Проектирование дамбы обвалования из грунтовых материалов для защиты территории от затопления

I. Проектирование дамб обвалования из грунтовых материалов

1.1 Выбор местоположения дамбы обвалования

1.2 Определение отметки гребня

1.3 Конструкция гребня дамбы

1.4 Проектирование откосов грунтовой дамбы

1.5 Предварительная проверка устойчивости откосов по методике ВНИИ ВОДГЕО

1.6 Противофильтрационные устройства

1.7 Дренажные устройства

II. Расчет фильтрации через однородную грунтовую дамбу с ядром и наслонным дренажом

III. Расчет крепления откосов дамбы

3.1 Построение эпюры волнового давления

3.2 Построение эпюры волнового противодавления

3.3 Расчет плит крепления на волновую нагрузку

IV. Расчеты устойчивости дамб обвалования из грунтовых материалов

4.1 Расчет устойчивости низового откоса Заключение

В данном курсовом проекте необходимо запроектировать дамбу обвалования из грунтовых материалов для защиты территории от затопления. Для этого требуется выбрать тип дамбы (земляная, каменная, каменно-набросная). Определить размеры выбранного типа дамбы, конструкции ее тела, противофильтрационных устройств и дренажей. Провести расчет фильтрации через тело дамбы и ее основание с учетом схемы дренажа, противофильтрационных устройств. Проверить устойчивость откосов дамбы с учетом работы основания. Окончательно сконструировать тело дамбы, противофильтрационное устройство (ядро), дренаж (наслонный), установить тип крепления откосов и гребня. Разработать конструкции сопряжения тела дамбы с основанием.

Также необходимо начертить генплан дамбы обвалования, продольный профиль по оси дамбы, поперечный профиль дамбы с деталями конструкций.

I. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДАМБЫ ОБВАЛОВАНИЯ ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Выбор местоположения дамбы обвалования

Выбор схем обвалования определяется на основании технико-экономических проработок возможных вариантов с учетом природных условий местности и важности ограждаемой территории в водохозяйственном и культурном отношениях.

1.2 Определение отметки гребня

Отметку гребня грунтовой незатопляемой дамбы определяют из условия полного исключения перелива воды через него при накате волны на откос и ветровом нагоне по формуле:

где РУВ отметка расчетного уровня воды в реке или водохранилище, принимается равной для водохранилищ нормальному подпорному уровню (НПУ) или форсированному подпорному уровню (ФПУ), а для рек уровню воды в реке во время весеннего половодья или паводка; ?hs превышение гребня дамбы над расчетным уровнем воды.

Превышение гребня дамбы над расчетным уровнем воды можно определить как где? hset — высота ветрового нагона волны, м; hrunl% - высота наката волны на откос обеспеченностью 1%; а — запас возвышения гребня дамбы, определяемый как, а =0,1 h1% >0,5 м. Высота ветрового нагона определяется следующим образом:

м где Kw — коэффициент, зависящий от скорости ветра, принимается по табл. 5 [4]; Vw расчетная скорость ветра, м/с; L длина разгона волны, м;

бщ — угол между нормалью к дамбе и направлением господствующего ветра, град.;

d1 — глубина воды перед дамбой со стороны реки или водохранилища, м, где Ос.д. — отметка основания дамбы.

Высота наката волны на откос определяется по формуле:

где ф Ос.д. отметка основания дамбы.

где ф Ос.д. отметка основания дамбы.

где Кг =1, Кр=0,9 — коэффициенты, зависящие от типа и шероховатости крепления напорного откоса, принимаются по табл. 6 [4]; Ksp=1,38 — коэффициент, зависящий от скорости ветра и коэффициента заложения напорного откоса m, принимается по табл. 7 [4]; Кrun=1,6 — коэффициент, зависящий от пологости волны (л/h) и коэффициента заложения напорного откоса m1 принимается по графику рис. 10 [4]; h1% - высота волны обеспеченностью 1%,

где h средняя высота волны, м, определяется согласно п. 13 приложения 1 [4]; К1% коэффициент, принимаемый по графику рис. 2 приложения 1.

По приложению 1 [4], определяем:

Тогда длина волны равна:

1.3 Конструкция гребня дамбы

Ширину гребня дамбы назначают в зависимости от условий производства работ, категории и типа дороги, проходящей по гребню, но не менее 4,5 м. Ширина земляного полотна (в данном случае совпадает с шириной гребня дамбы) в зависимости от категории автомобильной дороги определяется по табл. 4.

В целях безопасности движения по краям гребня устраивают ограждения в виде перил или надолб.

Категория дороги по заданию III:

Ширина земляной дамбы — 12 м;

Ширина проезжей части — 7 м;

Ширина полосы движения — 3.5 м;

Количество полос движения — 2;

Ширина обочин — 2.5 м.

1.4 Проектирование откосов грунтовой дамбы

Заложения откосов грунтовых дамб принимают из условия их устойчивости с учетом действующих на откос сил, физико-механических свойств грунтов тела дамбы и основания, способа возведения, конструктивных особенностей и высоты дамбы. Для предварительного назначения заложения откосов можно использовать данные, приведенные в табл. 6.3, 6.4, 7.1 (при высоте сооружения более 10 м).

Так как высота дамбы Нд=6,72 м то примем m1=2.5, m2=2.0.

Крепление низового откоса для защиты его от атмосферных воздействий выбирают в зависимости от материала низовой призмы тела дамбы. Для крепления низового откоса из песчаных и глинистых грунтов применяют посев трав по растительному слою толщиной 0,2−0,3 м, отсыпку щебня или гравия толщиной 0,2 м и другие виды облегченных покрытий.

Для защиты верхового откоса земляной дамбы от разрушения течением, волнобоем и льдом также предусматривается крепление. В данном КП принято крепление откоса ЖБ плитами. Размеры плит определены в разделе 3, данного КП.

Крепление откосов монолитными и сборными бетонными и железобетонными плитами устраивают при высоте волны более 1,5 — 2,0 м и скорости воды более 2−3 м/с. Плиты принимают прямоугольной формы. Крепление откосов сборными железобетонными плитами проектируют с омоноличиванием их в секции. Размеры плит устанавливают в пределах от 1,5×1,5 м до 5,5×5,5 м и толщиной 10−20 см.

Обратные фильтры под каменной наброской, плитами с открытыми швами или со сквозными отверстиями выполняют из йодного слоя разнозернистого материала или двух слоев из материалов с различными по крупности частицами (по типу обратного фильтра). Под обратными фильтрами на откосах из глинистых и мелкозернистых песчаных грунтов укладывают песчаную подготовку. Под монолитными или сборными плитами с уплотненными швами или замоноличенных в секции укладывают однослойный обратный фильтр. Толщина подготовки зависит от толщины плиты, материала тела дамбы, высоты волны и скорости водного потока.

1.5 Предварительная проверка устойчивости откосов по методике ВНИИ ВОДГЕО

При предварительной проверке устойчивости откосов пользуются графиками ВНИИ ВОДГЕО. Данные, необходимые для расчета, принимают по табл.

Задавшись коэффициентом запаса на устойчивость уn=1,15, для 3 класса капитальности (соответствует коэффициенту надежности по ответственности сооружения, который определяется по табл. 9 [10]), находят соотношение где с=0,8 — удельное сцепление грунта тела дамбы, т/м2; р=2,05 — плотность грунта тела дамбы, т/м3; Нд=6,72 — высота дамбы, м.

Пользуясь полученным значением и величиной угла внутреннего трения грунта тела дамбы, по графику (рис. 1.3) находим безопасный угол наклона откоса 0 = 670 и сравнивают с принятым углом а=26,60 для проектируемой дамбы (m2 = ctg а2). Получаем, что безопасный угол наклона больше принятого угла, следовательно, можно продолжать дальнейшие расчеты, не меняя коэффициент заложения откоса.

1.6 Противофильтрационные устройства

Противофильтрационные устройства (ПФУ) выполняют из слабоводопроницаемых грунтов (глинистых, суглинистых, супесчаных, глинобетона) или негрунтовых материалов (бетона, железобетона, полимеров, асфальтобетона и др.). Грунт для ПФУ принимается такой, у которого коэффициент фильтрации был бы в 50−100 раз меньше коэффициента фильтрации грунтов основания.

В дамбах в качестве ПФУ принимаем ядро из грунтовых материалов.

Толщину грунтового ядра по верху назначают из условия производства работ, но не менее 0,8−1,0 м, а по низу — в пределах (0,2−0,5)НС, но не менее 2,5−3 м, где Нснапор воды на дамбу.

Отметка гребня грунтового ядра после окончательной осадки дамбы должна быть равна где hset, — высота ветрового нагона.

Участки экрана, ядра и понура, на которых возможны промерзание, высыхание и размыв, покрывают защитным слоем несвязанного грунта толщиной не менее глубины промерзания.

1.7 Дренажные устройства

Дренажные устройства в теле и основании дамбы выполняют с целью приема и организованного отвода профильтровавшей воды; исключения фильтрационных деформаций грунтов; предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию (что позволяет повысить устойчивость низового откоса); ускорения консолидации илистых и глинистых грунтов и уменьшения порового давления в отдельных зонах дамбы или основания.

Все дренажи дамб состоят из приемной и отводящей частей. Приемную часть выполняют в виде обратного фильтра из слоев песка, щебня и гравия, отводящую — из более водопроницаемого материала (наброски из камня, галечника или дренажных труб).

Размеры дренажей определяют с помощью гидравлических и фильтрационных расчетов с учетом возможности их выполнения в производственных условиях современными техническими средствами.

Наслонный дренаж применяют при дефиците камня. Толщину его вместе с обратным фильтром назначают из условия производства работ, но не менее величины, определяемой по формуле:

где ds85 =120мм=0,12м — диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 85% массы грунта дренажа; tf =2*0,15=0,3 м — толщина обратного фильтра.

Примем толщину грунтового ядра по верху 1 м, а по низу 2,5 м.

II. РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИИ ЧЕРЕЗ ОДНОРОДНУЮ ГРУНТОВУЮ ДАМБУ С ЯДРОМ И НАСЛОННЫМ

Фильтрационные расчеты тела дамбы и основания проводят с целью определения их фильтрационной прочности, устойчивости откосов и обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций дамбы, ее противофильтрационных и дренажных устройств. При этом находят положение поверхности фильтрационного потока (депрессионной поверхности) в теле дамбы, величину фильтрационного расхода через тело дамбы и ее основание, напоры (градиенты напора) в различных точках фильтрационного потока (на выходе его в дренаж, на низовой откос и др.).

Расчет фильтрации производят «виртуальным» способом, предложенным Н. Н. Павловским. Сущность этого метода заключается в том, что дамбу с ядром приводят к профилю однородной дамбы с наслонным дренажом по способу виртуальных длин. При этом толщину действительного ядра заменяют толщиной приведенного (виртуального) ядра, используя зависимость где спр — приведенная толщина ядра, м; Кт =5м/сут и Кя =0,4м/сут— соответственно коэффициенты фильтрации грунта тела дамбы и ядра; сЯ — средняя толщина действительного ядра, м, определяемая по формуле:

здесь св и сн — соответственно толщина ядра поверху и понизу, м.

Определив приведенную толщину ядра, получаем поперечное сечение однородной приведенной дамбы с коэффициентом фильтрации грунта тела дамбы Кт.

Ширину гребня приведенной дамбы определяют по зависимости:

где bгр — ширина гребня действительной дамбы с ядром, м, Ширину основания приведенной дамбы определяют по зависимости:

где В — ширина действительной дамбы с ядром по основанию Дальнейший расчет фильтрации проводим соответственно как для однородной дамбы с наслонным дренажом.

Расстояния L2, L3, L и L1 вычисляют соответственно по следующим формулам:

А удельный фильтрационный расход находим по выражению:

Тогда высоту выклинивания кривой депрессии в наслонный дренаж находим по уравнению:

где величина определяется по формуле, a f (m2) по зависимостям:

при m2>1, то f(m2)=0.5+m2

при m1<1, то f(m2)=0.7+0.8m2

Ординатами кривой депрессии задаемся по уравнению:

Задаваясь значениями х в пределах от 0 до L1 по уравнению определяем соответствующие им значения у. По полученным точкам строим кривую депрессии.

Ш. РАСЧЕТ КРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ ДАМБЫ

3.1 Построение эпюры волнового давления

При коэффициенте заложения напорного откоса, находящегося в пределах 1,5 < m1 < 5, максимальная ордината эпюры волнового давления Pd вычисляем по формуле:

где Ks — коэффициент, зависящий от высоты волны обеспеченностью 1%, средней длины волны м коэффициента заложения напорного откоса, определяется по формуле; Кf = 1,03 — коэффициент, зависящий от пологости волны, принимается по табл. 10 [4]; Рrel = 2,7 — максимальное относительное волновое давление на откос, кПа, принимается по табл. 11 в зависимости от высоты волны 1%-ной обеспеченности (h1%); р — плотность воды, т/м3.

Для построения эпюры волнового давления также определяем значения ординат в точках 4 и 5, которые принимаются равными: 0,4 Pd = 0,4*32,3=12,92 кПа, и в точках 6 и 7, принимаемые равными 0,1 Pd = 0,1*32,3=3,23 кПа.

Построение эпюры производится следующим образом. Ордината z2 точки приложения максимального волнового давления Рd, на откос (т. 2) вычисляется по формуле:

где А, В — величины, определяемые из уравнений:

Ордината z3 (т. 3) принимается равной величине высоты наката на откос волны 1%-ной обеспеченности (hrun1%).

На участках крепления по откосу выше и ниже т. 2 следует принимать ординаты эпюры волнового давления Р на расстояниях:

для Р = 0,4 Pd: I1= 0,0125*Lц=0,0125*18,4=0,23

I3= 0,0265 Lц =0,0265*18,4=0,49

для Р = 0,1 Pd: I2=0,0325 Lц=0,0325*18,4=0,598

I4= 0,0675 Lц=0,0675*18,4=1,242

где Lц — величина, определяемая по формуле

3.2 Построение эпюры волнового противодавления

Эпюра волнового противодавления на откос при 1,5 < m1< 5, укрепленный сборными или монолитными железобетонными плитами, принимается:

Ординаты эпюры волнового противодавления Рс на плиты крепления откосов следует определять по следующей формуле:

где ks и kf— коэффициенты, определяемые в соответствии с п. 3.1; Рс, геl — относительное волновое противодавление, принимаемое по графикам рис. 12 в зависимости от отношений bf/л и x/л; bf =3 м— длина плиты по откосу, м, определяемая как bf = (2−4)h1%=(2.2−4.4)=3м

л — средняя длина волны, м, вычисляемая по формуле (151) [4];

х — расстояние, от оси OZ до точки, в которой определяется значение эпюры волнового противодавления.

Ось ОХ проводится по откосу, а ось OZ — перпендикулярно откосу через точку пересечения расчетного уровня воды с откосом. Для точек, расположенных правее оси OZ, отношение x/л, принимается отрицательным.

при х1=1,5;

при х2=4,5;

при х3=7,5;

дамба обвалование грунтовый при х4=10,5;

при х-1=1,5;

при х-2=4,5;

3.3 Расчет плит крепления на волновую нагрузку

Размеры плит в плане принимаются по конструктивным соображениям или с учетом производства работ по укладке бетона на откос. Если плиты не связаны между собой арматурой, то каждая плита воспринимает действующее на нее противодавление. При этом находится толщина каждой плиты из условия устойчивости на действие волнового противодавления по формуле:

где Рс — волновое противодавление, действующее на данную плиту, кПа;

m1 — коэффициент заложения напорного откоса; рпл и рв — соответственно плотность материала плиты и воды, т/м3; g = 9,81 м2/с — ускорение свободного падения.

Толщина первой плиты:

Толщина второй плиты:

Толщина третьей плиты:

Толщина четвертой плиты:

Толщина пятой плиты:

Если плиты связаны между собой и образуют тюфяк, то действующее на каждую плиту волновое противодавление они воспринимают совместно. В этом случае толщину плиты рассчитывают по формуле:

где Рсср — среднее значение противодавления, определяемое по формуле где Рс1, Рс2, Рс3, — значения волнового противодавления, действующего на отдельно взятую плиту, кПа;

n — количество плит в секции, n=5.

По величине волнового давления производится проверка толщины плит крепления и, при необходимости, их армирования.

IV. РАСЧЕТЫ УСТОЙЧИВОСТИ ДАМБ ОБВАЛОВАНИЯ ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для расчета устойчивости откосов земляных дамб предложено несколько методов, основанных на двух разных теориях: теории «предельного равновесия», согласно которой считается, что во всех точках сдвигающейся массы грунта существует предельное равновесие, и теории, которая основывается на использовании модели отвердевшего отсека обрушения грунта.

В инженерной практике чаще применяют вторую теорию. В основу расчета по этой теории положены следующие соображения и допущения:

а)поверхность обрушения, по которой под действием собственного веса грунта может произойти его сползание, принимается кругло-цилиндрической, описанной радиусом из центра вращения;

б)сползающая масса отсека обладает как силой трения, так и силой сцепления.

4.1 Расчет устойчивости низового откоса

Сползание призмы обрушения будет иметь место в том случае, если сумма моментов сдвигающих сил Мсд будет больше суммы моментов удерживающих сил Муд. Перенеся условно все действующие силы на кривую скольжения и записав моменты относительно точки О, можно определить коэффициент запаса на устойчивость:

где уп=1.15 — коэффициент ответственности сооружения, принимаемый в 'зависимости от класса капитальности по табл. 9 [5]; уfc=1.0 — коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый по табл. 10 [3]; ус=1.0 — коэффициент условия работы, принимаемый по табл. II [3]; F — площади фильтрационных потоков; I — градиенты фильтрационного потока соответственно в площади F; г — плечо силы FI относительно центра кривой скольжения; R — радиус кривой скольжения; с=0,8 МПа — удельное сцепление грунта, принимаемое в зависимости от рода грунта и его влажности; ц— угол внутреннего трения грунта.

Порядок расчета

Вычерчиваем поперечный профиль дамбы.

2.Многоугольник Ocdba, в пределах которого находятся центры наиболее опасных поверхностей скольжения, строим следующим образом. Из точки С, как из середины осредненного откоса, проводим вертикальную линию CD и линию СЕ под углом 85° к откосу. Из точек, А и В, как из центров, проводим две дуги окружности с радиусом R до пересечения в точке О. Радиус R определяем по формуле:

где Rв и Rн — соответственно верхний и нижний пределы радиуса поверхности скольжения, принимаются по табл. 9.1.

Проведя из точки С дугу радиусом R1 = 0,5 ОС до пересечения с линиями CD и СЕ, получаем искомый многоугольник Ocdba (заштрихованный).

Чаще всего центры наиболее опасных поверхностей скольжения располагаются по линии bО.

При расчете дамб из несвязанных грунтов центры наиболее опасных поверхностей скольжения располагаются вблизи точки О, а при расчете откосов из грунтов, обладающих сцеплением, удаляются от нее.

3. В пределах многоугольника Ocdba выбираются центры кривых скольжения (не менее 3 точек). Из выбранных центров произвольным радиусом R проводят кривые таким образом, чтобы они проходили в пределах низового откоса, захватывали гребень дамбы и часть основания.

4.Призму обрушения, ограниченную кривой скольжения и внешним очертанием дамбы, разбиваем на п отсеков шириной b=0,1*R. Разбивку на отсеки начинают с нулевого, середина которого располагается на вертикали, проходящей через точку, из которой проведен радиус кривой скольжения. При этом отсеки, находящиеся справа от нулевого, берутся отрицательными, слева — положительными. В этом случае величины sinб оказываются равными 0,1 от порядкового номера отсека с соответствующим знаком.

Для точки 1: R=12,8 м, тогда b =0,1*12,8=1,28 м

Для точки 2: R=13,37 м, тогда b =0,1*13,37=1,337 м

Для точки 3: R=14,29 м, тогда b =0,1*14,29=1,429 м

5. Все расчеты по определению коэффициента устойчивости сводятся в таблицах.

Высоту отдельных зон грунта в отсеках hecт, hнас, hoc определяем графическим путем по оси отсека. При наличии неполных отсеков их высоту находят по площади данного отсека и его известной ширине. Здесь hecт, hнас, hoc — соответственно высоты отсеков грунта естественной влажности, насыщенного водой, и основания.

Приведенную высоту отсека находим по формуле:

где рect, рнас, рос — соответственно плотности грунтов естественной влажности, насыщенных водой, которые вычисляются по формулам:

здесь п=0,3 — пористость грунта; рв — плотность воды, т/м3.

Для точки 1:

Для точки 2:

Для точки 3:

Длину кривой скольжения L для каждого отсека определяем графически.

9. Угол внутреннего трения и удельное сцепление в грунте принимаем по зонам. Для участка кривой скольжения, проходящего в грунте тела дамбы выше кривой депрессии, соответственно будут ц1 и с1 ниже кривой депрессии — ц2 и с2, в грунте основания — ц 3 и c3 .

10. Вычисляется площадь фильтрационного потока:

Для точки 1: F=22.88 м2

Для точки 2: F=19,66 м²

Для точки 3: F=22.23 м2

11. Находятся градиенты напора в соответствующих зонах фильтрационного потока:

Для точки 1: I1=1.27/10.73=0.1183 м2

Для точки 2: I1=1.2/9.85=0.122 м2

Для точки 3: I1=1.8/9.63=0.187 м2

где ?h и ?l— параметры фильтрационного потока в зоне оползаемого массива GKLM (?h — потери напора по длине? l);

Плечо г соответствующей гидродинамической силы фильтрационного потока определяем графически.

Для точки 1: r=11.6 м

Для точки 2: r=12.26 м

Для точки 3: r=13.2 м

Коэффициент запаса на устойчивость откоса находим по формулам.

Для точки 1:

Для точки 2:

Для точки 3:

14. Для определения минимального коэффициента запаса на устойчивость откоса необходимо задаться несколькими кривыми скольжения и для каждой найти вышеуказанный коэффициент.

15. Минимальный коэффициент запаса на устойчивость Кs при соответствующем сочетании нагрузок не должен превышать величины уп yfc/yc с более чем на 10%, если это не обусловлено особенностями сооружения.

В данном КП минимальный коэффициент запаса Ks=1.55, что превышает величины уп yfc/yc более чем на 10%, следовательно, даем рекомендации на уменьшение коэффициента запаса.

Заключение

В данном курсовом проекте была запроектирована дамба обвалования из грунтовых материалов для защиты территории от затопления. Также были определены размеры дамбы и противофильтрационных устройств, произведен расчет фильтрации через тело дамбы и ее основание. Были проверены откосы на устойчивость.

Выполнены следующие чертежи: генплан дамбы обвалования, продольный профиль по оси дамбы, поперечный профиль дамбы (масштаб 1:200) с деталями конструкций.

Список использованной литературы

Гидротехнические сооружения: Справочник проектировщика/ ГВ. Железняков, Ю.А. Ибад-Заде, П. А. Иванов и др.; Под общ. ред. В. П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983.

СНиП 2.05.02−85. Автомобильные дороги / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

СНиП 2.06.01−86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987.

СНиП 2.06.04−82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983.

СНиП 2.06.05−84 Плотины из грунтовых материалов / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

Проектирование дамб обвалования из грунтовых материалов для защиты территорий от затопления: Методические указания/ Сост.: А. П. Назаров, А. А. Смывалов; Самарск. гос.арх.-строит. акад. Самара, 2004.