Удельное водопоглощение, q, л/мин на 1п. м.	Коэффициент фильтрации, Кф, м/сут
1	известняки (2,72)	10	0,75	4,0	-
2	суглинки (2,77)	-	-	-	0,1
3	крупный песок (2,6)	-	-	-	50

2. Механические расчетные характеристики пород основания


№ пород	Временное сопротивление сжатию Rс, кгс/см2	Прочность на сдвиг	Модуль деформации Е*103, кгс/см2	Коэффициент Пуассона, н	Коэффициент крепости, fкр
		Сцепление С, кгс/см2	Угол внутреннего трения, tg
1	200	1,5	0,8	50	0,22	7
2	-	1,2	0,5	0,25	0,35	-
3	-	-	0,62	0,5	0,3	-

д) Карьерные грунты:

Расчетные характеристики грунтов:

а) физические характеристики:

№ грунтов	Плотность частиц, г ч, т/м3	Пористость, n	Коэфф.-т фильтрации Кф, см/с	Для связных грунтов (дополнительно)
				Каръерная влажность, W к,%	Оптимальная влажность, W опт,%	Максим. плотность сухого грунта, гсух (макс), т/м3	Число пластич-ности, W пл,%	Предел раска-тыва-ния, Wр,%
1	2,7		10-6	8,0	8,5		7,0	18,0
2	2,65		10-1	3,0	-		-	-

б) зерновой состав (содержание в % различных фракций крупностью d, мм)

№ грунтов и их наименование	<0,005 мм	0,005-0,05 мм	0,05-0,5 мм	0,5-5 мм	5-100 мм	100-500 мм	>500 мм (Dmax, мм)
1 морена	9	25	16	13	37	0	(200 мм)
2 галечник	-	-	5	10	45	30	10 (600)
3 камень

Состав работы:

В составе работы студенту необходимо:

1. Определить превышение гребня плотины над НПУ с учетом расчетных параметров волны.

2. Разработать противоволновое крепление верхового откоса крупным камнем

3. Выполнить прогноз геотехнических характеристик каръерных грунтов в плотине.

4. Разработать предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром с учетом природных условий строительства и геотехнических характеристик грунтов плотины.

Выполнить суффозионно-фильтрационные расчеты глинистого ядра плотины, запроектировать обратные фильтры и переходные зоны плотины.

Выполнить расчеты порового давления воды и осадок в глинистом ядре плотины к концу строительства плотины.

Выполнить на компьютере (программа UST) расчеты статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

8. На основе выполненных расчетов уточнить профиль плотины с разбивкой его на зоны грунтов, разработать конструкцию гребня плотины, основных элементов сопряжения глинистого ядра плотины со скальным основанием и береговыми примыканиями.

9. Разработать рациональную конструкцию берегового эксплуатационного водосброса (туннельного или открытого) и отводящего (строительного) туннеля с учетом возможности их совмещения.

10. Выполнить гидравлические расчеты эксплуатационного и строительного водосбросов, определив размеры сечений входного, транзитного и концевого участков, режим сопряжения бьефов с учетом устройств нижнего бьефа по гашению энергии потока;

11. Разместить водосбросы и грунтовую плотину на генплане с учетом топографических, гидрологических и геологических условий, добившись рациональной компоновки гидроузла.

Отчетные материалы:

1. Чертежи в ACAD (3 листа формата А3 или А2)

Лист 1. Генплан гидроузла и геологический разрез по створу с показом всех сооружений.

Лист 2. Грунтовая плотина. Результаты расчетов плотины. Поперечники и детали плотины. Лист 3. Эксплуатационный и строительный водосбросы. Продольный и поперечные разрезы.

Примечание: компоновка чертежей, масштабы и степень детализации сооружений устанавливаются студентом при консультации с преподавателем и утверждаются руководителем.

2. Пояснительная записка в Word (формат А4, 25-30 стр).

Введение. Оценка природных условий и исходных данных.

Глава I. Описание компоновки гидроузла с учетом схемы пропуска строительных и эксплуатационных расходов реки.

Глава 2. Каменно-земляная плотина:

1. Расчеты параметров волны и превышения гребня плотины над НПУ.

2. Расчет противоволнового крепления верхового откоса крупным камнем

3. Прогноз геотехнических характеристик грунтовых материалов в плотине.

4. Предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром.

5. Расчеты фильтрации и выходных градиентов фильтрации в глинистом ядре.

6. Расчеты (подбор) обратных фильтров и переходных зон плотины.

7. Расчеты порового давления воды (закрытая и открытая схемы) и осадок в глинистом ядре к концу строительства плотины.

8. Расчеты на компьютере (программа UST) статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

Глава 3. Водосбросные сооружения:

1. Гидравлические расчеты отводящего туннеля.

2. Гидравлические расчеты эксплуатационного водосброса.

3. Расчет режима сопряжения бьефов с учетом устройств НБ по гашению потока.

Список использованной литературы.

Примечание:

Графические материалы, формулы и таблицы, используемые в расчетах или получаемые в результате расчетов, проводятся в пояснительной записке со ссылкой на источники.

В начале записки прилагается задание (план местности, геологический разрез и др.).

Глава 2. Вариант гидроузла с каменно-земляной плотиной
2.1 Паспорт гидроузла. Определение отметки гребня грунтовой плотины
Отметку гребня плотины следует назначать на основе расчета возвышения гребня (hs) над расчетным уровнем воды.

Отметку гребня плотины (Гр) следует определять для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе (ВБ):

при нормальном подпорном уровне (НПУ), соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий:

Гр = НПУ + hs =145.5+3,74=149,24 (1)

Из двух полученных результатов расчета выбирают более высокую отметку гребня плотины.

Возвышение гребня плотины hs, в обоих случаях (Рис.1) определяется по формуле:

hs = hset + hrun 1% + a =0,0011+2.93+0,8=3,74 (2)

где hset - ветровой нагон воды в ВБ;

hrun 1% - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%;

а - запас возвышения гребня плотины.

Рис. 1. Схема определения отметки гребня грунтовой плотины: а) без парапета; б) с парапетом; 1 - расчетный уровень при НПУ и ФПУ; 2 - парапет: 3 - объем экономии грунта.

При определении первых двух слагаемых формулы (2) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) по СНиП 2.06.04-82*: для плотин I, II класса - 2% и III, IV класса - 4%. При особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности следует принимать для сооружений I - II классов 20%, для III класса - 30%, для IV класса - 50%.

Запас а для всех классов плотин принимают не менее 0,5 м.

При определении высоты наката волн на гидросооружения обеспеченность волн в этой системе принимают равной 1%.

Отметку гребня плотины принимают с учетом строительного подъема, назначаемого сверх определенного по формуле (3-3) возвышения hs. Величину строительного подъема определяют по расчетной строительной осадке гребня.

При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем ВБ следует принимать не ниже значений, полученных, по формуле (3-3).

Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают наибольшую из них. Парапет уменьшает объем насыпи (Рис.1, б), но появляются затраты на железобетон парапета.

Высота ветрового нагона определяется по формуле:

hset= Kw Vw2cos aw/gH= 0,00000282х282х3000хcos0°/9,81х58,5=0,011 м (6.4)

где aw - угол между направлением господствующего (расчетного) ветра и продольной осью водохранилища, град.; L - длина разгона волны по направлению господствующих ветров, м; Vw - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над НПУ, м/с; H - условная расчетная глубина воды в водохранилище, м; g = 9,81 м/с2; K - безразмерный коэффициент, зависящий от скорости ветра Vw по формуле:

K = 3 (1+0,3Vw) 107=0,00000282 (3)

При определении элементов ветровых волн водоемы делят на отдельные зоны. В ВБ обычно имеют место глубоководная зона (), где дно не влияет на основные характеристики волн, или мелководная зона (), в которой дно оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристики (H1 - расчетная глубина воды; - средняя длина волны в глубоководной зоне; Нкр - критическая глубина воды, при которой происходит первое обрушение волн).

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (hrun 1%, м) для волн 1% обеспеченности (h1%) при глубине воды перед сооружением H12h1% определяют по формуле:

=0,72х0,55х1,6х2,02х1х2,29=2,93 (4)

где значения высоты бегущей волны обеспеченностью 1% (h1%) и коэффициентов Кr, Кp, Ksp и Krun определяются либо по номограммам и таблицам СНиП 2.06.04-82* [2] с погрешностью до 10%, либо точнее по нижеследующим зависимостям, полученным на основе обработки этих номограмм и таблиц. Это позволяет избежать ошибок при интерполяции данных номограмм и таблиц и проанализировать влияние отдельных факторов на высоту наката.

Для нахождения высоты волны обеспеченностью 1% (h1%) следует знать среднюю высоту , средний период Т и среднюю длину волн в глубоководной или мелководной зоне.

В глубоководной зоне указанные параметры волн находятся по следующим новым расчетным зависимостям:

средняя высота волны. (hd, м)

(5)

где находится по зависимости:

(6)

в которой параметр А равен меньшему значению из величин (L/Vw) или (0,5 t); Vw - расчетная скорость ветра, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; L - расчетная длина разгона волн, м; t - продолжительность действия ветра, принимаемая для предварительных расчетов t= 21600 с. Средний период волны (Т, с)

(7),

где = (8)

средняя длина волны (, м)

(9)

В расчетах устойчивости и прочности креплений откосов из бетонных плит и каменной наброски расчетная обеспеченность i% высоты волн равна, соответственно, 1 и 2%, а при определении наката волн i=1%.

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне равна:

(10)

где Кi - коэффициент, определяемый по следующей формуле:

(11)

в которой i - принятая обеспеченность, %; L - длина разгона волны, м; а - показатель степени равный:

при i1 а = 0,14 (1 + 0,01i); (12)

при i<1 a=0,14i 0.25; (13)

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне (hd 1%) будет равна:

(14)

где K1% находится по формулам (6.13 - 6.16) при i = l, т.е.

(15)

В формуле (6.17) Кr и Кp - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, зависящие от типа крепления, могут быть определены по следующим зависимостям:

= (16)

где r - средний размер шероховатости, м (средняя крупность материала крепления или средний размер бетонных блоков).

В формуле (16) при значениях r/hd1%0,002 и r/hd1% 0,2, соответственно, следует принимать Кr = 1 и Кp = 0,9.

При r/hd1%=0,13 принимаю Кr = 0,72 и Кp = 0,55.

Кp = (0,9 - r/hd1%) Кr (17)

в которой при значениях выражения (0,9-r/hd 1%) <0,7 следует принимать (0,9 - r/hd1%) = 0,7; Кr - определяется по (16).

Коэффициент Кsp в формуле (3-6), зависящий от расчетной скорости ветра и крутизны верхового откоса, может быть определен по формуле (18):

Кsp =0,11 [0,15 - Vw (l+0,4m1) - 0,6m1 + 8,5] =0,11 [0,15х28 (1+0,4х1,8) - 0,6х1,8+8,5] =1,6 (18)

в которую при скорости ветра Vw>20 м/с и Vw<10 м/с следует подставлять, соответственно Vw=20 м/с и Vw =10 м/с, а при заложениях верхового откоса m1>5 величину Кsp=1,6 для значений Vw >20 м/c и Ksp =1,2 для значений Vw <10 м/с.

Коэффициент пологости волны Krun в формуле (5) зависит от крутизны (заложения m1) верхового откоса и может быть определен при глубине воды перед сооружением H12 hd 1% по следующим зависимостям:

при m1 1,5

Krun = l,25 + lg (l + 6) (19)

при m1>1,5

(20)

При глубине воды перед сооружением H1<2 hd1% и при значениях m1>l,5 вместо формулы (3-22) действует формула:

(21)

Полученные по формулам (20) и (21) значения Krun следует ограничивать величиной Krun 2,6 - 2,7.

Коэффициент Kв в формуле (3-6), учитывающий угол в подхода фронта волны к плотине (угол в можно принять равным углу бw между продольной осью водохранилища и направлением ветра, в=бw), определяется по зависимости:

=1 (22)

где в =0 - угол подхода фронта волны, град.

Высота наката на откос волн, произвольной обеспеченности i,% по накату определяется по формуле:

м (23)

где Кнi - коэффициент, учитывающий обеспеченность по накату, значения которого определяют по формуле:

(24)

в которой i - заданная обеспеченность по накату,%.

В случае мелководной зоны (H1) для определения высоты наката волны пользуются формулой (6.6), а высоту и длину волны корректируют по зависимостям:

(25)

(26)

где и - средние значения высоты и длины волны;

и - коэффициенты, определяемые по формулам:

= 1,06 { [2-H1/] H1/] }0,38 (27)

= { [2,15 - H1/] H1/}0,42 (28)

2.3 Прогноз геотехнических характеристик грунтов в материалах плотины: в ядре (суглинок)
При проектировании грунтовых плотин необходимо знать физико-механические (геотехнические) свойства грунтовых материалов, приготавливаемых из местных грунтов карьеров или полезных выемок гидросооружений (последнее обычно предпочтительнее).

В грунтовых плотинах свойства грунтов можно регулировать, изменяя их зерновой состав, влажность, метод укладки (послойная статическая или вибрационная укатка, наброска без укатки, отсыпка в воду), которые определяют плотность укладки грунтов и как следствие, их прочность, деформируемость и водопроницаемость.

В грунтовых плотинах глинистый грунт обычно используют в водоупорных элементах (ядре или экране), в нашем случае в ядре. В плотину глинистый грунт стремятся укладывать при оптимальной влажности Wonт, при которой при выбранном методе уплотнения (тип катка, число его проходок, толщина слоя) достигается максимальная плотность сухого грунта гсухмакс. В общем случае Wonт грунта зависит от типа катка и числа его проходок. В нашем случае Wonт=10,68%. .

Оптимальную влажность глинистого грунта определим методом Проктора (стандартного), т.к у нас легкий каток.

Согласно методу Проктора (табл.6.6) грунт испытывают в лаборатории на уплотнение ударной нагрузкой. Опыты проводят в стальном цилиндре диаметром 100, 150 и 350 мм в зависимости от максимальной крупности частиц грунта (соответственно, 20, 32 и 60 мм), в который укладывают последовательно 3 или 5 слоев грунта и утрамбовывают его падающим грузом массой, соответственно, 2,5, 4,5 и 15 кг. Число ударов и высота падения груза подобраны так, чтобы интенсивность уплотнения 1 м3 грунта по стандартному Проктору была эквивалентна легким каткам, а по модифицированному Проктору - тяжелым каткам.

Допустимое значение плотности сухого глинистого грунта гсух при укатке можно приближенно определить по формуле (6.69 Приложения 6.12):

Определение плотности сухого грунта:

гсух = гч гв (1 - V) / (гв + Wрасч гч) = 2,7*1 (1-0,04) / (1+11,68*2,7) = 1,9 т/м3

где гч - плотность частиц грунта (т/м3); гв - плотность воды; V - объем защемленного в грунте воздуха в долях 1,0 (в глине 0,03, суглинке 0,04, супеси 0,05, лёссе 0,07); Wрасч - расчетная влажность грунта (в долях 1,0).

Обычно в каменно-земляных плотинах 1 и 2 классов расчетное значение плотности глинистого грунта при укатке гсухрасч принимается не менее гсухмакс по стандартному Проктору.

Вместо формулы (6.69) для определения гсухмакс суглинистых грунтов каменно-земляных плотин можно использовать корреляционную зависимость (6.70), полученную по натурным данным в виде:

гсухмакс = 1,44 + 0,88 ln [гч/ (1+eТ)] = 1,44+0,88 ln [2,7/ (1+0,675)] =1,86 т/м3

WТ =Wпл. + Wp = 7+18=25%

Тогда eТ = гчWТ = 2,7*0,25= 0,675

гч/ (1+eТ) - плотность сухого грунта при влажности WТ.

Определение оптимальной влажности грунта

Wопт = 11,83 ln (eопт WТ) + 37,07,% = 11,83 ln (0,43*0,25) +37,07= 10,68%

eопт = (2,75 - 1,86) / 1,86 =0,45

Определение коэффициента фильтрации для плотины

По формуле Жарницким В.Я. для коэффициентов фильтрации суглинков ряда каменно-земляных плотин в следующем виде:

kф =0,574 [e/ (P<5 мм WТ)] 3,22 10-7, см/с

kф =0,574 [0,42/ (0,63* 0,25)] 3,22 10-7 = 1,35* 10-6 см/с

Определение расчетных параметров.

На основе этих исследований был обоснован безразмерный эквивалент физических параметров - обобщенный коэффициент физических характеристик обломочно-пылевато-глинистого грунта Мф в качестве меры связей физических характеристик с механическими. Безразмерный эквивалент грунта Мф определяется как:

Мф = p1 [IP (1+IL)] / p2

где р1 - процентное содержание заполнителя (частицы <2 мм) в грунте; р2 - то же, обломков (частицы ?2 мм); IP - число пластичности заполнителя; IL - показатель текучести заполнителя.

Мф = p1 [IP (1+IL)] / p2 =0,63 [0,07 (1+0,25)] /0,37=0,15

Нормативные значения углов внутреннего трения крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с крупными включениями при консолидированном срезе цп (град) определяют по степенной зависимости:

цп = k1 kц 46,0 (0,3) Mф

где k1 - коэффициент окатанности обломков для угла цп грунтов с окатанными обломками k1; для грунтов с острыми обломками k1 =1; kц - коэффициент, учитывающий прочность обломков; Мф - физический эквивалент грунта.

k1=0,88

цп = k1 kц 46,0 (0,3) Mф =0,88*1*46* (0,3) 0,15 =33,79

Нормативные значения сцепления крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с обломками для схемы консолидированного среза Сn (кПа) определяют по формуле:

Сn = k2 kг 79,0 Мф0,32/ (1 + IL) 3,62

где k2 - коэффициент окатанности обломков для сцепления: для грунтов с окатанными обломками, k2=0,9.

Сn = k2 kг 79,0 Мф0,32/ (1 + IL) 3,62=0,9*1,1*79*0,150,32/ (1+0,25) 3,62=18,64КПа?1,9т/м2

Нормативные значения модулей деформации Е, МПа, крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с обломками определяют по формуле:

E = kE kL kp (E) / (0,07 Мф + 0,017)

где Мф - физический эквивалент грунта; kE - коэффициент, учитывающий прочность крупных обломков; kL - коэффициент, зависящий от процентного содержания обломков Р2 и показателя текучести пылеватого или глинистого заполнителя IL; kp (E) - коэффициент, учитывающий плотность грунта, принимается в зависимости от соответствия фактической плотности грунта гф, т/м3, ее нормированным значениям гn.

гn = ks гn1=2,16

E = kE kL kp (E) / (0,07 Мф + 0,017) =1*0,75*1,05/ (0,07*0,15+0,017) =29,78

в боковых призмах (галечник)

Определение минимальной плотности сухого грунта

гсухмин = А гч /2,65 [?Р (K1/2)] 0,05

гсухмакс = 1,794 +0,125 ln [1 - n) k гч], т/м3

По Жарницкому В. определение пористость горной массы, n

n = 0,45- 0,1 lg (d60/d10) = 0,45- 0,1 lg (3/0,007) =0,186

определение коэффициент неравномерности раскладки частиц грунта в слое, k

k=1+ 0,05 (d60/d10) = 1+ 0,05 (3/0,007) =22,42

определение максимальной плотности сухой горной массы

гсухмакс = 1,794 +0,125 ln [1 - n) k гч] = 1,794 +0,125 ln [1 - 0,186) 22,42*2,65] =2,2 т/м3

emax=гч-гсухмин/ гсухмин =0,65

emin= гч- гсухмакс/ гсухмакс=0,2

e= emax- ID (emax-emin) =0,65-0,87 (0,65-0,2) =0,26

где Id - коэффициент плотности уплотнения

гсухмин = А гч /2,65 [?Р (K1/2)] 0,05=1,6

Определение расчетных параметров

ш0 = и + б IkD =40 є +8 є.0,870,9 = 47,06

tgцрасч = tgцнорм/1,15= tg47/1,15= 0,93

ц=43є

Заложение откосов плотины определяется расчетами устойчивости и зависит от конструкции плотины, расчетных характеристик прочности грунтов тела плотины, условий эксплуатации, геологического строения основания и т.п. На предварительных стадиях проектирования заложения откосов назначается на основе опыта проектирования и эксплуатации существующих плотин. Предварительно назначаем угол заложения откосов m1 и m2: m2 - Низовой откос сtg бн =1,3/tgцрасч = 1,4, m1-Верховой откос сtg бв= сtg бн+0,2=1,6

2.4 Расчет устойчивости откосов

Расчет был произведен с помощью программа UST.

1. Основные характеристики программы UST

Программа UST предназначена для нахождения коэффициента запаса откосов по КЦПС. Большим преимуществом UST по сравнению с другими подобными программами является то, что она требует малого времени машинного счета, что обеспечивает возможность эффективно увеличить количество граничных линий для различных грунтов и вариантов кругов скольжения. Эта программа, в частности, полезна для тех, кто имеет небольшой опыт в расчетах устойчивости. С ее помощью может быть исследована большая зона и получен минимальный коэффициент запаса. Основные особенности этой программы формулируются следующим образом:

1. Могут рассматриваться откосы любой конфигурации при наличии большого числа различных слоев грунта (до 25).

2. Фильтрация может быть учтена как введением пьезометрической поверхности, так и коэффициентом порового давления. Можно одновременно рассматривать несколько различных случаев фильтрации.

3. Могут быть вычислены коэффициенты запаса как статической, так и сейсмической устойчивости откосов.

4. Число точек описывающих геометрию области - до 125.

5. Число отсеков обрушения шириной "b" - до 200.

6. Максимальное число центров вращения - до 400.

7. Допускается большая гибкость при назначении радиусов. Для проверяемых зон можно устанавливать один или большее число радиусов и указывать количество кругов для каждой зоны.

8. Могут быть вычислены коэффициенты запаса для ряда отдельных центров или их групп, которые образуют сетку. Путем выбора одного или большего числа вероятных центров может быть задействована процедура поиска для локализации минимального коэффициента запаса.

Расчет по методу Терцаги-ВНИИГ в программе UST

Этот метод применяется для расчета статической и сейсмической устойчивости откосов всех грунтовых сооружений и плотин. При этом расчетная область делится на элементарные отсеки шириной "b" (рис.5.49).

Рис. 2. Cхема к определению коэффициента запаса устойчивости откоса по кругло-цилиндрической поверхности скольжения: 1 - поле центров кругов скольжения; 2 - круги, проведенные с шагом ?R; 3 - круги, касательные к слоям; 4 - ось элементарных отсеков (столбиков); 5 - нижняя граница расчетной области (поверхность грунта)

Намечаются, согласно приведенным ниже указаниям, центры окружностей скольжения, и из каждого центра проводится серия возможных окружностей скольжения. Для каждой окружности скольжения определяется коэффициент статической устойчивости по формуле Терцаги - ВНИИГ:

(1)

где - масса грунта в отдельном отсеке с учетом водонасыщения;

- величина полного давления поровой воды (т/м2), равная пьезометрическому напору (м), умноженному на плотность воды (т/м3);

- ширина элементарного отсека (м);

- коэффициент трения; - расчетное сцепление грунта (т/м2);

- угол (в градусах) между вертикалью и радиусом, проведенным из центра вращения в точку пересечения оси отсека с окружностью скольжения;

- плотность водонасыщенного грунта (ниже уровня воды) или грунта природной влажности (выше уровня воды) в т/мі;

- высота отсека, занятая грунтом или водой (м).

В расчете суммирование производится по всей длине кривой скольжения до пересечения ее с поверхностью грунта в правой и левой частях плотины. Расчет можно выполнить при двух вариантах определения давления в поровой воде . В первом основном случае величина определяют как вертикальное расстояние от любой точки поверхности скольжения до депрессионной кривой (рис.3)

Рис.3. Схема определения давления в поровой воде грунта основания и плотины в расчете устойчивости откосов; учет давления воды ВБ и НБ

Во втором случае величину задают в узлах прямоугольной сетки, что позволяет учитывать влияние на устойчивость откоса ряда факторов, изменяющих картину распределения пьезометрических напоров в плотине и ее основании. Варьируя величинами полного давления воды и сопротивления сдвигу, определяют величину для всех расчетных случаев.

Перед расчетом составляется схема расчетной области в прямоугольных координатах. Начало координатных осей в первом приближении можно определить следующим образом. За нулевую отметку (ось абсцисс) принимается самая нижняя точка поверхности более прочного грунта. Если такой поверхности нет, то нулевая отметка выбирается на глубине одной - двух высот плотины от поверхности основания.

Центры кривых скольжения располагают в пределах поля центров окружностей скольжения. Далее откорректируют границы поля центов окружностей скольжения так, чтобы рассматриваемые поверхности скольжения покрывали все участки откоса, как это делалось на рис.5.49 для того, чтобы сместить поле центров окружностей скольжения или увеличить его достаточно изменить координаты поля центров вращения.

Поле центров окружностей скольжения разбивается сеткой с шагом и . Опыт показал, что величины и можно принять равными , где - абсцисса точки на поверхности сооружения. Из каждой точки сетки проводится серия окружностей скольжения разного радиуса. Одни из них являются касательными (см. рис.2) к границам слоев основания, что дает возможность учесть влияние слабого слоя на устойчивость, радиусы других окружностей меняются от максимального до минимального с шагом , который может быть произвольным. При этом для каждой точки сетки - это радиус окружности касательной к нижней границе расчетной области, для каждой точки сетки - это радиус окружности, примерно равный длине перпендикуляра из рассматриваемого центра на грань откоса плюс , не рассматриваются поверхности, содержащие 4 и менее отсеков и поверхности, в которых максимальное заглубление менее 1,6 м.

2. Новые нормы РФ на проектирование гидросооружений в сейсмических районах.

В пока еще действующих российских нормах 1981 г. (СНиП II-7-81*) [9, 10] основным расчетом, оценивающим сейсмостойкость сооружений, является расчет по линейно-спектральной теории (ЛСТ). Между тем Международная комиссия по большим плотинам (ICOLD) рекомендует для ответственных сооружений и для интенсивных землетрясений, когда превышается предел упругой работы, выполнять полномасштабный нелинейный динамический анализ по динамической теории (ДТ) на два уровня землетрясений [7, 8].

В марте 2003 г. в России утверждены новые нормы (СНиП 33-03 "Гидротехнические сооружения в сейсмических районах" [13]), регламентирующие строительство гидросооружений в сейсмических районах, которые соответствуют рекомендациям ICOLD [7, 8].

Одна из главных особенностей этого документа заключается в том, что вводятся два уровня сейсмических воздействий. Нижний уровень - это "проектное землетрясение" (ПЗ), т.е. землетрясение с максимальным сейсмическим воздействием, используемым для проверки сейсмостойкости всех сооружений, расположенных на данной строительной площадке. ПЗ с достаточной вероятностью может произойти в течение срока службы сооружения; сооружение должны быть в состоянии перенести такое землетрясение без существенных повреждений, не нарушающих нормальную эксплуатацию всего сооружения. Верхний уровень - это "максимальное возможное землетрясение" (МВЗ), т.е. землетрясение с максимальным сейсмическим воздействием, используемым для проверки сейсмостойкости наиболее ответственных сооружений из числа расположенных на данной строительной площадке. Вероятность МВЗ мала: при таком землетрясении сооружение может получить большой ущерб и утратить ряд своих функций, но оно не должно полностью разрушиться (для плотин не допускается прорыв напорного фронта).

2.1 Группы гидросооружений по их сейсмостойкости

В первую очередь проектируемое гидросооружение с учетом его вида и уровня ответственности, определяемого классом этого сооружения, должно быть отнесено к 1-ой или 2-ой группе по степени обеспечения его сейсмостойкости. К 1-ой группе относятся плотины I и II классов, ко 2-ой группе - все остальные сооружения.

Смысл разделения гидросооружений на группы по их сейсмостойкости прежде всего состоит в том, что сооружения 1-ой группы рассчитываются на два уровня сейсмических воздействий (ПЗ и МВЗ), а сооружения 2-ой группы рассчитываются только на ПЗ.

2.2 Назначение периода повторяемости расчетного землетрясения

Нормы устанавливают, что минимальное значение периода повторяемости проектного землетрясения ТПЗПОВ определяется величиной 100 лет, а максимальное значение периода повторяемости максимального возможного землетрясения ТМВЗПОВ величиной 10000 лет.д.опускается по усмотрению Заказчика принимать значение ТПЗПОВ=100-500 лет для всех сооружений, а при специальном обосновании принимать ТМВЗПОВ=5000-10000 лет.

2.3 Определение параметров расчетного землетрясения

2.3.1 Сооружения 1-ой группы

Для сооружений 1-ой группы нормы предусматривают выполнение сейсмологических исследований, в результате которых в районе сооружения должны быть установлены расположение основных зон возможных землетрясений и характеристики этих землетрясений, включая параметры сейсмических воздействий и направление подхода к сооружению сейсмических волн из расположенных в указанных зонах очагов землетрясений. На основе этих исследований для площадки строительства определяется параметр, отражающий в расчетах интенсивность сейсмического воздействия, - величина расчетного ускорения основания сооружения при землетрясениях с принятыми периодами их повторяемости (ТПЗПОВ и ТМВЗПОВ). Для указанной группы сооружений в качестве такой величины принимаются (с обеспеченностью не менее 50%) максимальные пиковые ускорения основания при проектном землетрясении аППЗ и при максимальном расчетном землетрясении аПМВЗ.

Данные величины являются главными параметрами расчетных акселерограмм (РА), моделирующих расчетные сейсмические воздействия. В качестве РА используются аналоговые акселерограммы из числа записей, сделанных непосредственно на площадке строительства или в районах, сходных с районом строительства по тектоническим, геологическим и другим условиям. Применяются также синтезированные акселерограммы, полученные с учетом таких параметров, как общая длительность сейсмических колебаний, преобладающий период колебаний с максимальным пиковым ускорением, длительность фазы сейсмических колебаний с амплитудными значениями ускорения, составляющими 0,3 или 0,5 максимального пикового значения и преобладающие периоды колебаний точек на поверхности. При синтезе РА учитываются данные о скоростных, частотных и резонансных характеристиках грунтов в основании. Используется также методика синтезирования РА, в которой заданным является спектр реакции, представляющий собой огибающую спектров реакций аналоговых акселерограмм. При необходимости аналоговые и синтезированные акселерограммы масштабируются по величинам аППЗ и аПМВЗ.

Важным элементом построения РА является ограничение снизу величин максимальных пиковых ускорений основания аППЗ и аПМВЗ. Для этой цели в качестве первой основы используются данные сейсмического районирования территории страны.

В настоящее время в России для оценки сейсмической активности местности принята 12-балльная сейсмическая шкала МSК-64 (фактически - аналог шкалы Меркалли, модифицированной ММ). В этих единицах сейсмичность территории определяется по картам Общего сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97). На этих картах (А, В, С) указана нормативная сейсмичность IНОР, т.е. интенсивность землетрясения, имеющего на данной территории нормативное значение повторяемости ТНОРПОВ.

В связи с повышенной ответственностью сооружений 1-ой группы сейсмостойкости для этих объектов предусматривают дополнительное уточнение нормативной сейсмичности площадки строительства методами детального сейсмического районирования (ДСР).

Принято, что площадки с нормативной (исходной) сейсмичностью IНОР (при средних по сейсмическим свойствам грунтах), равной 7, 8 и 9 баллам, имеют величины расчетного ускорения основания (в долях g) 0,10; 0,20 и 0,40 соответственно.

Грунтовые условия на строительстве оцениваются через категории грунтов по их сейсмическим свойствам. Таких основных категорий грунтов принято три.

К I категории относятся большинство скальных грунтов (скорость распространения поперечных волн VS >700 м/с), за исключением сильновыветрелых и разрушенных. К II категории относятся грунты с VS=250-700 м/с: полускальные грунты (с сопротивлением на одноосное сжатие RC <5 МПа), крупнообломочные, песчано-гравелистые и песчаные грунты, плотные и влажные, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести IL<0,5. К III категории относятся грунты с VS< 250 м/с: рыхлые и водонасыщенные пески, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести IL> 0,5. В случаях, когда основание площадки сложено грунтами, занимающими промежуточное положение между грунтами I и II или II и III категорий (например, слоистыми грунтами), дополнительно к категориям грунта вводятся, соответственно, категории I-II и II-III. При этом расчетная сейсмичность площадки IРАС при грунтах I-II категории принимается как при грунтах II категории, а при грунтах II-III - как при грунтах III категории.

В нормах допускается при соответствующем обосновании снижать на 1 балл расчетную сейсмичность IРАС на период нахождения водохранилище в опорожненном состоянии.

Нижние границы для максимальных пиковых ускорений основания аППЗ и аПМВЗ на площадке строительства определяются по формулам:

аППЗ = kАПЗg A500 (2-1)

аПМВЗ = kАМВЗg A5000 (2-2)

где A500 и A5000 - расчетные амплитуды ускорения основания (в долях g, м/с2), определенные для землетрясений с нормативными периодами повторяемости T500ПОВ и T5000ПОВ соответственно с учетом отличия реальных грунтовых условий на площадке от средних грунтовых условий; значения A500 и A5000 (а также значения IРАС) даны в таблице 2.1; kАПЗи kАМВЗ - коэффициенты, учитывающие вероятность данного землетрясения за расчетный срок службы TСЛ, а также переход от нормативного периода повторяемости в 500 лет T500ПОВ к принятому периоду повторяемости ТПЗПОВ и от нормативного периода повторяемости в 5000 лет T5000ПОВ к принятому ТМВЗПОВ; значения kАПЗи kАМВЗ принимаются по таблице 2.1

Таблица 2.1 Значения величин A500 и A5000 (в долях g)

Категория

грунта

IНОР, баллы