Первые грунтовые плотины возводились еще до нашей эры в Индии, Египте, Китае и других странах. В России плотины из грунтовых материалов известны с X-XIII в.в. нашей эры. Их строили для создания прудов, приведение в движение мельниц и различных гидроустановок, применяемых при орошении, использовали на водном транспорте, в гидроэнергетике и других отраслях экономики. В середине прошлого столетия плотины из грунта по сравнению с другими их типами получили наибольшее распространение. Широкое распространение этого типа плотин связано с бурным развитием техники, предназначенной для производства земельно-скальных работ. Данный вид сооружений, благодаря своим особенностям, позволяет полностью механизировать весь технологический процесс своего возведения, от разработки грунта в карьере до укладки его в тело плотины. Широкому распространению этого типа плотин вплоть до наших дней способствует и то обстоятельство, что требование к деформациям оснований для них по сравнению с другими типами плотин являются наименьшими. Плотины из грунтовых оснований отличаются простотой конструкции и сравнительно низкой стоимостью.

Классическая плотина из грунтового материала обычно имеет поперечное сечение трапецеидального вида с прямолинейным или ломаным очертанием верхового («бровка») или низового («подошва») откосов, а также горизонтальные участки откосов, называемые «бермами».

При выборе типа плотины проектировщикам приходится учитывать целый ряд технико-экономических факторов. К основным из них можно отнести: качество и количество грунтов, имеющихся в данной местности; расстояние напоров этих грунтов до створа плотины; характер геологического строения основания; климатические условия; предлагаемый способ работ; условия строительства (запланированные сроки строительства, имеющееся оборудование и транспортные средства и т. д.).

Грамотно спроектированная плотина должна удовлетворять ряду требований:

· тело плотины и ее основание должны быть устойчивыми при всех условиях их работы;

· водосбросные устройства плотины и возвышения ее гребня над самым высоким уровнем воды в верхнем бьефе должны быть рассчитаны так, чтобы ни при каких условиях не происходило перелива воды через гребень плотины;

· фильтрация воды через тело плотины и ее основание не должна быть значительной и приводить к большим потерям воды из подъемного бьефа, а также вызывать размывание грунта при выходе фильтрационного потока в нижнем бьефе;

· верховой откос плотины должен быть защищен от разрушения его льдом и волнами, а низовой выпадающими осадками;

· кроме того, сооружение должно быть экономичным.

I ПОСТРОЕНИЕ ПРОФИЛЯ ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ

Основным вопросом при проектировании плотины из грунтовых материалов является определение ее устойчивого и экономически выгодного профиля. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты (отметки гребня плотины) и ширины, назначения заложения и очертаний откосов плотины, характеристик грунта тела и основания, а также условий строительства и эксплуатации.

Построение профиля земляной плотины сводится к определению высоты плотины Н и определению ширины гребня. Расчетная схема плотины приведена в Приложении 1.

1.1 Определение высоты плотины

Отметка гребня плотины назначается на основе расчета необходимого возвышения его над уровнем воды в верхнем бьефе. При этом рассматриваются два случая стояния уровня воды в верхнем бьефе:

1. Нормальный подпорный уровень (НПУ).

2. Форсированный подпорный уровень (ФПУ).

Высоту плотины в обоих случаях назначают с превышением d над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующем отсутствие перелива воды через гребень.

H = hв + d , м (1)

где hв - расчетная глубина воды в верхнем бьефе,

hв = НПУ - ОСН = 124 - 100 = 24 м

d - превышение над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующего отсутствие перелива воды через гребень плотины

d = h + hн + a , м (2)

где h - высота ветрового нагона воды;

hн - высота наката волн на откос плотины;

а - конструктивный запас, равен 0,5 м;

Высоту ветрового нагона определяем по формуле:

h = Кв * (W2 * A) * cos / g * (hв + …),

где А - длина разгона волны, по условию А = 4000 м;

Кв - квадратичный коэффициент, зависящий от скорости ветра, при W = 30м/с, Кв = 3*10 [1, 2]

Таблица 1

W, м/с	20	30	40	50
*Кв10-6**	2,1	3	3,9	4,8

h = 3*10*(302 * 4000) * cos 40 / 9,8 (24 +0) = 0,035 м

Определяем параметры ветровой волны при НПУ. Для этого вычисляем безразмерные комплексы: и ,

где t - продолжительность действия ветра, принимаемая при отсутствии фактических данных 6 час = 21600 с.

= = 7063,2

= = 43,6

= 2,28 = 1,27

= 0,032 = 0,012

Выбираем наименьшее значение. Выражаем и :

= = = 1,102 м

= = = 3,8 с

Вычисляем среднюю длину волны:

= = 22,56 м

В качестве расчетного уровня при определении возвышения гребня плотины над расчетным уровнем принимаем нормальный подпорный уровень и учитываем высоту наката 1%-ой обеспеченности.

Высоту волны 1%-ой вероятности превышения определяем по формуле

h1% = *ki ,

где ki = 2,08 по графику [4] что соответствует значению комплекса

= 43,6

h1% = *ki = 1,102* 2,08 = 2,29 м

Используя приведенные выше данные, определяем:

К= 0,75, Кн = 0,60; ( по табл. 3.5 [3])

К= 1,5; К= 0,87; К = 1; (по табл. 3.6 [3])

при условии, что = = 9,85; тогда Кнг = 1,4 ([3, 4])

Высота наката:

hн = h1% * К* Кн * К * К * Кнг * К

h = 2,29*0,75*0,60*1,5*0,87*1,4*1 = 1,88 м

Вычисляем требуемое превышение гребня плотины над расчетным уровнем:

d = h + hн + a = 0,035+1,88+0,5 = 2,415 м

Н = 24+2,415 = 26,415 26,4 м

Аппроксимируя по высоте плотины по данным таблицы 10.1 на стр. 309 [4] принимаем коэффициенты заложения откосов m1 и m2

m1 =3,5 m2 = 3

1.2 Определение ширины гребня

Гребень плотины обычно используется для устройства автомобильной или железной дороги, размеры которых назначают, руководствуясь требованиями соответствующих нормативных документов [1, 2]. Основные параметры гребня плотины при устройстве на нем автомобильной дороги приведены в табл. 2

Таблица 2

Категория дороги	Ширина, м
	проезжей части	обочин	разделительной полосы	гребня плотины
I	15,0	3,75	5,0	27,5
II	7,5	3,75		15,0
III	7,0	2,5		12,0
IV	6,0	2,0		10,0
V	4,5	1,75		8,0

Как следует из таблицы при устройстве по гребню автомобильной дороги II категории ширина его должна быть не менее 15 м.

Для отвода поверхностных вод гребню плотины придается односторонний или двусторонний поперечный уклон, а на обочинах устраиваются ливнестоки. В нашем случае принимаем по рекомендациям [4] двусторонний уклон i = 0,015 .

Покрытие проезжей части автодороги выбирается в зависимости от ее категории и укладывается на подготовку из гравийно-песчаного или щебеночного грунта. Если гребень плотины сложен из глинистых грунтов, то для его защиты от промерзания укладывается слой несвязного (песчаного) грунта, толщина которого, включая и покрытие гребня, должна быть не менее глубины промерзания грунта в районе строительства. В сейсмических районах ширину гребня плотины и его превышение над расчетным уровнем воды обычно назначают несколько большим, чем при нормальных условиях эксплуатации, имея в виду возможность дополнительной осадки сооружения при сейсмических воздействиях, а в особых случаях возможность образования волны при обвалах береговых массивов грунта в водохранилище.

В пределах обочин в соответствие с ГОСТ 2.34.57 -79 устанавливается ограждение в виде бетонных столбиков. Со стороны верхнего бьефе может устраиваться сплошной волнозащитный парапет.

II КРЕПЛЕНИЕ ОТКОСОВ

Выбор заложения (крутизны) откосов плотины производится на основе опыта строительства и эксплуатации аналогичных сооружений с учетом физико-механических характеристик грунтов тела плотины и основания, действующих на откосы сил, высоты плотины, методов производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации. Назначенные заложения откосов затем проверяются расчетами статической устойчивости и при необходимости корректируются.

Ориентировочные значения заложений откосов земляных плотин из глинистых и песчаных грунтов при наличии в основании грунтов с прочностью, не меньшей, чем в теле плотины, приведены в табл. 3.6 [4].

Фрагмент таблицы 3.6 [4]

Высота плотины, м	Заложение откосов
	верхового	низового
15… 50	3,0… 4,0	2,5… 4,0

Приведенные в табл.3.6 данные относятся к средним по высоте значениям заложения откосов. В высоких плотинах откосы могут иметь переменное заложение, увеличивающееся сверху вниз, что позволяет запроектировать более экономичный профиль плотины, обеспечивая устойчивость его откосов.

На откосах высоких и средней высоты плотин устраиваются бермы. На верховом откосе бермы устраиваются в конце основного крепления, создавая ему необходимый упор и обеспечивая возможность его осмотра и ремонта, и в местах изменения заложения откоса. На низовом откосе бермы служат для сбора и отвода дождевых и талых потоков, предохраняя тем самым. низовой откос от размыва, а также для обеспечения проезда в период строительства плотины. Иногда по бермам низового откоса могут прокладываться автомобильные или железные дороги. Как правило, бермы устраивают в местах изменения заложения откоса и сопряжения тела плотины со строительными перемычками. Расстояние между бермами по высоте плотины принимается равным 10...15 м.

Ширина бермы назначается не менее 3 м, если по ней предусматривается проезд, и не менее 1...2 м, если проезд не предусмотрен.

На внутренней стороне бермы устраивается кювет, служащий для сбора и организованного отвода дождевых и талых вод.

Крепления откосов. Откосы земляных плотин подвержены разрушающим воздействиям ветровых волн, течений воды, льда,

атмосферных осадков и т.д. Для предотвращения их разрушения предусматриваются соответствующие виды креплений.

Крепление верховных откосов плотин для защиты их от разрушения волнами выполняют из бетонных и железобетонных плит, камня и асфальтобетона.

В нашем случае для защиты верхового откоса земляной плотины от разрушающих воздействий ветра, волн, льда, течение воды, атмосферных осадков и др. факторов применяются бетонные плиты. Крепление из бетонных плит можно осуществлять при любых параметрах волн, возникающих на внутренних водоемах.

Монолитные железобетонные плиты используются для крепления откосов плотин на крупных водохранилищах при высоте волны от 2 до 4м. Швы между плитами могут быть открытыми или закрытыми с уплотнениями в виде резиновых диафрагм, просмоленных деревянных или железобетонных досок. Сборные железобетонные плиты имеют размеры в плане от 1,5 х 1,5 м до 5 х 5 м в зависимости от условий их транспортировки и удобства укладки на откос. В процессе укладки плиты омоноличиваются в секции размером в плане 20х20 м и более. Применяются они обычно при высоте волны до 2,5...3 м.

Примем стандартное значение каждой из плит 1,5 х 1,5 м. Толщина монолитных железобетонных плит может определяться из условия их устойчивости на откосе при воздействии взвешивающего давления воды при откате волны, и проверяют на прочность при обрушении волны на откос [4]. Предварительное значение толщины определяется по формуле

tп = 0,07*hн *3 / l * [w / (c - w)] * (m2 -1) / m

где hн, - соответственно высота и длина волны, = = 22,56 м;

l - длина ребра плиты в направлении, нормальном урезу воды, м;

c, w - соответственно плотность материала и воды, кг/м3;

m - заложение откоса.

После подстановки числовых значений получаем tп = 0,12м

Для сборных плит толщину принимаем на 15% больше [4], то есть

t = 0,13м и с учетом, что толщина плиты на верхней части откоса должны быть t' = 0,5t 0,2 м,

t = 0,2 м

Согласно практическим рекомендациям [4] при толщине 8…20 см плиты изготавливаются на полигонах размерами от 1,5 х 1,5м до 5 х 5м и затем доставляют к месту сборки и укладывают на откосе на сплошном обратном фильтре с шарнирным соединением друг с другом. Все виды креплений верхового откоса плотины укладываются на подготовку в виде обратного фильтра, материал, число слоев и толщина которого выбирается в зависимости от грунта откоса и наличия местных строительных материалов.

Обратный фильтр под каменной наброской и плитами с открытыми швами может состоять из одного слоя разнозернистых материалов или двух слоев материалов с различными по крупности частицами, а также из искусственных водопроницаемых материалов (стекловолокна, минеральной ваты и др.). Под плитами с закрытыми швами, как правило, укладывается однослойный обратный фильтр. Минимальная толщина подготовки 35 см.

Крепление верхового откоса плотины подразделяется на основное (в зоне наиболее интенсивного волнового и ледового воздействий) и облегченное, располагаемое ниже основного крепления.

Верхней границей основного крепления, как правило, является гребень плотины. Нижняя граница основного крепления принимается на отметке, заглубленной на величину Нкр = 2h1% под минимальный уровень воды в водохранилище (УМО). Нижняя граница облегченного крепления принимается на отметке, где донные волновые скорости не превышают размывающих скоростей для грунта откоса плотины. Ориентировочно нижнюю границу облегченного крепления можно принимать на отметке, заглубленной на величину Нкр под нижнюю границу основного крепления.

Часть низового откоса земляных плотин, подверженная воздействию льда и волн со стороны нижнего бьефа, крепится аналогично верховому. Остальная часть низового откоса защищается от разрушения атмосферными осадками, либо посевом трав по слою растительного грунта толщиной 0,2...0,3 м, либо отсыпкой гравия или щебня толщиной 0,2 м.

III ПОДБОР ДРЕНАЖНОГО УСТРОЙСТВА

3.1 Построение графика депрессионной кривой

Дренажные устройства в теле и основании плотины выполняются с целью:

· уменьшения зоны действия фильтрационного потока, что дает возможность повысить устойчивость плотины, ее низового откоса;

· недопущения выхода фильтрационного потока на низовой откос - заглубление депрессионной кривой ниже зоны промерзания;

· ускорения консолидации чистых грунтов и уменьшения парового давления в отдельных зонах плотины или основания.

Плотина относится к категории однородных на водонепроницаемом основании. Поскольку специальных требований к дренажному устройству в условии не оговорено, примем в качестве дренажа трубчатое устройство. Согласно [1] трубчатый дренаж следует применять, как правило, на тех участках плотины, где в период ее эксплуатации вода в нижнем бьефе отсутствует или присутствует кратковременно.

Трубчатый дренаж следует предусматривать из бетонных или асбестоцементных труб (перфорированных) с заделанными или незаделанными стыками, с отсыпкой обратным фильтром.

Сечение дренажных труб следует определять гидравлическими расчетами. Диаметр дренажной трубы следует принимать не менее 200 мм. По длине трубчатого дренажа через каждые 50...200 м устраиваются смотровые колодцы, располагаемые с учетом рельефа местности и требуемых уклонов.

В нашем случае расчет проведем по следующим рекомендованным [2] формулам:

L = * hв = 0,44*24 = 10,56 м

= m / (2m + 1) = 0,44

при соблюдении условия [2], что m = 4 > 2

qТ = Кф* (hв)2/(2* Lp),

где

Lp = L+L = 10,56 + 79 = 89,56 м

Ld = 0,5*qТ / Кф = 1,61м

qТ - расход воды через тело плотины, м/сут;

Кф - коэффициент фильтрации тела плотины, по условиям задания

Кф = 10см/с = 1,1*10 м/сут

qT = 1,1*10 * 242 / 2* 89,56 = 3,54 * 10 м/сут

Y = 2*qT*( L - X + Ld)/Кф

после подстановки значений имеем

Y = 2*3,54*10 * ( 79 - X + 1,61) /1,1*10

в диапазоне от 10 до 80 м получим точки ординат Y на депрессионной кривой (Приложение 2), которую вычерчиваем на миллиметровой бумаге Таблица 3

x	10	20	30	40	50	60	70	80
y	21,3	19,8	18,1	16,2	14,0	11,5	8,3	2,0

Кривую депрессии исправляем визуально [2] в зоне, где

Y hв - qT / Кф,

то есть на участке от 20, 78 м и выше (на рис.1 Приложения 1 пунктирная линия).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 2.06.05-84 Плотины из грунтовых материалов

2. Железняков Г. В, Ибад-заде Ю. А, Иванов П. Л. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. Стройиздат - М.,1983, 543с.

3. Лапшенков В. С. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям. Агропромиздат - М., 1989, 448с.

4. Смирнов Г.Н, Курлович Е. В, Витренко И. А, Мальгина И. А. Гидрология, гидротехнические сооружения. Издательство «Высшая школа» - М., 1988