Крепление откосов. Верховые (напорные) откосы

Для защиты откосов от волнового воздействия применяют защитные покрытия или же уполаживают его. В качестве временной меры для гашения волн в низконапорных плотинах при малой волне иногда используют плавучие плотики перед откосом.

Обычно верхней границей крепления откоса является гребень, но в случае, когда превышение гребня значительно выше высоты наката волны, то верхней границей основного крепления является граница наката волны , а выше до гребня располагают облегченное крепление.

Расчетный уровень, при котором определяют , является наихудшим из случаев: а) форсированный уровень верхнего бьефа и нагон при 50% обеспеченности; б) нормальный подпорный уровень и нагон при 1% обеспеченности для сооружений I и II классов и 3% обеспеченности для.сооружений III и IV классов.
Таким образом, верхняя граница основного крепления

                                     ,                                   (15.1)

где  - превышение основного крепления над расчетным уровнем воды в водохранилище;  - высота ветрового нагона, см. (2.13).

Нижняя граница основного крепления располагается на глубине , от уровня сработки водохранилища. Ниже этой границы располагается облегченное крепление.

Каменное крепление в виде наброски или мощения устраивается обязательно по слою подготовки в виде обратного фильтра. Толщина обратного фильтра требуется не менее 15 см (каждого слоя) и иногда достигает общей толщины 60 см, как это устроено, например, на Каховском водохранилище. Каменное крепление устраивается при высоте волны до 2,5 м при наличии хорошей с точки зрения прочности ( МПа), морозостойкости (более 50 циклов), объемного веса ( кН/м³) и требуемой крупности камня.

При заложении откоса  расчетный вес камня, устойчивого против разрушающего действия волн, согласно СНиП II-57-75 можно определять по формуле

                            ,                             (15.2)

где  - коэффициент, равный для бетонных массивов 0,021 и каменной наброски 0,025; -объемный вес отдельных камней или массивов;  - объемный вес воды;  - заложение откоса;  - соответственно расчетные значения высоты и длины волны.

Переход от веса камня к размеру, приведенному к шару (), можно определить по формуле

                                     .                              (15.3)

В наброске рекомендуется применять несортированный камень, при этом максимальный размер камня в наброске не ограничивается, но количество камней расчетного и большого размеров не должно быть менее 50% от общего количества камней. Получающаяся в результате учета волнового воздействия толщина наброски камня должна быть достаточной и для защиты от размыва фильтра и тела плотины, т. е. при несортированном камне  равно не менее , а при наличии сортированного камня - не менее .

На рис. 15.1 показана возможная конструкция крепления верхового откоса каменной наброской. Каменная наброска является надежным гибким креплением, выполняемым механизированными способами в любое время года.

Каменное мощение, по слою гравийной или щебенистой подготовки требует значительно меньше камня; его толщина определяется формулой

                                                   (15.4)

(все обозначения прежние).

При этом необходимы подобранные штучные камни, и крепление менее гибко, чаще разрушается, требует большей затраты ручного труда. Это крепление применяют при малой высоте волны и наличии дешевого камня.

Расчет обратных фильтров следует проводить из условия невымывания волной более нижнего слоя через поры вышележащего, при этом можно пользоваться рекомендациями.

Рис. 15.1 Пример крепления откоса каменной наброской:
1 - обратный фильтр; 2 - гравий или щебень (толщина слоя 0,3 м) 

Рис. 15.2 Крепление откоса большими железобетонными плитами:
а -план крепления; б - низовой конец крепления; в - обратный фильтр под швом; 1, 2 - легкое крепление за пределами наката волны; 3 - бетонная берма; 4 - плита; 5 - железобетонный тюфяк; 6 - обратные фильтры; 7,8 - швы; 9 - дренажные отверстия; 10 - арматура; 11 - пригрузка

Бетонные и железобетонные крепления выполняются в виде монолитных плит, бетонируемых на месте (рис. 15.2), или сборных плит (рис. 15.3).

Монолитные плиты толщиной от 15 до 50 см имеют размеры от 5х5 до 20х20 м и более, швы между ними бывают открытые и закрытые. Сборные плиты делают толщиной от 84-10 до 15-20 см и размерами от 1,5x1,5 до 5x5 м в зависимости от имеющегося подъемного оборудования. Их укладывают на сплошном обратном фильтре с шарнирным соединением между ними. Небольшие плиты могут на месте объединяться в более крупные (от 10х10 до 20x20 м и более), образуя сборно-монолитные плиты путем замоноличивания (бетонирования) швов, как показано на рис. 15.3, г. Швы между большими плитами уплотняют асфальтобетоном или фасонной резиной, что сообщает креплению известную гибкость, необходимую для сохранения его работоспособности при возможных деформациях откосов в результате осадки сооружений.

Размеры плит и их армирование назначают по расчету. Железобетонное покрытие испытывает динамическое давление волн (см. гл.2), а при откате волны – фильтрационное противодавление со стороны откоса, стремящееся приподнять крепление.

Рис. 15.3 Крепления откоса сборными железобетонными плитами:
а - разрез крепления; б - шарнирное соединение плит; в - соединение плит с помощью особых стержней, служащих для захвата их стропами; 1 - плита; 2- заполнение шва асфальтобетоном; 3 - сварка; 4 - арматура; 5 - упорная призма

Распределение противодавления показано эпюрой на рис. 15.4; максимальное значение  приложено приблизительно на глубине от уровня покоя  (более точно СНиП II-57-75):

                                     .                   (15.5)

Рис. 15.4 Волновое воздействие на откос:
1 - эпюра распределения скоростей; 2 - эпюра волнового давления при обрушении волны; 3 - эпюра волнового противодавления;  - напряжение скорости струи при обрушении волны

Прочность плиты (как балки на упругом основании)  рассчитывают по величине наибольшего изгибающего момента от динамического давления волны, по которому подбирается арматура (обычно 0,4-0,6% армирования).

Толщину монолитной плиты проверяют расчетом против всплывания всей плиты целиком от точки  до  под действием противодавления

                            ,                   (15.6)

 
где  - толщина плиты; В - длина плиты по нормали к урезу воды;  - коэффициент запаса; .
Исследования устойчивости покрытия из сборных плит показали, что наибольшему взвешивающему давлению подвержены плиты, расположенные по линии уреза воды; расчетная величина нагрузки в ряде случаев обусловливается действием волн, не обладающих предельным запасом энергии; существенное влияние на взвешивающее давление оказывает аэрация потока с объемным весом воды  кН/м³ ( г/см³). В. С. Шайтан предложил зависимость для определения толщины плиты на откосе с учетом, аэрации потока

                            .                (15.7)

где  -средняя высота волны (50% обеспеченности);  приведенная длина ребра плиты;  - объемный вес бетона;  - коэффициент полноты нагружения; В - длина ребра плиты, нормального урезу воды.

	1	1,24-1,5	2,2-2,8	3,5-4,3	5-6
	1	0,75	0,67	0,6	0,5

Необходимо отметить, что из бетонных покрытий наибольшее распространение получили монолитные плиты. Выбор типа бетонного или железобетонного покрытия зависит от многих факторов. Если не ожидается значительных деформаций откоса, то лучше применять крупные монолитные плиты; если ожидаются деформации откоса, предпочтительней покрывать его плитами меньших размеров, сборными или сборно-монолитными. На выбор типа влияют также сроки выполнения крепления и производственные возможности строительства; при выборе важно технико-экономическое сопоставление вариантов.